太阳能技术的研究综述

2019-02-18，，，

山东化工 2019年1期

，，，

(兰州石化职业技术学院应用化学工程学院，甘肃兰州 730060)

新能源技术是当今世界备受关注的五大技术领域之一，作为新能源的中坚力量-太阳能，它的研究和利用是新能源中相对研究技术较成熟的技术之一。地球上的能源大多数都来自于太阳，所以可以说太阳是人类能源的宝库。目前生活中对太阳能的商业化利用主要有三种类型，但是由于太阳能的使用还有些没有解决的问题，如成本高、功率小、太阳能转化的效率还比较低等，所以导致太阳能的利用技术尚未达到成熟期。所以解决太阳能利用过程中存在的问题，将为人类能源的可持续发展提供保障[1]。

1 太阳能在我国的分布

太阳就是一个巨大的核能火炉，想要了解太阳能，就要先了解太阳的能量来源、结构、历史及寿命，事实上太阳的能量来源于太阳内部的核聚变，也可以叫做太阳辐射能，是一种清洁能源，对环境毫无污染，但是能量却十分巨大。在我国太阳能利用的前景十分广阔，这是缘由我国部分地区蕴藏着十分丰富的太阳能资源[2]。

1.1 我国太阳能资源分布最丰富的地区

在我国太阳能资源分布最丰富的地区有甘肃、宁夏的北部，青海、西藏的西部，以及新疆的东部，在这些地区年太阳能的辐射总量可以达到6680～8400 MJ/m2。其中，西藏的西部太阳能资源最为丰富，仅仅少于撒哈拉大沙漠，在世界可以排第二位，日辐射量最高可以达到6.4 kWh/m2。

1.2 我国太阳能资源分布比较丰富的地区

在我国太阳能资源分布比较丰富的地区主要有要宁夏、新疆、内蒙古的南部，山西、河北的北部，青海的东部以及甘肃的中部，平均每年太阳辐射总量能够达到5850～6680 MJ/m2。

1.3 我国太阳能资源分布量中等的地区

在我国太阳能资源分布量中等的地区，主要有新疆、山西、江苏、安徽北部，山西、广东、福建南部，河北、甘肃的东南部，这些地区的太阳能资源年辐射总量能够达到5000～5850 MJ/m2。

2 太阳能的利用技术

根据已有的资料记载，人类发展史上对太阳能资源的利用历史可以追溯到3000多年以前，但是在人类生产史上把太阳能资源当作能源和动力来利用却只从300多年前开始[3]。

2.1 太阳能资源的热利用

集热器是太阳能热利用技术利用的重点技术，因为太阳能辐射能量要依靠集热器来进行采集，然后通过加热集热管中的介质将采集到的太能辐射能量转换成可以直接利用的热能，介质大多是水或者空气。常见的集热器有平板型集热器和聚光型集热器。对于最早实现商业化利用的平板集热器，它可以采集太阳辐射能中的直射辐射和散射辐射，但它的缺点是集热温度相对比较低。而对于改进后的聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但其只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。是依靠集热器对太阳能进行采集，通过加热水或空气将太阳能转换成热能[4]。目前国内对太阳能热利用的方式主要有以下几种：

1)通过使用集热器采集太阳能，直接加热水和空气，直接为人类社会生活提供服务用水，还可以能为北方部分地区的住房提供供暖热量，也可以通过换热系统为部分地区的住房进行降温。

2)通过使用集热器，集中利用太阳辐射能，在农业生产的温室和晾晒干燥设施中，为农业生产提供必需的热能，这种利用方法可以使得农业生产设施少受天气变化的干扰和影响；

3)通过使用集热器采集太阳能辐射能量，然后用于发电系统，这样可以减缓传统能源发电的压力。

2.2 太阳能的光电利用技术

太阳能的光电利用技术是将太阳辐射能不通过集热器转换，而是直接将其转变成电能的一种发电方式。这其中包括了多种发电形式，最常见的又光伏发电技术和光感应发电技术。

光电效应是太阳能光伏发电技术的基本原理，要利用特殊的装置把光直接转换成电能，这个装置就是光伏装置，也叫太阳能电池。太阳能电池最关键的是要产生强大的内部电场，这就要靠各种具有不同电子特性的半导体材料薄膜制成的平展晶体来实现。当太阳光线照入晶体时，内部的电场会将光产生的电子分离，然后再太阳能电池的两端(顶端和底端)之间形成电动势。这个时候，连通电路，会产生直流电流。当光线进入晶体是，由光产生的电子被这些电场分离，在太阳电池的顶面和底面之间产生电动势，此时，若用电路连通，就会产生直流电流[4]。

在我国太阳能光伏发电利用技术从70年代就开始了，但是真正实现商业化利用是在80年代，那时也是该技术迅速发展的年代。我国在1983年至1987年，这短短的5年内先后从发达国家，比如美国、加拿大等国家引进了七条太阳电池生产线。而近些年，我国的太阳能光伏发电利用技术主要应用于国防通信系统以及边远偏辟的国家电网尚未覆盖到的无电地区[5]。

2.3 太阳能光-化学转化利用技术

太阳能光-化学转化利用技术主要通过可逆的化学反应来实现太阳能转换成化学能的过程。在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。要了解光化学电池，首先要了解什么是光化学？光化学也是化学的一个分支，主要研究光和物质相互作用引起的化学反应。而光化学电池，就是利用光照射在半导体和电解液界面，催化促进电池的正负极发生电化学反应生成电，在电解液内形成电流，并使水电离直接产生氢的电池，这种太阳电池的正负极之间其实并没有发生化学反应，只是光照射激发了电子和空穴的产生，经过外电路后，电子与空穴复合[6]。

3 我国太阳能资源开发利用技术中存在的主要问题

尽管太阳能资源有着众多独有的特点和优势，但是开发利用技术却仍然未到达成熟期，尤其是商业化的利用，这主要是因为太阳能的利用设备的成本较高。虽然近些年新材料新材料、新技术的出现必然会使得现有的太阳能利用设备的成本逐渐降低，利用效率逐渐增大，但是由于太阳能的使用还有些没有解决的问题，如成本高、功率小、太阳能转化的效率还比较低等，所以导致太阳能尚未得到充分的利用。