電氣工程及其自動化專業(yè)
《電氣工程新技術(shù)講座》 課程結(jié)業(yè)專題報告
題目名稱 | 開發(fā)太陽能，保障能源安全 |
學(xué)生姓名 | cc |
年 級 | 電氣工程及其自動化2009級 |
學(xué) 號 | 0905020216 |
主講教師 | 王洪誠 蔣林 李紅偉 張安安 |
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能源現(xiàn)狀
如今能源短缺和環(huán)境污染成為影響人類發(fā)展的重大問題.那么什么是能源呢？通過對我們電氣工程自動化專業(yè)開設(shè)的新技術(shù)講座的學(xué)習(xí)告訴我,能源簡單講就是能量的源泉。確切說能源是自然界中能夠能為人類提供某種形式的能量的物質(zhì)資源。是指可以產(chǎn)生如熱量、電能、光能、機械能等或者可以做功的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱。能源包括煤炭、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等一次能源和電力、熱力、各種成品燃油、沼氣等二次能源，以及新能源和其他可再生能源。根據(jù)能源使用類型我們把能源分為常規(guī)能源(煤炭、石油及各種成品油、天然氣、水能、電力、木材（薪柴 等.）和新型能源(太陽能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋⑸镔|(zhì)能、天然氣水合物、燃料電池、氫能、煤層氣能等)常規(guī)能源已經(jīng)或正在被我們使用，新能源還處于開發(fā)研究階段,但它們大多具有再生性質(zhì)而且資源豐富，分布廣闊，是未來的主要能源之一。
能源是我們國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速、健康發(fā)展和人民生活起著十分重要的促進(jìn)與支撐作用，關(guān)系到國家的安全與人類的生存和進(jìn)步。保持能源的可持續(xù)發(fā)展是人類和各個國家面臨的一個十分重大的戰(zhàn)略性課題，在當(dāng)今世界能源問題已經(jīng)不再僅僅是一個經(jīng)濟(jì)的問題，而且是國家生存與發(fā)展的政治問題
隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源需求的日益增加和環(huán)境要求，發(fā)達(dá)國家都更加重視對可再生能源、環(huán)保能源和新型能源的開發(fā)與研究，同時我們相信隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一定會不斷地開發(fā)研究出更多的新能源品種，我們也預(yù)言地球上還有很多尚未被人類發(fā)現(xiàn)的新能源正等待我們?nèi)ラ_發(fā)利用。所謂新能源是相對于傳統(tǒng)常規(guī)能源而言的，它普遍具有污染少、儲量大、可再生的特點，對于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源枯竭具有十分重要的意義。同時，由于許多新能源分布均勻，對于解決因能源爭奪而引發(fā)的戰(zhàn)爭也有重要作用。據(jù)世界研究斷言，石油煤礦等資源將加速減少，太陽能將成為主要能源。因此加大對太陽能等新能源的研發(fā)投入是國家持續(xù)健康發(fā)展的明智選擇.
什么是太陽能?
太陽能（Solar Energy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源,它是新能源的主流品種之一。太陽能的主要利用形式有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光化
學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能、化學(xué)能、水能等都可以追朔到是由太陽能導(dǎo)致或轉(zhuǎn)化成的能量形式，但通常意義下的太陽能是指通過太陽光直接轉(zhuǎn)換而得到的能源。
優(yōu)點
普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運輸。
無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點是極其寶貴的。
巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。
長久：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。
太陽能利用形式
太陽能發(fā)電的形式主要包括: 光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式
