淺談新能源材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景

吳儀坤

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，粗放型的傳統(tǒng)能源所帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，同時(shí)傳統(tǒng)能源效率低下的問題一直得不到有效解決。在這樣的背景之下，新能源材料作為一種高效的清潔能源收集、轉(zhuǎn)化中介，對于緩和經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾，調(diào)整能源供需問題起到了重要作用。本文從新能源材料的應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，分析新能源材料在當(dāng)今社會(huì)的應(yīng)用及存在的一些問題，并預(yù)測新能源材料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：新能源材料 環(huán)境污染 效率 未來發(fā)展

1 引言

新能源材料是指支撐新能源發(fā)展的，具有能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的功能的材料或結(jié)構(gòu)，目前主要應(yīng)用在發(fā)電，動(dòng)力等方面，得到廣泛應(yīng)用，但也存在諸多問題。因此本文從新能源材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景出發(fā)，以期為新能源的研究發(fā)展提供參考。

2 新能源材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 光能的應(yīng)用

光能對于人類來說并不陌生，地球上絕大部分能量除核能外都來太陽光能，當(dāng)前主要使用的傳統(tǒng)能源的根本來源也是光能，可以說人類對于光能的使用自古有之。

當(dāng)前對于光能的應(yīng)用主要有幾個(gè)方面：一是光熱利用。其原理是用太陽能集熱器將太陽輻射能收集起來并將其轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。有低溫利用和高溫利用兩種。太陽能熱水器是目前使用最為普遍的太陽能產(chǎn)品，是低溫利用的應(yīng)用產(chǎn)品，它利用太陽輻射將水加熱，以供日常生活所用。太陽能熱水器的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，因?yàn)樗怯锰柲茏鳛槟茉催M(jìn)行加熱，所以相對于電加熱和燃?xì)鉄崴鞲庸?jié)能環(huán)保，且少有其他的花費(fèi)，同時(shí)也比較安全。在陽光充足的地方，太陽能熱水器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。二是發(fā)電利用。從目前發(fā)展趨勢來看，未來太陽能的大規(guī)模利用是用來發(fā)電的。目前使用的主要有兩種，其一便是是光電轉(zhuǎn)換，也就是我們常說的太陽能電池，其原理是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為光能，太陽能發(fā)電在我國應(yīng)用較為廣泛，如生活中常見的太陽能路燈和衛(wèi)星的太陽能板等等。三是光化利用。原理是直接利用太陽能分解水制氫，我們最為熟悉的光化利用便是光合作用，植物靠葉綠素將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，制造了大量氧氣和有機(jī)物，如果能揭示光化轉(zhuǎn)換的奧秘，便可實(shí)現(xiàn)人造葉綠素發(fā)電，對我們?nèi)祟悂碚f意義重大。

2.2 風(fēng)能的應(yīng)用

風(fēng)能是空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，是一種可再生的清潔能源，儲(chǔ)量巨大，一年中技術(shù)可開發(fā)的能量約5.3X10^13千瓦時(shí)。且分布較為廣泛。

目前人類對于風(fēng)能的應(yīng)用主要集中于風(fēng)力發(fā)電方面，其原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)速度提升，從而促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。在我國，風(fēng)能開發(fā)潛力巨大。我國地域遼闊，海岸線長，風(fēng)力資源十分豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國風(fēng)能總量為3226GW，可供開發(fā)的陸上風(fēng)能總量為253GW。特別在我國東南沿海及附近島嶼，有效風(fēng)能密度在200～300w每平米以上，且風(fēng)速大于3米每秒全年出現(xiàn)時(shí)間在7000h以上。我國風(fēng)力發(fā)電始于上世紀(jì)80年代，發(fā)展相對滯后，但起點(diǎn)較高，截至2019年底，中國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為2.1億千瓦，同比增長14%，風(fēng)力發(fā)電量占比達(dá)5%以上。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電在我國前景較好，有著國家的大力支持和地方政策的鼓勵(lì)。在污染問題突出的當(dāng)下，風(fēng)能作為一種清潔能源，有著不錯(cuò)的未來發(fā)展。

