太陽能學(xué)習(xí)總結(jié)及體會

1、學(xué)習(xí)總結(jié)及體會隨著礦物能源匱乏和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人類越來越重視可再生能源的開發(fā)和利用。太陽能作為一種可再生的新能源，具有清潔、環(huán)保、持續(xù)、長久的優(yōu)勢，成為人們應(yīng)對能源短缺、氣候變化與節(jié)能減排的重要選擇之一，越來越受到世人的強(qiáng)烈關(guān)注。當(dāng)人類開始利用土地，進(jìn)行農(nóng)耕畜牧，繁衍生息時，就開始得益于太陽能的利用。太陽能利用的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究始于1845年，到目前為止，人們還在不斷的探索太陽能利用技術(shù)，使其能更好的融入生產(chǎn)和生活中。太陽能利用包括光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、太陽能光化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換以及太陽熱水器、太陽房等利用方式，其中太陽熱水器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。一、 太陽能利用的方式太陽能的轉(zhuǎn)換和利用方式目前有

2、：光一熱轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換，光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種。光一熱轉(zhuǎn)換是太陽能熱利用的基本方式。它是利用太陽能將水加熱儲于水箱中，以便利用的方式，這種熱能可以廣泛應(yīng)用于采暖制冷干燥溫室烹飪以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。光熱產(chǎn)品則是直接把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能如太陽熱水器等。我們知道，太陽主要以電磁輻射的形式給地球帶來光與熱。太陽輻射波長主要分布在0.25 一2.5m 范圍內(nèi)。從光熱效應(yīng)來講, 太陽光譜中的紅外波段直接產(chǎn)生熱效應(yīng), 而絕大部份光能不能直接產(chǎn)生熱量。我們感覺在強(qiáng)烈的陽光下的溫暖和炎熱, 主要是我們的衣服和皮膚吸收太陽光線, 從而產(chǎn)生光熱轉(zhuǎn)換的緣故。從物理角度來講, 黑色意味著光線的幾乎全部的吸收, 被吸收的光能

3、即轉(zhuǎn)化為熱能。因此為了最大限度地實(shí)現(xiàn)太陽能的光熱轉(zhuǎn)換, 似乎用黑色的涂層材料就可滿足了, 但實(shí)際情況并非如此。這主要是材料本身還有一個熱輻射問題。從量子物理的理論可知，黑體輻射的波長范圍大約在2100m 之間, 黑體輻射的強(qiáng)度分布只與溫度和波長有關(guān), 輻射強(qiáng)度的峰值對應(yīng)的波長在10m 附近。由此可見, 太陽光譜的波長分布范圍基本上與熱輻射不重疊。因此要實(shí)現(xiàn)最佳的太陽能熱轉(zhuǎn)換, 所采用的材料必須滿足以下兩個條件：在太陽光譜內(nèi)吸收光線程度高, 即有盡量高的吸收率；在熱輻射波長范圍內(nèi)有盡可能低的輻射損失,即有盡可能低的發(fā)射率。一般來說,對同一波長而言, 材料的吸收率和發(fā)射率有同樣的數(shù)值, 即吸收率高

4、則相應(yīng)的發(fā)射率也高。但吸收率與反射率及透射率t 滿足如下關(guān)系: +t=1。對于不透明材料由于t= O,則+=1。而對于黑色物體來說,=O,則=1。根據(jù)以上討論,可知最有效的太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料是在太陽光譜范圍內(nèi), 即< 2.5m,有1( 即0)；而在> 2m , 即熱輻射波長范圍內(nèi),有0 ( 即1或0)。一般將具備這一特性的涂層材料稱為選擇性吸收材料。如不完全滿足以上條件, 如在熱輻射波長范圍內(nèi)有較大的值, 則盡管在太陽光譜1, 仍有很大的熱輻射損失。這類材料通常稱為非選擇性涂層材料。所有選擇性吸收涂層的構(gòu)造基本上分為兩個部份: 紅外反射底層(銅、鋁等高紅外反射比金屬)和太陽光譜吸收

5、層(金屬化合物或金屬復(fù)合材料)。吸收涂層在太陽光波峰值波長(0.5m)附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收, 在紅外波段則自由透過, 并借助于底層的高紅外反射特性構(gòu)成選擇性涂層。實(shí)際上利用的選擇性涂層材料, 多是將超細(xì)金屬顆粒分散在金屬氧化物的基體上形成黑色吸收涂層。這通常采用電化學(xué), 真空蒸發(fā)和磁控濺射等工藝來實(shí)現(xiàn)。在太陽能熱水器上得到廣泛應(yīng)用的太陽能吸熱涂層主要有: 磁控濺射涂層, 選擇性陽極氧化涂層等。從使用和經(jīng)濟(jì)角度考慮, 對光熱轉(zhuǎn)換材料的基本要求, 除了吸熱性能外, 還要求使用壽命要長, 生長成本要低等。我國從80 年代開始加快了在太陽能吸熱材料方面的研究, 像清華大學(xué), 北京太陽能研究所等單位先后研

