生物工程2003级 林海明 031404031.

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1 生物工程2003级 林海明

2 太阳能简介 太阳是一个在高温高压下不断进行热核聚变反应的炽热球体，直径1.39×106 km。在太阳球体的核心，氢核聚变为氦核连续释放3.865×1023 kJ·s-1的能量，温度达（8~40）×106 K。在人们能够见到的太阳表面，有效温度为5762K。大约太阳能量的22亿分之一（约1.765×1014 kJ·s-1）照射到地球大气上界。太阳光透过大气层到达地球表面的能量约为8.1×1013 kJ·s-1。这是一个巨大的能量资源。太阳能即指由太阳发射出来并由地球表面接受的这一部分辐射能。 太阳能是地球上主要能源的总来源，与常规能源相比具有如下特点： （1）太阳是个持久、普遍、巨大的能源。从地球诞生，阳光就照射着地球，向地球提供能量。按太阳的质量估算，它还有60亿年以上的寿命，因此可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的。 （2）太阳能是洁净、无污染的能源 。 （3）太阳能无偿地提供给地球的每一角落，可就地取材，不受市场的垄断和操纵。 太阳能的利用也有一些不利因素，例如太阳能的能量密度低，在日地平均距离处阳光垂直辐照时，被大气和地球表面吸收的仅约0.6kW/m2。就每个地域来说，能量供应是间断性的，受昼夜、阴晴、季节、纬度等因素影响较大，能量供应极不稳定，因此给太阳能的采集和使用带来许多技术上和经济上的困难，尚有大量课题需要研究。 太阳能的利用主要有热能转换、化学能转换和电能转换。通过光热转换实现了太阳能热利用(7.1)及热贮存(7.2)。而根据光电转换制成太阳电池(7.3)。

3 太阳能利用近期概况 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池；二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。 7O年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，198O年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在 7O年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。 自“六五”计划以来，我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。 20多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

4 太阳能热利用 光热转换是目前广泛采用的太阳能利用方式。按照用热温度可区分为低温热利用（t<100℃），用于热水、采暖、干燥、蒸馏等；中温热利用（100℃≤t≤250℃），用于工业用热、制冷空调、小型热动力等；高温热利用（t>250℃），用于热发电、废物高温解毒、太阳炉等。太阳能热利用系统一般由集热、贮热和供热三部分组成，有时还配备辅助能源。 太阳能集热器是通过对太阳能的采集和吸收将辐射能转换为热能的装置。分为平板型和聚焦型两类。 平板型集热器采集和吸收辐射能的面积相同，能收集太阳直射和散射的能量，由吸热体吸收，转换为热能。一般可获得40-70℃的热水或热空气。吸热体常用铜、铝合金、薄钢板，黑色塑料和橡胶制成。为减少散热损失，吸热体背后和侧面还装有保温层，用导热系数小，能耐受一定温度的膨胀珍珠棉或泡沫塑料制成。 聚焦型集热器由集光器和接受器组成，有的还有阳光跟踪系统。集光器把照射在采光面上的太阳辐射反射或折射汇聚到接受器 上形成聚焦面，从而使接受器获得比平板型集热器更高的能量密度，使载热介质的工作温度提高。聚焦型太阳灶可获得500℃以上的高温。采光面的几何形状多为旋转抛物面、椭球面或球面。反光层材料多为镀铝、喷涂铝或背面镀银、镀铝的玻璃或透明塑料膜。聚焦型太阳灶是我国应用较广泛的一类聚焦型集热器。它对缓解农村生活用能源的不足发挥了重要作用。国内聚光灶多为抛物面反射型，结构简单，操作方便，聚光效率高于50%，满足一般的炊事要求。 虽然地面上太阳辐射的能量密度低，但大面积集热的作用不可低估。1913年美国人F.Shuman建造了总面积1200m2的抛物面聚焦集热器，带动蒸汽机的输出功率73.5kW。80年代随太阳能材料和系统控制技术的进展，一些国家太阳热发电实现商业运营。美国加州含9个槽形抛物面的聚焦集热太阳热发电站总容量达354MW。科学家们使用1818块1.1×3.2m2的反光镜集中反射阳光至高塔上的中央接受器（锅炉），带动汽轮发电机的试验电站发电功率也达10MW。预计太阳热电站将会迅速发展。

5 太阳电池 太阳电池也称太阳能电池，是能有效吸收太阳光辐射能并使之转换成电能的半导体电子器件，一般都由n型半导体和p型半导体构成。当阳光辐照到半导体表面时，材料吸光产生自由正电荷（空穴）和负电荷（电子），在 p-n 结附近产生电子-空穴对，并将其分离到材料的不同区域，形成电动势。已经商品化的有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池。目前主要应用于电子手表、计算器等，正在逐渐进入功率较大的太阳能电源市场 已经实用或正重点研究的化合物有GaAs晶体, InP晶体, CuInSe薄膜, CdTe薄膜等。它们的禁带宽度在96 ~ 155 kJ· mol-1 之间 ，是制作太阳电池的优选材料。其中GaAs禁带宽度138 kJ·mol-1，理论效率近30%，但材料昂贵，只限于高效 电池、空间电池。为了提高电池效率，利用它良好耐高温性能，专门设计了汇聚阳光强度几倍至几百倍条件下工作的聚光太阳电池，效率可达15-18%。将GaAs叠在 GaSb上的叠层聚光太阳电池效率可达35.8%。 在太阳电池的基础上发展了太阳能发电系统称为光伏发电系统，属可再生能源发电系统。它们最初作为人造卫星和宇宙飞船的电源，20世纪70年代以后逐渐应用于地面系统，如农村和偏远地区的供电系统、微波中继站、电话和电视卫星地面站和地震台站等。

