太阳能转换技术

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1、太阳能转换太阳能转换技术技术 太阳能是一种辐射能，具有即时性，必须即时转换成其它形式 能量才能利用和贮存。 将太阳能转换成不同形式的能量需要不同的能 量转换器，集热器通过吸收面可以将太阳能转换成热能，利用光伏 效应太阳电池可以将太阳能转换成电能，通过光合作用植物可以将 太阳能转换成生物质能，等等。 原则上，太阳能可以直接或间接转换 成任何形式的能量，但转换次数越多，最终太阳能转换的效率便越 低。 2 22 21 1 太阳能太阳能- -热能转换热能转换 黑色吸收面吸收太阳辐射，可以将太阳能转换成热能，其吸收 性能好，但辐射热损失大，所以黑色吸收面不是理想的太阳能吸收 面。 选择性吸收面具有高的太

2、阳吸收比和低的发射比，吸收太阳辐 射的性能好，且辐射热损失小，是比较理想的太阳能吸收面。 这种吸 收面由选择性吸收材料制成，简称为选择性涂层。它是在本世纪40 年代提出的，1955年达到实用要求，70 年代以后研制成许多新型选 择性涂层并进行批量生产和推广应用，目前已研制成上百种选择性 涂层。 我国自70 年代开始研制选择性涂层，取得了许多成果，并在太 阳集热器上广泛使用，效果十分显著。 2 22 22 2太阳能一电能转换太阳能一电能转换 电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便。将太阳 能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十 分重视，其转换途径很多，有光电直接转换

3、，有光热电间接转换等。 这里重点介绍光电直接转换器件-太阳电池。 世界上，1941年出现有关硅太阳电池报道，1954 年研制成效率 达 6的单晶硅太阳电池，1958 年太阳电池应用于卫星供电。在70 年代以前，由于太阳电池效率低，售价昂贵，主要应用在空间。70 年代以后，对太阳电池材料、 结构和工艺进行了广泛研究，在提高效 率和降低成本方面取得较大进展，地面应用规模逐渐扩大，但从大 规模利用太阳能而言，与常规发电相比，成本仍然大高。 目前，世界上太阳电他的实验室效率最高水平为：单晶硅电池 24（4cm2)，多晶硅电池 18。6（4cm2），InGaPGaAs双结电池 30 28（AM1），非晶

4、硅电池145（初始）、128（稳定）， 碲化镐电池158，硅带电池 146，二氧化钛有机纳米电池 1096。 我国于1958 年开始太阳电他的研究，40多年来取得不少成果。 目前，我国太阳电他的实验室效率最高水平为：单晶硅电池 204（2cm2cm），多晶硅电池 145（2cm2cm）、12（10cm10cm），GaAs电池 201 （lcmcm），GaAsGe电池 195（AM0），CulnSe电池9 （lcm1cm），多晶硅薄膜电池136（lcm1cm，非活性硅衬 底），非晶硅电池 86（10cm10cm）、 79（20cm20cm）、 62（30cm30c m），二氧化钛纳米有机电池10

5、（1cm1cm）。 2 22 23 3太阳能一氢能转换太阳能一氢能转换 氢能是一种高品位能源。 太阳能可以通过分解水或其它途径转 换成氢能，即太阳能制氢，其主要方法如下： 1）太阳能电解水制氢 电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法，效率较高 （75-85），但耗电大，用常规电制氢，从能量利用而言得不偿 失。 所以，只有当太阳能发电的成本大幅度下降后，才能实现大规模 电解水制氢。 2）太阳能热分解水制氢 将水或水蒸汽加热到3000K 以上，水中的氢和氧便能分解。 这种 方法制氢效率高，但需要高倍聚光器才能获得如此高的温度，一般 不采用这种方法制氢。 3）太阳能热化学循环制氢 为了降低太阳能直

6、接热分解水制氢要求的高温，发展了一种热 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。热化学循环分解的温度大致为900-1200K， 这是普通旋转抛物面镜聚光器比较容易达到的温度，其分解水的效 率在 175-755。存在的主要问题是中间物的还原，即使按 999-99 99还原，也还要作0.1-0.01的补充，这将影 响氢的价格，并造成环境污染。 4）太阳能光化学分解水制氢 这一制氢过程与上述热化学循环制氢有相似之处，在水中添加 某种光敏物质作催化剂，增加对阳光中长 波光能的吸收，利用光化学反应制氢。

7、 日本有人利用碘对光的敏感性， 设计了一套包括光化学、热电反应的综 合制氢流程，每小时可产氢97 升，效率达10左右。 5）太阳能光电化学电池分解水制氢 1972年，日本本多健一等人利用 n型二氧化钛半导体电极作阳 极，而以铂黑作阴极，制成太阳能光电化学电池，在太阳光照射下， 阴极产生氢气，阳极产生氧气，两电极用导线连接便有电流通过， 即光电化学电池在太阳光的照射下同时实现了分解水制氢、 制氧和获 得电能。 这一实验结果引起世界各国科学家高度重视，认为是太阳能 技术上的一次突破。但是，光电化学电他制氢效率很低，仅 04，只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光，且电极易受腐蚀， 性能不稳定，所以至今

8、尚未达到实用要求。 6）太阳光络合催化分解水制氢 从1972 年以来，科学家发现三联毗啶钉络合物的激发态具有 电子转移能力，并从络合催化电荷转移反应，提出利用这一过程进 行光解水制氢。这种络合物是一种催化剂，它的作用是吸收光能、产 生电荷分离、 电荷转移和集结，并通过一系列偶联过程，最终使水分 解为氢和氧。 络合催化分解水制氢尚不成熟，研究工作正在继续进行。 7）生物光合作用制氢 40多年前发现绿藻在无氧条件下，经太阳光照射可以放出氢 气；十多年前又发现，兰绿藻等许多藻类在无氧环境中适应一段时 间，在一定条件下都有光合放氢作用。 目前，由于对光合作用和藻类放氢机理了解还不够，藻类放氢 的效率很

9、低，要实现工程化产氢还有相当大的距离。 据估计，如藻类 光合作用产氢效率提高到10，则每天每平方米藻类可产氢 9克分 子，用5 万平方公里接受的太阳能，通过光合放氢工程即可满足美 国的全部燃料需要。 2 22 24 4太阳能太阳能- -生物质能转换生物质能转换 通过植物的光合作用，太阳能把二氧化碳和水合成有机物（生 物质能）并放出氧气。 光合作用是地球上最大规模转换太阳能的过程， 现代人类所用燃料是远古和当今光合作用固定的太阳能，目前，光 合作用机理尚不完全清楚，能量转换效率一般只有百分之几，今后 对其机理的研究具有重大的理论意义和实际意义。 2 22 25 5太阳能太阳能- -机械能转换机械能转换 20世纪初，俄国物理学家实验证明光具有压力。20 年代，前苏 联物理学家提出，利用在宇宙空间中巨大的太阳帆，在阳光的压力 作用下可推动宇宙飞船前进，将太阳能直接转换成机械能。 科学家估 计，在未来1020 年内，太阳帆设想可以实现。 通常，太阳能转换为机械能，需要通过中间过程进行间接转 换。