太阳能可以用来做什么？

目前人类对太阳能的直接利用还处于初级阶段，主要包括太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能温室和太阳能发电。太阳能集热器太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道和水泵等部分。此外，在冬季，还需要热交换器、膨胀水箱和发电装置，以防电厂无法供电。太阳能集热器是太阳能热系统中接收太阳辐射并将热量传递给传热工质的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光集热器和吸热集热器两种。还有真空集热器:好的太阳能集热器要用20 ~ 30年。从1980左右开始，做出来的采集器应该是40 ~ 50年保养，很少保养。太阳能热水系统早期最广泛的太阳能应用是加热水，现在全世界有数百万个太阳能热水装置。太阳能热水系统的主要部件包括集热器、储水器和循环管道。此外，可能还有辅助能源装置(如电加热器等。)在没有阳光的时候供应，也可能有强制循环水的装置，以控制水位或连接到负载的电气部件和管道的温度。太阳能热水系统按循环方式可分为两种:1和自然循环方式:这种类型的储水箱放置在集热器上方。水在集热器中被太阳辐射加热，温度升高，导致集热器和储水箱中的水温不同，产生密度差，从而产生浮力。这种热虹吸现象促进了除水箱和收集器中水的自然流动。根据与密度差的关系，水流量与集热器的太阳能吸收量成正比。这种类型已被广泛使用，因为它不需要循环水，其维护非常简单。2.强制循环:热水系统用水在集热器和储水箱之间循环。当集热器顶部水温比储水箱底部水温高几度时，控制装置就会启动水使其流动。进水口有止回阀，防止晚上水从集热器倒流，造成热量流失。这类热水系统的流量是可以知道的(因为来自水的流量是已知的)，所以很容易预测性能，也可以计算出一定时间内的供热水量。比如在相同的设计条件下，它比自然循环法有获得更高水温的优势，但因为必须用水，所以存在水电、维护(如漏水等)等问题。)和间歇控制装置，容易损坏水。因此，除了大型热水系统或需要高水温的场合，通常使用强制循环热水器。温室在冬天利用太阳能来温暖房间，这种方法在许多寒冷地区已经使用了很多年。因为寒冷地区冬季温度很低，室内必须有取暖设备。如果你想节省大量的化石能源消耗，尽量应用太阳辐射热。大多数日光温室使用热水系统，有些也使用热风系统。日光温室系统由太阳能集热器、蓄热装置、辅助能源系统和室内温室风机系统组成。其过程是太阳辐射热传导，通过集热器中的工作流体储存热能，然后向室内供热。辅助热源可以安装在蓄热装置中、直接安装在房间中或者安装在蓄热装置和房间之间。当然，也可以直接将热能应用到没有双重蓄热的直热式温室设计中，或者直接利用太阳能进行热电或光电发电，然后对房间进行加热，或者通过冷暖房的加热装置作为温室使用。最常用的温室系统是太阳能热水装置，将热水引入蓄热装置(固态、液态或相变蓄热系统)，然后通过风机将室内或室外空气驱入这个蓄热装置吸热，再将这个热空气输送到室内；或者另一种液体流入蓄热装置吸收热量，当热的流体流入室内时，被加热的空气被风扇吹入室内，从而达到房间变暖的效果。太阳能发电直接将太阳能转化为电能，并将电能储存在电容器中，以备需要时使用。太阳能离网发电系统太阳能离网发电系统包括1和太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对发出的电能进行调节和控制。一方面将调整后的能量送至DC负载或交流负载，另一方面将多余的能量送至蓄电池储存。当产生的电力不能满足负载时，太阳能控制器将蓄电池的电能输送给负载。电池充满电后，控制器要控制电池不要过充。当存储在电池中的电能被释放时，太阳能控制器应该控制电池不被过度放电以保护电池。当控制器的性能不好时，会极大地影响电池的使用寿命，最终影响系统的可靠性。2.太阳能电池组的任务是储存能量，以保证负载在夜间或雨天用电。3.太阳能逆变器负责将DC转换成交流电供交流负载使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏远、维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。此外，由于新能源发电成本高，太阳能逆变器的高效运行也很重要。太阳能离网发电系统主要产品分类为A、光伏组件B、风机C、控制器D、蓄电池E、逆变器F、风/光伏发电控制、逆变器集成电源。