太阳能利用技术

太阳能利用技术应用化学鲁哲宏目录1.太阳能简介2.太阳能的利用方式及国内应用现状3.总结4.展望5.参考文献

1.太阳能简介◆太阳的基本结构太阳是一个由炽热气体构成的球体，主要组成是氢和氦，其中氢占80%，氦占19%。◆太阳能来源太阳能是指太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。

◆我国的太阳能资源

我国太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年辐照总量大于502万千焦/平方米，年日照时数在2000小时以上。◆太阳辐射能和到达地球的太阳能

整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.826×1033尔格或37.3×106次方兆焦，相当于每秒钟燃烧1.28亿吨标准煤所放出的能量。

太阳辐射到达地球陆地表面的能量，大约为17万亿千瓦，仅占到达地球大气外层表面总辐射量的10%。即使这样，它也相当目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。◆太阳能的优点：1)储量丰富。每年到达地球表面的太阳辐射能约为130亿吨标准煤，约为目前全球耗能总和的2×104

倍。

2)长久性。太阳辐射源源不断供给地球，按目前太阳产生的核能速率估算，氢储量可维持上百亿年，而地球寿命约为几十亿年，所以，太阳能对人类来说是取之不尽的。

3)普遍性。相对于其他能源来说，太阳辐射能分布在地球上大部分地区，可就地取用，对解决偏远地区的供能问题有极大的优越性。

4)洁净安全。太阳能素有“洁净能源”和“安全能源”之称。太阳能几乎不产生任何污染，远比常规能源清洁，也远比核能安全。

5)经济性。太阳能的长期发电成本低，是21世纪最清洁、最廉价的能源

◆太阳能的缺点：

第一、太阳能十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二、大气影响较大，给使用带来不少困难。第三、太阳能具有不稳定性：地面上太阳能还受季节、昼夜、气候等影响，时阴时晴，时强时弱。2.太阳能的利用方式及应用现状

太阳能的利用基本上有以下几种方式[1]1.光—热转换利用：热水器、温室与太阳房、太阳灶、开水器等。2.光—电转换利用：晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。3.光—生物转换利用：植物的光合作用4.光—化学转换利用：光分解水制氢2.1光—热转换利用光—热”转换利用是指把太阳辐射能用集热器收集起来转换成为热能,用热能来为人类服务[2]。“光—热”转换利用分为低温利用、中温和高温利用[3]。低温热利用包括最简单的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳热水器。中温热利用有空调制冷、制盐以及其它工业用热。高温热利用有简单的聚焦型太阳灶、焊接机和高温炉。目前应用最广泛的是太阳能热水器、太阳能空调制冷等。在“光--热”转换利用中，现今太阳能热水器是技术和经济性最好的；太阳能热水器是利用太阳辐射转化为热能，用热能加热水的原理，来供给人们热水[4]。

据统计2000～2010年的10年间，中国仅太阳能热水器累计节约11295万t标煤，折合累计减排365.19万tSO2、164.15万tNOx、282.36万t烟尘、24246.6万tCO2

温室气体，节能减排取得了显著效果。

太阳能空调[5]系统主要由太阳能集热装置、热驱动制冷装置和辅助热源组成。由于需要诸多技术需要突破，尚未得到广泛应用。

中国太阳房[6]开发利用始于20世纪80年代初，主要分布在河北、内蒙古、甘肃和西藏等的农村地区。

太阳灶[7]是太阳能热利用产品之一，尤其是在农村较多见。2.“光—电”转换利用

“光—电”转换利用是指将太阳能资源转换成为电能，包括太阳能的光热发电与太阳能光伏发电[8]；一是光能—热能—电能的转换，利用太阳辐射产生的热能来发电[9]

。太阳能热发电是利用集热器将太阳能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。世界上现有太阳能热发电系统大致分为槽式系统、塔式系统和碟式系统三类。

