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未来能源世界的主角——太阳能

(转载)

地球能量的源泉--太阳

       太阳的能量来自于太阳内部的核聚变,其所蕴藏的能量非常巨大,并且不断向外辐射。据粗略估计,太阳向宇宙全方位辐射的总能量流为4×10^26 J/s。其中,向地球输送的光和热,每分钟达250亿亿卡的热能(2.5×10^18 cal/min),换算成煤炭能源,大致相当于燃烧4亿吨所产生的能量。单单一年的时间(按365天计算),太阳辐射到地球表面的能量,相当于人类现有各种能源在同一年中所提供能量的上万倍[1]。所以说,太阳是地球能量的源泉,而地面上能够接受到的能量大小、光谱分布等具体状况,就是我们未来利用太阳能的直接依据。

 

太阳辐射示意图
图片来源:h.ttp://www.360doc.com/content/18/0628/21/
16806734_766191096.shtml略有修改)

 

 

太阳能是可再生能源中的优良选择 

 

       对太阳能的利用,最主要的思路是太阳能发电。现今的太阳能发电主要包括两大方面,一是光热发电,二是光伏发电。光热发电是需要在直接辐射太阳能较高的地方,并辅以聚光条件才能具有利用价值。世界范围内西班牙地区的光热发电尝试较多,中科院电工研究所亦于北京延庆建有太阳能热发电示范电站。

 

 

图2 位于西班牙塞维利亚的塔式太阳能光热电站

(图片来源:MuhammadB H, Danish A, Keitumetse C M, et al. Solar energy-A look into powergeneration, challenges, and a solar-powered future. [J]. International Journal ofEnergy Research, 2019, 43(3):1049-1067.)

 

 

       光伏发电是指利用一种能产生“光伏效应(将光能转换成电能)”的器件来发电,其载体是太阳电池,商业化的产品是以电池板组件的形式直接转换太阳的辐射能。简单的说,光伏发电可以用在地球上任何有阳光的地方。
光伏发电产生的电能应用大致分三种。第一种是独立应用,可细分为分布式和一家一户的各自使用。尤其是在中国的偏远山区和海岛中,光伏发电的独立应用就显得非常灵活。

 

 

图3 海上的独立光伏系统

(图片来源:https://b2b.hc360.com/viewPics/supplyself_pics/
365546039.html 

 


        第二种是并网应用,就是将光伏电站产生的电能,输入到广阔的城市用电市场。从最初的辅助能源,逐渐向着替代、乃至成为发电主力的能源形式发展,最终实现光伏领域常提起的“平价上网”的目标。

图4 位于印度泰米尔纳德邦的Kamuthi光伏电站
(图片来源:http://www.sohu.com/a/277940051_764680

 

 

 

       第三种是从独立应用衍生出的一些新型光伏应用的产品。例如,图5中的薄膜太阳能发电伞(汉伞)是一款集离网供电、储电、夜间照明、终端充电四大功能于一身的产品。伞布表面通过车缝工艺铺设了一层大功率柔性铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池板,功率可达50.8瓦,内置138 wh(瓦时)容量的储能电池,可供小型电器充电。图6所示为建筑薄膜光伏发电墙-汉墙,该产品将铜铟镓硒薄膜太阳能技术植入到建筑玻璃中,让玻璃成为“发电体”,再通过一些技术方案,与建筑外墙结合在一起,让建筑外墙成为“发电墙”。

 

 

 

图5 薄膜太阳能发电伞-汉伞

(图片来源:http://www.hanergyshop.com/wap/goods)

 

图6 光伏建筑一体化(BIPV)的薄膜太阳能产品-汉墙

(图片来源:http://www.hanergymobileenergy.com/content/
solarBuildingSeries/solarBuildingSeries_2670.htmll

 

 

       除了汉伞和汉墙,还有很多新型光伏应用的产品,如光伏住宅屋顶、光伏充电式海洋气象浮标观测仪、市政用光伏智能井盖等等。这说明,光伏产品的创新型应用为人类生活提供了极大的便利。

 

太阳电池工作原理 

       光伏发电,最简单地说就是当具有特殊结构的半导体器件,受到光照射时将产生直流电压(或电流);当光照停止后,电压(或电流)就会立即消失。太阳电池就是利用光伏效应产生电力输出的半导体器件。在一个低掺杂的n型半导体衬底上,通过硼(B)扩散形成浅结p型发射层,构成pn结,再在该层上制备金属栅极、减反射膜,以增加进入电池的入射光并有效收集电流。当太阳光照射在太阳电池上时,具有足够能量的光子会将其中的电子进行激发,产生电子-空穴对。在空间电荷的电场作用下被相互分离,电子向带正电的N区运动,空穴向带负电的P区运动。在稳态下,外电路呈现出开路电压,倘若在外电路接上负载,太阳电池就会输出电流,对外电路做功。

 

 

图7 典型晶硅太阳电池的结构示意图(林新璐绘)

 

 

结  语 

       笔者作为太阳电池领域的一线科研工作者,深感发展大规模太阳能源将是非常光荣而艰巨的事业。以光伏发电为例,当今中国的光伏产业在经历了多年的快速发展之后,在2018年经历了行业低谷,“531”政策的实施使得光伏补贴降低、产品利润下降、企业盈利能力堪忧。但与此同时,也加速了中上游企业的“洗牌”,淘汰落后产能,促进企业加大技术创新投入,加速光伏补贴完全退出市场,促使我国光伏平价上网时代更早的到来。
无论外部环境如何,对光伏领域的科研工作者来说,太阳电池的效率和成本仍是最核心的问题。随着越来越多的科研工作者们投入到各类太阳电池的研发之中,我国在光伏材料、器件及应用方面都取得了重大进展,相信未来的太阳能产业,必定会进一步地发展与扩大。


 参考文献:

[1] 朱美芳,熊绍珍.太阳电池基础与应用[M].科学出版社,2014.

 

 [2] Muhammad B H,Danish A, Keitumetse C M, et al. Solar energy-A look into power generation,challenges, and a solar-powered future. [J]. International Journal of EnergyResearch, 2019, 43(3):1049-1067.

来源:中科院电工研究所供稿

 

 

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