我国新能源及新能源技术的调研

新能源的调研与研究【摘要】当今世界的能源问题突出，表现：1常规能源不足，2由能源开发带来的环境污染。例如：温室效应都与化石燃料的燃烧有关解决方案：大规模地开发利用可再生洁净能源。本文以太阳能为主要调研题目，揭示太阳能利用的原理、现状、前景。【背景】1.太阳能与化石能源的简要比较1．1化石能源带来的问题(1)能源短缺常规能源有限并且分布不均匀。有关数据显示世界和中国常规能源的使用时限如图所示图：世界和中国主要常规能源储量预测如图可见，为了解决能源危机，利用太阳能是必然的趋势(2)环境污染煤、石油等化石燃料的燃烧每年产生数十万吨硫等有害物质，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量(3)温室效应1．2太阳能资源及其开发利用特点(1)无限性：取之不尽的可再生能源太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。(2)普遍性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。(3)清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。(4)经济性2.中国太阳能的储量中国太阳能资源丰富，陆地每年接受的太阳能辐射相当于2.4万亿t标准煤，2/3的国土面积的太阳能年辐射量超过6000MJ/m2,西藏西北最高地8400MJ/m2如图所示为我国太阳能的分布图：3太阳能开发利用技术及其产业化的现状与发展趋势1954年美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，揭开了太阳能开发利用的篇章。70年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能开发利用。迄今为止，太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。3.1太阳能热利用及其产业发展太阳能热利用具有广阔的应用领域，可归纳为太阳能热发电(能源产出)和建筑用能(终端直接用能)，包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器和太阳能热发电。3.1.1太阳能热水器在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。目前，据调研我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。3.1.2太阳能热发电技术Luz国际公司在美国南加州自1984年至1991年共建造了9个柱形抛物槽镜分散聚光系统的太阳能热发电站，总功率为354MW，约占当地电网容量的2%。3.2太阳能光电技术及其产业在众多发电技术中，太阳能光电是花费最高的一种形式。近年来，光伏工业呈现稳定发展的趋势，产量增加，转换效率提高，成本降低，应用领域不断扩大。主要有：单晶硅，多晶硅数据指标：单晶硅15%，最大24.4%；多晶硅14%，最大19.8%；非晶硅单结6～9%，最大12%，多结8～10%，最大11.83%3.3太阳能光电制氢1995年，美国科学家利用光电化学转换中半导体/电介质界面产生的隔栅电压，通过固定两个光粒子床的方法，来解决水的光催化分离问题取得成功〔22〕。其两个光粒子概念的光电化学水分解机制为：H2的光反应4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+O2的光反应4OH-+M+→O2+2H2O+4M°净结果为：2H2O→2H2+O2(其中M为氧化还原介质)由于氢是一种高效率的含能体能源，它具有重量最轻、热值高、“爆发力”强、来源广、品质纯净、贮存便捷等许多优点，因此，随着太阳能制氢技术的发展，用氢能取代碳氢化合物能源将是21世纪的一个重要发展趋势。4.各国对太阳能的利用情况：葡萄牙2008年12月30日，据西班牙《世界报》报道，西班牙ACCIONA公司在葡萄牙建造的一座太阳能光伏电站投入使用，其总装机容量达46兆瓦，是目前世界上最大的太阳能光伏电站。报道说，该太阳能光伏电站位于葡萄牙南部的阿马雷莱雅地区，其发电能力能满足3万多户葡萄牙家庭的日常用电需求，相当于每年可以减少8.94万吨二氧化碳排放。ACCIONA公司说，这座太阳能光伏电站的建设总投资约为2.61亿欧元，占地面积达250公顷。该发电站安装有2520个大型太阳能光伏电池板，每块电池板面积约为140平方米，这些光伏电池板会随着太阳运行调整角度，能旋转240度，固定的倾斜角度为45度，以尽可能多地获取光能。葡萄牙政府已制定了全国光伏发电系统累计装机容量达到150兆瓦的目标，这座发电站的启用可完成葡政府所定目标的约30％。西班牙ACCIONA公司是一家从事可再生能源开发的企业，在西班牙拥有总装机容量为68兆瓦的多个太阳能光伏电站，并且在美国负责一座总装机容量64兆瓦的太阳能热电厂的运营。德国目前，德国功率最大的太阳能电站是德国莱比锡市东部的Waldpolenz太阳能电厂，2009年该厂全面投运与电网连接，其装机为4万千瓦。电站首期工程装机为2.4万千瓦，电厂总耗资为2.01亿美元。据悉该厂将用55万个模块，其中35万个已经安装完毕。光电子太阳能模块发生的直流电被转换成交流电，全部进入电网。一年之后该电厂所发电力能抵消建设费用。德国东部是该国太阳能开发先驱。全世界最大的50座太阳能电厂有三座在德国莱比锡附近。美国2008年7月13日美国太阳能公司SunPower宣布该公司将在弗罗里达州建设美国最大太阳能电厂。