1、太 阳 能 利 用v太阳能的利用形式太阳能的利用形式v太陽熱能發電技術太陽熱能發電技術v太阳能电池太阳能电池-能源危机v世纪年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。v许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不作出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。-世界能源的主要来源世界能源的主要来源-2020世纪非洲，美洲，欧洲，中东的石世纪非洲，美洲，欧洲，中东的石油储量和年平均消耗量油储量和年平均消耗量石油储量石油储量/t年平均消耗量年平均消耗量/t非洲非洲9.5x1092.2x
2、108美洲美洲1.8x10108.0 x108欧洲欧洲3.6x1091.4x108中东中东6.1x10106.1x108请估算各地区石油可以使用多少年？请估算各地区石油可以使用多少年？43年年22.5年年25.7年年100年年-石油石油 40年年天然气天然气 61 年年煤煤 碳碳 227年年化石能源是不可再生能源，化石能源是不可再生能源，科学家估计使用年限科学家估计使用年限-能源危机-能源危机给人类社会带来的影响是能源危机给人类社会带来的影响是我们难以承受的，而且随着现代的我们难以承受的，而且随着现代的高速发展，人类对能源的需求量越高速发展，人类对能源的需求量越来越大。因此，开发和利用清洁，来
3、越大。因此，开发和利用清洁，高效的新能源已成为人类共同关注高效的新能源已成为人类共同关注的重大课题！的重大课题！讨讨论论同学们知道哪些新能源呢？同学们知道哪些新能源呢？-风能风能生物质能生物质能太阳能太阳能氢能氢能-波浪能波浪能地热能地热能-在新能源中，太阳在新能源中，太阳能，生物质能，氢能，生物质能，氢能和风能，海洋能，能和风能，海洋能，地热能等都是可以地热能等都是可以再生能源。再生能源。其中太阳能是最诱人的其中太阳能是最诱人的-太阳能的利用太阳能的利用v1.太阳能是地球上最基本的能源太阳能是地球上最基本的能源-太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太
4、阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为（约为3.751026W）的）的22亿分之一，但已高亿分之一，但已高达达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于地球上的能量就相当于500万吨煤。万吨煤。根据地球上的能流图可以看出，地球上的风能、根据地球上的能流图可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说石燃料（如煤、石油、天然气
5、等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。转换。-地球上的能流图（单位106MW）-讨论：大家知道日常生活中有哪些利讨论：大家知道日常生活中有哪些利用太阳能的实例？用太阳能的实例？太阳能光热转换技术的产品最多。如热水太阳能光热转换技术的产品最多。如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热房、
6、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。力发电装置及太阳能医疗器具。太阳能电池的应用范围很广。例如人造卫太阳能电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、航标灯、铁路信号灯。电围杆、航标灯、铁路信号灯。-1、光热能转换、光热能转换 原理：利用太阳辐射加热物体而获得热能原理：利用太阳辐射加热物体而获得热能应用：太阳能热水器应用：太阳能热水器 反射式太阳灶反射式太阳灶 高温太阳炉高温太阳炉 地膜、大棚、温室地膜、大棚、温室二、太阳能的利用方式二、太阳能的利用方式-光能光能热能热能太阳炉太阳炉
7、太阳灶太阳灶热水器热水器大棚大棚-太阳能应用的例子太阳能热水器-太陽能集熱器原理收集太陽輻射能，並轉換成熱能（熱水、熱空氣）輸出太陽輻射能集熱器熱能輸出工作流體輸入-太陽能集熱器的種類v低、中溫應用儲置式太陽能集熱器金屬平板集熱器（板管式、鰭管式）非金屬平板集熱器（高分子材質）真空管集熱器（全玻璃式、銅管/鰭片式）真空管熱管集熱器v高溫應用聚焦式集熱器v集中塔式(集熱器反射器)v拋物線槽體v碟型-太陽能熱水系統家用系統儲熱桶集熱器太陽輻射能太陽輻射能利用熱虹吸原理利用熱虹吸原理冷水補充輔助電熱器熱水供應-平板集熱器的結構v玻璃面蓋(透明材質)：高強度、低反射率、高透射率。單層或多層低鐵玻璃 太
8、陽能安全玻璃 合成透明板或薄膜(PE,Teflon)v吸熱板(黑色材質)：高吸熱性材質，製程-烤漆、電鍍或鍍選擇性吸收膜 (高吸收率、低放射率)。金屬(銅、鋁、鋼)合成材料(PP,PE,EPDM)v外框：鋁、鍍鋅鋼板、合成材料、木材v保溫材：玻璃棉、礦物棉、聚氨酯(PUR)v熱媒：水、空氣-金屬平板集熱器板管式、管式-真空管集熱器（銅管/片式）循環管(深入真空管內)外覆吸收膜單層玻璃真空管冷端入口熱端出口-真空管集熱器v全玻璃式熱端出口(密度輕)冷端入口(密度重)真空區內管(外覆吸收膜)雙層玻璃管結構外管(透明)避震器-其他元件儲水槽：分內外桶，隔層充滿保溫材料，如：PU發泡、保麗龍；國內水壓
9、低。v輔助加熱器：家用型多使用電熱棒，放置於最後一個桶或另外一 個獨立小桶內，亦可用瓦斯。大型系統則用鍋爐，燒 重油或用電力。需另裝定時器與溫控裝置。v管路：小系統常用銅管與PB管。中大型系統常用鍍鋅鋼管或不銹 鋼管。熱水管皆越短越好，一定要有保溫外覆材。v其它：循環泵、溫差控制器和水垢防制裝置。-太陽能熱水系統的應用架構v依循環系統分類自然循環式系統強制循環式系統自然循環式系統強制循環式系統-太陽能熱水系統的應用架構v依工作流體之加熱循環形式直接循環加熱間接循環加熱直接循環加熱間接循環加熱-太陽能集熱器原理v提高效能之基本作法：如何提高吸熱能力吸熱板導熱特性（熱傳導材質）選擇性吸收膜（熱輻射
10、吸收率）面蓋光學性質（透射率、折射度）管路導熱特性（熱傳導、熱對流、材質、接合）-太陽能熱水器安裝實例安裝注意事項：集熱板之方位角及傾斜角、無遮蔭、水質狀況、熱水管保溫、輔助加熱器。保養注意事項：板面清洗、黃水排放、定溫定時輔助加熱、注意漏水。-太陽能熱水器之優點v具有以下特色節能 再生(綠色)能源，可減少化石燃料能源使用環保 可抑制溫室氣體二氧化碳產生及環境污染安全 無爆炸災害貨瓦斯中毒等潛在危險經濟效益 使用壽命在十年以上，甚至可達二十年可節省可觀的電費支出-2、光电转换、光电转换 原理：根据光电效应，利用太阳能直接转原理：根据光电效应，利用太阳能直接转化为电能化为电能应用：应用：为无电场
11、所提供电池，包括移动为无电场所提供电池，包括移动 电电 源和备用电源、太阳能日用电子产品源和备用电源、太阳能日用电子产品 -光能光能电能电能-太阳能发电太阳能发电-美国军用太阳能发电帐篷美国军用太阳能发电帐篷-利用太阳能的电灯-利用太阳能的任天堂Wii游戏平台-Solar JKT 是全球首款豪华茄克系列，可利用太阳能为移动电可利用太阳能为移动电话、话、iPod iPod或手提通讯装置充电或手提通讯装置充电。安装在氯丁橡胶衣领下的太阳能电池可直接将太阳光转化为持续的可再生能源。而电子织物线可将电能分配到充电电池，或直接为您的移动电话或其它装置供电。电池将隐藏在茄克内衬或置于独立氯丁橡胶容器中，仅
12、需仅需4 4至至5 5小时日小时日照即可完全将电池充满照即可完全将电池充满。茄克中的电池元件和太阳能面板衣领均可拆卸，因此即使不穿茄克，也可作为独立装置实现充电功能。-西藏那曲县古露镇牧民在利用太阳能光伏发电。-沙漠中的一个太阳能电厂-3、光化学能转化、光化学能转化v应用：选择芒硝晶体应用：选择芒硝晶体(十水合硫酸钠十水合硫酸钠晶体晶体)白天吸收热量溶解白天吸收热量溶解,晚上放出热晚上放出热量结晶量结晶.v相变储能材料相变储能材料-原理原理:光能光能热能热能化学能化学能-5、光生物质能转换、光生物质能转换v原理：通过地球上众多植物的光合作用，将原理：通过地球上众多植物的光合作用，将太阳辐射转化
13、为生物质能太阳辐射转化为生物质能化学方程式：化学方程式：6H2O+6CO2 C6H12O6+6O2光光叶绿素叶绿素原理原理:光能光能化学能化学能-(C6H10O5)n+nH2O nC6H12O6C6H12O6(s)+6O2(g)6H2O(l)+6CO2(g)H=-2804kJ/mol （放热）（放热）淀粉、纤维素淀粉、纤维素葡萄糖葡萄糖-西藏普兰县农民欧珠在海拔3800多米的太阳能温室种出新鲜的瓜果。-太阳能的利用太阳能的利用v3.太阳能的利用方式太阳能的利用方式光能化学能光能热能光能电能光能生物质能-太陽熱能發電技術v太陽熱能發電原理不同於太陽能光電系統(Photovoltic)，太陽熱能發
14、電主要為收集熱能加熱工作流體，再利用高潛能的流體驅動發電機。太陽熱能發電系統通常由集熱器以及發電機組成。v集熱器發電用集熱器通常為集中式的集熱板，並搭配追日系統，其角度會隨著太陽移動而跟著改變。v發電機熱能發電通常使用工作流體帶動的發電機，如利用蒸氣驅動渦輪發電機等。-太陽熱能發電技術vParabolic TroughnParabolic Dish大面積單槽式太陽能追蹤集光板發電系統，使熱傳導液受熱汽化，通常搭配蒸汽渦輪發電機。碟型太陽能追蹤集光板發電系統，為目前發電效率最高的太陽能發電系統，可搭配史特靈引擎。-太陽熱能發電技術vSolar TowernSolar Chimney塔式太陽熱能發
15、電系統，利用獨立追日定鏡群，將陽光聚集於塔頂接收器，產生高溫氣體驅動發電機。煙囪式太陽熱能發電系統，利用大面積的玻璃製造類似溫室效應產生高熱氣體，進入煙囪成為一股上升氣流，推動渦爐發電機。-太陽熱能發電技術-熱能驅動製冷技術(太陽能空調)v優點環境溫度越熱時越需要空調，製冷能力也越強降低室內溫度及環境溫度，減緩熱島效應v台灣太陽能製冷技術發展狀況主要有吸收式、吸附式、噴射式三種技術工研院已完成製冷供熱雙功能固體吸附式技術示範系統台大新能源中心開發無機械動力噴射式製冷機可搭配太陽能集熱器進行製冷與供熱-工研院開發固體吸附式製冷系統工研院開發固體吸附式製冷系統-太阳能电池v1、地球每天接收的太阳能
16、，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。v2、包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。v3、太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。-太阳能电池的发展历史太阳能电池的发展历史19541954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8 8。19731973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳年世界爆发石油危机，从此之后，人们普
17、遍对于太阳能电池关注。能电池关注。随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间。产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间。-世界太阳能电池发展的主要节点世界太阳能电池发展的主要节点v1954 美国贝尔
18、实验室发明单晶硅太阳能电池，美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为效率为6v1955 第一个第一个光伏航标灯光伏航标灯问世，美国问世，美国RCA发明发明Ga As太阳能电池太阳能电池v1958 太阳能电池首次装备于美国先锋太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，号卫星，转换效率为转换效率为8。v1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。第一个单晶硅太阳能电池问世。v1960 太阳能电池首次实现太阳能电池首次实现并网并网运行。运行。v1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到达到18。v1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世非晶硅及带硅太阳能电池问世-v197
19、8 美国建成美国建成100KW光伏电站光伏电站v1980 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为多晶硅为14.5，Ga As为为22.5v1986 美国建成美国建成6.5KW光伏电站光伏电站v1990 德国提出德国提出“2000光伏屋顶计划光伏屋顶计划”v1995 高效聚光高效聚光Ga As太阳能电池问世，效率达太阳能电池问世，效率达32。v1997 美国提出美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出日本提出“新阳光计划新阳光计划”v1998 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出，荷兰提出“百万光伏屋顶计划
20、百万光伏屋顶计划”v2000 世界太阳能电池总产量达世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划，欧洲计划2010年生产年生产60亿瓦光伏电池亿瓦光伏电池-太阳能电池定义和分类太阳能电池定义和分类 太阳能电池，太阳能电池，又称光伏器件又称光伏器件，是一种利用光生伏特是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。发电的基础和核心。-1、太阳光能转换成电能的装置，采用半导体产生PN结来获得电位。2、太阳能电池是物理电池之一。-太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主
21、要结构：一般的半导体主要结构：图中，正电荷表示硅原子，图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。-当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。-v利用太陽光直接發電太陽光直接發電。此類的薄片只要照到光，短時間內便可輸出電壓及電流短時間內便可輸出電壓及電流。v太陽能電池的主要物料是半導體主要物料是半導體，半導體可以導可以導電電，但它們的電阻遠比導體它
22、們的電阻遠比導體 (例如金屬例如金屬)為高。為高。在半導體工業中常用的半導體有硅和鍺常用的半導體有硅和鍺。v半導體的電阻值隨溫度改變電阻值隨溫度改變，極少量雜質原子的極少量雜質原子的存在亦會對它們的電阻值有很大的影響存在亦會對它們的電阻值有很大的影響。科學家可以在半導體內加入不同種類和數量的雜質原子加入不同種類和數量的雜質原子，以控制半導體控制半導體的各種特性。-太阳能电池发电原理-太阳能电池的分类 1、硅系太阳能电池 2、多元化合物薄膜太阳能电池 3、聚合物多层修饰电极型电池 4、纳米晶化学太阳能电池据所用材料分砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜
23、太阳能电池-太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带不能太宽要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定-太阳能电池的生产工艺太阳能电池的生产工艺导电玻璃导电玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 检测检测 镀铝电极镀铝电极 沉积沉积PN结结老化老化 检测检测 封装封装 成品检测成品检测-各类太阳能电池的比较种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅1524%1320%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅1017%1015%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶
24、硅813%510%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高-种类材料 单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓19 32%2330%MOVPE和LPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉有剧毒碲化镉1015%710%铜铟硒1012%810%真空蒸镀法和硒化法价格廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池811%8%溶胶凝胶法水热应溅射法成本廉工艺单性能定聚合物多层修饰电极型太阳能电池35%处于研发当中易制作材料泛成本低寿命短-太阳能电池发电的应用优点：v属于可再生能源，不必担心能源枯竭v太阳能本身并不会给地球增加热负荷
25、v运行过程中低污染、平稳无噪音v发电装置需要极少的维护,寿命可达20年v所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网v用途广泛-缺点：v受地域及天气影响较大v由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积v光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高-v用户太阳能电源用户太阳能电源1.1.小型电源小型电源10-100W10-100W不等，用于边远无电地区如高原、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、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等电视、收录机等 太阳能电源太阳能电源 太阳能逆变器太阳能逆变器-2.3-5KW2.3-5KW家庭屋顶并网发电
26、系统；家庭屋顶并网发电系统；-3.3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉-v 交通领域交通领域 如航标灯、交通如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示/标志灯、标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。无人值守道班供电等。-v通讯通讯/通信领域通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵型通信机、士兵GPSGPS
27、供电等。供电等。-v石油、海洋、气象领域石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象备、气象/水文观测设备等水文观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池风云三号气象卫星的太阳能电池-海洋气象监测标-v家庭灯具电源家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。黑光灯、割胶灯、节能灯等。-v光伏电站光伏电站10KW-50MW10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。种大型停车厂充电站等。-太阳能电池的展望uIII-V族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。u另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电池，它们的研究刚刚起步，短时间内不可能替代应系太阳能电池。u从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。u今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。-
