太陽能的應(yīng)用

太陽能的應(yīng)用第1頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六你所知道的能源有哪些?水能核能第2頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六地?zé)崮茱L(fēng)能潮汐能第3頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能第4頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六（指自然界中以原有形式存在的、未經(jīng)加工、轉(zhuǎn)換的能源）

（指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源）化石燃料（原煤、原油、天然氣）、核能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能等。主要是熱能、機(jī)械能和電能，也包括蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等。能源一次能源二次能源第5頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六一次能源再生能源（太陽能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能等）非再生能源（原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等）第6頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六煤(227年)石油(40年)天然氣(61年)儲存了億萬年的太陽能第7頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六化石燃料的環(huán)境污染開發(fā)和利用清潔、高效的新能源能源消耗以化石燃料為主體化石燃料的儲量有限新能源是哪些?一般指太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等可再生能源，以及氫能、核能等。?頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能的優(yōu)點

是潔凈能源，不污染環(huán)境取之不盡、用之不竭，是最廉價的能源

第9頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六

走近太陽太陽是一個熾熱的氣態(tài)球體，它的直徑約為1.39×106km，質(zhì)量約為2.2×l027t，為地球質(zhì)量的3.32×105倍，體積則比地球大1.3×106倍，平均密度為地球的1/4。其主要組成氣體為氫（約80％）和氦（約19％）。由于太陽內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，所以不斷地釋放出巨大的能量，并以輻射和對流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。由核聚變可知，氫聚合成氦在釋放巨大能量的同時，每1g質(zhì)量將虧損0.00729。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲量足夠維持600億年，因此太陽能可以說是用之不竭的。第10頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽是一個巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（3.75×1026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。廣義太陽能包括:地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能,化石燃料（如煤、石油、天然氣等）.狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。地球上的能流圖第11頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/m2，相當(dāng)于有102,000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能簡介第12頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽常數(shù)由于地球以橢圓形軌道繞太陽運(yùn)行，因此太陽與地球之間的距離不是一個常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點的輻射強(qiáng)度與距輻射源的距離的平方成反比，這意味著地球大氣上方的太陽輻射強(qiáng)度會隨日地間距離不同而異。然而，由于日地間距離太大（平均距離為1.5x108km），所以地球大氣層外的太陽輻射強(qiáng)度幾乎是一個常數(shù)。因此人們就采用所謂“太陽常數(shù)”來描述地球大氣層上方的太陽輻射強(qiáng)度。它是指平均日地距離時，在地球大氣層上界垂直于太陽輻射的單位表面積上所接受的太陽輻射能。近年來通過各種先進(jìn)手段測得的太陽常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1353w／m2。一年中由于日地距離的變化所引起太陽輻射強(qiáng)度的變化不超過上3.4％。

第13頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容我國太陽能資源分布圖示第14頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六到達(dá)地面的太陽輻射

直達(dá)日射:指直接來自太陽其輻射方向不發(fā)生改變的輻射.可以依靠透鏡或反射器來聚焦直達(dá)日射.漫射日射:被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽輻射，它由三部分組成：太陽周圍的散射（太陽表面周圍的天空亮光），地平圈散射（地平圈周圍的天空亮光或暗光），及其他的天空散射輻射。第15頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六波長分布太陽能的波長分布可以用一個黑體輻射來模擬，黑體的溫度為5800K。第16頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能利用歷史人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動力加以利用，只有300多年的歷史。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺太陽能驅(qū)動的發(fā)動機(jī)算起。該發(fā)明是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹作功而抽水的機(jī)器。在1615年～1900年之間，世界上又研制成多臺太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。這些動力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發(fā)動機(jī)功率不大，工質(zhì)主要是水蒸汽，價格昂貴，實用價值不大，大部分為太陽能愛好者個人研究制造。第17頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六20世紀(jì)太陽能科技發(fā)展歷史大體可分為七個階段:第一階段(1900-1920)

太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器，裝置逐漸擴(kuò)大，最大輸出功率達(dá)73.64kW，實用目的比較明確，造價仍然很高。建造的典型裝置有：

