未來生活中我們如何更好地利用太陽能

題目：

未來生活中我們如何更好地利用太陽能

解答：

【利用太陽能的歷史】
據記載,人類利用太陽能已有3000多年的歷史.將太陽能作爲一種能源和動力加以利用,只有300多年的歷史.真正將太陽能作爲「近期急需的補充能源」,「未來能源結構的基礎」,則是近來的事.20世紀70年代以來,太陽能科技突飛猛進,太陽能利用日新月異.近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門•德•考克斯在世界上發明第一台太陽能驅動的發動機算起.該發明是一台利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機器.在1615年～1900年之間,世界上又研製成多台太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置.這些動力裝置幾乎全部採用聚光方式採集陽光,發動機功率不大,工質主要是水蒸汽,價格昂貴,實用價值不大,大部分爲太陽能愛好者個人研究製造.20世紀的100年間,太陽能科技發展歷史大體可分爲七個階段.
第一階段(1900~1920年)
在這一階段,世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置,但採用的聚光方式多樣化,且開始採用平板集熱器和低沸點工質,裝置逐漸擴大,最大輸出功率達73.64kW,實用目的比較明確,造價仍然很高.建造的典型裝置有：1901年,在美國加州建成一台太陽能抽水裝置,採用截頭圓錐聚光器,功率：7.36kW；1902 ~1908年,在美國建造了五套雙循環太陽能發動機,採用平板集熱器和低沸點工質；1913年,在埃及開羅以南建成一台由5個拋物槽鏡組成的太陽能水泵,每個長62.5m,寬4m,總採光面積達1250m2.
第二階段（1920~1945年）
在這20多年中,太陽能研究工作處於低潮,參加研究工作的人數和研究項目大爲減少,其原因與礦物燃料的大量開發利用和發生第二次世界大戰（1935~1945年）有關,而太陽能又不能解決當時對能源的急需,因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落. 第三階段（1945~1965年）
在第二次世界大戰結束後的20年中,一些有遠見的人士已經注意到石油和天然氣資源正在迅速減少, 呼籲人們重視這一問題,從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復和開展,並且成立太陽能學術組織,舉辦學術交流和展覽會,再次興起太陽能研究熱潮. 在這一階段,太陽能研究工作取得一些重大進展,比較突出的有：1945年,美國貝爾實驗室研製成實用型矽太陽電池,爲光伏發電大規模應用奠定了基礎；1955年,以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學會議上提出選擇性塗層的基礎理論,並研製成實用的黑鎳等選擇性塗層,爲高效集熱器的發展創造了條件.此外,在這一階段里還有其它一些重要成果,比較突出的有： 1952年,法國國家研究中心在庇里牛斯山東部建成一座功率爲50kW的太陽爐.1960年,在美國佛羅里達建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨——水吸收式空調系統,製冷能力爲5冷噸.1961年,一台帶有石英窗的斯特林發動機問世.在這一階段里,加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究,取得了如太陽選擇性塗層和矽太陽電池等技術上的重大突破.平板集熱器有了很大的發展,技術上逐漸成熟.太陽能吸收式空調的研究取得進展,建成一批實驗性太陽房.對難度較大的斯特林發動機和塔式太陽能熱發電技術進行了初步研究.
第四階段(1965~1973年）
這一階段,太陽能的研究工作停滯不前,主要原因是太陽能利用技術處於成長階段,尚不成熟,並且投資大,效果不理想,難以與常規能源競爭,因而得不到公衆、企業和政府的重視和支持.
