第五节 太阳能

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太阳能的利用

　　人类生存和发展基本上依赖于太阳能，地球上除了核能以外，其他各种形式的能源，包括化石燃料（煤、石油、天然气等）能、生物质能（柴草、树木等）、风能、水力能、潮汐能和海洋能等都起源于太阳能.地球表面上每年所接受的太阳辐射能，大约是目前人类全年所消耗能量的1—2万倍.太阳能起源于太阳内部物质在高温、高压状态下的聚变反应.据推算，太阳这个巨型聚变反应球还可能维持100亿年以上.地球上常规能源的储量被大量开发而迅速减少，促使人们更加重视太阳能的利用.二十世纪五十年代中期，各国政府和广大科技工作者开始有计划有组织进行太阳能利用的研究工作，目前，很多方面已经得到实际应用并且已经形成产业，不仅且有巨大的社会效益，同时也具有很大的经济效益.太阳能的优越性还在于它不需要开采和运输，干净清洁，不会造成污染.太阳能必将逐步取代常规能源，同核能一起成为未来人类社会两大主要能源.
　　我国的太阳能利用起步于二十世纪七十年代，主要是光热、光电转换方面的利用.在光热转换方面，全国拥有太阳灶十几万台，居世界第一位，转换器的性能和使用效果居发展中国家前列.热水器超过了150万平方米，被动式太阳房已建成上千幢.在光电转换方面，近年来主攻方向是研制各种太阳能电池，通过自身开发和引进生产线，目前已开成（3.5～4.0）兆瓦的生产能力，转换效率达到10％.

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太阳能电池

　　太阳能电池是一种大有前途的新型电源.那么，什么是太阳能电池呢？太阳能电池是利用太阳能发电的装置.简单说来，太阳能电池是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流.

　　当然，一个光电二极管产生的电能是很小的，但是，许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了.

　　太阳能电池一般分为单晶硅太阳能电池和其它太阳能电池两大类，而其它太阳能电池又可分为薄膜太阳能电池和非薄膜太阳能电池.单晶硅太阳能电池因其光电转换效率高、制造工艺成熟、可靠性好而首先被卫星等航天器采用.在薄膜太阳能电池中，目前最有希望的一种首推1976年出现的非晶硅太阳能电池，它正处于初期发展阶段.在非薄膜太阳能电池中，较有前途的是砷化镓太阳能电池，它的光电转换效率高于单晶硅太阳能电池，而且它能在较高的温度下工作.

　　太阳能电池虽是随着宇宙空间技术的发展而发展起来的，但其地面应用范围也不断拓宽，这是因为从地面应用角度看，太阳能电池具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的.

　　太阳能电池具有如此突出的优点，那么为什么目前不在地面上广泛应用呢？这主要是由于目前的太阳能电池成本偏高，难以大量生产.

　　目前在日本每瓦太阳能电池的造价是原子能发电或其它方式发电的几十倍.太阳能电池发电要做到与火力发电竞争，必须把价格降到与现在电价相当的水平.人们认为，依靠技术已接近极限的单晶硅太阳能电池实现这一目标，是非常困难的.

　　非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体.非晶硅半导体对太阳光具有强烈的吸收能力，非晶硅太阳能电池只需1微米厚的非晶硅薄膜就足够了，这只相当于单晶用料省，而且制造时耗能也比单晶硅太阳能电池少得多，因此，人们把希望寄托在初露头角的非晶硅太阳能电池上.

　　非晶硅太阳能电池目前在日本从流水线上源源不断地生产出来，已在手表、袖珍计算器等家用电器中使用，并愈来愈多地用于公园路灯、海岛灯塔、边远地区电视机和无线电中继站电源、防火场所的显示牌等.以向住宅、学校、工厂供电为目际的大规模发电用太阳能电池阵列，也开始实用化.各项实验项目的太阳能电池的应用前景都是十分诱人的，下面介绍两例.

　　其一是太阳能电池瓦.1986年3月初，在日本东京举办的国际太阳能利用技术展览会上，日本三洋电机公司研制的太阳能电池瓦为最引人注目的展品之一.这种太阳能电池瓦的大小、形状与普通瓦完全一样，其铺设方法也与普通瓦相同，可以取代屋顶上的普通瓦.铺上了这种太阳能电池瓦的屋顶就成了发电站，甚至不久的将来会出现家用电表倒转的“怪事”.

　　太阳能电池瓦是将透明瓦和大面积集成型非晶硅太阳能电池一体化的产品，开发这种产品的目的是想最大限度地发挥太阳能电池发电系统的优势.由于住户屋顶发电，住户自己用电，因此几乎没有输电损失.这种瓦是由11行非晶硅太阳能电池串联成集成型结构，每块瓦的功率为2瓦，开路电压为11伏.实际使用时将瓦的一面朝上，让阳光从瓦面射入.这样的结构和造型使太阳能电池瓦具有两个优点：1．互换性比普通瓦好，强度是普通瓦的3倍；2．能按用户要求输出任意电压.据估算，一个普通家庭只要在其屋顶上安装125块这样的太阳能电池瓦就够用了.如果屋顶上铺太阳能电池瓦，那未家庭用电就可以完全达到自给，这样也就实现了屋顶发电的美好愿望.

