太陽能光伏電池在建筑材料中的應(yīng)用

1、第18卷第4期 湖南工程學(xué)院學(xué)報 V o1. 18. No. 42008年12月 Jour nal of H unan Institute of Engineering Dec. 2008 收稿日期:2008-05-14:( , 男, , :.太陽能光伏電池在建筑材料中的應(yīng)用吳茂堂a , 劉向龍b , 賴銀輝a , 鄧永和c(湖南工程學(xué)院a. 紡織服裝學(xué)院; b. 建筑工程學(xué)院; c. 理學(xué)院, 湘潭411104摘 要:利用光的干涉原理, 在太陽能瓷瓦表面涂上一層反射干涉薄膜。不同厚度的干涉膜對不同波長的光有干涉作用, 當(dāng)ne =k K , 加強光的反射, 形成相應(yīng)顏色的彩色太陽能光伏電池瓷瓦

2、, 實現(xiàn)了建筑材料和能源材料的結(jié)合.關(guān)鍵詞:太陽能; 光干涉; 太陽能瓷瓦中圖分類號:TQ91 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-119X(2008 04-0084-03 能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ). 目前世界的能源結(jié)構(gòu)是以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主體的結(jié)構(gòu), 而化石能源是不可再生能源, 大量耗盡必將枯竭, 并且在生產(chǎn)和消費過程中有大量污染物的排放, 必將破壞人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境.為保護人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境, 必須采取措施減少化石能源的耗用, 大力開發(fā)和利用清潔干凈的新能源和可再生能源來代替化石能源.當(dāng)前太陽能光電池是最好的解決能源危機的途徑, 它是將資源無限, 清

3、潔干凈的太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能, 是新能源和可再生能源家族的重要成員之一. 近年來, 世界太陽能電池的產(chǎn)量和裝機容量以年增長率在30%的速度快速發(fā)展, 據(jù)統(tǒng)計, 2004年底全球的總裝機容量已達到4330M W. 專家預(yù)言, 到21世紀(jì)中葉, 太陽能光伏發(fā)電將發(fā)展成為重要的發(fā)電方式之一.1 太陽能的應(yīng)用情況新世紀(jì)伊始, 眾多國家紛紛制定雄心勃勃的發(fā)展規(guī)劃, 推動光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展. 日本通產(chǎn)省第二次能源委員會提出, 2010年光伏發(fā)電裝機達到5GW; 歐盟可再生產(chǎn)能源白皮書及相伴隨的/飛起運動02010年的目標(biāo)是:光伏發(fā)電裝機達到3GW; 美國能源部國家光伏規(guī)劃的目標(biāo)是, 光伏發(fā)電裝機達到4.

4、 7GW; 澳大利亞提出, 2010年光伏發(fā)電裝機達到0. 75GW. 如果再加發(fā)展中國家今年一直保持占世界光伏組件總量的10%左右的裝機量, 預(yù)計到2010年世界光伏系統(tǒng)累計安裝容量達到15GW. 這意味著未來5年, 世界光伏產(chǎn)業(yè)將以28%左右的年平均速度發(fā)展, 成為世界上發(fā)展最快的一個產(chǎn)業(yè). 各國可再生能源法的頒布, 快速發(fā)展的光伏屋頂計劃, 各種減免稅政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格, 為光伏市場的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ). 光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩接蛇呥h地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過程. 2據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計世界歷年各種太陽能電池總產(chǎn)量逐年增長(如圖1所示 , 特別近幾年來,

5、 得到了突飛猛進的發(fā)展; 而且全球光伏電池價格更是不斷下降, 從20世紀(jì)70年代到90年代20年間, 價格下降了85%(如圖2所示 , 這預(yù)示著太陽能電池將走進普通家庭和工廠. 太陽能將被人們視為最受歡迎的綠色環(huán)保能源. 2 太陽能瓷瓦的研究太陽能瓷瓦也是太陽能光伏電池在建筑材料的一種應(yīng)用. 光的干涉電池瓷瓦是一種以現(xiàn)有瓷瓦為基底上嵌入太陽能光伏電池后外縛干涉薄膜成型的建筑材料, 它不僅能起到對建筑物的裝飾作用, 而且還能充分利用太陽能. 它不僅可以進行光-熱轉(zhuǎn)化聚集熱能, 還可以將太陽能進行光-電轉(zhuǎn)換, 將太陽能轉(zhuǎn)換為電能.2. 1 干涉膜的作用原理光的干涉電池瓷瓦在不同的季節(jié)或不同的地域發(fā)

6、揮不同的作用. 例如, 在北方寒冷的天氣里, 可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器, 調(diào)節(jié)增透膜的厚度從而增加由太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的部分, 使室內(nèi)溫度升高, 同時增加了太陽能的利用率; 若在炎熱的南方地區(qū), 可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器, 增加由太陽能轉(zhuǎn)換為電能的部分, 阻擋陽光的照射, 使建筑物溫度降低, 產(chǎn)生的電能可用于家庭或工業(yè). 這種建筑材料, 不僅在城區(qū)內(nèi)可得廣泛的使用, 更能很好的解決偏遠山區(qū)的用電問題, 如果能夠得到充分的利用, 將帶來巨大的市場潛力.設(shè)在光學(xué)元件表面蒸鍍一層厚度為e, 相對折射率n 的透明薄膜, 如圖3所示, 上下表面反射光的光程差為:D =2ne cos B(1當(dāng)入射光垂直入射時, co s B

