太阳能开发与利用

1、太阳能的开发与利用 学院 资源与安全工程学院 专业班级 采矿工程试验1403 姓名 王维 学号 0204140307 指导老师 唐有根中南大学 2015年4月16日 摘要随着人口的增长和社会的发展，大量的能源消耗将使世界传统的能源资源趋于枯竭，地球的传统能源已经无法提供人类的能源需求。根据当前已探明储量，石油、天然气、铀、煤分别仅供人类使用至2050、2070、2075、2160年之前。地球上超过50亿年积累的能源，在几十上百年间即将被人类耗尽，能源危机正逐渐蔓延到世界的每个角落，成为经济社会发展的一个瓶颈。全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续

2、发展。太阳能有着巨大的潜在资源优势，大规模开发利用太阳能将从根本上解决未来世界对能源消费的需求。太阳是地球上的能源的根本，太阳辐射作为一种新能源，无疑是清洁，可持续能源的代表。太阳能是一种不需运输，无污染，最清洁的能源，太阳能作为取之不尽的天然能。照射到地球上的太阳能，达到每秒1.7*104kw,地球上每小时获得的太阳能可满足全年能量的需要。目录1.太阳能利用概论2.太阳能研究的发展历史3.太阳能利用的基本方式3.1太阳能热利用(1)太阳能热水器(2)太阳能热发电(3)太阳能制冷(4)太阳房3.2太阳能光电利用3.3太阳能光化学(1)太阳能-生物质能转换(2)太阳能制氢(3)光电转换电解水制氢

3、 4.参考文献1太阳能利用概论 太阳能有着巨大的潜在资源优势，大规模开发利用太阳能将从根本上解决未来世界对能源消费的需求。而光伏发电则是开发利用太阳能的最有效手段。我国属太阳能资源丰富的国家之一，太阳能辐射总量在33×10 -84×10zJ(m ·a)之间。全国总面积23以上地区年日照时数大于2 000 h，可开发的太阳能资源达21 250亿kW，折合标准煤为17 000亿t。 国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在太阳能热发电、风力 发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位，可以说太阳能产业是一个没有发展尽头的行业，或将撑起人

4、类发展的大梁。当今人类对太阳能的运用已经拓展到了更深更广的领域。世界经济研究所早在十年前就预言光伏是2l世纪高新技术角逐的前列之一。根据欧盟联合研究中心预测，本世纪太阳能将成为人类支柱性能源，其快速发展期在2030年至2050年之间。 太阳能行业是一个包括光热、光伏、光电的巨大产业。太阳能的利用方式主要有： 光伏发电系统、太阳能聚热系统、太阳能热水器、太阳能取暖和制冷等。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用中最具有意义的技术，成为世界各国研究应用的热点，在这一一领域的任何突破和进展，将对人类未来能源的利用产生革命性影响。专家认为，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部

5、分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计：2030年，可再生能源在总能源结构中将占30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；21世纪末，可再生能源在能源结构中将占80以上，太阳能发电将占60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。 2太阳能研究的发展历史 太阳能科技的发展历史大致可分为以下七个阶段。（1） 第一阶段（1900-1920）在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍然是太阳能的动力装置，但采用聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工

6、质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kw，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置；19021908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台有五个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m,采光面积达1250平方米。（2） 第二阶段（19201945）在这20多年中，太阳能的研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物材料的大量开发与利用和第二次世界大战有关，而太阳能不能解决当时能源的需要，因此使太阳能的研究工作逐渐受到冷落。（3） 第三阶段

7、（19451965）在这一阶段，太阳能的研究工作取得一些重大进展。比较突出的有：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳能电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为 50kw的太阳炉；1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨；1961年，一台有石英窗的斯特林问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了太阳能选择性涂层和硅太阳能电池等技术的重大突破。（4） 第四阶段

8、（19651973年）这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众企业和政府的重视和支持。（5） 第五阶段（1972198年)自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素。1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产，提价等办法，支持中东地区人民的斗争，维护本国利益，其结果是使那些依靠中东地区大量进口廉价石油的国家在经济上遭遇严重打击。这次“危机”使人们意识到，重新加强太阳能及其他可再生能源技术发展的重要性。世界上再一次兴起了开发

9、利用太阳能的热潮。1973年，美国制订了政府级阳光发电计划，促进了太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了“阳光计划”，其中太阳能的开发研究项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统等。20世纪70年代初世界上开发利用的太阳能热潮对中国也产生了巨大的影响。1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。（6） 第六阶段（19801992）20世纪70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代以后，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，

10、而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能也起到了一定的抑制作用。这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断。有的项目进展较大，而且促使人们认真的去审视以往的计划和研制的目标，调整工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。（7） 第七阶段（1992年至今）由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样的背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言、21世纪议程和联合国气候

11、变化框架公约等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能的利用走出低谷，逐渐得到加强。3.太阳能利用的基本方式 太阳能利用的基本方式可分为太阳能热利用，太阳能光电利用，太阳能光化学等。3.1太阳能热利用 太阳能热利用历史悠久，千百年来人们广泛利用太阳光晒干衣服、 物料和工农业产品等，但这些都是最简单的利用，人类真正高品质的利用太阳热能的时间还不长。在太阳能热利用方面主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。太阳能热利用包括太阳能热水器、太阳能热发电、太阳能制冷

