太阳能转换装置组件材料特性的研究

太阳能转换装置组件材料特性的研究

太阳能是一种纯度低、无法控制的清洁自然能源。目前,人们已研制成两种太阳能转换装置并广泛应用,一种是利用玻璃真空管吸收太阳的辐射能,将其转换成可利用的热能;另一种是利用玻璃和硅电池的光电效应,把太阳能转换成电能。透明平板玻璃作为基板材料,在太阳能转换装置中都起重要的作用。1能源玻璃的生产1.1太阳能玻璃的选用作为太阳能转换装置组件的太阳能玻璃,必须具备以下特性:⑴对太阳光的透过率要高,吸收率和反射率要低;⑵对风压、积雪、冰雹、热应力、投掷小石子等外力有较高的机械强度;⑶对雨水和环境中的有害气体有一定的耐腐蚀性能;⑷长期暴露在大气和阳光下,性能不严重恶化;⑸膨胀系数必须与其它结构材料相匹配。目前,能够满足上述条件的只有低铁超白浮法玻璃和低铁超白压延玻璃。由于低铁超白浮法玻璃原片反射率较高,表面必须经过一定的处理才能达到作为太阳能玻璃的要求,而低铁超白压延玻璃经钢化处理就可作为太阳能玻璃,所以,低铁超白压延玻璃是太阳能装置首选的盖板材料。因此,低铁压延法是太阳能玻璃较为理想的工艺。1.2能源玻璃生产1.2.1原料中fe2o3含量根据太阳能玻璃高透过率的要求,从原料制备起就严格控制铁含量,一般要求原料中Fe2O3含量不超过0.015%。为了避免主要原料的成分波动,从原料品位、水份、粒度、仓储、运输等各环节采取相应措施,确保太阳能玻璃的高透过率。1.2.2低铁太阳能玻璃原片生产⑴法国圣戈班集团是世界上超白玻璃的主要生产商,产品占有世界超白浮法玻璃六成以上的市场份额,以Saint-GobainGlassVision系列著称。⑵美国PPG公司PPG专利特公平7-29810揭示一种(总)Fe2O3含量为0.010%的低铁超白玻璃,采用Pecoraro多阶段熔化法,使亚铁值达60%,玻璃白透。⑶其他英国的皮尔金顿、日本旭硝子、比利时的Glaverbel等也生产质量优异的低铁超白太阳能玻璃,但产量无法满足全球市场日益增长的需要。⑷国内国内可生产低铁太阳能玻璃原片的企业不多,主要分布在山东、江苏、河南和广东等地(见表1)。山东玻璃集团金晶科技公司首条600t/d超白浮法玻璃生产线于2004年11月10日点火投产,总投资10亿元,引进PPG的技术和设备。产品规格为:厚3～25mm,板宽3050～3660mm,板长1520～3660mm;厚12mm以上,板宽8000～3660mm。南京圣韩浮法玻璃公司压延超白玻璃已批量上市,产品大部分出口荷兰、韩国、泰国和我国台湾省。河南裕华玻璃有限公司新建的超白玻璃小型浮法生产线2004年8月投产,因其规格尺寸小、品种少而大多应用于太阳能电池盖板。深圳南玻集团也在研制、开发压延超白玻璃,产品将推向国内外市场。1.3能源玻璃的分类1.3.1太阳能电池隔膜太阳能玻璃的厚度范围一般有三种。⑴低铁平板玻璃——厚度为2～6mm,主要用于各种太阳能装置(光电幕墙、光能转换)的基板。⑵超薄平板玻璃——厚度为0.1～0.5mm,用于太阳能发电的反射玻璃镜、太阳能电池盖板及平面显示器。⑶极超薄平板玻璃——厚度小于0.1mm,用于宇航用太阳能电池玻璃罩和平面显示器。1.3.2玻璃表面在线薄膜在浮法玻璃成形过程中,通过喷涂工艺直接在玻璃表面在线镀膜。与化学气相沉积相比,其生产成本大幅度降低,产品质量稳定。可用于太阳能电池玻璃和建筑用低辐射玻璃。1.3.3还原剂添加量除了原料制备和输运工序采取措施之外,配合料中尽量少用还原剂,稍增加芒硝用量,相应降低纯碱用量。这种玻璃3mm时的透过率为89.3%,用它制造的镀银反射镜的反射率超过89.6%。2能源玻璃的应用2.1在太阳能集热器行业的应用2.1.1透平机发电系统是利用玻璃镜的聚焦反射,将太阳的辐射热能聚焦在集热器锅炉上而加热液体,驱动透平机发电。玻璃在高温集热器系统中起到将太阳能转换为电能的重要作用。美国在加州沙漠地区耗资1.42亿美元,建造了一座10MW塔式太阳能发电站,是太阳能发电工程的典范。2.1.2太阳能热泵利用一般又可分为平板型和真空管式两种。玻璃盖板是平板型太阳能集热器重要组成部分,通常用3.2mm的玻璃经钢化处理。真空管式集热器使用平均透过率达91%的硼硅玻璃管或钠钙玻璃管。为了进一步提高玻璃盖板的透过率、增加其强度、延长使用寿命,可降低玻璃中的铁含量、降低玻璃厚度、薄玻璃钢化处理和减反射处理。低铁玻璃在太阳能集热器上得到广泛使用。美国有200多家制造太阳能集热器的厂家,日本有400多万套太阳能集热器在运行,以色列20%以上的居民使用太阳能集热器,欧洲各国使用太阳能集热器已成为使用清洁能源的时尚。