7、=1, 此時光程差公式變?yōu)?D =2ne(2若兩反射光產(chǎn)生相消干涉, 反射最小, 式中ne為膜層的光學(xué)厚度. 因而D =2ne =k K +2(k=1, 2, 3, , (3 即:ne =4K (4 滿足式(4 的膜層稱為抗反射膜或增透膜. 光學(xué)厚度為K /4的任何薄膜都稱為四分之一波長薄層, 具有各種性能的的四分之一波堆.在白光照明情形下, 波長一般取可見光的中間波長, 當(dāng)入射光不是垂直入射時, 光程差為D =2ne cos B , 隨著入射角B 發(fā)生改變, 由于余弦函數(shù)cos B 在B =0附近改變不快, 所以此種增透膜, 在入射角接近0度比較大的范圍內(nèi)都可以保持低反射率.圖3 光的干涉示

8、意圖薄膜干涉的現(xiàn)象在實際的應(yīng)用中很多, 在照相機和助視光學(xué)儀器如望遠鏡中為了增加進入儀器的光強, 就在鏡頭外表面上鍍一層薄膜(常用二氟化鎂 , 其厚度就由相消干涉條件公式?jīng)Q定. 這樣就使反射光強度為零, 從而增大了透射光的強度, 這一層膜叫增透膜. 我們可以在保護膜和太陽能電池之間增加一層增透膜, 可以增加光照的透射率, 提高光的利用率; 可以通過調(diào)節(jié)干涉膜的厚度, 形成薄膜干涉, 形成赤、橙、紅、綠、藍、紫以及七彩色等五顏六色的個性瓷瓦裝飾房屋. 例如, 若想要綠色的瓷瓦, 可以利用干涉膜根據(jù)干涉原理將其他顏色的光被系統(tǒng)吸收, 而綠色光被反射. 在光的照射下瓷瓦就會顯綠色. 為了保護太陽能電

9、池受到太陽紫外線和紅外線的損壞作用, 還可以增加一層保護膜防止紫外線和紅外線的射入.2. 2 光的干涉電池瓷瓦及儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖太陽能瓷瓦整個系統(tǒng)由四部分組成, 室外是太陽能瓷瓦, 室內(nèi)由蓄電池、控制系統(tǒng)和用電系統(tǒng)組成, 如圖4所示. 整個系統(tǒng)可由控制器控制, 室外太陽能瓷瓦實現(xiàn)對光能的利用和轉(zhuǎn)化, 室內(nèi)儲能系統(tǒng)實現(xiàn)對剩余的太陽能轉(zhuǎn)換能量的儲存. 2. 3 光的干涉電池瓷瓦的功能光的干涉電池瓷瓦是一種可調(diào)節(jié)式瓷瓦, 是由多塊瓷瓦構(gòu)成的一個/綠色工廠0. 太陽能瓷瓦由四部分構(gòu)成:最外層為透明的保護層, 起到保護作用; 往內(nèi)依次是可調(diào)的干涉膜、太陽能光伏電池、基底材料. 通過調(diào)節(jié)干涉薄膜的厚度

10、可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)對太陽光譜的吸收和反射, 達到調(diào)節(jié)薄膜反射光的波長, 從而形成不需涂料的有色的建筑材料; 太陽能光伏電85第4期 吳茂堂等:太陽能光伏電池在建筑材料中的應(yīng)用池可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能. 整個系統(tǒng)的核心是干涉膜和太陽能光伏電池 .圖4 太陽能瓷瓦的結(jié)構(gòu)及儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3 模型制作與實驗情況按照我們設(shè)計的方案, 在很短的時間內(nèi)制作出實驗?zāi)Ｐ椭? 通過多次反復(fù)實驗進行了改裝, 發(fā)現(xiàn)效果很好, 而且能很明顯的體現(xiàn)出太陽能各方面的優(yōu)越性. 但由于我們局限在學(xué)校這個小的范圍內(nèi), 有些材料的制作技術(shù)達不到我們所需要的精度, 所以有些模型只好用其他材料代替了. 例如:由于光波的波長非常短, 在

11、制作光的反射的實驗時, 膜的厚度要求非常精確, 在我們學(xué)校目前的實驗儀器中是很難達到要求的. 所以有些地方我們不得不用其他的材料代替了. 像經(jīng)過干涉波形成的赤, 橙, 紅, 綠, 藍, 紫等顏色的太陽能干涉瓷瓦, 我們只能用相對應(yīng)的彩色紙來代替了.4 結(jié) 論光的干涉電池瓷瓦也是太陽能光伏電池在建筑材料的一種應(yīng)用, 它不僅能起到對建筑物的裝飾作用, 還將太陽能轉(zhuǎn)換為電能. 光的太陽能干涉電池瓷瓦完善了太陽能具有單一性能的不足, 將太陽能的優(yōu)越性和一些光學(xué)原理結(jié)合起來, 充分發(fā)揮了各方面的優(yōu)勢. 它不僅具備了發(fā)電的功能, 還有很好的裝飾作用, 不僅節(jié)約了在裝飾方面的資金, 更能很好的美化環(huán)境.參

12、考 文 獻1 張三慧. 大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)下冊M . 北京:清華大學(xué)出版社, 2003:598-60112 王常貴, 王斯成. 太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005:613 王常貴, 催榮強, 周 篁. 新能源發(fā)電技術(shù)M . 北京:中國電力出版社, 200314 郭永康. 光學(xué)M .北京:高等教育出版社, 2005:121Application of Solar Energy Cell in Architecture MaterialWU M ao -t ang a, LIU Xiang -long b, LAI Ying -hui a, DEN G Yong -hec(H

13、 unan Institute of Engineering , a. College o f T ex tile Eng. ; b. Co lleg e of A r chit ectur e Eng. ;c. Colleg e of Science, Xiangt an 411104, ChinaAbstract:According to the inter ference of lig ht, a lay er of inter ference film is applied on the surface of so -lar -energ y battery. Different thickness of film has an interference in light w ith differ ent w avelength. With ne=k K , the inte