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太阳能利用现状及对策

新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁
、高效和永不衰竭的新能源 。在新实际中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容
。而光伏发电具有安全可靠、无噪声 、无污染
、制约少、故障率低 、维护简便等优点 ，在我国西部广袤严寒
、地形多样和居住分散的现实条件下
，有着非常独特的作用。

一、国内外太阳能利用概况

1.l国外现状

常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持 。近几年 ，国际光伏发电迅猛发展。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划
，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元 ，比1993年增加了23．4％；1997年美国和欧洲相继宣布"百万屋顶光伏计划"
，美国计划到2010年安装1000～3000MW太阳电池
。日本不甘落后，1997年补贴"屋顶光伏计划"的经费高达9200万美元 ，安装目标是7600Mw。印度计划1998－002年太阳电池总产量为150MW
，其中2002年为50MW 。

国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡
。到目前为止 ，世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦
，电池转换效率提高到15％以上，系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电；在太阳热利用方面 ，由于技术日趋成熟
，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破 ，目前已有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设 。

1．2国内现状

煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源
。我国具有丰富的太阳能 、风能
、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于70年代
，真正快速发展是在80年代 。在1983年一1987年短短的几年内先后从美国 、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4．5兆瓦
。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村
、无电岛屿等边远偏辟无电地区 ，年销售约1.1兆瓦
，成效显著。

(1）建成了40多座县、乡级小型光伏电站，光伏电池总装机容量约600kw ，其中西藏最多
，达450多kw；1998年10月建成我国最大的西藏那曲安多县光伏电站的光伏电池装机容量高达100kw 。

（2）家用光伏电源在青海 、内蒙古
、新疆、甘肃 、宁夏
、西藏以及辽宁、吉林 、河北
、海南、四川等地广泛应用
。据不完全统计，至今全国已累计推广家用光伏电源约15万台 ，光伏电池总功率约达2.9MW。

（3）在22所农村学校建立了光伏电站
，光伏电池组件的总装机容量为57kw 。

（4）1998年中国通信史上建成难度最大的兰一西一拉光缆干线工程，有26个光缆通信站采用光伏电池作电源 ，其海拔高度多在4500m以上
，光伏电池组件的总功率达100kw。

（5）1996年建成了塔中4--轮南输油输气管道阴极保护先伏电源系统，总功率为 40kw
。该系统横贯环境恶劣复杂的塔克拉玛干大沙漠 ，总长达300Km。

（6）1995年，63个国家重点援藏项目一西藏广播电视发射接收工程采用光伏电池供电
，共建成216套卫视接收站和＊ 套调频发射站光伏电池供电系统，总功率为300多kw 。

二 、西部太阳能应用概况

2.1自然资源

我国西部地区是世界上最大
、地势较高的自然地理单元
。也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一 ，尤其是西藏地区
，空气稀薄，透明度高 ，年日照时间长达1600一3400小时之间
，每天日照6小时以上年平均天数在275--330天之间，辐射强度大 ，年均辐射总量7000兆焦耳/平方米
，地域呈东向西递增分布，年变化呈峰型 ，资源优势得天独厚
，应用前景十分广阔。

2．2能源状况

西部大部分地区能源极其匾乏，多年来坚持积极稳妥开发地热 ，努力推进太阳能利用，有计划、有步骤地更替油电
，适当发展风力发电；因地制宜，多能互补 ，大中小结合
，以中小型为主；电网建设与电源建设同步，建设与管理并重 ，开发与节能并举的方针
，但人均装机容量和年发电量仍落后于全国平均水平 。尤其是西藏地区，是全国发电量和人均用电量最小的省份
。无电人口仍以酥油灯 、柴油灯和蜡烛照明 ，有些家庭酥油灯已无力承担
，学生在烧牛粪炉时的昏暗光线下做作业，极个别乡沿用老柴油发电机解决短时间照明。鉴此 ，既无资源建设水电站
，火电又恐难发展，要依靠电网延伸把"光明"送到横亘遥远、居住稀疏的农牧民家中 ，其输变线成本令人咋舌 。光明
、能源成为老百姓多年翘首以待的夙愿，突出的电力瓶颈
，成为西藏经济发展和社会进步的桎格，阻碍了人民生活水平的提高 ，影响了群众摆脱贫困
，消除愚昧，治穷致富的步伐 ，是贫困落后的主要根源
，勿庸置疑，利用太阳能光伏发电是解决这一问题重要而有效的途径
。

2．3太阳能应用

处处阳光处处电。西部地区利用太阳能光伏发电在解决通信、广播 、电视电源和无电人口用电等方面已经开始取得显著成效 ，曾成功地实施了"科学之光"
、"阳光计划"、"阿里光电计划"等太阳能专项计划
，成为全国第一个也是规模最大的实施太阳能专项计划的地区 。以西藏地区为例：

2.3.1光伏电站

截止1999年，建成县级独立光伏电站7座 ，消灭了6个无电县
，总装机容量450KWp，居全国第一 ，安多 100KWp光伏电站全国最大，双湖海拔 5100米跟踪式光电站世界最高
。

2．3．2通讯电源

提供微波中继站光伏电源约达200KW以上；电话乡乡通电源100多千瓦；在兰西拉光缆通信工程西藏段附近600公里的工程中
，应用光伏电源近100KW，光伏电池电源增量迅速。

