太阳能开发利用的现状与未来

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【内容摘要】能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，世界各国能源消耗数量大得惊人；并且越来越多的人采用能耗越来越高的生活方式，对能源的需求持续增加。但是，传统的化石能源是不可再生的能源，随着时间的推移，化石能源将在一百年左右消耗殆尽；且化石能源的大量使用已导致全球变暖，生态环境不断恶化。迫使人们寻找新的可持续的、低碳环保的替代能源。太阳能的特征就比较符合人们对替代能源的要求，于是世界各国正在投入大量的人力、物力和财力进行太阳能的研究、开发利用。本文就详细探讨关于太阳能开发利用的现状与未来。

【关键词】光伏发电（PV）、光热发电（CSP）、太阳能建筑、冷热电联供、分布式供电、微网、智能电网、能源互联网。

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

近年来，我国太阳能的开发利用虽然取得了飞速发展，但依然存在一些问题和不足需要改进，在建设社会主义可持续型社会的新时期，加强对太阳能开发利用的研究应用与分析，对确保当代社会的可持续发展和生态环境保护有着重要现实意义。

二、太阳能的优缺点

（一）优点

1.普遍性

太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。

2.无害性

开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

3.巨大性

每天从太阳表面释放出的能量为惊人的3.8*1023KW，这股能量到达地球外的太空时只有1.77*1014KW，即使是这个数字，它也是目前地球上使用的全部能源的1.3万倍。因此只要取其1/40就可以满足全世界一年的能源消耗量。

4.长久性

根据目前太阳产生的核能速率估算，科学家认为氢的贮量足够维持60亿年，60亿年对于人类来说无限遥远，所以在这期间，我们还可以充分利用太阳带给人类的能量。

（二）缺点

1.分散性

到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。

2.间歇性和不稳定性

由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。

3.利用效率低和成本高

目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当长一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要还是受到经济性的制约。

三、太阳能开发利用的现状

随着石化能源消耗量的日益增加，常规能源的储量日益下降，其价格不仅相应的上涨，而且能源危机也迫在眉睫。而太阳能作为一种无污染、可再生的新能源，越来越受到人们的青睐。因此许多国家开始施行“阳光计划”，包括我国的“金太阳工程”，进行大规模地开发利用太阳能资源，积极寻求经济发展的新动力。太阳能的开发利用目前主要包括太阳能光伏发电（PV系统）、太阳能热发电（CSP系统）和太阳能热水系统、太阳能建筑及太阳能空调、太阳能海水淡化等等方面。

（一）太阳能光伏发电系统

目前光伏发电产业居世界各国前列的是日本、德国和美国。我国光伏发电产业起步较晚，在20世纪70年代才开始发展。1975年，“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”在河南安阳召开，这进一步推动了我国太阳能事业的发展。经过40年左右的努力，以及今年来“金太阳工程”等国家项目和世界光伏市场的有力拉动，目前我国光伏发电产业迅猛发展。目前主要是大型的地面光伏电站，正朝着太阳能光伏建筑一体化（BIPV）方向发展。

（二）太阳能热发电系统和热水系统

我国是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家，遗憾的是我国的光热发电产业还是一片空白；目前仅有为数不多的公司正在积极推动光热发电的研发推广。光热与光伏犹如双胞胎兄弟，光热发电也是太阳能高效利用的一条重要途径。光伏发电将太阳能直接转换成电能，光热发电却可以身兼“电热”两能，不仅可以将太阳能转换成电能，产生的热能在中高温领域也大有用武之地。比如太阳能热水开水器和太阳能双温空调。

（三）太阳能建筑与太阳能空调

太阳能建筑，通俗一点讲，就是利用太阳能供暖和制冷的建筑。太阳能空调与太阳能建筑完美结合，给建筑物提供热量和冷量。太阳能空调的应用是最合理的，制冷需求与太阳辐射强度成正比：当太阳辐射越强、天气越热的时候，我们需要空调的负荷也越大。此时，太阳能的提供也越充足。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。目前世界上已有不少太阳能建筑。比如有位英国建筑学家在法国波尔多港和日本东京分别设计建造了一栋建筑；并且他还提出“21世纪太阳城市”的伟大构想。

（四）太阳能海水淡化与蒸馏

地球上的淡水资源极少，仅占地球总水量的2%左右；并且能被人类利用的淡水资源则更少，仅占淡水总量的0.34%；可以想象淡水资源是多么的匮乏（占地球上总水资源的68PPM）。目前，世界上20亿人饮水困难，已有超过一半的陆地面积、遍及100多个国家和地区缺水。于是，为了弥补淡水资源的不足，人们千方百计地利用海水这个巨大的水资源。

在海水淡化产业化发展方面，能源消耗过大，一直存在着淡化海水成本过高的问题。目前，太阳能中高温集热多效蒸馏海水淡化装置已经进入市场引入阶段，许多先进的公司已建成、调试成功该装置，并且具备了设计建造规模化海水淡化工程的技术和管理能力。比如我国的北京华瑞能公司就研究开发了新型太阳能中高温集热海水淡化装置。