2.3 熱能的應(yīng)用

人類對于熱能的利用自古有之，在人類踏上食物鏈頂端的道路上，使用火可以說是邁出了一大步。當(dāng)前人類對于熱能的應(yīng)用可分為兩個(gè)方面。一是直接利用，也就是熱利用，將熱能直接用于加熱物體，如取暖，熔煉，烘干等。在還未進(jìn)入電氣時(shí)代之前，人類對于熱能的應(yīng)用一直都是熱利用，可以說沒有熱，就沒有人類，熱是人類賴以生存的根本。二是動(dòng)力利用，通過各種熱動(dòng)力裝置將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能加以利用，為人類的日常生活提供動(dòng)力。地?zé)崮苁菬崮艿囊环N形式，是當(dāng)前較為熱門的熱能方面的利用。地?zé)崮苁怯傻貧こ槿〉奶烊粺崮軄碜杂诘厍騼?nèi)部的熔巖，是一種可再生的清潔能源。地?zé)崮芤部煞譃榈責(zé)岚l(fā)電和直接利用兩方面。地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崂玫淖钪匾问健５責(zé)岚l(fā)電原理是將地?zé)崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。而直接利用就是利用地?zé)徇M(jìn)行供暖等。我國地?zé)豳Y源豐富，且起步探索不算晚，但近30年來進(jìn)展緩慢。

3 新能源材料發(fā)展存在的問題

雖然新能源材料在我國發(fā)展迅猛，但也存在著不少問題。

3.1 使用環(huán)境要求苛刻

對于大多數(shù)新能源材料來說，使用環(huán)境要求苛刻一直是一個(gè)繞不開的問題。新能源材料現(xiàn)在發(fā)展緩慢，使用環(huán)境要求苛刻是一個(gè)主要原因。就以光能應(yīng)用為例，太陽能具有分散性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，到達(dá)地球的太陽能總量很大，但是能流密度卻很低，在北回歸線附近，即使是夏季天氣較為晴朗的情況下，全年日夜平均只有200w左右，更不要說冬季和陰天了;同時(shí)，由于收到晝夜，季節(jié)，天氣的條件的影響，到達(dá)地面的太陽能既是間斷的，又是不穩(wěn)定的。在這種情況下，就要求太陽能的使用環(huán)境光照充足，氣候變化不大，且全年晴朗天氣較多。又如風(fēng)能，雖然我國風(fēng)能資源十分豐富，但能利用的地區(qū)不多，除東南沿海和新疆的少部分地區(qū)外，其他地區(qū)的風(fēng)速很難達(dá)到風(fēng)能發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)。而風(fēng)力發(fā)電對于風(fēng)力的要求又比較高，且風(fēng)力發(fā)電需要大規(guī)模的場地來確保發(fā)電需要，因此使用環(huán)境同樣苛刻。

3.2 轉(zhuǎn)換效率比較低下，儲(chǔ)存方式單一，能量損耗高

在當(dāng)前材料問題的限制之下，新能源材料的效率一直難以提高。同樣以太陽能為例，當(dāng)前實(shí)際使用的太陽能相關(guān)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化效率在17%左右，這個(gè)效率雖然已經(jīng)夠盈利了，但實(shí)際上仍然比較低，太陽能是一個(gè)巨大的寶庫，這樣的效率還不足以發(fā)揮其作用。更何況太陽能的使用環(huán)境苛刻，這樣的效率還不足以取代傳統(tǒng)能源的地位。而且新能源材料有一個(gè)較大的弊端，那就是當(dāng)前新能源材料主要關(guān)注的是能量轉(zhuǎn)化的問題，而很少關(guān)注能量儲(chǔ)存的問題，這也是為什么在大力發(fā)展新能源材料的當(dāng)下，傳統(tǒng)能源依舊占據(jù)主導(dǎo)地位的主要原因。新能源想要取代傳統(tǒng)能源，成為未來的主要能源，就必須與傳統(tǒng)能源類似，易于儲(chǔ)存，而不是只是轉(zhuǎn)化。就拿風(fēng)能為例，一旦失去風(fēng)，那么風(fēng)能的一切都只是擺設(shè)。當(dāng)前對于這些能源的儲(chǔ)存，大部分都只是通過電池進(jìn)行儲(chǔ)存，儲(chǔ)存方式較為單一，且儲(chǔ)存效率不高。再如太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電都是間歇性的，難以調(diào)度，且極易受環(huán)境的影響，電網(wǎng)要求輸入穩(wěn)定平滑，而風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電由于其間歇性，明顯不符合這個(gè)要求，輸入電網(wǎng)后帶來的安全隱患較大。同時(shí)，能量損耗高同樣是制約新能源材料發(fā)展的一個(gè)重要因素。