6、制出一系列優(yōu)良的選擇性涂層材料。所研制的黑鉆選擇性吸收涂層具有良好的光譜選擇性, 適合應(yīng)用在工作溫度較高的真空集熱管上。研制成功的用于全玻璃真空管上鋁氮/ 鋁太陽光譜選擇性吸收涂層也具有很好的性能參數(shù)。近來國內(nèi)外在制備工藝上主要利用電化學(xué)和磁控濺射方法, 所研制的選擇性吸收涂層材料向多層化, 梯度化發(fā)展。如倍受重視的氮化鋁選擇性吸收涂層是新一代的吸熱涂層的代表。從目前已達(dá)到的水平來看, 光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進(jìn)一步提高, 這不僅需要人們不斷探索新的材料體系和制備工藝，還可在涂層的玻璃蓋板表面上做文章。如德國某研究所，利用全息照相技術(shù)，在平板蓋板表面上進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)處理, 以增加太陽光透射率，減少

7、太陽能的反射損失，從而使太陽能的熱利用效率得到了進(jìn)一步提高。太陽能光伏發(fā)電可直接將太陽光能轉(zhuǎn)換成電能，是一種不需燃料、無污染獲取電能的高新技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如:安全可靠、無噪聲，能量隨處可得，不受地域限制,無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件,故障率低,維護(hù)簡便，可以無人值守，建站周期短,規(guī)模大小隨意，無需架設(shè)輸電線路，可以方便地與建筑物相結(jié)合等。因此,在太陽能的有效利用中，光伏發(fā)電是近些年來太陽能眾多利用方式中發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料光伏效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。早在1839年,法國科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“

8、光生伏打效應(yīng)( Photovoltaic Effect) ”,簡稱“光伏效應(yīng)”。然而,第一個實(shí)用單晶硅光伏電池 (Solar Cell) 直到1954 年才在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功,從此誕生了太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏轉(zhuǎn)換主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ), 利用光照產(chǎn)生電子空穴對, 在附結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象(光伏效應(yīng)), 從而實(shí)現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)換的目的。通常所用的半導(dǎo)體材料為硅、鍺和化合物等。一般對太陽能電池材料有如下一些要求: 要充分利用太陽能輻射, 即半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬, 否則太陽能輻射利用率太低;；有較高的光電轉(zhuǎn)換效率; 材料本身對環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)

9、化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。能達(dá)到這幾條要求的主要有鍺、硅、砷化稼、硫化銅、銻化錫等。特別像鍺、硅、砷化稼等的禁帶寬度相當(dāng)于近紅外線的光子, 對這樣的半導(dǎo)體, 太陽光譜的大部分, 包括各種可見光都可以用來產(chǎn)生電子一空穴對。但考慮到只有禁帶寬度在0.5一1.5電子伏特的半導(dǎo)體才有較高的光電轉(zhuǎn)換效率, 因此硅、砷化稼等是理想的電池材料。而銻化錫由于錫是有毒元素, 其應(yīng)用受到一定限制。再從原料資源、生產(chǎn)工藝和性能穩(wěn)定性等方面綜合考慮, 硅是最合適最理想的太陽能電池材料,這也是為什么太陽能電池主要以硅材料為主的原因。太陽能電池按材料可分為品體硅太陽電池、硅基薄膜太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池和光電化學(xué)太

10、陽電池等幾大類。開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是：提高效率和降低成本。1、 體硅太陽電池晶體硅太陽電池是PV(Photovoltaic)市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)、工藝最成熟，電池轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，是過去20多年太陽電池研究、開發(fā)和生產(chǎn)主體材料。缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高。2、 硅基薄膜太陽電池多晶硅(ploy-Si)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜太陽電池可以大幅度降低太陽電池價格。多晶硅薄膜電池優(yōu)點(diǎn)是可在廉價的襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于晶體硅電池，效率相對較高，不久將會在PV市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。晶硅是硅和氫(約10%)的一種合金，具有以下優(yōu)點(diǎn):它對陽光的吸收系數(shù)高，活性層只有1m厚，材料的需求量

