浅谈新能源材料的应用现状和发展前景

吴仪坤

摘 要：随着社会的不断发展，粗放型的传统能源所带来的环境污染问题越来越严重，同时传统能源效率低下的问题一直得不到有效解决。在这样的背景之下，新能源材料作为一种高效的清洁能源收集、转化中介，对于缓和经济发展与环境之间的矛盾，调整能源供需问题起到了重要作用。本文从新能源材料的应用现状出发，分析新能源材料在当今社会的应用及存在的一些问题，并预测新能源材料的发展前景。

关键词：新能源材料 环境污染 效率 未来发展

1 引言

新能源材料是指支撑新能源发展的，具有能量转化和储存的功能的材料或结构，目前主要应用在发电，动力等方面，得到广泛应用，但也存在诸多问题。因此本文从新能源材料的应用现状和发展前景出发，以期为新能源的研究发展提供参考。

2 新能源材料的应用现状

2.1 光能的应用

光能对于人类来说并不陌生，地球上绝大部分能量除核能外都来太阳光能，当前主要使用的传统能源的根本来源也是光能，可以说人类对于光能的使用自古有之。

当前对于光能的应用主要有几个方面：一是光热利用。其原理是用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来并将其转化为热能加以利用。有低温利用和高温利用两种。太阳能热水器是目前使用最为普遍的太阳能产品，是低温利用的应用产品，它利用太阳辐射将水加热，以供日常生活所用。太阳能热水器的优点十分明显，因为它是用太阳能作为能源进行加热，所以相对于电加热和燃气热水器更加节能环保，且少有其他的花费，同时也比较安全。在阳光充足的地方，太阳能热水器是一个不错的选择。二是发电利用。从目前发展趋势来看，未来太阳能的大规模利用是用来发电的。目前使用的主要有两种，其一便是是光电转换，也就是我们常说的太阳能电池，其原理是利用光生伏特效应将太阳辐射直接转换为光能，太阳能发电在我國应用较为广泛，如生活中常见的太阳能路灯和卫星的太阳能板等等。三是光化利用。原理是直接利用太阳能分解水制氢，我们最为熟悉的光化利用便是光合作用，植物靠叶绿素将光能转化为化学能，制造了大量氧气和有机物，如果能揭示光化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电，对我们人类来说意义重大。

2.2 风能的应用

风能是空气流动所产生的动能，是一种可再生的清洁能源，储量巨大，一年中技术可开发的能量约5.3X10^13千瓦时。且分布较为广泛。

目前人类对于风能的应用主要集中于风力发电方面，其原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转速度提升，从而促使发电机发电。在我国，风能开发潜力巨大。我国地域辽阔，海岸线长，风力资源十分丰富，据统计，全国风能总量为3226GW，可供开发的陆上风能总量为253GW。特别在我国东南沿海及附近岛屿，有效风能密度在200～300w每平米以上，且风速大于3米每秒全年出现时间在7000h以上。我国风力发电始于上世纪80年代，发展相对滞后，但起点较高，截至2019年底，中国累计风电装机容量为2.1亿千瓦，同比增长14%，风力发电量占比达5%以上。当前风力发电在我国前景较好，有着国家的大力支持和地方政策的鼓励。在污染问题突出的当下，风能作为一种清洁能源，有着不错的未来发展。

2.3 热能的应用

人类对于热能的利用自古有之，在人类踏上食物链顶端的道路上，使用火可以说是迈出了一大步。当前人类对于热能的应用可分为两个方面。一是直接利用，也就是热利用，将热能直接用于加热物体，如取暖，熔炼，烘干等。在还未进入电气时代之前，人类对于热能的应用一直都是热利用，可以说没有热，就没有人类，热是人类赖以生存的根本。二是动力利用，通过各种热动力装置将热能转化为机械能或电能加以利用，为人类的日常生活提供动力。地热能是热能的一种形式，是当前较为热门的热能方面的利用。地热能是由地壳抽取的天然热能来自于地球内部的熔岩，是一种可再生的清洁能源。地热能也可分为地热发电和直接利用两方面。地热发电是地热利用的最重要形式。地热发电原理是将地热能转化为机械能，然后再把机械能转化为电能。而直接利用就是利用地热进行供暖等。我国地热资源丰富，且起步探索不算晚，但近30年来进展缓慢。

3 新能源材料发展存在的问题

虽然新能源材料在我国发展迅猛，但也存在着不少问题。

3.1 使用环境要求苛刻

对于大多数新能源材料来说，使用环境要求苛刻一直是一个绕不开的问题。新能源材料现在发展缓慢，使用环境要求苛刻是一个主要原因。就以光能应用为例，太阳能具有分散性和不稳定性等缺点，到达地球的太阳能总量很大，但是能流密度却很低，在北回归线附近，即使是夏季天气较为晴朗的情况下，全年日夜平均只有200w左右，更不要说冬季和阴天了;同时，由于收到昼夜，季节，天气的条件的影响，到达地面的太阳能既是间断的，又是不稳定的。在这种情况下，就要求太阳能的使用环境光照充足，气候变化不大，且全年晴朗天气较多。又如风能，虽然我国风能资源十分丰富，但能利用的地区不多，除东南沿海和新疆的少部分地区外，其他地区的风速很难达到风能发电的标准。而风力发电对于风力的要求又比较高，且风力发电需要大规模的场地来确保发电需要，因此使用环境同样苛刻。

