太陽(yáng)能利用技術(shù)

太陽(yáng)能利用技術(shù)應(yīng)用化學(xué)魯哲宏目錄1.太陽(yáng)能簡(jiǎn)介2.太陽(yáng)能的利用方式及國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀3.總結(jié)4.展望5.參考文獻(xiàn)

1.太陽(yáng)能簡(jiǎn)介◆太陽(yáng)的基本結(jié)構(gòu)太陽(yáng)是一個(gè)由熾熱氣體構(gòu)成的球體，主要組成是氫和氦，其中氫占80%，氦占19%?！籼?yáng)能來源太陽(yáng)能是指太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行著由氫聚變成氦的原子核反應(yīng)，不停地釋放出巨大的能量，不斷地向宇宙空間輻射能量。太陽(yáng)內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)可以維持很長(zhǎng)時(shí)間，據(jù)估計(jì)約有幾十億至幾百億年，相對(duì)于人類的有限生存時(shí)間而言，太陽(yáng)能可以說是取之不盡，用之不竭的。

◆我國(guó)的太陽(yáng)能資源

我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，全國(guó)有2/3以上的地區(qū)，年輻照總量大于502萬千焦/平方米，年日照時(shí)數(shù)在2000小時(shí)以上?！籼?yáng)輻射能和到達(dá)地球的太陽(yáng)能

整個(gè)太陽(yáng)每秒鐘釋放出來的能量是無比巨大的，高達(dá)3.826×1033爾格或37.3×106次方兆焦，相當(dāng)于每秒鐘燃燒1.28億噸標(biāo)準(zhǔn)煤所放出的能量。

太陽(yáng)輻射到達(dá)地球陸地表面的能量，大約為17萬億千瓦，僅占到達(dá)地球大氣外層表面總輻射量的10%。即使這樣，它也相當(dāng)目前全世界一年內(nèi)能源總消耗量的3.5萬倍。◆太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)：1)儲(chǔ)量豐富。每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能約為130億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約為目前全球耗能總和的2×104

倍。

2)長(zhǎng)久性。太陽(yáng)輻射源源不斷供給地球，按目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫儲(chǔ)量可維持上百億年，而地球壽命約為幾十億年，所以，太陽(yáng)能對(duì)人類來說是取之不盡的。

3)普遍性。相對(duì)于其他能源來說，太陽(yáng)輻射能分布在地球上大部分地區(qū)，可就地取用，對(duì)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供能問題有極大的優(yōu)越性。

4)潔凈安全。太陽(yáng)能素有“潔凈能源”和“安全能源”之稱。太陽(yáng)能幾乎不產(chǎn)生任何污染，遠(yuǎn)比常規(guī)能源清潔，也遠(yuǎn)比核能安全。

5)經(jīng)濟(jì)性。太陽(yáng)能的長(zhǎng)期發(fā)電成本低，是21世紀(jì)最清潔、最廉價(jià)的能源

◆太陽(yáng)能的缺點(diǎn)：

第一、太陽(yáng)能十分分散，能流密度較低，到達(dá)地面的太陽(yáng)能每平方米只有1000瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。第二、大氣影響較大，給使用帶來不少困難。第三、太陽(yáng)能具有不穩(wěn)定性：地面上太陽(yáng)能還受季節(jié)、晝夜、氣候等影響，時(shí)陰時(shí)晴，時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。2.太陽(yáng)能的利用方式及應(yīng)用現(xiàn)狀

太陽(yáng)能的利用基本上有以下幾種方式[1]1.光—熱轉(zhuǎn)換利用：熱水器、溫室與太陽(yáng)房、太陽(yáng)灶、開水器等。2.光—電轉(zhuǎn)換利用：晶體硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池等。3.光—生物轉(zhuǎn)換利用：植物的光合作用4.光—化學(xué)轉(zhuǎn)換利用：光分解水制氫2.1光—熱轉(zhuǎn)換利用光—熱”轉(zhuǎn)換利用是指把太陽(yáng)輻射能用集熱器收集起來轉(zhuǎn)換成為熱能,用熱能來為人類服務(wù)[2]。“光—熱”轉(zhuǎn)換利用分為低溫利用、中溫和高溫利用[3]。低溫?zé)崂冒ㄗ詈?jiǎn)單的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸餾、供暖、太陽(yáng)熱水器。中溫?zé)崂糜锌照{(diào)制冷、制鹽以及其它工業(yè)用熱。高溫?zé)崂糜泻?jiǎn)單的聚焦型太陽(yáng)灶、焊接機(jī)和高溫爐。目前應(yīng)用最廣泛的是太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)制冷等。在“光--熱”轉(zhuǎn)換利用中，現(xiàn)今太陽(yáng)能熱水器是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性最好的；太陽(yáng)能熱水器是利用太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能，用熱能加熱水的原理，來供給人們熱水[4]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)2000～2010年的10年間，中國(guó)僅太陽(yáng)能熱水器累計(jì)節(jié)約11295萬t標(biāo)煤，折合累計(jì)減排365.19萬tSO2、164.15萬tNOx、282.36萬t煙塵、24246.6萬tCO2

