1、能源與社會(huì)我們的生活向太陽李瑩 學(xué)院：教育學(xué)院 班級(jí)：教育0601 學(xué)號(hào)：1703060113摘要：本文概述了國際能源形勢及其發(fā)展，重點(diǎn)介紹了太陽能資源開發(fā)利用的現(xiàn)狀，闡述目前太陽能開發(fā)利用技術(shù)的主要形式及其特點(diǎn)，展望了未來人類開發(fā)利用太陽能資源的解決能源問題、可持續(xù)發(fā)展問題趨勢和美好前景。關(guān)鍵字：能源 太陽能 太陽能開發(fā)利用 前言：生活的狀態(tài)由什么決定？很大程度上，是能源。我們生活的改善，生產(chǎn)力的提高都離不開能源。能源，是我們?nèi)祟惿畹纳€。從歷史上看，人類對(duì)能源利用的每一次重大突破都伴隨著科技的進(jìn)步，從而促進(jìn)生產(chǎn)力大大發(fā)展，甚至引起社會(huì)生產(chǎn)方式的革命。如18世紀(jì)瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，以蒸汽代

2、替人力畜力，以煤炭代替木柴，開始了工業(yè)革命。從19世紀(jì)70年代開始，電力逐步代替蒸汽作為主要?jiǎng)恿Γ瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了資本主義工業(yè)化。到了20世紀(jì)50年代，隨著廉價(jià)石油、天然氣大規(guī)模開發(fā)，世界能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)從以煤炭為主轉(zhuǎn)向以石油為主，因而使西方經(jīng)濟(jì)在60年代進(jìn)入了“黃金時(shí)代”。所以說，能源改變了，我們的生活狀態(tài)就會(huì)改變。能源與社會(huì)進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著密切關(guān)系。隨著經(jīng)濟(jì)增長，技術(shù)進(jìn)步，以及人口的猛增，對(duì)能源的需求量會(huì)越來越大。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)公布的世界能源展望報(bào)告顯示，從現(xiàn)在起到2030年，世界能源需求量將增加2/3。經(jīng)濟(jì)學(xué)家和科學(xué)家的普遍估計(jì)：到本世紀(jì)中葉，也就是2050年左右，石油資源將會(huì)開采殆盡

3、。同時(shí)，煤、天然氣等化石能源由于儲(chǔ)量有限性和不可再生性也不能滿足日益增長的需求。因此，在當(dāng)前已經(jīng)十分尖銳的能源問題前，世界各國都采取了各自的“代用能源戰(zhàn)略”。在這個(gè)戰(zhàn)略中，除了原子能、生物質(zhì)能外，太陽能因其清潔性、安全性、普遍性、充足性而更具開發(fā)的現(xiàn)實(shí)意義、長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。面對(duì)能源危機(jī)即將侵襲人類社會(huì)的現(xiàn)狀，我們?nèi)祟愒摵稳ズ螐模空绺璩降模何覀兊纳睿蛱枴Ｕ模禾柲苁翘杻?nèi)部連續(xù)不斷得由氫聚變成氦的熱核反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。太陽輻射到地球大氣層的能量約為4×1026w，形象的說大約40分鐘照射在地球上的太陽能的總和，足以供全球人類一年的能量消費(fèi)。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、

4、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富（太陽仍有45億生命），既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。     目前，太陽能利用涉及的技術(shù)問題很多，但根據(jù)太陽能的特點(diǎn)，具有共性的技術(shù)主要有四項(xiàng)，即太陽能采集、太陽能轉(zhuǎn)換、太陽能貯存和太陽能傳輸。將這些技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，便能進(jìn)行太陽能的實(shí)際利用-太陽能熱利用，

5、太陽能光、化學(xué)利用。1、 太陽能的熱利用太陽能熱利用具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可歸納為太陽能熱發(fā)電(能源產(chǎn)出)和建筑用能(終端直接用能)，包括采暖、空調(diào)和熱水等。當(dāng)前太陽能熱利用最活躍，并已形成產(chǎn)業(yè)的當(dāng)屬太陽能熱水器和太陽能熱發(fā)電。1.1太陽能熱發(fā)電現(xiàn)行主流熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有3種類型：槽式線聚焦系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電；塔式系統(tǒng)是利用獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡，將陽光聚焦到一個(gè)固定在塔頂部的接收器上，以產(chǎn)生很高的溫度；碟式系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡，接收器在拋物面的焦點(diǎn)上，接收器內(nèi)的傳熱

6、工質(zhì)被加熱到750左右，驅(qū)動(dòng)熱力機(jī)械循環(huán)做功進(jìn)行發(fā)電。這種發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換效率高，而且余熱仍可以用作他用，但是尚在研究開發(fā)階段，商業(yè)化程度并不高，只有槽式系統(tǒng)在美國加州有個(gè)大型商業(yè)示范工程。2005年10月29日，由工程院張耀明院士主持研制的國內(nèi)首座70kW太陽能塔式熱發(fā)電示范工程在南京江寧成功并網(wǎng)發(fā)電。這一工程在塔式熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件定日鏡裝置上取得了突破性的進(jìn)展，發(fā)明出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定日鏡技術(shù)。運(yùn)用這一技術(shù)制作的定日鏡成本僅僅是美國同類裝置成本的幾分之一，加快了我國塔式熱發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化的步伐。1.2太陽能終端直接用能太陽能建筑已經(jīng)逐步應(yīng)用入我們的生活。例如即將舉行的北京奧運(yùn)會(huì)

