【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 具有的基本資源。從古至今人類獲得能源的途徑，可分為地上能源、地下能源與天上能源等三個(gè)層面或者說(shuō)成是三個(gè)階段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，還有水能、風(fēng)能等，在人類農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)階段主要是植物能時(shí)代，或稱地上能時(shí)代。到了現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)階段，主要是煤石能源(煤炭、石油、還有天然氣、地?zé)崮艿?，可稱為煤石能時(shí)代，或地下能時(shí)代。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)對(duì)能源的消耗以日俱增。能源短缺已成為人類社會(huì)面臨的一個(gè)非常重大的挑戰(zhàn)，作為世界主要能源的石油，其價(jià)格居高不下，前期每桶原油最高單價(jià)已突破 100 美元。雖然人類的科學(xué)技術(shù)正在高速發(fā)展，但面對(duì)石油這些不可再生性的資源，必須在其耗盡之前尋找到替代能源，否則未來(lái)世界將會(huì)因此不斷爆發(fā)能源危機(jī)。資料表明，按照現(xiàn)在已經(jīng)探明的儲(chǔ)量及開采速度，到 21 世紀(jì) 80 年代，石油、天然氣資源將枯竭。到 22 世紀(jì) 20 年代，煤資源也將被耗盡。即使是以鈾為燃料的核電拋開價(jià)格、政治、發(fā)生危險(xiǎn)泄露的因素不談，也存在資源短缺的間題，已探明儲(chǔ)量的鈾礦資源也將在 2030 年前開采完 [1]。從我國(guó)的能源利用狀況來(lái)看，自上世紀(jì) 70 年代初開始，我國(guó)已經(jīng)經(jīng)歷了三次大的能源危機(jī)：19701984 年間持續(xù)的能源供應(yīng)緊張局面使全國(guó)約 25%的企業(yè)開工不足；1988 年再次出現(xiàn)類似情況，農(nóng)業(yè)用電缺口超過(guò) 60%，推動(dòng)煤炭?jī)r(jià)格在當(dāng)年漲幅達(dá)到 87%，成為 1989 年以后小煤窯遍地開花的驅(qū)動(dòng)力；2022 年以來(lái)伴隨著國(guó)際能源危機(jī)的逐步加深，我國(guó)能源供應(yīng)緊張，主要常規(guī)能源的價(jià)格漲幅已達(dá) 103%，大量進(jìn)口石油引起國(guó)際社會(huì)的嚴(yán)重關(guān)切，能源已成為國(guó)家安全的重要影響因素。資料表明，作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)目前能源生產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)和俄羅斯，居世界第 3 位；基本能源消費(fèi)占世界總消費(fèi)量的 %，僅次于美國(guó)，居世界第 2 位，可見我國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。2022 年一次能源消費(fèi)量為 億噸油當(dāng)量，到本世紀(jì)中葉我國(guó)全面達(dá)到小康水平時(shí)，一次能源的消費(fèi)量將達(dá)到 30 多億噸油當(dāng)量。然而 2022 年，世界人均一次能源消費(fèi)量為 噸油當(dāng)量，日本、美國(guó)分別為 噸和 噸油當(dāng)量，而中國(guó)僅為 噸油當(dāng)量，約為世界平均水平的 3/日本的 1/美國(guó)的1/7。預(yù)計(jì)到 2022 年，我國(guó)石油供需缺口 1 億噸，天然氣缺口 400 億立方米。而且，隨著中國(guó)的工業(yè)化和城市化進(jìn)程，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和民用建筑階段，能1 緒論2源需求量特別大，西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2目前能源消費(fèi)總量已經(jīng)接近歐盟 15 國(guó)的總量。值得注意的是，過(guò)去二十多年來(lái)，我國(guó)汽車保有量以年均 2%的速度迅速增加，亞太能源研究中心的預(yù)測(cè)，2020 年我國(guó)交通部門的用能比例將增長(zhǎng)到 16%。與此同時(shí)，能源資源相對(duì)短缺又制約了我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能源技術(shù)相對(duì)落后影響了能源供給能力的提高。目前，國(guó)內(nèi)的能源生產(chǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，能源進(jìn)口量持續(xù)增加，能源對(duì)外依存度在 7%左右，其中石油對(duì)外依存度在 43%左右。有專家預(yù)測(cè)，到 2020年前后，中國(guó)有可能成為世界第一大油品進(jìn)口國(guó) [13]。就我國(guó)實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年 17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米 4 千瓦時(shí)以上，西藏日輻射量最高達(dá)每平米 7 千瓦時(shí)。年日照時(shí)數(shù)大于 2022 小時(shí)。與同緯度的其它國(guó)家相比，與美國(guó)相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開發(fā)潛能。近20 年來(lái)，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期維持在全球市場(chǎng) 1%左右的份額。2022022 年中國(guó)太陽(yáng)電池組件的生產(chǎn)量有了大幅度增長(zhǎng)，2022 年達(dá) 萬(wàn)千瓦，約占世界份額的 %，2022 年達(dá) 萬(wàn)千瓦，約占 3%。