11、大大減少，沉積溫度低，可直接沉積在玻璃、不銹鋼和塑料膜等廉價的襯底材料上，生產(chǎn)成本低，單片電池面積大，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。點(diǎn)是由于非晶硅材料光學(xué)禁帶寬度為1.7eV，對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，限制了非晶硅電池的效率，且其效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減(即光致衰退)，使電池性能不穩(wěn)定。3、 合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池主要有銅錮硒(CIS)和銅錮稼硒 (CIGS) 、CdTe,GaAs等，它們都是直接帶隙材料，帶隙寬度Eg在1-1.6eV之間，具有很好大范圍太陽光譜響應(yīng)特性。所需材料只要幾個微米厚就能吸收陽光的絕大部分，是制作薄膜太陽電池的優(yōu)選活性材料。GaAs帶隙寬度1.45eV，是非常理想

12、直接遷移型半導(dǎo)體PV材料，在GaAs單晶襯底上生長單結(jié)電池效率超過25%，但價格也高，用于空間。4、 染料敏化TIO2 納米薄膜太陽電池以納米多孔TiO2為半導(dǎo)體電極，以Ru絡(luò)合物作敏化染料，并選用I2/I3一氧化還原電解質(zhì)，發(fā)展了一種新型的染料敏化TiO2納米薄膜太陽電池(簡稱DSC)。DSC具有理論轉(zhuǎn)換效率高，透明性高，廉價成本和簡單工藝等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室光電效率穩(wěn)定在10%以上。缺點(diǎn)是使用液體電解質(zhì)，帶來使用不便以及對環(huán)境影響。在硅系太陽能電池中, 單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)最成熟。UNSW大學(xué)在2000年以前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)25%的單晶硅材料的轉(zhuǎn)換效率。多晶硅太陽電池的出現(xiàn)主要是為了降低

13、成本, 其優(yōu)點(diǎn)是能直接制備出適于規(guī)模化生產(chǎn)的大尺寸方型硅錠,制造過程簡單、省電、節(jié)約硅材料, 對材質(zhì)要求也較低。弗勞恩霍夫研究所的太陽能系統(tǒng)在2005年前發(fā)表的最高的多晶硅轉(zhuǎn)換效率為20.4%。在實(shí)規(guī)模化應(yīng)用中,多為單晶硅產(chǎn)品,其效率在13%16%左右。太陽能取之不盡,但分布不均勻,隨時間和空間變化差異較大,而且儲存和傳輸難以實(shí)現(xiàn)。因此,將其轉(zhuǎn)化為其他更方便利用的能源,已經(jīng)成為當(dāng)前研究太陽能利用的熱點(diǎn)。氫能被認(rèn)為是清潔的二次能源,并被視為未來最有希望替代傳統(tǒng)的化石能源的新能源之一,且沒有上述直接應(yīng)用太陽能所存在的缺點(diǎn)。因此,太陽能制氫技術(shù)可以說具有很好的市場前景。太陽能制氫主要有以下多種方法。

14、(1)太陽能電解水制氫 太陽能電解水制氫是一種目前較為成熟的制氫方法，轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到70% 75%。但是，電解水過程中耗電量較大，成本也就較高。(2)太陽能光化學(xué)制氫 通過在水中添加某種光敏物質(zhì)作催化劑，用它幫助水吸收陽光中的長波光能，從而達(dá)到連續(xù)高效利用太陽能制氫的目的。該技術(shù)已較為成熟，但效率僅為4%5%。(3)太陽能光電化學(xué)池分解水制氫 光電化學(xué)池是利用半導(dǎo)體材料作為光陽極，受光激發(fā)產(chǎn)生電子,鉑合金作為陰極，光陽極和陰極組成光電化學(xué)池。這個過程只能吸收太陽光中的紫外光，所以制氫效率很低，僅為0.4%，而且還存在光電極電化學(xué)腐蝕的問題。(4)生物制氫 許多藻類能利用太陽光和水作原料，在厭

15、氧條件下，利用氫作為電子供體用于釋放氫氣。但是目前由于對藻類放氫機(jī)理還不夠了解，太陽能轉(zhuǎn)化效率較低。(5)太陽能熱解水制氫 這種方法是將水或水蒸氣加熱到2500以上，使水分解成為氫氣和氧氣，其制氫效率較高。但是由于氫氧兩種氣體一起產(chǎn)生，要想將這兩者徹底分離十分困難，而且存在爆炸的危險。此外還需要使用高倍聚光器才能獲得反應(yīng)所需要的高溫，而這類聚光器的價格較高，所以制氫的成本自然也就高。(6)太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫 熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，即在水中加入一種或幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經(jīng)歷不同的反應(yīng)階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物不消耗，可循環(huán)使用。二、太陽能利用用太陽能加熱低于100 低溫