太阳能并网发电系统可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力发电机和燃料电池产生的可再生能源通过并网逆变器直接馈入电网，无需电池储能的发电系统。由于电能直接输入电网，不需要配置电池，省去了电池储能和放能的过程，可以充分利用可再生能源产生的电能，减少能量损耗，降低系统成本。并网发电系统可以利用市电和可再生能源并联作为本地交流负载的电源，降低整个系统的缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公共电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。太阳能并网发电系统主要产品分类为A、光伏并网逆变器B、小型风力发电机组并网逆变器C、大型风机变流器(双馈变流器、全功率变流器)。

[编辑本段]空间太阳能供电

第一块空间太阳能电池搭载在1958年发射的Vangtuard I上，采用体装式结构，单晶硅衬底，效率约为10%(28℃)。1970年代，人们改进了电池结构，采用了BSF、光刻和更好的抗反射膜，使电池的效率提高到14%。在20世纪70年代和80年代，全球陆地太阳能电池的产量大约每5.5年翻一番。但是空间太阳能电池在空间环境下的性能，比如抗辐射性能，已经有了很大的提高。由于20世纪80年代太阳能电池理论的快速发展，太阳能电池在地面和太空的性能都有了很大的提高。20世纪90年代，薄膜电池和ⅲ-ⅴ族电池的研发发展迅速，聚光阵列结构更加经济，空间太阳能电池市场竞争激烈。继续研究更高性能的太阳能电池主要有两种途径:聚光电池和多带隙电池。×空间太阳能电池的主要性能电池效率由于太阳能电池在不同的光强或光谱条件下效率一般是不一样的，所以空间太阳能电池一般采用AM0光谱(1.367KW/㎡/m2)，测试电池效率一般采用AM1.5光谱(即地面中午晴朗阳光，1.000 KWm-2)作为标准光源。AM0中太阳能电池的光谱效率一般比AM1.5低2 ~ 4个百分点，例如一个AM16%的AM1.5的Si太阳能电池效率约为19%)。◎ 25℃, AM0条件下太阳能电池的效率电池类型面积(cm2)效率(%)电池结构普通硅太阳能电池64cm2 14.6单结太阳能电池高级硅太阳能电池4cm2 20.8单结太阳能电池GaAs太阳能电池4cm2 21.8单结太阳能电池InP太阳能电池4cm2 19.9单结太阳能电池GaInP/GaAs 4cm2 26.9单片堆叠双结太阳能电池GaInP/GaAs/Ge 4cm2 25.5单片堆叠双 Ge 4cm2 27.0单片堆叠三结太阳能电池◎聚光电池GaAs太阳能电池0.07 24.6 100 x gainp/GaAs 0.25 26.4 50x、单片堆叠双结太阳能电池GaAs/GaSb 0.05 30.5 100X、机械堆叠太阳能电池空间太阳能电池工作在大气层外，近地轨道平均太阳辐照强度基本不变，通常称为AM0辐照，其光谱分布接近于 因此，空间太阳能电池大多采用AM0光谱进行设计和测试。空间太阳能电池通常具有较高的效率，因此可以在空间发射重量和体积有限的情况下获得比功率输出。特别是在一些特定的发射任务中，如微小卫星(重量50 ~ 100 kg)，要求单位面积或重量的比功率更高。抗辐射性能当空间太阳能电池在地球大气层外工作时，不可避免地会受到高能带电粒子的照射，导致电池性能的衰减。主要原因是电子或质子辐射使少数载流子的扩散长度减小。光电参数衰减的程度取决于太阳能电池的材料和结构。还有反向偏置、低温、热效应等因素，也是电池性能衰减的重要原因。特别是对于叠层太阳能电池，由于热膨胀系数显著不同，电池性能衰减可能更严重。×空间太阳能电池的可靠性光伏电源的可靠性对整个发射任务的成功起着关键作用。与地面应用相比，太阳能电池/阵列的成本并不重要，因为空间供电系统的平衡成本更高，可靠性最重要。空间太阳电池阵必须经过一系列严格的可靠性试验，如机械、热、电试验。硅太阳能电池硅太阳能电池是最常用的卫星电源。自1970年代以来，由于航天技术的发展，各种飞行器的动力需求日益增加。在加快发展其他类型电池的同时，美国、日本、欧空局等世界上航天技术较为发达的国家相继开展了高效硅太阳能电池的研究。以日本夏普公司、美国SUNPOWER公司和欧空局为代表，他们在空间太阳能电池的研发方面处于领先地位。其中，背面场(BSF)、背面反射器(BSR)和双层减反射膜技术的发展是第一代高效硅太阳能电池。这种电池的典型效率可以达到65，438+05%左右，目前在轨的很多卫星都在使用这种电池。在20世纪70年代中期，COMSAT研究所提出了一种无反射绒面电池(以进一步提高电池效率)。