第五階段（1973~1980年）
自從石油在世界能源結構中擔當主角之後,石油就成了左右經濟和決定一個國家生死存亡、發展和衰退的關鍵因素,1973年10月爆發中東戰爭,石油輸出國組織採取石油減產、提價等辦法,支持中東人民的鬥爭,維護本國的利益.其結果是使那些依靠從中東地區大量進口廉價石油的國家,在經濟上遭到沉重打擊. 於是,西方一些人驚呼：世界發生了「能源危機」（有的稱「石油危機」）.這次「危機」在客觀上使人們認識到：現有的能源結構必須徹底改變,應加速向未來能源結構過渡.從而使許多國家,尤其是工業發達國家,重新加強了對太陽能及其它可再生能源技術發展的支持,在世界上再次興起了開發利用太陽能熱潮.1973年,美國制定了政府級陽光發電計劃,太陽能研究經費大幅度增長,並且成立太陽能開發銀行,促進太陽能產品的商業化.日本在1974年公布了政府制定的「陽光計劃」,其中太陽能的研究開發項目有：太陽房 、工業太陽能系統、太陽熱發電、太陽電池生產系統、分散型和大型光伏發電系統等.爲實施這一計劃,日本政府投入了大量人力、物力和財力.70年代初世界上出現的開發利用太陽能熱潮,對我國也產生了巨大影響.一些有遠見的科技人員,紛紛投身太陽能事業,積極向政府有關部門提建議,出書辦刊,介紹國際上太陽能利用動態；在農村推廣應用太陽竈 ,在城市研製開發太陽能熱水器,空間用的太陽電池開始在地面應用……. 1975年,在河南安陽召開「全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會」,進一步推動了我國太陽能事業的發展.這次會議之後,太陽能研究和推廣工作納入了我國政府計劃,獲得了專項經費和物資支持.一些大學和科研院所,紛紛設立太陽能課題組和研究室,有的地方開始籌建太陽能研究所.當時,我國也興起了開發利用太陽能的熱潮. 這一時期,太陽能開發利用工作處於前所未有的大發展時期,具有以下特點：
各國加強了太陽能研究工作的計劃性,不少國家制定了近期和遠期陽光計劃.開發利用太陽能成爲政府行爲,支持力度大大加強.國際間的合作十分活躍,一些第三世界國家開始積極參與太陽能開發利用工作.
研究領域不斷擴大,研究工作日益深入,取得一批較大成果,如CPC、真空集熱管、非晶矽太陽電池、 光解水制氫、太陽能熱發電等.
各國制定的太陽能發展計劃,普遍存在要求過高、過急問題,對實施過程中的困難估計不足,希望在較短的時間內取代礦物能源,實現大規模利用太陽能.例如,美國曾計劃在1985年建造一座小型太陽能示範衛星電站,1995年建成一座500萬kW空間太陽能電站.事實上,這一計劃後來進行了調整,至今空間太陽能電站還未升空. 太陽熱水器、太陽電池等產品開始實現商業化,太陽能產業初步建立,但規模較小,經濟效益尚不理想.
第六階段（1980~1992年）
70年代興起的開發利用太陽能熱潮,進入80年代後不久開始落潮,逐漸進入低谷.世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經費,其中美國最爲突出.導致這種現象的主要原因是：世界石油價格大幅度回落,而太陽能產品價格居高不下,缺乏競爭力；太陽能技術沒有重大突破,提高效率和降低成本的目標沒有實現,以致動搖了一些人開發利用太陽能的信心；核電發展較快,對太陽能的發展起到了一定的抑制作用. 受80年代國際上太陽能低落的影響,我國太陽能研究工作也受到一定程度的削弱,有人甚至提出：太陽能利用投資大、效果差、貯能難、占地廣,認爲太陽能是未來能源,主張外國研究成功後我國引進技術.雖然,持這種觀點的人是少數,但十分有害,對我國太陽能事業的發展造成不良影響.這一階段,雖然太陽能開發研究經費大幅度削減,但研究工作並未中斷,有的項目還進展較大,而且促使 人們認真地去審視以往的計劃和制定的目標,調整研究工作重點,爭取以較少的投入取得較大的成果.