7、場館周圍的照明設(shè)施80%至90%都是太陽能路燈，而太陽能電話、太陽能無沖洗衛(wèi)生間等設(shè)施也將投入使用。很多新晉樓盤也是以節(jié)能綠色住宅作為賣點(diǎn)，比如朗詩未來之家就是太陽能采暖，并24小時(shí)供應(yīng)熱水的。而世界著名的Google公司，更是致力于環(huán)保事業(yè)。巨資打造Googleplex工程，在其總部辦公樓頂，安裝功率高達(dá)1.6兆瓦特的太陽能光伏板，使用的光伏板數(shù)量超過9200塊用于供給公司日常運(yùn)作。節(jié)能樓宇不僅已從樓頂突破，同時(shí)也在向建筑一體化過渡，越來越多的生態(tài)建筑將出現(xiàn)在我們周圍。而太陽能熱水器更是已經(jīng)普遍被大家所熟悉、使用，但太陽能空調(diào)還不被大眾所熟悉。太陽能空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽能集熱裝置、熱驅(qū)動(dòng)制冷裝

8、置和輔助熱源組成。其工作方式有二種：一是先實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，再用電力驅(qū)動(dòng)常規(guī)壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷，這種方式原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但成本高。海爾集團(tuán)就曾經(jīng)生產(chǎn)過這種太陽能冰箱和空調(diào)。二是利用太陽能轉(zhuǎn)換的熱能，驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷，這種制冷方式技術(shù)要求高，但成本低、無噪音、無污染，現(xiàn)采用的主要是這種方式。目前，在太陽能制冷與空調(diào)技術(shù)的實(shí)用化方面研究熱點(diǎn)分為太陽能壓縮式制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽能吸收式制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽能吸附式制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽能噴射式制冷與空調(diào)技術(shù)4類。其中太陽能吸附式制冷與空調(diào)技術(shù)的研究最接近于實(shí)用化，而且已經(jīng)有了很多成功的實(shí)例，相信不久的將來肯定會(huì)步入尋常百姓人家。2、 太陽能的光利用太陽

9、能的光利用，目前一是指太陽光發(fā)電，即無需通過熱過程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。二是太陽光制氫，這也是近來科研的前沿領(lǐng)域，其前景不可小視。隨著光電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗(yàn)的發(fā)展，太陽能制氫必然成為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。太陽能的光利用，因?yàn)槠淠軈⑴c并網(wǎng)發(fā)電和建筑一體化，是目前太陽能應(yīng)用技術(shù)中發(fā)展最快也是前景最好的。2.1太陽光發(fā)電光伏發(fā)電是利用太陽能級(jí)半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式。自從1839年“光伏效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)、1954年實(shí)用性的硅太陽電池問世以來，世界上很快就開始太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用。目

10、前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽電池是單晶體硅太陽電池、多晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。單晶硅太陽能電池單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。晶硅高效電池的典型代表是斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池、新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池(PERL)以及德國Fraunhofer太陽能研究所的局域化背場電池等。硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。此外，倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。如新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池和激光刻槽埋柵電池分別取到247和196的轉(zhuǎn)化率。日本Sanyo公司采用PECVD工

11、藝開發(fā)的HIT電池取得了21的轉(zhuǎn)化率。多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，具有成本低的獨(dú)特優(yōu)勢。但是由于它存在著晶粒界面和品格錯(cuò)位的明顯缺陷，造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無法突破20的關(guān)口。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室以往的最高轉(zhuǎn)換效率為18，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10。不過喬治亞工大光伏中心采用磷吸雜和雙層減反射膜技術(shù)，使電池的效率達(dá)到186。 新南威爾士大學(xué)光伏中心采用類似PERL電池技術(shù)使電池的效率達(dá)到198；日本Kysera公司采用了PECVD-SiN技術(shù)，起到鈍化和減反射雙重作用，加上表面織構(gòu)化和背場技術(shù)使15-15cm 大面積多晶硅電池效率達(dá)171。此種電池技

12、術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，商業(yè)化電池效率在14以上。薄膜太陽電池由于受到原材料，加工工藝和制造過程的制約若要再大幅度地降低硅太陽電池成本是非常困難的。于是，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽電池，目前主要有硅基薄膜太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、染料敏化TiO2太陽電池等。比如，硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽能電池：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑；用化學(xué)束外延(CBE)技術(shù)生產(chǎn)的多結(jié)-族化合物太陽能電池：-族化合物(如GaAs,InP)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；硒化銅銦(CuInSe-2,CIS)薄膜太陽能電池：1974年CIS電池在美國問世，1993年美國國家可再