　　其二是太阳能电站卫星.由于宇宙空间与地面不同，那里设有昼夜、四季和气候的差别，阳光不受大气的阻碍，日照能量为地球上的4至11倍，因此，人们曾设想在太空建立太阳能电池发电站，问题是如何将电能传输到地球上来.人们又设想，用微波来送电，即在太阳能电池中把太阳能换成电能，将集中起来的电能转换成微波，由位于微波中心的发送电能用的天线向地球送电.虽然目前太阳能电池的光电转换效率只有13％左右，但利用微波向地球送电的效率却高达65％.为了能接收大部分微波，地球上需要一个直径达10千米的接收电能用的天线，如此巨大的天线只能设在沙漠地带或海上.

　　目前，美国航天局计划将长5.2千米、宽4.3千米、厚200米的两块大板发射到36000千米高的同步轨道上去，在两块大板的中央设置微波送电用的天线，在两块大板上埋设太阳能电池集光面板.据估算，如此规模的太阳能电站卫星输出功率达500万千瓦，可供300多万户家庭用电，相当于一天节约石油3千万升，而且可以连续30年一天也不间断地向地球供电.

　　由于宇宙空间没有重力，也没有风和地震，所以太阳能电站卫星的结构可以做得很简单，强度上利用铝材就足够了.也有人设想，与其从地球上发射太阳能电站卫星，还不如从月球或小行星上采掘原料，在宇宙空间进行精炼和建造，这样，造价更低，才有可能建造规模更宏大的太阳能电站卫星.

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太阳能利用的广阔前景

　　一、太阳能资源的含义

　　通常所谓的太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且包括像所有矿物燃料能、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，还应包括通过绿色植物的光合作用所固定下来的能量即生物质能.现在广泛开采并使用的煤炭、石油、天然气等等，也都是古老的太阳能资源的产物，即由千百万年前动、植物本体所吸收的太阳辐射能转换而成的.水能是由水位的高差所产生的，由于受到太阳辐射的结果，地球表面上（包括海洋）的水份被加热而蒸发，形成雨云在高山地区降水后，即形成水能的主要来源.风能是由于受到太阳辐射的强弱程度不同，在大气中形成温差和压差，从而造成空气的流动所产生的.海洋能主要包括波浪能和海水温差能，后者可以利用一般海水表面的“高温”（与大气温度基本相同）和海水表面以下数十米处的“低温”（一般在7～10℃）之间的温差，用低温差发电机发电.潮汐能则是由于太阳和月亮对于地球上海水的万有引力作用的结果.总之，严格地说来，除了地热能和原子核能以外，地球上的所有其他能源全部来自太阳能.这也称为“广义太阳能”，以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别.

　　二、太阳能资源的特点

　　1 太阳能资源的优点

　　与常规能源相比较，太阳能资源的优点很多，并且都是一般的常规能源所无法比拟的.概括起来，可以归纳为以下四个方面：

　　1．1数量巨大：每年到达地球表面的太阳辐射能约为130万亿吨标准煤或3600Q，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的1×10⁴倍.

　　1．2时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约50亿年左右.太阳能的根源是在太阳内部的高温（～2×10⁷K）和高压（～3×10¹⁶Pa）条件下进行的由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的热核反应.根据目前太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持1011年之久.对于人类存在的年代来说，确实可以认为是“取之不尽，用之不竭”的.

　　l．3普照大地：太阳辐射能“送货上门”，既不需要开采和挖掘，也不需要运输.普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，都“一视同仁”.既无“专利”可言，也不可能进行垄断，开发和利用都极为方便.

　　1．4清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称.它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全.

　　2 太阳能资源的缺点及其克服方法

　　太阳能资源虽然具有上述几方面常规能源所无法比拟的优点，但也存在着相当严重的缺点和问题，主要有以下三个方面：

　　2．1分散性：到达地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但是能流密度却很低.平均说来，北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐照度最大，约为l.1～1.2kW·m^-2，即投射到地球表面1m²面积上的太阳能功率仅为1kW左右；冬季大致只有一半，而阴天则往往只有1／5左右.因此，想要得到一定的辐射功率，就只有两种可行的办法：或者使采光面积增大，或者使采光面的集光比增大（即提高聚焦程度）.但是前者将需占用较大的地面，而后者则会使成本大大提高.

　　2．2间断性和不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴阴云雨等随机因素的影响，太阳辐射既是间断的又是不稳定的.为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的独立能源，就必须很好地解决贮能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用.但就目前而论，贮能恰好是太阳能利用中最薄弱的环节之一.

