太阳能作为新能源的应用前景

王 泽

（西藏大学理学院，西藏 拉萨 850000）

现代能源技术是维系人类经济社会赖以生存与持续发展的重要基石。由于当前全球劳动人口的持续高速增长以及人类经济社会的快速发展，能量供给不足、环境污染、气候快速变暖等环境问题也日益严重，能源消费供求矛盾也更加突出。但在目前的全球能源生产消费结构中，化石生物燃料依然一直是能源主导，全球生态环境污染问题仍然在持续高速增长，而环保与有效治理生态环境污染问题已迫在眉睫，因此研究太阳能如何成为可再生的清洁利用燃料尤为重要。它不仅拥有巨大的能源，而且比其他新能源更具可持续性[1]。

1 太阳能介绍

1.1 太阳能发展背景

从工业革命开始，化石燃料就被广泛运用在人们日常生活和经济社会发展的方方面面，但伴随着经济的持续发展和人们日益增长的生活需要，对化石燃料供应产生了越来越紧张的形势，对环境也产生了巨大污染，并导致世界气候变暖、冰川消融等自然现象的发生，必须大力发展以太阳能为代表的可再生的生物洁净燃料技术，在能源供应领域走可持续发展的道路，从而保障国民经济的健康发展。

1.2 太阳能特点

太阳能作为一个二次能源，却是取之不尽、用之不竭的清洁燃料。它既没有对环境产生什么影响，也没有受能源危机和国际能源市场不平衡因素的影响。它尤其适合边远地区，大大减少了远距离供电的建设以及对输电线路的电能消耗，因为太阳能的产生并不需要其他能源，从而降低了运营成本[2]。

1.3 太阳能意义

太阳能是当今世界上最清洁的可再生能源之一，对人类无污染，它在发电过程中既不会有噪音，还能够充分利用太阳光资源，同时由于国土面积广阔，所辐射的太阳光资源也极其丰富，有效开发利用会改善人类的生存环境与经济社会的发展；而且利用太阳能发电也比较安全，在发电过程中不需要能源，而且零排放，环境清洁卫生，符合低碳环保的要求；太阳能发电不需要长距离电网建设，不需要很大的空间，其开发应用意义重大。

2 太阳能的应用

太阳能由于资源丰富，有着取之不尽的能量，而且属于清洁能源，对我们如今的环境保护具有重大的意义，所以得以广泛的应用，主要应用于太阳能的光能与热能之间，太阳能与电能之间，太阳能与化学能之间的转换（如图1所示），最先得到应用的光电转换，最为普遍的是应用于太阳能热水器，发展到现在已有一百多年，技术已相对比较成熟，发展过程中出现闷晒式、直流式和循环式，经过研究的进步，对热水器的形状和角度进行调整，会使其吸收热量更加充足，热利还有我国农村应用较多的集热采暖，完善了人民生活，太阳能热干燥应用于农副产品等。光电转换应用于太阳能电池，其应用光生伏特效应来进行发电，也取得了很好的效果，改善了用传统燃料发电给环境带来的影响，其制备工艺也取得了突破性的进展，达到了高效率、低成本的初步目标，其研究也在不断进行中，太阳能制氢技术基于光化学转换，氢能是重要的能源，其应用具有重大意义。

图1 太阳能利用方式结构图

2.1 太阳能热利用

太照在大地上的能量是巨大的，传输的热量是惊人的，太阳能热利用取得的效益显然是可观的，将太阳光辐射的热量通过吸收、反射等方式收集起来[3]，用于人们日常生活，如图2所示，离我们最近的就是太阳能热水器、太阳能集热采暖、太阳能热干燥等利用形式，其不仅改变了人们的日常生活，改变了之前传统的化石能源集热方式，改变了能源供给结构，而且社会经济得到了绿色发展。

图2 太阳能热利用结构图

2.1.1 太阳能热水器

太阳热水器一直以来是太阳能热利用最普遍的一种形式，满足了人们日常生活中的需求，得以快速发展。太阳能集热器由蓄水箱、集热器、管道组成，其种类包括闷晒式、直流式和循环式，三者根据流动方式不同进行了区分，闷晒式就是将水放在集热器里不进行流动，通过太阳热量不断升温，达到一定温度再使用，流动式加入蓄热水箱，首先在集热器里将水升温，再流动到蓄水箱里，而我们现在普遍在用的是循环式，其利用不同温度之间水的密度差，自动上水构成循环体系，不过其发展过程中也有各种各样的问题，如何能使太阳辐射的热量达到相对比较多，太阳在不同时刻、不同位置，辐射的热量有所不同，有研究表明通过改变集热器的形状，调整其角度可以使集热性能更好，其发展具有很大前景。