3.2 转换效率比较低下，储存方式单一，能量损耗高

在当前材料问题的限制之下，新能源材料的效率一直难以提高。同样以太阳能为例，当前实际使用的太阳能相关产品，转化效率在17%左右，这个效率虽然已经够盈利了，但实际上仍然比较低，太阳能是一个巨大的宝库，这样的效率还不足以发挥其作用。更何况太阳能的使用环境苛刻，这样的效率还不足以取代传统能源的地位。而且新能源材料有一个较大的弊端，那就是当前新能源材料主要关注的是能量转化的问题，而很少关注能量储存的问题，这也是为什么在大力发展新能源材料的当下，传统能源依旧占据主导地位的主要原因。新能源想要取代传统能源，成为未来的主要能源，就必须与传统能源类似，易于储存，而不是只是转化。就拿风能为例，一旦失去风，那么风能的一切都只是摆设。当前对于这些能源的储存，大部分都只是通过电池进行储存，储存方式较为单一，且储存效率不高。再如太阳能发电和风能发电都是间歇性的，难以调度，且极易受环境的影响，电网要求输入稳定平滑，而风能发电和太阳能发电由于其间歇性，明显不符合这个要求，输入电网后带来的安全隐患较大。同时，能量损耗高同样是制约新能源材料发展的一个重要因素。

3.3 性价比不高

性价比不高同样是新能源材料发展过程中一个较大的问题。新能源材料的性价比主要受几个方面的制约。一是生产成本高。同样以发电为例，2018年光伏发电平均成本已达到8.5美分每kwh，陆上风力发电成本已达到5.6美分每kwh，而燃煤发电的成本可达到3-5美分每kwh，火力发电相对可再生能源来说仍有优势。二是研究投入大。当前新能源材料存在的最大问题便是难以尋找到一种应用性高的材料，这方面的投入巨大，同时当前制约新能源材料发展的重要因素同样是材料，在材料方面想取得进展需要花费巨大的人力财力和物力。三是使用寿命短。当前市面上大多数新能源材料在使用一定时间后会出现效率下降的问题，同时因环境影响，大多数新能源材料的使用寿命都比较短。

4 新能源材料的发展前景

针对新能源材料存在的种种问题，我们可以窥探其未来的发展前景。

4.1 使用场景更为广阔

当前新能源材料的使用环境普遍比较苛刻，因此实用性不高，那么我们可以从此处着手，拓宽其使用场景，以促进其发展。那么，如何拓宽其使用场景呢？首先，最重要的便是材料。如果可以通过改变其材料，使其对于环境的要求不再那么苛刻，那么使用场景也就不是过于狭隘。其次我认为可以通过多种新能源材料的整合，拓宽其使用场景。这一方面的典型实例便是海岛风力与光伏发电组合使用。在海岛上，晴天时无风，但光照充足，利于光伏发电，而阴天时无光照。但风力强劲，利于风力发电。通过这样的方式，拓宽了风力发电和光伏发电的使用场景。

4.2 能量转换效率更高

提高能量转换效率是新能源材料发展最重要的同时最应该研究的方向，毕竟，能量转换效率提高了，很多问题都可以迎刃而解。而提高能量转换效率的最重要做法便是推动相关学科的进步。这一点需要国家的大力支持。技术的发展离不开科学的进步。技术是建在科学的前提上的，首先要掌握相关科学理论，才可能实现技术方面的进步。其次，我们可以通过提高能源收集方式来提高其能量转换效率。正如当前大多数新能源材料的利用都是集中起来大规模利用，这是一种较为有效的能源收集方式。此外，我们还可以通过减少能量转换时的损耗来提高其转换效率。若新能源材料的能量转换效率提高，那么新能源必将取代传统能源的主导地位，则当前突出的环境污染问题与能源供需问题也将得到很好的解决。

4.3 新能源材料的经济性适用性更强

新能源材料成本高，使用寿命长导致其经济适用性不高。因此我们可以从这两个方面入手提高其经济性，而解决这两个问题的关键同样是材料。

近日，美国科学家取得了太阳能电池材料的新突破，成本低，可大量制备，就很好的解决了上面的一些问题。 由上，我们可以看出，材料是制约新能源材料发展的重要因素，而未来，新能源材料的发展，也必将以材料为核心。

5 结语

本文回顾了新能源材料的发展背景和应用现状，并在此基础上提出相关对策和展望。结合当今的社会背景和能源局势，新能源材料依托于科技的不断发展和人们对于绿色环保的持续重视，其发展方兴未艾。但值得注意的是，新能源材料的发展并非那么一帆风顺，需要国家和政府进行合理的引导和鼓励，并要求企业加强人员和研发投入，不断提升新能源材料的经济性和实用性，为更好的利用新能源奠定基础。

参考文献：

[1]太阳能光热发电技术发展现状研究[J].科学与财富，2019.

[2]议风能及其应用[J].祖国，2017.

[3]新能源材料设计及性能预测分析[J].科技视界，2017.