第七階段（1992年~至今）
由於大量燃燒礦物能源,造成了全球性的環境汙染和生態破壞,對人類的生存和發展構成威脅.在這樣背景下,1992年聯合國在巴西召開「世界環境與發展大會」,會議通過了《里約熱內盧環境與發展宣言》, 《21世紀議程》和《聯合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件,把環境與發展納入統一的框架,確立了 可持續發展的模式.這次會議之後,世界各國加強了清潔能源技術的開發,將利用太陽能與環境保護結合在 一起,使太陽能利用工作走出低谷,逐漸得到加強.世界環發大會之後,我國政府對環境與發展十分重視,提出10條對策和措施,明確要「因地制宜地開發和推廣太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等清潔能源」,制定了《中國21世紀議程》,進一步明確 了太陽能重點發展項目.1995年國家計委、國家科委和國家經貿委制定了《新能源和可再生能源發展綱要》 （1996 ~ 2010年）,明確提出我國在1996-2010年新能源和可再生能源的發展目標、任務以及相應的對策和措施 .這些文件的制定和實施,對進一步推動我國太陽能事業發揮了重要作用. 1996年,聯合國在辛巴威召開「世界太陽能高峯會議」,會後發表了《哈拉雷太陽能與持續發展宣言 》,會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》（1996 ~ 2005年）,《國際太陽能公約》,《世界太陽能戰略規劃》等重要文件.這次會議進一步表明了聯合國和世界各國對開發太陽能的堅定決心,要求全球共同行動 ,廣泛利用太陽能.1992年以後,世界太陽能利用又進入一個發展期,其特點是：太陽能利用與世界可持續發展和環境保護緊密結合,全球共同行動,爲實現世界太陽能發展戰略而努力；太陽能發展目標明確,重點突出,措施得力,有利於克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端,保證太陽能事業的長期發展；在加大太陽能研究開發力度的同時,注意科技成果轉化爲生產力,發展太陽能產業,加速商業化進程,擴大太陽能利用領域和規模,經濟效益逐漸提高；國際太陽能領域的合作空前活躍,規模擴大,效果明顯.通過以上回顧可知,在本世紀100年間太陽能發展道路並不平坦,一般每次高潮期後都會出現低潮期,處於低潮的時間大約有45年.太陽能利用的發展歷程與煤、石油、核能完全不同,人們對其認識差別大,反覆多,發展時間長.這一方面說明太陽能開發難度大,短時間內很難實現大規模利用；另一方面也說明太陽能利用還受礦物能源供應,政治和戰爭等因素的影響,發展道路比較曲折.儘管如此,從總體來看,20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都大.
【利弊】
優點：
(1)普遍：太陽光普照大地,沒有地域的限制無論陸地或海洋,無論高山或島嶼,都處處皆有,可直接開發和利用,且勿須開採和運輸.
(2)無害：開發利用太陽能不會汙染環境,它是最清潔的能源之一,在環境汙染越來越嚴重的今天,這一點是極其寶貴的.
(3)巨大：每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當於130萬億t標煤,其總量屬現今世界上可以開發的最大能源.
(4)長久：根據目前太陽產生的核能速率估算,氫的貯量足夠維持上百億年,而地球的壽命也約爲幾十億年,從這個意義上講,可以說太陽的能量是用之不竭的.
缺點：
(1)分散性：到達地球表面的太陽輻射的總量儘管很大,但是能流密度很低.平均說來,北回歸線附近,夏季在天氣較爲晴朗的情況下,正午時太陽輻射的輻照度最大,在垂直於太陽光方向1平方米麵積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若按全年日夜平均,則只有200W左右.而在冬季大致只有一半,陰天一般只有1／5左右,這樣的能流密度是很低的.因此,在利用太陽能時,想要得到一定的轉換功率,往往需要面積相當大的一套收集和轉換設備,造價較高.
(2)不穩定性：由於受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、雲、雨等隨機因素的影響,所以,到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的,又是極不穩定的,這給太陽能的大規模應用增加了難度.爲了使太陽能成爲連續、穩定的能源,從而最終成爲能夠與常規能源相競爭的替代能源,就必須很好地解決蓄能問題,即把晴朗白天的太陽輻射能儘量貯存起來,以供夜間或陰雨天使用,但目前蓄能也是太陽能利用中較爲薄弱的環節之一.