我国于50年代末就有示范型太阳能集热器问世,80年代初批量上市。现今,我国太阳能热水器年销售量居世界首位,国产太阳能热水器进入了国际市场。我国太阳能热水器对低铁玻璃的需求达1亿m2,这是一个不可忽视的巨大市场。太阳能灶用于海水淡化是21世纪的朝阳工业。利用太阳能这种可再生清洁能源解决我国水资源严重短缺具有重要的意义。海水淡化产业对太阳能玻璃的需求将与日俱增。2.2光伏发电系统自1954年发明了可将太阳能直接转换成电能的光伏材料不久,发达国家就利用半导体技术制造出太阳电池产品。80年代初,美国LOF公司和法国石油公司在玻璃板上涂敷一层半导体膜用作太阳电池基板,并成光伏发电系统,年发电量达50MW。现今太阳能电池基板以高白浮法玻璃为基片,表面镀一层ITO薄膜,使之具有高透过率和导电功能,广泛用于光伏发电工程。光伏发电系统除用于远离工业电网地区的军队、石油开采、气象、地质勘探等部门的通讯和其它电气设备、农业灌溉设施及边远地区的家庭供电外,90年代初以来,美、日、德、荷、瑞士、澳大利亚陆续在城市实施了较大规模的屋顶太阳能发电计划。以色列索来尔公司研制的一项太阳能发电技术装置可使电力价格降低6美分/kW。这项技术已被美国加州一家发电站采用。太阳能光伏发电系统的开发和应用在我国起步较晚,尤其是太阳能电池、低铁高透过率基板玻璃的科研成果尚未完全转化为产业优势,总体上尚处于产量小、应用面窄、产品单一的初级阶段。令人欣慰的是我国太阳能产业已开始运作。中国科学院启动西部行动计划,2年内投入2.5亿元研究并建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。河北保定国家高新技术开发区正加快我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产基地的建设,北京北新集团与瑞士ATLANTIS公司合资组建了北京-阿脱兰太阳能科技有限公司,生产太阳能光伏发电组件和屋面发电组件两大系列、多个品种光伏发电产品。2.3太阳能和光伏发电技术包括光伏屋顶建筑材料、透明光伏玻璃、光伏智能窗、光电玻璃幕墙等。建筑物产生能源的新概念推动了光伏技术的开发与应用。许多国家都有太阳能屋顶和外墙建筑。所使用的光电玻璃幕墙是把太阳能电池密封在双层钢化玻璃中,实现太阳能转换为电能。一种太阳能综合利用的建筑——北京天普工业园生态示范楼,将太阳能空调、太阳能取暖、太阳能热水、太阳能蓄能、太阳能光伏并网发电等多项能源技术与建筑相结合,采用了集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的太阳能光电玻璃幕墙,充分体现了建筑的智能化与人性化。上海建筑科学研究院建筑环境研究中心办公楼,采用断热双玻中空窗与阳光控制膜、光电玻璃幕墙及几乎所有的生态建筑节能技术,使综合能耗减少了四分之三。2010年上海世博会5.7km2的场馆建设将全部采用光电玻璃幕墙太阳能发电。河北省振海铝业集团有限公司引进德国凯特米化学品有限公司的技术生产光电玻璃幕墙制品。目前,世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在德国新慕尼黑贸易展览中心。1996年美国开始推广“光伏建筑物计划”,探索采用光伏发电来缓解建筑物供电的峰值负荷。1997年,美国和欧洲又相继宣布了“百万屋顶光伏计划”。这表明国际光伏市场开始由边远地区、特殊应用向并网发电和与建筑结构结合的方向发展,光伏发电开始由早期的补充能源向今后的替代能源过渡。预计到2030年光伏发电有望占全世界发电量的5%～20%,这将给太阳能玻璃带来不可估量的商机。2.4玻璃罩板及玻璃板发电能力下降人造通讯卫星、宇宙飞船、航天飞机上都装有大量的太阳能电池,将太阳光转换成电能供航天器使用。这些太阳能电池在宇宙射线的照射下工作会受到侵害,使发电能力下降、寿命缩短。所以必须设置玻璃罩板(盖玻片),以保证太阳能电池正常工作。为了减轻太阳能电池自身的重量及减轻航天飞行器的重量,玻璃罩板使用的是超薄和极超薄玻璃。为了进一步提高防宇宙射线能力,玻璃板上事先镀制一层遮挡宇宙射线和紫外线的保护膜,为防止辐照变色,配合料中加入一定量的氧化铈等添加剂。同时,玻璃罩板的膨胀系数必须与太阳能电池材料的相匹配。超薄化和轻量化是航天工程用玻璃罩板、玻璃基片的研究目标。3我国太阳能应用的展望和展望20世纪以来,环境污染问题越来越引起人们的关注,而新能源和可再生能源已成为新世纪经济发展中最具决定性影响的五个技术领域之一。太阳能利用技术和产业已由技术开拓