常见的新能源发电方式优化后：常见新能源发电方式

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图3.2大规模应用的太阳能发电装置和风能发电装置2.风力发电风和太阳光一样，它的踪迹遍布全球，总是会携带着巨大的能量。图3.3生物质能转化为电能4.地热能发电地下热水或者热蒸汽所蕴藏的能量俗称地热能。利用地热能发电是一种清洁的能源获取方式。图3.4是位于冰岛的地热发电站。图3.4位于冰岛的地热发电站5.海洋能发电世界上面积最大的是海洋，其面积大约是陆地面积的4倍。

1.太阳能发电

太阳是一个巨大的能量源，它采用核聚变的形式产生能量，地球上绝大部分的能量都来自太阳。目前，直接将太阳能转化为电能的方法主要包括两种，即光热发电和光伏发电。光热发电主要是将太阳光蕴藏的热能收集起来，通过将水加热变为水蒸气使发电机工作发电，它并不会像传统的火力发电那样产生CO2温室气体和环境污染等问题，是一种清洁的可再生新能源。光伏发电对人们来说并不陌生，目前，研究较为成熟的是晶硅类太阳能电池，除此之外，还包括钙钛矿电池、染料敏化太阳能电池等。这些电池都是利用光伏发电的基本原理制成的。大规模应用的太阳能发电装置和风能发电装置如图3.2所示。近来Wolf等提出了一种用于晶体硅太阳能电池的新型电子选择性钝化接触方式，使用金属氮化物代替金属氧化物作为光伏器件的载流子选择性接触层和电子传输层，设计出了一种高效的晶硅类太阳能电池。他们并没有采用传统的方法将硅材料进行大量的掺杂，而是通过载流子选择性接触材料来阻止接触区域载流子的复合，这种低成本的晶体硅电池能够拥有很高的功率转换效率。由于氮化钽薄膜具有导带偏移小和价带偏移大的特点，因此，选用原子层层堆积的氮化钽薄膜不仅能够有利于硅表面快速的电子传输而且能够提供空穴阻挡。除此之外，薄的氮化钽中间层的另一个优点是能够适度钝化硅的表面，降低与n型硅的接触电阻率。晶体硅太阳能电池具有简单的全区域电子选择性氮化钽触点，显著提高了填充系数和开路电压，从而提供了超过20%的功率转换效率。在光伏发电的过程中，当光子激发电子和空穴对使其克服相互之间的吸引力而分离开，不可避免地将光所具有的能量转化为电子的能量，此时需要克服的最主要问题是电子和空穴由于吸引力的再次复合。在实际装置中收集这些电子则需要依赖于一系列电子转移过程，其动力学和效率取决于材料和装置的功能。目前，不管是太阳能热电还是光伏发电技术，虽然已经实现了工业化应用，但是光电转换效率一直是困扰并制约该技术大规模使用的一个关键因素，因此，若要实现以这种方法替代传统能源发电，还有很长的一段路要走。

图3.2　大规模应用的太阳能发电装置和风能发电装置

2.风力发电

风和太阳光一样，它的踪迹遍布全球，总是会携带着巨大的能量。太阳光辐射地球表面时产生的热量加热被辐射的物体，产生温差，这时周围的空气发生膨胀产生气压差，从而引起空气流动形成风。目前，风力发电是世界上利用自然界清洁能源发电的方式之一。它基本的工作原理是将自身的动能转化为涡轮机的机械能，然后，再带动发电机转动从而产生电能，这类似于火力发电的蒸汽推动发电机工作的原理。风能是一种清洁可再生的二次能源，它可以减轻因火力发电而产生环境污染的问题，减少空气中CO2和其他污染气体的排放，但是，在自然界中，风的形成没有规律性，它并不是以固定的频率生成，按恒定的速率和大小发生，这也正是阻碍风力发电技术推广的难题之一，因此，需要优化风力发电系统，改进能量转化方式，从而使环境中的风能得到更充分的利用，更高效地将风能转化为电能。

3.生物质能发电

生物质能是指动物、植物等有机体蕴含的能量。它以生物为载体，能量最根本的来源是辐射到地球表面的太阳光。植物通过光合作用将太阳光转化为有机体所需要的化学能。生物质能在地球上的储量十分丰富，并且它不像石油等传统能源不能再生，它属于一种可再生的新能源。目前，世界上的主要应用方法是将生物质转化为醇等物质再去发电和直接燃烧发电。这些方法都需要燃烧发电，难免会造成污染物的排放，因此，将生物质所拥有的化学能转化为电能（图3.3）的同时不产生环境污染和温室效应是科学界一个研究的热点。另外，当实际利用时，例如将生物质能转化为汽车所需的电能或者乙醇，大部分能量得不到有效利用，转化效率低，因此开发合理利用生物质能发电方式的同时还需要提高能量的转化效率。最近，Lee 等提出了一种潜在的利用热解生物质的方法吸收空气中的CO2和氮化物、硫化物，从而在产生更加清洁的能源的同时也净化了环境。

图3.3　生物质能转化为电能

4.地热能发电

地下热水或者热蒸汽所蕴藏的能量俗称地热能。利用地热能发电是一种清洁的能源获取方式。图3.4是位于冰岛的地热发电站。它工作的原理类似于火力发电，地下的热水或者水蒸气被开采出来，其附带的能量直接驱动汽轮机转动转化为机械能，然后通过驱使发电机工作最终转化为电能，但是，地热能分布不均匀，受地域限制，开采前需要进行深入的考察研究。

图3.4　位于冰岛的地热发电站

5.海洋能发电

世界上面积最大的是海洋，其面积大约是陆地面积的4倍。海洋蕴藏着巨大的能量，但也存在很多限制因素，如能量密度低和开采难度大等。现在，比较成熟的利用海洋能发电的方法包括潮汐能发电和波浪能发电。潮汐能发电的工作原理是利用海水在涨跌潮时具有的势能转化为发电机的电能，而波浪能发电主要的工作原理是收集波浪中海水的动能从而转化为电能。

虽然这些可再生的清洁新能源发电技术能够解决能源危机和环境污染等问题，实现其他形式能量向电能的转化，但是它们存在一定的局限性，如投资金额高、生产设备规模宏大、能量转化效率低和操作复杂等问题在现阶段一直是制约这些技术实际应用的障碍，因此，科学家仍然需要付出巨大的努力才能解决这些问题，同时，为了进一步扩大其他形式能量与电能相互转化的研究范围，发展高效环保的发电方式，减少能量在转化过程中发生的不必要的能量损失，科学家也有必要开展关于其他新形式能量转化为电能的研究工作，为实现社会的可持续发展提供长久不衰的动力。

常见的新能源发电方式优化后：常见新能源发电方式

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