能源材料7-太阳能

太阳能利用及相关材料本章主要内容太阳能的利用1太用能的热利用2太阳能电池33太阳能电池材料44光电转换材料5太阳能发电太阳能交通信号灯8.1太阳能的利用太阳能飞行器太阳能飞行器太阳能汽车太阳能游船太阳能汽车太阳能暖房一、太阳能资源的优点储量的无限性每年达到地球表面的太阳能辐射能约为130万亿吨标煤；太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤；太阳辐射尚可维持1千亿年之久。存在的普遍性利用的清洁性清洁、安全：远比核能安全，比煤等常规能源清洁。利用的经济性能量密度低总量大，但能量密度低。北回归线附近夏季中午的太阳辐射强度最大也仅为1.1-1.2kW/m2左右；间断性及不稳定性受昼夜交替、季节变化及气候的影响，太阳辐射既是间断的，又是不稳定的；效率低太阳能利用技术理论上可行，但效率低。太阳能资源的局限性太阳的能流图美国《科学美国人》杂志在1971年7月刊登的“地球的能量资源”到达地球表面的太阳辐射能的流动：直接反射52000×109kJ/s以热能方式离开地球81000×109kJ/s水循环40000×109kJ/s大气流动370×109kJ/s光合作用40×109kJ/s我国太阳能分布图太阳能资源较丰富带：西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古西北部。太阳能开发利用方式光－热转换：太阳能采暖、供热、制冷、干燥等。光－电转换：太阳能电池；光－化学转换：光电催化，太阳能分解水制氢。8.2太阳能的热利用集热管：平板型集热器；真空管型集热器；聚焦型集热器一、平板型集热器平板型集热器结构示意图平板型集热器结构示意图平板型集热器材料•太阳光透过率高；•对远红外具有较低的发射率；•具有良好的机械性能；•热膨胀系数小；•耐腐蚀和抗辐照；•价格便宜。普通玻璃钢化玻璃透明塑料气凝胶一般要求透光率在0.90以上透明盖板材料性能要求优点：耐老化和透过率高；缺点：容易破裂，隔热性能差。低铁玻璃(含Fe2030.03%)，常规平板玻璃(含Fe2030.12%)吸热玻璃(含Fe2O30.48%)。氧化铁含量越低，透光率越高:粗略估计：玻璃断面呈绿色的为高铁玻璃，断面呈浅色的为低铁玻璃。普通玻璃（硼硅玻璃）减反射涂层改性选择性透射涂层改性SnO2,TiO2/Ag•钢化玻璃钢化玻璃的抗冲击强度是普通玻璃的4-5倍，抗弯曲强度是普通玻璃的3倍。用钢化玻璃代替普通玻璃可以减小厚度，从而使透过率提高和减轻重量。•透明塑料薄膜用氟树脂(如聚氟乙烯、西氟乙烯等)制成的薄膜有很好的透光性，透光率可达到0.92-0.94，耐老化性能也很好，价格便宜，不容易破碎。其缺点在于，表面容易起毛以至影响透光率，软化点低，热胀系数偏大。•气凝胶价格便宜，光学透过率低，随颗粒增大透过率增大，颗粒直径一般大于3mm。吸热板材料吸热板是将太阳能转换为热能并把热能传递给载热体的一种能量转换和热量交换器。它是集热器中最关键的部件。作为吸热板的材料有如下要求:•高的太阳光吸收率和低的红外发射率；•好的导热性；•耐腐蚀性良好；•良好的力学和加工性能；•价格便宜。吸热体是平板太阳能集热器的核心部件，它先要完成光热转换，再将热能传给待加热的水。吸热体主要由金属材料制成。初期为钢管板绑扎结构，后来出现了焊接式、铝翼式、铜铝复合式等。真空型集热器把内外玻璃管之间抽成真空，降低气体热传导散热，具有更高的光吸收效率。聚焦型集热器由于单位面积的太阳辐射功率小，利用聚光镜的反射或折射降头射到聚光镜上的太阳光集中到接收器上。太阳能热水器工作原理太阳光光子照射真空管，撞击涂层时，太阳能转化成热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降。热水始终位于上部，即水箱中。太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大，主要取决于光照。