13、生能源實(shí)驗(yàn)室使它的本征轉(zhuǎn)換效率達(dá)16.7%，具有成本低、可通過增大禁帶寬度提高轉(zhuǎn)換效率、沒有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點(diǎn)；大面積光伏納米電池：1991年瑞士M.Grtzel博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，用納米TiO-2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機(jī)物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶顏料敏感太陽能電池，簡稱納米電池。用納米技術(shù)、光子學(xué)、光媒材料、等離子和半導(dǎo)體聚合物材料與技術(shù)，均使得薄膜電池成本低得多。最新科研資料顯示：美國Nanosolar公司將使用類似報(bào)紙使用的那種印刷技術(shù)，這與別處用于制造太陽能電池所采用的昂貴的基于真空的方法相比，更加廉價(jià)。該公司期望印刷出的靈活的軟片能得到廣泛應(yīng)用，從太陽能

14、移動(dòng)電話到輕便式軍用建筑物所使用的材料。美國Konarka公司已開發(fā)出一種具有光活性的光電塑料，據(jù)該公司稱這種塑料柔軟、重量輕、成本低，比常規(guī)硅基太陽能電池用途更廣。這種新材料由導(dǎo)電聚合物和納米材料制成，可包覆或噴涂在物體表面，類似于照相軟片制造過程。該公司說只要有光線和電池，光電塑料就能讓儀器、系統(tǒng)和建筑物擁有自己的低成本、內(nèi)嵌式的再生能源。另一個(gè)雄心勃勃的工程一一空間太陽能的研究也在進(jìn)行當(dāng)中。這一理念以環(huán)繞地球的衛(wèi)星為基礎(chǔ)，用衛(wèi)星俘獲太陽能，然后通過激光束或微波束發(fā)射至地面。并用巨大的圓盤和天線接收這些電流，輸入常規(guī)電網(wǎng)。同時(shí)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以同其他發(fā)電系統(tǒng)組成混合供電系統(tǒng)，如風(fēng)-

15、光混合系統(tǒng)、風(fēng)-光-油混合系統(tǒng)等。最有發(fā)展前景的是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電通過并網(wǎng)逆變器饋入電網(wǎng)。實(shí)踐證明：聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏電站可以對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)末端的電壓穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和有效地消除電網(wǎng)雜波，應(yīng)用前景廣闊，是大規(guī)模利用太陽能電池發(fā)電的發(fā)展方向。 2.2太陽光制氫70年代科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：在陽光輻照下TiO2之類寬頻帶間隙半導(dǎo)體，可對(duì)水的電解提供所需能量，并析出O2和H2，從而在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門新興學(xué)科-光電化學(xué)。近來，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室還推出了一種利用太陽能一次性分解成氫燃料的裝置。該裝置的太陽能轉(zhuǎn)換率為1

16、2.5%，效率比水的二步電解法提高一倍，制氫成本也只有電解法的大約1/4。日本理工化學(xué)研究所以特殊半導(dǎo)體做電極，鉑對(duì)極，電解質(zhì)為硝酸鉀，在太陽光照射下制得了氫，光能利用效率為15%左右。在太陽能制氫產(chǎn)業(yè)方面，1990年德國建成一座500kW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽能制氫廠，前景廣闊。當(dāng)然，太陽能利用技術(shù)雖然目前發(fā)展迅猛，各國都在大力研發(fā)，政策、資金多重扶持。但不可否認(rèn)，目前該技術(shù)仍處于初始階段，應(yīng)用成本比較高，商業(yè)化水平較低。隨著社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、市場的擴(kuò)大，太陽能利用的成本會(huì)不斷得下降。而且太陽能相比原子能，不會(huì)產(chǎn)生工程失事后的災(zāi)難性影響；相比風(fēng)能，

17、它節(jié)省空間而無噪音；相比化石能源，它無污染易獲取；相比水能，它無地域限制適合分散式能源的要求安全，充足，清潔優(yōu)勢明顯，著實(shí)值得發(fā)展。結(jié)語：21世紀(jì)，人類面臨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。在有限資源和環(huán)境保護(hù)的雙重嚴(yán)格制約下如何去發(fā)展我們的社會(huì)，已成為全球熱點(diǎn)問題。而能源問題，不僅僅是常規(guī)能源的不足問題，更突出的表現(xiàn)是化石能源開發(fā)利用帶來的一系列問題：環(huán)境污染、溫室效應(yīng)要想解決上述問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，唯有依靠科技進(jìn)步，而后大規(guī)模地開發(fā)利用可再生清潔能源。太陽能有著這樣獨(dú)特的優(yōu)勢，其開發(fā)利用技術(shù)必將在21世紀(jì)得到長足發(fā)展，必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)當(dāng)重任，成為21世紀(jì)后期的主導(dǎo)能源。抬頭看我們?cè)偈煜げ贿^的太陽，它不僅帶給我們生理和心理上的健康歡愉。隨著科技的發(fā)展，它仍將是我們賴以生存的能源瑰寶，并非盲目樂觀：只因我們的生活，向太陽！參考文獻(xiàn)：1. 唐振華，蘇亞欣，毛玉如.關(guān)于開發(fā)新能源替代化