太阳能电池的发展背景及应用

吕玉荣

(鹤壁职业技术学院 交通与材料工程学院，河南 鹤壁 458030)

以煤炭为能源的蒸汽机推动了第一次工业革命，电力驱动的灯泡照亮了第二次工业革命前进的方向，原子能、电子计算机等技术的发明创造使得第三次工业革命极大的推动了人类在社会、经济、文化等范畴的先进程度，虽然我们已身处第四次工业革命，但是我们对新能源的探索从未停止，而且不排除一种新的能源会改变我们人类的生活。

1 太阳能电池的发展背景

1.1 能源枯竭

从第1次工业革命以来，全世界对能源的需求量越来越大，人们对煤、石油、天然气等化石资源过度开采，使得这些传统能源的可使用年限越来越少。据统计：世界与中国的石油、天然气和煤的使用年限对比如图1[1]。

图1 世界与我国传统能源使用年限示意图

1.2 环境污染、生态破坏

由于化石燃料的长期使用，使得全球的环境污染越来越厉害，生态也遭到了严重的破坏。虽然化石燃料的使用，可以使经济得到快速发展，但是污染、雾霾、酸雨等各种各样令人棘手的问题也随之而来。1952年整个伦敦城被黑暗的迷雾所笼罩，直至12月10日，强劲的西风才吹散了笼罩在伦敦上空的恐怖烟雾；2016年我国也遭受了历年来范围最广、持续时间最长、强度最高的雾霾困扰，其中河北石家庄的一些监测点，PM2.5指数一度突破1 000。

1.3 太阳能的优点

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是来自太阳的辐射能量。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持几十亿至上百亿年的时间[2]。在化石燃料日趋减少的背景下，太阳能已经成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

太阳能的优点有：(1)资源丰富。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源，可以说太阳能资源取之不尽、用之不竭。(2)能源洁净。与煤、石油、天然气等化石燃料不同，太阳能不会污染环境。在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)使用方便。太阳能没有地域的限制，无须开采和运输。

2 太阳能电池的应用

2.1 航空航天方面

我们最早用太阳能电池供电的是航空航天方面。1958年，太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。

太阳能电池能够直接将太阳光能转化为所需电能，在航天飞机(图2)、空间站(图3)、人造卫星中的应用范围非常广泛。在太阳无法照射到的阴影位置，设置蓄电池组与储能装置的太阳能电池，可以保障航天器的正常运行。而且，在飞行器上应用太阳能电池可以节约大量的空间，减轻负载，功率需求小，使用寿命长[3]。

图2 航天飞机供电

图3 空间站

此外，我们发射的火星探测器，以及未来我们人类规划在月球、火星上建设的一些移民基地项目等，这些势必首先都会用到太阳能电池。

2.2 太阳能汽车方面

人们从上世纪八十年代前后开始把太阳能电池用在汽车上，之后美国、荷兰、日本、中国等国家都对太阳能电池在汽车上的应用进行了相关研究[4]。

太阳能汽车是近几年来广受关注的新能源汽车之一，也被认为是汽车行业内最为环保的汽车。随着全球经济和科学技术的飞速发展，太阳能汽车相关技术得到了长足的发展[5]。我国光伏行业领域最大的薄膜生产企业——汉能，已经设计出了概念车，如图4。或许在不久的将来我们就能使用上一款太阳能汽车。目前很多城市实行限号出行，但电动汽车不限号，所以家庭使用电动汽车的数量越来越多。但是电动汽车最大的痛点就是它的续航里程问题，无法实现远距离出行。一旦太阳能电池能够解决这个问题，相信我们电动汽车的续航就不再是问题。

图4 汉能太阳能概念车

2.3 通信方面

在通信方面，可以应用到太阳能信号发射塔、太阳能无线紧急电话机等领域，如图5和图6。现在我们国家正在大力建设5G基站，5G基站需要的能源消耗更大，耗电量大概是4G基站的十八倍左右。并且一个5G基站的覆盖范围比原来的4G基站小，所以需要建设的5G基站数目更多，尤其是偏远山区，架设专门的电力供电线路难度较大，施工成本也较高，估计每公里工程造价在10万元以上。而我们的太阳能电池供电可靠，几乎不受地形、地貌的影响，没有供电距离的限制，所以应用我们的太阳能电池将是个不错的选择。

图5 太阳能信号发射塔

图6 太阳能无线紧急电话机

2.4 交通设施

交通设施方面的应用主要有路灯、信号灯等(如图7、图8)，目前被很多城市以及景区采用。如果太阳能光伏路灯以平均每盏配置光伏组件100 W，全年可发电量约100度计算。根据国家发改委能源所统计口径：全国已安装的2 500万盏太阳能光伏路灯，每年可节约25亿度电，可节省87.5万吨标准煤，可减少218万吨二氧化碳、6.6万吨二氧化硫和59.5万吨碳粉尘等污染物排放[6]。

图7 太阳能路灯

图8 太阳能信号灯

此外，还可以把光伏组件设置在高速公路两侧的隔音障上。原本隔音障只是用来隔音，但是如果我们把隔音障做成光伏组件安装在两侧，它既有隔音的效果，又可以发电，一举两得。

2.5 建筑设施

建筑在利用太阳能过程中受到太阳相对位置、大气条件、地理环境位置等因素的影响。因此，太阳能电池在建筑上主要用在建筑物的屋顶、幕墙等位置。山东皇明太阳能总部“日月坛微排大厦”和上海世博会中国馆是比较有影响力的建筑[7]。

鹤壁市的金太阳工程千鹤之舞体育馆(如图9、图10)，场馆采用太阳能光伏发电系统，为2009年国家太阳能光电建筑应用项目。

图9 千鹤之舞体育馆

图10 千鹤之舞体育馆屋顶

鹤壁职业技术学院在2019年建成了一个小型的光伏实验实训场地——光伏小屋，如图11。它完全依靠光伏发电来提供小屋所需的电能，小屋里面有电视、冰箱、电脑以及照明设施等。光伏小屋发的电量除了自己用之外，还把多余的电输送到学校电网，现在已经累计为学校电网输送了1000多千瓦时的电量。

图11 光伏小屋

世界建筑的发展趋势是节能，加快建筑节能、绿色、低碳的前进步伐，有利于国民经济持续发展。现如今，太阳能在建筑利用中的发展趋势是太阳能建筑一体化，在一体化设计中实现建筑、设备、技术和美学的完美融合，使得太阳能设施成为建筑的一部分[7]。

3 结论

太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用。太阳能电池自诞生以来，各国政府纷纷出台各种扶持政策、投入巨资，以此推动太阳能光伏产业的技术研发和应用推广。目前太阳能电池已经在航空航天、交通、通信、建筑等方面获得了广泛应用。相信在不久的将来会成为人类使用能源的主要方式。