浅谈太阳能的利用

摘要：作为新兴的绿色能源太阳能，可以用来发电，进行太阳热的收集利用，还可以应用在诸多的领域里，“金色能源”—太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的一种能源。文章提出加大开发利用太阳能，符合了科学发展观的基本要求，符合了能源紧缺、环境污染这一严峻的当今社会需要，并介绍了几种太阳能的利用方法。

关键词：太阳能发电；太阳热利用；平板式太阳集热器；真空管式集热器；聚光灯式集热器

中图分类号：S214 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0096-02

1 概述

2013年国际能源战略智库峰会指出：“全球气候变化、国际金融危机、欧洲主权债务危机、地缘政治等因素对国际能源形势产生重要影响，世界能源市场更加复杂多变，不稳定性和不确定性进一步增加。国内因素与国际因素互相影响，资源和环境约束进一步加剧，节能减排形势严峻。”

作为新兴的绿色能源太阳能，可以用来发电，进行太阳热的收集利用，还可以应用的诸多的领域里，金色能源太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的一种能源，加大它的开发利用，符合了科学发展观的基本要求，符合了能源紧缺，环境污染这一严峻的当今社会需要。太阳能热水器作为实用化技术被广泛应用。在较高的数百摄氏度以上高温领域的利用，虽然说在技术上需要有高级的集光型太阳能集热器，但是应用热装置进行发电的太阳能发电等新兴技术也已经成为可能。具有数千倍集光度的太阳炉甚至能够获得3000℃以上的高温。

2 “金色能源”——太阳能电池发电原理

可再生能源的基本源泉是太阳和月亮，太阳能的利用可以分为直接方式和间接方式。直接方式包括太阳能热水器、太阳能电池等；间接方式有通过水循环进行的水力发电，风循环进行的风力发电，还有利用受惠于太阳光生长的植物进行的生物质能发电和生物酒精制造等。另外，还有利用月球引力所引起的潮位变化来进行的潮汐发电和利用地球内部岩浆产生的热能进行的地热发电等。

2.1 太阳能的利用方法

包括太阳光和太阳热的利用，利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能的元件被称为太阳能电池。利用太阳能发电主要有如下优势：（1）太阳能具有取用不竭的特征，且为绿色清洁的特性；（2）太阳能发电没有可转动的部件，是无公害发电；（3）在阴天情况下依靠散射光一样可以发电，即使遭遇灾害天气时仍然有希望能够确保供应。保养容易，可以实现自动化、无人化；（4）太阳能电池使用寿命可以长达20年以上；（5）制造太阳能电池的主要材料是硅，而硅是世界上含量仅次于氧的元素，总量位于世界第二，资源量非常可观。

2.2 太阳能的发电原理

太阳能电池就是利用晶体管及集成电路中使用的代表性元素硅的半导体材料，经过光照射产生电流的性质（即光电效应）实现发电的一种技术。光照射N型半导体会产生带有负电荷的电子，而P型半导体则会产生带有正电荷的空穴（电子脱离留下的孔），这样P型和N型半导体结合在一起时就会在接触面形成电势差，由于存在电势差，电子从P结移向N结，空穴则正好相反，从N结移向P结，并聚集在两侧的电极上。当外部电路接通时，将会有电流流过产生电力。

照射在地球表面的太阳光，在穿过大气层的时候，部分能量被大气层中存在的氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳等气体分子吸收，使到达地球表面的太阳光能量密度比大气层外的p值小。太阳光穿透空气的量称为AM，所以在大气圈外是AM-0，从天空垂直入射是AM-1，在中纬度地带（赤道区域），考虑到太阳光要穿透大气层的1.5倍，所以称为AM1.5，AM-1.5的太阳光能量密度大约是1kw/m。如果太阳能电池的转换效率是100%的话，光照射在1m2面积上就可以获得1kW的电能。而家庭中实际使用的太阳能电池转换效率是10%～20%，所以一块边长为1m的正方形太阳能电池板上可以获得的太阳能是100～200W。

由上面计算所得，每秒钟照射到1m地球上的太阳能是1.37kJ，假设地球半径是6.378×106m，那么地球表面的投影面积S为：S=π×（6.378×106m）=1.28×104m。地球上1s接收的太阳光能量E为：E=1.37kJ/m2×1.28×104m=1.75×104kJ，将这个值乘以一年的时间，1t=365×24×3600s=3.1536×107s，相当于获得了5.52×1021J的能量。这其中有大约30%的能量被云层以及大气层反射到宇宙中，所以实际上地球表面上接收的能量是3.86×1021J。如果将这个值换算成石油当量的话，1t石油=41.9GJ=4.19×107J，则每年地球表面上获得的太阳能相当于9.22×10t（约1000亿吨）石油燃烧产生的热量，这些能量中的一部分将转化成水循环形成降水，人们利用这些进行水利发电。太阳会引起大气循环，人们利用这些空气的流动进行风力

发电。

2007年，全世界一年共消耗了相当于117亿吨石油的化石燃料（煤和石油），而这些化石燃料都是几亿年前生物接收太阳光后生长，进化形成的化石，是太古时代储存至今的太阳能。

如果人类继续以现在同样方式消耗能源的话，2030年时，每年预计消耗的能量相当于171亿吨石油燃烧产生的能量，即使是这样大的消耗也远远小于我们每年所接收的太阳能，所以加大太阳能电池的开发利用是很有必要的。

3 “金色能源”——太阳热利用的原理

把太阳能作为热能利用在技术上是比较容易实现的。特别是100℃以下的低温领域的应用，太阳能热水器作为实用化技术被广泛应用。

太阳热发电系统的构成和目前以天然气为燃料的火力发电系统基本一样，不同之处是在于蒸汽的发生，天然气火力发电的燃料热是通过锅炉，太阳能发电则是采用了集热器或者称为集热循环的装置来收集热。

下面，笔者介绍几种常见的集热器：

3.1 平板式太阳能集热器

平板式太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器，集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。平板式太阳能集热器运行可靠，成本低廉，热流密度较低，即工质的温度也较低，安全可靠，承压能力强，吸热面积大。

3.2 真空管式集热器

通常所指的真空管式集热器为利用玻璃-金属封接在真空状态下的热管，并通过热管传递热量的管状太阳能集热器件。

由于平板式热水器的玻璃盖和集热部件之间存在空气层，对流损失大，超过了100℃的高温集热比较困难，而完全消除对流损失的方法就是把这部分空间做成真空。这种集热器几乎没有对流、传导的热损失，假如再采用高性能的选择吸收面，可以大幅度减少热辐射损失，因此可以实现太阳能制冷等高温条件的高效集热。

3.3 聚光灯式集热器

太阳炉是各式样的聚光灯式集热器中最常耳闻的。采用高精度的旋转抛物面镜作为聚光灯式集热装置被称为“太阳炉”，由于可以很容易达到数千摄氏度的高温，很久以前就被用来进行高温的物性等研究。在日本，太阳炉最早是在名古屋工业技术实验所建成的，其后在日本东北大学建设的大型太阳炉的温度可接近4000K。全世界最有名的太阳炉是位于法国比利牛斯山脉奥迪温市国家科学研究中心太阳能研究所的直径为54m的大型太阳炉。

目前，太阳能的利用主要集中在太阳能电池和太阳热两个方面，利用其原理的衍生高科技产品类型丰富：太阳能汽车、太阳能水泵、太阳能沼气、被动式太阳房、太阳灶、太阳路灯等等，不胜枚举。

作者简介：夏立荣（1970-），女，湖南衡东人，湖南省衡东县环境保护局工程师，研究方向：环境保护 。endprint