1)槽式系统。利用槽式聚光镜将太阳光反射到镜面焦点处的集热管上，并将管内工质加热，产生高温蒸汽，驱动常规汽轮机发电。2)塔式系统。利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将太阳光聚集到中心接受高塔上，加热工质进而发电。3)碟式系统。利用旋转抛物面反射镜将太阳光聚焦到焦点处放置的斯特林发电装置。其光学效率为三类系统中最高、启动损失小。光热发电技术比较光热发电典型案例及公司项目中科院电工所1MW塔式光热示范电站，2011年7月17日产汽，2012年8月9日发电。龙腾太阳能内蒙古乌拉特中旗600米1.6MWth槽式回路光能—电能的转换，它的主要原理是在光照之下，把太阳能电池组产生的电能给蓄电组充电或者直接给用电机器提供电能，这种发电方式也叫光伏发电。

光伏发电主要是由太阳能电池板、控制器、逆变器三大部件组成，其中太阳能电池板起到核心作用，它是光转变为电能的枢纽[10]。太阳能电池板是一个半导体组件，有阳光照射在上面时，半导体组件将光能转换为电能，当若干个电池板串联或并联组成电池方阵时就会产生大功率的电流[11]。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。

2.光能—电能的转换贝尔实验室发明了第一块太阳能电池。其效率从1954年的6％，到现在的25％以上，此类太阳能经历了单晶硅到多晶硅以及非晶硅微晶硅的发展阶段。硅太阳能电池单晶硅电池单晶硅电池[12]是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。单晶硅太阳能电池，是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

单晶硅：优点：效率高，性能稳定不足：效率达到极限生产过程耗能高，工艺繁琐多晶硅太阳能电池与单晶硅比较,由于所使用的硅远较单晶硅少,其成本远低于单晶硅电池,具有独特的优势。多晶硅太阳能电池[13]的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。优点：效率高，生产过程耗能较少（目前在太阳能市场占主导地位）不足：内部结构不稳定，强光下产生疲劳效应，效率会变低多晶硅最新研究进展..\..\1.docx由于受到原材料、加工工艺和制造过程的制约,若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳电池[14]。目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、染料敏化TiO2

太阳电池等。具有代表性的产品主要有:非晶硅太阳电池,即硅和氢(约10%)的一种合金。最早提出非晶硅太阳能电池思路的是美国RCA实验室的Carlson和Wronski提出的。2000年,我国将以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池的研究列入国家重点基础研究发展计划(973)项目,使我国非晶硅电池的研究又进入一个新阶段。薄膜太阳电池与日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的联合研究中，公司利用CIS（铜、铟和硒）技术实现了22.9％的转换效率。太阳能前沿公司称，这个结果比先前的22.6％的记录还要高出0.3％。这一成功归功于CIS吸收设计和增强的表面处理等技术。薄膜太阳能技术可用于生产柔性面板，与传统的较重太阳能设备相比，更适合某些应用。22.9%！薄膜太阳能电池效率又创新纪录光伏发电应用领域广泛1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；2.交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。3.通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。4.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。5.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。6.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。7.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。3.“光—生物”转换

“光—生物”转换利用是指绿色植物或某些细菌通过一些列复杂光合反应来实现光能转变成储存在体内的化学能，它是自然界最大规模的太阳能转换利用过程；现有巨型海藻、速生植物、油料作物等。

薪炭林，是指以生产薪炭材和提供燃料为主要目的的林木（乔木林和灌木林）。是一种见效快的再生能源，没有固定的树种，几乎所有树木均可作燃料。中国北部和西北部的刺槐、沙棘、沙枣，南方的铁刀木、银合欢、相思树、木麻黄，西南地区的桤木等均有营造薪炭林。光合作用（Photosynthesis）是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和暗反应，利用光合色素，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。

