太阳能(Solar energy)
目录 |
太阳能是指来自于太阳的能量。太阳光到达地球后，会转化成各种形式的能量。
1、太阳能最大的特点是能量巨大。在地球上，没有任何能源能与太阳能相比拟。太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。每年到达地球表面的太阳辐射能大约是130万亿吨标准煤，相当于目前全世界每年所消耗的各种能量总和的1万倍。
2、太阳能具有典型的再生性，是典型的可再生能源。而且，正是由于太阳能的可再生性，决定了其他几乎所有的可再生能源的再生性。换句话说，其他几乎所有的再生能源的再生性都来源于太阳能的再生性。
3、太阳能在时间上是长久的，对于人类而言，可以说是永久的，无限的。
4、太阳能是广泛的，在整个地球表面上，几乎都被太阳光所普照。
5、太阳能是完全洁净的能源，不排放任何污染气体和有害物质。
6、太阳能是惟一可以保持大气温度平衡而不使气候变暖的能源。
7、太阳能是最安全可靠的能源。
8、太阳能的开发和利用能够全面保持自然平衡。
9、太阳能的应用不受开采、运输和储存条件的限制。关于太阳能的优点，我们还将进行专门讨论。
1、虽然太阳辐射能巨大，但是，由于广泛地分布于地球表面，因而太阳能的能量密度是比较低的。要从很大的面积上把太阳能收集起来，这需要大面积的设备和很大的投资。
2、由于地球的白转，使太阳能具有间歇性。这就是说，对于同一地点而言，所能接收到的太阳能是间断的。这就决定着：或者太阳能只能作为辅助能源，或者就必须增加储能装置。因而还必须增加投资。同时，大规模地储能，技术难度极大。
3、由于天气时晴时阴时雨，这又增加了太阳能的间断性，同时又使太阳能具有随机性。
4、由于地球是圆形的，也由于地球自身的运动特点，因此太阳能在地球上的分布是很不均匀的。
由于上述四个缺点，特别是第一个和第二个缺点，这就给太阳能的开发和利用带来很大的困难。这是造成今天太阳能开发利用比例很低的根本原因。
直接利用太阳辐射能主要有三种方法：第一种方法是把太阳的辐射能变成热能，叫做光热转换；第二种方法是把太阳的辐射能能变成电能，叫做光电转换；第三种方法是把太阳的辐射能转变成化学能，叫做光化学转换。
光热转换，这种方法是利用集热器或者聚光器来得到100℃以下的低温热源和1000℃到4000℃的高温热源。它是目前应用比较普遍的一种办法，被广泛地用在做饭、烘干谷物、供应热水、供室内取暖、空调、太阳热能发电、输出机械能和高温热处理等方面。农业上直接利用太阳辐射能的例子就是太阳能温室和太阳能水泵。此外，太阳能还可以用在海水淡化等方面。
光电转换，这种方法就是把太阳光能直接变成电能。它是利用某些物质的光电效应把太阳辐射能直接变成电能，它的核心就是太阳电池。目前，主要的太阳电池有硅电池、硫化镉电池、砷化镓电池和砷化镓——砷化铝镓电池。
光化学转换，绿色植物的光合作用就是一个光化学转换过程。光合作用就是植物利用太阳光把二氧化碳和水变成有机物质。
由于传统资源的日益枯竭及其本身所具备的无法避免的缺点，如污染环境和不可再生等，以及随着科技的发展，综合开发与利用太阳能的条件日益改善，太阳能显示出了很强劲的发展前景。世界各国尤其技术成熟的发达国家与太阳能丰富的国家，已经将太阳能的开发与利用列入国家日程之上，并取得了不小的成就。
世界各国对太阳能的利用，主要是关于太阳能光能与热能的利用，具体包括光与热、光与电和光与化学之间的转换。
目前世界各国所掌握的利用太阳能的技术，主要有太阳能热利用技术、太阳能光电转换技术以及光化学转换技术。在太阳能热利用方面，世界上取得的主要成就是太阳能热水器的发明和利用。太阳能热利用，就是太阳辐射能量通过各种集热部件转变成热能后被直接利用，如工业制冷、空调等。除了太阳能集热器，其衍生品有太阳能节能建筑等。国际上对太阳能热水器的利用技术已渐趋成熟，并已形成行业，对传统电热水器市场和燃气热水器市场造成了越来越大的冲击。
国际上太阳能热水器发展得很早，但上世纪80年代随着石油价格的下降，加之世界各国取消对新资源减免税优惠的政策导向，导致了太阳能热水器利用技术发达国家的热水器销量徘徊在几十万平方米，发展缓慢。利用太阳能发电方面，世界上利用最多、最成熟的是光伏发电。光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。光伏发电产品主要用于三大方面：