2.3.3广播电视电源

在狮泉河 、改则
、门士煤矿等地建起约20余座以光伏发电作电源的卫星电视收转站和电视差转台 ，总装机容量约20KW左右 。还有100多套广播电视用光伏电源系统100多千瓦。

2.3.4光伏水泵

西藏无水草场面积巨大
，光伏水泵的潜在市场需求数量可观，很应用前景广阔 ，狮泉河、日土 、改则
、尼玛、扎囊等地建成6座光伏水泵系统
，总装机容量2个多千瓦，除解决草场灌溉外 ，还解决了本地区的人畜饮水问题
，结束了依靠人力背水的历史，极大的解放了劳动力
。

2.3.5户用光伏电源系统

推广户用光伏电源l0-300W系统3万多套 ，总容量达60千瓦左右
，既可供家庭独立固定使用，又能供游牧家庭使用 ，便携简便，安全可靠
，性能优越，深受欢迎；山南昌珠多桑德庆村每户安装光伏电源40Wp ，25户农牧民解决了照明 、看电视
、收听广播录音机的供电问题
，被称为太阳村。

2.3.6学校光伏电站

近10所学校建成太阳能光伏电站，墨竹工卡唐家乡小学2KW光伏电站是国内最大的非晶硅光伏示范电站 。西藏至今有600多所乡级学校尚未通电 ，均为寄宿学校
，尽早解决学校供电问题和电化教学等，对提高西藏青少年一代的科学文化素质至关重要 ，是今后光伏发电应用的重要方面
。

2.3.7边防哨所光伏电源系统

西藏多数边防哨所无电
，有20多个边防哨所安装光伏电源系统，解决照明、看电视 、听收录机及通信的供电问题 ，每座功率为1～2KW
，极大地改善了边防官兵的工作生活条件。

目前，西藏已在7个县建成10－100KW规模较大的县级太阳能光电站 ，全区各类太阳能光电设施容量超过2MW，推广太阳能热水器8．5万多平方米
，太阳灶9．l万台，太阳能采暖房、温室
、牛羊暖圈等18万平方米 ，是全国太阳能应用率最高、应用面和规模最大 、用途最广泛的省份 。

3 存在的主要问题

我国有9亿多人生活在农村
，l．2亿人口没用上电15-8％的人口未解决清洁饮水；约4000万人生活在贫困线以下
。由于农村燃料等能源短缺，利用水平低 ，造成森林过度樵采
，植被破坏，生态环境恶化 ，严重阻碍农村经济和社会的发展。面对压力
，太阳能应用速度慢，力度小 ，还存在一定问题：

3.1对开发太阳能资源的战略意义认识不够

一是没有把发展太阳能完全纳入政府的议事日程；二是长期以来
，太阳能项目没有常规能源建设项目那样的固定资金渠道或已有的资金渠道不畅 。从观念看，是对开发推广太阳能可以减少或替代常规能源和实施可持续发展战略的意义认识不足
。

3．2缺乏完整的激励政策

政府支持是发展太阳能的关键 ，也是太阳能产业发展的初始动力。目前缺少有利于太阳能产业发展和刺激广大居民应用光伏电源装置等新能源设备的激励政策 。

3．3投人力度不够

长远规划，缺少资金支持
，对太阳能进入市场的全面影响是难以预测的
。部分省市自治区对扶持推广太阳能实行专项补贴，使太阳能得到有效推广。但由于投入过少 ，分散
，尤其是光伏电池等关键原器件，大部分遗稿进口 ，造成太阳能成本高
，群众购买力有限，太阳能的成熟技术很难尽快大规模推广应用到无电群众中去 。

4 太阳能推广对策

目前我国开发应用的各类新能源和可再生能源年提供相当于3亿多吨标准煤 ，对促进国民经济发展和满足广大农村和边远地区人民生活的能源需求起到了重要作用。特殊的地缘
，西藏的广大农牧民视光伏电源系统是他们多年企盼的"点灯不用油
、娱乐有节目"的法宝，太阳能光伏系统确实有潜力为农村和边远地区提供非联网电力 ，其成本低于外地运燃料或延伸输电线路的成本
。因地制宜
，大力开发利用太阳能等新能源，把它们转化为高品位的电能 ，提供照明、广播电视 、通讯
、水泵等动力能源，对促进脱贫致富
，经济和生态环境协调发展，实现小康具有重大意义。为进一步搞好太阳能光伏电源系统的推广应用 ，建议采取如下一些措施：

4．1提高太阳能应用地位

西部地区要加强太阳能应用推广工作
，切实加强领导，把太阳能推广应用工作纳人政府重要的议事日程 ，把太阳能推广应用作为重要的一项能源政策
，纳入国民经济建设总体规划之中，列入政府的财政预算 。

4.2加大投人 ，加快太阳能应用步伐

太阳能在西部的推广应用
，具有重大的政治和社会效应，太阳能的发展仍处初期 ，产业未形成规模且获益能力低
，尚不具备市场竞争的能力，国家应对太阳能应用加大投入 ，保证资金，组织安排多个不同模式的、连片的光伏电源系统的应用示范及光电站建设
。

