太阳能学习总结及体会

学习总结及体会随着矿物能源匮乏和环境污染日益严重，人类越来越重视可再生能源的开发和利用。太阳能作为一种可再生的新能源，具有清洁、环保、持续、长久的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。当人类开始利用土地，进行农耕畜牧，繁衍生息时，就开始得益于太阳能的利用。太阳能利用的现代科学技术研究始于1845年，到目前为止，人们还在不断的探索太阳能利用技术，使其能更好的融入生产和生活中。太阳能利用包括光伏发电、光热发电、太阳能光化学制氢转换以及太阳热水器、太阳房等利用方式，其中太阳热水器已经实现大规模商业化。一、太阳能利用的方式太阳能的转换和利用方式目前有：光一热转换，光—电转换，光—化学转换三种。光一热转换是太阳能热利用的基本方式。它是利用太阳能将水加热储于水箱中，以便利用的方式，这种热能可以广泛应用于采暖制冷干燥温室烹饪以及工农业生产等各个领域。光热产品则是直接把太阳能转化为热能如太阳热水器等。我们知道，太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25一2.5m范围内。从光热效应来讲,太阳光谱中的红外波段直接产生热效应,而绝大部份光能不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热,主要是我们的衣服和皮肤吸收太阳光线,从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲,黑色意味着光线的几乎全部的吸收,被吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换,似乎用黑色的涂层材料就可满足了,但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知，黑体辐射的波长范围大约在2—100m之间,黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关,辐射强度的峰值对应的波长在10m附近。由此可见,太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠。因此要实现最佳的太阳能热转换,所采用的材料必须满足以下两个条件：①在太阳光谱内吸收光线程度高,即有尽量高的吸收率；②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失,即有尽可能低的发射率。一般来说,对同一波长而言,材料的吸收率和发射率有同样的数值,即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率与反射率及透射率t满足如下关系:++t=1。对于不透明材料由于t=O,则+=1。而对于黑色物体来说,=O,则=1。根据以上讨论,可知最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内,即2.5m,有1(即0)；而在2m,即热辐射波长范围内,有0(即1或0)。一般将具备这一特性的涂层材料称为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件,如在热辐射波长范围内有较大的值,则尽管在太阳光谱1,仍有很大的热辐射损失。这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部份:红外反射底层(铜、铝等高红外反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5m)附近产生强烈的吸收,在红外波段则自由透过,并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。实际上利用的选择性涂层材料,多是将超细金属颗粒分散在金属氧化物的基体上形成黑色吸收涂层。这通常采用电化学,真空蒸发和磁控溅射等工艺来实现。在太阳能热水器上得到广泛应用的太阳能吸热涂层主要有:磁控溅射涂层,选择性阳极氧化涂层等。从使用和经济角度考虑,对光热转换材料的基本要求,除了吸热性能外,还要求使用寿命要长,生长成本要低等。我国从80年代开始加快了在太阳能吸热材料方面的研究,像清华大学,北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料。所研制的黑钻选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性,适合应用在工作温度较高的真空集热管上。研制成功的用于全玻璃真空管上铝—氮/铝太阳光谱选择性吸收涂层也具有很好的性能参数。近来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法,所研制的选择性吸收涂层材料向多层化,梯度化发展。如倍受重视的氮化铝选择性吸收涂层是新一代的吸热涂层的代表。从目前已达到的水平来看,光热转换材料的性能还可进一步提高,这不仅需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺，还可在涂层的玻璃盖板表面上做文章。如德国某研究所，利用全息照相技术，在平板盖板表面上进行纳米结构处理,以增加太阳光透射率，减少太阳能的反射损失，从而使太阳能的热利用效率得到了进一步提高。太阳能光伏发电可直接将太阳光能转换成电能，是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术，具有许多优点，如:安全可靠、无噪声，能量随处可得，不受地域限制,无机械转动部件,故障率低,维护简便，可以无人值守，建站周期短,规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。因此,在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具活力的研究领域。光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应(PhotovoltaicEffect)”,简称“光伏效应”。然而,第一个实用单晶硅光伏电池(SolarCell)直到1954年才在美国贝尔实验室研制成功,从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳能光伏转换主要是以半导体材料为基础,利用光照产生电子—空穴对,在附结上可以产生光电流和光电压的现象(光伏效应),从而实现太阳能光电转换的目的。通常所用的半导体材料为硅、锗和Ⅲ—Ⅴ化合物等。一般对太阳能电池材料有如下一些要求:要充分利用太阳能辐射,即半导体材料的禁带不能太宽,否则太阳能辐射利用率太低;；有较高的光电转换效率;材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。