但这种电池的应用受到限制:一是制备工艺复杂，要避免损伤PN结；第二，这样的表面会吸收所有波长的光，包括那些光子能量不足以产生电子-空穴对的红外辐射，这会提高太阳能电池的温度，从而抵消使用绒面提高的效率效果；第三，必须使电极沿着绒面延伸，这增加了接触的难度，增加了成本。80年代中期，为了解决这些问题，电子器件制造的一些技术手段被引入到高效电池的制造中，如倒金金字塔绒面、激光沟槽埋栅、选择性发射极结等。这些技术的采用不仅进一步提高了电池的效率，也使电池的应用成为可能。特别是在解决了带通滤波器消除温升效应的问题后，这种电池的应用成为了空间电源的主角。虽然很多技术是一些研究所提出来的，但是都是在一些大公司开发的。例如，澳大利亚新南威尔士大学的光伏研究中心已经出现了倒金金字塔绒面和选择性发射结。而日本夏普公司和美国SUNPOWER公司目前的技术水平是世界一流的，有些技术甚至已经移植到了地面太阳能电池的量产上。为了进一步降低电池背面的复合影响，背面结构采用背面钝化形成点接触，即局部背场。这些高效电池的典型结构有PERC、PERL、PERT和PERF[1]，其中前一种结构的电池已经在空间得到应用。典型的高效硅太阳能电池厚度为100μm，也称为NRS/BSF(典型效率为17%)和NRS/LBSF(典型效率为18%)，其特点是正面为倒金金字塔绒面的选择性发射结构，正面和背面为钝化结构以减少表面复合，背面为完全或部分背场。在实际应用中还发现，采用局域背场技术的电池虽然普遍比NRS/BSF高一个百分点，但局域背场的抗辐照能力通常较差。到20世纪90年代中期，空间电源工程师发现，尽管这种电池的初始效率相对较高，但电池的最终效率比初始效率低25%左右，这限制了电池的进一步应用，空间电源的成本仍然不能很好地降低。为了改变这种状况，夏普领导的研究所提出了双边结电池的结构，有效地提高了电池的终端效率，并在HES和HES-1卫星上得到实际应用。此外，研究人员还发现，卫星对电池阵列的位置有严格的要求。如果太阳电池阵不朝向太阳或者朝向太阳不好，就会影响卫星电源的功率，这也在一定程度上限制了卫星系统的配置。例如，空间站是一个复杂的飞行器，一些电池阵列很难保证其足够的太阳角，因此需要高效的电池来满足要求。虽然目前常规高效电池已部分应用，但由于其α吸收系数高，空间和重量有限，仍不能满足空间系统大规模供电的需要。传统的电池结构仍然在很大程度上受到限制。在这种情况下，俄罗斯在研究前期重点提高了高效硅电池的最终效率，在电池阵列的研究中提出了双面电池的设想并取得成功，真正做到了高效率、长寿命、低成本。×太阳能路灯太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯。由于不受电源影响，不需要沟埋电线，不消耗常规电能，只要晴天就可以现场安装，所以受到人们的广泛关注，由于不污染环境，被称为绿色环保产品。太阳能路灯可用于城市公园、道路、草坪的照明，也可用于人口密度低、交通不便、经济不发达、缺乏常规燃料，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人民的家庭照明问题。

[编辑本段]太阳能电池

太阳能电池的发电原理太阳能电池是对光有反应，能将光能转化为电能的器件。能产生光伏效应的材料有很多种，单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒、铟、铜等。它们的发电原理基本相同。现在以晶体为例来描述光伏发电过程。P型晶体硅可以掺磷得到N型硅，形成P-N结。当光照射到太阳能电池表面时，部分光子被硅材料吸收；光子能量转移到硅原子上，使电子迁移，变成自由电子聚集在P-N结两侧，形成电势差。当外电路接通时，在这个电压的作用下，会有电流流过外电路，产生一定的输出功率。这个过程的本质是:光子能量转化为电能的过程。太阳是离地球最近的恒星，也是太阳系的中心天体，其质量占太阳系总质量的99.865%。太阳也是太阳系中唯一一个自己发光的天体，给地球带来光和热。如果没有阳光，地面的温度将很快下降到接近绝对零度。由于阳光的照射，地面平均温度会保持在65438±04℃左右，形成了人类和大部分生物生存的条件。除了原子能、地热能和火山喷发能，地面上的大部分能量都与太阳直接或间接相关。太阳是一个炽热的气体火球，主要由氢和氦组成，半径为6.96×105km(地球半径的109倍)，质量约为1.99×1027t(地球的33万倍)，平均密度约为地球的1/。太阳表面的有效温度为5762K，而内部中心区域的温度高达数千万度。太阳的能量主要来自氢聚合成氦的聚变反应。