1.1 太阳辐射及太阳能资源的特点
1.1.1 太阳辐射
太阳能本质上是一种具有光谱特征的电磁波。太阳辐射的能量集中在200~2500nm的波长区域,其中可见光和近红外区域能量占据了最大的比重,约占太阳辐射总能量的95%,如图1-1所示。大气层上界的太阳辐射由于不受大气影响,所以有一个比较恒定的数值,称为太阳常数,其值为(1367±7)W/m2。
图1-1 太阳辐射光谱
全球强太阳辐射地区通常位于大陆西部的热带地区,而不是赤道附近。干旱或半干旱地区的太阳辐射要强于热带或赤道湿热地区。
1.1.2 太阳能资源特点
太阳能作为最重要的可再生能源之一,其资源开发利用主要具有普及、清洁、经济的特点。
1.1.2.1 普及
虽然由于地理纬度的不同、气候条件的差异导致各地太阳能辐射不均匀,但是相比仅在部分地区存在的水能、潮汐能、地热能,太阳能对于大多数地区来说都可随取随用。这为常规能源和水资源缺乏地区提供了非常好的能源解决途径。
同样,相比于风能的区域性和不确定性,太阳能在多数地区的白天都比较稳定,无论是供热还是发电,在全年都会有比较稳定的输出。
1.1.2.2 清洁
太阳能和风能、潮汐能、地热能等清洁能源一样,其利用过程中几乎不产生污染,基本无CO2排放。虽然在太阳能利用设备的制造过程中会有CO2排放和产生少量污染,但这些CO2排放相对其产生的能源来说可以忽略。
例如,在整个光伏产业链中,除了硅料生产环节,其他的中下游环节基本不存在污染。目前,全球80%以上的多晶硅都是采用“改良西门子法”生产。其最终副产物比例最大的是SiCl4,依靠目前国内的多晶硅技术生产条件,每生产1kg多晶硅就要产生15~16kg的SiCl4,而国际上则一般是8~10kg。对于副产物,目前最具可行性和经济性的方式就是利用SiCl4生产有机硅或气相SiO2纳米材料,从而在很大程度上避免了污染。
光伏发电系统的能量回收期也是人们关注的重点。按照目前的技术水平,晶体硅电池的能量回收期约为1.6年,而光伏组件的设计使用寿命为25年。也就是说,生产出的太阳能组件在实现生产能耗回收后,几乎不用再消耗电量,可再发电约23年,并且没有任何污染物排放。事实上,即使25年之后,太阳能组件的发电效率大约相当于之前的70%~80%,仍可使用很长一段时间。
1.1.2.3 经济
在目前的技术水平下,太阳能利用已具有较好的经济性。例如,太阳能热水器、太阳能房,虽然一次性投入较高,但其使用过程不耗能,在生命周期的使用成本要远低于电热水器和燃气热水器。再如,太阳能发电系统,其度电成本已低于1元;根据补贴和安装形式的不同,经济回收期已缩短为3~8年,具有很高的经济性。而随着技术的发展和规模化应用,太阳能利用的经济性将会更加明显。