光能的开发和利用

长期以来，人们一直在努力研究和利用太阳能。我们地球接收到的太阳能仅占太阳表面发出的总能量的十亿分之一左右，相当于全世界所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽用之不竭。其次，没有昼夜和四季之分，没有乌云和阴影，所以辐射能量非常稳定。所以发电系统相对地面简单，在失重和高真空的宇宙环境下，对设备部件的强度要求也不会太高。而且，与石油、煤炭等化石燃料不同，太阳能不会造成“温室效应”和全球气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用已经引起了许多国家的重视，大家都在竞相开发各种新型光电技术和材料，以拓展太阳能利用的应用领域。尤其是过去的10年，在可采石油见底和生态环境恶化两大危机的夹击下，我们越来越期待“太阳能时代”的到来。从发电、供暖、供水到各种太阳能发电装置，其应用非常广泛，在一些领域，太阳能的利用已经开始进入实用阶段。从1974到1997，美国、日本等发达国家的硅半导体光伏电池发电成本下降了一个数量级:从每瓦50美元下降到5美元。此后，世界上大多数专家认为，要使太阳能电厂在经济上与传统电厂(主要是燃煤电厂)竞争，还有很长的路要走——成本只能再降低一个数量级。目前，美国和其他国家已经建立了许多利用太阳能池发电的项目。在死海的岸边，有一个建于1979的7000平方米的实验太阳池，为一台150千瓦的发电机提供热量。美国计划将其8.3%的盐湖面积(约8000平方公里)建成一个太阳池，为一台600兆瓦的发电机组提供热量。今年6月，亚美尼亚无线电物理研究所的专家宣布，他们已经开始在该国山区建造其“第一个小型实验模型”工业太阳能发电站。这个发电站使用的涡轮机不是新的，而是在使用寿命结束时从直升机上拆下来的。装机容量只有100千瓦，但发电成本只有0.5美分/千瓦时，效率高达40%-50%。俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了显著进展。某公司将其研发的太阳能喷水推进器和喷射冷却推进器与太阳池项目相结合，在太阳池上附加冰槽等设施，设计出适合农民使用的新型太阳池。按照这个设计，一个6到8口人的农户可以建一个70平米的太阳能池，可以满足他100平米的房子一年的用电需求。另一家研究所提出了组合式太阳能池电站的设计思路，即利用热泵、热管等技术，综合利用太阳能、地热能和室内余热，使太阳能池发电成本大大降低，可与北高加索地区的热电站相媲美，而且一年四季都可使用，夏季可用于空调，冬季可用于供暖。对于缺乏淡水资源的国家来说，太阳池还有另一个难得的好处:据专家测算，在近海浅水区建造一个面积为2163平方公里、深度为1.2米的太阳池，每年可为10 GW发电机组供热，产生2立方公里的淡水。在欧美一些先进国家，“光电玻璃幕墙产品”正在被广泛应用，这是一种将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃(尤其是夹层玻璃)中，安全地将太阳能转换为电能的新型生态建筑材料。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已经开展的“光明工程”，将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大地推动太阳能在新型建材产品中的应用。在发展中国家，各国也在积极开发利用太阳能。比如菲律宾，早在1999年，政府就批准了第一个太阳能项目，在澳大利亚政府海外援助计划的协助下，在全国263个社区安装了1000套太阳能系统。目前，菲律宾政府正在实施世界上最大的太阳能应用计划，耗资4800万美元，是迄今为止世界上最大的太阳能计划。太阳能发电计划分为两个阶段，不仅惠及居民住宅，还惠及25个灌溉系统、97个水净化和分配系统、68所学校和社区中心以及35个诊所。从这个角度来看，全人类梦寐以求的太阳能时代其实已经近在咫尺，包括在太空中收集太阳能，传输到地球上，转化为电能，解决人类面临的能源危机。随着科技的进步，这不再是梦想。由美国国家航空航天局和能源部建造的世界上第一座太阳能发电站将于近期在太空中组装，并将很快开始向地面供电。在中国，太阳能的利用一直是最热门的话题。经过多年的发展，家用太阳能集热器(包括太阳能热水器)已经成为应用最广泛、产业化程度最高的行业之一。1998总销售额达35亿元，产量世界第一。中国的太阳能产业已经开始运作。中科院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元进行研究，建立太阳能发电、太阳能供暖、太阳能空调等多个示范项目。目前，河北省保定国家高新技术开发区正在加快建设中国最大的多晶硅太阳能电池生产基地。该项目集成了太阳能电池、组件和应用系统。一期项目建成后，可达到年产3 MW多晶硅太阳能电池的规模，填补了我国太阳能开发应用的多项空白，将极大促进太阳能电池用低铁玻璃的生产和销售市场。但总体来看，国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚，尤其是在太阳能电池的研发和生产方面，还处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。据粗略统计，全国只有5家(单晶硅)太阳能电池厂，年产量约4.5 MW(注:1 MW为1000 kW)，工厂设施仍在进口生产线上。许多外国公司将目光投向了更先进的薄膜晶体太阳能电池的开发和生产。这种新一代先进的薄膜晶体太阳能电池的转换效率可高达18.3%，比目前的平均转换效率高出3个百分点。业内人士表示，我国太阳能电池平均转换效率不高，主要是因为特殊材料国产化程度低，如封装玻璃完全依赖进口。低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求，科研成果未能迅速完全转化为产业优势。目前，国家计委和国家科委对太阳能技术及其应用的发展给予了大力支持，国内许多企业也涉足其中。北新集团是最早组织专家调研国内外太阳能光伏发电行业的单位之一。1998年在国内率先引进国际先进的76 kW屋顶太阳能发电系统，一直稳定运行，取得良好效果。该系统日均发电量12千瓦时以上，可满足1小康家庭用电需求。集团还与瑞士ATLANTIS公司合资成立了北京阿特兰太阳能科技有限公司，共同生产两大系列、多个品种的光伏发电产品，将这一世界领先的太阳能利用新技术引入中国。河北镇海铝业集团有限公司是美国皮金顿太阳能国际有限公司在中国的独家经销商，现已投产世界先进的太阳能电池玻璃封装设备及配套材料，如凯米特化工产品有限公司的高品质湿玻璃层压设备和湿灌浆液(封装介质)镇海集团6月基地1999 11已率先安装100平方米光电现已建成投入使用，运行使用效果良好，成为国内景观和太阳能光伏发电项目的典范。太阳能集热管是清华大学的专利技术，由清华阳光公司产业化。目前年产量世界第一，产品性能世界领先。清华阳光公司用了六七年时间，完成了太阳能集热管和集热器装置的小试、中试和大规模生产。目前已建成全球最大的太阳能集热管生产工厂，每年可生产500万根全球热效率最高的全玻璃真空集热管。估计这个项目的业务量还要三年。2008年奥运会，北京将成为中国最大的太阳能应用展示窗口。“新奥运”将充分体现“环保奥运、节能奥运”的新理念。计划奥运场馆周边80%至90%的路灯采用太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太阳能集热技术，为奥运会提供90%的洗浴热水。届时，在整个奥运会期间，我们将看到太阳能路灯、太阳能电话、太阳能手机、太阳能免洗厕所等一系列太阳能技术的应用。我们的生活将充满阳光！