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1、国内外太阳能技术现状与发展情况刘宇适 应用物理11级1班 10114628摘要：简析太阳能技术原理，太阳能发电技术分类及发展状况。展现太阳能技术在当今世界发挥的巨大作用及其地位，通过对各种相关技术的介绍分析了解不同发电技术的应用情况及优缺点。关键词：太阳能 太阳能发电技术 热发电 光伏发电 热存储 1.太阳能技术1.1太阳能简介太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（
2、光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。1.2太阳能发电技术分类目前。应用的主要太阳能发电技术分类如表1所示。其中，非聚光类太阳能热发电技术有太阳池热发电、太阳能热气流发电等；聚光类太阳能热发电技术有塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能热发电。较为成熟的太阳能发电技术是太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能热发电技术通过聚光产生高温进而发电。效率较高，更具应用前景。尽管世界各国研究太阳能热发电技术已有多年。但目前只有槽式太阳能热发电站实现了商业化示范运行。而塔式、碟式发电系统仍处于示范阶段。2.国
3、内外太阳能技术现状2.1太阳能热发电太阳热发电是一种很有发展前景的太阳能利用技术。它是将太阳能集光、集热产生高温驱动热机发电的系统。目前世界上已建成9 座大型太阳热电站,总装机容全30 兆瓦,主要在美国。收集太阳光提供热能的方法主要有中央接收器、抛物面反射器和抛物面聚焦收集器三种。 中央接收器是将地面反射镜聚集到的阳光聚焦到中央接收器上。这种方法在七十年代被人们认为是最有发展前途的。但由于存在中央接收器必须在高温下操作,体积过大等间题,使它的前途一度变得暗淡。但专家们认为这种系统容易适应高温热贮存,它比蓄电池或其他非热贮存有更大的经济潜力,并且指出,带有热贮存的中央接收器太阳热发电系统可与化石
4、燃料系统相竞争。抛物面反射器和中央接收器一样,是用一台反射镜将太阳光聚焦在一台集热器上,不同之处是每一反射镜加热它自身的集热器。大多数抛物面反射系统都是利用流体传热,同样也存在接收器的间题。为了解决这些间题,人们正在恢复外樵机,其中以“斯特林循环”发电系统效率最佳。这种系统保留了光伏电池的许多优点,易于安装,无污染。无论大小型装置效率都很高,是一种有发展前途的系统。抛物面引聚焦收集器是呈抛物面状的聚焦槽,它是将太阳光聚焦在槽中央沿槽长方向卧置的管子上,流体通过管子时被加热,变成蒸汽或热液体,从管子另一端出来、可用来驱动涡轮机或其他机械。这种槽设计简单,只须增减槽的数量,便能产生较大或较小的电量
5、,在较低温度下也能顺利运行。专家们预测,这种技术在今后50 年内将在太阳能市场上占主导地位。此外，我国还与美国合作设计并试制成功功率为5KW的碟式太阳能发电装置样机。并在2005年与以色列合作。在江苏省南京市建成了第一座功率为75KW的太阳能塔式热发电示范电站。并成功运行发电。太阳能热发电具有巨大的潜力，因此对于太阳能热发电未来的发展。应着眼于市场应用的开发。使太阳能热发电真正溶人到我们的生活当中。2.2太阳能光伏发电2.2.1太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或ll0V，还需要配置逆变器。太阳能光伏电池板是太
6、阳能光伏发电系统中的棱心部分。也是太阳能光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能。或送往蓄电池中存储起来。或推动负载工作。太阳能光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能控制器控制着整个系统的工作状态。并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中。也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。2.2.2太阳能光伏电池的原理太阳能电池内部存在PN结。当PN结处于平衡状态时，在PN结处形成耗尽层。存在由N区
7、到P区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射人电池内部的太阳光子。把电子从价带激发到导带，产生一个电子一空穴对。电子一空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向N区和P区。并向PN结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时。受势垒电场的作用，电子留在N区，空穴留在P区，形成内建电场。而由于内建电场的作用。N区中的空穴和P区中的。电子被分别推向对方区域。使N区积累了过剩的电子。P区积累了过剩的空穴。即在P_N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。当接人负载后，就会产生电流流出。2.2.3在太阳电池最新技术方面,近年已有重大突破,目前较先进的单晶硅太阳电池生产工艺有美国斯坦福大
8、学的扩散点接触工艺,喷气推进研究所的钝化发射区工艺,橡树岭实验室的激光退火扩散炉钝化工艺,日本的计算机模拟优选工艺,澳大利亚的钝化发射区背电池工艺等。非晶太阳电池最新技术主要集中在组件的生产。在生产技术方面主要实施了绒面氧化锡正面电极,改进尸层掺杂法,高反射率的背面金属化,组件的全激光划线圈形以及低成本的喷徐密封技术等。另外,采用箔本征层,多结器件结构等使a 一si 备件效率衰减低于1%。通过采用异质结和凸凹透明导膜基板以及i 层的高质量化界面控制技术,使电池效率大大提高。研究认为,采用多结组件,可提高电池效率,据预测,利用各种合金制造的双结组件效率可达到17% ,三结组件可达到24%。多晶箔
