能源与社会——我们的生活向太阳

能源与社会 我们的生活向太阳李莹学院教育学院 班级教育 0601 学号 1703060113 摘要 本文概述了国际能源形势及其发展， 重点介绍了太阳能资源开发利用的现状， 阐述目前太阳能开发利用技术的主要形式及其特点， 展望了未来人类开发利用太阳能资源的解决能源问题、可持续发展问题趋势和美好前景。关键字 能源 太阳能 太阳能开发利用前言 生活的状态由什么决定很大程度上， 是能源。我们生活的改善，生产力的提高都离不开能源。 能源，是我们人类生活的生命线。 从历史上看，人类对能源利用的每一次重大突破都伴随着科技的进步，从而促进生产力大大发展，甚至引起社会生产方式的革命。如 18世纪瓦特发明了蒸汽机，以蒸汽代替人力畜力，以煤炭代替木柴，开始了工业革命。从 19世纪 70 年代开始，电力逐步代替蒸汽作为主要动力，从而实现了资本主义工业化。到了 20世纪 50 年代，随着廉价石油、天然气大规模开发，世界能源的消费结构从以煤炭为主转向以石油为主，因而使西方经济在 60 年代进入了“黄金时代” 。所以说，能源改变了，我们的生活状态就会改变。 能源与社会进步、国民经济的发展有着密切关系。 随着经济增长， 技术进步， 以及人口的猛增， 对能源的需求量会越来越大。根据国际能源机构公布的世界能源展望报告显示，从现在起到 2030 年，世界能源需求量将增加 2/3。经济学家和科学家的普遍估计到本世纪中叶，也就是 2050 年左右，石油资源将会开采殆尽。同时，煤、天然气等化石能源由于储量有限性和不可再生性也不能满足日益增长的需求。 因此， 在当前已经十分尖锐的能源问题前，世界各国都采取了各自的“代用能源战略” 。在这个战略中，除了原子能、生物质能外，太阳能因其清洁性、安全性、普遍性、充足性而更具开发的现实意义、长远的发展前景。 面对能源危机即将侵袭人类社会的现状， 我们人类该何去何从正如歌唱到的我们的生活，向太阳。正文 太阳能是太阳内部连续不断得 由氢聚变成氦的热核 反应过程产生的能量。太阳辐射到地球大气层的能量约为 4 1026w，形象的说大约 40 分钟照射在地球上的太阳能的总和，足以供全球人类一年的能量消费。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能， 所以广义的太阳能所包括的范围非常大， 狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、 光电和光化学的直接转换。 太阳能既是一次能源， 又是可再生能源。它资源丰富（太阳仍有 45 亿生命） ，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。目前， 太阳能利用涉及的技术问题很多， 但根据太阳能的特点， 具有共性的技术主要有四项， 即太阳能采集、太阳能转换、 太阳能贮存和太阳能传输。将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用 ----太阳能热利用，太阳能光、化学利用。1、 太阳能的热利用太阳能热利用具有广阔的应用领域， 可归纳为太阳能热发电 能源产出 和建筑用能 终端直接用能 ，包括采暖、空调和热水等。当前太阳能热利用最活跃，并已形成产业的当属太阳能热水器和太阳能热发电。1.1 太阳能热发电现行主流热动力发电系统主要有 3种类型槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上， 并将管内传热工质加热产生蒸汽， 推动常规汽轮机发电； 塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜， 将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上， 以产生很高的温度； 碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到 750℃左右，驱动热力机械循环做功进行发电。这种发电系统结构紧凑，转换效率高，而且余热仍可以用作他用，但是尚在研究开发阶段，商业化程度并不高，只有槽式系统在美国加州有个大型商业示范工程。 2005年 10月 29日，由工程院张耀明院士主持研制的国内首座 70kW 太阳能塔式热发电示范工程在南京江宁成功并网发电。 这一工程在塔式热发电系统中的关键部件定日镜装置上取得了突破性的进展， 发明出具有自主知识产权的定日镜技术。 运用这一技术制作的定日镜成本仅仅是美国同类装置成本的几分之一，加快了我国塔式热发电系统商业化的步伐。1.2 太阳能终端直接用能太阳能建筑已经逐步应用入我们的生活。 例如即将举行的北京奥运会场馆周围的照明设施 80至 90都是太阳能路灯，而太阳能电话、太阳能无冲洗卫生间等设施也将投入使用。很多新晋楼盘也是以节能绿色住宅作为卖点， 比如朗诗未来之家就是太阳能采暖， 并 24小时供应热水的。而世界著名的 Google公司，更是致力于环保事业。