一是为无电场合提供电源；
二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等；
三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界资源消费的重要席位，不但要替代部分常规资源，而且将成为世界资源供应的主体。
可见，太阳能的热利用与光利用将在不久的未来得到广泛的开发与利用。世界对太阳能的利用，技术成熟的国家主要有德国、美国和日本等国。德国《商报》2006年10月30日报道，当前国际太阳能经济领域，形成了美、德、日三强鼎立的局面。
德国的太阳能发电技术位居世界前列，该国上世纪70年代就开始了太阳资源的利用，1999年就颁布了新可再生资源法，从而开始了大力发展太阳能产业的时代。2004年，德国新装置了10TY台新式太阳能设备并首次超过日本，居世界第一位。近年来，德国在巴伐利亚州的阿恩施泰因建成了占地77公顷、拥有1500套太阳能发电装置的大型太阳能发电场，其发电功率为12．4兆瓦，可以同时满足3500户家庭的用电需要。建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。德国是世界上利用太阳能发电最多的国家，目前全德国的太阳能发电量相当于一个大城市的用电量。截止2005年底，德国太阳能集热器面积达到了670万平方米，每年可生产4700兆瓦的热量。
日本方面，自上世纪90年代以来，日本在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功，通过推行可再生资源配额法和实行强补贴等政策，日本已经成为世界光伏发电的先导。近5年来日本居民光伏屋顶系统年增长率为97％，成为目前世界上光伏发电最大的市场。近年来，日本企业不断在国内外扩大太阳能电池生产规模，这势必提高日本制太阳能电池在全球市场中的占有率，日本经济产业省曾据此预测，该占有率在2020年可望提高至33％，日本太阳能发电相关产业规模将达到100万亿日元，为2009年的10倍。
美国于1973年制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，1993年增加了24％；1997年美国宣布“百万屋顶光伏计划”，至20lO年将安装1000兆瓦～3000兆瓦太阳能电池。美国近年来加大了对太阳能的扶持力度，据美国研究机构LuResearch资料显示，美国很可能在2013年赶超德国成为世界上最大的太阳能市场。
此外，印度与以色列在利用太阳能方面也取得了很大的成就。印度政府从20世纪80年代起就为可再生资源的开发计划提供资金，在印度，太阳能发电应用于不同领域，太阳能产品还大量出口国外，全国约有3600个偏远村庄和部落已经通过光伏太阳能系统和电站获得供电。印度还是世界上最大的太阳能电池模板制造国之一。以色列的地理位置决定了该国是一个太阳能资源利用条件较好的国家，同时，以色列对太阳能利用技术的研究与开发投入了大量的精力与资金，以色列正建太阳能发电站占地1000英亩，发电功率可达50万千瓦，发电量约占以全国电力生产总量的5％。以色列还与美国、欧洲、澳大利亚等国家和地区有广泛的合作关系，从而使以色列在太阳能领域一直处于世界领先行列。
总体而言，世界上开发利用太阳能的技术尚处于初级阶段，但太阳能的发展潜力有目共睹，且现阶段世界相关国家在太阳能利用方面已经取得了相当大的成绩，这也为中国提供了经验上与技术上的借鉴，有利于中国的太阳能开发与利用。
我国太阳能资源十分丰富，全国三分之二以上的国土面积年日照小时数都在2200小时以上，太阳能总辐射量在120～280瓦／平方米之间，太阳能理论储量高达17000fL吨标准煤／年，年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦耳(相当于170千克标准煤)，每年陆地面积接受的太阳能辐射量相当于2．4万亿吨标准煤，约等于上万个三峡工程发电量的总和，属于世界上太阳能利用条件较好的国家和地区。
