太陽能綠色能源的應用及其發展研究★

季秋玲 張 亮 吳 敵 郭 楷

(揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225000)

0 引言

人們日常生活所需隨著經濟發展而變得越來越豐富。在我國主要是由煤炭等不可再生能源產電產熱，不可再生能源隨著高速發展而消耗迅速，因此可再生綠色能源的充分利用更加迫切。太陽能能源的普遍、無害、巨大和長久等特點受人們廣泛關注，通過太陽能性能轉化研究，研制出太陽能熱水器、太陽能電池、太陽能瓷磚和太陽能無線監控等多種便民產品，讓我們的生活更加節能環保。

1 太陽能概述

1.1 太陽能由來

太陽中含有氫原子，它能將氫和氦熔合釋放核能，最后從太陽輻射能中產生太陽能。根據有效數據統計，即使太陽輻射到地球的能量只有總輻射能量的幾十億倍，但相對于人類而言，其每秒輻射的能量可達幾百萬噸煤。地球上絕大部分能源從根本上說來自于太陽，比方說遠古時代埋藏在地下的動植物通過長期的地質變化而儲存的能量如煤炭等，以及風能、水能等。

1.2 太陽能發電

法國科學家貝克雷爾經過探索，在1839年提出太陽光能夠在半導體材料的不同部分產生電位差的發現，這種現象被稱為“光生伏打效應”或“光伏效應”。百年后，在美國出現了光伏發電技術，原因在于科學家恰賓和皮爾松在貝爾實驗室率先研制出適用的單晶硅太陽能電池，如圖1所示。

1.3 太陽能供暖

太陽能供暖系統利用集熱器收集到的太陽輻射轉換為熱能進行能力供應，見圖2。從實際來看，把水作為傳熱介質和儲熱介質，通過集熱器轉化而成的熱能，送入所需之地供暖的流程。主要組成部分有集熱器、儲熱水箱、連接管路、輔助熱源、散熱部件及控制系統。

在晴天狀態下，循環控制系統通過檢測集熱板的溫度與儲熱水箱相差定值時采用水泵進行循環，將收集的熱量轉入高溫儲水箱加熱，并能夠儲存保溫，作為備用。在進行供暖模式下，啟動時首先進行安全檢查，當檢測達標后，熱能轉換器啟動會取熱水，當熱水的熱量達到一定值以后，溫度傳感器會有反應，從而啟動水泵進行能量交換。熱水輸出的同時，冷水輸入，經換熱后再輸出，當系統檢測到高于設定值時，進入待機狀態，低于設定值時再二次加熱，至此能夠保證即時提供設定溫度。

2 太陽能的作用及特點

2.1 太陽能的作用

2.1.1減小化石燃料使用

隨著科學經濟的高速發展，人們的生活水平也大步提高，電量、熱量等需求也成為每個家庭必不可少的使用。據統計，中國是可再生能源全國第一投資大國，作為節能減排措施的一部分，到2020年，中國計劃實現太陽能發電110 GW，足夠滿足3 000萬戶家庭的電力需求。到2030年，中國計劃將非化石燃料在總燃料使用的比例由目前的13%提高到20%。報道稱，過去十年來，中國不斷加快減少對煤炭及其他化石燃料的使用，并不斷增加太陽能發電等清潔能源發電規模。

2.1.2減緩用電緊張

2010年下半年，為實現我國部分地區的節能減排目標，電荒問題引起了國內乃至國際的關注。電力緊張的影響正在擴大。在物價飛漲的現代，人們日需滿足的高額用電量也花銷不少。所以加大電力和可再生資源的開發是解決用電緊張的主要途徑。太陽能瓷磚將其吸收的太陽能轉化為部分有效電能，即可供小功率家電的使用，能有效減緩用電壓力，促進社會可持續發展。

2.1.3有效供熱

當代太陽能熱技術利用收集太陽光，轉換能量使之產熱水、蒸汽和電。除此以外，建筑物在設計中加入有效裝置，也能達到采光收能的效果，譬如南面的巨型窗戶裝有能夠汲取太陽熱量的相關材料，也就是初步意義的太陽能瓷磚。

太陽能瓷磚將部分的太陽能轉化為熱能，再利用熱能加熱水，供人們部分生活用水需求。在減少用電量的同時，還能減少等待時間，持續擁有熱水效果。這在時間嚴格管理的時代，自己的時間效率也能有效提高。

