太阳能在校园应用

目录

背景资料 (1)

（一）知识背景 (1)

一、利用太阳能 (1)

二、太阳能的光—电转换 (1)

三、太阳能电池 (1)

四、有关物理概念 (3)

五、结合校园科技景点 (4)

（二）方法背景 (4)

1、设计理念 (4)

2、对象及用途 (4)

3、教材分析 (4)

课程目标 (5)

活动方案 (5)

（一）示范性方案：太阳能电池基本性能的研究 (5)

太阳能电池性能研究实验报告记录（学生用） (7)

课余拓展实验（学生自己设计实验报告） (7)

（二）指导性方案：太阳能凉帽的制作 (8)

太阳能凉帽的制作研究实验报告记录（学生用） (9)

利用太阳能作品设计申报表...........................................................................10（三）拓展性方案：太阳能电池的研究和利用...................................................1 1 课外实验研究（请你试一试） (13)

研究成果总结 (13)

校园中太阳能电池的利用——学习单 (14)

课题申请表 (14)

课题实施记录 (15)

交流汇报提纲 (15)

课题研究结题报告 (16)

课题评价 (17)

参考资料………………………………………………………………………………………。。。。。。。。18

校园中太阳能电池的利用

上海市南洋中学陆赵华

背景资料

（一）知识背景

能源是人类社会发展的物质基础，长期以来，大

量使用的煤炭、石油和天然气等化石能源不仅日益枯

竭，而且造成了严重的环境污染。面临能源和环境的双重挑战，人们不得不研究开发利用清洁和可再生的新能源（缩写为NRSE，即New and Renewable Sources of Energy），以求人类的可持续发展，这也是现代科学技术永恒的主题。很自然的想法是向太阳要电能，但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量，使其成为本世纪的一大可利用能源，是新能源开发中的一个重要课题。我们学校设立以新能源系列为特色的科技景点，就是为了介绍和普及新能源的知识和应用，期望作为明天主人的青少年学生能够从直观上对新能源有所了解或由此产生兴趣和引起关心，也希望得到全社会的关心和扶植，使更多的有识之士立志献身于这一事业。

一、利用太阳能

太阳内部不停地进行着热核反应（氢变为氦），同时释放出巨大的能量。地球所接受的太阳能功率，平均每平方米为1353千瓦，这就是所谓的“太阳常数”。也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量。就是这些能量比目前全世界人类的能耗量大 3.5万倍。地球每年所接收的太阳能至少有6×1017kW·h，相当于74万亿吨标准煤的能量。可见利用太阳能的潜力很大，开发利用太阳能大有可为。虽然很久以来，人们在不同程度地利用着其能量（右图是利用太阳能的主要途径）。

二、太阳能的光—电转换

太阳能的大规模利用，主要是用于发电，发电方式有两种：

光—热—电转换方式：就是利用太阳辐射热能发电，一般是由太阳能集热器将吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，后一过程与火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率低而成本高，至少比普通火电站贵5～10倍。

光—电直接转换方式；其基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。光—电转换的基本装置就是太阳能电池，它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中续站、高山气象站等许多方面，尤其可以分散在边远山区、高山沙漠、海岛和农村使用，以节省一些造价很贵的输电线路。

三、太阳能电池

1、太阳能电池原理介绍

太阳能的光电转换是指太阳

的辐射能光子通过半导体物质转

变为电能的过程，在物理学上叫

“光生伏打效应”。太阳能电池

就是根据这种效应制成的。例如对于单晶硅太阳能电池来说，把单晶硅这种晶体切成（0.3--0.5mm 左右的）薄片后，经微量元素掺杂分别制成P 型或N 型半导体。简单的说，负电荷固定而正电荷可以自由移动的称为P 型半导体；而正电荷固定而负电荷可以自由移动的称为N 型半导体。如果将这两种型式的半导体放在一起，在阳光的照射下，一些光子同组成半导体的原子价电子碰撞，产生电子--空穴对，电子便会通过P--N 结沿相反方向扩散，使P 型层带正电，N 型层带负电，而产生电动势。若分别在P 型层N 型层焊上金属接触膜，接通负载，就会形成直流电流，如右图所示，如此形成的电池元件，经过适当的串联和并联，就能产生一定的电压和电流，输出所需的电能。

目前生产的光电池转换效率一般在10--20%之间，当地面阳光强度为1千瓦/米2时，每片光电池的开路电压约为0.55伏，短路电流约为30--35毫安/厘米2。

2、太阳能电池的种类

目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达20%以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳能电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。当然，特殊用途和实验室中用的太阳能电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电地，光电变换效率可达36％。

3、太阳能发电的前景

早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。1991年8月，世界各国太阳能专家聚集巴黎，专门讨论了太空太阳能电站问题。这种空间太阳能电站建在地球同步轨道的一个固定位置上，向地球上固定区域供电。其发电及传输示意如右图所示。在太阳能收集板上铺设太阳能电池，通过光电转换把太阳能转变成电能，再经微波转换器将直