9、膜太阳电池是近年研究最多的一种新型高效化合物半导体太阳电池。主要有栖锢铜、啼化福、砷化稼、磷化锢等。CIS 太阳电池是仅次于非晶硅的新型电池,其性能稳定,吸收系数大,禁带宽度在1.OleV 左右,其效率比非晶太阳电池高。近年对CIS 与非晶硅配对的两种子组件研究,已从技术研究转向大面积工艺。目前,以CIS 为基础的多晶信膜,异质结太阳电池效率已达到14.1%。美国一家太阳能公司通过改善器件的蓝响应,改进电池设计,用一个箱层ds 层和一个宽带隙Z 窗层取代2.4e V 带隙的Cd层,使效率达到15%。当前,CIS 太阳电池的主要课题是改进晶格匹配和提高电池效率,发展多元化合物光伏材料及盈层多结太
10、阳电池,同时解决大规模生产的有关间题。啼化福也是一种有前途的箔膜太阳电池材料,美国光子公司已成功地用喷射法制造了效率为12.3%的高效太阳电池和效率为7.3% 的组件。同时也制造了四方底板Cd Te 组件样品。砷化稼是目前唯一能以单晶箔膜太阳电池形式加以利用的材料。美国一家公司已研制出A s / G a A异质结电池,取n/ P结构时,效率超过27% ,改进金属有机化学气相沉积条件的控制,改进电他格网规定和电缘钝化,预计效率可达到30%在Ga A技术制成的单结In G a A 聚光太阳电池效率超过24%,试验证明,提高In Ga A: 电流集流量可大大提高效率,这种技术也可用在多结太阳电池上。
11、磷化铜太阳电池具有效率高耐辐射性强的特点,可用于航天飞机。不少科研机构在研究结的制造和电池的加工方法。2.3有源太阳系统有源太阳系统是将太阳能转换为热能,用于供热水、供冷供暖、产业用热源等的系统。具有集热、蓄热、供热水、放热等功能。太阳热水器,技术上已相当成熟,世界上利用太阳能的国家均已达到工业性生产阶段,并作为商品进入市场。英、澳、美、日、以色列、法国和意大利等国已广泛使用太阳能热水器,并建立了强大的太阳能热水器工业。据报导,美国生产的平板式太阳能热水器、真空管热水器,其性能均居世界先进水平。生产各类太阳能热水器厂家有200 多家,年销售额10亿美元以上。日本民用型系统巳商品化,全国已安装强
12、制循环式太阳能热水器3 万多台,1990年底达到70 万台,13%以上的家庭热水均由太阳能提供。以色列法令规定新建筑物必须配备太阳热水器,1990年底,家用太阳能热水器普及率达到60% ,能满足全国热水需要量的40% ,满足国家一次能源需求量的2%。澳大利亚是世界上太阳能热水器工业最发达的国家之一,目前已有30 多万个住宅安装太阳热水系统,在西澳大利亚洲,家庭太阳热水器普及率已达到25% 以上。欧洲共同体为了促进太阳热水器工业的发展,大力支持英、法、西德、意大利和希腊五国的研究开发工作,1990 年底已推广热水器300万平方米。比1981年增长1 倍,但普及率不算高。2.4无源太阳系统无源太阳
13、系统是收集太阳光和热,利用绝热材料或建筑物进行放热调节,控制太阳光的热传递和方向,有效地利用太阳能的系统。过去的系统技术主流是利用建筑物等提高无探效果。 最近由于材料技术的进步,已开发使用了具有调光材料,透明绝热材料等新机能无源太阳元件(控制能裸量及方向的能量转换元件)的无源太阳系统。这是最有前途的系统,已引起了人们普遍的关注。有代表性的无源太阳元件有调光材料、选择放射材料、透明绝热材料等。2.5太阳化学系统太阳一化学系统是以太阳能作为化学反应动力的系统,也称从动化学系统。近年由于开发了利用光电子传递作用来促进化学反应的光催化半导体,所以可利用太阳能进行水分解、二氧化碳固定和氮的固定等多种反应
14、。太阳化学系统主要是光解水制氢。其一是利用阳光产生2 0 以上的高温,使水分解,产生氢,这种方法目前尚难形成生产规模。另一种方法是以过镀金属络合物为催化剂,进行光解水制氢,专家们认为,这是最佳的制氢方法。 新型的太阳化学系统,有德国的利用新的超坚韧塑料箔片太阳能收集器,用来收集太阳能,利用太阳能进行化学反应,释放,然后再吸收氢从而获得高效能源的装置,以色列的10 千瓦化学热管系统是用64 面由计算机控制的巨型菲涅耳透镜收集太阳能。太阳能在化学热管中被一专门化学反应器吸收,在反应器中,甲烷或其他碳氢化合物被转化为合成气体,通过管道输送到用户。3.太阳能技术的发展与展望3.1太阳能光伏发电的现状和
15、发展趋势(1)国外太阳能光伏发电现状和发展趋势。太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。2004年。世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW。2006年底达到4961.69MW。已经商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电池等几类。在国际市场上，太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元。光伏电池的光电转化效率也不断提高，目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光
16、伏发电在发电总量中将占1315。(2)国内太阳能光伏发电现状和发展趋势。20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强。成本不断降低，市场不断扩大。装机容量逐年增加，2006年累计装机容量达35MW。约占世界份额的3。10多年来，我国光伏产业长期平均维持了全球市场1左右的份额。我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展。成本将不断下降。3.2太阳能光伏发电产业发展中需要解决的问题目前。世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展。需要做好以下工作：继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率；研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，实现太阳光最大功率跟踪：研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优化组合；研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击；探索并实现太阳能光伏发电