(1)1901年，在美國加州建成一臺太陽能抽水置;(2)1902-1908年，在美國建造了五套雙循環(huán)太陽能發(fā)動機(jī)，采用平板集熱器和低沸點工質(zhì)；(3)1913年，在埃及開羅以南建成一臺由5個拋物槽鏡組成的太陽能水泵，每個長62.5m，寬4m，總采光面積達(dá)1250m2。第二階段（1920-1945）

在這20多年中，太陽能研究工作處于低潮，參加研究工作的人數(shù)和研究項目大為減少，其原因與礦物燃料的大量開發(fā)利用和發(fā)生第二次世界大戰(zhàn)（1935-1945）有關(guān)，太陽能又不能解決當(dāng)時對能源的急需，因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落。第18頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六第三階段（1945-1965）

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的20年中，一些有遠(yuǎn)見的人士已經(jīng)注意到石油和天然氣資源正在迅速減少，呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復(fù)和開展。比較突出的研究進(jìn)展有：1955年，以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學(xué)會議上提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論，并研制成實用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了條件；1954年，美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，在這一階段里還有其它一些重要成果，比較突出的有：1952年，法國國家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽爐。1960年，在美國佛羅里達(dá)建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨-水吸收式空調(diào)系統(tǒng)，制冷能力為5冷噸。1961年，一臺帶有石英窗的斯特林發(fā)動機(jī)問世。在這一階段里，加強(qiáng)了太陽能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究，取得了如太陽選擇性涂層和硅太陽電池等技術(shù)上的重大突破。平板集熱器有了很大的發(fā)展，技術(shù)上逐漸成熟。太陽能吸收式空調(diào)的研究取得進(jìn)展，建成一批實驗性太陽房。對難度較大的斯特林發(fā)動機(jī)和塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了初步研究。第四階段(1965-1973）

這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。第19頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六第五階段（1973-1980）“能源危機(jī)”（有的稱“石油危機(jī)”）在客觀上使人們認(rèn)識到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，重新加強(qiáng)了對太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能熱潮。1973年，美國制定了政府級陽光發(fā)電計劃，太陽能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進(jìn)太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽光計劃”，其中太陽能的研究開發(fā)項目有：太陽房、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電池生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究工作日益深入，取得一批較大成果，如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池、光解水制氫、太陽能熱發(fā)電等。太陽熱水器、太陽電他等產(chǎn)品開始實現(xiàn)商業(yè)化，太陽能產(chǎn)業(yè)初步建立，但規(guī)模較小，經(jīng)濟(jì)效益尚不理想。第六階段（1980-1992）

開發(fā)利用太陽能熱潮，進(jìn)入80年代后逐漸進(jìn)入低谷。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經(jīng)費(fèi)，其中美國最為突出。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是：世界石油價格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標(biāo)沒有實現(xiàn)，以致動搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核電發(fā)展較快，對太陽能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。第七階段（1992-至今）第20頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能的利用太陽能-------熱能太陽能--------電能太陽能---------氫能太陽能----------生物質(zhì)能太陽能----------機(jī)械能第21頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六

黑色吸收面吸收太陽輻射，可以將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，其吸收性能好，但輻射熱損失大，所以黑色吸收面不是理想的太陽能吸收面。選擇性吸收面具有高的太陽吸收比和低的發(fā)射比，吸收太陽輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理想的太陽能吸收面。這種吸收面由選擇性吸收材料制成，簡稱為選擇性涂層。它是在本世紀(jì)40年代提出的，1955年達(dá)到實用要求，70年代以后研制成許多新型選擇性涂層并進(jìn)行批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，目前已研制成上百種選擇性涂層。我國自70年代開始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。太陽能-熱能轉(zhuǎn)換

第22頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能熱水器的基本原理：利用真空管集熱，促使管內(nèi)水溫高于水箱水溫，熱水比冷水輕，形成對流，最終使水箱中的溫度達(dá)到使用所需的溫度。集熱器聚光集熱器非聚光集熱器（平板集熱器，真空管集熱器）能夠利用直射輻射和散射輻射。將太陽光聚集在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽。第23頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六平板集熱器