(3)效率低和成本高：目前太陽能利用的發展水平,有些方面在理論上是可行的,技術上也是成熟的.但有的太陽能利用裝置,因爲效率偏低,成本較高,總的來說,經濟性還不能與常規能源相競爭.在今後相當一段時期內,太陽能利用的進一步發展,主要受到經濟性的制約.
太陽能利用中的經濟問題：
第一,世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應該是一個既能滿足社會需要,而又不危及後代人前途的社會.因此,儘可能多地用潔淨能源代替高含碳量的礦物能源,是能源建設應該遵循的原則.隨著能源形式的變化,常規能源的貯量日益下降,其價格必然上漲,而控制環境汙染也必須增大投資.
第二,我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國,煤炭約占商品能源消費結構的76％,已成爲我國大氣汙染的主要來源.大力開發新能源和可再生能源的利用技術將成爲減少環境汙染的重要措施.能源問題是世界性的,向新能源過渡的時期遲早要到來.從長遠看,太陽能利用技術和裝置的大量應用,也必然可以制約礦物能源價格的上漲.
【太陽能熱利用】
就目前來說,人類直接利用太陽能還處於初級階段,主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統、太陽能暖房、太陽能發電等方式.
太陽能集熱器
太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道及抽水泵其他部件.另外在冬天需要熱交換器和膨脹槽以及發電裝置以備電廠不能供電之需 .太陽能集熱器(solar collector)在太陽能熱系統中,接受太陽輻射並向傳熱工質傳遞熱量的裝置.按傳熱工質可分爲液體集熱器和空氣集熱器.按採光方式可分爲聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種.另外還有一種真空集熱器:一個好的太陽能集熱器應該能用20～30年.自從大約1980年以來所製作的集熱器更應維持40～50年且很少進行維修.
太陽能熱水系統
早期最廣泛的太陽能應用即用於將水加熱,現今全世界已有數百萬太陽能熱水裝置.太陽能熱水系統主要元件包括收集器、儲存裝置及循環管路三部分.此外,可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應無日照時使用,另外尚可能有強制循環用的水,以控制水位或控制電動部份或溫度的裝置以及接到負載的管路等.依循環方式太陽能熱水系統可分兩種：
1、自然循環式:
此種型式的儲存箱置於收集器上方.水在收集器中接受太陽輻射的加熱,溫度上升,造成收集器及儲水箱中水溫不同而產生密度差,因此引起浮力,此一熱虹吸現像,促使水在除水箱及收集器中自然流動.由與密度差的關係,水流量於收集器的太陽能吸收量成正比.此種型式因不需循環水,維護甚爲簡單,故已被廣泛採用.
2、強制循環式:
熱水系統用水使水在收集器與儲水箱之間循環.當收集器頂端水溫高於儲水箱底部水溫若干度時,控制裝置將啓動水使水流動.水入口處設有止回閥以防止夜間水由收集器逆流,引起熱損失.由此種型式的熱水系統的流量可得知（因來自水的流量可知）,容易預測性能,亦可推算於若干時間內的加熱水量.如在同樣設計條件下,其較自然循環方式具有可以獲得較高水溫的長處,但因其必須利用水,故有水電力、維護（如漏水等）以及控制裝置時動時停,容易損壞水等問題存在.因此,除大型熱水系統或需要較高水溫的情形,才選擇強制循環式,一般大多用自然循環式熱水器.