4．3制定优惠政策
，促进产业发展

建议政府和地方制定有关减免税收 、价格补贴和奖励相结合的优惠政策，通过给用户以一定比例补贴的办法 ，鼓励广大无电农牧民采用户用光伏电源系统解决自己的生活用电问题
，逐步引导老百姓转变观念，克服等靠要思想 ，提高自我发展意识
，加快解决无电户的步伐，最终促进产品进入市场 ，逐渐形成地方优势产业。

4．4扩大交流
，开展国际合作

多渠道
、多形式地开展国际合作，争取更多的国外资金和设备用于推广太阳能 ，充分利用当今国际开发太阳能的热点
，切实抓住西部大开发的良好机遇，主动出击 ，创造条件，进一步拓宽合作领域
，加强联合，促进国内外社团、企业家和个人在西部投资 ，创办新能源实体 。在有条件的地区
，本着可持续发展的战略思想，建设兆瓦级太阳能光电站
。

4．5制定长远规划 ，综合开发利用

建议政府制定太阳能推广长远规划
，尽快实施太阳能屋顶计划，结合西部地区实际 ，采取风光互补 、小水电与太阳能互补
，户用光伏电源系统
、太阳能路灯、太阳能与建筑结合等多种形式，独立系统与并网双通 ，综合开发应用太阳能。在继续抓好国家光明工程 、乘风计划、邮电和广播电视村村通计划实施的同时
，加快西部区域的科学之光
、阿里光电计划的实施 。

草场不忘阳光提水的福音，人民渴望光伏发电的思惠
。大力推广应用太阳能 ，提高新能源在能源结构中的比重，是西部地区新世纪和可持续发展的必然选择。逐步改变农牧民由于没有电
，日出而作，日落而息 ，科技文化落后
，经济不发达，远离现代物质文明 ，过着近乎与世隔绝的生活状况
，尽快使他们脱离"黑暗"，用上电灯 ，看上电视、听到广播
，有利于西部地区的社会稳定 、民族团结
、经济发展和社会进步，早日缩短与现代社会的距离 ，步入新时代 。

欧洲各国都在开辟通向持久能源的道路
，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠
。可再生能源技术在这些方面都有较大优势。它对环境的影响最小，可替代部分常规能源 ，增加能源供应的安全性和可靠性；它要求较大的设备投资，创造了更多的就业机会
，有助于经济增长 。</P>

<P>在欧洲大部分地区，环保的考虑推动着替代能源技术的开发。太阳能被公认为是一种极好的替代能源 ，它的利用有助于降低二氧化碳的排放和环境保护
。很多国家
，如丹麦 、芬兰
、德国和瑞士都认为气候变暖是推动太阳能研究、开发 、展示和销售活动的主要因素。</P>

<P>在很多国家中，一个值得注意的倾向是资助转向光伏(PV)技术的开发和商品化 。这反映一种较为普遍的观点 ，即从长期角度来看
，光伏投资的回收率将高于主动和被动太阳能热利用技术，比利时就是一个明显的例证
。</P>

<P>在很多欧洲国家中 ，研究开发重点转向太阳能工业和大学
，政府特别资助那些本国工业感兴趣和有专长的领域，使其有助于创造就业机会 ，培育经济增长点。</P>

<P>在很多国家
，由于实行小政府政策，太阳能技术的政府鼓励计划就很难实行了 。可是有些国家仍然利用鼓励办法来促进太阳能技术发展
。在奥地利 ，联邦
、省和某些地方对太阳能装置提供直接的财政资助和鼓励；在芬兰，公司可以申请政府给予新太阳能装置高达总成本35％的补助
，而家庭可申请20％的补助。</P>

<P>丹麦政府对安装太阳热水器的补助按照在标准状况下节能的多少来计算 。目前补助金按每年节能每千瓦时3克朗(0?52美元)计算，它相当于总安装成本的10-30％
。太阳热水器在丹麦相当普及 ，预计2000年后将不再需要补助了。</P>

<P>其它还有一些补助的方式
，如比利时对公共建筑改造的资助，德国和其它国家的减税和折旧补贴等 。</P>

<P>尽管受到常规能源低价的影响 ，在欧洲很多国家中
，太阳能装置市场仍然持续增长
。虽然太阳能公司的数量减少了，但保留下来的公司却趋向于更强大 ，更能抵御市场的波动。在某些国家实行的电力公司私有化可能提高他们把太阳能装置推向市场的兴趣 。在奥地利等国
，自己动手建造集热器的活动促进了主动太阳能装置的发展。</P>

<P>在丹麦有十几家公司生产主动太阳能加热装置，其中两家占有市场的大部分份额
。其中Marstal太阳能供热厂(目前世界最大的平板太阳能加热装置生产厂)为Aeroe岛上的Marstal镇1250户5000居民提供区域供热 ，8000平方米太阳集热器阵列与2100立方米的储热水箱相联
，6、7 、8月间可100％由太阳能供热，全年能供给全区热需求的12?5％。现在正在计划扩大Marstal供热厂 ，以便能供应该镇全年大部分热需求 。自1987年以来，丹麦每年安装的太阳能加热装置一直在增加
。在80年代后期
，每年安装的太阳能加热装置只有2300套，1996年已增加到4000套 ，约40000平方米集热器。丹麦生产的太阳集热器
，除少量出口到德国和瑞典外，大部分都在国内销售 。</P>

