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第10章 打开潘多拉盒子——光电转换(2)

锂电池

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生,使用以下反应:Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。

由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池长期没有得到应用。现在锂电池已经成为了主流。

铅酸电池

铅酸电池(VRLA),是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。

镍氢电池

镍氢电池是有氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%,比镍镉电池更轻,使用寿命也更长,并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多,性能比锂电池要差。

4.太阳能发电厂

太阳能发电厂是用太阳能来发电的工厂,它是利用太阳能转换为电能的光电技术来工作的。目前世界上利用太阳能发电最多最成功的国家是德国,它利用太阳能来发电可供55万个家庭用电所需,是世界利用太阳能发电的典范。

德国太阳能光伏发电厂

德国一直非常支持发展生产可再生能源的现代科学技术。德国环境部委托该国Forsa市场调查机构于2005年5月初进行调查,调查结果显示,接近62%的德国人认为应该增加在可再生能源方面的投入。大部分受访者支持利用风力发电,并赞同努力在未来20至25年内实现。利用海上风力发电站,可满足该国15%的电力需求。在未来20年至30年内,太阳能是另一个将获得长足发展的能量来源。调查结果还显示,有85%的德国民众将太阳能视为替代传统能源的最佳对象。

太阳能发电技术位居世界前列的德国,在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿恩施泰因建成大型的太阳能发电场,其发电功率为12.4兆瓦,可以同时满足3500户家庭的用电需要。这座太阳能发电场占地77公顷,将拥有1500套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划,建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式,筹集建场所需的7500万欧元。个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1.44万欧元。有研究者表示,这种集资建太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。

拟在撒哈拉沙漠建立的太阳能发电厂

欧盟科学家曾提议在非洲撒哈拉沙漠建立太阳能发电厂,主要原因是看好沙漠地区阳光充裕,太阳能发电效能比起北欧强三倍。科学家认为,只要能捕抓到撒哈拉沙漠百分之零点三的阳光,便足够供应整个欧洲用电需求。

整个计划约耗费357亿英镑,在沙漠建筑太阳能电厂面积与英国韦尔斯(Wales)面积接近。尽管欧洲市场受各国太阳能奖励补助不同而使得需求跟着波动,但欧盟科学家近日提议却可望再创一波需求高峰,欧盟科学家建议政府出资,在非洲撒哈拉沙漠建造太阳能发电厂,预估将可供应整个欧洲所需电力,而该项提议更获得英国首相及法国总理的支持。

同样获得英国首相及法国总理的支持的还有其后续的发展与投资。科学家预测,若该计划得以快速落实,大概2050年前该电厂便能产生1,000亿瓦(100GWp)电力,由北非输往全欧电缆成本,预计在未来40年约耗费十亿欧元。若再搭配英国和丹麦风力发电、冰岛与意大利地热发电等,全欧洲有用之不竭的干净再生能源电力网络。

太阳能发电从业者表示,比起依赖欧洲各国政府不同的补助政策,以及考虑到不同日晒度问题,在撒哈拉沙漠建立太阳能发电厂,可快速落实解决传统能源短缺及成本不断提升问题,若该项提议通过,全球太阳能业者均可望因为需求带动再次受惠,例如在欧洲市场深耕的茂迪、益通及昱晶等,预估均可快速感受到该项需求。

主宰全球太阳光电绝大多数需求的欧洲市场,虽然受到西班牙于2008年9月结束首波优惠补助案,以及德国2009年开始由5%年降幅补助调至8%降幅,使得市场对于欧洲市场需求存疑虑,但瑞士近期开始像德国、法国和西班牙一样,通过对可再生能源电力进行补贴,期限长达20到25年,计划每5年审议一次实施情况。

日本普及太阳能发电

在亚洲,日本是太阳能发电的先驱者。在日本,太阳能发电是非常普及的。在家庭方面,太阳能发电普及的难点就是费用非常高。购买太阳能发电装置的费用能否比电费合算是关键,这在以前也是做不到的。当时的太阳能发电装置很难卖出去,正是因为卖的数量少,所以不能大规模批量生产。

现在,家庭购买这种装置,一半的费用由政府来补贴,所以现在卖出去的越来越多,价格也随之降低了。据了解,10年前,日本3千瓦的发电设备价格约为600万日元,这大概够交几十年的电费,而现在的市场价格降低了一半。折合成人民币,约从40万元降到了20万元左右。