2.1.2 太阳能集热采暖

太阳能集热采暖也是太阳能光热转换的一个重要应用，分别有两种采暖方式，一种是直接通过太阳光的辐射能转换为热能，用建筑物来进行吸热，而为了提高集热效率，可以将建筑物的窗户设计得大一点儿，同时将四周墙壁涂成黑色，作为集热器。其结构较为简单，造价便宜，住起来舒适度好，比较适合我们国家的农村。还有一种是通过集热器将热量收集起来加热管道中的水，再将热水通过地下管道送至房子进行供暖，其主要特点是不占用房子空间，对环境不造成污染，可以部分代替常规能源取暖方式。

2.1.3 太阳能热干燥

传统干燥方式是将农产品直接放在阳光下通过太阳辐射进行干燥，有明显的缺点，是很容易遭到天气的影响，对产品质量造成影响，花费时间过多，根据研究可以通过集热方式进行干燥，安装集热器，直接吸收热量来进行干燥，此种效果比起传统方式更加干净，更加省时。

2.2 太阳能电池

太阳能电池又称光电池，当光照射在半导体上，给半导体中的价电子提供能量，使价电子脱离束缚，从而使电子产生运动，它简单而言是利用光能转换为电能进行发电，由于半导体材料的研究有了进展，所以晶体硅电池是目前市场上较多的太阳电池，但由于基体材料是半导体，成本较高[4]，薄膜太阳电池出现了，其制造成本偏低，而且制造方法简单，但是它转换效率偏低，相同功率下太阳电池的安装面积增加；而现在已经开发出了钙钛矿太阳电池等新型太阳电池，其不仅实现了高的转换效率，还实现了低成本，已经成为关注的热点。

2.2.1 晶体硅太阳能电池

其主要以晶体硅为主要材料，是技术最先成熟的一种，也由于硅在自然界储量丰富，晶体硅太阳能电池得以快速发展，单晶硅电池由于其禁带宽度小，转换效率较高，已经达到20%多[5]，不过其生产成本较高，多晶硅电池降低了成本，其发展也很快赶上了单晶硅电池，两者占据了很大市场，由于晶体硅太阳电池在生产中要求较高，对能量消耗大，所以成本也高，不过随着技术的进步，其生产成本也在降低。

2.2.2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池比晶体硅太阳能电池的制造工艺更加简单，采用直接制备的方法，需要的材料更少，在成本上降低了许多，利用化学气相淀积法、磁控溅射法等[6]，可以实现连续大面积生产，在生产中所需能量少，并且在高温时，其输出功率不会受到很大影响，不过其光电转换效率偏低，但是发展空间很大。

2.2.3 新型太阳能电池

在20世纪末期，有着不一样晶体结构的钙钛矿材料出现了，其具有很好的电催化性能、吸光能力，不仅材料所需成本低、制造成本也低[7]，其带隙宽度可以通过改变原料成分来调节，在发展过程中光电转换效率提升很快，有望超过晶体硅太阳能电池。

2.3 太阳能制氢

氢能是一种新型二次能源，其燃烧不会对环境造成危害，只会生成水和氮氢化合物，可以产生热能，应用到很多的能量转换过程中，水可以产生氢气，氢气反应也可以产生水，构成绿色循环体系。在传统制氢方式中，消耗很多的常规能源，使氢能无法得到推广，不过经过研究，太阳光可以将水分解产生氢气，其不仅无污染，而且节能，制氢太阳能无疑是最好的选择，其发展意义重大。

3 总结与展望

太阳能作为所有新能源中最为清洁的燃料之一，储量也极其丰富，对环境完全无污染。使用极其方便，不需要任何燃料。后期的维护比较简单。它在集热和发电方面对其他新能源具有绝对优势，可以有效解决使用化石燃料带来的气候变暖和环境污染等问题，应用前景十分广阔。