太阳能的开发和应用

王彪

摘 要：能源是人类社会活动的物质基础。新能源的开发利用是人类的共识。太阳能是一种清洁的自然再生能源，取之不尽，用之不竭。开发和利用太阳能，既不会出现大气的污染，也不会影响自然界的生态平衡，而且只要阳光所及的地方，都有太阳能可以利用，太阳能以其长久性、再生性、无污染等优点备受人们的青睐。与此同时，在当今世界，常规能源逐渐减少，而世界人口却逐年增长，科学技术迅速发展，在不久的将来，现有的能源转换系统将不可避免地会发生巨大变革，无疑会利用一些新能源，而太阳能就会起到重要作用。可以预见，在21世纪，太阳能将会成为较为重要的动力源。开发利用太阳能是人类社会长期追求的目标。而本文将介绍一下太阳能的特点、发展历史及当前的发展状况，讨论太阳能利用的发展趋势及其前景，还有关于太阳能的利用和它的发展将会给人类的生产、生活和社会发展带来的意义。

关键词：太阳能；开发利用；发展前景

一、引言

新能源是21世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。随着世界经济的快速发展，对能源需求逐年增长，而地球上以石油和煤为主的矿物资源日渐枯竭，能源已成为制约各国经济发展的瓶颈。同时，随着化石燃料的燃烧，所产生的二氧化碳在大气中的浓度急剧增加，生态环境逐渐恶化，使地球逐渐变暖。随着人类社会的发展，改善生态环境的呼声越来越高，开发利用无污染的新能源，对促进社会文明与进步，发展经济，改善人民生活具有重大的意义。太阳能作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，在日常生活中受到了各国政府的重视，各国都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。

二、太阳能发展历史

据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。而将太阳能作为一种能源和动力加以利用却只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”、“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门？德？考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。这是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。

三、太阳能特点

第一，总量巨大。到达地球大气外层的太阳辐照总强度约为174000tw，其中约30%被大气层反射回外太空，其余到达地表的能量被大气、陆地、海水、植被等吸收，约为每年3.8×1024j，这相当于全世界2009年全部能源消耗（4.7×1020j）的8000倍，也就是说地球表面一小时接收的太阳能足够人类一年使用。若排除海洋、森林、冰川等地区，仅计算适于利用太阳能的陆地面积，大约有600tw的太阳能资源可用，即每年1.9×1022j，总量上满足世界能源需求全无问题。而其他形式的可再生能源及核能的丰度远不及太阳能，均无法单独依靠自身满足能源需求缺口。第二，清洁无排放。获取和利用太阳能的过程本身不会产生任何污染物的排放，也不会留下残余物。第三，取之不尽，用之不竭。太阳能来自于太阳内氢元素聚变为氦元素的热核反应。太阳的质量约为2×1030kg（是地球质量的33万倍），其中约3/4为氢元素，根据目前太阳热核反应速率，每秒有6.57×1011kg的氢聚合生成6.53×1011kg的氦，那么氢的储量足够维持超过200亿年，而地球的寿命估计为50亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取之不尽，用之不竭的。第五，能量密度低。虽然太阳能总量丰富，但辐射强度低，到达地球大气层上沿的太阳辐射强度约为1400w/㎡，经过大气层后，地表平均的峰值日照强度仅为1000w/㎡。因此利用太阳能发电相对占地比较大，目前即使采用效率较高的晶体硅太阳能组件，仅建设装机容量1万千瓦的太阳能电站平均占地达

250～300亩（1亩=666.67m2，下同）。而一座200万千瓦的火电站占地约4200亩，平均每万千瓦占地2l亩。一座1200万千瓦装机容量的核电站占地约12000亩，平均每万千瓦占地10亩。

四、太阳能发展趋势及其前景

太阳能的众多独特优势决定了其广阔的发展前景。从理论上来说，在未来社会，现有的太阳能利用方式将会得到进一步发展，新材料、新技术的出现必然会使得太阳能利用设备效率高且成本低，而到时研究新的利用方式，全面利用太阳能将会是重点。至本世纪中叶，世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用，随着越来越多国家的政府和有识之士的重视，太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。

太阳能电池材料一般的要求有：1）半导体材料的禁带不能太宽；2）要有较高的光电转换效率；3）材料本身对环境不造成污染；4）材料便于工业化生产且性能稳定。基于以上几个方面的考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断出现和相关技术的发展，以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

参考文献：

[1] 世界能源理事会《新的可再生能源.未来发展指南》海洋出版社 1998

[2] 王荣光、沈天行《可再生能源利用与建筑节能》机械工业出版社 2004