与多数大型太阳能发电厂不同，SunPower项目将使用家用的屋顶太阳能电池板，同时还要安装太阳跟踪系统，这样比固定太阳能电池板更有效率。该电厂将建设在弗罗里达州的DeSoto县，装机为2.5万千瓦，足以为1.875万个家庭提供电力。SunPower还将在肯尼迪航天中心附近建设1万千瓦太阳能发电装置。DeSoto太阳能光电子发电厂将在2009年投运，肯尼迪航天中心项目则在2010年竣工。两个太阳能发电厂均由弗罗里达电力和电灯公司拥有和运行。美国Sunpower公司太阳能追踪系统，每一排面板都配备了一个像百叶窗一样的单电机跟踪系统，让面板能随着太阳的位置而转动。日本2008年6月23日，日本东京电力公司和川崎市联合宣布，将在川崎市靠海的2个区域共同建设日本国内目前最大规模的太阳能发电站，发电规模约2万千瓦。根据计划，川崎市川崎区浮岛通过填埋废弃物填海造地约11万平方米，在此建设的太阳能发电站规模约7000千瓦，在川崎区扇岛建设的太阳能发电站，占地约23万平方米，发电规模约1.3万千瓦。该电站预计于2009年开工，2011年建成投入运营。日本国内目前正在建设的太阳能发电站，有关西电力公司和夏普公司合作在堺市建设的发电规模约1.8万千瓦的太阳能发电站，该电站预计2010年建成运营。此外，关西电力公司单独建设的规模为1万千瓦的太阳能发电站将于2011年建成。九州电力公司在福冈县大牟田市建设的规模为3000千瓦的太阳能发电站，预计2010年建成投入运营。北海道电力公司也有计划在2020年前建成规模为5000千瓦的太阳能发电站。西班牙2008年7月，日本京瓷公司宣布将和西班牙太阳能公司Avanzalia合作，在西班牙中部建设世界最大的太阳能发电站，电站规模将达30兆瓦。1期工程（20兆瓦）于2008年9月完成。后期工程（10兆瓦）将于2009年6月完成。该电站建在昆卡省，占地面积86万平方米。1期工程（20兆瓦）将安装京瓷公司生产的太阳能板10.56万张，建设费用为1.8亿欧元。所产生的电力全部由电力公司买下，可满足6300户普通家庭的电力需求。西班牙的一项制度规定，太阳能所发的电力由电力公司以一般电费价格的3倍收买。根据计算，大约10年左右能够收回投资，因此，更大规模的太阳能发电站建设将会相继进行。国内太阳能发展情况：我国太阳池的研究始于1958年,1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳电池。目前我国对太阳能的运用主要集中在光伏发电太阳能热利用技术热水器太阳能建筑太阳能热发电对比：中国是目前世界最大的太阳能光伏产品生产国，2007年太阳能发电量达到1.1GW，占全球太阳能发电总量的27.5%，位居世界第一。要了解一个国家对太阳能的利用情况一个很好的办法是研究这个国家从事这方面的企业的国际影响力。如表显示的是全球太阳能电池厂商的排名，以及产量2008年全球太阳能电池厂商排名前十大厂商中国有四家，排名第三的无锡尚德，以及晶澳、天威英利与台湾茂迪。表明中国太阳能电池厂在全球地位显著攀高。从一个侧面说明国家对太阳能发电的重视。图为所列公司的产量趋势图每个公司都力求增加产量，这是因为根据光伏工业自身的发展经验，生产量和规模每增加1倍，成本下降约20%，而价格通常比成本高30%；发电成本考虑了总系统价格、经济寿命（折旧期）、利率、运行和维护费用、保险费等因素。所以，越高的产量代表着产出每度电的成本越低。【太阳能转换机理】太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程【我国太阳能发展瓶颈】从中国的太阳能的表现来看，作为发展中国家的中国应该在太阳能技术的研发与运用中占有一席之地。从十大光伏企业，我国占四所来看事实应该是如此。但是通过调研，笔者发现事实远没有这么简单。事实上我国太阳能发展行业比较薄弱。主要表现在以下方面A我国的太阳能企业过分依赖国外的核心技术，没有在引进的基础上很好的消化再创新。而且大部分的市场被欧美瓜分。据笔者调研：光伏发电的产业链主要有四层组成，组成“金字塔”结构：塔尖为多晶硅厂商；第二层为硅片厂商；第三层为太阳能电池制造商；第四层是系统组件制造企业。我国的太阳能企业主要处在下游低技术的层面上。主要从事电池片，电池组件以及发电系统的生产制造和销售，并不具备生产原料太阳能级晶体硅和中间关键件硅片的能力在太阳能热发电方面，美、欧、澳等国相继建立起不同型式的示范装置，促进了热发电技术的发展。目前世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。虽然我国太阳能热发电技术的研究开发工作早在70年代末就开始了，但由于工艺、材料、部件及相关技术未得到根本性的解决，加上经费不足，热发电项目先后停止和下马。目前还没有试验样机，与国外差距很大。B中国迄今为止还没有建立统一的管理机构，缺乏统一规划和协调行动。C国家对太阳能发电的扶持力度不大，缺乏足够的经济鼓励政策和激励体制。D没有行至有效的投资机制。新能源技术的推广运用受到很大的限制。E缺乏从事新能源研发的专业技术人才和管理人才。在吸引人才，防止专业技术人才流失的措施方面做的很不够。缺乏监管的知识产权保护。然而相反的欧美国家利用他们的政策和经济优势，在新能源的开发和利用上走上了快速发展的道路。【发展策略】笔者认为当前最重要的是国家必须加大对太阳能开发的支持力度。完善相关体制。吸引相关的高技术人才，加强消化吸收国外的先进技术。建立健全的产权保护体制。【感想心得】我国的能源危机远比原先认为的严重。通过调研笔者知道原来，全世界都面临着能源短缺。甚至我们都不能