随着经济的发展和社会的进步,人们对能源提出了越来越高的要求,寻找新能源已成为人类面临的紧迫任务。现有能源主要有三种,即火电、水电和核电。火电需要燃烧煤炭和石油等化石燃料。一方面,化石燃料储量有限,燃烧越来越少,面临枯竭的危险。据估计,再过30年,世界石油资源将枯竭。另一方面,燃烧燃料会排放二氧化碳和硫氧化物,导致温室效应和酸雨,恶化地球环境
水电会淹没大量土地,可能对生态环境造成破坏,一旦大型水库坍塌,后果将难以想象。此外,一个国家的水力资源也有限,而且受季节影响
核电在正常情况下是清洁的,但一旦发生核泄漏,后果也很可怕。前苏联切尔诺贝利核电站事故已不同程度地给900万人造成损害,影响并没有停止,这一切迫使人们寻找新能源。新能源应同时满足两个条件:一是储量丰富,不会枯竭;其次,它是安全和清洁的,不会威胁人类和破坏环境。目前,主要有两种新能源,是太阳能,另是燃料电池。此外,风力发电也可以被视为辅助新能源。其中,最理想的新能源是大阳能源
太阳能发电是最理想的新能源
照射在地球上的太阳能非常巨大。在大约40分钟内照射在地球上的太阳能足以提供全球人类一年的能源消耗。可以说,太阳能确实是取之不尽、用之不竭的能源。此外,太阳能发电绝对清洁,不会造成公共危害。因此,太阳能发电被称为理想的能源
要从太阳能中获得电能,就必须使用太阳能电池进行光电转换。它与以往的其他电源完全不同,具有以下特点:①没有疲惫的危险
②绝对清洁(无污染)③不受资源地理分布的限制
④它可以在附近发电⑤高能量质量
⑥用户在情感上容易接受
⑦获得能量需要很短的时间
缺点是:
①辐照的能量分布密度很小,即它占用了很大的面积
②获得的能量与天气条件有关,如四季、昼夜和阴阳天气,但总的来说,缺点并不能掩盖缺点。太阳能作为新能源,具有很大的优势,因此引起了世界各国的关注
要使太阳能真正达到实用水平,一是提高太阳能光电转换效率,降低成本,二是实现太阳能发电与现有电网的联网
目前,太阳地面主要有三种:单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅太阳能电池的转换效率最高,已达到20%以上,但价格也是最昂贵的。非晶硅太阳能电池的转换效率最低,但价格最低。在未来,这种电池将是最有前途的普通发电。一旦其大面积组件的光电转换效率达到10%,并且每瓦发电设备的价格降低到1-2美元,就足以与当前的发电模式竞争。据估计,这一水平将在本世纪末达到
当然,用于特殊用途和实验室的太阳能电池的效率要高得多。例如,美国波音公司开发的太阳能地面,由砷化镓半导体和锑化镓半导体组成,光电转换效率为36%,快速赶上燃煤发电效率。但由于价格太贵,目前只能在卫星上使用
太阳能发电的应用
虽然太阳能发电受昼夜、降雨和季节的影响,但可以分散进行,因此适合每户分励发电,并应连接到供电网络,这样每个家庭都可以在电力充足时将其出售给电力公司,在电力不足时从电力公司购买。实现这一点的技术并不难解决,关键在于相应的法律保护。目前,美国、日本等发达国家制定了相应的法律,以保障从事太阳能发电的家庭的利益,鼓励家庭从事太阳能发电
日本于1992年4月实现了太阳能发电系统与电力公司电网的互联,一些家庭已经开始安装太阳能发电设备。自1994年以来,日本贸易产业省对个人住房购买太阳能发电设备实行了三分之二的补贴制度。第一年需要1000户家庭,2000年需要70000户家庭安装太阳能发电设备
据日本有关部门估计,如果日本2100万户家庭中有80%安装了太阳能发电设备,就可以满足该国总电力需求的14%。如果太阳能也用于工厂、办公楼和其他装置,太阳能发电将占全国电力的30%-40%。目前,阻碍太阳能发电普及的最重要因素是成本高。为了满足一般家庭用电需求,3千瓦发电系统需要600万至700万日元,不包括安装工资。有关专家认为,只有将太阳能发电量降到至少100万至200万日元,才能真正普及。降低成本的关键是提高转换效率和降低太阳能电池的成本
不久前,德克萨斯仪器和SCE宣布他们已经开发了新型太阳能电池。每个单元是一个直径小于1mm的小珠子。它们密集而规则地分布在柔软的铝箔上,就像许多蚕卵粘在纸上一样。在大约50平方厘米的面积内有1700个这样的单元。这种新型电池的特点是,虽然转换效率仅为8%-10%,但价格低廉。此外,铝箔背衬柔软牢固,可以像布一样随意折叠,经久耐用。把它挂在阳光明媚的地方可以发电,非常方便。据说,使用这种新型太阳能电池,该设备的发电能力仅为每瓦特15至2美元,而且每千瓦时的成本也可以降低到14美分左右,可以与普通发电厂的发电能力相竞争。通过将这种电池挂在阳光明媚的屋顶和墙上,每个家庭每年可以获得1到2000度的电力
太阳能发电的前景
太阳能发电有更多令人振奋的计划。第一个是日本提出的创世纪计划。它计划利用陆地上的沙漠和海洋地区发电,并通过超导电缆将全球太阳能电站连接到一个统一的电网,向世界供电。据估计,到2000年、2050年和2100年,即使所有太阳能都用于供应全球能源,也将仅覆盖65.11万平方公里、186.79万平方公里和829.19万平方公里。只有829.19万平方公里,占海洋总面积的2.3%,占沙漠总面积的51.4%,甚至占撒哈拉沙漠总面积的91.5%。因此,该方案是可行的
另是天空发电方案。早在1980年,美国宇航局和能源部就提出了在太空建造太阳能电站的想法,准备将一块长10公里、宽5公里的大平板放置在同步轨道上,该轨道覆盖着太阳能电池,从而可以提供500万千瓦的电能。但这需要解决无线传输到地面的问题。已经提出了各种方案,如微波束和激光束。目前,短距离、短时间、低功率的微波无线传输已经在模型飞机上实现,但要真正实用还有很长的路要走。