由于太陽熱能包括了其中的熱量輻射. 我們可以將陽光中的熱能收集聚合并利用。例如使用太陽熱能生產(chǎn)熱水、產(chǎn)生蒸汽并用蒸汽發(fā)電進(jìn)而產(chǎn)生電力。這方面的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，技術(shù)要求相對較容易，除了運用適當(dāng)?shù)氖侄蝸硎占柲芡?，建筑物本身也可以利用太陽的光和熱能，在設(shè)計時加入合適的裝置和材料，如巨型向南開的窗戶或使用能吸收光和熱的建筑材料做墻面，就可以實現(xiàn)房屋供熱。 如果將太陽能和風(fēng)能結(jié)合，可以互相彌補其不足，風(fēng)能可以解決太陽能的晝夜之間的光照劇烈變化給發(fā)電帶來的影響，太陽能又可以彌補風(fēng)能因風(fēng)向、風(fēng)力變化所引起的波動。
由于綠色植物具有葉綠體,太陽能照射在植物上，植物利用太陽光進(jìn)行光合作用，合成有機物，人類再使用這些有機物，因此，人類可以人為地模擬植物的光合作用，使用太陽光大量合成人類所需要的各種有機物，提高太陽能利用效率。例如利用太陽能的光合能生產(chǎn)無土壤蔬菜、糧食、水果，利用太陽能的光合能治療疾病等等。 此外科學(xué)家們正在設(shè)計利用太陽能建造太空發(fā)電站。在地球以外的空間沒有大氣層的干擾，太陽的輻射更強。如果在太空中安裝一塊大型集光板把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，然后再把電能不斷地輸送到地球上，這
將有取之不盡的電力。預(yù)計很快第一座太空發(fā)電站即可建成，計劃每年發(fā)電1千萬千瓦，相當(dāng)于10座大型核電站，可以連續(xù)發(fā)電30年以上。
太陽能光伏工程（發(fā)電）：這是太陽能利用的最重要的形式。光伏板組件是一種直接暴露在陽光下、受太陽光照射就會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料(例如硅)制成的薄片固體光伏電池組成，這些組件采用一定的方式連接和組合，就可以成為容量較大的太陽能發(fā)電站。 光伏發(fā)電系統(tǒng)因沒有運動部分，可以長時間操作不會有任何損耗。光伏板組件可以制成不同形狀，組件之間可以方便地互相連接產(chǎn)生更多電力。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獨立供電（戶用），也可以并網(wǎng)使用，房屋樓頂和建筑物墻面都可以安裝光伏板組件，甚至可將光伏板作為窗戶天窗或遮蔽裝置，稱為建筑物光伏系統(tǒng)，例如在上海世博園的建筑中就被大量采用。
需要解決的關(guān)鍵技術(shù)
太陽能發(fā)電的需要解決的關(guān)鍵技術(shù)：第一是光電轉(zhuǎn)換效率；第二是在轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)光熱分離，即在實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的同時不吸收太陽的輻射熱，這樣不僅可以大大提高光伏板的使用壽命，而且可以減小光伏板的體積，方便安裝和減少土地占用；第三是轉(zhuǎn)換能量的儲存與
控制。其中一二主要是材料科學(xué)研究與解決的范疇，第三則是電力電子技術(shù)要支撐和解決的問題。眾所周知，電流是自由電子在金屬類導(dǎo)體中作定向移動所形成的，光伏效應(yīng)就是利用半導(dǎo)體材料在受到光的照射以后其中的自由電子受到激發(fā)而產(chǎn)生定向運動來產(chǎn)生電流的，所以光伏工程的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何能夠研制開發(fā)出高效、經(jīng)濟(jì)耐用和轉(zhuǎn)換容量更大的半導(dǎo)體材料，一旦在這方面取得重大突破，太陽能的大量利用將成為現(xiàn)實。其次是光熱轉(zhuǎn)換分離，2009年6月中央電視臺曾經(jīng)報道了以色列女科學(xué)家在這方面有了重大突破，它解決了光伏板在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換中只吸收太陽光而不吸收太陽熱的問題。這樣就解決了光伏板的使用壽命、安裝和大量占用土地的的問題，這是一個很大的成就，目前已經(jīng)進(jìn)入實驗室工作狀態(tài)，相信離實際工程應(yīng)用不會太遠(yuǎn)。 由于太陽能發(fā)電因受天氣和晝夜日照劇烈變化影響，電能必須首先經(jīng)過儲存、調(diào)整與分配，才能得到穩(wěn)定的供電電源。電能的儲存、調(diào)整、控制與分配需要特殊的大容量高儲能設(shè)備和特殊的控制設(shè)備，這種設(shè)備和裝置的核心技術(shù)就是電力電子技術(shù)，研究開發(fā)出具有特殊性能的電力電子設(shè)備是大力開發(fā)應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電的另一個關(guān)鍵技術(shù)。 另外太陽能光伏電源是半導(dǎo)體光伏板通過光電作用產(chǎn)生的定向直流電流，要供給交流負(fù)載，必須首先通過儲存、控制與變換才能供給交流負(fù)載使用或者連網(wǎng)，其中變換常用的設(shè)備就是電力電子逆變器，這雖然已經(jīng)是電力電子的成熟
技術(shù)，但是對于太陽能光伏電源這種新能源，還有許多新的問題需要研究和解決，例如逆變的直流電源電壓波動、電壓過低等問題。
