太陽(yáng)光對(duì)生產(chǎn)的影響

【專家解說(shuō)】：太陽(yáng)能是一種輻射能，具有即時(shí)性，必須即時(shí)轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和貯存。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成不同形式的能量需要不同的能量轉(zhuǎn)換器，集熱器通過(guò)吸收面可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，利用光伏效應(yīng)太陽(yáng)電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)光合作用植物可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)能，等等。原則上，太陽(yáng)能可以直接或間接轉(zhuǎn)換成任何形式的能量，但轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，最終太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率便越低。 太陽(yáng)能-熱能轉(zhuǎn)換 黑色吸收面吸收太陽(yáng)輻射，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，其吸收性能好，但輻射熱損失大，所以黑色吸收面不是理想的太陽(yáng)能吸收面。選擇性吸收面具有高的太陽(yáng)吸收比和低的發(fā)射比，吸收太陽(yáng)輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理想的太陽(yáng)能吸收面。這種吸收面由選擇性吸收材料制成，簡(jiǎn)稱為選擇性涂層。它是在本世紀(jì)40年代提出的，1955年達(dá)到實(shí)用要求，70年代以后研制成許多新型選擇性涂層并進(jìn)行批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，目前已研制成上百種選擇性涂層。我國(guó)自70年代開始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽(yáng)集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。 太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)換 電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽(yáng)能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國(guó)都十分重視，其轉(zhuǎn)換途徑很多，有光電直接轉(zhuǎn)換，有光熱電間接轉(zhuǎn)換等。這里重點(diǎn)介紹光電直接轉(zhuǎn)換器件--太陽(yáng)電池。世界上，1941年出現(xiàn)有關(guān)硅太陽(yáng)電池報(bào)道，1954年研制成效率達(dá)6％的單晶硅太陽(yáng)電池，1958年太陽(yáng)電池應(yīng)用于衛(wèi)星供電。在70年代以前，由于太陽(yáng)電池效率低，售價(jià)昂貴，主要應(yīng)用在空間。70年代以后，對(duì)太陽(yáng)電池材料、結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了廣泛研究，在提高效率和降低成本方面取得較大進(jìn)展，地面應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，但從大規(guī)模利用太陽(yáng)能而言，與常規(guī)發(fā)電相比，成本仍然大高。 目前，世界上太陽(yáng)電他的實(shí)驗(yàn)室效率最高水平為：?jiǎn)尉Ч桦姵?4％（4cm2)，多晶硅電池18.6％（4cm2）， InGaP／GaAs雙結(jié)電池30．28％（AM1），非晶硅電池14．5％（初始）、12．8（穩(wěn)定），碲化鎘電池15．8％， 硅帶電池14．6％，二氧化鈦有機(jī)納米電池10．96％。 我國(guó)于1958年開始太陽(yáng)電池的研究，40多年來(lái)取得不少成果。目前，我國(guó)太陽(yáng)電他的實(shí)驗(yàn)室效率最高水平為：?jiǎn)尉Ч桦姵?0．4％（2cm×2cm），多晶硅電池14．5％（2cm×2cm）、12％（10cm×10cm），GaAs電池 20．1％（lcm×cm），GaAs／Ge電池19．5％（AM0），CulnSe電池9％（lcm×1cm），多晶硅薄膜電池13．6％ （lcm×1cm，非活性硅襯底），非晶硅電池8．6％（10cm×10cm）、7．9％（20cm×20cm）、6．2％（30cm×30cm）， 二氧化鈦納米有機(jī)電池10％（1cm×1cm）。 太陽(yáng)能-氫能轉(zhuǎn)換 氫能是一種高品位能源。太陽(yáng)能可以通過(guò)分解水或其它途徑轉(zhuǎn)換成氫能，即太陽(yáng)能制氫，其主要方法如下： 1、太陽(yáng)能電解水制氫。電解水制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法，效率較高（75％-85％），但耗電大，用常規(guī)電制氫，從能量利用而言得不償失。所以，只有當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電的成本大幅度下降后，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫。 2、太陽(yáng)能熱分解水制氫。將水或水蒸汽加熱到3000K以上，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。 3、太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫。為了降低太陽(yáng)能直接熱分解水制氫要求的高溫，發(fā)展了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，即在水中加入一種或幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經(jīng)歷不同的反應(yīng)階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物不消耗，可循環(huán)使用。熱化學(xué)循環(huán)分解的溫度大致為900-1200K，這是普通旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光器比較容易達(dá)到的溫度，其分解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要問(wèn)題是中間物的還原，即使按99．9％-99． 99％還原，也還要作 0.1％-0.01％的補(bǔ)充，這將影響氫的價(jià)格，并造成環(huán)境污染。 4、太陽(yáng)能光化學(xué)分解水制氫。這一制氫過(guò)程與上述熱化學(xué)循環(huán)制氫有相似之處，在水中添加某種光敏物質(zhì)作催化劑，增加對(duì)陽(yáng)光中長(zhǎng) 波光能的吸收，利用光化學(xué)反應(yīng)制氫。日本有人利用碘對(duì)光的敏感性，設(shè)計(jì)了一套包括光化學(xué)、熱電反應(yīng)的綜 合制氫流程，每小時(shí)可產(chǎn)氫97升，效率達(dá)10％左右。 5、太陽(yáng)能光電化學(xué)電池分解水制氫。1972年，日本本多健一等人利用n型二氧化鈦半導(dǎo)體電極作陽(yáng)極，而以鉑黑作陰極，制成太陽(yáng)能光電化學(xué)電池，在太陽(yáng)光照射下，陰極產(chǎn)生氫氣，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，兩電極用導(dǎo)線連接便有電流通過(guò)，即光電化學(xué)電池在太陽(yáng)光的照射下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起世界各國(guó)科學(xué)家高度重視， 認(rèn)為是太陽(yáng)能技術(shù)上的一次突破。但是，光電化學(xué)電池制氫效率很低，僅0．4％，只能吸收太陽(yáng)光中的紫外光和近紫外光，且電極易受腐蝕，性能不穩(wěn)定，所以至今尚未達(dá)到實(shí)用要求。 6、太陽(yáng)光絡(luò)合催化分解水制氫。從1972年以來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三聯(lián)毗啶釘絡(luò)合物的激發(fā)態(tài)具有電子轉(zhuǎn)移能力，并從絡(luò)合催化電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，提出利用這一過(guò)程進(jìn)行光解水制氫。這種絡(luò)合物是一種催化劑，它的作用是吸收光能、產(chǎn)生電荷分離、電荷轉(zhuǎn)移和集結(jié)，并通過(guò)一系列偶聯(lián)過(guò)程，最終使水分解為氫和氧。絡(luò)合催化分解水制氫尚不成熟，研究工作正在繼續(xù)進(jìn)行。 7、生物光合作用制氫。40多年前發(fā)現(xiàn)綠藻在無(wú)氧條件下，經(jīng)太陽(yáng)光照射可以放出氫氣；十多年前又發(fā)現(xiàn)，蘭綠藻等許多藻類在無(wú)氧環(huán)境中適應(yīng)一段時(shí)間，在一定條件下都有光合放氫作用。目前，由于對(duì)光合作用和藻類放氫機(jī)理了解還不夠，藻類放氫的效率很低，要實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫還有相當(dāng)大的距離。據(jù)估計(jì)，如藻類光合作用產(chǎn)氫效率提高到10％，則每天每平方米藻類可產(chǎn)氫9克分子，用5萬(wàn)平方公里接受的太陽(yáng)能，通過(guò)光合放氫工程即可滿足美國(guó)的全部燃料需要。 太陽(yáng)能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換 通過(guò)植物的光合作用，太陽(yáng)能把二氧化碳和水合成有機(jī)物（生物質(zhì)能）并放出氧氣。光合作用是地球上最大規(guī)模轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的過(guò)程，現(xiàn)代人類所用燃料是遠(yuǎn)古和當(dāng)今光合作用固定的太陽(yáng)能，目前，光合作用機(jī)理尚不完全清楚，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有百分之幾，今后對(duì)其機(jī)理的研究具有重大的理論意義和實(shí)際意義。 太陽(yáng)能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換 20世紀(jì)初，俄國(guó)物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)證明光具有壓力。20年代，前蘇聯(lián)物理學(xué)家提出，利用在宇宙空間中巨大的太陽(yáng)帆，在陽(yáng)光的壓力作用下可推動(dòng)宇宙飛船前進(jìn)，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。科學(xué)家估計(jì)，在未來(lái)10～20年內(nèi)，太陽(yáng)帆設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)。通常，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要通過(guò)中間過(guò)程進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。