能达到这几条要求的主要有锗、硅、砷化稼、硫化铜、锑化锡等。特别像锗、硅、砷化稼等的禁带宽度相当于近红外线的光子,对这样的半导体,太阳光谱的大部分,包括各种可见光都可以用来产生电子一空穴对。但考虑到只有禁带宽度在0.5一1.5电子伏特的半导体才有较高的光电转换效率,因此硅、砷化稼等是理想的电池材料。而锑化锡由于锡是有毒元素,其应用受到一定限制。再从原料资源、生产工艺和性能稳定性等方面综合考虑,硅是最合适最理想的太阳能电池材料,这也是为什么太阳能电池主要以硅材料为主的原因。太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等几大类。开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高效率和降低成本。1、体硅太阳电池晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料。缺点是生产成本高。2、硅基薄膜太阳电池多晶硅(ploy-Si)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格。多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高，不久将会在PV市场上占据主导地位。晶硅是硅和氢(约10%)的一种合金，具有以下优点:它对阳光的吸收系数高，活性层只有1m厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低，可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产。点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1.7eV，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅电池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减(即光致衰退)，使电池性能不稳定。3、合物半导体薄膜太阳电池主要有铜锢硒(CIS)和铜锢稼硒(CIGS)、CdTe,GaAs等，它们都是直接带隙材料，带隙宽度Eg在1-1.6eV之间，具有很好大范围太阳光谱响应特性。所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。GaAs带隙宽度1.45eV，是非常理想直接迁移型半导体PV材料，在GaAs单晶衬底上生长单结电池效率超过25%，但价格也高，用于空间。4、染料敏化TIO2纳米薄膜太阳电池以纳米多孔TiO2为半导体电极，以Ru络合物作敏化染料，并选用I2/I3一氧化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化TiO2纳米薄膜太阳电池(简称DSC)。DSC具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定在10%以上。缺点是使用液体电解质，带来使用不便以及对环境影响。在硅系太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术最成熟。UNSW大学在2000年以前就已经实现25%的单晶硅材料的转换效率。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本,其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,制造过程简单、省电、节约硅材料,对材质要求也较低。弗劳恩霍夫研究所的太阳能系统在2005年前发表的最高的多晶硅转换效率为20.4%。在实规模化应用中,多为单晶硅产品,其效率在13%～16%左右。太阳能取之不尽,但分布不均匀,随时间和空间变化差异较大,而且储存和传输难以实现。因此,将其转化为其他更方便利用的能源,已经成为当前研究太阳能利用的热点。氢能被认为是清洁的二次能源,并被视为未来最有希望替代传统的化石能源的新能源之一,且没有上述直接应用太阳能所存在的缺点。因此,太阳能制氢技术可以说具有很好的市场前景。太阳能制氢主要有以下多种方法。(1)太阳能电解水制氢太阳能电解水制氢是一种目前较为成熟的制氢方法，转化效率可以达到70%～75%。但是，电解水过程中耗电量较大，成本也就较高。(2)太阳能光化学制氢通过在水中添加某种光敏物质作催化剂，用它帮助水吸收阳光中的长波光能，从而达到连续高效利用太阳能制氢的目的。该技术已较为成熟，但效率仅为4%～5%。(3)太阳能光电化学池分解水制氢光电化学池是利用半导体材料作为光阳极，受光激发产生电子,铂合金作为阴极，光阳极和阴极组成光电化学池。这个过程只能吸收太阳光中的紫外光，所以制氢效率很低，仅为0.4%，而且还存在光电极电化学腐蚀的问题。(4)生物制氢许多藻类能利用太阳光和水作原料，在厌氧条件下，利用氢作为电子供体用于释放氢气。但是目前由于对藻类放氢机理还不够了解，太阳能转化效率较低。(5)太阳能热解水制氢这种方法是将水或水蒸气加热到2500℃以上，使水分解成为氢气和氧气，其制氢效率较高。但是由于氢氧两种气体一起产生，要想将这两者彻底分离十分困难，而且存在爆炸的危险。此外还需要使用高倍聚光器才能获得反应所需要的高温，而这类聚光器的价格较高，所以制氢的成本自然也就高。(6)太阳能热化学反应循环制氢热化学循环制氢方法，即在水中加入一种或几种中间物，然后加热到较低温度，经历不同的反应阶段，最终将水分解成氢和氧，而中间物不消耗，可循环使用。二、太阳能利用用太阳能加热低于100℃低温热水的太阳热水系统，是当前太阳能热利用中技术最成熟、最具竞争力、产业化发展最快的领域，我国太阳热水器的使用量和年产量均居世界第一。我国由于太阳热水器的使用，一年即可节约原煤832万t，减排二氧化碳374万t,减排二氧化硫17万t，减排粉尘12万t，如果按每年15%左右的增长速度计，到2010年我国太阳热水器的年销售量将达到2000万㎡保有量将从目前的5200万㎡上升到约1.4亿㎡可节约420560亿kW高峰电力。太阳能房在我国东北和西北地区应用较早，目前已达1050万㎡每年节约25万tce。太阳能低温地板采暖所需温度为30℃—40℃，适用于6层以下的板楼住宅、办公楼、学校和别墅。对于广大郊区农村冬季采暖，夏季降温非常实用，在农村推广其经济效益会更加理想。太阳能干燥技术成熟，干燥温度在0℃—65℃之间，用于干燥中草药，农副产品，水产品及工业品时与自然干燥相比，缩短时间2.5—6倍，提高了干燥质量和营养成份，干燥1t红枣和农副产品可省煤lt。太阳灶可节省常规能源、减少环境污染、提高和改善农、牧民的生活水平。我国大部份地区太阳灶年利用天数为150—200天左右，年节约柴草约1000kg/台，l—2年即可回收成本。二、太阳能贮热太阳能虽然取之不竭，用之不尽，但是地面上接受到的太阳能，受气候、昼