太陽能利用類型及原理分析探討.doc

太陽能利用類型及原理分析探討.txt我的優(yōu)點(diǎn)是：我很帥；但是我的缺點(diǎn)是：我?guī)浀牟幻黠@。什么是幸福？幸福就是貓吃魚，狗吃肉，奧特曼打小怪獸！令堂可是令尊表姐？我是胖人，不是粗人。 本文由zhegan66貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 太 陽 能 太陽能應(yīng)用 應(yīng)用： 一 、 太陽能應(yīng)用 狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化 學(xué)的直接轉(zhuǎn)換，太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富， 既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種 新的生活形態(tài)，使社會及人類進(jìn)入一個節(jié)約能源減少污染的時代。目 前太陽能發(fā)電、太陽熱能越來越廣發(fā)。 二、 三、 珠海太陽能熱水工程 太陽能利用 二 、 太陽能分類 太陽能光伏 光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電 直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部 直流電 以半導(dǎo)體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒有活動的部 分，故可以長時間操作而不會導(dǎo)致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表及 計算機(jī)提供能源， 較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明， 并為電網(wǎng)供電。 光 伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電力。近年， 天臺及建筑物表面均會使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝 置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)。 太陽熱能 現(xiàn)代的太陽熱能科技將陽光聚合，并運(yùn)用其能量產(chǎn)生熱水、蒸氣和電力。 除了運(yùn)用適當(dāng)?shù)目萍紒硎占柲芡?，建筑物亦可利用太陽的光和熱能?方法是在設(shè)計時加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢 慢釋放太陽熱力的建筑材料。 三 、 利弊分析 優(yōu)點(diǎn) (1)普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高 山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運(yùn)輸。 (2)無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán) 境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。 (3)巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于 130 萬億噸煤， 其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。 (4)長久：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百 億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能 量是用之不竭的。 缺點(diǎn) (1)分散性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度 很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時 太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向 1 平方米面積上接收到的太 陽能平均有 1000W 左右；若按全年日夜平均，則只有 200W 左右。而在冬季 大致只有一半， 陰天一般只有 15 左右， 這樣的能流密度是很低的。 因此， 在利用太陽能時，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套 收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價較高。 (2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件 的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太 陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了 難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能 源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽 輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利 用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。 (3)效率低和成本高：目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上 是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低， 成本較高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當(dāng)一段 時期內(nèi)，太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。 四 、 技術(shù)原理 一） 太陽能發(fā)電 太陽能發(fā)電，根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn) 化為電能，即電光伏發(fā)電，但利用太陽能發(fā)電還存在成本高 、 轉(zhuǎn)換效 太陽能發(fā)電還存在成本高、 太陽能發(fā)電還存在成本高 率低的問題。 率低 1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。 如輸出電源為交流 220V 或 110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為： 1）太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太 陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。 其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能， 或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作； 2） 太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對 蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器 還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器 的可選項； 3）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池 或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要 的時候再釋放出來。 5）逆變器：太陽能的直接輸出一般都是 12VDC、24VDC、48VDC。為能 向 220VAC 的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成 交流電能，因此需要使用 DC-AC 逆變器。 2、 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮的因素： 1）太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用？該地日光輻射情況如何？ 2） 系統(tǒng)的負(fù)載功率多大？ 3）系統(tǒng)的輸出電壓是多少，直流還是交流？ 4）系統(tǒng)每天需要工作多少小時？ 5） 如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天？ 6）負(fù)載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流多大？ 7）系統(tǒng)需求的數(shù)量？ 3、太陽能電池發(fā)電原理 制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)， 其工作原理是利用光電材料 吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分 為：a、硅太陽能電池；b 以無機(jī)鹽如砷化鎵 III-V 化合物、硫化鎘、銅 銦硒等多元化合物為材料的電池；c 功能高分子材料制備的大陽能電池； d 納米晶太陽能電池等。 