【正文】 德考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)算起該發(fā)明是一臺(tái)利用太陽(yáng)能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機(jī)器 真正將太陽(yáng)能作為近期急需的補(bǔ)充能源未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)則是近來(lái)的事20世紀(jì)70年代以來(lái)太陽(yáng)能科技突飛猛進(jìn)太陽(yáng)能利用日新月異13我國(guó)太陽(yáng)能資源我國(guó)是太陽(yáng)能資源相當(dāng)豐富的國(guó)家絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 kWh㎡以上西藏最高達(dá)7kWh㎡太陽(yáng)能發(fā)電類型利用太陽(yáng)能發(fā)電有兩大類型一類是太陽(yáng)光發(fā)電亦稱太陽(yáng)能光發(fā)電另一類是太陽(yáng)熱發(fā)電亦稱太陽(yáng)能熱發(fā)電 太陽(yáng)能光發(fā)電是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式它包括光伏發(fā)電光化學(xué)發(fā)電光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池光電解電池和光催化電池 太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能再將熱能轉(zhuǎn)化成電能它有兩種轉(zhuǎn)化方式一種是將太陽(yáng)熱能直接轉(zhuǎn)化成電能如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電堿金屬熱電轉(zhuǎn)換以及磁流體發(fā)電等另一種方式是將太陽(yáng)熱能通過熱機(jī)如汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與常規(guī)熱力發(fā)電類似只不過是其熱能不是來(lái)自燃料而是來(lái)自太陽(yáng)能15太陽(yáng)能的應(yīng)用就目前來(lái)說人類直接利用太陽(yáng)能還處于初級(jí)階段主要有太陽(yáng)能集熱 太陽(yáng)能暖房太陽(yáng)能發(fā)電等方式 151太陽(yáng)能集熱器 太陽(yáng)能集熱器 solar collector 在太陽(yáng)能熱系統(tǒng)中接受太陽(yáng)輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的裝置按傳熱工質(zhì)可分為液體集熱器和空氣集熱器按采光方式可分為聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種一個(gè)好的太陽(yáng)能集熱器應(yīng)該能用20～30年152 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng) 早期最廣泛的太陽(yáng)能應(yīng)用即用于將水加熱現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬(wàn)太陽(yáng)能熱水裝置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要元件包括收集器儲(chǔ)存裝置及循環(huán)管路三部分此外可能還有輔助的能源裝置如電熱器等以供應(yīng)無(wú)日照時(shí)使用另外尚可能有強(qiáng)制循環(huán)用的水以控制水位或控制電動(dòng)部份或溫度的裝置以及接到負(fù)載的管路等依循環(huán)方式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)可分兩種自然循環(huán)式和自然循環(huán)式153太陽(yáng)能暖房太陽(yáng)能暖房系統(tǒng)是由太陽(yáng)能收集器熱儲(chǔ)存裝置輔助能源系統(tǒng)及室內(nèi)暖房風(fēng)扇系統(tǒng)所組成其過程乃太陽(yáng)輻射熱傳導(dǎo)經(jīng)收集器內(nèi)的工作流體將熱能儲(chǔ)存再供熱至房間至輔助熱源則可裝置在儲(chǔ)熱裝置內(nèi)直接裝設(shè)在房間內(nèi)或裝設(shè)于儲(chǔ)存裝置及房間之間等不同設(shè)計(jì)16 太陽(yáng)能發(fā)電結(jié)構(gòu)與工作原理太陽(yáng)能發(fā)電是利用電池組件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置太陽(yáng)能電池組件 Solar cells 是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)PV轉(zhuǎn)換的固體裝置在廣大的無(wú)電力網(wǎng)地區(qū)該裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)為用戶照明及生活供電一些發(fā)達(dá)國(guó)家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)目前從民用的角度在國(guó)外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是光伏建筑 照明 一體化技術(shù)而國(guó)內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無(wú)電地區(qū)家庭照明用的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng) 161太陽(yáng)能發(fā)電原理太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池組件 陣列 控制器蓄電池逆變器用戶即照明負(fù)載等組成其中太陽(yáng)能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)負(fù)載為系統(tǒng)終端 162太陽(yáng)能電源系統(tǒng)太陽(yáng)能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性 1 　電池單元由于技術(shù)和材料原因單一電池的發(fā)電量是十分有限的實(shí)用中的太陽(yáng)能電池是單一電池經(jīng)串并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)稱為電池組件 陣列 單一電池是一只硅晶體二極管根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性當(dāng)太陽(yáng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)上時(shí)在一定的條件下太陽(yáng)能輻射被半導(dǎo)體材料吸收在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴同于PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)因而能在光照下形成電流密度J短路電流Isc開路電壓Uoc 若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載理論上講由PN結(jié)連接電路和負(fù)載形成的回路就有光生電流流過太陽(yáng)能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功率P輸出 理論研究表明太陽(yáng)能電池組件的峰值功率Pk由當(dāng)?shù)氐奶?yáng)平均輻射強(qiáng)度與末端的用電負(fù)荷 需電量 決定 2 　電能儲(chǔ)存單元太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲(chǔ)存蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性蓄電池技術(shù)是十分成熟的但其容量要受到末端需電量日照時(shí)間 發(fā)電時(shí)間 的影響因此蓄電池瓦時(shí)容量和安時(shí)容量由預(yù)定的連續(xù)無(wú)日照時(shí)間決定 163控制器控制器的主要功能是使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近以獲得最高效率而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)Pm附近區(qū)域放電控制主要是指當(dāng)電池缺電系統(tǒng)故障如電池開路或接反時(shí)切斷開關(guān)目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)Pm又能跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)參數(shù)的向日葵式控制器將固定電池組件的效率提高了50左右 164DCAC逆變器逆變器按激勵(lì)方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變主要功能是將蓄電池的直流 電逆變成交流電通過全橋電路一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制濾波升壓等得到與照 明負(fù)載頻率f額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用171 優(yōu)點(diǎn) 1 普遍性太陽(yáng)光普照大地沒有地域的限制無(wú)論或無(wú)論或都處處皆有可直接開發(fā)和利用且勿須開采和運(yùn)輸 2 無(wú)害性開發(fā)利用太陽(yáng)能不會(huì)污染環(huán)境它是最清潔的能源之一在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天這一點(diǎn)是極其寶貴的 3 巨大性每年到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)輻射能約相當(dāng)于130萬(wàn)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(zhǎng)久性根據(jù)目前太陽(yáng)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(gè)意義上講可以說太陽(yáng)的能量是用之不竭的172缺點(diǎn) 1 分散性到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的總量盡管很大但是 很低 2 不穩(wěn)定性由于受到 和 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(yáng)輻照度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度 3 效率低和成本高目前太陽(yáng)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(yáng)能利用裝置因?yàn)樾势统杀据^高總的來(lái)說經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)在今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)太陽(yáng)能利用的進(jìn)一步發(fā)展主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約 18太陽(yáng)能發(fā)電前景太陽(yáng)能發(fā)電有更加激動(dòng)人心的計(jì)劃一是日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽(yáng)能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電據(jù)測(cè)算到2000年2050年2100年即使全用太陽(yáng)能發(fā)電供給全球能源占地也不過為 6511萬(wàn)平方公里 18679萬(wàn)平方公里82919萬(wàn)平方公里82919萬(wàn)平方公里才占全部海洋面積 23或全部沙漠的 514甚至才是撒哈拉沙漠的 915 因此這一方案是有可能實(shí)現(xiàn)的 另一是天上發(fā)電方案早在1980年美國(guó)宇航局和能源部就提出在空間建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站設(shè)想準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長(zhǎng)10公里寬5公里的大平板上面布滿太陽(yáng)電池這樣便可提供500萬(wàn)千瓦電力但這需要解決向地面無(wú)線輸電問題現(xiàn)已提出用微波束激光束等各種方案目前雖已用模型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了短距離短時(shí)間小功率的微波無(wú)線輸電但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程 隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展在2006年中國(guó)有三家企業(yè)進(jìn)入了全球前十名標(biāo)志著中國(guó)將成為全球新能源科技的中心之一世界上太陽(yáng)能光伏的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供應(yīng)和價(jià)格的上漲我們需要將技術(shù)推廣的同時(shí)必須采用新的技術(shù)以便大幅度降低成本為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供原動(dòng)力 太陽(yáng)能的使用主要分為幾個(gè)方面家庭用小型太陽(yáng)能電站大型并網(wǎng)電站建筑一體化光伏玻璃幕墻太陽(yáng)能路燈風(fēng)光互補(bǔ)路燈風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等現(xiàn)在主要的應(yīng)用方式為建筑一體化和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng) 世界目前已有近200家公司生產(chǎn)太陽(yáng)能電池但生產(chǎn)設(shè)備廠主要在日企之手 近年韓國(guó)三星LG都表示了積極參與的愿望中國(guó)海峽兩岸同樣十分熱心據(jù)報(bào)道我國(guó)臺(tái)灣2008年結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力達(dá)2．2GW以后將以每年1Gw生產(chǎn)能力擴(kuò)大當(dāng)年并開始生產(chǎn)薄膜太陽(yáng)能電池今年將大力增強(qiáng)臺(tái)灣期待向歐洲太陽(yáng)能電池大國(guó)看齊2010年各國(guó)及地區(qū)有1GW以上生產(chǎn)計(jì)劃的太陽(yáng)能電池廠商有日本Sharp德國(guó)QCellsSchoSolar拐5威RWESolar中國(guó)SuntechPower等5家公司其余7家500MW以上生產(chǎn)能力的公司 近年世界太陽(yáng)能電池市場(chǎng)高歌猛進(jìn)一片大好但百年不遇的金融風(fēng)暴帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)危機(jī)同樣是壓在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)頭上的一片烏云主要企業(yè)如德國(guó)QCells的業(yè)績(jī)應(yīng)聲下調(diào)預(yù)年今年世界太陽(yáng)電地市場(chǎng)也會(huì)因需求疲軟石油價(jià)格下降而競(jìng)爭(zhēng)力反提升等不利因素而下挫但與此同時(shí)人們也看到美國(guó)．奧巴馬上臺(tái)后即將施行GreenNewDeal政策包括其內(nèi)的綠色能源計(jì)劃可有1500億美元的補(bǔ)助資金日本也將推行補(bǔ)助金制度來(lái)繼續(xù)普及太陽(yáng)能電池的應(yīng)用圖2－1 太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖22太陽(yáng)能電池方陣太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元尺寸一般為4cm2到100cm2不等太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為05V 工作電流約為20－25mAcm2 一般不能單獨(dú)作為電源使用將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后就成為太陽(yáng)能電池組件其功率一般為幾瓦至幾十瓦是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率 見圖2－2 圖2－2 太陽(yáng)能電池單體組件和方陣 1硅太陽(yáng)能電池單體常用的太陽(yáng)能電池主要是硅太陽(yáng)能電池晶體硅太陽(yáng)能電池由一個(gè)晶體硅片組成在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線下表面是金屬層硅片本身是P型硅表面擴(kuò)散層是N區(qū)在這兩個(gè)區(qū)的連接處就是所謂的PN結(jié)PN結(jié)形成一個(gè)電場(chǎng)太陽(yáng)能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋以便減少太陽(yáng)能的反射損失太陽(yáng)能電池的工作原理如下光是由光子組成而光子是包含有一定能量的微粒能量的大小由光的波長(zhǎng)決定光被晶體硅吸收后在PN結(jié)中產(chǎn)生一對(duì)對(duì)正負(fù)電荷由于在PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離因而可以產(chǎn)生一個(gè)外電流場(chǎng)電流從晶體硅片電池的底端經(jīng)過負(fù)載流至電池的頂端這就是光生伏打效應(yīng)將一個(gè)負(fù)載連接在太陽(yáng)能電池的上下兩表面間時(shí)將有電流流過該負(fù)載于是太陽(yáng)能電池就產(chǎn)生了電流太陽(yáng)能電池吸收的光子越多產(chǎn)生的電流也就越大光子的能量由波長(zhǎng)決定低于