太阳能的发展和未来的研究趋势外文翻译资料

 2022-08-08 12:07:18

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太阳能的发展和未来的研究趋势

摘要：近乎所有的人类活动都会消耗大量的化石燃料能源，这导致了一些不好的现象，如：在已知的人类历史上从未经历过的大气和环境污染。因此，全球变暖、温室效应、气候变化、臭氧层消耗和酸雨等术语开始频繁地出现在报道中。自1970年以来，相关的科学实验和研究都表明，这些现象与化石燃料的使用密切相关，因为它们排放的温室气体如二氧化碳 （CO 2）和甲烷（CH4）阻碍了长波地面辐射向太空逸出，导致地球的对流层变暖。为了避免这些现象的进一步影响，有两个集中的替代方案，一种方案是通过提高化石燃料的质量来减少大气中的有害排放物，另一种更重要的方案是尽可能地用环保、清洁和可再生的能源来替代化石燃料能源。在这些资源中，太阳能以其丰富性而位居榜首，其自然分布比风能、地热能、水能、波浪能和潮汐能等任何其他可再生能源类型都更为均匀。通过可持续能源的发展来保护自然环境、造福子孙后代，是人类共同的目标。另一方面，从长远来看，化石燃料的已知极限会使世界各国共同努力，逐步用可再生能源替代化石燃料，而不是提高化石燃料的质量。

太阳辐射是各种可再生能源中不可或缺的一部分。它是来自无穷无尽的太阳能量的主要且连续的输入变量。太阳能有望在未来发挥重要作用，特别是在发展中国家，对发达国家也有潜在的发展前景。通过介绍本文中所选择的材料，让读者全面了解太阳能资源和转换方法。

为此，本文介绍了相关说明性的背景材料，旨在使工程师和科学家可以从应用和研究的角度对该主题进行初步的介绍。本文给出了在低温和高温集热器方面的太阳能应用的未来研究方向。此外，还讨论了基于太阳能站点的开发和多种方式（例如光缆）长距离传输的太阳能发电光伏设备。太阳能的另一种未来用途是将其与水结合，通过电解产生氢气，而氢气有望成为另一种清洁能源。以太阳能和水来产生氢气的这种结合被称为太阳-氢气能。本文指出了必要的研究潜力和应用可能性，并提供了充足的背景知识，提到了可能的未来新方法，最后通过相关文献综述提出了对未来研究的建议和应用方向的建议。

1 引言

淡水和能源是为各种人类活动提供合理和良好的生活质量基础的两种主要商品。这两种资源彼此之间有着千丝万缕的联系。实际上，在早期文明时期，水力已被用作主要能源。太阳能是最古老的能源，是几乎所有化石和可再生能源的根源。自远古时代以来，就一直使用特殊的设备来利用太阳能，而这种应用可以追溯到基督之前。能源是社会和技术向前发展的持续动力。能源是所有人类交易中必不可少的要素，没有它们，各种人类活动将根本无法进行。一方面，能源是有限的，另一方面，目前平均增长率为2％的人口增长是对能源需求的额外压力。

1970年代的石油危机使得研发太阳能替代品的相关研究与开发工作陡增。这些努力与能源市场价格的波动密切相关，并在后来石油价格暴跌时遭受了严重的挫折。这一过程中缺少的一项内容是长期的观点，即它阻碍了在更广泛的化石能源和太阳能权衡的背景下制定研究和开发政策，而不是对暂时的价格波动作出反应。同样的事件也生产了出丰富的关于自然资源最佳开发、促进竞争性支持技术的研究、发展理想的研究率的文献[139]。鉴于大气污染和全球变暖过程，关于能源管理的文献也很多[19,36,37,59,88,89,90,91,138,139,143]。

从1973年发生能源危机以来，官方研究和年度统计数据表明，燃烧过程中产生的空气污染已对森林、古迹和人类健康造成严重破坏和危险。许多环境破坏，包括酸雨以及其破坏森林的后果，在短期内，尤其是长期内，造成了经济损失。因此，看似便宜的能源给社会造成了相当高的代价。