在日本使用太阳能发电装置还有一个独特的好处:白天不用电,而是发电卖给电力公司或者政府,而后者也积极收购,这样得到的收入可以用来抵消部分电费。根据统计资料可以看到一个有意思的情况--在普及了太阳能发电装置的家庭,节电工作反而做的更好。经过多年的苦心经营,日本成为世界上能源利用效率最高的国家之一(为美国的2.75倍)。日本的太阳能技术全球独领风骚,2002年日本的太阳能发电量占全球总量的46%。

知识卡片:

5.太阳能发电存在的问题

太阳能光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源可以无处不在。但太阳能光伏发电并不是十全十美的,它还存在一些有待攻克的“弱点”。目前它的主要缺点有以下几个方面。

太阳能光伏发电需要占地面积巨大

一是光伏发电需要占地面积大。

虽然我们平时看到、接触到的太阳能光伏发电设备都是不是非常巨型的,但如果真的需要将光伏发电作为主要电力来源的话,那么我们将需要更大更广阔的地域去尽可能多地收集阳光。但这样的设想是有些不符合城市发展的实际的,但城市却是电力需求量最大的地方。

此外,太阳能光伏发电的普及背后会带来一连串的意想不到的污染。比如以单晶硅或多晶硅为主要原料的太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁,成为一座座所谓“清洁无污染”的太阳能电站。但是,在这种被称为“绿色电站”的身后,却“隐藏”着一系列高能耗、高污染的生产过程。即使作为第三代太阳能电池的染料敏化电池来说,虽然它最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据科学家估算,它的成本仅相当于硅电池板的十分之一。但是此类电池的效率随面积放大而降低。这一点又与太阳能发电需要充足的日照和广域的面积相矛盾。

光伏发电需要高技术高成本

二是光伏发电的成本太高

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的,但其成本居高不下,远不能满足大规模推广应用的要求。我国目前太阳能发电的应用基本在集中供电成本过高的边远地区。成本的居高不下是太阳能发电在国内产业化运作中的主要难题。但太阳能与其他新能源相比在资源潜力和持久适用性方面更具优势,从长远前景来看,光伏发电是最具潜力的战略替代发电技术。专家预测,到本世纪后期,太阳能发电将在世界电能结构中占据80%的位置。

可见制约太阳能光伏产业发展的主要原因是太阳能发电的高额成本,而高成本主要来自太阳能组件的生产--规模化生产是降低成本的主要途径。而在规模化生产形成过程中,促进技术进步和政府的法规政策支持将起到举足轻重的作用。要达到这样的目标,政府采用完整、有效的激励政策是关键。

转化率低光伏发电发展的瓶颈

三是光电转化率很低。

我们大家都知道,太阳光电池主要功能在将光能转换成电能,这个现象称之为光伏效应。但是这就使得我们在选取太阳能电池板原材料的时候,产生了众多不便的因素。要求我们必须考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。不仅要吸光效果,还需要看它的光导效果。所以材料的选取对于光伏发电来说是一项很大的约束。必须充足了解太阳光的成分及其能量分布状况,从目前太阳能发展的情况来看,材料的选取仍旧是个待提高的突破点。即使在非常高效的材料下进行光电转换,它的效率仍然很低。据2008中国能源投资论坛中最新报告可知,上海市纳米专项基金的支持下,经过3年多实验与探索,已经研制出一块新型仿生太阳能电池。它的光电转化效率已超过10%,接近11%的世界最高水平。从数据我们能够看出,11%这个极低的水准却是目前世界上无法逾越的高度。因此,太阳能光伏发电的转换效率低,依旧是国家乃至世界研究组一直以来希望妥善解决的问题。

从上面的种种现象看来,太阳能光伏发电在未来的领域中仍需要人们不断的探索与完善,在开发利用太阳能技术方面,我们还有很长的路要走。

知识卡片:

转化率

化学中的转化率是指在一个化学反应中,特定反应物转换成特定生成物的百分比。所有产物全部转化成生成物对应100%转化率。计算转化率的时候要考虑到化学计量系数。对于未达到化学平衡的过程,转化率和反应本身以及反应环境、催化剂等都有关。

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