16、熱水的太陽熱水系統(tǒng)，是當(dāng)前太陽能熱利用中技術(shù)最成熟、最具競爭力、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)域，我國太陽熱水器的使用量和年產(chǎn)量均居世界第一。我國由于太陽熱水器的使用，一年即可節(jié)約原煤832 萬t，減排二氧化碳374萬t ,減排二氧化硫17萬t，減排粉塵12萬t， 如果按每年15%左右的增長速度計，到2010年我國太陽熱水器的年銷售量將達(dá)到2000萬 保有量將從目前的5200 萬上升到約1.4億 可節(jié)約420560億kW高峰電力。太陽能房在我國東北和西北地區(qū)應(yīng)用較早，目前已達(dá)1050萬 每年節(jié)約25 萬tce 。太陽能低溫地板采暖所需溫度為3040，適用于6層以下的板樓住宅、辦公樓、學(xué)校和別墅。對于廣大郊

17、區(qū)農(nóng)村冬季采暖，夏季降溫非常實(shí)用，在農(nóng)村推廣其經(jīng)濟(jì)效益會更加理想。太陽能干燥技術(shù)成熟，干燥溫度在065 之間，用于干燥中草藥，農(nóng)副產(chǎn)品，水產(chǎn)品及工業(yè)品時與自然干燥相比，縮短時間2.5 6倍，提高了干燥質(zhì)量和營養(yǎng)成份，干燥1t紅棗和農(nóng)副產(chǎn)品可省煤lt。太陽灶可節(jié)省常規(guī)能源、減少環(huán)境污染、提高和改善農(nóng)、牧民的生活水平。我國大部份地區(qū)太陽灶年利用天數(shù)為150200天左右，年節(jié)約柴草約1000kg/臺，l2年即可回收成本。二、 太陽能貯熱太陽能雖然取之不竭，用之不盡，但是地面上接受到的太陽能，受氣候、晝夜、季節(jié)的影響，具有間斷性和不穩(wěn)定性，所以，太陽能如何貯存十分必要，尤其對于大規(guī)模利用太陽能更為必要

18、。目前，太陽能貯熱有以下：1、顯熱貯存。利用材料的顯熱貯能是最簡單的貯能方法。在實(shí)際應(yīng)用中，水、沙、石子、土壤等都可作為貯能材料，其中水的比熱容最大，應(yīng)用較多。七八十年代曾有利用水和土壤進(jìn)行跨季節(jié)貯存太陽能的報道。但材料顯熱較小，貯能量受到一定限制。 2、潛熱貯存。利用材料在相變時放出和吸入的潛熱貯能，其貯能量大，且在溫度不變情況下放熱。在太陽能低溫貯存中常用含結(jié)晶水的鹽類貯能，如10水硫酸鈉水氯化鈣、12水磷酸氫鈉等。但在使用中要解決過冷和分層問題，以保證工作溫度和使用壽命。太陽能中溫貯存溫度一般在100以上、500以下，通常在300左右。適宜于中溫貯存的材料有：高壓熱水、有機(jī)流體、共晶鹽等

19、。太陽能高溫貯存溫度一般在500以上，目前正在試驗(yàn)的材料有：金屬鈉、熔融鹽等。1000以上極高溫貯存，可以采用氧化鋁和氧化鍺耐火球。 3、化學(xué)貯熱。利用化學(xué)反應(yīng)貯熱，貯熱量大，體積小，重量輕，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物可分離貯存，需要時才發(fā)生放熱反應(yīng)，貯存時間長。 真正能用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)必須滿足以下條件：反應(yīng)可逆性好，無副反應(yīng)；反應(yīng)迅速；反應(yīng)生成物易分離且能穩(wěn)定貯存；反應(yīng)物和生成物無毒、無腐蝕、無可燃性；反應(yīng)熱大，反應(yīng)物價格低等，目前已篩選出一些化學(xué)吸熱反應(yīng)能基本滿足上述條件，如Ca(OH)2的熱分解反應(yīng)，利用上述吸熱反應(yīng)貯存熱能，用熱時則通過放熱反應(yīng)釋放熱能。但是，Ca（OH)2在大氣壓脫水反應(yīng)溫度高于500，利用太陽能在這一溫度下實(shí)現(xiàn)脫水十分困難，加入催化劑可降低反應(yīng)溫度，但仍相當(dāng)高。所以，對化學(xué)反應(yīng)貯存熱能尚需進(jìn)行深入研究，一時難以實(shí)用。其它可用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)還有金屬氫化物的熱分解反應(yīng)、硫酸氫銨循環(huán)反應(yīng)等。 4、