1、太 阳 能 利 用,太阳能的利用形式 太陽熱能發電技術 太阳能电池,能源危机,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。 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,20世纪非洲，美洲，欧洲，中东的石油储量和年平均消耗量,请估算各地区石油可以使用多少年？,43年,22.5年,25.7年,100年,石油 40年,天然气 61 年,煤 碳 227年,化石能源是不可再生能源，科学家估计使用年限,能源危机,能源危机给
2、人类社会带来的影响是我们难以承受的，而且随着现代的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。因此，开发和利用清洁，高效的新能源已成为人类共同关注的重大课题！,讨论,同学们知道哪些新能源呢？,风能,生物质能,太阳能,氢能,波浪能,地热能,在新能源中，太阳能，生物质能，氢能和风能，海洋能，地热能等都是可以再生能源。,其中太阳能是最诱人的,太阳能的利用,1.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。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。 根据地球上的
3、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，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。,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用太阳能的实例？,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、温室与太阳房、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。 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、电围杆、
4、航标灯、铁路信号灯。,1、光热能转换,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 反射式太阳灶 高温太阳炉 地膜、大棚、温室,二、太阳能的利用方式,光能热能,太阳炉,太阳灶,热水器,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,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 高溫應用 聚焦式集熱器 集中塔式(集熱器反射器) 拋物線槽體 碟型,太陽能熱
5、水系統家用系統,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,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 太陽能安全玻璃 合成透明板或薄膜(PE,Teflon) 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) 外框：鋁 、鍍鋅鋼板、 合成材料、 木材 保溫材：玻璃棉 、礦物棉、 聚氨酯(PUR) 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）,真空管集熱器,全玻璃式,其他元件,儲水槽：分內外桶，隔層充滿保溫材料
6、，如：PU發泡、保麗龍； 國內水壓低。 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。 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。 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,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,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,提高效能之基本作法：如何提高吸熱能
7、力 吸熱板導熱特性（熱傳導材質） 選擇性吸收膜（熱輻射吸收率） 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,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,原理：根据光电效应，利用太阳能直接转化为电
8、能,应用：为无电场所提供电池，包括移动 电 源和备用电源、太阳能日用电子产品,光能电能,太阳能发电,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话、 iPod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，仅需4至5小时日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
9、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,应用：选择芒硝晶体(十水合硫酸钠晶体)白天吸收热量溶解,晚上放出热量结晶. 相变储能材料,原理:光能热能化学能,5、光生物质能转换,原理：通过地球上众多植物的光合作用，将太阳辐射转化为生物质能,原理:光能化学能,(C6H10O5)n +nH2O nC6H12O6,淀粉、纤维素,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,3.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,太陽熱能發電原理 不同於太陽能光電系統(Photovoltic)，太陽
10、熱能發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。 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。 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,Parabolic Trough,Parabolic 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,Solar Tower,Solar Chimne
11、y,塔式太陽熱能發電系統，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),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 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,太阳能电池,1、地球每天接收的太阳
12、能，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。 2、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。 3、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,1954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8。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注。 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的优
13、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。,世界太阳能电池发展的主要节点 1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6 1955 第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明Ga As太阳能电池 1958 太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8。 1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。 1960 太阳能电池首次实现并网运行。 1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。 1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世,1978 美国建成100KW光伏电站 1980 单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为14.5，Ga As为22.5 1
14、986 美国建成6.5KW光伏电站 1990 德国提出“2000光伏屋顶计划” 1995 高效聚光Ga As太阳能电池问世，效率达32。 1997 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划” 1998 单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出“百万光伏屋顶计划” 2000 世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池,太阳能电池定义和分类,太阳能电池，又称光伏器件，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
15、电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构： 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。,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。,利用太陽光直接發電。此類的薄片只要照到光， 短時間內便可輸出電壓及電流。 太陽能電池的主要物料是半導體，半導體可以導電，但它們的電阻遠比導體 (例如金屬) 為高。在半導體工業中常用的半導體有硅和鍺。 半導體的電阻值隨溫度改變，極少
16、量雜質原子的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 ，以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,导电玻璃 膜切割 清洗 检测 镀铝电极 沉积PN结 老化
17、检测 封装 成品检测,各类太阳能电池的比较,太阳能电池发电的应用,优点： 属于可再生能源，不必担心能源枯竭 太阳能本身并不会给地球增加热负荷 运行过程中低污染、平稳无噪音 发电装置需要极少的维护,寿命可达20年 所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网 用途广泛,缺点： 受地域及天气影响较大 由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积 光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高,用户太阳能电源 1.小型电源10-100W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、电视、收录机等 太阳能电源 太阳能逆变器,2. 3-5KW家庭屋顶并网发电系统；,3.光伏水泵：
18、解决无电地区的深水井饮用、灌溉,交通领域 如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。,通讯/通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。,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、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池,海洋气象监测标,家庭灯具电源 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。,光伏电站 10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。,太阳能电池的展望,III-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。 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。 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。 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。,
