太阳能利用类型及原理分析探讨.doc

太阳能利用类型及原理分析探讨.txt我的优点是：我很帅；但是我的缺点是：我帅的不明显。什么是幸福？幸福就是猫吃鱼，狗吃肉，奥特曼打小怪兽！令堂可是令尊表姐？我是胖人，不是粗人。 本文由zhegan66贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 太 阳 能 太阳能应用 应用： 一 、 太阳能应用 狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化 学的直接转换，太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富， 既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种 新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。目 前太阳能发电、太阳热能越来越广发。 二、 三、 珠海太阳能热水工程 太阳能利用 二 、 太阳能分类 太阳能光伏 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电 直流电的发电装置，由几乎全部 直流电 以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部 分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及 计算机提供能源， 较复杂的光伏系统可为房屋提供照明， 并为电网供电。 光 伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年， 天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装 置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 太阳热能 现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。 除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能， 方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢 慢释放太阳热力的建筑材料。 三 、 利弊分析 优点 (1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高 山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。 (2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环 境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 (3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿吨煤， 其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 (4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百 亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能 量是用之不竭的。 缺点 (1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度 很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时 太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向 1 平方米面积上接收到的太 阳能平均有 1000W 左右；若按全年日夜平均，则只有 200W 左右。而在冬季 大致只有一半， 阴天一般只有 15 左右， 这样的能流密度是很低的。 因此， 在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套 收集和转换设备，造价较高。 (2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件 的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太 阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了 难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能 源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳 辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利 用中较为薄弱的环节之一。 (3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上 是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低， 成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段 时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。 四 、 技术原理 一） 太阳能发电 太阳能发电，根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转 化为电能，即电光伏发电，但利用太阳能发电还存在成本高 、 转换效 太阳能发电还存在成本高、 太阳能发电还存在成本高 率低的问题。 率低 1、太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。 如输出电源为交流 220V 或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为： 1）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太 阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能力转换为电能， 或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作； 2） 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制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。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器 的可选项； 3）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。 5）逆变器：太阳能的直接输出一般都是 12VDC、24VDC、48VDC。为能 向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成 交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。 2、 太阳能发电系统的设计需要考虑的因素： 1）太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？ 2） 系统的负载功率多大？ 3）系统的输出电压是多少，直流还是交流？ 4）系统每天需要工作多少小时？ 5） 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？ 6）负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？ 7）系统需求的数量？ 3、太阳能电池发电原理 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础， 其工作原理是利用光电材料 吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分 为：a、硅太阳能电池；b 以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜 铟硒等多元化合物为材料的电池；c 功能高分子材料制备的大阳能电池； d 纳米晶太阳能电池等。 3.1 硅太阳能电池 硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，太阳光照在半导体 p-n 结上， 形成新的空穴-电子对，在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区， 接通电路后就形成电流。 这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 一般的半导体主要结构如下图： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄 色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子，所以就会产生入图所示 的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和， 形成 P（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得 非常活跃，形成 N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的 电子。如下图。 N 型半导体中含有较多的空穴，而 P 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。 当 P 型和 N 型半导体结合在一起时， 在两种半导体的交界面区域里会形成一 个特殊的薄层)，界面的 P 型一侧带负电，N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导 体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子会扩散到 P 区，P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一个由 N 指向 P 的“内电场”，从而 阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是 PN 结。 当晶片受光后，PN 结中，N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往 N 型区移动，从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。然后在 PN 结中形成电势差， 这就形成了电源。 由于半导体不是电的良导体，电子在通过 pn 结后如果在半导体中流动， 电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过， 电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 pn 结（如图梳状电极），以增加 金属网格覆盖 入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科 学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到 5甚至更 小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。 硅太阳能电池的生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350450m 的高质量硅片上制成的， 这 种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池 多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气 相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备 多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4 或 SiH4,为反应气体,在一定 的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用 Si、 SiO2、Si3N4 等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶 粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉积一层较薄的非晶 硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的 多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要 有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外 采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术， 这样制得的太阳能电池转换效率 明显提高。 纳米晶化学太阳能电池 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的， 但由于成本居高不下， 远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池 薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池 受到国内外科学家的重视。 以染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）为例，这种电池主要包括镀有透 明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 二） 太阳热能 太阳-热能，热能最大好处可用保温技术来储备能量 储备能量。现代的太阳热能科技将 储备能量 阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太 阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例 如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。 太阳能热水器 1、 太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其 他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽。太阳能热水器太阳能热 水器热水器中，用于吸收太阳能的部分称为集热器，使其可以比普通 的“玻璃建筑”构件组合吸收更多，同时散失急剧减少。热水器中 储存能量的物质是水热容大而易流动，可以高效率地储存能量并 方便地输送到需要的部位。于是，更多能够有效利用的热能得以在建 筑中流淌。更兼最近太阳能集热器已不局限于屋面，墙面、遮阳板、 阳台栏板，都是可以生根的部位，从而使聚集的有效热能较之前多出 数倍。 其中， 只需很少一部分即可满足洗浴热水需求， 而大部分热水， 可以通过在一种称为“辐射采暖地板”的系统中循环，在冬季多晴好天 气的地区为建筑供暖。这种用途，充分消化了建筑太阳能热水系统的 “产能”，使太阳热能可以得到比通过前述的被动技术更加高效地利用。 依循环方式太阳能热水系统可分两种： 2 、 依循环方式太阳能热水系统可分两种 ： 自然循环式 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射 的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差， 因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在除水箱及收集器中自然 流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。 此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。 强制循环式 热水系统用水使水在收集