太阳能

  
太阳能
  太阳能
  太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量,在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存,而自古人类也懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下,才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,化学能,水的势能等等。

太阳能概述

  
太阳能发电
  中国太阳能资源分布
  太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km,从而可计算出,地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2,地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2,相当于有102,000TW 的能量,人类依赖这些能量维持生存,其中包括所有其他形式的可再生能源(地热能资源除外)虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,但太阳能的能量密度低,而且它因地而异,因时而变,这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。
  太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×1026W)的22亿分之一,但已高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。下图是地球上的能流图。从图上可以看出,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,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火;利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代,太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

利用太阳能的方法

太阳能利用技术
 太阳能利用技术
  (1)使用太阳能电池,通过光伏转换把太阳光中包含的能量转化为电能
  (2)利用便宜的镜子将阳光反射至昂贵高效能太阳能电池(但需要注意散热),可以减低发电成本
  (3)使用太阳能热水器,利用太阳光的热量把水加热
  (4)利用太阳光的热量加热水,并利用热水发电
  (5)透过机械及硬件设备来收集及传送太阳能的热量,以供应暖气设备。可分为主动式太阳能加热系统及被动式太阳能加热系统
  (6)利用太阳能的热量来驱动斯特林发动机
  (7)利用太阳能加热盐类,再用盐类储存的热量发电(在夜间仍会继续发电)
  (8)集中太阳能于定点制造龙卷风,利用龙卷风来做高效能的风力发电
  (9)利用太阳能进行海水淡化
  (10)太空太阳能转换电能储存,输送到地面电能接收站,讯号接收站
  (11)根据环境与环境太阳日照的长短强弱,可移动式和固定式太阳能利用网
  (12)太阳能运输(汽车、船、飞机...等)、太阳能公共设施(路灯、红绿灯、招牌...等)、建筑整合太阳能(房屋、厂房、电厂、水厂...等)
  (13)太阳能装置,例如:太阳能计算机、太阳能背包、太阳能台灯、太阳能手电筒...等各式太阳能应用与装置
  现在,太阳能的利用还不很普及,利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题,但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了很好的应用。目前,全球最大的屋顶太阳能面板系统位于德国南部比兹塔特(Bürstadt),面积为四万平方米,每年的发电量为450万千瓦时。日本为了达成京都议定书的二氧化碳减量要求,全日本都普设太阳能光伏板,位于日本中部的长野县饭田市,居民在屋顶设置太阳能光伏板的比率甚至达2%,堪称日本第一。而在中国的江苏睢宁,太阳能利用率更达到95%,可谓全中国第一。

太阳能的优缺点

  
太阳能发电
  太阳能发电
  优点在光照充足的地区(例如:太空向阳区、海洋、海岸、空旷岩地...),太阳能的供应源源不断,生产过程不会产生环境污染,又不会消耗其他地球资源或导致地球温室效应。太阳能能源取自于太阳,来源源源不绝,太阳能为良好能源如同水力或风力,各处皆积极发展太阳能。
  太阳能设施可采取立体式设施,如同风能设施,可保护许多陆地和生态。太阳能电池组件还可以安装在建筑物上,称为光电一体化建筑,这样太阳能电池板不仅可以在有阳光的时候产生电力,还能达到隔热的作用,可以有效降低建物内部的温度,降低建筑能耗。太阳能虽然具有间歇性,但是太阳能发电量与用电尖峰需求呈现正相关,许多电力公司需要兴建只在尖峰时间发电的电厂,这种电厂的成本本来就很高,这种情况下,太阳能发电间歇性就不是劣势。
  缺点目前利用太阳能的各种技术都具有成本很高的缺点,因此首期资本投资不菲。另外,在许多阴雨绵绵或是日照短的的地区,很难完全靠太阳能供应,投资报酬率较低。另外,除非有大量的太阳能板或更成熟的太阳能技术,不然目前仍然难以产生大量电源供给使用是其缺点。

开发途径

·光热利用

  它的基本原来是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。

·太阳能发电

  未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换,后一过程为热—电转换。②光—电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。

·光化利用

  这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。

·光生物利用

  通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻。