太阳能应用及发展现状.docx
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太阳能应用及发展现状
太阳能应用及发展现状
随着一个多世纪来人类对于石油，煤炭等不可再生资源的大力开发，这些宝贵的资源逐渐消耗殆尽，为了实现可持续发展，各国将新能源的开发与应用都置于十分重要的战略地位，其中太阳能就是一种具备巨大潜力的新能源。
因为其普遍性，获取的便利性，加上取之不尽用之不竭的特点逐渐成为新能源中最具开发潜力的“佼佼者”。
本文就近年来全球及国内的太阳能科技研发及应用现状作简要的描述，包括太阳能光伏发电，太阳能热应用以及最新的热点应用。
关键词：
太阳能;光伏发电;热应用;新应用
引言
人类对于太阳能的开发研究及利用从最直接原始的利用开始记载已有3000多年的历史，而将太阳能作为一种能源和动力加以利用是从只有300多年的历史。
自17世纪以来按照太阳能利用发展和应用的状况，可以把世界太阳能利用的发展历程分为8个阶段，近代太阳能的利用一般从1615年法国工程师所罗门，德考克斯发明世界上第一台利用太阳能驱动的抽水泵算起；1901-1920年的这一阶段世界太阳能的研究的重点，仍是太阳能动力装置。
但采用聚光方式多样化，并开始采用平板式集热器和低沸点工质；1921-1945年由于化石燃料的大量开采应用及爆发了第二次世界大战的影响，此阶段太阳能利用的研究开发处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目及研究资金大为减少；1946-1965年这一阶段，太阳能利用的研究开始复苏，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，在太阳能利用的各个方面都有较大进展；1966-1973年此阶段由于太阳能利用技术还不成熟，尚处于成长阶段，世界太阳能的利用工作停滞不前，发展缓慢；1973-1980年这一时期爆发的中东战争引发了西方国家的“石油危机”，使得越来越多的国家和有志之士投入太阳能的研究开发，客观上使这一时期成了太阳能利用前所未有的大发展时期；1981-1991年由于世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品的价格居高不下，缺乏竞争力，太阳能利用技术无重大突破；1992年至今为第八个阶段，1992年6月联合国“世界环境与发展大会”在巴西召开之后，世界各国加强了对清洁能源技术的研究开发，使太阳能的开发利用工作走出低谷，得到越来越多国家的重视与加强。
各国对于太阳能研发的政策支持及普及倾向，使得太阳能利用技术已经比较成熟，尤其在太阳能热利用方面已经相当成熟。
我国在这方面也处于世界先进行列中。
而对于太阳能光伏打的研发还处于瓶颈阶段，尚有很多难题急需攻克，从而得到更高效更廉价的太阳能电池。
同时在太阳能研发利用的历程中也出现了一些新的具有商业化潜力的新技术！
第一章光伏效应
1.1光伏效应
光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换成电能的一种发电形式。
早在1839年，法国科学家贝克勒尔就发现光照可以使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
然而第一个实用单晶硅光伏电池直到1954年才在美国贝尔实验室研制成功，从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏大技术。
太阳能电池的基本原理为半导体的光伏效应。
当太阳照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生“光生电子—空穴”对。
在电池内电场的作用下，光生电子和空穴被分离，从而在电池两端积累起异号电荷，即产生电压。
光伏发电系统发出的直流电通过一系列逆变、控制、保护等手段并入电网。
1.2染料敏化太阳能电池
目前发展最成熟的太阳能电池是硅基太阳能电池，单晶硅太阳能电池的效率已达到25%以上，但是它对于材料的纯度要求高、制作工艺复杂、成本昂贵，这极大地限制了它的广泛应用。
1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授及其小组报道了染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率为7.1%，从此由于它简单的制作工艺、相对高的光电转化效率、低廉的成本等优点迅速成为广大科学家及科学工作者研究热点与重点。
1.2.1染料敏化太阳能电池的结构及原理
DSSC的结构是典型的“三明治”结构，光敏染料太阳能电池的构造和原理如图1，一般是由光阳极、敏化染料、氧化还原电解质以及对电极（通常为铂电极）组成。
其中光阳极包括：
透明导电基底、纳米多孔半导体。
当太阳能照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。
而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。
然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。
电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。
1.2.2提高染料敏化太阳能电池效率的尝试举例
对于染料敏化太阳能电池的最新研究成果是关于将纳米薄膜太阳能电池改变为纳米丝染料敏化太阳能电池。
纳米丝相比纳米薄膜，其几何结构特征在每一步光转化过程都具有潜在的优势。
这些潜在的优势包括减少反射、光俘获最大化、更好的能带调节能力、易应变松弛、以及更好的缺陷承受能力。
对于这些结构优势，我们并不是非常期望能将电池的效率最大化，但是在减少制造相同质量的太阳能电池的必需材料方面很有希望，这样就可以大大减少太阳能电池的制造成本！
另外，在制造复杂单晶半导体设备方面，纳米丝结构也使得使用更廉价的基底材料成为可能，这些廉价的基底材料比如有铝箔，不锈钢和导电玻璃等等。
染料敏化太阳能电池的能量转化率可以表示为η=（
*|
|*
）/
，其中
是填充因子，|
|是短回路电流密度的绝对值，
是外电路电压，
入射光能量密度。
理论上讲短路电流密度的绝对值是由染料光谱重叠的吸收窗口质量决定的，在充足的光照条件下，电池的短回路电流密度最高记录达到理论最大值的55%-75%之间。
其他的部分主要是由于实际利用的染料对于低能光波的吸收能力有限造成的。
目前，已经在这方面做出了努力，比如染料与染料掺杂形成混合物来增加对于长波光的吸收。
另外一个尝试增加红光的吸收方法是增加纳米颗粒薄膜厚度来增加光学密度，但是并没有成功，其根本原因是增加厚度到一定程度会超过电子在纳米薄膜中的扩散长度。
因而如果从增加厚度的角度去增加电池的短回路电流密度，就必须先解决如何增加电子扩散长度的僵局。
而解决这个问题的一个很有好的思路就是把阳极纳米薄膜换成定向单晶纳米线。
电子在纳米线中的传播速度有望比在随机多晶网络中快好几个数量级。
用适当密度的长细纳米丝系作为染料支架，就有可能增加染料敏化电池的染料覆盖率（也可以增加对于红光的吸收）。
同时，纳米线具有非常有效的载流子吸收能力。
此外，纳米线阳极的快速传送对于对于非标准电解质的设计非常有利，如相比液态电解液结合率很高的聚合物凝胶以及固态无机凝胶。
在任何太阳能电池中，光电转化过程包括四个步骤即光子吸收、产生激发电子、激发电子和自由载流子的分离、电极载流子收集。
纳米线结构在这四个步骤中都具有以最低的成本降低能量损失的潜在优势！
在光子吸收方面由于任何一种半导体材料不可能透过所有波长的太阳光，总会存在反射，大多数无机半导体材料对波长范围在400-2000nm的太阳光会有10%-50%的反射率，而这些波长范围的太阳光要占据太阳光总能量的大多数！
而解决这一巨大损失的一个常用方法就是覆盖一层或多层抗反射涂层，纳米线相比纳米薄膜具有更大的表面积，因此可以在纳米线上面覆盖更多的抗反射涂层，这对于减少太阳光的反射意义重大！
其次，从光俘获机理的角度来看，除了散射、共振效应、光学横截面优势外，对于有序纳米线材料还有衍射效应、集体共振、光学状态密度的优势。
另外，半导体表面附近的染料或量子点的共振能量转换也可以增加光的吸收率。
下图是一定波长范围内不同结构的光吸收比较，从图中可以很明显地看出纳米线结构具有更高的吸收率。
（这里的纳米锥结构与讨论无关，不做介绍）
激发电子的形成过程中一个最大的能量损失就是当激发电子的约束能量比室温可利用热能低时，激发载流子会放宽能带边沿变成自由载流子，这种转变会由载流子-声子耦合作用将能量转变成热能释放。
而解决这个能量损失的最简单的办法就是选择一种具有合适能隙的材料或者几种可以相互补充能隙的材料做单结或多结太阳能电池。
调节材料能隙最常用的方法是多重材料组合法，但是由于晶格错配，一些常用的合金比如氮化铟镓在中间浓度出现不相混溶区，而纳米线由于更好的应变疏松能力却可以消除这一混溶间隔区。
在载流子分离方面，纳米线结构很有可能具有一种新的分离机制。
一旦载流子被分离开来后，下一步必须将它们收集起来以备使用，而纳米线结构对于这一步是非常有利的，这是由于纳米线通过频波传导可以实现快速的径向电荷分离及有效的载流子收集。
1.2.3染料敏化太阳能电池的研究现状
DSSC光阳极上的半导体材料多采用纳米多孔二氧化钛，它是染料分子的载体，同时分离并传输电荷。
目前光阳极的研究重点主要是两方面：
寻找制备半导体光阳极薄膜时，可以增大二氧化钛比表面积和改善二氧化钛表面活性的方法；
由于电子在二氧化钛薄膜中电子的传输阻力大，影响电池转换效率的进一步提高，故寻找可以代替二氧化钛的其他半导体材料。
对于第一个问题，目前制备光阳极纳米多孔薄膜的方法很多，包括溶液-凝胶法、粉末涂敷法、水热法、液相沉积法、化学气象沉积法、电化学法等。
其中粉末涂敷法在工业中应用比较广泛，适合大规模生产。
但是以上方法制备得到的都是无序膜，内在的传导率较小，不利于电荷载流子的分离和传输。
未来膜电极的发展方向是制备高度有序的薄膜结构，如纳米管、纳米棒、纳米阵列等。
这些氧化物半导体薄膜垂直平行排列于导电玻璃的表面，其结构的有序性，有利于电子空穴对的分离和传输且易于控制，有望进一步提高短路电流和开路电压。
针对第二个研究课题，目前研发出来的表面改性方法主要有表面改性、半导体复合、离子掺杂、紫外诱导等。
有研究表明电子在二氧化钛薄膜中的运动受到束缚，在多孔膜中停留时间长，与电解质的复合概率大，导致暗电流增加从而降低了二氧化钛电池的总效率。
目前发现的可以代替二氧化钛的氧化物半导体有氧化锌，氧化锡等。
其中氧化锌最有可能成为代替二氧化钛的氧化物之一，电子在氧化锌中的迁移率较大，有望减少电子在薄膜中的传输时间。
而且氧化锌的制备要比二氧化钛的制备简单很多，可以进一步降低制造成本。
敏化染料在DSSC中起着吸收可见光并提供电子的作用，是电池的关键组成部分。
高性能的染料首先要能够很好的吸附在半导体的表面，其次敏化染料的禁带宽度需要比半导体薄膜的禁带宽度窄，并且其氧化态电位要比半导体的导带电位低，其还原态电位要比氧化还原电解质的电位高。
敏化染料的研究工作重点有两个方面，
合成和发展光谱响应范围更宽、成本更低、效率更高、稳定性更好的染料敏化剂
研究多种燃料的协同敏化作用，扩宽光谱响应范围。
窄禁带半导体量子点是一种很有潜力的全色敏化剂，近年来不断受到关注，它有一系列优点，如通过改变粒子的大小就可以很容易的调节半导体的带隙和光谱吸收范围，再如光吸收呈带边型有利于太阳光的吸收。
此外，电解质的研究也取得了一定的成果。
如准固态和固态电解质的研究越来越受到重视，固态电解质可以有效地防止电解液的泄露，延长电池的使用寿命。
总的来说染料敏化电池的研究在近几十年取得了非常显著的成果，但是仍然有以上各个方面的问题需要解决。
这需要每个研究工作者的辛勤工作来逐个攻破，相信随着科学技术的飞速发展，人类对于太阳能光伏效应的利用会达到一个新的历史高度，更高效、更稳定、更廉价、更安全的太阳能电池会在不久的将来出现的！
第二章光热应用
2.1光热转化
光热转化是将太阳辐射到地球的光能转换成为其他物质的内能的过程。
由于光能转换成本低，技术上容易实现，适用面十分广泛，所以目前世界上许多国家将它放在太阳能利用的突出位置。
2.2集热器效率改进方法
光热转换的主要技术问题是如何有效收集太阳能并高效地转化为热能，完成收集太阳能的主要装置是集热器。
集热器的集热方式一般有平板式和聚焦型两种。
平板型集热器吸收太阳能辐射的面积与采集太阳能辐射的面积相同，集热温度一般在80-100摄氏度之间。
目前广泛应用与热水器上的真空玻璃管型太阳能集热器和新近开发的热管真空管太阳能集热器就属于平板型。
聚焦型集热器通过有凹型反射器，以使落在反射器总面积上的辐射能聚焦到表面积较小的换热器上，其集热温度可达到数XX甚至上千度。
目前在提高集热器效率的研究上主要取得了以下进展：