巨资打造 Googleplex 工程，在其总部办公楼顶，安装功率高达 1.6兆瓦特的太阳能光伏板，使用的光伏板数量超过 9200块用于供给公司日常运作。 节能楼宇不仅已从楼顶突破， 同时也在向建筑一体化过渡， 越来越多的生态建筑将出现在我们周围。 而太阳能热水器更是已经普遍被大家所熟悉、 使用， 但太阳能空调还不被大众所熟悉。 太阳能空调系统主要由太阳能集热装置、 热驱动制冷装置和辅助热源组成。其工作方式有二种一是先实现光 -电转换，再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷，这种方式原理简单、容易实现， 但成本高。 海尔集团就曾经生产过这种太阳能冰箱和空调。二是利用太阳能转换的热能，驱动进行制冷，这种制冷方式技术要求高， 但成本低、无噪音、无污染，现采用的主要是这种方式。目前，在太阳能制冷与空调技术的实用化方面研究热点分为太阳能压缩式制冷与空调技术、 太阳能吸收式制冷与空调技术、 太阳能吸附式制冷与空调技术、太阳能喷射式制冷与空调技术 4类。其中太阳能吸附式制冷与空调技术的研究最接近于实用化， 而且已经有了很多成功的实例， 相信不久的将来肯定会步入寻常百姓人家。2、 太阳能的光利用太阳能的光利用， 目前一是指太阳光发电， 即无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。二是太阳光制氢，这也是近来科研的前沿领域， 其前景不可小视。 随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展， 太阳能制氢必然成为发展氢能产业的最佳选择。 太阳能的光利用， 因为其能参与并网发电和建筑一体化，是目前太阳能应用技术中发展最快也是前景最好的。2.1太阳光发电光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能， 并使之转变成电能的直接发电方式。自从 1839年“光伏效应”的发现、 1954年实用性的硅太阳电池问世以来，世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。 目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。2.1.1单晶硅太阳能电池单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。 它的转换效率最高， 技术也最为成熟。 晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池、 新南威尔士大学的钝化发射区电池 PERL 以及德国 Fraunhofer太阳能研究所的局域化背场电池等。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。 此外， 倒金字塔技术、 双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶硅电池发展的主要原因。 如新南威尔士大学的钝化发射区电池和激光刻槽埋栅电池分别取到 24． 7％和 19． 6％的转化率。日本 Sanyo公司采用 PECVD工艺开发的 HIT 电池取得了 21％的转化率。2.1.2多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池由于所使用的硅远较单晶硅少， 具有成本低的独特优势。 但是由于它存在着晶粒界面和品格错位的明显缺陷， 造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破 20％的关口。多晶硅太阳能电池的实验室以往的最高转换效率为 18％，工业规模生产的转换效率为10％。 不过乔治亚工大光伏中心采用磷吸杂和双层减反射膜技术， 使电池的效率达到 18． 6％。新南威尔士大学光伏中心采用类似 PERL电池技术．使电池的效率达到 19． 8％；日本 Kysera公司采用了 PECVD-SiN 技术， 起到钝化和减反射双重作用， 加上表面织构化和背场技术． 使15-15cm 大面积多晶硅电池效率达 17． 1％。此种电池技术已经实现了工业化生产，商业化电池效率在 14％以上。2.1.3薄膜太阳电池由于受到原材料， 加工工艺和制造过程的制约． 若要再大幅度地降低硅太阳电池成本是非常困难的。于是， 现在发展了薄膜太阳电池，目前主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、染料敏化 TiO 2太阳电池等。