太陽能

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太陽能(Solar energy)

　　太陽能是指來自於太陽的能量。太陽光到達地球後，會轉化成各種形式的能量。

　　1、太陽能最大的特點是能量巨大。在地球上，沒有任何能源能與太陽能相比擬。太陽能是太陽內部高溫核聚變反應所釋放的輻射能。每年到達地球錶面的太陽輻射能大約是130萬億噸標準煤，相當於目前全世界每年所消耗的各種能量總和的1萬倍。

　　2、太陽能具有典型的再生性，是典型的可再生能源。而且，正是由於太陽能的可再生性，決定了其他幾乎所有的可再生能源的再生性。換句話說，其他幾乎所有的再生能源的再生性都來源於太陽能的再生性。

　　3、太陽能在時間上是長久的，對於人類而言，可以說是永久的，無限的。

　　4、太陽能是廣泛的，在整個地球錶面上，幾乎都被太陽光所普照。

　　5、太陽能是完全潔凈的能源，不排放任何污染氣體和有害物質。

　　6、太陽能是惟一可以保持大氣溫度平衡而不使氣候變暖的能源。

　　7、太陽能是最安全可靠的能源。

　　8、太陽能的開發和利用能夠全面保持自然平衡。

　　9、太陽能的應用不受開采、運輸和儲存條件的限制。關於太陽能的優點，我們還將進行專門討論。

　　1、雖然太陽輻射能巨大，但是，由於廣泛地分佈於地球錶面，因而太陽能的能量密度是比較低的。要從很大的面積上把太陽能收集起來，這需要大面積的設備和很大的投資。

　　2、由於地球的白轉，使太陽能具有間歇性。這就是說，對於同一地點而言，所能接收到的太陽能是間斷的。這就決定著：或者太陽能只能作為輔助能源，或者就必須增加儲能裝置。因而還必須增加投資。同時，大規模地儲能，技術難度極大。

　　3、由於天氣時晴時陰時雨，這又增加了太陽能的間斷性，同時又使太陽能具有隨機性。

　　4、由於地球是圓形的，也由於地球自身的運動特點，因此太陽能在地球上的分佈是很不均勻的。

　　由於上述四個缺點，特別是第一個和第二個缺點，這就給太陽能的開發和利用帶來很大的困難。這是造成今天太陽能開發利用比例很低的根本原因。

　　直接利用太陽輻射能主要有三種方法：第一種方法是把太陽的輻射能變成熱能，叫做光熱轉換；第二種方法是把太陽的輻射能能變成電能，叫做光電轉換；第三種方法是把太陽的輻射能轉變成化學能，叫做光化學轉換。

　　光熱轉換，這種方法是利用集熱器或者聚光器來得到100℃以下的低溫熱源和1000℃到4000℃的高溫熱源。它是目前應用比較普遍的一種辦法，被廣泛地用在做飯、烘乾穀物、供應熱水、供室內取暖、空調、太陽熱能發電、輸出機械能和高溫熱處理等方面。農業上直接利用太陽輻射能的例子就是太陽能溫室和太陽能水泵。此外，太陽能還可以用在海水淡化等方面。

　　光電轉換，這種方法就是把太陽光能直接變成電能。它是利用某些物質的光電效應把太陽輻射能直接變成電能，它的核心就是太陽電池。目前，主要的太陽電池有硅電池、硫化鎘電池、砷化鎵電池和砷化鎵——砷化鋁鎵電池。

　　光化學轉換，綠色植物的光合作用就是一個光化學轉換過程。光合作用就是植物利用太陽光把二氧化碳和水變成有機物質。

　　由於傳統資源的日益枯竭及其本身所具備的無法避免的缺點，如污染環境和不可再生等，以及隨著科技的發展，綜合開發與利用太陽能的條件日益改善，太陽能顯示出了很強勁的發展前景。世界各國尤其技術成熟的發達國家與太陽能豐富的國家，已經將太陽能的開發與利用列入國家日程之上，並取得了不小的成就。

　　世界各國對太陽能的利用，主要是關於太陽能光能與熱能的利用，具體包括光與熱、光與電和光與化學之間的轉換。

　　目前世界各國所掌握的利用太陽能的技術，主要有太陽能熱利用技術、太陽能光電轉換技術以及光化學轉換技術。在太陽能熱利用方面，世界上取得的主要成就是太陽能熱水器的發明和利用。太陽能熱利用，就是太陽輻射能量通過各種集熱部件轉變成熱能後被直接利用，如工業製冷、空調等。除了太陽能集熱器，其衍生品有太陽能節能建築等。國際上對太陽能熱水器的利用技術已漸趨成熟，並已形成行業，對傳統電熱水器市場和燃氣熱水器市場造成了越來越大的衝擊。