太用能热水器工作原理吸收涂层00dEdEaaTTTsTaTE光谱选择性吸收基础涂层单色吸收率太阳光辐射密度00dEdEToToTTETToEsa涂层的单色吸收率吸热体光谱辐射密度涂层热发射率集热器效率因子吸收涂层分类•集热器效率因子主要取决于太阳光的吸收率和吸热体的热发射率。•吸热体分类：按涂层光学性质和膜类型可分为：干涉滤波型涂层；半导体吸收型涂层和选择性透射黑体。•选择性透射黑体是在吸热体上沉积一层选择性透射薄膜，该薄膜具有对太阳光透射率高，但对红外有很高的反射率，从而达到太阳光透过该层被底层的吸热体吸收，而热发射率低的目的。主要选择性吸收涂层1涂料型选择性吸收涂层（主要为黑色）将吸热剂、粘接剂和溶剂混合后喷涂到吸热体表面，具有制备工艺简单，成本低，修复简单等有点。常用的吸热剂包括PbS,Fe3O4,Cr2O3,FeMnCuO4及炭黑等。涂层的性能和吸热剂组成、粘接剂、吸热剂结构、颗粒大小、制备工艺、厚度等有关。2化学转化着色膜对金属衬底进行阳极氧化处理，在表面形成一层吸收率比较高的涂层，与高红外反射的衬底结合形成选择性高的光吸收涂层。铝阳极处理原理，就是在铝及其合金所制成的物件上作成装饰及保护膜的一种过程。在铝上形成的氧化铝薄膜的制成过程是以直流电在足够的电压下经过一种适合的硫酸电解质，其中物件铝是阳极，并由另一种材料（鉛或专用石墨板）作阴极，通电一定时间逐渐生长出所需要厚度的氧化薄膜。铝氧化膜着色：有机染色；无机染色；电解着色；电镀着色1.氧化膜的形成与生长Al及铝合金的阳极氧化所用的电解液一般为中等溶解能力的酸性溶液，铅作为阴极，仅起导电作用。铝及其合金进行阳极氧化时，在阳极发生下列反应：H2O－2e---O＋2H+2Al＋3O---Al2O3在阴极发生下列反应：2H+＋2e---H2同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解，其反应为：2Al＋6H+---2Al3+＋3H2Al2O3＋6H+---2Al3+＋3H2O氧化膜的生长过程就是氧化膜不断生成和不断溶解的过程。铝氧化着色膜•铝氧化着色膜性质稳定，光吸收率为0.92-0.93；•氧化膜总厚度为0.5-0.75μm，具有较好的光吸收率；•集热效率和涂层的厚度，组成、结构以及制备工艺有关。3电镀选择性吸收层电镀黑镍获得Ni-Zn-S合金涂层；电镀黑铬涂层；双层黑镍等。普遍使用的电镀黑烙和黑镍电镀黑镍的集热器效率和电镀工艺，黑镍的厚度等因素有关，光吸收率达0.96，涂层性质稳定，是平板型集热器的主要涂层材料。渐变选择性涂层和干涉吸收型涂层渐变膜：渐变膜为多层膜，其成分和光学性能逐渐变化，金属成分为铝；其吸收层一般是9层，它对太阳光线是逐层吸收的，而且其吸收光线的性能逐渐变高。渐变膜：工作在300～500℃时，发射比大大增加，铝离子在高温状态下，活泼性增强，容易发生漂移，导致膜层的内部结构发生错乱，影响了真空管的集热效率和寿命。干涉膜：干涉膜含有铝、铁、镍、铜等多种金属组分，其吸收层共2层，两层膜之间，因金属成份的配比不同而产生干涉作用，使吸收比增加，发射比降低。渐变膜的吸收比为0.8-0.88，而发射比却为0.07～0.13；干涉膜吸收比为0.94～0.98，发射比为0.03～0.06太阳能电站欧洲最大的太阳能电站即将完工--西班牙塞维利亚美国拟建的太阳能空间电站葡萄牙和西班牙等地中海南部国家也在太阳能方面进行了大量投资，阿尔及利亚已经开始建设一座将太阳能与天然气结合的大型发电站，预计这个发电站将在2010年开始产电。阿尔及利亚计划到2020年能向欧洲输出6000兆瓦特太阳能。西班牙的太阳集热板方阵太阳能电站供应能量太阳能制冷太阳能吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热。再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机，消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。