按工質(zhì)劃分有空氣集熱器和液體集熱器，目前大量使用的是液體集熱器；按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、塑料及其它非金屬集熱器等；按結(jié)構(gòu)劃分有管板式、扁盒式、管翅式、熱管翅片式、蛇形管式集熱器，還有帶平面反射鏡集熱器和逆平板集熱器等；按蓋板劃分有單層或多層玻璃、玻璃鋼或高分子透明材料、透明隔熱材料集熱器等。目前，國內(nèi)外使用比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復(fù)合集熱器。銅翅和銅管的結(jié)合，國外一般采用高頻焊，國內(nèi)以往采用介質(zhì)焊，1995年我國也開發(fā)成功全銅高頻焊集熱器。1937年從加拿大引進(jìn)銅鋁復(fù)合生產(chǎn)線，通過消化吸收，現(xiàn)在國內(nèi)已建成十幾條銅鋁復(fù)合生產(chǎn)線。為了減少集熱器的熱損失，可以采用中空玻璃、聚碳酸酯陽光板以及透明蜂窩等作為蓋板材料，但這些材料價格較高，一時難以推廣應(yīng)用。第24頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六

真空管集熱器

為了減少平板集熱器的熱損，提高集熱溫度，國際上70年代研制成功真空集熱管，其吸熱體被封閉在高真空的玻璃真空管內(nèi)，大大提高了熱性能。將若干支真空集熱管組裝在一起，即構(gòu)成真空管集熱器，為了增加太陽光的采集量，有的在真空集熱管的背部還加裝了反光板。真空集熱管大體可分為全玻璃真空集熱管，玻璃-U型管真空集熱管，玻璃。金屬熱管真空集熱管，直通式真空集熱管和貯熱式真空集熱管。最近，我國還研制成全玻璃熱管真空集熱管和新型全玻璃直通式真空集熱管。我國自1978年從美國引進(jìn)全玻璃真空集熱管的樣管以來，經(jīng)20多年的努力，我國已經(jīng)建立了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化全玻璃真空集熱管的產(chǎn)業(yè)，用于生產(chǎn)集熱管的磁控濺射鍍膜機(jī)在百臺以上，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)世界先進(jìn)水平，產(chǎn)量雄居世界首位。我國自80年代中期開始研制熱管真空集熱管，經(jīng)過十幾年的努力，攻克了熱壓封等許多技術(shù)難關(guān)，建立了擁有全部知識產(chǎn)權(quán)的熱管真空管生產(chǎn)基地，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力居世界首位。目前，直通式真空集熱管生產(chǎn)線正在加緊進(jìn)行建設(shè)，產(chǎn)品即將投放市場。

第25頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六聚光集熱器

聚光集熱器主要由聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。按照聚光原理區(qū)分，聚光集熱器基本可分為反射聚光和折射聚光兩大類，每一類中按照聚光器的不同又可分為若干種。為了滿足太陽能利用的要求，簡化跟蹤機(jī)構(gòu)，提高可靠性，降低成本，在本世紀(jì)研制開發(fā)的聚光集熱器品種很多，但推廣應(yīng)用的數(shù)量遠(yuǎn)比平板集熱器少，商業(yè)化程度也低。在反射式聚光集熱器中應(yīng)用較多的是旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光集熱器（點聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器（線聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進(jìn)行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進(jìn)行一維跟蹤。這兩種聚光集熱器在本世紀(jì)初就有應(yīng)用，幾十年來進(jìn)行了許多改進(jìn)，如提高反射面加工精度，研制高反射材料，開發(fā)高可靠性跟蹤機(jī)構(gòu)等，現(xiàn)在這兩種拋物面鏡聚光集熱器完全能滿足各種中、高溫太陽能利用的要求，但由于造價高，限制了它們的廣泛應(yīng)用。復(fù)合拋物面鏡聚光集熱器”（CPC），它由二片槽形拋物面反射鏡組成，不需要跟蹤太陽，反射式聚光器還有圓錐反射鏡、球面反射鏡、條形反射鏡、斗式槽形反射鏡、平面。拋物面鏡聚光器等第26頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能熱水系統(tǒng)家用系統(tǒng)儲熱桶集熱器太陽輻射能太陽輻射能利用熱虹吸原理冷水補(bǔ)充輔助電熱器熱水供應(yīng)第27頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能集熱板(金屬)第28頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能熱水系統(tǒng)家用系統(tǒng)第29頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六大型太陽能熱水系統(tǒng)泵浦循環(huán)與電熱或瓦斯或燃油鍋爐搭配宿舍一樓宿舍二樓宿舍三樓第30頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能溫水游泳池第31頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能干燥第32頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能炊具第33頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能-電能轉(zhuǎn)換