為解決我國(guó)的能源短缺問(wèn)題，太陽(yáng)能發(fā)電將在中國(guó)未來(lái)的電力供應(yīng)中扮演重要的角色。國(guó)務(wù)院參事、中國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)石定寰在上海召開的“第二屆中歐國(guó)際太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”上預(yù)計(jì)，2022 年中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá) 1GW，2022 年預(yù)計(jì)達(dá)5GW，2O2O 年達(dá) 20GW。而 2022 年，全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H為 ，這就意味著在未來(lái)的幾年內(nèi)，中國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將會(huì)高達(dá) 38%以上。根據(jù)電力科學(xué)院的預(yù)測(cè)，到 2050 年中國(guó)可再生能源發(fā)電將占到全國(guó)總電力裝機(jī)的 25%，其中光伏發(fā)電占到 5%。國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)主要應(yīng)用在通信和工業(yè)領(lǐng)域(約占 36%)、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)領(lǐng)域(約占 51%)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(約占4%)以及太陽(yáng)能商品及其它(約占 9%)[46]。由此可見，面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，根本出路在于盡快從采用煤石能轉(zhuǎn)而采用太陽(yáng)能，即從地下能時(shí)代轉(zhuǎn)向天上能時(shí)代，或稱太陽(yáng)能時(shí)代。太陽(yáng)能比起煤石能具有眾多優(yōu)點(diǎn)，具有不斷再生性，能源分布范圍廣泛，安全，無(wú)污染，可謂取之不盡，用之不竭，能夠全面保護(hù)自然平衡與氣候溫度平衡，便于開發(fā)與使用等。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá) 80 萬(wàn)千瓦，假如把地球表面 %的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率 5%，每年發(fā)電量可達(dá) 1012 千瓦小時(shí)，相當(dāng)于目前世界上能耗的 40 倍。因此，太陽(yáng)能等可再生能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步及世界各國(guó)政府支持已使可再生能源行業(yè)爆發(fā)式發(fā)展。根據(jù)歐洲、日本等能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2020 年，光伏發(fā)電將占到全球發(fā)電量的 1％，2040 年將占到全球發(fā)電量的21％，2050 年左右，太陽(yáng)能將成為全球主力替代能源 [78]。 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3從國(guó)際上看，世界各國(guó)從能源供應(yīng)安全和清潔利用的角度出發(fā)，把太陽(yáng)能的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展趨勢(shì)。自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)可以說(shuō)是世界上增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。歐盟、日本和美國(guó)把 2030 年以后能源供應(yīng)安全的重點(diǎn)放在太陽(yáng)能等可再生能源方面。美國(guó)頒布一系列優(yōu)惠政策， 2022 年能源政策法規(guī)定，光伏系統(tǒng)投入費(fèi)用可免稅 30%。據(jù) SEIA 的統(tǒng)計(jì)，2022 年美國(guó)太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)增長(zhǎng)達(dá) 72%。美國(guó)新的太陽(yáng)能啟動(dòng)計(jì)劃對(duì)太陽(yáng)能項(xiàng)目研究的資助 2022 年達(dá)到 6500 萬(wàn)美元，2022 年將達(dá)到 億美元，而對(duì)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的太陽(yáng)能研發(fā)資助達(dá) 4500 萬(wàn)美元，其研究目標(biāo)是到 2022 年使光伏能量可與其它電源相競(jìng)爭(zhēng)。日本政府于 2022 年年末宣布，要大力普及家庭太陽(yáng)能發(fā)電，計(jì)劃到 2030 年使家庭采用太陽(yáng)能發(fā)電的由現(xiàn)在的約 40 萬(wàn)戶擴(kuò)大到 1400 萬(wàn)戶，相當(dāng)于日本全國(guó)家庭總數(shù)的約 30％，該項(xiàng)目標(biāo)已列入日本的“能源革新技術(shù)計(jì)劃” 。日本政府決定將在 2022 年成立由國(guó)內(nèi)外專家組成的國(guó)際研究機(jī)構(gòu)，專門從事低成本新型太陽(yáng)能板的研制開發(fā)，并在年度預(yù)算中列入相關(guān)經(jīng)費(fèi) 20 億日元。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，2022 年包括企業(yè)在內(nèi)，日本的太陽(yáng)能發(fā)電容量為 171 萬(wàn)千瓦。