6 太阳能利用的广阔前景 　　太阳辐射能的直接利用，基本上从近期来说，利用太阳能供热和采暖是具有现实意义的；而从有四种方式，下面分别加以简单的介绍. 　　1 太阳能的光—热转换 　　这是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式.其基本原理是将太阳辐射能收集起来，利用温室效应来加热物体而获得热能. 地膜、大棚、温室等.目前使用得例如较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板型集热器，例如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器以及箱式太阳灶等；另一种是聚焦型集热器，例如太阳能开水器、太阳能理疗器以及反射式太阳灶、高温太阳炉等. 　　2 太阳能的光—电转换 　　太阳能的大规模利用，主要是用于发电.太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式. 　　2．1光—热—电转换方式：就是利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电.前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500）美元.因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争. 　　2．2 光—电直接转换方式：其基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能.光—电转换的基本装置就是太阳电池.目前常用的是硅太阳电池，它的转换效率较高，一般可达（10～15）％，少数可达20％.太阳电池使用简单，维护方便，甚至可以做到无人管理，例如在人造地球卫星上；此外，它的输出功率范围较宽，可从几毫瓦直至若干千瓦.它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中继站、高山气象站、输油输气管道的阴极保护等许多方面，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路.但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制. 　　但是，从长远来看，随着太阳电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，它仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景.为了不受昼夜、季节和天气条件等因素的影响，同时又能高效率地连续供电，利用太阳能空间电站是一个富有科学创造性的发展计划.它的主要设想是在地球同步卫星轨道的空间站上建立面积达10平方公里的太阳电池板，将收集到的太阳辐射能转换成电能，利用微波发生器把电能转换成微波，发射回地球，由地面站的巨大天线阵列加以接收，再把微波转换成电能.美国原来计划在20世纪内发射几座太阳能空间电站，单座功率高达1×104MW.如能试验成功，则太阳辐射能势必可以大规模地加以利用，成为未来世界的主要能源，从根本上改善目前人类利用能源的状况.由于受到技术和经济两方面的限制，原订计划的完成期已大大推迟，有可能在21世纪20～30年代实现.

7 　3 太阳能的光—化学转换 　　利用太阳辐射能直接分解水制氢，是一种很有前途的光—化学转换方式.氢能是二次能源，用途很广，既可作为化工原料，又可用以合成天然气和合成石油，尤其是作为氢燃料更引起人们的重视.这是因为可以用水作为制氢的原料，而水在地球上的储量是极为丰富的.此外，氢燃料又是非常清洁的，既便于贮存，又便于运输，被人们普遍认为是21世纪的能源.所以，利用太阳能制氢，是一种很有吸引力的途径，它也能从根本上改善目前人类利用能源的状况. 　　近年来，随着塑料包装的广泛使用，“白色”污染已日益成为亟待认真解决的迫切问题.一方面，改而采用短期内可以自动降解的材料，固然是一种比较彻底的办法；另一方面，对于已有的大量不能降解的塑料包装，仍有待积极地采取有效的措施加以解决.目前已知的有效措施之一，就是通过强紫外线的照射，可以基本上解决问题.但是，采取这种措施不仅所需的费用极为昂贵，并且很不容易大范围大规模地推广.因此，有人提出利用太阳能来取代单纯的紫外线.这样，不仅可以在露天直接进行处理，十分方便，也有利于大面积推广；同时又能够节约大量的人工紫外光源，大大降低了费用.初步实验的结果表明，开发前景是相当可观的.这很可能成为减轻或甚至消除白色污染，提高人们的生活质量，造福于子孙后代，使人类社会得以健康地持续发展的重大措施之一. 　　4 太阳能的光—生物质转换 　　主要是通过地球上众多植物的光合作用，将太阳辐射能转化为生物质能.其中大面积培植速生薪柴林，平均每年可以增高1m以上，不仅可以大大改善陆地绿化状况，减少大气污染，而且还可供给广大农村和偏远地区的炊事和生活用能.特别是，利用秸秆的气化燃烧，还可以用来进行小规模发电，满足家庭用电需要.此外，在海洋上大面积繁殖藻类，更可以解决全球日益增长的食品需要，尤其是补充蛋白质的不足，都将对于保证人类社会能够健康、平稳地可持续发展作出巨大的贡献.

8 总之，太阳能不仅是地球上目前已经开发利用的绝大多数能的来源，并且由于它的转换方式很多，可以应用的方面非常广阔，因此，对于它本身进行开发利用的前景十分看好.至少到21世纪中期，在石油和天然气即将“枯竭”之际，太阳能将会逐步取代现有的“常规能源”而成为地球上的主要能源之一，并对促进人类社会健康、持续地发展起到巨大的推动作用

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