溫室氣體，節(jié)能減排取得了顯著效果。

太陽(yáng)能空調(diào)[5]系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱裝置、熱驅(qū)動(dòng)制冷裝置和輔助熱源組成。由于需要諸多技術(shù)需要突破，尚未得到廣泛應(yīng)用。

中國(guó)太陽(yáng)房[6]開發(fā)利用始于20世紀(jì)80年代初，主要分布在河北、內(nèi)蒙古、甘肅和西藏等的農(nóng)村地區(qū)。

太陽(yáng)灶[7]是太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品之一，尤其是在農(nóng)村較多見。2.“光—電”轉(zhuǎn)換利用

“光—電”轉(zhuǎn)換利用是指將太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)換成為電能，包括太陽(yáng)能的光熱發(fā)電與太陽(yáng)能光伏發(fā)電[8]；一是光能—熱能—電能的轉(zhuǎn)換，利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能來發(fā)電[9]

。太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能并通過熱力循環(huán)過程進(jìn)行發(fā)電。世界上現(xiàn)有太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)大致分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)三類。

1)槽式系統(tǒng)。利用槽式聚光鏡將太陽(yáng)光反射到鏡面焦點(diǎn)處的集熱管上，并將管內(nèi)工質(zhì)加熱，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電。2)塔式系統(tǒng)。利用一組獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，將太陽(yáng)光聚集到中心接受高塔上，加熱工質(zhì)進(jìn)而發(fā)電。3)碟式系統(tǒng)。利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到焦點(diǎn)處放置的斯特林發(fā)電裝置。其光學(xué)效率為三類系統(tǒng)中最高、啟動(dòng)損失小。光熱發(fā)電技術(shù)比較光熱發(fā)電典型案例及公司項(xiàng)目中科院電工所1MW塔式光熱示范電站，2011年7月17日產(chǎn)汽，2012年8月9日發(fā)電。龍騰太陽(yáng)能內(nèi)蒙古烏拉特中旗600米1.6MWth槽式回路光能—電能的轉(zhuǎn)換，它的主要原理是在光照之下，把太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生的電能給蓄電組充電或者直接給用電機(jī)器提供電能，這種發(fā)電方式也叫光伏發(fā)電。

光伏發(fā)電主要是由太陽(yáng)能電池板、控制器、逆變器三大部件組成，其中太陽(yáng)能電池板起到核心作用，它是光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臉屑~[10]。太陽(yáng)能電池板是一個(gè)半導(dǎo)體組件，有陽(yáng)光照射在上面時(shí)，半導(dǎo)體組件將光能轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)若干個(gè)電池板串聯(lián)或并聯(lián)組成電池方陣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大功率的電流[11]。目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)電池是單晶體硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池等。

2.光能—電能的轉(zhuǎn)換貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一塊太陽(yáng)能電池。其效率從1954年的6％，到現(xiàn)在的25％以上，此類太陽(yáng)能經(jīng)歷了單晶硅到多晶硅以及非晶硅微晶硅的發(fā)展階段。硅太陽(yáng)能電池單晶硅電池單晶硅電池[12]是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。單晶硅太陽(yáng)能電池，是以高純的單晶硅棒為原料的太陽(yáng)能電池，是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電池。它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。

單晶硅：優(yōu)點(diǎn)：效率高，性能穩(wěn)定不足：效率達(dá)到極限生產(chǎn)過程耗能高，工藝繁瑣多晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少,其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。多晶硅太陽(yáng)能電池[13]的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，但是多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率則要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽(yáng)能電池)。從制作成本上來講，比單晶硅太陽(yáng)能電池要便宜一些，材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。此外，多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。優(yōu)點(diǎn)：效率高，生產(chǎn)過程耗能較少（目前在太陽(yáng)能市場(chǎng)占主導(dǎo)地位）不足：內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，強(qiáng)光下產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，效率會(huì)變低多晶硅最新研究進(jìn)展..\..\1.docx由于受到原材料、加工工藝和制造過程的制約,若要再大幅度地降低單晶硅太陽(yáng)電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品,現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)電池[14]。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽(yáng)電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、染料敏化TiO2