世界上，1941年出現(xiàn)有關(guān)硅太陽電池報道，1954年研制成效率達(dá)6％的單晶硅太陽電池，1958年太陽電池應(yīng)用于衛(wèi)星供電。在70年代以前，由于太陽電池效率低，售價昂貴，主要應(yīng)用在空間。70年代以后，對太陽電池材料、結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了廣泛研究，在提高效率和降低成本方面取得較大進(jìn)展。目前，世界上太陽電他的實驗室效率最高水平為：單晶硅電池24％（4cm2)，多晶硅電池18.6％（4cm2），InGaP／GaAs雙結(jié)電池30．28％（AM1），非晶硅電池14．5％（初始）、12．8（穩(wěn)定），碲化鎘電池15．8％，硅帶電池14．6％，二氧化鈦有機(jī)納米電池10．96％。我國于1958年開始太陽電池的研究，40多年來取得不少成果。目前，我國太陽電他的實驗室效率最高水平為：單晶硅電池20．4％（2cm×2cm），多晶硅電池14．5％（2cm×2cm）、12％（10cm×10cm），GaAs電池20．1％（lcm×cm），GaAs／Ge電池19．5％（AM0），CulnSe電池9％（lcm×1cm），多晶硅薄膜電池13．6％（lcm×1cm，非活性硅襯底），非晶硅電池8．6％（10cm×10cm）、7．9％（20cm×20cm）、6．2％（30cm×30cm），二氧化鈦納米有機(jī)電池10％（1cm×1cm）第34頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六晶硅太陽能電池下一代新型太陽能電池薄膜太陽能電池太陽能電池分類單晶硅多晶硅非晶硅硅基非硅基Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族有機(jī)材料無機(jī)材料SiGe,SiCGaAs,InPCupc(Cds系)TiO2第35頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能電池結(jié)構(gòu)第36頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。

當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴.圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導(dǎo)體。

第37頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子

P型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結(jié)。

第38頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結(jié)。

由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場（自n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場的作用，各自向相反方向運(yùn)動：p區(qū)的電子穿過p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。第39頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。第40頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當(dāng)于在p-n結(jié)兩端加正向電壓V，使勢壘降低為qVD-qV，產(chǎn)生正向電流IF.第41頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六在pn結(jié)開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差Voc，（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這就是光電池的開路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，p-n結(jié)起了電源的作用。這就是光電池的基本原理。第42頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六

由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p－n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結(jié)（如圖梳狀電極），以增加入射光的面積。第43頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六為使半導(dǎo)體光電器件能產(chǎn)生光生電動勢（或光生積累電荷），它們應(yīng)該滿足以下兩個條件：1、半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)α，即要求入射光子的能量hν大于或等于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，使該入射光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對。2、具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)。勢壘區(qū)的重要作用是分離了兩種不同電荷的光生非平衡載流子，在p區(qū)內(nèi)積累了非平衡空穴，而在n區(qū)內(nèi)積累起非平衡電子。產(chǎn)生了一個與平衡pn結(jié)內(nèi)建電場相反的光生電場，于是在p區(qū)和n區(qū)間建立了光生電動勢（或稱光生電壓）。第44頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六除了上述pn結(jié)能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)外，金屬-半導(dǎo)體形成的肖特基勢壘層等其它許多結(jié)構(gòu)都能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。其電子過程和pn結(jié)相類似，都是使適當(dāng)波長的光照射材料后在半導(dǎo)體的界面或表面產(chǎn)生光生載流子，在勢壘區(qū)電場的作用下，光生電子和空穴向相反的方向漂移從而互相分離，在器件兩端積累產(chǎn)生光生電壓。影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的一些因素:光生電流的光學(xué)損失：反射損失：從空氣（或真空）垂直入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露的硅表面發(fā)射掉了。透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。光生少子的收集幾率：在太陽能電池內(nèi)，由于存在少子的復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個光生少數(shù)載流子不可能百分之百地被收集起來。第45頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能電池的生產(chǎn)工藝實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。第46頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能電池第47頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六第48頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能紅綠燈運(yùn)動員村及相關(guān)場館90％的洗浴用熱水要依靠太陽能系統(tǒng)，體育場館周圍的路燈及其80％－90％的能源要由太陽能系統(tǒng)提供。