目前日本住宅用太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的價(jià)格在 200 萬(wàn)日元左右，包括發(fā)電成本在內(nèi)，太陽(yáng)能發(fā)電的低價(jià)格化是普及太陽(yáng)能發(fā)電的一大課題。因此，日本政府提出將開發(fā)使能源效率比現(xiàn)在提高 12倍的新型太陽(yáng)能板，使發(fā)電成本大體上與火力發(fā)電相當(dāng)，到 2030 年其成本由現(xiàn)在的每千瓦 46 日元降低到 7 日元。日本政府的目標(biāo)是，在 2030 年之前要將住宅用太陽(yáng)能電力容量(現(xiàn)在為 130 萬(wàn)千瓦)擴(kuò)大到 30 倍。德國(guó)是一個(gè)能源緊缺的國(guó)家，能源供應(yīng)在很大程度上依賴進(jìn)口。為擺脫對(duì)進(jìn)口和傳統(tǒng)能源的依賴，德國(guó)近年把能源政策重點(diǎn)放在節(jié)約傳統(tǒng)能源和發(fā)展新型能源兩個(gè)方面，以期實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的可持續(xù)發(fā)展。德國(guó)對(duì)可再生能源的利用通過(guò)立法、政府大量補(bǔ)貼等措施，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。德國(guó) 2022年太陽(yáng)能投資為 37 億歐元，與風(fēng)電和生物能一樣同屬發(fā)展最快的新能源之一。根據(jù)太陽(yáng)能協(xié)會(huì) BSW 的數(shù)據(jù)，德國(guó)在 2022 年前 3 年中，太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了 5 倍，增速比其它國(guó)家平均水平高一倍。全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠于2022 年 9 月在德國(guó)南部巴伐利亞州投入使用，其發(fā)電總?cè)萘窟_(dá) 12 兆瓦，能夠?yàn)?3500 多個(gè)家庭供電。該發(fā)電廠擁有 1400 多個(gè)可移動(dòng)太陽(yáng)能吸熱發(fā)電板，這些發(fā)電板能夠隨著太陽(yáng)的移動(dòng)而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而最大限度吸收太陽(yáng)熱能。這項(xiàng)技術(shù)使這家發(fā)電廠的發(fā)電能力比普通太陽(yáng)能發(fā)電廠高出 35％。雖然目前太陽(yáng)能占德國(guó)的能源供給不到 1％，但到 2020 年將超過(guò) 5%。此外，在節(jié)能建筑應(yīng)用太陽(yáng)能方面，歐美一些先進(jìn)國(guó)家，目前正在廣泛開展應(yīng)用“光電玻璃幕墻制品” ，這是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換硅片密封在雙層鋼化玻璃中，安全地實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4為電能的一種新型生態(tài)建材。比如美國(guó)的“光伏建筑計(jì)劃” 、歐洲的“百萬(wàn)屋頂光伏計(jì)劃” 、日本的“朝日計(jì)劃”以及我國(guó)已開展的“光明工程”等。近幾年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家的“零能房屋”已有相當(dāng)發(fā)展水平，許多國(guó)家的政府（如美國(guó)、德國(guó)）還制定了太陽(yáng)能在國(guó)家總能源消耗中的所占比例應(yīng)超過(guò) 20％的計(jì)劃，如德國(guó)實(shí)施的綠電計(jì)劃—10 萬(wàn)家屋頂光伏發(fā)電計(jì)劃自 1999 年開始實(shí)施，2022 年該計(jì)劃順利完成。目前，光伏發(fā)電已向德國(guó)普通家庭推廣。日本自 1992 年啟動(dòng)了“新陽(yáng)光計(jì)劃” ，同時(shí)頒布了新的凈電計(jì)量法，要求電力部門以商品價(jià)格購(gòu)買多余的光伏電量，并實(shí)行補(bǔ)貼政策。日本居民光伏屋頂系統(tǒng)最近 5 年平均年增長(zhǎng)率為 %[912]。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展從 20 世紀(jì) 50 年代開始研究，到 70 年代開展空間應(yīng)用和地面應(yīng)用，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成實(shí)際上是從 20 世紀(jì) 50 年代中后期開始，并在 90年代以后才得到迅速發(fā)展。目前，隨著《中華人民共和國(guó)可再生能源法》的頒布和實(shí)施、京都議定書的簽定以及各項(xiàng)環(huán)保政策的出臺(tái)和對(duì)國(guó)際的承諾，為太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策的保障，給太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)帶來(lái)機(jī)遇。再加上西部的大開發(fā)，原油價(jià)格的上漲，中國(guó)能源戰(zhàn)略的調(diào)整，以及政府加大對(duì)可再生能源發(fā)展的支持的力度，所有的這些都為中國(guó)太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)極大的機(jī)會(huì)。目前，我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國(guó)家和重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。隨著無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司成功登陸納斯達(dá)克，國(guó)內(nèi)掀起一股進(jìn)軍光伏產(chǎn)業(yè)的熱潮。