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应化0702施黎:太阳能的利用及发展前景
编辑:江南大学化工学院应化0702 施 黎 发布日期:2009-08-29 来源:江南大学物理实验教学中心

1 引言

由于煤、石油和天然气的大量开采,全球矿物燃料的急剧减少,且因它们燃烧后排放的CO2和各种氮氧化合物所引发的一系列酸雨、臭氧空洞和温室效应等环境问题,已经得到了广泛的注意。占地球总能量99%以上的太阳能具有清洁无污染、来源丰富、取之不尽等优点。也因如此,它成为了各国科学家开发和利用的新能源之一。但是,太阳能的利用目前也存在着不足:首先,太阳能的利用受天气、季节、地理条件等因素的影响;其次,太阳辐射的能流密度低;最后,开发研究太阳能的高成本和低效率。太阳能的利用形式主要有两种:热应用和光电利用。

2 太阳能热利用

太阳能热应用是指通过一定的设备把太阳能转化为内能,以实现加热保温的目的。其主要利用方式按照温度高低可分为低温利用、中温利用、高温利用。热应用是太阳能利用形式中,技术最成熟的一种。集热式太阳能热水系统已经走进千家万户,高温利用也已用作工业加热,极大地降低了对矿物资源的依赖程度。

2.1 提高热利用效率的途径

a 全方位跟踪太阳

一天之中太阳的方位角不断变化,所以当太阳直射在集热器上时所得到的能量是最大的。如果能够设计一种全方位自动跟踪太阳系统,在日照时间内就可以尽可能大的提高太阳能的利用率。陈应天自创的自旋+仰角跟踪方式理论已经引起全世界的注意,是太阳能研究利用领域的重大创新与突破。

b 新型材料的利用

纳米材料由于尺寸和原子大小接近,而体现出一些特殊的量子效应。它具有:反射光能力变低,低到1%,也就是说可以吸收99%以上的光;机械性能、力学性能成倍增加的优点。把纳米材料用作表层材料,可以提高表层对太阳的吸收率。此外,据一些研究报道,在表层涂上特殊的吸收膜也可以提高光的集收率。

c 聚光器的应用

在古代,我国就利用透镜聚焦太阳光来点火。利用聚光器可以降低表面积,减少成本。现代的聚光器主要有折射式和反射式。较高的聚光比不仅可以把大量的光线集中,而且可以通过调节聚光器以实现光线和集热器表面垂直,最大限度的吸收。

3 太阳能光电利用

太阳能的光电利用,是通过光伏效应,把辐射能转变为电能。所谓的光伏效应,就是当物体受到光照射时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光照射半导体p-n结时,就会在p-n结的两端出现电压。目前根据制备材料可以将太阳能电池分为两大类即传统无机太阳能电池和有机太阳能电池。

3.1 太阳能光电转化率的提高

a 新型有机材料的运用

美国芝加哥大学的研究人员目前表示,他们合成的一种以聚合塑料制成的太阳能电池不仅可以降低成本而且可以大大提高效能。这项技术的关键在于提高光电转化率,以前同类材料的光电转化率大都在5%到6%之间,而新材料的光电转化率乙达到8%,并且有希望继续提高。另外,据“第五次国际有机固体化学会议”报道,用薄膜有机材料制造太阳能电池取得了进展。这种薄膜材料容易制造又适合流水线生产、成本低廉,有望代替传统的无机太阳能电池。目前,各国化学家都在考虑如何改变有机物的结构、变换取代基团、并采用掺杂、混合染料及多层性等方法。

b 模拟叶绿素分子

地球上的绿色植物能够将太阳能以内能的形式储存起来,其关键的一步是叶绿素分子受到光激发后产生电荷分离态,并且电荷分离态寿命可达1s以上。电荷分离态存在的时间越长越有利于电荷的输出。所以设计出合理的分子结构体系以及能产生较长的电荷分离态,是模拟技术的关键。美国和日本已经研制出了相关的分子结构,根据理论计算这种太阳能电池可将60%~80%的太阳能转变为电能。

4 发展前景

太阳能发电技术目前尚未普及,只是在极少地区试用,主要原因是刚开始的设备花费很高,但是传统煤发电的弊端和资源缺乏将会促进太阳能发电站的发展,而且从长远看,使用太阳能发电比火力发电更合算。核发电站存在着种种核泄漏的隐患,相比太阳能更加清洁和安全,随着科技的进步成本的降低,太阳能发电技术会成为中心力量。在08年奥运会期间,北京奥运村用太阳能来照明、制冷、加热,正是给未来利用太阳能提供一个窗口。利用太阳来照明、取暖、制冷,甚至太阳能汽车也会出现在我们的生活中而不再是展览品。在不久的将来,我们会把自然界赐予的太阳能用到生活中的方方面面从而解决能源危机带来的困扰。

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