图.1展示了在这种社会问题中的三种角色，包括了物质受益人、热受益人和第三部分中与这两个主角没什么关系的角色。

气候变化失衡的主要成因是使用氯氟碳化合物（CFC），另一个例子是能源使用需要自然吸收CO2，这成为了一种可能的社会成本，而今天的能源消费者将这种成本转移给了后代。同样，气候变化的主要来源是劣质化石燃料的燃烧。

今天，任何国家的发展规模都是通过某几种参数来衡量的，而这些参数中，人均能耗的影响最大。事实上，大多数工业化国家都需要可靠、高效且方便的能源，来有效地用于运输系统、工业系统、家庭系统和军事系统。对于发展中国家如此，对那些没有可靠和足够能源的国家更是如此。未来，从其他国家进口能源将会成为许多国家的国家预算中的主要项目之一。但是，最近有许多国家启动了致力于优化、更新和搜索其国土内能源资源的项目，而且无论这些资源是否可用。

不可再生能源资源是有限的，无法满足世界上所有可预见的未来能源消耗。以化石燃料或核燃料为原料来产生电力，会同时产生显著的社会成本和环境成本，而使用可再生能源的相关社会成本和环境成本则越来越低。不同种类能源对第三个角色中产生的成本是不同的。在比较不同的能源和技术时应考虑Hohmeyer [60]给出了以下七类有效因素。

  1. 对人类健康的影响：

1.1短期影响，例如伤害

1.2长期影响（如癌症）和

1.3基因世代影响。

2.对环境的损害

2.1作物和森林（如植物区系），

2.2牛和鱼（如动物区系），

2.3全球气候和

2.4材料。

3.资源枯竭的长期成本：

3.1结构性宏观经济影响，例如就业影响

4.补贴：

4.1研发，

4.2运营成本，

4.3基础设施和

4.4事故发生时的疏散。

5.由于以下原因而增加了战争可能性的代价：

5.1确保能源资源（如海湾战争），以及

5.2核武器扩散。

6.发生重大核事故后，生产设备和住宅受到放射性污染的成本。

7.社会心理成本：

7.1严重的疾病和死亡，以及

7.2由于建筑或事故而导致的人口迁移。

经济的增长和繁荣十分依赖以合理低成本的、充足的能源供应 [20] 。不幸的是,能源是所有国家发展的主要污染源。目前众所周知的是，化石燃料的SO2排放是酸雨的主要原因，其导致北欧超过一半的森林被破坏。在全球范围内，温室气体排放量的增加，尤其是CO2，这代表着对世界气候的巨大关注。大气研究循环中的各种理论和计算已经表明，在过去的半个世纪中，平均温度值一直出现持续增长的趋势，最高达到0.5℃。如果未来这种趋势继续下去，预计在世界某些地区，将会出现极端事件，例如降雨过多，随之而来的洪水，干旱以及自然气候行为的局部失衡，进而导致异常的局部高温和低温。此类事件还将影响世界粮食生产率。为了减少上述对环境和大气的退化影响，自1973年石油危机以来一直在寻求技术发展。最近人们认识到，可再生能源和系统可以对世界上下述的重要技术，环境和政治问题产生有益的影响。它们是：

1.主要的环境问题，例如酸雨，平流层臭氧消耗，温室效应和烟雾；

2.环境退化；

3.世界上不可再生的常规能源，例如煤炭，石油，天然气的消耗；

4. 发展中国家使用的能源增加，以及

5.世界人口增加。

传统能源资源的利用不能满足接下来几十年的能源需求，而不良的环境后果却在继续稳步增长。但是，新出现的可再生替代能源有望在未来能源消费的能源情景中发挥越来越大的作用。

石油丰富的国家不会出现能源短缺的情况，只要其国内的化石燃料资源是经济的、可得的。一个国家生产的工业材料的净收益是能源消耗的有效反映。否则，燃烧化石燃料而没有经济上的工业回报，从长远来看，会损害任何国家，尤其是随着可再生能源的出现，从长远来看预计会更经济，并且是可利用的。化石燃料库存的可用性以前所未有的速度稳步下降，因此，未来还会出现能源不可持续警报。因此，即使从今天开始，也有必要通过诸如太阳能之类的可持续替代品来部分替代传统化石能源，用以降低能耗。太阳能是几乎无限的，清洁环保的。不幸的是，目前大规模化石能源的生产要比Chakravortyetal提出的可利用的替代能源更便宜[18]。与化石能源的开发和消耗技术的进步相比，太阳能的消耗技术水平也有所发展，但是对于今天的发展而言，这是微不足道的。化石燃料大量地、廉价地开采，仅为技术发展留出空间，以减少环境污染。研究和技术发展集中在清洁煤和石油技术上，而不是提高化石燃料的转化效率。几乎没有关于降低化石能源成本的研究，但是研究的重点是减少能源需求。另一方面，太阳能具有适合研究发展的许多前景，如未来发展和技术更新。