<P>挪威已安装70000多套小型光伏装置 ，每年安装约5000套
。大多数装置是为偏远小镇
、山区和沿海地带度假旅社供电用的。典型的装置一般为50-60峰瓦 。</P>

<P>芬兰人每年也购买几千套小型(40-100瓦)光伏装置
，用于消夏小屋
。国家石油公司Neste对进一步开发太阳能发电有着强烈的兴趣，重点为建筑物薄膜光伏组件、蓄电池和成套装置。</P>

<P>此外 ，有些国家在高性能窗 、太阳热水器、储能装置
、透明隔热材料、日光照明和与建筑物结合的光伏装置等产品的商业化方面进行努力 。</P>

<P>欧洲国家继续看好被动太阳能技术
。一些国家集中力量开发利用先进透明装置的节能窗。法国和意大利在开发电致调光的透明装置 。法国的研究人员估计
，这种技术每年可为南部地区节约高达45％的能源需求。</P>

<P>法国的太阳能设计师们正在用绿色设计原则代替太阳能设计原则，就是要统筹考虑能源性能 、安全材料的应用
、日光照明、居住者的舒适和健康等因素
。这种新的设计方法将被用来设计在Angers 的法国环境保护和能源管理署办公大楼。</P>

<P>人们对和建筑物相结合的太阳能装置和光伏装置兴趣越来越大 。丹麦Toftlund的Brundtland中心是一座2000平方米的办公和展览大楼 ，它有一套先进的日光照明系统
，其中包括装在外窗上的改变光线方向的百叶窗，反光天花板 ，中央阁楼朝南的透光窗，还装有光伏组件
。</P>

<P>意大利正在开展使建筑物日光照明最佳化的研究
，如改进控制系统，调节自然和人工光源 ，改进窗和遮光装置的特性和效率
，改进人工光源的色效等。</P>

<P>在很多国家中，消费者对太阳热水器的兴趣正在增长 ，而且在技术和降低成本方面也有较大进展 。</P>

<P>德国正在继续其1993年开始的太阳-2000计划
，该计划的目的是促进大型建筑物使用的太阳能辅助中央供热系统
。按照这个计划将在公共建筑物上安装多达100套大型太阳能辅助中央供热系统，并对它们进行监测。第一套这类系统已快建成 。</P>

<P>德国计划开展一项建筑竞赛活动 ，用来促进与建筑物结合的光伏组件的革新
。另一项工作是对2200套安装在住宅屋顶的光伏系统进行监测。</P>

<P>按照欧洲联盟的JOULE计划
，法国 、西班牙和德国合作正在巴塞罗纳附近建造一座新的Mataro图书馆试验建筑，该建筑将装上与建筑物结合的光伏-热组件

飞轮储能系统构成
、核心技术及应用

摘　要：能源是人类生产、生活中赖以生存和发展的重要物质基础 ，是国民经济的支柱 。面对当前化石能源的逐步枯竭和利用中带来的严重环境污染
，如何高效 、并逐步降低使用化石能源
、开发清洁新能源、提倡低碳简约的社会生活，这三步走将成为当今世界能源界永恒的主题
。

关键词：化石能源；新能源；节能减排

中图分类号：F124.5 文献标志码：A 文章编号：1673-291X（2012）24-0195-02

引言

大自然赋予我们的能源有很多 ，大致可以分为两种。一种是化石能源包括：煤炭 、石油
、天然气、核裂变材料等 。另一种是清洁能源包括太阳能 、潮汐能、风能
、生物质能等。近年来，化石能源的短缺和其在利用中产生的严重污染、温室效应已经成为世界关注的焦点
。由于技术落后
，中国传统的发电生产中，火电（完全燃煤机组）发电占所有能源发电的82.9% ，水电占15%
，核电占1.9%，太阳能 、风能
、生物能及其他可再生能源只占发电能源的0.2%。由此可以看到 ，火电的利用是中国能源利用的绝对主力 。要保证经济的发展
，最大程度的保护环境，降低火电的利用比重 ，就必须提高清洁能源的利用份额
，开发利用新能源，提高能源的使用效率 ，同时提倡低碳高效的经济生活
，这三步走将成为相当长时期内人们生产、生活的主旋律
。

一 、第一步走，化石能源和生物质能源利用的紧迫性

人类在改变生活条件 ，促进经济发展的过程中，能源一直扮演着重要角色。中国能源形势一直不为乐观
，结构失衡 。据国际能源专家推测，中国煤炭
、石油、天然气的存储采比分别是82年 、15年
、46年
。今后 ，一方面要大力节约能源和开发清洁能源
，另一方面还要不断探明新的化石能源来支撑经济的发展，但从人类长河中看 ，化石能源毕竟是有限的
，只够我们使用很短的时间。况且化石能源在满足我们生产、生活之必须外，还会带来严重的环境问题 。污染 、酸雨
、二氧化碳造成的温室效应等日趋严重 ，不容忽视
。受传统生活方式影响
，中国是煤炭生产和消费大国，每年标准煤用量很大 ，在所有能源消费结构中
，煤炭用量占到能源结构的一多半以上，而煤对大气的污染是最严重的。另外 ，在中国广大的农村，传统的生物质能的利用比较广泛
，这部分能源比重占能源结构的15%，但这部分能源是靠低效、高污染的低级燃烧方式获取的 ，比如燃烧麦秸秆 、玉米秸、树枝
、柴草等 。这种能量的取得
，常常会造成严重的水土流失和大气污染
。面对严峻的形式，保护生态环境 ，降低化石能源和生物质能源的使用量
，开发新的可再生利用能源，已经迫在眉睫。