　　國際上太陽能熱水器發展得很早，但上世紀80年代隨著石油價格的下降，加之世界各國取消對新資源減免稅優惠的政策導向，導致了太陽能熱水器利用技術發達國家的熱水器銷量徘徊在幾十萬平方米，發展緩慢。利用太陽能發電方面，世界上利用最多、最成熟的是光伏發電。光伏發電是利用半導體材料光伏效應直接將太陽能轉換為電能的一種發電形式。光伏發電產品主要用於三大方面：

　　一是為無電場合提供電源；

　　二是太陽能日用電子產品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等；

　　三是並網發電，這在發達國家已經大面積推廣實施。據預測，太陽能光伏發電在21世紀會占據世界資源消費的重要席位，不但要替代部分常規資源，而且將成為世界資源供應的主體。

　　可見，太陽能的熱利用與光利用將在不久的未來得到廣泛的開發與利用。世界對太陽能的利用，技術成熟的國家主要有德國、美國和日本等國。德國《商報》2006年10月30日報道，當前國際太陽能經濟領域，形成了美、德、日三強鼎立的局面。

　　德國的太陽能發電技術位居世界前列，該國上世紀70年代就開始了太陽資源的利用，1999年就頒佈了新可再生資源法，從而開始了大力發展太陽能產業的時代。2004年，德國新裝置了10TY台新式太陽能設備並首次超過日本，居世界第一位。近年來，德國在巴伐利亞州的阿恩施泰因建成了占地77公頃、擁有1500套太陽能發電裝置的大型太陽能發電場，其發電功率為12．4兆瓦，可以同時滿足3500戶家庭的用電需要。建成後發電功率是目前世界上最大的5兆瓦風力發電站的兩倍多。德國是世界上利用太陽能發電最多的國家，目前全德國的太陽能發電量相當於一個大城市的用電量。截止2005年底，德國太陽能集熱器面積達到了670萬平方米，每年可生產4700兆瓦的熱量。

　　日本方面，自上世紀90年代以來，日本在太陽能光伏發電方面取得了巨大的成功，通過推行可再生資源配額法和實行強補貼等政策，日本已經成為世界光伏發電的先導。近5年來日本居民光伏屋頂系統年增長率為97％，成為目前世界上光伏發電最大的市場。近年來，日本企業不斷在國內外擴大太陽能電池生產規模，這勢必提高日本制太陽能電池在全球市場中的占有率，日本經濟產業省曾據此預測，該占有率在2020年可望提高至33％，日本太陽能發電相關產業規模將達到100萬億日元，為2009年的10倍。

　　美國於1973年制定了政府級陽光發電計劃；1980年又正式將光伏發電列入公共電力規劃，累計投資達8億多美元；1994年度的財政預算中，光伏發電的預算達7800多萬美元，1993年增加了24％；1997年美國宣佈“百萬屋頂光伏計劃”，至20lO年將安裝1000兆瓦～3000兆瓦太陽能電池。美國近年來加大了對太陽能的扶持力度，據美國研究機構LuResearch資料顯示，美國很可能在2013年趕超德國成為世界上最大的太陽能市場。

　　此外，印度與以色列在利用太陽能方面也取得了很大的成就。印度政府從20世紀80年代起就為可再生資源的開發計劃提供資金，在印度，太陽能發電應用於不同領域，太陽能產品還大量出口國外，全國約有3600個偏遠村莊和部落已經通過光伏太陽能系統和電站獲得供電。印度還是世界上最大的太陽能電池模板製造國之一。以色列的地理位置決定了該國是一個太陽能資源利用條件較好的國家，同時，以色列對太陽能利用技術的研究與開發投入了大量的精力與資金，以色列正建太陽能發電站占地1000英畝，發電功率可達50萬千瓦，發電量約占以全國電力生產總量的5％。以色列還與美國、歐洲、澳大利亞等國家和地區有廣泛的合作關係，從而使以色列在太陽能領域一直處於世界領先行列。

　　總體而言，世界上開發利用太陽能的技術尚處於初級階段，但太陽能的發展潛力有目共睹，且現階段世界相關國家在太陽能利用方面已經取得了相當大的成績，這也為中國提供了經驗上與技術上的借鑒，有利於中國的太陽能開發與利用。

　　我國太陽能資源十分豐富，全國三分之二以上的國土面積年日照小時數都在2200小時以上，太陽能總輻射量在120～280瓦／平方米之間，太陽能理論儲量高達17000fL噸標準煤／年，年太陽輻射總量大於每平方米5000兆焦耳(相當於170千克標準煤)，每年陸地面積接受的太陽能輻射量相當於2．4萬億噸標準煤，約等於上萬個三峽工程發電量的總和，屬於世界上太陽能利用條件較好的國家和地區。