工作原理太阳能空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机两部分构成。制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器组成太阳能空调系统半导体太阳能电池：通过光电转换装置把太阳辐射能转换成电能是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。8.2太阳能电池太阳能电池：将太阳能转化为电能的装置。一、太阳能电池特点和发展1.太阳能电池通常为一种固体半导体元件，將光能直接转换为(直流)电能，但本身不儲存能量。2.太阳能电池使用方便、无废弃物、无污染、无噪音、可阻隔辐射热、或可设计为半透光。3.太阳能电池模板寿命长久，可达二十年以上。4.太阳能电池外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品--如计算机，大至发电厂皆实用)。5.发电量大小隨日光強度而变，可以輔助尖峰電力之不足(并联型)。6.太阳能电池未來与建築物結合，將可普及化。太阳能电池之效益•经济效益（偏远岛屿、紧急发电成本投資回收）•环保效益（降低石化燃料的CO2、NOx、SOx污染）•节能效益（以自然能源替代石化燃料、建立自主能源）•社會效益（疏解尖峰、紧急救灾用电之社會效益）•产业效益（创造高科技产业及就业机会）太阳能电池发展•1956年第一個太阳能电池制作成功。•1958年开始太空应用(GaAs)。•1970年开始太阳能发电系統地面应用(Si)(能源危机)。•1980年消費性薄膜太阳能电池应用(a-Si,CdS/CdTe)。•1990年与公用电力并联之太陽光发电系统技术成熟(Grid-ConnectedPVSystem,Si)(电力电子技术)。•1992年起欧、美、日各国推动太阳能发电系統之補助奖励政策。•2000年建材一体型太阳能电池应用(BIPV)。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。全球太阳能电池市场050100150200250300350400Shipment(PmpMW)199019911992199319941995199619971998199920002001YearUSJAPANEUROPEROWUVVisibleInfrared48%二、太阳能电池工作原理太阳光谱图半导体的能带和掺杂原理•费米能级(Er)：在低温下，晶体的某一能级以下的所有可能能态都将被电子占据，该能级称为费米能级(Er)。•半导体导电：半导体的禁带宽度比绝缘体小，一些电子被激发后占据导带中的能态，在价带中留下一个空穴，形成一定的导电能力。电子和空穴为载流子。半导体导电过程中的载流子复合直接复合：半导体中自由电子和空穴存在一定的几率直接相遇复合。间接复合：半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，有促进非平衡载流子复合的作用，电子和空穴通过杂质和缺陷（复合中心能级）复合的过程称为间接复合。俄歇复合：半导体中，电子与空穴复合时把能量通过碰撞转移给另一个电子和空穴的复合过程叫俄歇复合。表面复合：载流子的寿命受半导体表面状态的影响，表面有促进复合作用，表面的悬挂键、杂质和表面特有的缺陷在禁带中形成复合中心能级，促进电子和空穴复合。硅的导电性质可以通过替换相对少量的硅原子来改变，替换这些硅原子的是来自VA族(比如磷)ⅢA族的元素(比如硼和铝)。通过这些元素来替代硅原子的过程叫做掺杂。半导体的掺杂N型P型半导体的PN结的形成n型半导体和p型半导体接触后，由于在交界面处存在着电子和空穴浓度差，n区中的多数载流子一电子要向p区扩散，p区中的多数载流子一空穴要向n区扩散。扩散之后，在交界面的n型一侧产生一个正电荷区域；在交界面的p型一侧产生一个负电荷区域，并在PN内建立电场，形成PN结。半导体的光伏效应•光照能使半导体材料的不同部位之间产