研究光合作用，对农业生产，环保等领域起着基础指导的作用。知道光反应暗反应的影响因素，可以趋利避害，如建造温室，加快空气流通，以使农作物增产。人们又了解到二磷酸核酮糖羧化酶的两面性，即既催化光合作用，又会推动光呼吸，正在尝试对其进行改造，减少后者，避免有机物和能量的消耗，提高农作物的产量。当了解到光合作用与植物呼吸的关系后，人们就可以更好的布置家居植物摆设。比如晚上就不应把植物放到室内，以避免因植物呼吸而引起室内氧气浓度降低。农业生产的目的是为了以较少的投入，获得较高的产量。根据光合作用的原理，改变光合作用的某些条件，提高光合作用强度（指植物在单位时间内通过光合作用制造糖的数量），是增加农作物产量的主要措施。这些条件主要是指光照强度、温度、CO2浓度等。如何调控环境因素来最大限度的增加光合作用强度，是现代农业的一个重大课题。农业上应用的例子有：合理密植、立体种植、适当增加二氧化碳浓度、适当延长光照时间、减少大气电场的屏蔽、设立空间电场等“光—化学”转换利用是指将光辐射能转变为化学能的过程；例如，光分解水制氢过程，由于氢反应后生成水，对环境无任何影响，故光分解水来制氢是“光—化学”转换利用中最理想的过程，它可以通过以下三种途径来进行，一是光电化学池，二是光助络合催化，三是半导体催化[15]。

4.“光—化学”转换

太阳能甲烷裂解制氢的原理图太阳光-水-氢光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学FujishimaA和HondaK两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢(简称光解水)的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。基本原理（1）光催化剂吸收能量大于带隙的光能形成电子空穴对（2）光生载荷无复合地分离并迁移到材料表面（3）吸附在表面的物种被电子空穴氧化还原生成H2和O2制备高活性的催化剂是技术核心2023/11/11此处添加公司信息33单击此处添加标题点击此处添加脚注信息点击此处添加脚注信息这个反应和绿色植物进行的光合作用类似，从能量的角度来讲都属于上升反应，因此光催化/光电催化全分解水又被称为人工光合作用。总结1.光—热转换利用是现今应用最广、成本最低、技术最好的；太阳能热水器、太阳灶在农村应用广泛，中国已成全球最大热水器市场,销量和消费量都排在全球前列[16]。光热发电技术成熟，在节能减排、低碳环保等方面具有巨大优势。2.中国的太阳能资源分布广范，有条件大规模发展光伏行业，光伏发电已成为我国新能源产业中发展最快的产业。中国光伏发电行业从2004年进入快速发展时期，光伏电池产量和装机量逐年上升；2008～2010年在国家能源项目和政策扶持下，光伏发电量快速增长。截至2015年底，中国光伏发电累计装机容量4318万千瓦[17]，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。3.光—化学和光—生物转换利用目前还处于初级阶段，大规模应用较少。展望在当前常规能源日趋枯竭、环境日趋恶化的背景下，太阳能技术的开发及应用无疑具有重大战略意义。为促进中国太阳能产业的高效发展，应从以下几方面采取相应措施:1.应以太阳能热利用为主，光伏为辅的策略推广太阳能利用市场。适度降低太阳能热水器、太阳灶、太阳能空调、太阳能路灯等太阳能产品的价格，不断开发新产品，实现产业升级换代，并促进太阳能与建筑的结合。2.加大科技投入与攻关，培养研发人才，围绕太阳能利用关键技术、绿色生产工艺、系统集成技术等重要问题层层攻关，形成具有自主知识产权的太阳能利用核心技术，增强竞争力。3.健全太阳能资源利用相关法规，加强可再生能源领域的国际合作。学习和借鉴国外的成功经验，强化中国可再生能源法规及制度体系，促进太阳能利用行业的发展。4.开发大型光伏发电站与并网工程,风-光常规能源互补的供电系统,使太阳能真正成为中国重要的新能源之一。参考文献[1]尹纪欣,朱长军.太阳能的利用及其发展趋势[J].新乡学院学报(自然科学版),2009,26(1):28-29.

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