太阳能及其应用

魏晨浩

摘 要：太阳能是一种清洁能源和可再生能源，人类利用太阳能的历史可以追溯到三千年前，但是真正将太阳能视为一种“近期急需的补充能源”、“未来能源结构的基础”则是近些年发生的事。太阳能目前主要有光热利用和光电利用两种方式，这两种方式的技术进步可以使人类在能源领域的压力得到缓解。

关键词：太阳能 应用 光热效应 光电效应

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）11-0-01

太阳能的利用不是一种新兴的技术，它的探索开发已经有了很长久的历史。从本质上来说，地球的主要能量均来自太阳。本文将简要的介绍太阳能和它的利用。

一、什么是太阳能

太阳内部一刻不停的进行着由氢聚合成氦的核反应，源源不断的释放出大量的能量，不断的向宇宙辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700亿吨标准煤的能量。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长的时间，据估计可持续上百亿年。相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。

太阳能相比常规能源，有如下优点：1、储量丰富。每年照射到地表的的太阳辐射能约为130万亿吨标准煤，是全球每年能耗的20000倍；2、长久性。据目前的估算，太阳上的氢还足够进行上百亿年的核反应；3、普遍性。相较于其它能源来说，太阳能在地球上分布广泛，可就地取用，节省了大量的运输费用；4、洁净安全。太阳能素有“洁净能源”和“安全能源”之称，几乎不产生任何污染，远比常规能源清洁，远比核能安全；5、经济性。太阳能长期使用的成本极低，是21世纪最清洁廉价的能源[1]。

二、太阳能的发展历程

太阳能在20世纪的发展不是一帆风顺的，可以说是一波三折的。总体看来，大致有55年处于高潮，另外45年处于低谷。第一高潮期：1900-1920年，这一时期主要还是研究太阳能动力装置，但是聚光手段变得多样，装置逐渐扩大；第一低谷期：1920-1945年，由于矿物质燃料的大力开发利用和第二次世界大战，太阳能的研究工作停滞不前；第二高潮期：1945-1965年，一些有识之士已经注意到了化石燃料减少的问题，呼吁人们重视这一问题，从而推动了太阳能研究工作的开展。如1954年美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；第二低谷期：1965-1973年，太阳能技术处于成长阶段，不成熟，投资大，效果不理想，因此得不到企业、政府和公众的支持；第三高潮期：1973-1980年，中东战争的爆发，使世界陷入了能源危机，这导致了许多国家，尤其是工业发达的国家开始重新重视太阳能技术的开发，世界兴起了太阳能研究的热潮；第三低谷期：1980-1992年，石油价格大幅回落，而太阳能产品价格依旧居高不下，缺乏竞争力，太阳能技术也没有太大进步，动摇了一些人开发太阳能的信心；第四高潮期：1992-2000年，大量化石燃料的使用，造成了环境污染和生态破坏，威胁到了人类的生存和发展。一系列的国际会议表明了联合国和世界各国对开发太阳能的信心，太阳能技术的开发进入了一个新的时期。

三、太阳能的应用

1.光热转换

太阳能光热转换是指特定装备内的工质通过反射、吸收或者其它方式将太阳辐射能集中起来转换为热能，以满足人类不同的需要。人们平时接触到最多的太阳能的利用可能就是太阳能热水器了，但是看似简单的利用方式其实蕴含着很多常人看不到的科技成果。

太阳能热水器是我国光热转换最成功的领域，主要根据集热器的不同分为真空管式和平板式。目前市面上主要是真空管式的热水器，约占市场份额的90%。

真空管式热水器的样子是符合大家对于太阳能热水器的一贯认知的，即上方是保温水箱，面向太阳一面是一根根的真空管。热水器基本原理是这样的：真空管分为两层，阳光穿过吸热管外层照射到内管的吸热涂层上，由于两层管之间是真空绝热的，所以热量会全都传入玻璃管中的水，使之加熱，向上流入保温水箱内，保温水箱内温度较低的水会沿玻璃管的背光面流下来重新补充进玻璃管，如此不断循环，使保温水箱内的温度不断升高，就可以使人们获得热水了[2]。真空管式太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济实惠。带辅助电的太阳能热水器，可以全年全天候使用，即使环境温度较低，效率仍然比较高，但是缺点是体积庞大，玻璃管易碎，管中易结水垢、结冰，不能承压运行。

平板式相较于真空管式，体积小、质量轻、寿命长、故障少、安全性高，但是也有自己的缺点，由于结构问题导致传热效率低一些，非真空导致保温性能差。在南方冬季不结冰的地区，平板式的太阳能热水器表现优于真空管式。更大的优势是，真空管式一般需要在屋顶使用，而平板式对安装空间没有太多要求，可以安装在阳台上或者外墙上。

2.光电转换

光电转换是使用光生伏特效应来发电，所谓光生伏特效应简称为光伏效应，是指光照使不均匀半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象[3]。实际应用中，光源一般是太阳光，把光转换成电能的元件称为太阳能电池，为半导体元件。太阳光照射到太阳能电池上时，一部分直接反射，另一部分被电池吸收，吸收的部分中又有一部分变成了热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，产生了电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。

太阳能电池产品有单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体和层叠太阳能电池这几种。主要应用在如下几个领域。1、生活用太阳能电源：主要用于边远没有国家电网的地区，如牧区、边防哨所、海岛等军民生活用电，还有3-5kW家庭屋顶并网发电系统；2、交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示灯、路灯等；3、通讯领域：太阳能无人值守通讯中继站、光缆维护站。

太阳能现在基本可以说是一种广泛应用的新型能源，但当前市场上的太阳能产品的效率还比较低，大多不超过15%，而太阳能电池的最大理论效率高达85%，可见太阳能产品还具有很大的发展空间。

参考文献

[1]闫云飞，张智恩，张力，代长林. 太阳能利用技术及其应用[J]. 太阳能学报，2012，33（S1）：47-56.

[2]王光伟，许书云，韩蕾，孙鸿波.太阳能光热利用主要技术及应用评述[J]. 材料导报，2015，28：193-196.

[3]邓泉，段昌奎. 光电转换和热光电转换的实现和应用[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版），2007，（02）：127-131.endprint