二、第二步走 ，新能源开发利用的优 、缺点

新能源和可再生利用能源
，包括太阳能
、空气能、潮汐能 、风能
、生物质能、地热能等，这些能源的开发利用 ，在中国目前的能源结构中虽然比重不大
，但却让我们看到了能源领域的新曙光 。长久以来我们一直在寻找稳定而充足的能源供应来满足发电 、热水
、运输及农村能源的需要。可再生能源可以弥补化石能源的不足，有利于能源经济和环境可持续发展
。可再生利用能源 ，清洁无污染发展潜力很大。是一种取之不尽用之不竭的能源 。但目前中国新能源的普及还不够广、虽然发展较快，但所占能源结构的比重还是很低
。造成这一状况的原因主要有：

1.科学技术能力还很低
，对技术含量比较高的课题没有攻破，比如空气动力的应用 、磁动力的研究等 ，很多难题还没有解决。在诸多新能源中
，真正可以规模化利用的能源并不多，很多课题都还在试验中 ，从科学技术到生产力的转换还需要时间 。另外
，目前中国新能源在开发利用中还不能做到多地域间能源互补
、综合利用，开发过程中浪费较为严重 ，区域间协作较差
，比如风电的起步，从资金和技术方面都有要求 ，需要和大电网协调关系
，因地域关系分散作业成本会很大，直接造成一些发展风能的小企业和村镇企业难以维系 ，甚至倒闭
。

2.中国可再生能源的资源丰富，能源的需求量也很大
，但可再生能源能否得到利用，价格是一个瓶颈。除技术原因外 ，新能源的推广与国家相应的优惠政策不到位也有关 。新能源的前期开发和研究的成本较高
，个别新能源的维护成本也很高，所以人们一度称新能源为“贵族能源”
。太阳能热水器是中国利用可再生能源的成功典范 ，但太阳能产品的价格很高
，百姓难以接受。目前国家对太阳能产业没有优惠政策，尤其在税收方面 ，优惠政策没有把太阳能热产业包含进去 。价格高
，造成太阳能产品的需要量大，但人均拥有率较低
。再比如潮汐能电站 ，它的维护在目前的科技水平下很难实现
，潮汐能海下发电设备多为一次性的投入较多，发电成本在可再生能源中是最高的 ，这些因素使得很多潮汐能产业发展不起来。

3.中国可再生能源受自然环境影响比较大，资源分散、分布不均衡 。有的地方风力较小
，有的地方光照条件差；内陆地区无法发展潮汐能；生物质能利用多在农村，具有能量密度低 ，资源分散不集中
，难以集中收集利用；中国西部荒漠地区面积广阔，可再生能源丰富而巨大 ，但由于环境艰苦
，给人们的生活和工作造成困难等等。这些自然条件从客观上制约了可再生能源的发展
。加上这种能源一旦开发很难储存 、运输，妨碍了大规模的应用。

所以 ，任何一种能源的开发与利用都有利有弊 。在目前状况下
，提倡节约能源、低碳环保就显得尤为重要了
。

三
、第三步走，节约能源从现实的生产、生活做起

1.节能从点滴做起。“清明烧纸还是献花？ ”“上班走路还是开车？”“爬楼梯还是坐电梯？
”“室温26度还是24度？”……在能源如此紧张的今天 ，这些贴近生活的小事
，逐渐成了时下越来越多的人认真考虑的问题 。人们开始关注能源和环境，绿色 、低碳
、环保的字眼慢慢走进了人们的生活 ，而且越来越细化，从拒绝使用一次性筷子、到每周少开一天车
，从拔掉电源上的插头，到无纸化办公 ，从多种一棵树
，到少抽一根烟，节能已被老百姓关注 、并接受
。

点开“碳排量计算器 ”的网络页面 ，会冒出一堆大家关注的节能问题
，比如，你家里是否使用节能灯泡？你每年搭乘飞机的总次数是多少？淘米的水你墩地了吗？煮豆子前你先泡豆了吗？你是否少买一件T恤衫 ，多栽一棵香樟树等等。只要耐心回答完问题
，计算器即会算出一定时期内你制造的二氧化碳数量 。帮助人们认知各项数据在减排中的重要性，“低碳
”是种境界 ，核心就是节能
。

中国又出了个“钱学森”！顶尖科学家弃美回国
，美专家说了什么？

1 引言

随着人类对能源的需求越来越大，人们对能源的控制技术 ，特别是对电能的储存技术越来越重视。目前常见的电储能技术有化学电池储能
、蓄水储能、超导储能 、超级电容储能和飞轮储能 。

化学电池技术已经很成熟，应用广泛
，但它的效率较低，通常只有（70~85）%,功率密度低 ，充电很慢
，通常是小时级，更重要的是化学电池的循环使用寿命比较短 ，这样就增加了电池的使用成本
。蓄水储能的效率也很低
，通常只有75%,因为蓄水储能需要庞大的蓄水装置，其储能密度较低 ，只有约0.27Wh·kg-1,而且受到环境的影响很大
，无法便携使用。超导储能是新型的高效储能技术，然而它不具备模块化特点 ，而且一般都需要创造低温环境
，适应性不强 。超级电容储能也是新型的高效储能技术，目前它的储能密度还比较低 ，约为（2~10）Wh·kg-1,该技术还在实验阶段。

飞轮储能系统储能密度大，功率密度高
，对环境的要求低，可模块化 ，其充放电的时间可以达到分钟级
，而且容易检测放电深度，可以应用的场合广泛 ，同时飞轮储能的使用寿命长
，维护简单，大大降低了电能储备成本[1].随着电力电子技术
、磁悬浮技术、新材料开发研究等技术的不断发展 ，飞轮储能技术变得越来越完善
，应用的范围也遍及交通 、供电
、军工、航空航天等领域，成为目前最具有开发前途的储能技术之一
。

2 飞轮储能系统原理及结构

2.1 飞轮储能系统原理

飞轮储能系统又被称为飞轮电池 ，是机械能与电能的转换装置。飞轮储能系统原理图
，如图1所示 。从图1中可以看出能量的转化过程
。飞轮储能系统的工作模式有三种：充电 、放电和能量保持。通常给飞轮充电的能量有电能和机械能两种，如图1所示 。目前电能充电方式应用较多 ，机械能充电在汽车制动能量回收、孤岛风能储存等领域都可以应用
。放电时，飞轮带动发电机使发电机发电
，输出的电能经过电力电子设备变成可用的电能。能量保持阶段，飞轮储能系统既不充电也不放电 ，保持额定转速运行 。

2.2 飞轮储能的结构及能量存储

飞轮储能系统最为常见的结构示意图
，如图2所示
。主要由飞轮
、电机、轴承 、真空室和电力电子设备组成。

从式（1）和式（2）可以看出，飞轮储能系统存储的能量与飞轮的质量
、半径和旋转角速度呈正相关 。因此要增大飞轮存储能量 ，主要通过增大飞轮的轮缘质量和飞轮转速
。

3 飞轮储能关键技术分析

飞轮是储能装置
，所以飞轮储能关键技术中最重要的两个因素就是储能和减少损耗。为了提高飞轮转速，飞轮的材料与高速电机的选择尤其重要 。使用真空室能大大减少飞轮与空气的摩擦损耗 ，使用磁轴承能够大大降低支承摩损并提高使用寿命。

3.1 飞轮材料的选择

飞轮的储能密度和飞轮能承受的强度会直接影响飞轮材料的选择
。飞轮的储能密度e为：

e=ks∕σρ（3）

式中：ks-飞轮形状系数；ρ-飞轮材料的密度
，kg/cm3;σ-飞轮材料的许用应力，MPa.

由式（3）可以看出 ，飞轮材料密度成反比
，与飞轮材料的许用应力成正比。几种常见的用于飞轮的材料[2],如表1所示 。从数据中可以看出碳素纤维密度小，强度高 ，是其中最好的选择
。同时，使用碳素纤维制成的飞轮一旦发生解体
，飞轮本身会变成絮状物飞出，降低了事故带来的危害。

3.2 真空室

当前真空室的真空度达到了10-5Pa级 ，用于减少飞轮旋转过程中与空气的摩擦
，同时也防止外力影响飞轮正常运行 。真空室可以使用透明的高强度玻璃钢，这样方便观测飞轮的运行状况
。同等气压下氦气的导热性是空气的七倍 ，与飞轮的摩擦损耗大约只有空气的七分之一
，并且充入氦气的工艺更简单，因此选择氦气作为真空室的介质气体具有一定优势。

3.3 支承技术

在飞轮储能系统的众多损耗中 ，轴承的损耗占据了很大的比例
，随着各种先进轴承技术的问世，这部分损耗可以被大大的减少 。下面将介绍几种用于飞轮储能系统的轴承
。

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3.3.1 机械轴承

较为普遍的机械轴承有滚动轴承、滑动轴承 、挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承等 ，由于滚动轴承和滑动轴承的摩擦损耗相对较大
，所以在高速飞轮储能系统中一般只用做辅助轴承，挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承在飞轮储能中有所应用[3].

3.3.2 被动磁轴承

（1）永磁轴承是被动磁轴承的一种 ，是利用永磁体使两个或多个磁环在轴向或是径向悬浮。随着这几年永磁体的不断发展，其承载力也大大提高
，应用的越来越广泛 。然而根据Earnshaw定理，仅依靠永磁体无法使物体在空间六个自由度都达到稳定悬浮 ，稳定悬浮至少需要其中一个自由的上的主动控制[4].

（2）超导磁轴承也是被动磁轴承的一种
。超导体在超导环境下具有迈斯纳效应
，当超导体处于磁场中时，其内部的磁场恒等于零 ，即超导体在磁场中表现出完全抗磁性。超导体在磁场作用下其表面产生无损的感应电流
，该电流在超导体中没有损耗，同时形成了一个和原磁场大小相等
、方向相反的镜像磁场 ，如图3所示 。这种磁场可以使物体稳定悬浮。

3.3.3 主动磁轴承

主动磁轴承又称电磁轴承
，是通过改变控制电路中电流的通断和大小来控制磁场的变化，同时通过实时反馈位置信号与输出电流信号及时调整控制电流 ，从而使轴承定子、转子之间能够稳定悬浮
，主动磁轴承控制策略框图，如图4所示
。

3.3.4 混合轴承

在实际应用中 ，通常将上述几种轴承结合起来使用达到优势互补。

（1）机械轴承与永磁轴承结合 。机械轴承主要的缺点是摩擦损耗较大，永磁轴承可以帮助克服重力到来的定子 、转子之间的压力
，从而减少摩擦损耗
。

（2）超导体与永磁体混合轴承。超导体作为定子，永磁体做转子 ，转子能够悬浮在某一位置 。同时超导体中俘获的磁通由于钉扎力的存在不会随便运动
，保证了轴向稳定性，使得转子稳定悬浮[5].

（3）电磁与永磁体混合轴承
。为了减少功耗 ，利用永磁体产生偏置磁场
，电流产生控制磁场，图三极混合磁轴承[6],如图5所示。

4 飞轮储能系统的应用

由于飞轮储能系统具有能量密度大
、效率高、无污染等优点 ，技术水平也日益完善
，已经在越来越多的领域中得到应用 。

4.1 在电力系统中的应用

4.1.1 电力调峰

飞轮储能系统用于电力调峰具有储能 、释能速度快，效率高 ，同时不受地理环境影响的优点
。当用电低谷时
，将产生的多余电力用于驱动飞轮储能；当用电高峰时，飞轮带动发电机运行 ，通过电力电力设备将机械能转化为与电网匹配的电能。2008年，美国Beacon Power公司在马萨诸塞州的Tyngsboro建设的一座5MW飞轮储能调峰
、调频电厂投入商业使用
，电厂总效率达到85%,该系统响应时间为4s,相比较于需要5min响应时间的传统发电机调节来说优势很明显[7].

4.1.2 不间断供电

为了避免政府重要部门、军事指挥中心 、医院手术楼、计算中心等重要用电场合停电或者电能质量不稳定，都会使用不间断供电系统（UPS） 。过去常使用化学电池 ，虽然其技术成熟
，但使用寿命较短，不支持频繁的开关操作 ，据业界统计
，UPS系统的故障70%都是由化学电池引起的
。美国Active Power公司于2007年将飞轮储能技术运用在中国网通山西省通信公司太原第二枢纽楼的UPS中[8].在市电正常时，飞轮相当于一台低耗空载电动机 ，转速维持在7700r/min;当市电异常或停电时
，飞轮系统能够瞬间供电。

4.2 在交通工具中的应用

4.2.1 车载飞轮电池

随着能源日益短缺和对环境保护的重视，世界各地都在研究汽车的新动力 ，而用飞轮储能系统代替内燃机具有很好的前景
，称之为车载飞轮电池 。车载飞轮电池具有清洁无污染
、充电快捷等优点。上世纪80年代，瑞士研究出第一辆飞轮电池汽车的充电时间控制在2min中内；90年代末 ，美国Texas大学将飞轮储能系统应用于军用车辆中，该系统可以间歇性的提供5MW的输出脉冲
，连续输出功率为350k W,最小的空载损耗小于1000W,可以满足14-ton的军用侦查车辆的脉冲电力需求[9].

4.2.2 飞轮混合电池

飞轮储能系统也可以与内燃机或者化学电池并用于汽车中，当汽车下坡或是刹车时 ，将汽车的动能转化为飞轮的机械能储存；当汽车加速、上坡等需要短时间大功率输出时
，飞轮再将能量释放出来
。这样可以使汽车节约大约30%的能量，也使加速度更大[10].由于轨道交通制动比公路汽车更有规律性 ，飞轮在其中能够在回收巨大能量。

4.3 在航空航天中的应用

飞轮储能系统使用寿命长
，非常适合对卫星供电 。同时，利用飞轮的动量矩可以有效地对卫星的姿态进行控制 ，代替原来的化学电池可以减少了卫星的重量
。1986年2月
，法国发射“SPOT ”卫星，首次将飞轮技术运用于航天器 ，上面的3个反作用飞轮使卫星对地球的指向控制精度为0.15°
，的姿态稳定达到0. 0001°/s.

5 飞轮储能关键技术发展趋势

随着技术的不断进步，飞轮储能向大容量 、高效率
、无污染、高安全性 、适应性强的方向发展 ，飞轮储能技术未来的研究重点应该包括以下几个方面：

（1）新材料的应用。使用新型的复合材料可以有效地增加飞轮的强度与储能密度，高温超导材料的突破也将为超导飞轮赢得更大的优势 。

（2）磁轴承的研究
。磁轴承的使用将使飞轮储能系统的损耗大大减少
，同时增加其使用寿命，对飞轮速度的提升也大有帮助。

（3）高速电机的研究 。高速电机的研究将提供足够的动力使飞轮能够携带更大的能量 ，增大飞轮电池的续航能力
。

（4）使用先进的控制方法。先进的控制方法能使系统效率高
，响应速度快，飞轮的高速问题和损耗问题也能有效解决 。现代控制方法向着智能控制的方向发展 ，常见的有模糊控制
、神经网络控制、自适应控制等
。

（5）模块化建设。将多个飞轮列阵式的运行
，实现飞轮单元的模块化 。这样就可以大大扩充储能的规模，同时也增大了负载能力。

6 结论

目前飞轮储能还不是主流的储能方式 ，但其表现出来的潜质让人们寄予厚望
，尤其是它储能密度大 、效率高
、充放电快捷、清洁无污染等特点得到人们认可
。这里对飞轮储能系统的结构原理 、关键技术
、应用和发展趋势都做了介绍与分析，并指出了飞轮储能存在的局限性 ，通过这些不足分析了它的关键技术所需要解决的问题。由于飞轮储能在能源领域具有很多优势
，因此对其研究具有重大意义 。

关于微控新能源

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。公司全球总部位于深圳，业务覆盖北美、欧洲 、亚洲、拉美等地区 ，凭借“安全
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引言

大家都知道，我国在国际社会中向来是一个和平友好的形象
。我国也曾经表示 ，在研究原子弹和核武器方面
，仅仅是为了中国日后不受他国威胁而已，并不是像某些国家一样 ，怀有称霸天下的不良动机。由此可见
，我国只是想要提高自身发展水平，并不想与任何国家为敌 。而这些成就的背后 ，便是我国无数科研人员的心血
。今天要向大家介绍的这位科学家
，被大家赞为又一个“钱学森 ”。因为他也像钱学森老先生一样，为我国的发展鞠躬尽瘁 ，他就是我国“发电玻璃
”的创始人——潘锦功 。

钱学森弃美回国

潘锦功之所以被大家称为又一个“钱学森”
，是因为他像钱学森老先生一样，放弃了留在美国的机会 ，回到中国为国家的发展做出巨大贡献
。众所周知，钱学森老先生当年听到新中国建立的消息之后
，想方设法地要回到中国。但是美国并不允许这种人才为中国效力，所以对其回国行程百般阻挠 ，甚至还采取了扣押的方式 。经过中国政府与钱学森老先生各路好友的努力
，他终于回到了祖国的怀抱，而后 ，他便带领中国团队
，创造了奇迹。

掌握技术的潘锦功回国

而潘锦功在1996年赴美进行博士阶段的学习，并将“发电玻璃 ”的研究中心创建在新泽西理工大学中
。当时的他只有20多岁 ，但是他手中的研究却对国家有重大意义。在研究取得成果之后
，潘锦功便回到了中国 。值得一提的是，潘锦功手中的研究项目 ，美国一直十分重视
，所以在得知潘锦功回国之后，美国专家认为自己国家十分亏本
。

我国的发电玻璃

很多人对发电玻璃的价值没有概念 ，举个简单的例子，这种发电玻璃被专家称为“挂在墙上的油田
”
，而油田的价值大家都十分清楚，由此可见 ，该项发明对我国发展具有极大的推动作用。其实发电玻璃的学名为碲化镉薄膜太阳能电池
，这种黑科技属于新能源领域，目前这项技术已经运用到福特汽车的厂房和墙壁上 。这对我国发展来说有极大帮助 ，毕竟除了传统能源之外
，新能源一直是各个国家的探索重点
。其实潘锦功回国创业也并不是一帆风顺，但是在走过艰辛之后 ，便能迎来灿烂的彩虹。

我国技术超过美国

2017年
，潘锦功带领团队生产出世界单体面积最大的发电玻璃 。在这块质量30公斤 、面积19.2平方米的发电玻璃之前，世界上最大单体发电玻璃的纪录仅仅只有0.72平方米
。而生产1.92平方米发电玻璃所需时间甚至不到1分钟 ，55秒即可完成。同时潘锦功所研发的发电玻璃
，凭借超过70%的发电转化率，轻松超越美国曾经引以为傲的传统硅太阳能板 。

美国专家声称被骗

美国专家在得知潘锦功的成绩之后 ，纷纷发出抱怨的声音，认为自己上了中国人的当
，在发电玻璃研发中受到了中国人的欺骗
。原来当初潘锦功在美研究该项技术时，美国为他提供了极其优越的待遇和相关保密安全措施。所以美国并没有想到 ，潘锦功能够在研发成功后返回中国
，而不是留在美国 。据悉，潘锦功所研发的发电玻璃 ，在一年之内能够产生260度左右的电
，也就是说，一家人全年的用电量仅需2~3块发电玻璃便能够满足。

结语

对于这项新能源技术 ，有不少国家都想要拿到自己的地盘使用
，甚至一些国家提出想要与我国共享该项研发成果
。不过这种想法十分可笑，毕竟发电玻璃是我国自主研发的技术 ，想要白白享用胜利的果实
，的确十分荒唐。相信凭借我国科学家的努力，我国一定会在今后发现更多新能源 ，而我国百姓的生活也会因此产生巨大的改变 。

参考文献：《能发电的玻璃》

关于“想了解太阳能利用的问题”这个话题的介绍，今天小编就给大家分享完了
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