暖房
利用太陽能作房間冬天暖房之用,在許多寒冷地區已使用多年.因寒帶地區冬季氣溫甚低,室內必須有暖氣設備,若欲節省大量化石能源的消耗,設法應用太陽輻射熱.大多數太陽能暖房使用熱水系統,亦有使用熱空氣系統.太陽能暖房系統是由太陽能收集器、熱儲存裝置、輔助能源系統,及室內暖房風扇系統所組成,其過程乃太陽輻射熱傳導,經收集器內的工作流體將熱能儲存,再供熱至房間.至輔助熱源則可裝置在儲熱裝置內、直接裝設在房間內或裝設於儲存裝置及房間之間等不同設計.當然亦可不用儲熱雙置而直接將熱能用到暖房的直接式暖房設計,或者將太陽能直接用於熱電或光電方式發電,再加熱房間,或透過冷暖房的熱裝置方式供作暖房使用.最常用的暖房系統爲太陽能熱水裝置,其將熱水通至儲熱裝置之中（固體、液體或相變化的儲熱系統）,然後利用風扇將室內或室外空氣驅動至此儲熱裝置中吸熱,再把此熱空氣傳送至室內；或利用另一種液體流至儲熱裝置中吸熱,當熱流體流至室內,在利用風扇吹送被加熱空氣至室內,而達到暖房效果.
太陽能發電
即直接將太陽能轉變成電能,並將電能存在電容器中,以備需要時使用.
太陽能離網發電系統
太陽能離網發電系統包括1、太陽能控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發的電能進行調節和控制,一方面把調整後的能量送往直流負載或交流負載,另一方面把多餘的能量送往蓄電池組儲存,當所發的電不能滿足負載需要時,太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負載.蓄電池充滿電後,控制器要控制蓄電池不被過充.當蓄電池所儲存的電能放完時,太陽能控制器要控制蓄電池不被過放電,保護蓄電池.控制器的性能不好時,對蓄電池的使用壽命影響很大,並最終影響系統的可靠性.2、太陽能蓄電池組的任務是貯能,以便在夜間或陰雨天保證負載用電.3、太陽能逆變器負責把直流電轉換爲交流電,供交流負荷使用.太陽能逆變器是光伏風力發電系統的核心部件.由於使用地區相對落後、偏僻,維護困難,爲了提高光伏風力發電系統的整體性能,保證電站的長期穩定運行,對逆變器的可靠性提出了很高的要求.另外由於新能源發電成本較高,太陽能逆變器的高效運行也顯得非常重要.
太陽能離網發電系統主要產品分類 A、光伏組件 B、風機 C、控制器 D、蓄電池組 E、逆變器 F、風力/光伏發電控制與逆變器一體化電源.
太陽能併網發電系統
可再生能源併網發電系統是將光伏陣列、風力機以及燃料電池等產生的可再生能源不經過蓄電池儲能,通過併網逆變器直接反向饋入電網的發電系統.
因爲直接將電能輸入電網,免除配置蓄電池,省掉了蓄電池儲能和釋放的過程,可以充分利用可再生能源所發出的電力,減小能量損耗,降低系統成本.併網發電系統能夠並行使用市電和可再生能源作爲本地交流負載的電源,降低整個系統的負載缺電率.同時,可再生能源併網系統可以對公用電網起到調峯作用.併網發電系統是太陽能風力發電的發展方向,代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術.
太陽能併網發電系統主要產品分類 A、光伏併網逆變器 B、小型風力機併網逆變器 C、大型風機變流器 （雙饋變流器,全功率變流器）.
× 太陽能路燈
太陽能路燈是一種利用太陽能作爲能源的路燈,因其具有不受供電影響,不用開溝埋線,不消耗常規電能,只要陽光充足就可以就地安裝等特點,因此受到人們的廣泛關注,又因其不汙染環境,而被稱爲綠色環保產品.太陽能路燈即可用於城鎮公園、道路、草坪的照明,又可用於人口分布密度較小,交通不便經濟不發達、缺乏常規燃料,難以用常規能源發電,但太陽能資源豐富的地區,以解決這些地區人們的家用照明問題.
太陽能利用新近展
目前國際上已經從晶體矽、薄膜太陽能電池開發進入了有機分子電池、生物分子篩選乃至於合成生物學與光合作用生物技術開發的生物能源的太陽能技術新領域.