我国太阳能总辐射量分布具有西高东低的特点，按接受太阳总辐射量的多少，全国可分为五类地区。西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古南部、山西和陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南东部和西部，以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能辐射能量较大，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富，最高达2333千瓦时／平方米，年太阳最高辐射量居世界第二，仅次于撒哈拉大沙漠。
由于蕴藏量十分丰富，太阳能资源在中国的利用前景非常广阔。但同世界大部分国家的状况类似，我国对太阳能的利用还处于起步阶段，与发达国家相比，还有相当大的差距。然而可喜的是，目前中国的太阳能产业总体规模已位居世界第一，主要的利用开发价值体现在太阳能光伏发电和太阳能热利用等方面。目前，中国已经是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。总体而言，目前阶段中国的太阳能利用和发展现状主要体现在以下几个方面：
第一，太阳能热利用发展迅速。太阳能热利用是目前应用最广泛、技术最成熟的太阳能资源，尤其太阳能热水器、太阳灶等得到广泛利用。太阳能热水器在中国已然初步形成了成熟的产业发展规模，全国有3000多家太阳能热水器的生产企业，并出现了不少的知名企业和品牌。目前，中国已经初步掌握了太阳能光热产业的核心技术，并遥遥领先于世界水平，其自主知识产权率达到了90％以上。太阳能集热器和家用太阳能热水系统被列入“中国环境标志”认证产品。太阳能热水器的利用，主要是为人们的日常生活提供生活热用水。
截止2008年底，我国太阳能热水器总集热面积达到了13500万平方米，太阳能热水器年生产能力高达4000万平方米，使用量和年产量均占世界总量的一半以上，这表明，我国已经成为世界上太阳能集热器最大的生产国和使用国。但同样得承认，我国的太阳能热技术使用中还存在一系列的产品质量、国家支持政策力度、技术水平、与建筑设计脱节等问题。现阶段，我国绝大多数太阳能热水器都采用非承压的贮水箱，并利用落水法获取热水，而国际上太阳热水器普遍采用的是承压式贮水箱，并利用顶水法获取热水，这是从太阳热水器的使用舒适性、安全性、易操作性等因素考虑的。此外，中国应加大太阳能热水器与建筑一体化的力度，尽大可能地做到节约成本。
第二，光伏产品制造和光伏发电能力得到快速提升。这是我国利用太阳能方面第二个比较有成就的地方。我国光伏发电产业在2000年以后才得以较大发展，然而现在已初具规模。2002年我国光伏产品的制造生产能力还不足30兆瓦，而三年后的2005年，这一数字就攀升至400兆瓦。
近年来，我国太阳能光伏电池的生产量和市场销售量分别以年均15％和20％的速度增长，2005年全国太阳能电池的产量达到了2．3兆瓦以上，全国光伏发电总容量达到了近7万千瓦。2007年，我国光伏电池产量首次超过日本和德国，跃居世界第一位，之后产量逐年上升，在国际市场中的竞争力也得到大幅提高。
此外，太阳级硅材料的研制与开发制造业得到了很大的发展。在研究开发方面，单晶硅、多晶硅电池研究及非晶硅、碲化镉、硒铜等薄膜电池的研制卓有成效，同时还开展了浇铸多晶硅、银／铝浆、EVA等材料研究，并取得可喜成就，其中刻槽埋栅电池效率达到了国际先进水平。这改变了我国长期以来太阳级硅材料生产技术落后于国际水平的局面。
据统计，2008年底，我国多晶硅材料总产量已达到了5000万吨，而这一数字在2005年仅为30吨，产能也从该年的不足200吨上升到了2008年的6000吨以上，这基本上缓解了我国多晶硅材料常年短缺的难题。同样需要客观认识到，我国的光伏产业无论从生产规模、技术水平、原材料供给、市场培育等各方面都与发达国家有相当大的差距，这是我国的落后之处，也是发展潜力所在。
总之，作为新资源和可再生资源，我国对太阳能的利用总体还处于初级阶段，在取得不小成就的同时，对太阳能的利用效率还比较低，且国家扶持激励政策尚需大力加强，太阳能产业体系有待完善。