2008年北京奧運(yùn)會是一場綠色奧運(yùn)第49頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六首次實現(xiàn)太陽能－熱泵中央熱水系統(tǒng)方案，以太陽能為主要熱源，輔以少量的電能驅(qū)動雙熱源熱泵，保證了陰雨天氣及冬季太陽能資源不足時熱水供應(yīng)，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。北京月壇奧運(yùn)會游泳館第50頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能景觀燈第51頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能照明燈第52頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六1）太陽能電解水制氫電解水制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法，效率較高（75％-85％），但耗電大，用常規(guī)電制氫，從能量利用而言得不償失。所以，只有當(dāng)太陽能發(fā)電的成本大幅度下降后，才能實現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫。2）太陽能熱分解水制氫將水或水蒸汽加熱到3000K以上，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。太陽能-氫能轉(zhuǎn)換

第53頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六3）太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫

為了降低太陽能直接熱分解水制氫要求的高溫，發(fā)展了一種熱化學(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。熱化學(xué)循環(huán)分解的溫度大致為900-1200K，這是普通旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光器比較容易達(dá)到的溫度，其分解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要問題是中間物的還原，即使按99．9％-99．99％還原，也還要作0.1％-0.01％的補(bǔ)充，這將影響氫的價格，并造成環(huán)境污染。第54頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六4）太陽能光化學(xué)分解水制氫

這一制氫過程與上述熱化學(xué)循環(huán)制氫有相似之處，在水中添加某種光敏物質(zhì)作催化劑，增加對陽光中長波光能的吸收，利用光化學(xué)反應(yīng)制氫。日本有人利用碘對光的敏感性，設(shè)計了一套包括光化學(xué)、熱電反應(yīng)的綜合制氫流程，每小時可產(chǎn)氫97升，效率達(dá)10％左右。第55頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六5）太陽能光電化學(xué)電池分解水制氫

1972年，日本本多健一等人利用n型二氧化鈦半導(dǎo)體電極作陽極，而以鉑黑作陰極，制成太陽能光電化學(xué)電池，在太陽光照射下，陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣，兩電極用導(dǎo)線連接便有電流通過，即光電化學(xué)電池在太陽光的照射下同時實現(xiàn)了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實驗結(jié)果引起世界各國科學(xué)家高度重視，認(rèn)為是太陽能技術(shù)上的一次突破。但是，光電化學(xué)電他制氫效率很低，僅0．4％，只能吸收太陽光中的紫外光和近紫外光，且電極易受腐蝕，性能不穩(wěn)定，所以至今尚未達(dá)到實用要求。第56頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六光解海水制氫

80年代末，國際上出現(xiàn)了光解海水制氫的方法，以激光誘導(dǎo)MOCVD制膜技術(shù)有所突破，制成新型的金屬/半導(dǎo)體/金屬氧化物光電化學(xué)膜，用此種膜作為海水電解的隔膜，能使海水分離制得氫和氧，其電耗低，轉(zhuǎn)換效率已達(dá)10％左右，此方法已引起各國科學(xué)家的關(guān)注。第57頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六