太陽(yáng)電池等。具有代表性的產(chǎn)品主要有:非晶硅太陽(yáng)電池,即硅和氫(約10%)的一種合金。最早提出非晶硅太陽(yáng)能電池思路的是美國(guó)RCA實(shí)驗(yàn)室的Carlson和Wronski提出的。2000年,我國(guó)將以雙結(jié)非晶硅電池為重點(diǎn)的硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目,使我國(guó)非晶硅電池的研究又進(jìn)入一個(gè)新階段。薄膜太陽(yáng)電池與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的聯(lián)合研究中，公司利用CIS（銅、銦和硒）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了22.9％的轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能前沿公司稱，這個(gè)結(jié)果比先前的22.6％的記錄還要高出0.3％。這一成功歸功于CIS吸收設(shè)計(jì)和增強(qiáng)的表面處理等技術(shù)。薄膜太陽(yáng)能技術(shù)可用于生產(chǎn)柔性面板，與傳統(tǒng)的較重太陽(yáng)能設(shè)備相比，更適合某些應(yīng)用。22.9%！薄膜太陽(yáng)能電池效率又創(chuàng)新紀(jì)錄光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域廣泛1.用戶太陽(yáng)能電源：（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；（2）3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；2.交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。3.通訊/通信領(lǐng)域：太陽(yáng)能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。4.家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。5.光伏電站：10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。6.太陽(yáng)能建筑：將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。7.其他領(lǐng)域包括：（1）與汽車配套：太陽(yáng)能汽車/電動(dòng)車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；（3）海水淡化設(shè)備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。3.“光—生物”轉(zhuǎn)換

“光—生物”轉(zhuǎn)換利用是指綠色植物或某些細(xì)菌通過一些列復(fù)雜光合反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)變成儲(chǔ)存在體內(nèi)的化學(xué)能，它是自然界最大規(guī)模的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用過程；現(xiàn)有巨型海藻、速生植物、油料作物等。

薪炭林，是指以生產(chǎn)薪炭材和提供燃料為主要目的的林木（喬木林和灌木林）。是一種見效快的再生能源，沒有固定的樹種，幾乎所有樹木均可作燃料。中國(guó)北部和西北部的刺槐、沙棘、沙棗，南方的鐵刀木、銀合歡、相思樹、木麻黃，西南地區(qū)的榿木等均有營(yíng)造薪炭林。光合作用（Photosynthesis）是植物、藻類和某些細(xì)菌，在可見光的照射下，經(jīng)過光反應(yīng)和暗反應(yīng)，利用光合色素，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣的生化過程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。

研究光合作用，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，環(huán)保等領(lǐng)域起著基礎(chǔ)指導(dǎo)的作用。知道光反應(yīng)暗反應(yīng)的影響因素，可以趨利避害，如建造溫室，加快空氣流通，以使農(nóng)作物增產(chǎn)。人們又了解到二磷酸核酮糖羧化酶的兩面性，即既催化光合作用，又會(huì)推動(dòng)光呼吸，正在嘗試對(duì)其進(jìn)行改造，減少后者，避免有機(jī)物和能量的消耗，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。當(dāng)了解到光合作用與植物呼吸的關(guān)系后，人們就可以更好的布置家居植物擺設(shè)。比如晚上就不應(yīng)把植物放到室內(nèi)，以避免因植物呼吸而引起室內(nèi)氧氣濃度降低。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的是為了以較少的投入，獲得較高的產(chǎn)量。根據(jù)光合作用的原理，改變光合作用的某些條件，提高光合作用強(qiáng)度（指植物在單位時(shí)間內(nèi)通過光合作用制造糖的數(shù)量），是增加農(nóng)作物產(chǎn)量的主要措施。這些條件主要是指光照強(qiáng)度、溫度、CO2濃度等。如何調(diào)控環(huán)境因素來最大限度的增加光合作用強(qiáng)度，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)重大課題。農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的例子有：合理密植、立體種植、適當(dāng)增加二氧化碳濃度、適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間、減少大氣電場(chǎng)的屏蔽、設(shè)立空間電場(chǎng)等“光—化學(xué)”轉(zhuǎn)換利用是指將光輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程；例如，光分解水制氫過程，由于氫反應(yīng)后生成水，對(duì)環(huán)境無任何影響，故光分解水來制氫是“光—化學(xué)”轉(zhuǎn)換利用中最理想的過程，它可以通過以下三種途徑來進(jìn)行，一是光電化學(xué)池，二是光助絡(luò)合催化，三是半導(dǎo)體催化[15]。

