太阳能利用现状与趋势

地球上的化石能源主要有石油、煤、天然气和海底甲烷水合物，目前，人类使用的能源主要是化石能源．由于这些矿物燃料的大量消耗，已导致全球气候变暖，引起严重的生态环境问题，而且化石能源贮量有限，分布不均，有朝一日，必然枯竭．人类今后使用何种能源，这已成为摆在我们面前的问题．太阳能遍布地球，取之不尽，用之不竭，对环境无污染，这是人类未来能源的{zj0}选择．

1.太阳能电池

1．1  太阳能电池    将太阳能转化为电能，一直是人类美好的理想．1954年美国贝尔实验室制成了世界上{dy}块单晶硅太阳能电池，从此，人类这一理想就逐渐转变为现实．太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置，是由各种具有不同电子特性的半导体材料制成的平面器件，具有强大的内部电场．内部电场在太阳光的照射下，发生了电子和空穴的分离，电子和空穴分别向两个相反的方向移动，正、负电荷分别聚集而产生电动势rtl，即在太阳能电池的正面和背面之间产生电压，接通外电路后就能输出直流电流．例如以N半导体砷化掠和碳组成的电池(N。GaAs[K2Se—KzSe《OH[C]就是一种典型的太阳能电池．近年来，太阳能电池得到飞速发展，20世纪80年代以来，发展为以硫化镐、砷化掠等新型半导体材料为基础的无机太阳能电池和以份普(又称都花普)、酞普及叶绿素等为基材的有机太阳能电池．太阳能电他的效率(即光能转化为电能的比例)也得到很大的提高，例如单晶硅太阳能电池的效率从最初的6．0％提高到24．7％；薄膜蹄化锦太阳能电他的效率为16．4％；在单晶硅片上、下表面分别沉积P型和N型非晶硅薄膜制成的HIT型电池，效率已达21．0％．当今世界上光电转化效率{zg}的当属砷化掠多结太阳能电池，它在聚油船倍的阳光条件下，光电转化效率已高达35．0％，并向40．0％的高峰攀升．

现以硅电池为例介绍太阳能电池的制作：首先在硅片上制作一个平面州结，然后在硅片的正面和背面分别制作电极，为了增加对阳光的吸收，有时还在上表面制备一层减反射膜．为了对电能进行大功率输出，须将大量的单个太阳能电他用串联和并联的方式连接起来．为了保护太阳能电池，安装时还需用钢化玻璃将太阳能电池封装起来．封装起来的多个太阳能电池形成的太阳能电池方阵，就称太阳能电池板．太阳能电池的研究方兴未艾，目前研究工作主要集中于提高大阳能电他的光电转化效率，寻找新型材料和改进制作工艺及降低成本等方面．

1．2太阳能建筑    1941年美国麻省理工学院就建立了{dy}批太阳能建筑并取得专利．澳大利亚悉尼市政府为了举办2000年奥运会，建筑了665套{yj}性太阳能住宅和500座太阳能活动房，供各国运动员下塌，并且在悉尼奥运村中的宴会厅和自助餐厅的屋顶上安装了太阳能电池，此举开创了“绿色奥运”的先河．此外在悉尼奥林匹克林荫大道上，排列着19座太阳能灯塔，灯塔上的太阳能电池，白天将阳光的光能转化为电能，贮存于蓄电池中；当暮色降临时，蓄电池中的电能自动释放，将路灯点亮．这项技术在航海灯塔上也已得到应用．

太阳能电池向建筑供电的形式非常灵活，既可安装太阳能电池屋顶，也可将房屋的墙壁做成太阳能幕墙，或将窗台做成太阳能窗沿．安装在美国纽约第四时代广场35—48层的太阳能幕墙为整栋大楼提供了1*5％的电力，而目前太阳能利用最常见的形式是将太阳能电池铺设在倾斜的屋顶上．世界上{zd0}的太阳能屋顶位于德国Hema，功率为1MW．    

上海交通大学太阳能研究所在该校阅行校区建设的生态能源房，为单层建筑，建筑面积245m2，内设展示厅、休息室、物品存放室、厕所和太阳能浴室等．该生态能源房安装了功率4kW的太阳能电池、1kW的风能发电机、10m2的太阳能集热器和2kW的地热泵等设施．由这些绿色能源系统向生态能源房供电、供热和供冷*其中太阳能和风能发出的电能充入蓄电池，转变成220V交流电后，向室内的电灯、电视、空调、传真机、计算机和洗衣机等供电，2kW的地热泵用井水循环，可对室内供冷、供热，而10m2的太阳能集热器可为室内24喉供热水．这对未来住房设计是一种有益的探索.