6、）太陽光絡(luò)合催化分解水制氫。從1972年以來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三聯(lián)毗啶釘絡(luò)合物的激發(fā)態(tài)具有電子轉(zhuǎn)移能力，并從絡(luò)合催化電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，提出利用這一過程進(jìn)行光解水制氫。這種絡(luò)合物是一種催化劑，它的作用是吸收光能、產(chǎn)生電荷分離、電荷轉(zhuǎn)移和集結(jié)，并通過一系列偶聯(lián)過程，最終使水分解為氫和氧。絡(luò)合催化分解水制氫尚不成熟，研究工作正在繼續(xù)進(jìn)行。7）生物光合作用制氫。40多年前發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽光照射可以放出氫氣；十多年前又發(fā)現(xiàn)，蘭綠藻等許多藻類在無氧環(huán)境中適應(yīng)一段時間，在一定條件下都有光合放氫作用。目前，由于對光合作用和藻類放氫機(jī)理了解還不夠，藻類放氫的效率很低，要實現(xiàn)工程化產(chǎn)氫還有相當(dāng)大的距離。據(jù)估計，如藻類光合作用產(chǎn)氫效率提高到10％，則每天每平方米藻類可產(chǎn)氫9克分子，用5萬平方公里接受的太陽能，通過光合放氫工程即可滿足美國的全部燃料需要。第58頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六光催化分解水原理第59頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六光解水的條件并非其位于價帶的電子能被光激發(fā)的半導(dǎo)體都能分解水。除了其禁帶寬度要大于水的電解電壓（理論值1.23eV）外,還有來自于電化學(xué)方面的要求,價帶和導(dǎo)帶的位置必須要分別同O2/H2O和H2/H2O的電極電位相適宜。具體地說,半導(dǎo)體價帶的位置應(yīng)比O2/H2O的電位更正（即在它的下部）,而導(dǎo)帶的位置應(yīng)比H2/H2O更負(fù)（即在它的上部）。第60頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和光解水的所要求的位置關(guān)系第61頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換

通過植物的光合作用，太陽能把二氧化碳和水合成有機(jī)物（生物質(zhì)能）并放出氧氣。光合作用是地球上最大規(guī)模轉(zhuǎn)換太陽能的過程，現(xiàn)代人類所用燃料是遠(yuǎn)古和當(dāng)今光合作用固定的太陽能，目前，光合作用機(jī)理尚不完全清楚，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有百分之幾，今后對其機(jī)理的研究具有重大的理論意義和實際意義。第62頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六6H2O+6CO2C6H12O6(葡萄糖)+6O2nC6H12O6(C6H10O5)n+nH2O

(光能

化學(xué)能)(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O6(s)+

6O2(g)6H2O(l)+6CO2(g)△H=-2804kJ·mol-1(化學(xué)能熱能)光葉綠素催化劑(表示每摩爾葡萄糖完全氧化放出2804kJ熱量)第63頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換20世紀(jì)初，俄國物理學(xué)家實驗證明光具有壓力。20年代，前蘇聯(lián)物理學(xué)家提出，利用在宇宙空間中巨大的太陽帆，在陽光的壓力作用下可推動宇宙飛船前進(jìn)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能?？茖W(xué)家估計，在未來10～20年內(nèi)，太陽帆設(shè)想可以實現(xiàn)。通常，太陽能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要通過中間過程進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。

第64頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六太陽能貯存熱能貯熱

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。太陽能高溫貯存溫度一般在500℃以上，目前正在試驗的材料有：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。

第65頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六3、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。第66頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六4、塑晶貯熱。1984年，美國在市場上推出一種塑晶家庭取暖材料。塑晶學(xué)名為新戊二醇（NPG），它和液晶相似，有晶體的三維周期性，但力學(xué)性質(zhì)象塑料。它能在恒定溫度下貯熱和放熱，但不是依靠固一液相變貯熱，而是通過塑晶分子構(gòu)型發(fā)生固-固相變貯熱。塑晶在恒溫44℃時，白天吸收太陽能而貯存熱能，晚上則放出白天貯存的熱能。美國對NPG的貯熱性能和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究，將塑晶熔化到玻璃和有機(jī)纖維墻板中可用于貯熱，將調(diào)整配比后的塑晶加入玻璃和纖維制成的墻板中，能制冷降溫。我國對塑晶也開展了一些實驗研究，但尚未實際應(yīng)用。5、太陽池貯熱。太陽池是一種具有一定鹽濃度梯度的鹽水池，可用于采集和貯存太陽能。由于它簡單、造價低和宜于大規(guī)模使用，引起人們的重視。60年代以后，許多國家對太陽池開展了研究，以色列還建成三座太陽池發(fā)電站。70年代以后，我國對太陽池也開展了研究，初步得到一些應(yīng)用。第67頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六電能貯存