　　我國太陽能總輻射量分佈具有西高東低的特點，按接受太陽總輻射量的多少，全國可分為五類地區。西藏、青海、新疆、甘肅、內蒙古南部、山西和陝西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、雲南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南東部和西部，以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽能輻射能量較大，尤其是青藏高原地區太陽能資源最為豐富，最高達2333千瓦時／平方米，年太陽最高輻射量居世界第二，僅次於撒哈拉大沙漠。

　　由於蘊藏量十分豐富，太陽能資源在中國的利用前景非常廣闊。但同世界大部分國家的狀況類似，我國對太陽能的利用還處於起步階段，與發達國家相比，還有相當大的差距。然而可喜的是，目前中國的太陽能產業總體規模已位居世界第一，主要的利用開發價值體現在太陽能光伏發電和太陽能熱利用等方面。目前，中國已經是全球太陽能熱水器生產量和使用量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產國。總體而言，目前階段中國的太陽能利用和發展現狀主要體現在以下幾個方面：

　　第一，太陽能熱利用發展迅速。太陽能熱利用是目前應用最廣泛、技術最成熟的太陽能資源，尤其太陽能熱水器、太陽竈等得到廣泛利用。太陽能熱水器在中國已然初步形成了成熟的產業發展規模，全國有3000多家太陽能熱水器的生產企業，並出現了不少的知名企業和品牌。目前，中國已經初步掌握了太陽能光熱產業的核心技術，並遙遙領先於世界水平，其自主知識產權率達到了90％以上。太陽能集熱器和家用太陽能熱水系統被列入“中國環境標誌”認證產品。太陽能熱水器的利用，主要是為人們的日常生活提供生活熱用水。

　　截止2008年底，我國太陽能熱水器總集熱面積達到了13500萬平方米，太陽能熱水器年生產能力高達4000萬平方米，使用量和年產量均占世界總量的一半以上，這表明，我國已經成為世界上太陽能集熱器最大的生產國和使用國。但同樣得承認，我國的太陽能熱技術使用中還存在一系列的產品質量、國家支持政策力度、技術水平、與建築設計脫節等問題。現階段，我國絕大多數太陽能熱水器都採用非承壓的貯水箱，並利用落水法獲取熱水，而國際上太陽熱水器普遍採用的是承壓式貯水箱，並利用頂水法獲取熱水，這是從太陽熱水器的使用舒適性、安全性、易操作性等因素考慮的。此外，中國應加大太陽能熱水器與建築一體化的力度，盡大可能地做到節約成本。

　　第二，光伏產品製造和光伏發電能力得到快速提升。這是我國利用太陽能方面第二個比較有成就的地方。我國光伏發電產業在2000年以後才得以較大發展，然而現在已初具規模。2002年我國光伏產品的製造生產能力還不足30兆瓦，而三年後的2005年，這一數字就攀升至400兆瓦。

　　近年來，我國太陽能光伏電池的生產量和市場銷售量分別以年均15％和20％的速度增長，2005年全國太陽能電池的產量達到了2．3兆瓦以上，全國光伏發電總容量達到了近7萬千瓦。2007年，我國光伏電池產量首次超過日本和德國，躍居世界第一位，之後產量逐年上升，在國際市場中的競爭力也得到大幅提高。

　　此外，太陽級硅材料的研製與開發製造業得到了很大的發展。在研究開發方面，單晶硅、多晶硅電池研究及非晶硅、碲化鎘、硒銅等薄膜電池的研製卓有成效，同時還開展了澆鑄多晶硅、銀／鋁漿、EVA等材料研究，並取得可喜成就，其中刻槽埋柵電池效率達到了國際先進水平。這改變了我國長期以來太陽級硅材料生產技術落後於國際水平的局面。

　　據統計，2008年底，我國多晶硅材料總產量已達到了5000萬噸，而這一數字在2005年僅為30噸，產能也從該年的不足200噸上升到了2008年的6000噸以上，這基本上緩解了我國多晶硅材料常年短缺的難題。同樣需要客觀認識到，我國的光伏產業無論從生產規模、技術水平、原材料供給、市場培育等各方面都與發達國家有相當大的差距，這是我國的落後之處，也是發展潛力所在。

　　總之，作為新資源和可再生資源，我國對太陽能的利用總體還處於初級階段，在取得不小成就的同時，對太陽能的利用效率還比較低，且國家扶持激勵政策尚需大力加強，太陽能產業體系有待完善。

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