3.3 性價(jià)比不高

性價(jià)比不高同樣是新能源材料發(fā)展過程中一個(gè)較大的問題。新能源材料的性價(jià)比主要受幾個(gè)方面的制約。一是生產(chǎn)成本高。同樣以發(fā)電為例，2018年光伏發(fā)電平均成本已達(dá)到8.5美分每kwh，陸上風(fēng)力發(fā)電成本已達(dá)到5.6美分每kwh，而燃煤發(fā)電的成本可達(dá)到3-5美分每kwh，火力發(fā)電相對可再生能源來說仍有優(yōu)勢。二是研究投入大。當(dāng)前新能源材料存在的最大問題便是難以尋找到一種應(yīng)用性高的材料，這方面的投入巨大，同時(shí)當(dāng)前制約新能源材料發(fā)展的重要因素同樣是材料，在材料方面想取得進(jìn)展需要花費(fèi)巨大的人力財(cái)力和物力。三是使用壽命短。當(dāng)前市面上大多數(shù)新能源材料在使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)效率下降的問題，同時(shí)因環(huán)境影響，大多數(shù)新能源材料的使用壽命都比較短。

4 新能源材料的發(fā)展前景

針對新能源材料存在的種種問題，我們可以窺探其未來的發(fā)展前景。

4.1 使用場景更為廣闊

當(dāng)前新能源材料的使用環(huán)境普遍比較苛刻，因此實(shí)用性不高，那么我們可以從此處著手，拓寬其使用場景，以促進(jìn)其發(fā)展。那么，如何拓寬其使用場景呢？首先，最重要的便是材料。如果可以通過改變其材料，使其對于環(huán)境的要求不再那么苛刻，那么使用場景也就不是過于狹隘。其次我認(rèn)為可以通過多種新能源材料的整合，拓寬其使用場景。這一方面的典型實(shí)例便是海島風(fēng)力與光伏發(fā)電組合使用。在海島上，晴天時(shí)無風(fēng)，但光照充足，利于光伏發(fā)電，而陰天時(shí)無光照。但風(fēng)力強(qiáng)勁，利于風(fēng)力發(fā)電。通過這樣的方式，拓寬了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的使用場景。

4.2 能量轉(zhuǎn)換效率更高

提高能量轉(zhuǎn)換效率是新能源材料發(fā)展最重要的同時(shí)最應(yīng)該研究的方向，畢竟，能量轉(zhuǎn)換效率提高了，很多問題都可以迎刃而解。而提高能量轉(zhuǎn)換效率的最重要做法便是推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步。這一點(diǎn)需要國家的大力支持。技術(shù)的發(fā)展離不開科學(xué)的進(jìn)步。技術(shù)是建在科學(xué)的前提上的，首先要掌握相關(guān)科學(xué)理論，才可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的進(jìn)步。其次，我們可以通過提高能源收集方式來提高其能量轉(zhuǎn)換效率。正如當(dāng)前大多數(shù)新能源材料的利用都是集中起來大規(guī)模利用，這是一種較為有效的能源收集方式。此外，我們還可以通過減少能量轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗來提高其轉(zhuǎn)換效率。若新能源材料的能量轉(zhuǎn)換效率提高，那么新能源必將取代傳統(tǒng)能源的主導(dǎo)地位，則當(dāng)前突出的環(huán)境污染問題與能源供需問題也將得到很好的解決。

4.3 新能源材料的經(jīng)濟(jì)性適用性更強(qiáng)

新能源材料成本高，使用壽命長導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)適用性不高。因此我們可以從這兩個(gè)方面入手提高其經(jīng)濟(jì)性，而解決這兩個(gè)問題的關(guān)鍵同樣是材料。

近日，美國科學(xué)家取得了太陽能電池材料的新突破，成本低，可大量制備，就很好的解決了上面的一些問題。 由上，我們可以看出，材料是制約新能源材料發(fā)展的重要因素，而未來，新能源材料的發(fā)展，也必將以材料為核心。

5 結(jié)語

本文回顧了新能源材料的發(fā)展背景和應(yīng)用現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)對策和展望。結(jié)合當(dāng)今的社會(huì)背景和能源局勢，新能源材料依托于科技的不斷發(fā)展和人們對于綠色環(huán)保的持續(xù)重視，其發(fā)展方興未艾。但值得注意的是，新能源材料的發(fā)展并非那么一帆風(fēng)順，需要國家和政府進(jìn)行合理的引導(dǎo)和鼓勵(lì)，并要求企業(yè)加強(qiáng)人員和研發(fā)投入，不斷提升新能源材料的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，為更好的利用新能源奠定基礎(chǔ)。

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