　　2．3效率低和成本高：就太阳能利用的目前发展水平来说，有些方面虽然在理论上是可行的，技术上也是成熟的，但是因为效率普遍较低，成本普遍较高，所以经济性较差，还不能（至少不容易）与常规能源相竞争.在今后相当长的一段时期内，太阳能利用的进一步发展，或是大规模的推广使用，主要受到经济性的制约.因此，当前的研究重点之一，就是尽可能地提高效率和降低成本，加强经济上的竞争力.

　　三、太阳能利用的广阔前景

　　从近期来说，利用太阳能供热和采暖是具有现实意义的；而从远景发展来说，大规模地开发和利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求.

　　太阳辐射能的直接利用，基本上有四种方式，下面分别加以简单的介绍.

　　1 太阳能的光—热转换

　　这是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式.其基本原理是将太阳辐射能收集起来，利用温室效应来加热物体而获得热能.例如地膜、大棚、温室等.目前使用得较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板型集热器，例如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器以及箱式太阳灶等；另一种是聚焦型集热器，例如太阳能开水器、太阳能理疗器以及反射式太阳灶、高温太阳炉等.

　　2 太阳能的光—电转换

　　太阳能的大规模利用，主要是用于发电.太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式.

　　2．1光—热—电转换方式：就是利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电.前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500）美元.因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争.

　　2．2 光—电直接转换方式：其基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能.光—电转换的基本装置就是太阳电池.目前常用的是硅太阳电池，它的转换效率较高，一般可达（10～15）％，少数可达20％.太阳电池使用简单，维护方便，甚至可以做到无人管理，例如在人造地球卫星上；此外，它的输出功率范围较宽，可从几毫瓦直至若干千瓦.它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中继站、高山气象站、输油输气管道的阴极保护等许多方面，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路.但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制.

　　但是，从长远来看，随着太阳电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，它仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景.为了不受昼夜、季节和天气条件等因素的影响，同时又能高效率地连续供电，利用太阳能空间电站是一个富有科学创造性的发展计划.它的主要设想是在地球同步卫星轨道的空间站上建立面积达10平方公里的太阳电池板，将收集到的太阳辐射能转换成电能，利用微波发生器把电能转换成微波，发射回地球，由地面站的巨大天线阵列加以接收，再把微波转换成电能.美国原来计划在20世纪内发射几座太阳能空间电站，单座功率高达1×104MW.如能试验成功，则太阳辐射能势必可以大规模地加以利用，成为未来世界的主要能源，从根本上改善目前人类利用能源的状况.由于受到技术和经济两方面的限制，原订计划的完成期已大大推迟，有可能在21世纪20～30年代实现.

　　3 太阳能的光—化学转换

　　利用太阳辐射能直接分解水制氢，是一种很有前途的光—化学转换方式.氢能是二次能源，用途很广，既可作为化工原料，又可用以合成天然气和合成石油，尤其是作为氢燃料更引起人们的重视.这是因为可以用水作为制氢的原料，而水在地球上的储量是极为丰富的.此外，氢燃料又是非常清洁的，既便于贮存，又便于运输，被人们普遍认为是21世纪的能源.所以，利用太阳能制氢，是一种很有吸引力的途径，它也能从根本上改善目前人类利用能源的状况.

　　近年来，随着塑料包装的广泛使用，“白色”污染已日益成为亟待认真解决的迫切问题.一方面，改而采用短期内可以自动降解的材料，固然是一种比较彻底的办法；另一方面，对于已有的大量不能降解的塑料包装，仍有待积极地采取有效的措施加以解决.目前已知的有效措施之一，就是通过强紫外线的照射，可以基本上解决问题.但是，采取这种措施不仅所需的费用极为昂贵，并且很不容易大范围大规模地推广.因此，有人提出利用太阳能来取代单纯的紫外线.这样，不仅可以在露天直接进行处理，十分方便，也有利于大面积推广；同时又能够节约大量的人工紫外光源，大大降低了费用.初步实验的结果表明，开发前景是相当可观的.这很可能成为减轻或甚至消除白色污染，提高人们的生活质量，造福于子孙后代，使人类社会得以健康地持续发展的重大措施之一.

　　4 太阳能的光—生物质转换

　　主要是通过地球上众多植物的光合作用，将太阳辐射能转化为生物质能.其中大面积培植速生薪柴林，平均每年可以增高1m以上，不仅可以大大改善陆地绿化状况，减少大气污染，而且还可供给广大农村和偏远地区的炊事和生活用能.特别是，利用秸秆的气化燃烧，还可以用来进行小规模发电，满足家庭用电需要.此外，在海洋上大面积繁殖藻类，更可以解决全球日益增长的食品需要，尤其是补充蛋白质的不足，都将对于保证人类社会能够健康、平稳地可持续发展作出巨大的贡献.

　　总之，太阳能不仅是地球上目前已经开发利用的绝大多数能的来源，并且由于它的转换方式很多，可以应用的方面非常广阔，因此，对于它本身进行开发利用的前景十分看好.至少到21世纪中期，在石油和天然气即将“枯竭”之际，太阳能将会逐步取代现有的“常规能源”而成为地球上的主要能源之一，并对促进人类社会健康、持续地发展起到巨大的推动作用.

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