每秒钟6.57×1011kg氢气聚合生成6.53× 11 kg氦气，连续产生3.90×1023kW能量。这些能量以电磁波的形式，以3×105km/s的速度穿越空间，向四面八方辐射。地球只接收到太阳总辐射的22亿，即1.77×1.01.4千瓦到达地球大气层上边缘。由于穿过大气层时的衰减，大约8.5×1.01.3 kW最终到达地球表面，相当于几十个世界的发电量。按照目前太阳产生核能的速率，氢的储量足够维持600亿年，地球内部组织因热核反应聚合成氦，其寿命约为50亿年。因此，从这个意义上说，可以说太阳的能量是取之不尽的。太阳的结构和能量传递方式简述如下。太阳的质量非常大。在太阳本身的引力下，太阳物质向地核聚集，地核中心的密度和温度都很高，使得核反应能够发生。这些核反应就是太阳的能量，产生的能量不断向太空辐射，控制着太阳的活动。根据各种间接和直接数据，太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。(1)核反应区是太阳25%半径范围内(即0.25R)的太阳核心，集中了太阳一半以上的质量。这里的温度约为15百万度(K)，压力约为2500亿个大气压(1 ATM = 101325 pa)，密度接近158g/cm3。这部分产生的能量占太阳产生的总能量的99%，以对流和辐射的形式向外辐射。当氢聚合时，会发出伽马射线。这种射线经过寒冷地区时，会消耗能量，增加波长，变成X射线、紫外线和可见光。(2)核反应区外的辐射区为辐射区，范围为0.25~0.8R，温度降至65438±0.3万度，密度降至0.079g/cm3。太阳核心产生的能量通过辐射传输到这个区域。(3)辐射带外，对流带为对流带(对流层)，范围为0.8 ~ 1.0r，温度降至5000K，密度为10-8g/cm3。在对流区，能量主要通过对流传播。对流区及其内部是看不见的，它们的性质只能通过与观测相符的理论计算来确定。(4)太阳大气大致可分为光球层、色球层、日冕层等层次，各层次的物理性质明显不同。太阳大气层的最低层被称为光球层，几乎所有的太阳光能都是从这一层发出的。太阳的连续光谱基本上是光球层的光谱，太阳光谱中的吸收线基本上都在这一层形成。光球层的厚度约为500公里。色球层是太阳大气层的中间层，是光球层的向外延伸，可以延伸到几千公里。太阳大气的最外层被称为日冕，它是一个极其薄的气体壳，可以延伸到几个太阳半径。严格来说，上述太阳大气层的分层只有形式上的意义。事实上，各层之间没有明显的界限，它们的温度和密度随着高度不断变化。可见，太阳不是一个具有一定温度的黑体，而是一个在不同波长上有许多层辐射和吸收的辐射体。但在描述太阳时，通常将其视为温度为6000K、波长为0.3 ~ 3.0微米的黑色辐射体..目前，太阳能利用的近期发展已从晶体硅和薄膜太阳能电池进入到合成生物学和光合生物技术发展的有机分子电池、生物分子筛选甚至生物能源等太阳能技术新领域。日前，从上海市科委获悉，华东师范大学科研人员在实验室利用纳米材料成功“再造”叶绿体，以极低的成本实现了光发电。叶绿体是植物进行光合作用的地方，可以有效地将太阳的光能转化为化学能。这个研究小组没有在体外“复制”一个叶绿体，而是开发了一种新型电池——染料敏化太阳能电池，这种电池与叶绿体结构类似，并试图将光能转化为电能。在上海纳米专项基金的支持下，经过三年多的实验和探索，这种仿生太阳能电池的光电转换效率已经超过10%，接近11%的世界最高水平。项目负责人、华东师范大学光电集成与先进装备教育部工程研究中心主任孙卓教授演示了新型太阳能电池的三明治结构——中空玻璃夹着纳米“三明治”，光电转换的奥秘就藏在这几十微米厚的复合膜中。纳米“三明治”的配方非常独特:染料充当“捕光器”，纳米二氧化钛是“光电转换器”。为了让染料尽可能地“吃掉”太阳光，研究人员还别出心裁地撒了一些“调料”——一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的太阳光与捕光器的“胃口”相匹配。只要不断改进配方，纳米三明治的光电转换效率是可以一再提高的。作为第三代太阳能电池，染料敏化电池最大的吸引力在于廉价的原料和简单的制造工艺。估计染料敏化电池的成本只相当于硅面板的1/10。同时对光照条件要求不高，即使室内阳光不够，其光电转换率也不会受到太大影响。此外，它还有许多有趣的用途。比如，用塑料代替玻璃“夹板”可以制成柔性电池；当它被制成显示器时，可以同时发电和发光，从而实现能源自给自足。太阳能是一种清洁和可持续的能源。太阳能技术的发展可以减少化石燃料在发电中的使用，从而缓解空气污染和全球变暖的问题。