特别是1973年代的石油危机导致了太阳能研发工作的激增。这些发展的速度取决于油价的波动。也许，最重要的观点是化石和太阳能替代品的个体发展和竞争发展，而不是联合开发。

虽然充足的能源供应是任何现代社会实现经济增长的先决条件，但另一方面，能源也是环境污染的主要来源，尤其是在工业化国家中。通过间接的方式，我们发现，化石燃料工厂排放的二氧化硫导致了酸雨，进而损害了植物和森林的生命，这点在发达国家尤为明显。另外，在全球范围内，空气污染物的排放增加成了温室气体的主要原因。如果二氧化碳的增长趋势以目前的速度继续增加，那么就会导致气候破坏、水文和大气循环的局部失衡，典型的就是降雨过多或干旱，气温过热或寒冷。1950年代的人们已经经历了这种变化，这些变化还将影响世界粮食生产的潜力，而粮食生产是人类赖以生存的主要生存资源。预计持续地使用常规能源将对自然环境产生不利影响，因此，未来与社会能源有关的问题将会增加。然而，可以缓解或解决未来能源政策的环境及社会问题的一个新因素是可再生能源，例如太阳能、风能、生物质能、小水电、海洋能和地热能以及像太阳氢能的可再生能源。迄今为止，由于经济原因，可再生能源已与传统替代品完全区分开。然而近年来，在许多情况下的趋势一直倾向于可再生能源，而不是常规能源。

如今，化石燃料的消耗量是如此之大，以至于供求之间的微小失衡都可能造成相当大的社会破坏。为了避免这种破坏，哪怕是暂时，每个国家都进口煤炭，尤其是石油，以弥补能源不平衡。石油输出国组织（OPEC）于1973年实施的石油禁运，向诸国甚至是工业化国家发出了第一次严重的警告和警报，即能源自给自足是任何国家的经济、社会乃至文化生存的重要组成部分。实际上，过去150年的技术和工业发展使许多国家能源变得 可靠的地位。

数十年来，全球能源使用量急剧增加，但在最近十年中，它趋于平稳，甚至下降到一定程度，如图2所示。在该图中，所有形式的能源消耗均以等效能量的煤炭量表示。在1970年代左右，大多数预测都预言能源需求将继续加速，从而导致预期中的严重能源短缺。然而，情况恰好相反，今天，由于经济下滑以及过去20年油价的许多倍上涨，全球市场上出现了能源过剩。

图.2. 世界每年能源消耗的变化[35]。

（纵坐标：百万吨同等当量的煤炭、横坐标：世界每年能源消耗的变化、solid fuels:固体燃料、oil：石油、natural gas：天然气、hydro/nuclear：水电/核电）

在今后50年中，按目前的消耗率，以石油和天然气形式的化石燃料的储量，仍然很大。但是，随着可再生资源数量的增加和新储量的发现，从现在开始，这一时间跨度预计将延续近一个世纪。

随着人口、工业产品和技术发展的空前增长，人类开始寻找新的替代方法来使用更多的能源，同时又不损害甚至破坏自然环境。在不久的将来，这会是人类面临的最大的未解决问题之一。有一个永无休止的辩论，即关键的大气能源、太阳辐射应该被更有效地利用，并将其直接转化为热能，以满足人们对廉价电源日益增长的需求。

本文主要目的是，讨论太阳能作为可再生能源的主要替代品的未来潜力，及其环境友好的清洁特性。还提供了有关太阳能预测模型的近期和未来方向的广泛文献综述。还给出了低温和高温集热器形式的太阳能的实际使用、光伏的可能性以及未来的潜在研究方向。

参考文献

[18] Chakravorty U, Roumasset J, Tse K. Endogenous substitution am

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