太阳能的使用..

生化分析课程作业

太阳能的利用

引言

能源与社会的进步和国民经济的发展有着密切关系。随着经济的增长和技术的进步、人口的增加，对能源的需求量越来越大。《世界能源展望》报告显示，从现在到2030年，世界能源需求量将增加三分之二，煤、石油、天然气等常规能源由于储量的有限性和不可再生性已不能满足日益增长的需要[1]。当今世界的能源问题已变得十分尖锐。在这种情况下，必须重视可再生能源的利用和发展。

太阳能是一个巨大无比的能源，辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW，

相当于每分种就有相当于300亿桶石油所含的能量，约为全球能耗的2000倍[2]。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。

目前，人们在对太阳能的转换、收集、储存运输等方面的应用研究，正在取得显著的进展。太阳能的利用主要是通过光热转换、光电转换、光化学转换、光生物转换4种途径[3]。为了充分有效地利用太阳能，人们发展了多种太阳能材料。按性能和用途大体上可分为光热转换材料，光电转换材料，光化学能转换材料和光能调控变色材料等[4]。由此而形成太阳能光热利用，光电利用，光化学能利用和太阳能光能调控等相应技术。

1 太阳能的光热转换

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0.25-2.5μm范围内。从光热效应来说，太阳光谱中只有红外波段直接产生热效应，而绝大部分不能直接产生热量。要实现最佳的太阳能热转换，所采用的吸收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。

太阳能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(0.5μm) 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。

太阳能选择性吸收涂层的制备方法有涂漆法、水溶液化学转化法、溶胶凝

胶法、电化学沉积法（电镀和阳极氧化法）、气相沉积法（物理气相沉积PVD 和化学气相沉积法CVD）和真空镀膜法（真空蒸发和溅射沉积）等[5]。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，这些涂层应具有使用寿命长，生产成本低、增加太阳光透射率、减少太阳光反射损失的特点。对于太阳能的光热转换，更高效、低成本的涂层的研发无疑是研究热点[6]。

1.1 太阳能光热转换主要的应用技术-太阳能热水器

太阳能热水器(Solar water heater)指的是以太阳辐射作为能源进行加热的

热水器。其原理是将太阳光辐射转化为热能，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水需求。

太阳能热水器主要由真空集热管、保温水箱、支架、连接管道及相关附件组成。将太阳能转换成热能主要是依靠集热器(集热管)集热管上表面受阳光照射温度高，集热管背阳面温度低，使管内储水产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使储水产生微循环从而达到加热水箱储水的目的。图1.1为太阳能热水

器的简单工作原理示意图[7]。

Fig l.1 Principle diagram and working Principle diagram of solar water heater

在太阳能热水器中，高性能的真空管集热器的开发是目前太阳能热水器技术的研究热点，而真空集热管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。目前在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。我国太阳能热水器市场还远没有开发出来，热水器的户用比例只有3%，与日本的20%和以色列的80%相比相差甚远。笔者认为大力开发高性能的选择性吸收涂层材料，完善热水器的光-热转换效率、降低热水器的成本，是当今太阳能热水器开发和利用的必行之路。同时，政府颁布相应的鼓励政策，减少不可再生能源在取暖、取热方面的利用，鼓励人们采用热水器作为的取暖设备。

1.2 太阳能光热转换主要的应用技术-太阳能建筑、太阳房

太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方式。把房屋看作一个集热器，通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房概念与建筑结合形成了“太阳能建筑”技术领域，成为太阳能界和建筑界共同关心的热点。太阳房可以节约75%～90%的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。在太阳房技术和应用方面，欧洲处于领先地位，特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。

太阳房平均每平方米建筑面积每年可节约20～40 公斤标准煤。我国太阳房的发展目前还存在以下问题：太阳房的设计和建造没有和建筑真正结合起来变成建筑师的设计思想和概念，没有纳入建筑规范和标准。其次是相关的透光隔热材料、带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化，使太阳房的水平受到限制。图1.2为太阳房的构造简图[8]。

Fig l.2 The solar house structure sketch

2 太阳能的光电转换

太阳能光电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PN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是硅、锗和Ⅲ-Ⅴ型化合物等。一般对太阳能半导体有如下要求：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；材料全球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、砷化镓、硫化铜、锑化镉等。

2.1 太阳能光电转换主要的应用技术-太阳能电池

太阳能电池的基本原理可以用光伏效应来解释，对于硅太阳能电池在P型半导体和N型半导体的连接处存在着一个由P-N结建立的内电场。太阳光照射到半导体上，当光子的能量大于半导体材料的禁带能级宽度时，光子就被材料所吸收并且在材料内部产生电子-空穴对。电子就要向N型一侧转移，空穴就要向P型一侧转移，这时在开路的电极上就能造成一个电压，在闭路时就能形成电流。太阳光不断的照射，这个电流就不断的产生。对不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。硅太阳能电池的工作原理如图2.1所示。