透明蜂窝应用于太阳能热水器的研究：
透明蜂窝是应用广泛的透明隔热材料，目前太阳能热水器发展的一个重要趋势就是将透明蜂窝应用于太阳能热水器的核心部件。
透明蜂窝结构中的网格把其中的空气分割成很多相互隔离的微小空气单元，在一端或两端封闭的情况下能有效地抑制单元内自然对流的形成，使热损系数降低，提高热水器隔热性能。
透明蜂窝具有“热二极管”的作用，一方面能透过太阳辐射，另一方面又有优异的隔热性能。
对于真空管太阳能热水器的研究：
真空管式太阳能热水器由多只真空玻璃集热管插入储水箱构成，换热原理为自然对流换热。
作为真空管式太阳能热水器的核心部件，国外最初的真空管是由单层壁内部抽成真空的玻璃管内置U型金属管的钢制吸热体构成，热效率太低，制作复杂。
后来由美国康宁公司研制的单层壁玻璃真空管内置热管和内曲面反射器真空集热管提高了效率，并且简化了制备工艺。
热管式真空管太阳能热水器的设计研究：
热管式真空集热管由外玻璃管、表面带选择性涂层的重力热管组成。
外玻璃管和热管之间抽真空，这样可以有效地减少向外界的散热损失。
应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究：
全息聚光元件兼有会聚和色散的功能，用它来实现聚光型太阳能的转换系统不仅效率高，成本也大大降低，因此具有十分可观的应用前景。
2.3光热应用现状
目前全球太阳能应用最成熟的技术当属对于太阳能的热应用技术，就国内而言自上世纪90年代以来，我国的太阳能热水器市场保持了十多年的快速增长。
2009年五月，太阳能热水器产品跨入了家电下乡的大门，在这次招标中共有92家企业，806款产品中标太阳能家电下乡。
据商务部公布的家电下乡统计数据显示，截止2009年11月，太阳能、电、燃气热水器的累计销量为830106台，累计销售额16.56亿元。
国内太阳能热水器企业与往年相比，行业规模快速放大，增幅达到了前3年的总和，行业总产值从350亿元向500亿元大关突破。
大企业异军突起，在一个拥有近2000家工厂的群体中，大企业的规模和数量快速增长，太阳雨、四季沐歌、桑乐、清华阳光、桑夏、海尔、太阳宝等一二线企业扩张加速。
产业融合与升级速度加快，一批未中标企业被迫转型停业，还有400多家企业参与市场竞争份额。
从协会公布的数据看2012年太阳能热水系统的产量和保有量分别达到6390万平方米和25770万平方米。
目前我国的太阳能热水系统拥有量已占世界总量的四分之一。
例如，从2003年开始，在国家政策的大力支持下，青藏高原地区大力推广被动式太阳能采暖技术。
所谓太阳能被动式采暖技术是指依靠房屋结构本身来完成集热、储热和释放热能的采暖系统。
被动式太阳能房按照集热形式大致可以分为五类：
直接受益式；
集热蓄热墙式；
附加阳光间式；
储热屋顶式；
自然对流回路式。
在吸收以往研究经验成果的基础上，提出了几种适合被动式太阳能应用技术的新方式：
新型空气集热器模板
新型PV-Trombe墙模块，鉴于太阳能光伏-建筑一体化系统和Trombe墙系统的特点，中国科学技术大学季杰教授等提出了应用太阳能同时发电、采暖的新概念。
这一新型系统较为适合在高原藏区较为偏远的地区的农牧民居住建筑中应用和推广。
空气-热水双效集热器模块。
这些新技术的推广应用对于解决我国偏远青藏高原地区的居民的用电和用热问题具有非常重大的意义，一方面充分利用了青藏高原得天独厚的太阳能资源，减少不可资源的消耗，符合国家的可持续发展战略。
另一方面解决了偏远地区的电力需求，节约国家的开发资金和各种后续问题。
2.4太阳能热力发电
太阳能热力发电是当今世界各国在太阳能利用方面研究的主要课题之一，通过集热器代替常规锅炉，用太阳能热力系统带动发电机发电。
太阳能热力发电要求集热温度高，需采用聚焦型集热器以提高光能流密度。
目前一般采用的有平面镜集热、曲面镜集热、透镜集热等。
太阳能热力系统中工质的选择也是非常重要的。
高集热温度要求高沸点的工质。
对功率大的太阳能发电系统，常需要较大的占地面积，因此，太阳能热力发电特别适合于偏远地区和电力输送困难的地区。
笔者认为，由于目前太阳能光伏电池的效率最高也没有超过30%，而且成本很高，如果将直接的光伏发电变成热力发电，则可以有望通过提高集热效率和热力发电的效率来提高太阳能的利用效率。