日前從上海市科委獲悉,華東師範大學科研人員利用納米材料在實驗室中成功「再造」葉綠體,以極其低廉的成本實現光能發電.
葉綠體是植物進行光合作用的場所,能有效將太陽的光能量轉化成化學能.此次課題組並非在植物體外「拷貝」了一個葉綠體,而是研製出一種與葉綠體結構相似的新型電池———染料敏化太陽能電池,嘗試將光能轉化成電能.在上海市納米專項基金的支持下,經過3年多實驗與探索,這塊仿生太陽能電池的光電轉化效率已超過10％,接近11％的世界最高水平.
項目負責人、華東師大納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心主任孫卓教授展示了新型太陽能電池的「三明治」結構———中空玻璃夾著一層納米「夾心」,光電轉化的玄機就藏在這層幾十微米厚的複合薄膜中.納米「夾心」的「配方」十分獨特：染料充當「捕光手」,納米二氧化鈦則是「光電轉換器」.爲了讓染料儘可能多「吃」太陽光,科研人員還別出心裁地撒了點「佐料」———一種由納米螢光材料製成的量子點,讓不同波長的陽光都能對上「捕光手」的「胃口」.只要不斷改進「配方」,納米「夾心」的光電轉化效率就能一次次提高.
作爲第三代太陽能電池,染料敏化電池的最大吸引力在於廉價的原材料和簡單的製作工藝.據估算,染料敏化電池的成本僅相當於矽電池板的1／10.同時,它對光照條件要求不高,即便在陽光不太充足的室內,其光電轉化率也不會受到太大影響.另外,它還有許多有趣用途.比如,用塑料替代玻璃「夾板」,就能製成可彎曲的柔性電池；將它做成顯示器,就可一邊發電,一邊發光,實現能源自給自足.
太陽能是一種潔淨和可持續產生的能源,發展太陽能科技可減少在發電過程中使用礦物燃料,從而減輕空氣汙染及全球暖化的問題.
我國太陽能利用產業現狀
中國蘊藏著豐富的太陽能資源,太陽能利用前景廣闊.目前,我國太陽能產業規模已位居世界第一,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.我國比較成熟太陽能產品有兩項：太陽能光伏發電系統和太陽能熱水系統.
我國太陽能利用產業前景
中國《可再生能源法》的頒布和實施,爲太陽能利用產業的發展提供了政策保障；京都議定書的簽定,環保政策的出台和對國際的承諾,給太陽能利用產業帶來機遇；西部大開發,爲太陽能利用產業提供巨大的國內市場；原油價格的上漲,中國能源戰略的調整,使得政府加大對可再生能源發展的支持力度,所有這些都爲中國太陽能利用產業的發展帶來極大的機會.
利用方式
太陽能利用基本方式可以分爲如下4大類.
（1）光熱利用
它的基本原來是將太陽輻射能收集起來,通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用.[3]目前使用最多的太陽能收集裝置,主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦集熱器等3種.通常根據所能達到的溫度和用途的不同,而把太陽能光熱利用分爲低溫利用（＜200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（＞800℃）.目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能幹燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調製冷系統等,中溫利用主要有太陽竈、太陽能熱發電聚光集熱裝置等,高溫利用主要有高溫太陽爐等.
（2）太陽能發電
未來太陽能的大規模利用是用來發電.利用太陽能發電的方式有多種.目前已實用的主要有以下兩種.
①光—熱—電轉換.即利用太陽輻射所產生的熱能發電.一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換爲工質的蒸汽,然後由蒸汽驅動氣輪機帶動發電機發電.前一過程爲光—熱轉換,後一過程爲熱—電轉換.
②光—電轉換.其基本原理是利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉換爲電能,它的基本裝置是太陽能電池.
（3）光化利用
這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學轉換方式.
（4）光生物利用
通過植物的光合作用來實現將太陽能轉換成爲生物質的過程.目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻.