新疆地区太阳能综合应用的研究

苗 莉，陈志豪，李晨晖,吴瑞洁，许倩文

(新疆科技学院，新疆 库尔勒 841000)

1 引言

1.1 研究背景

《“十四五”节能减排综合工作方案》中明确指出：确保完成“十四五”节能减排目标，为实现碳达峰、碳中和目标奠定坚实基础[1]。新疆的清洁能源储量十分丰富，占据重要位置的清洁能源战略基地，有着非常广阔的开发余地。积极应对国家双碳目标，是迫切需要面对和解决的问题[2]。清洁能源是未来最有希望作为不可再生能源的替代品,现在的清洁能源还处于前期发展阶段，多数的技术尚未成熟，为了解决这些可再生能源应用到相关发电中所产生的波动性、中间可能产生的不可预测的问题和能源转换可能会有中断或是间隔等问题，相关技术需要创新，为清洁能源的发展创造更好的发展条件。太阳能是一种典型的可再生能源，对于人类而言几乎能够长久较稳定的获取，同时作为清洁能源的典型代表不会对环境造成不可逆的危害，获取过程也不会排放有害气体或生成有害物质。太阳能应用广泛，地球上大部分地区都受到太阳辐射，但地区间的差异对太阳能的利用有很大的影响。只要合理配置光能接收设备，光能利用效率便可以大大提高。

1.2 研究意义

1.2.1 促进新疆地区的能源转型

新疆石油资源丰富，约占中国石油资源的1/3。天然气资源也占有很大份额，约占中国陆地天然气资源的34%。总的来说，新疆地区与化石有关的燃料资源相当丰富，但因经济发展实力不足，矿产的开发趋向小型化，又因为新疆的地势陡峭，对部分地区的能源开采和勘测受到限制，各种资源的利用、储存和运输都非常有限。而以太阳能为首的清洁能源与这片疆域有较高的适配性，与之实现优势互补，因此，化石能源可以转用为清洁能源。

1.2.2 减少能源的无效化利用

能源的生产、存储和运输中间必定有着能源的亏损，而一味地改进设备既不会在短期内取得很明显的成果，又由于将大量的资金投入科研，没有看到相关成果，也一定程度上减缓了能源转型的速率。因此，在进行科技创新的同时也需要对能源的合理分配做好相关调整，从而更好的发展清洁能源。新疆地区居民的生活水平相较于东南地区偏低，能源也是助推经济发展的重要因素，清洁可再生能源是新疆发展的最佳方向。不破坏环境的同时，也为居民提供了充足的能源供应。

2 太阳能利用情况分析

2.1 国内部分地区太阳能的利用情况

目前全球资源十分紧缺，生态环境也在不断地恶化，开发新能源就成为大众所关注的焦点，其中太阳能备受关注。目前，我国利用太阳能技术在太阳光探测与照明技术、太阳能热利用技术、太阳能发电和光伏技术等方面取得了长足的进步，达到了世界领先水平。西藏缺乏石油、天然气等常规能源，在一定程度上阻碍了西藏经济的有效发展，使西藏工农业生产长期处于较低水平，将树木或者是牲畜的粪便作为生活燃料，这些污染性极大的燃料使得西藏的生态环境进一步恶化。因此，西藏的绿地逐年减少，滑坡和泥石流时有发生，亟须提供新的解决方案和方法，以满足中国对可再生能源日益增长的需求。近年来，国家与自治区能源开发有关政策的有力支持，国家将把利用开发新能源和可再生资源放在国家能源建设开发战略的优先地位，西藏还把太阳能的利用和发展作为经济社会发展的重要组成部分，采取了相应的太阳能政策，大力支持西藏太阳能的发展。太阳能资源应用非常广泛，也可用于其他领域，如太阳能道路、太阳能树、太阳能气象站、太阳能路灯和太阳能光伏泵。尤其在回族聚集区，非常照顾回族生活习俗，集中推广使用太阳能热水器，在其全区累计推广太阳能热水器约2000平方米[3]。西藏地区和新疆地区都属于我国的西部地区，从西藏的太阳能发展情况也能大致看出新疆地区的太阳能发展走势，随着西部地区的经济逐步发展，存在的问题都能得到正确有效的解决。

2.2 新疆地区太阳能的利用情况分析

目前，新疆地区主要以太阳能热水器的形式来利用太阳所产生的热辐射，而利用太阳能的企业共计11家，分布在新疆的各个地区，但主要分布在乌鲁木齐，共四家。产品形式非常丰富，具有一定的影响力。新疆太阳能热利用所建立的产业规模较小，与国内同行业相比只能算是中小企业和微型企业。在区内形成、具有一定影响力，且覆盖全区的本地品牌仅1家[4]。总的来说，新疆地区利用太阳能的情况较为良好，从企业投入情况来看今后太阳能在新疆地区的发展能够达到一个新的高度。

根据新疆地区2021年已有太阳能设备接收并使用太阳能的情况能够得出：新疆太阳能的发电量在每月波动不是很大，同年太阳能的发电同比增长基本上为正值，并且每月的发电量都比较可观,稳定的太阳辐射是保证太阳能正常供电的基础，新疆地区太阳能的建设与发展正处于快速发展阶段，做好相关设备的合理建设与维护，基本上可以满足一定时期内太阳能的连续转换。

新疆地区最近10年的太阳能发电量的情况，从2016年的太阳能发电量大幅增长大致能够推断出在保证太阳能发电总量不下跌的情况下可以在短期内实现电能转化的大幅增长。自2010年以后新疆地区电力消费量增幅有较大的提升，到2015年以后增幅又逐渐放缓。其中放缓的原因很大程度上是化石燃料的使用受到了抑制。虽说化石燃料的使用量减少但整体上仍呈上升趋势，这也体现出了可再生能源和清洁能源能作为能源转型过渡阶段极佳的能源物质。因新疆具有地势高、光照强、云层薄等特点，因此是太阳能利用的绝佳地区。加大资金的投入和政策的扶持能够更快的将太阳能设备和技术进行扩展，从而达到能源的高效利用，也能间接地改善新疆地区的气候和环境。

新疆地区化石燃料的储量十分丰富，并且其所使用的能源大部分是煤炭、石油和天然气等化石燃料的消耗品。二次使用这些不可再生能源对使用区域周围的环境和气候有重大影响。在此规划的正确引导下，全国各地响应国家的号召，认真落实相关工作以达到节能减排的目的。因此，煤炭、石油、天然气和其他能源的使用将在一定程度上受到限制，同时这种情况需要从源头上对相关问题进行解决，也就是需要对能源的使用结构进行相应的调整，从而达到减少化石类能源的消耗，同时兼顾可以在短时间内再次生成的能源以及不会产生较多能源废料的清洁能源的应用。这些措施不仅可以减少二氧化碳排放，还可以保护环境，实现能源可持续发展的目标。从能源使用的角度来看，新疆大城市的能源需求量很大，需要保证这些地区有充足的能源供应，从消费结构的角度上可看出能源的主要供应方式为煤炭等化石燃料的能源供应，在短期内转换能源供应方式不太现实。“十四五”规划中也指出了后期的能源发展要向节能减排的方向看齐，太阳能等清洁能源的发展和大规模应用受到了新疆地区经济发展相对国内地区较缓慢的阻力和国家政策相关能源发展总方略方面的动力，让清洁能源的发展在后期的应用范围和广度大大提高。

2.3 居民房屋建筑中常用的太阳能设备

在中国居民房屋建筑中使用最多最广泛的太阳能设备是太阳能热水器、小型太阳能发电板、太阳能蓄电池以及一些太阳能家用灯具。太阳能热水器是百姓家中最常见的太阳能使用工具，它使太阳光能转化热能，用来加热水温，满足百姓对热水的需求。小型太阳能发电板在日常生活中多见于路灯的应用，在太阳能丰富的低青春期，太阳能电池板安装在路灯的顶部，白天接收太阳能，并将其转化为电能，储存夜间照亮街道所需的电能。太阳能具有安装方便、投资少、节能环保、安全性好等优点，是一种可再生、节能环保的能源。利用太阳能发电符合国家绿色发展理念。随着光伏产业的发展，太阳能节能环保等特征被人们所认知，修建房屋时光伏屋顶也成为一种选择，不仅美观还实用，让人们的居住感更强。此外，价格实惠，居住时间越长所获得的经济效益越高，光伏屋顶产生的电量可供屋内外使用，节省电费和取暖费。

3 新疆地区太阳能在生产方面的应用

3.1 太阳热辐射烘干经济作物

新疆不仅仅日照时间非常充足，地面所能接收到的太阳辐射能量也较大[5]。太阳能最原始最初阶段最常用的方法之一就是利用太阳的热辐射直接对物体进行脱水。新疆吐鲁番的葡萄干是十分出名的，但是在吐鲁番日间的温度高达四十多度的情况之下，一串新鲜的葡萄挂到晾房之中要大约经历两个月之久才可以自然阴干，在此期间会有许多的葡萄在还没有阴干成葡萄干之前就已经腐坏，如果使用太阳热辐射烘干技术，其周期与自然晾晒相比就会大大缩短，这样一来就可以避免因环境变化而导致的作物污染或者是腐烂变质，既提高了烘干的效率，又可以烘干出更多品质好的作物。事实上，早在20世纪80年代，中国就开始了利用太阳辐射烘干农产品。研究最后获得的成果也是十分丰富的，但是因为在当时的社会环境之下，人们对于节约能源以及保护环境的意识还远远不够，除此之外，在中国能源丰富的地区，经济水平相对落后，科学技术水平不断发展，研究水平也是不断提高。但是由于近年来环境的变化和能源的短缺使得太阳热辐射烘干经济作物这项研究又重新得到重视和发展。

3.2 太阳能发电

太阳能主要利用太阳能电池板将光能转化为电能储存或利用，因为太阳能板的成本较高，所需空间大，只有少数居民能够做到自给自足，大多数居民可以使用太阳能发电厂所提供的太阳能。从12月28日开始，新疆第一个太阳能发电项目在中央哈密特熔盐发电厂诞生，当发电量达到1000万千瓦时，意味着向稳定生产过渡。这也证明了中国有能力“积累”太阳能，并将获得的能源转移到国家电网。此外，经过优化运行后，项目将能够长期保证不间断供电，并严格按照光伏电站电网管理运行指标的要求参与，主汽温度、主汽压力、日负荷率不断攀升，项目中的技术骨干逐步达到设计要求，以便于顺利完成施工。自20世纪90年代以来，中国进行了光热实验。该电站是2016年国家建设的前20年之一，也是新疆唯一完成的太阳能热发电示范项目。项目正式启动后，设备每年可以利用3980个小时，一年时间内可以发出的电量为1.98亿度。可以说，光热项目在中国的商业化还处于起步阶段。首批示范项目目前建设效果不甚理想，近一半项目未能如期建设，为我国光热发电项目积累很多经验，证明了在我国光热发电技术是可行的，能够减少对火电的过度依赖，为我国实现碳达峰碳中和目标作出积极探索。并且新疆地区其他行业也或多或少有利用太阳能，为绿色健康发展注入强劲动力。

虽然太阳的辐射能力巨大，但是广泛地分布在地球表面，所以太阳能的能量密度相对是比较低的。因此，大规模收集太阳能需要大量的设备和投资。与地球的持续旋转相结合，太阳能具有不连续性，这意味着对于同一个地方，可用的太阳能不是连续的或不连续的。有时晴朗的天气，有时下雨，增加了太阳能的差距。这就意味着太阳能只能作为辅助的能源，不然就必须要增加储能装置横。但是这会大大增加投资的成本。并且很大规模地储存能量会使得技术难度增加。大型风力发电系统具有较高的功率可靠性和相对较低的运行维护成本。小系统发电量高，系统成本低，运行维护成本低。但是小型的风力发电机不太可靠。运用太阳能发电的成本比较高，技术含量也高，而且在天气恶劣的时候太阳能发电会受到影响，而运用风力系统发电却是天气越恶劣所收集到的能量才越多。由于这些系统是互补的，它们可以填补与独立风能和太阳能发电系统相关的资源和环境缺口。风能和太阳能与可再生能源是相同的能源生产形式，它们都有减少空气污染和资源的优点。然而，由于不同的操作条件，有时显示出不同的优点和缺点。风力发电适用于环境恶劣且风力较大的情况，太阳能用在太阳辐射时间长且充足的地区，但不用于经常受雾霾影响的地区。此外，太阳能的发电是有限的。因此，它们有自己的优势。风能必须得到太阳能和核能等清洁能源的补充。在风能和太阳能联合发电的联想下构想出太阳能和风能的结合应用设备“太阳能风力发电机”。太阳能和风能在多数情况下为互补清洁能源，通过改进这种方法，可以同时提高能源利用率。

构想对风能的风翼和太阳能板相结合，对太阳能板的相关研发需要投入更多的时间和精力，未来太阳能、风能等环境能源的开发将逐步取代化石燃料等不可再生能源的使用，突破太阳能的平面构造，研发出能与风力发电机的风翼相适配的弧面太阳能板，对此构想的实现打下坚实的基础。需要在太阳能相关设备的研发和建设方面相对其他能源基建的建设需要投入更多的精力和资源。主要的太阳能应用形式体现在人们生活中的方方面面，对太阳能的应用作出相关创新构想，将互为互补能源的太阳能和风能结合改造后完成的相关构想设备。此设备的成功研发能够在同一时间大大提高能源的转化效率，从而在理想状态下产生更大的效益。

4 研究结论

第一，能源的合理利用是促进社会经济和环境持续健康发展的决定性因素之一。能源的多元化利用，提高了工作效率，同时也间接性的提升了生活质量。随着环境保护意识的提升，能源逐渐向低碳、环境污染少、生产便利的方向发展，减少化石燃料的使用，达到环境保护和能源可持续发展的目的。

第二，通过对已有与太阳能和其他能源之间的共性分析，建立出新型的太阳能发电装置，从而可以得出太阳能的多方面拓展创新应用，有助于能源更高效的利用。

第三，新疆地区的经济发展相对落后，对创新领域的投入在短时间内不会有大的增长，所以太阳能的分区规划能更加有效的达到能源有效供应的目的。