2.2 太陽能的特點

2.2.1普遍

太陽光充足，普遍，也很容易得到。它有直接獲得、收集、開發和使用的特點，此外不受地區的限制，海洋陸地還是山區盆地都可。與化石燃料相比，太陽能的這點特性節省大量的人力財力。例如，在煤礦使用前，必須開挖隧道，挖掘的深度的提高，其投資額也會直線上升;之后還需鐵路運輸，由于存在產地分布不均的問題，需要運輸工具將煤礦送到全國各地，這也曾經占據了全國鐵路的1/3。而太陽能就不存在這樣的弊病。

2.2.2綠色

以往科技的發展大多數總是帶來環境污染，而太陽能能源的利用能夠安全衛生，不存在污染環境的問題，也是最清潔的能源之一。當前人們所運用的化石燃料如煤炭、石油等既污染當地環境，又污染大氣水源，還同時對動植物的健康問題存在影響。而處理污染所需經費也非常巨大，這對太陽能而言，絲毫沒有這樣的問題。

2.2.3能量巨大

雖然太陽輻射到達地球的能源相對于總的輻射能量非常微小，但對于人類而言已經是巨大，直觀一點講，每秒照射到地球的能量相當于燃燒500萬t煤，乘以36億t煤5 d一年的能量就大概是燃燒1 300億t煤，而每年可供人類使用的太陽輻射是第一顆原子彈爆炸的能量，也就是20 000 t的量，兩者相比，可見微乎其微。

2.2.4取之不盡

根據恒星演化理論，儲氫可以延續數百億年。雖然按照天文觀測結果，太陽系的存在時間相對于地球而言是恒久，換句話說太陽能是用之有余的。同時也不需要擔心和地球上的化石燃料會在幾百年內完全耗盡。

3 太陽能的應用

3.1 太陽能熱水器

太陽能熱水器是把光能有效轉化為熱能的裝置，主要利用熱浮冷沉的原理循環，達到提供熱水的效果，滿足人們日常生活所需。我國市場主要存在真空管太陽能熱水器和平板太陽能熱水器這兩種，用的比較多的還是真空管太陽能熱水器。

3.2 太陽房

太陽房有關概念最早是由美國提出的，采用各種有關材料如隔熱性能、儲存性能、透明性能、強度性能等和建筑物有效融合，最終達到建筑高效吸收太陽能的效果，有著節能且取暖的顯著特點。不管是國內還是國外，都在不同程度地推行太陽房政策，不斷推進可持續發展方向的進程。

3.3 光伏產業

3.3.1國內發展

漢能集團研制了一種太陽能瓦片，稱為單玻漢瓦。本產品把柔性薄膜太陽能技術和高強度高透明玻璃應用其中，使兩者有效融合。此外，采用C型卡槽結構，使用三點受力結構設計，具有抗拉、抗風、堅固、承受打擊性強等特質。根據有效數據統計，1 m2漢瓦能夠產生最高80多瓦的功率，為構建綠色經濟貢獻一份力。

3.3.2國外發展

1)在日本，有公司革新了太陽能瓷磚，使之能夠在發電效率上大大提高。這類產品創新的主要方面是其生產工藝：事先由磷硅酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃為基材的涂層劑涂在坯體表面，然后復合多層有機硅層、氧化錫或氧化銅透明導電膜和防反射保護膜，同時設立如導線可以和導電膜連接的裝置。這種瓷磚還能應用于建筑物的外墻面和屋頂是因為無釉層的特點。

2)丹麥的一所國際學校的新校區在外墻面和屋頂安裝一萬多塊的彩色光伏瓷磚。本產品是經過多年的探索改良，由瑞士洛桑聯邦理工學院成功研制，其特點在于顏色是某種特殊的過濾器產生的效果。據統計，該技術每年可以發電30萬kWh，能達學校大半的用電需求，有效緩解用電緊張。

太陽能的具體應用見圖3，圖4。

4 結語

人類社會快速發展，能源問題亟待解決，太陽能能源作為新興能源具有強大的生命力，科技的發展使太陽能的利用形式變得多種多樣，利用的效率也在不斷的提高，當今社會能源需求量巨大，而傳統的不可再生能源卻越來越少，太陽能已經成為一種不可或缺的能源形式。

隨著節能環保的發展理念深入人心，人們越來越認可太陽能能源，太陽能能源也剛好契合環保發展的社會理念，雖然在技術和應用方面還不盡如人意，仍有方方面面的問題，但是太陽具有其他能源不可替代的優越性，未來能源領域，太陽能能源的采集、轉換、利用的效率也將隨著科技的進步而提升，太陽能能源也必將在家庭和工業的各個領域占有重要的一席之地。