1、學(xué)習(xí)總結(jié)及體會(huì)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(zhǎng)久的 優(yōu)勢(shì)，成為人們應(yīng)對(duì)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(shí)，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

2、式目前有：光一熱轉(zhuǎn)換，光一電轉(zhuǎn)換，光一化學(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(chǔ)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(gè)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(zhǎng) 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

3、吸收，被吸收的光能即轉(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(gè)熱輻射問 題。從量子物理的理論可知，黑體輻射的波長(zhǎng)范圍大約在 2100之間，黑 體輻射的強(qiáng)度分布只與溫度和波長(zhǎng)有關(guān)，輻射強(qiáng)度的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在10m附近。由此可見，太陽光譜的波長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)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(duì)同一波長(zhǎng)而言，材料的吸收 率和發(fā)射率有同樣的數(shù)值，

4、即吸收率高則相應(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(duì)于不透明材料由于t= O,則:+ =1。而對(duì)于黑色物體來說,=0,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 > 2,即熱輻射波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)；有較大的值，則盡管在太陽光譜：一1,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(gè)部份：紅外反射底層（銅、鋁等高紅外反射

5、比金屬）和太陽光譜吸收層（金屬 化合物或金屬?gòu)?fù)合材料）。吸收涂層在太陽光波峰值波長(zhǎng)（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(duì)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(zhǎng)，生長(zhǎng)成本要低等。我國(guó)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

6、位先 后研制出一系列優(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 全玻璃真空管上鋁一氮/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(guó)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(guó)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

7、，減少太陽能的反射損失，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(dòng)部件，故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)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(guó)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

8、種現(xiàn)象后來被稱為 光生伏打效應(yīng)(Photovoltaic Effect) ” 簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)”。然而，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池(Solar Cell)直到1954年才在美國(guó)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)生電子一空穴對(duì),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m v化合物等。一般對(duì)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(duì)環(huán)境不造成 污染；材料

9、便于工業(yè)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(duì)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(duì)。但考慮到只有禁帶寬度在0.5 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?gòu)脑腺Y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

10、光電化學(xué)太陽電池等幾大類。開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)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(chǎng)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(jià)格。多晶硅薄膜電池優(yōu)點(diǎn)是可在廉價(jià)的 襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于晶體硅電池，效率相對(duì)較高，不久 將會(huì)在PV市場(chǎng)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(duì)陽光的吸收系數(shù)高，活性層只有1

11、m厚， 材料的需求量大大減少，沉積溫度低，可直接沉積在玻璃、不銹鋼 和塑料膜等廉價(jià)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(duì)太陽輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，限制了非晶硅電池的效率，且其效率會(huì)隨著光照時(shí)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(gè)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

12、寬度1.45eV，是非常理想直接遷移型半導(dǎo)體 PV材 料，在GaAs單晶襯底上生長(zhǎng)單結(jié)電池效率超過 25%，但價(jià)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 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(jiǎn)稱DSC)。DSC具有 理論轉(zhuǎn)換效率高，透明性高，廉價(jià)成本和簡(jiǎn)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(duì)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)

13、換效率。多晶硅太 陽電池的出現(xiàn)主要是為了降低成本，其優(yōu)點(diǎn)是能直接制備出適于規(guī)?；a(chǎn)的 大尺寸方型硅錠，制造過程簡(jiǎn)單、省電、節(jié)約硅材料，對(duì)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)?；瘧?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(shí)間和空間變化差異較大，而且儲(chǔ)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

14、說具有很好的市場(chǎng)前景。太陽能制氫主要有以下多種方法。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 就較咼。(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(zhǎng)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(gè)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。(

15、4) 生物制氫許多藻類能利用太陽光和水作原料，在厭氧條件下，利用氫作為電子供體用于釋放氫氣。但是目前由于對(duì)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 C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(xiǎn)。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(jià)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

16、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 c低溫?zé)崴奶枱崴到y(tǒng)，是當(dāng)前太陽能熱利用 中技術(shù)最成熟、最具競(jìng)爭(zhēng)力、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)域，我國(guó)太陽熱水器的使用 量和年產(chǎn)量均居世界第一。我國(guó)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(zhǎng)速度計(jì)，到2010年我國(guó)太陽熱水器的年銷售量將達(dá)到2000萬卅 保有量將從目前的5200萬川上升到約1.4億卅 可節(jié)約420560億 kW高峰電力。太陽能房在我國(guó)東北和西北地區(qū)應(yīng)用較早，目前已達(dá)1050萬卅每年節(jié)約 25萬tee 。太陽能低溫地板采暖所

17、需溫度為 30C 40C,適用于6層以下的 板樓住宅、辦公樓、學(xué)校和別墅。對(duì)于廣大郊區(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(huì)更加理想。太陽能干燥技術(shù)成熟,干燥溫度在0 C 65 C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(shí)與自然干燥相比，縮短時(shí)間2.5 6倍，提高了干 燥質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)成份，干燥1t紅棗和農(nóng)副產(chǎn)品可省煤It。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(guó)大部份地區(qū)太陽灶年利用天數(shù)為150 200天左右，年節(jié)約柴草約1000kg/臺(tái)，I2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、

18、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(duì)于大規(guī)模利用太陽能更為必要。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(jiǎn)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(bào)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(shí)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

19、陽能中溫貯存溫度一般在 100 C以上、500 C以 下，通常在300 C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 C以上，目前正在試驗(yàn)的材料有：金 屬鈉、熔融鹽等。1000 °C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(shí)才發(fā)生放熱反應(yīng)，貯存時(shí)間長(zhǎng)。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(jià)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(shí)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 C，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(duì)化學(xué)反應(yīng)貯存熱能尚需進(jìn)行深入研究，一時(shí)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、 塑晶貯熱。1984年