1.3  太阳能交通工具    太阳能电池应用非常广泛，也能较好地应用于交通工具．最近，美国研制了一种新型的太阳能电池驱动的飞行器，称“太阳神原型机”．该机质量只有700kg，翼展74m，机翼上面装有6．5万块太阳能电池板，首次试飞就成功地升到24．7km的高空，理论飞行高度可达30．9km*该飞行器的研制是航天航空技术领域的一次革命，显示了太阳能电池在飞行器上的广阔应用前景*太阳能电池在车、船上的应用研究也相当成功，例如，日本京都陶瓷公司和Kitami理工学院共同研制开发的太阳能汽车“蓝鹰”号，在第五届世界太阳能汽车技力赛上表现非常突出．澳大利亚的太阳能汽车Auroral01，外型新颖别致，像个飞碟，行程3*010Mm，仅耗时41*1h，平均速度达72*96knVh*1996年日本人肯尼兹·霍维也号驾驶一条由回收废罐头盒制成的太阳能光电动船，整条船上的船篷都装有太阳能电池，从厄瓜多尔航行到日本，航程16Mm，历时120d，此举充分显示了太阳能电池的广阔应用前景．

1．4  太阳能电池在航空航天和通讯上的应用    太空中只有白天，没有黑夜，太阳光强度也不受天气变化和季节更替的影响*最初太阳能电池主要是广泛应用于人造卫星和航空航天领域，如人造卫星、宇宙空间站上的能源都是由太阳能电池提供．近年世界上正在研制一种现代化通讯工具“太阳能平流层平台”．它是一架长240m，直径80m的巨型xx．xx内充满氮气，由浮力克服重力，将xx锁定在20km的高空，xx上螺旋桨的推力来平衡平流层内速度高达30m／s的气流，使xx在高空定位，由xx上安装的微波通讯发射和接收系统来代替全球xxxx系统，确保所辖区域的各种地面微波通讯的可靠运行．这一设施可能不久就会面世．    

太阳能电池的应用远不止上述各方面，白1973年能源危机爆发后，太阳能电池的应用领域不断扩展．目前，甚至还建立了很多xx由太阳能电池供电的设施，如微波中转站、航海灯塔、路灯、捕虫器、公共汽车站牌等等．太阳能电池的应用可见一斑.

2  太阳能光能热利用发电    太阳能炉灶和太阳能热水器等是太阳能光能利用方面除日常生活应用之外的较简单的形式．太阳能的光能热利用的发电形式主要有太阳能烟筒发电、塔式发电、碟式发电和槽式发电等．

2．1  太阳能烟筒发电    太阳能烟筒是最简单的发电方法．在一块空旷圆型的土地上盖满透明的玻璃，正中建一个烟筒，烟筒内安装涡轮式发电机，在阳光照射下，玻璃下的地面吸收阳光，产生热气，热气从烟筒中上升，形成气流，气流驱动涡轮机而发电.

2．2  塔式发电    太阳能塔式发电是在空旷的平地上建立高大的坚塔，塔顶安装接收器(相当于锅炉)，以塔为中心在其周围安置许多大阳追踪镜(又称定日镜)*定日镜将日光聚集并反射到塔顶接收器上，太阳光产生的热能使接收器内的水产生高温蒸汽，以蒸汽推动汽轮机来发电*1981年在日本四国建成的世界上首座电塔开始运行，电站总面积13000m2，装有定日镜800多面，发电功率1MW．世界上{zd0}的试验性电塔(太阳1号电塔)1982年于美国加利福尼亚州落成，发电功率10MW．后改为太阳2号电塔，其中央接收器用太阳光聚焦方法加热到约556cC，融化硝酸盐，并利用其热量使水沸腾和产生蒸汽，推动汽轮机发电，为加利福尼亚州1万个家庭供电．