3.1 硅太陽能電池 硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu) 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，太陽光照在半導(dǎo)體 p-n 結(jié)上， 形成新的空穴-電子對，在 p-n 結(jié)電場的作用下，空穴由 n 區(qū)流向 p 區(qū)，電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū)， 接通電路后就形成電流。 這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。 一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下圖： 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃 色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有 3 個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示 的藍(lán)色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和， 形成 P（positive）型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得 非常活躍，形成 N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的 電子。如下圖。 N 型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而 P 型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng) P 型和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是 PN 結(jié)。 當(dāng) P 型和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時， 在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一 個特殊的薄層)，界面的 P 型一側(cè)帶負(fù)電，N 型一側(cè)帶正電。這是由于 P 型半導(dǎo) 體多空穴，N 型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N 區(qū)的電子會擴(kuò)散到 P 區(qū)，P 區(qū)的空穴會擴(kuò)散到 N 區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個由 N 指向 P 的“內(nèi)電場”，從而 阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是 PN 結(jié)。 當(dāng)晶片受光后，PN 結(jié)中，N 型半導(dǎo)體的空穴往 P 型區(qū)移動，而 P 型區(qū)中的電子往 N 型區(qū)移動，從而形成從 N 型區(qū)到 P 型區(qū)的電流。然后在 PN 結(jié)中形成電勢差， 這就形成了電源。 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過 pn 結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動， 電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過， 電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋 pn 結(jié)（如圖梳狀電極），以增加 金屬網(wǎng)格覆蓋 入射光的面積。 另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科 學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，將反射損失減小到 5甚至更 小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是 36 個）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。 硅太陽能電池的生產(chǎn)流程 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度 350450m 的高質(zhì)量硅片上制成的， 這 種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。 上述方法實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池 多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備 多晶硅薄膜電池。 化學(xué)氣相沉積主要是以 SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4 或 SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定 的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用 Si、 SiO2、Si3N4 等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶 粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD 在襯底上沉積一層較薄的非晶 硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的 多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要 有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外 采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)， 這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率 明顯提高。 納米晶化學(xué)太陽能電池 在太陽能電池中硅系太陽能電池?zé)o疑是發(fā)展最成熟的， 但由于成本居高不下， 遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池 薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近發(fā)展的納米 TiO2 晶體化學(xué)能太陽能電池 受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。 以染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs）為例，這種電池主要包括鍍有透 明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對電極以及電解質(zhì)等幾部分。 二） 太陽熱能 太陽-熱能，熱能最大好處可用保溫技術(shù)來儲備能量 儲備能量?，F(xiàn)代的太陽熱能科技將 儲備能量 陽光聚合，并運(yùn)用其能量產(chǎn)生熱水、蒸氣和電力。除了運(yùn)用適當(dāng)?shù)目萍紒硎占?陽能外，建筑物亦可利用太陽的光和熱能，方法是在設(shè)計時加入合適的裝備，例 如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建筑材料。 太陽能熱水器 1、 太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道及抽水泵其 他部件。另外在冬天需要熱交換器和膨脹槽。太陽能熱水器太陽能熱 水器熱水器中，用于吸收太陽能的部分稱為集熱器，使其可以比普通 的“玻璃建筑”構(gòu)件組合吸收更多，同時散失急劇減少。熱水器中 儲存能量的物質(zhì)是水熱容大而易流動，可以高效率地儲存能量并 方便地輸送到需要的部位。于是，更多能夠有效利用的熱能得以在建 筑中流淌。更兼最近太陽能集熱器已不局限于屋面，墻面、遮陽板、 陽臺欄板，都是可以生根的部位，從而使聚集的有效熱能較之前多出 數(shù)倍。 其中， 只需很少一部分即可滿足洗浴熱水需求， 而大部分熱水， 可以通過在一種稱為“輻射采暖地板”的系統(tǒng)中循環(huán)，在冬季多晴好天 氣的地區(qū)為建筑供暖。這種用途，充分消化了建筑太陽能熱水系統(tǒng)的 “產(chǎn)能”，使太陽熱能可以得到比通過前述的被動技術(shù)更加高效地利用。 依循環(huán)方式太陽能熱水系統(tǒng)可分兩種： 2 、 依循環(huán)方式太陽能熱水系統(tǒng)可分兩種 ： 自然循環(huán)式 此種型式的儲存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太陽輻射 的加熱，溫度上升，造成收集器及儲水箱中水溫不同而產(chǎn)生密度差， 因此引起浮力，此一熱虹吸現(xiàn)像，促使水在除水箱及收集器中自然 流動。由與密度差的關(guān)系，水流量于收集器的太陽能吸收量成正比。 此種型式因不需循環(huán)水，維護(hù)甚為簡單，故已被廣泛采用。 強(qiáng)制循環(huán)式 熱水系統(tǒng)用水使水在收集