電能貯存比熱能貯存困難，常用的是蓄電池，正在研究開發(fā)的是超導(dǎo)貯能。世界上鉛酸蓄電池的發(fā)明已有100多年的歷史，它利用化學(xué)能和電能的可逆轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)充電和放電。鉛酸蓄電池價格較低，但使用壽命短，重量大，需要經(jīng)常維護(hù)。近來開發(fā)成功少維護(hù)、免維護(hù)鉛酸蓄電池，使其性能有一定提高。目前，與光伏發(fā)電系統(tǒng)配套的貯能裝置，大部分為鉛酸蓄電池。1908年發(fā)明鎳-銅、鎳-鐵堿性蓄電池，其使用維護(hù)方便，壽命長，重量輕，但價格較貴，一般在貯能量小的情況下使用?，F(xiàn)有的蓄電池貯能密度較低，難以滿足大容量、長時間貯存電能的要求。新近開發(fā)的蓄電池有銀鋅電池、鉀電池、鈉硫電池等。某些金屬或合金在極低溫度下成為超導(dǎo)體，理論上電能可以在一個超導(dǎo)無電阻的線圈內(nèi)貯存無限長的時間。這種超導(dǎo)貯能不經(jīng)過任何其它能量轉(zhuǎn)換直接貯存電能，效率高，起動迅速，可以安裝在任何地點，尤其是消費(fèi)中心附近，不產(chǎn)生任何污染，但目前超導(dǎo)貯能在技術(shù)上尚不成熟，需要繼續(xù)研究開發(fā)。第68頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六氫能貯存

氫可以大量、長時間貯存。它能以氣相、液相、固相（氫化物）或化合物（如氨、甲醇等）形式貯存。氣相貯存：貯氫量少時，可以采用常壓濕式氣柜、高壓容器貯存；大量貯存時，可以貯存在地下貯倉、由不漏水土層復(fù)蓋的含水層、鹽穴和人工洞穴內(nèi)。液相貯存：液氫具有較高的單位體積貯氫量，但蒸發(fā)損失大。將氫氣轉(zhuǎn)化為液氫需要進(jìn)行氫的純化和壓縮，正氫-仲氫轉(zhuǎn)化，最后進(jìn)行液化。液氫生產(chǎn)過程復(fù)雜，成本高，目前主要用作火箭發(fā)動機(jī)燃料。固相貯氫：利用金屬氫化物固相貯氫，貯氫密度高，安全性好。目前，基本能滿足固相貯氫要求的材料主要是稀土系合金和鈦系合金。金屬氫化物貯氫技術(shù)研究已有30余年歷史，取得了不少成果，但仍有許多課題有待研究解決。我國對金屬氫化物貯氫技術(shù)進(jìn)行了多年研究，取得一些成果，目前研究開發(fā)工作正在深入。第69頁，共82頁，2023年，2月20日，星期六機(jī)械能貯存

太陽能轉(zhuǎn)換為電能，推動電動水泵將低位水抽至高位，便能以位能的形式貯存太陽能；太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，推動熱機(jī)壓縮空氣，也能貯存太陽能。但在機(jī)械能貯存中最受人關(guān)注的是飛輪貯能。早在50年代有人提出利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪貯能設(shè)想，但一直沒有突破性進(jìn)展。近年來，由于高強(qiáng)度碳纖維和玻璃纖維的出現(xiàn)，用其制造的飛輪轉(zhuǎn)速大大提高，增加了單位質(zhì)量的動能貯量；電磁懸浮、超導(dǎo)磁浮技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合真空技術(shù)，極大地降低了摩擦阻力和風(fēng)力損耗；電力電子的新進(jìn)展，使飛輪電機(jī)與系統(tǒng)的能量交換更加靈活。所以，近來飛輪技術(shù)已成為國際上研究熱點，美國有20多個單位從事這項研究工作，已研制成貯能20kWh飛輪，正在研制5MWh～100MWh超導(dǎo)飛輪。我國已研制成貯能0.3kwh的小型實驗飛輪。在太陽能