目前，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)基地的省份主要集中于環(huán)渤海區(qū)域，長(zhǎng)三角區(qū)域的江蘇，華中華南地區(qū)的湖北以及廣東，多晶硅的生產(chǎn)基地則多分布于中西部地區(qū)，其中江蘇的光伏產(chǎn)業(yè)位居全國(guó)前列，以無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司為代表的企業(yè)已具備較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。據(jù)中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)孟憲淦介紹，我國(guó)是太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，我國(guó)有荒漠面積 108 萬(wàn)平方公里，大多分布在光照資源豐富的西部高原地區(qū)，一平方公里面積可安裝 100 兆瓦光伏陣列，每年能發(fā)電 億度。只要開發(fā)利用 1%的荒漠，就可以發(fā)出相當(dāng)于我國(guó) 2022 年全年的耗電量?？磥?lái)，在我國(guó)加快采用太陽(yáng)能是有很好的基礎(chǔ)的。據(jù)發(fā)展改革委能源局介紹，截至 2022 年年底，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器年生產(chǎn)能力達(dá)到 1500 萬(wàn)平方米，在用太陽(yáng)能熱水器總集熱面積達(dá)１億平方米，生產(chǎn)量和使用量均居世界第一。全國(guó)有 1000 多家太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值近 120 億元，已形成較完整的產(chǎn)業(yè)體系，從業(yè)人數(shù)達(dá) 20 多萬(wàn)人。到 2020 年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將達(dá)到 180 萬(wàn)千瓦，太陽(yáng)能熱水器總面積將達(dá)到３億平方米，太陽(yáng)能利用年替代能源 6000 萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤 [1314]。 太陽(yáng)能利用的基本方式西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5太陽(yáng)輻射能實(shí)際上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、風(fēng)能、水能等皆來(lái)源于太陽(yáng)能。人類直接利用太陽(yáng)能、已有上千年的歷史，其而利用的途徑主要有以下幾種：光熱轉(zhuǎn)換。它是靠吸收太陽(yáng)輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為熱能的。這種途徑雖最古老，但發(fā)展的最成熟、普及性最廣、工業(yè)化程度很高。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于 100℃。較高一些的也只有幾百攝氏度。顯然，它的能源應(yīng)用難度較低，適合于直接利用。光電轉(zhuǎn)換。將太陽(yáng)輻射的光能根據(jù)“光電轉(zhuǎn)換”原理把光能變成電能再加以利用，常稱“光伏轉(zhuǎn)換” 。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展起來(lái)的。由于電能的位品相當(dāng)高，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域最寬、范圍最廣、工業(yè)化程度最高、發(fā)展最快且前景十分樂(lè)觀。光化學(xué)轉(zhuǎn)換。通過(guò)光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。它也是利用太陽(yáng)能的一個(gè)途徑。二三十年前有不少人對(duì)此做了許多研究。近來(lái)報(bào)道不多。目前仍處于研究、開發(fā)階段。光生物轉(zhuǎn)換。通過(guò)光合作用收集與儲(chǔ)存太陽(yáng)能。近來(lái)在這方面的研究有所增加，人們期盼出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。 課題研究的目的和意義隨著現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷增加，然而傳統(tǒng)能源資源又相對(duì)匱乏，另外大量使用化石燃料對(duì)環(huán)境危害較大。因此，采用新能源和可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走可持續(xù)發(fā)展道路的重大措施。這對(duì)于世界尤其是我國(guó)是十分迫切的。太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽(yáng)能發(fā)電已成為未來(lái)全球解決能源危機(jī)的最具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的重要途徑。太陽(yáng)能的利用，有利于自然界的環(huán)境保護(hù)，因此如何更進(jìn)一步地提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的效率，無(wú)論是從科技應(yīng)用的角度，還是從商業(yè)開發(fā)的角度講都是極其重要的課題。然而，太陽(yáng)能強(qiáng)度和方向的不確定性及光照間歇性等特點(diǎn)，給太陽(yáng)能的收集帶來(lái)了一定難度。如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高設(shè)備的能量接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。然而傳統(tǒng)的固定式太陽(yáng)能