因为提高集热效率和热力发电的效率相对来讲要更简单些，所以完全有可能通过热力发电实现高效率的太阳能利用！
第三章新型太阳能应用
3.1太阳能光化学应用
太阳能光化学转换技术亦称为光化学制氢转换技术，太阳能化学和生物转化制氢正在成为新的太阳能利用的有效方式，引起世界各国学术界的高度重视。
太阳能化学与生物转化制氢主要有三条途径：
化学催化转化、模拟酶转化和生物酶转化制氢。
经过三十多年的研究，紫外光区化学催化分解水制氢的量子效率已经突破了50%；可见光区分解水制氢的量子效率已达到5%，距离10%的工业化目标已经不再遥远；此外，光催化分解硫化氢制氢在可见光区的量子效率达到40%，已具有潜在的工业化前景。
太阳能光催化制氢也是太阳能利用最理想的途径之一，但是同时十分具有挑战性，一旦研究取得成功，将有可能改变世界能源结构。
但是就目前的研究情况来看，利用太阳能光催化制氢的效率还有待进一步提高，尤其是直接分解水制氢的效率还很低，远未达到实际应用的要求。
为了促进该领域的发展，笔者认为今后光催化制氢可以从以下几个方面进入深入研究：
首先应该加强基础领域的研究，尤其是强化光生载流子分离、传输及反应等微观过程的机理研究，为催化剂的设计提供理论指导；
加强各学科之间的交叉融合，从不同角度汲取营养，如借鉴生物光合作用过程、光伏电池p-n结及光电催化原理等扩展催化剂设计思路；
借助于材料科学发展的新方法和新思路，制备高效、稳定、具有可见光响应的新型光催化剂；
通过研究工作者的努力设计新型的光催化反应系统，为光催化的工业化打下坚实的基础。
太阳能光催化制氢是一个极具挑战性出的研究课题，尤其是太阳能光催化分解水制氢可以认为是研究领域的“哥德巴赫猜想”，它既具有巨大的工业应用前景，又是一个涉及多学科的基础研究课题，值得科学工作者为之不懈的努力奋斗，它并不是遥不可及的科学难题，只要广大科学工作者持之以恒，相信一定会攻破这道难关。
3.2太阳能制冷
太阳能制冷是一项新的太阳能应用技术，通常制冷途径有两条：
一是太阳能光电制冷；一是太阳能光热转换，以热制冷。
显而易见第一种方法制冷肯定需要很高的成本，所以很难实际应用。
那么，太阳能制冷技术就重要集中在以热制冷上面，太阳能以热制冷的研究主在要三个方向上进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。
吸收式制冷和喷射式制冷已经进入应用阶段，吸附式制冷还在研究阶段。
吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，根据吸收剂的不同分为氨水吸收式制冷和溴化锂吸收式制冷两种。
而吸附式制冷是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷，常用的有分子筛一水，活性炭一甲醇吸附式制冷。
喷射式制冷是太阳能经集热器产生一定压力的蒸汽来完成喷射制冷。
目前各个高校研究机构对太阳能制冷技术的研究取得了一定的成果，如香港大学完成了太阳能吸收式空调设计、运行及相应的性能测试。
国内，上海交通大学制冷与低温工程研究院所提出的一种太阳能供热与制冷联合循环的复合机装置，巧妙地把太阳能的热能利用和制冷结合起来，实现了白天产热水供晚上使用，而夜间的蓄冷供白天使用，提高了太阳能的转换的利用率。
其次最近也出现了一些太阳能的新应用技术，比如太阳能热泵，太阳能热推进技术等等。
第四章太阳能利用的展望
太阳能资源以其自身特点成为我们面临能源危机最有效的武器，随着当今世界的能源紧缩问题越来越突出，加上使用不可再生资源带来的各种环境问题也日益突出，我们人类要想实现真正的可持续发展，就必须开发新能源新技术以应对这个我们无法避免的重大挑战！
总的来说要想在太阳能利用方面取得重大进步，还是需要全球各国的科研工作者们持之以恒的科研精神和勇于探索的创新精神。
研制出更加高效、更加廉价、更加稳定、更加安全的太阳能电池并不是完全没有希望的，纵观人类历史，可以发现我们人类的智慧是无限的，科技的发展也是极其迅速的，相信经过广大工作者们艰辛的探索与实践，不管是光伏技术还是光催化制氢方面的技术都会实现高效的工业化，彻底告别不可再生资源的利用时代，也彻底告别生态环境的恶化状态，正真地走向一个全新的能源时代将指日可待
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