当然，除上述所述四种主要应用外，还有太阳能自行车、汽车、飞机、游艇、人造卫星、宇宙飞船及太阳灶、太阳能相机、太阳能手机、太阳能充电器；甚至太阳能武器及太阳能太空发电站也正在研制中。

四、太阳能开发利用的未来

（一）突破核心技术，降低系统成本

1.太阳能光伏发电

太阳能光伏发电的核心技术是光伏电池的光电转化率，因此，世界各国正在积极努力开发生产各种光伏电池。目前从晶硅薄膜、单晶硅、多晶硅电池到非晶硅薄膜电池、染料敏化电池。太阳能电池已进入第三代电池阶段，目前染料敏化电池的成本仅相当于晶硅电池的1/10，而转化率已达到11%，达到晶硅电池的最大效率的一半之多，技术经济效果颇佳。单位成本降低80%，技术取得重大突破。从而使系统成本大大降低，使太阳能光伏发电可以与常规能源发电相竞争，在政府的大力支持下，太阳能光伏发电必将取得前所未有的巨大发展。

2.太阳能光热发电

太阳能光热发电的核心技术是太阳能集热器。提高太阳能集热器的集热效率与综合利用光热发电是降低系统成本的必由之路。目前主要是平板型集热器、聚光型集热器及玻璃真空管太阳集热器。平板型集热器太阳光谱选择性涂层和氧化钛光敏催化剂的研发成功，使平板型集热器的集热效率大大提高；高倍聚光集热材料的研究，也使未来聚光型集热器的效率会大大提高；玻璃真空管太阳集热器更是具有许多优点，热损小、寿命长、可以全年使用等。再有就是传热工质和小型热机的技术不断成熟；冷热电联产技术的不断开发应用；必将使太阳能光热系统的单位综合造价大大降低，取得与常规能源的竞争力。另外，还有一种利用塞贝尔效应将热能直接转换成电能的半导体温差发电机。20世纪80年代美国就已研制成500W的军用温差发电机；利用同位素加热的核能温差发电机已应用于航天。

3.太阳能建筑与太阳能空调

世界上最早的太阳能建筑是1973年由美国能量转换研究所建于美国特拉华大学。在太阳能建筑方面，世界上走在最前沿的是德国。在建筑上，德国每年新增15万的太阳能集热器。太阳能建筑足以为生活居住提供包括照明、热水、开水、取暖、空调等所需能源。比如：太阳能光导管照明技术能够白天利用太阳能进行地下室等屋内阴暗场所的照明；新型LED太阳能光伏幕墙技术；太阳能光伏建筑一体化（BIPV）；太阳能光热光伏建筑一体化（BITP）等。

太阳能建筑分为主动式太阳能系统与被动式太阳能系统。主动式太阳能系统又分为空气循环系统、水循环系统、水气混合系统三种；被动式太阳能系统又分为直接收益式系统、水墙式系统、蓄热墙式系统、太阳温室式系统、屋顶水池式系统五种。主动式系统与被动式系统的有机结合，冷热电联产技术及太阳能空调的应用能够有效摊低单位建造使用成本，使太阳能建筑寿命周期成本极大降低；并且低碳环保，从而与传统建筑相竞争，具备较强的竞争力。

4.太阳能海水淡化及其它应用

我国是世界上13个缺水国家之一，解决我国淡水资源紧缺的一条重要战略途径就是有效地开发利用海水资源。海水淡化产业历来能源消耗过大、成本过高，目前我国的北京华瑞能公司以北京大学最新科研成果及科技人才为依托，已经研发通过新型高温集热管系统，海水淡化取得重大技术突破。太阳能中高温集热海水淡化技术可实现连续、长期、稳定地将太阳能直接转化为温度达150℃-200℃高温液态介质，利用储集起来的能量提供给海水淡化装置。运用这种技术，每产出1吨淡水比用传统能源作动力生产1吨水节约近800度电。可以想象高温集热管系统投入海水淡化装置中使用时，更是比传统能源作动力生产淡水节约电源，这大大降低了淡化海水的成本，提高了海水淡化的可行性，具有划时代的意义。

随着电能储能技术的不断发展，太阳能汽车在不久的将来就会满路皆是；太阳能太空飞船及太阳能太空电站将来也会慢慢进入人类社会的生产生活。

（二）大力发展分布式供电，建设能源互联网

能源互联网，也即有源智能电网，是以物理电网为基础，实现电网的信息化、数字化、自动化、互动化的供用电网络。对于电力供需平衡、分布式电源接入、电网可靠性及信息安全性等因素必须保证，它代表了未来电网的发展方向。

传统电网电源点落后于城市建设的发展,由于城市规模的不断扩大,电源点容量及电能使用受到限制,尤其是配电电线的传输通道。改革开放以来,城市建设速度迅猛,负荷增长率高,但电力配套建设不及时,输电线线径小,线路长,瓶颈效应比较突出,出现卡脖子现象严重,电能输不出去,往往因此而引起停电事故。出线通道影响与城市规划不相适应,有的地方改用地下电缆,施工及投资不允许；采用架空导线，环境、条件受限；有的采用绝缘导线,网络复杂。早期建设的线路导线细、年久失修,高能耗设备多,线损率高,由于导线截面小及无功功率额较大,合成线损损耗大,个别地区配电网损耗达到30%,一般地区在l5%～20%,造成能源大量浪费。供电不可靠因素增大,由于配电网投资不足,设备老化和技术性能低劣,供电事故频繁,往往是一点故障引发全线甚至大面积停电事故。城市繁华地段,重要场所的用户停电,影响社会治安及经济市场。城市电网改造涉及面广,要求较高,停电难度大。因此,城市配电网实现智能化是一项综合性的工程,最基本的条件是应具有较为完善的多路电源及采用分布式供电系统。

1.供配电智能化与智能电网规划技术

我国部分地区在长期的生产实践中，根据电网运行的特殊需要，对电网调控一体化技术和管理等方面进行了积极的探索和实践，2009年以来，国网公司分两批共23个试点单位陆续进行电网智能化建设和改造，并取得了一定的成效。总体来看，由于全国各地级市的电网规模和管理水平不一，存在多种电网调度管理方式，系统间信息集成程度不高，数据接口不够规范，运行人员无法掌握电网运行的实时工况，操作繁琐，工作效率低，电网调度运行管理水平仍较低。国内有关电网节能降损系统的研究仍然停留在独立的、对某区域电网的离线线损计算、无功优化控制、变压器经济运行（主要是运行方式的选择）阶段，且这些系统的技术分别由不同的单位掌握，缺乏整合。

2.分布式电源系统，微网控制及保护技术

目前，国内对微网的研究已取得一定的成果，清华大学与辽宁高科能源集团合作，在国内率先将微网应用到实际工程中，积累了丰富的实践经验和学术成果。

目前，世界上针对分布式发电技术的研究还局限于系统内部运行机制研究领域，提出的主要控制措施集中在系统内频率与电压调节以及电力市场机制上，而对分布式电源接入系统的稳定性分析、安全与自动保护措施、独立运行机制、多电源运行机制等方面还少有系统性成果。

3.改变传统的投资体制，形成多元的供电网络

投资主体在改革以前的垂直一体化结构下。电网投资和电源投资统一由一体化的电力公司规划，但在“重电源、轻电网”指导思想下，电网投资远落后于电源的投资。而在市场化改革后，厂网分离，解决电网投资尤其是供电网络的互联投资不足更没有得到有效解决。为此，在国家电网和南方电网公司作为网络主要建设者之外，可以引进商业供电投资模式。

4.改革供配电体制，建立有效的供电定价模式

近几年来，我国电力行业从生产过剩到电力短缺再到生产过剩，似乎难于走出这种“怪圈”。其主要的原因是我国的电力体制改革不到位，垄断体制造成建造成本居高不下，没有形成一个合理的供电电价机制，供电价格没有提供一个正确的地区信号。不能正确引导电源投资和消费者进行有效的区域选择。为此，可以根据节点定价原理，设计能反映区域信号，并体现网路外部性和线路损失的供电定价模式。协调电源和电网建设，平衡电力需求和供给。

5.加强供电网络扩展，促进电网互联

提高电力网络的安全性和稳定性，目前我国部分区域电网主干网架薄弱，跨区互联电网联系薄弱，地区间联络线容量不足，导致了电网稳定水平偏低，制约了电力输送，降低了电网运行的灵活性，无法满足跨区交易的需求，限制了联网效益的发挥。因此，供电网络的扩展对于增加我国电力的区域交易，促进电力资源的合理流动，增强供电网络的安全，有重大的现实意义。

6.大供电网络，抑制市场竞争力，应提高电力市场竞争

目前我国电力市场结构主要特征是政府通过制度安排在发电侧形成了寡头垄断市场。五大发电集团合计总容量约占了全国发电装机总容量的50％。区域电力市场内供电线路的传输能力限制了电力市场的地理范围，目前许多省级地域范围内电力供应由某一发电集团垄断，在供电范围内有较强的市场影响力。扩大供电网络，引入其它发电商的竞争，有利于提高当地的电力市场的竞争程度，减少当地发电商的市场影响力。

五、结束语

随着太阳能开发利用管理体制的不断完善，太阳能的应用将会得到更多管理者的重视，在构建可持续社会，建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下，太阳能的开发应用将会发挥着越来越重要的作用。尤其是能源互联网的建设，将极大地刺激太阳能发电等分布式电源系统迅猛发展。在未来世界能源体系中，尤其是电力体系中太阳能将占有重要的地位，到本世纪中叶，全世界太阳能发电将占到整个电力供应的20%以上；与核电、火力发电和水力发电成为电力供应的四驾马车。在国民经济和社会发展中发挥越来越重要的作用，更是为世界能源危机和环境保护做出不可磨灭的贡献。

参考文献：

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5.《绍兴电力科技创新论文集》，绍兴市电力学会编，研究出版社，2011年3月。

6.《有源智能配电网》，【法】Nouredine Hadjsaid著、陶顺、肖湘宁、彭骋编译，中国电力出版社，2012年12月。