12、、太阳房等。（1）太阳能热水器 伴随着人们对环境保护和能源危机意识的加强，太阳能资源的开发与利用越来越得到人们的认可和重视，太阳能热水器的市场前景相当广阔。太阳能热水器是太阳能热利用产业发展的主要内容之一。太阳能热水器经过近20年的研究和开发，其技术已趋于成熟，是目前我国新能源行业中最具发展潜力的产品之一。太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器是由集热器、储水箱及相关附件组成，把太阳能转化为热能主要依靠集热管。太阳能集热器是在太阳能热系统中接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。太阳能集热器按传热工质可分为液体集热器和空气集

13、热器；按采光方式可分为聚光型集热器和非聚光型集热器。（2) 太阳能热发电 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转化为电能的过程。太阳能热发电系统由集热系统、热传输系统、蓄热及热交换系统和汽轮机发电系统组成。世界上现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式聚焦系统、塔式系统和碟式聚焦系统（又称碟式/斯特林系统）。槽式聚焦系统是利用抛物柱面反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并经高管内传热物质加热，在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。塔式太阳能热发电系统是利用一组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，用以产生高温，然后由传热介质将得到的热量传送到安装在塔下的透平发电装置中，推动

14、透平，带动发电机发电。碟式/斯特林系统是由许多镜子构成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热物质被加热到750摄氏度左右，驱动发电机进行发电。碟式/斯特林系统光学效率高，启动损失小，效率高达29%，在三种系统中位居首位。（3) 太阳能制冷太阳能制冷是将热能或电能进行制冷的方式。随着蒙特利尔条约的签订，氟利昂压缩式制冷机将逐渐退出市场。利用水、蒸气或其他热源驱动的溴化锂吸收式制冷机将逐渐成为一种趋势，尤其是在中央空调方面。太阳能空调系统是以太阳能来驱动制冷机工作，以达到节约常规能源消耗、降低系统运行费用的目的。太阳能空调，制热时以太阳能和可再生的生物质燃料为主要能源，是真正的

15、绿色取暖方式。制冷时借助少量的电能利用地源低温，采用超导能量输送系统直接制冷，达到最合理的节能制冷效果。不会消耗大量难以再生的能源，而且在制冷过程中不会释放太多的二氧化碳。（4） 太阳房太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。是一种既可取暖发电，又可去湿降温、通风换气的节能环保住宅。最简便的一种太阳房叫被动式太阳房 ，建造容易，不需要安装特殊的动力设备；比较复杂一点，使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房；更为讲究高级的一种太阳房叫空调制冷式太阳房。太阳房可以节约75%-90%的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术和应用方面，欧洲处于领先地位，特别是在玻璃涂层、透明隔热材

16、料等方面居世界领先地位。日本已利用这种技术建成了上万套太阳房，节能幼儿园、节能办公室、节能医院也在大力推广。中国也正在推广综合利用太阳能，使建筑物完全不依赖常规节能环保性住宅。在不久的将来，太阳房将造福越来越多的人。3.2太阳能光电利用太阳能转化为电能有两种基本途径：一种是把太阳辐射能转化为热能，即“太阳热发电”；另一种是通过光电器件将太阳光直接转化为电能，即“太阳光发电”。光发电到目前为止已发展成为两种类型：一种是光生伏达电池，一般俗称太阳能电池；另一种是正在探索之中的光化学电池。太阳能电池具有方便、不需燃料和无污染等优点，近年来得到很大的发展，有可能成为未来社会能源结构的主要成员。太阳能电

17、池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上成为太阳能光伏，简称光伏。目前，太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。2012年，全球太阳能电池产量达到37.4gw,同比增长6.3%。在世界光伏市场的强力拉动下，中国太阳能电池的制造业通过引进、消化、吸收和再创新，获得了长足的发展。中国太阳能电池产业的发展大致可分为三个阶段。第一阶段为1984年以后的研究开发时期；之后迎来了2001年以后的产业形成时期，第二阶段也是伤的等太阳能电池厂商开始创业的时期；2005

18、年至今的第三阶段是中国太阳能电池产业的快速发展时期。3.3太阳能光化学利用光化学反应可以将太阳能转化为化学能，主要有三种方法：光合作用、光化学作用（如光分解水制氢）和光电转换（光转换成电后电解水制氢）。（1） 太阳能-生物质能转换通过植物光合作用，太阳能把二氧化碳和水合成有机物（生物质能）并放出氧气。光合作用是地球上最大规模转换太阳能的过程。光合作用是通过将光能转化为电能，继而将电能转化为活跃的化学能，最终将其转化为稳定的化学能的过程，这一过程为利用光合作用发电奠定了基础。光合作用的第一个能量转换过程是将太阳能转变为电能，这是一个运转效率极高的光物理、光化学过程，而且光合作用是一个普遍的纯粹的生理过程，是纯天然的“发电机”，利用的原料成本很低，且不会造成环境污染。如果能将这种生理过程应用到太阳能到电能的转化，将会使人们更高效的利用太阳能获得所需的能量，获得经济效益和环境效益双丰收。（2） 太阳能制氢氢能是一种高品位的能源。太阳能可以通过分解水或其他途径转换成氢能，即太阳能制氢。从能源上考虑，光解水制氢是太阳能通过光化学反应转换为可储存的化学能的最好途径。这种方法的创新之处在于将取之不尽的太阳能通过光化学反应转换为储存于单质氢的化学能。地球上的水资源