比如，硅 -硅串联结构太阳能电池通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用长波太阳光，提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径；用化学束外延 CBE 技术生产的多结Ⅲ -Ⅴ族化合物太阳能电池 Ⅲ -Ⅴ族化合物 如 GaAs,InP具有较高的光电转换效率； 硒化铜铟 CuInSe-2,CIS 薄膜太阳能电池 1974年 CIS电池在美国问世， 1993年美国国家可再生能源实验室使它的本征转换效率达 16.7，具有成本低、可通过增大禁带宽度提高转换效率、 没有光致衰降、 抗放射性能好等优点； 大面积光伏纳米电池1991年瑞士 M.Grtzel 博士领导的研究小组， 用纳米 TiO-2 粉水溶液作涂料， 和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出微晶颜料敏感太阳能电池， 简称纳米电池。 用纳米技术、光子学、光媒材料、等离子和半导体聚合物材料与技术，均使得薄膜电池成本低得多。最新科研资料显示美国 Nanosolar公司将使用类似报纸使用的那种印刷技术，这与别处用于制造太阳能电池所采用的昂贵的基于真空的方法相比， 更加廉价。 该公司期望印刷出的灵活的软片能得到广泛应用，从太阳能移动电话到轻便式军用建筑物所使用的材料。美国Konarka公司已开发出一种具有光活性的光电塑料，据该公司称这种塑料柔软、重量轻、成本低， 比常规硅基太阳能电池用途更广。 这种新材料由导电聚合物和纳米材料制成， 可包覆或喷涂在物体表面， 类似于照相软片制造过程。 该公司说只要有光线和电池， 光电塑料就能让仪器、系统和建筑物拥有自己的低成本、内嵌式的再生能源。另一个雄心勃勃的工程一一空间太阳能的研究也在进行当中。 这一理念以环绕地球的卫星为基础， 用卫星俘获太阳能， 然后通过激光束或微波束发射至地面。 并用巨大的圆盘和天线接收这些电流，输入常规电网。同时，太阳能光伏发电系统还可以同其他发电系统组成混合供电系统，如风 -光混合系统、风 -光 -油混合系统等。最有发展前景的是太阳能光伏发电系统与电网相连，构成联网发电系统。 联网系统是将太阳能电池发出的直流电通过并网逆变器馈入电网。 实践证明 联网太阳能光伏电站可以对电网调峰、 提高电网末端的电压稳定性、 改善电网的功率因数和有效地消除电网杂波，应用前景广阔，是大规模利用太阳能电池发电的发展方向。2.2太阳光制氢70年代科学家就已经发现 在阳光辐照下 TiO 2之类宽频带间隙半导体， 可对水的电解提供所需能量， 并析出 O2和 H2， 从而在太阳能转换领域产生了一门新兴学科 --光电化学。 近来，美国国家可再生能源实验室还推出了一种利用太阳能一次性分解成氢燃料的装置。 该装置的太阳能转换率为 12.5， 效率比水的二步电解法提高一倍， 制氢成本也只有电解法的大约 1/4。日本理工化学研究所以特殊半导体做电极， 铂对极， 电解质为硝酸钾， 在太阳光照射下制得了氢，光能利用效率为 15左右。在太阳能制氢产业方面， 1990年德国建成一座 500kW太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成发电能力为 350kW 的太阳能制氢厂，前景广阔。当然， 太阳能利用技术虽然目前发展迅猛，各国都在大力研发，政策、资金多重扶持。但不可否认，目前该技术仍处于初始阶段，应用成本比较高， 商业化水平较低。随着社会的发展、技术的进步、市场的扩大，太阳能利用的成本会不断得下 降。而且太阳能相比原子能，不会产生工程失事后的灾难性影响；相比风能，它节省空间而无噪音；相比化石能源， 它无污染易获取； 相比水能， 它无地域限制适合分散式能源的要求安全， 充足，清洁 ,, 优势明显，着实值得发展。结语 21世纪， 人类面临着经济发展和社会可持续发展的重大课题。 在有限资源和环境保护的双重严格制约下如何去发展我们的社会， 已成为全球热点问题。 而能源问题， 不仅仅是常规能源的不足问题， 更突出的表现是化石能源开发利用带来的一系列问题 环境污染、 温室效应 ,, 要想解决上述问题， 实现可持续发展， 唯有依靠科技进步， 而后大规模地开发利用可再生清洁能源。太阳能有着这样独特的优势，其开发利用技术必将在 21世纪得到长足发展，必将在世界能源结构转换中担当重任， 成为 21世纪后期的主导能源。 抬头看我们再熟悉不过的太阳， 它不仅带给我们生理和心理上的健康欢愉。 随着科技的发展， 它仍将是我们赖以生存的能源瑰宝，并非盲目乐观只因我们的生活，向太阳参考文献 1. 唐振华，苏亚欣，毛玉如 . 关于开发新能源替代化石能源的思考，能源与环境， 2005.2 2. 赵利勇，胡明辅，杨贞妮 . 太阳能利用技术与发展，能源与环境， 2007.4 3. 常边疆 . 世界各国重视推广太阳能利用技术，无锡节能与综合利用， 2006.4 4. 发展中的太阳能先进技术俘获太阳射线并将其转化为电力， Power Energy 5. 黎兆林 . 太阳能发电及其展望，研究与探讨6. 赵玉文 . 21 世纪我国太阳能利用发展趋势，7. 高 峰 . 世界太阳能开发利用现状及我国太阳能产业发展的思考8. 申屠家杰 . 太阳能，“朝阳能”访中国光电技术发展中心常务副主任、浙江省能源研究所陈哲艮研究员 , 经贸实践