2．3  碟式发电和槽式发电    对分散的太阳光线，可利用一组抛物形碟状反射镜或槽状反射镜来聚集太阳光，并聚焦到一系列的接收器上，抛物形碟把太阳光聚集于一个焦点，而抛物形槽则沿着一条线聚集太阳光，这些圆形或条形的接受器用管道串通，抽上来的水被强烈的阳光加热至高温，得到热水或蒸汽，既可提供热量，也可发电．座落在美国加利福尼亚州华纳泉附近的一个碟式太阳能发电系统，功率达4MW．

3         太阳能海水淡化

地球可供人类直接利用的淡水不足地球总水量的0．36％LZ—3i，且水量的时空分布极为不均，与人口、耕地、矿产资源的分布也不相匹配．在内陆的某些干旱地区、苦咸水地区、沿海盐碱地区和海岛，淡水供应严重不足．对于沿海和海岛海水充足或内陆苦咸水丰富的地方，海水(或苦咸水)淡化是解决这些地区缺水矛盾的一个重要途径，利用太阳能作为淡化海水(或苦咸水)的能源，比利用其它能源更环保，对于用水量小且地处偏僻分散的地方来说也更经济．    

太阳能海水淡化一般都采用蒸馏法，目前太阳能蒸馏装置主要有被动式蒸馏系统和主动式蒸馏系统．被动式蒸馏系统最典型的例子是盘式太阳能蒸馏器，其结构简单，取材方便，人类对其应用研究已有近100沥史．目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中在新材料的选用、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用等方面*现在较为理想的盘式太阳能蒸馏器的日产水量一般为3—4kdm2r4I*若在海水中添加木炭等黑色吸热物质，产水量还有很大提高．被动式太阳能蒸馏系统一个严重的缺点是工作温度低，产水量不高，也不利于在夜间、阴雨天工作及利用其他余热*1976年由S01iman等人{zx0}提出主动式太阳能蒸馏器的设想，经过多年的研究和发展，目前的主动式太阳能蒸馏系统有多种*总而言之，是在被动式太阳能蒸馏系统中增加一些其他附属设备，使其运行温度得以大幅度提高，其内部传质过程得以改善，并且大部分设备都能主动回收蒸汽在冷凝过程中释放的潜热，使其能得到比传统太阳能蒸馏器高出一倍甚至数倍的产水量，因而目前受到广泛重视．

4太阳能制氢

氢是一种二次能源，也是未来的新能源，干净xx，对环境无污染，可用于不同的能量转换器．氢燃烧生成水，水可再经过光解产生氢，以取之不尽的水为原料，以太阳能为初次能源，从而构成一个对环境无污染的能源利用循环[5I．氢是氢燃料电池的燃料，我国己研制出加一次氢可行驶300km的可乘坐9人的氢燃料电池车．这是一种xx无污染的环保型车，但目前制氢的方法主要是烃—蒸汽催化转化，这样生产氢会影响环境，而用电解水的方法制氢又成本太高，使用太阳能电池就能解决这一问题．目前，在利用太阳能制氢方面除电解水制氢外，特别引入注目的是金属有机化合物用于光解水的研究，近年已取得不少令人鼓舞的重要结果，但距离高效产氢和达到实用阶段，尚有较大差距L61，相信在研究人员的努力下，会有新的突破．最近，科研人员利用生物技术迫使藻类植物在光合作用下吸收C02，放出02．目前，这一研究己取得很大的进展，在不久的将来可望实现实用化.

参考文献：[U王箴．化工辞典[MI．第3版．北京：化学工业出版社，1996．75．[2]Soterls  Kaloglou．  Survey  of s01ar  desaElnatlon  systems  and  system selection[JI．  Energy．1997，22(U：69—81．[3]王俊鹤．海水淡化[MI．北京：科学出版社，1978．[4]Hassan E．S．F，Sang M．E．．Egect ofaddZng a passiYe condenser    on s01ar atjEE pe此m明ce[JI．  EnerD comvers Mgmt，  1993，    34(U：63—72．[5]陈新滋，钱延龙．当代金属有机化学与催化的发展现状与趋  势阻)．钱延龙，陈新滋．金属有机化学与催化[C]．北京：化  学工业出版社，1997．9．