4.“光—化學(xué)”轉(zhuǎn)換

太陽(yáng)能甲烷裂解制氫的原理圖太陽(yáng)光-水-氫光解水制氫技術(shù)始自1972年，由日本東京大學(xué)FujishimaA和HondaK兩位教授首次報(bào)告發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象，從而揭示了利用太陽(yáng)能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽(yáng)能光解水制氫的研究道路。隨著電極電解水向半導(dǎo)體光催化分解水制氫的多相光催化的演變和TiO2以外的光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn)，興起了以光催化方法分解水制氫(簡(jiǎn)稱光解水)的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進(jìn)展?；驹恚?）光催化劑吸收能量大于帶隙的光能形成電子空穴對(duì)（2）光生載荷無復(fù)合地分離并遷移到材料表面（3）吸附在表面的物種被電子空穴氧化還原生成H2和O2制備高活性的催化劑是技術(shù)核心2023/11/11此處添加公司信息33單擊此處添加標(biāo)題點(diǎn)擊此處添加腳注信息點(diǎn)擊此處添加腳注信息這個(gè)反應(yīng)和綠色植物進(jìn)行的光合作用類似，從能量的角度來講都屬于上升反應(yīng)，因此光催化/光電催化全分解水又被稱為人工光合作用?？偨Y(jié)1.光—熱轉(zhuǎn)換利用是現(xiàn)今應(yīng)用最廣、成本最低、技術(shù)最好的；太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶在農(nóng)村應(yīng)用廣泛，中國(guó)已成全球最大熱水器市場(chǎng),銷量和消費(fèi)量都排在全球前列[16]。光熱發(fā)電技術(shù)成熟，在節(jié)能減排、低碳環(huán)保等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。2.中國(guó)的太陽(yáng)能資源分布廣范，有條件大規(guī)模發(fā)展光伏行業(yè)，光伏發(fā)電已成為我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。中國(guó)光伏發(fā)電行業(yè)從2004年進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，光伏電池產(chǎn)量和裝機(jī)量逐年上升；2008～2010年在國(guó)家能源項(xiàng)目和政策扶持下，光伏發(fā)電量快速增長(zhǎng)。截至2015年底，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量4318萬千瓦[17]，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。3.光—化學(xué)和光—生物轉(zhuǎn)換利用目前還處于初級(jí)階段，大規(guī)模應(yīng)用較少。展望在當(dāng)前常規(guī)能源日趨枯竭、環(huán)境日趨惡化的背景下，太陽(yáng)能技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用無疑具有重大戰(zhàn)略意義。為促進(jìn)中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展，應(yīng)從以下幾方面采取相應(yīng)措施:1.應(yīng)以太陽(yáng)能熱利用為主，光伏為輔的策略推廣太陽(yáng)能利用市場(chǎng)。適度降低太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能路燈等太陽(yáng)能產(chǎn)品的價(jià)格，不斷開發(fā)新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，并促進(jìn)太陽(yáng)能與建筑的結(jié)合。2.加大科技投入與攻關(guān)，培養(yǎng)研發(fā)人才，圍繞太陽(yáng)能利用關(guān)鍵技術(shù)、綠色生產(chǎn)工藝、系統(tǒng)集成技術(shù)等重要問題層層攻關(guān)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽(yáng)能利用核心技術(shù)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。3.健全太陽(yáng)能資源利用相關(guān)法規(guī)，加強(qiáng)可再生能源領(lǐng)域的國(guó)際合作。學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化中國(guó)可再生能源法規(guī)及制度體系，促進(jìn)太陽(yáng)能利用行業(yè)的發(fā)展。4.開發(fā)大型光伏發(fā)電站與并網(wǎng)工程,風(fēng)-光常規(guī)能源互補(bǔ)的供電系統(tǒng),使太陽(yáng)能真正成為中國(guó)重要的新能源之一。參考文獻(xiàn)[1]尹紀(jì)欣,朱長(zhǎng)軍.太陽(yáng)能的利用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,26(1):28-29.

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