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          電工所主頁 /  ENGLISH / 

          未來能源世界的主角——太陽能

          (轉載)

          地球能量的源泉--太陽

                 太陽的能量來自于太陽內部的核聚變,其所蘊藏的能量非常巨大,并且不斷向外輻射。據粗略估計,太陽向宇宙全方位輻射的總能量流為4×10^26 J/s。其中,向地球輸送的光和熱,每分鐘達250億億卡的熱能(2.5×10^18 cal/min),換算成煤炭能源,大致相當于燃燒4億噸所產生的能量。單單一年的時間(按365天計算),太陽輻射到地球表面的能量,相當于人類現有各種能源在同一年中所提供能量的上萬倍[1]。所以說,太陽是地球能量的源泉,而地面上能夠接受到的能量大小、光譜分布等具體狀況,就是我們未來利用太陽能的直接依據。

           

          太陽輻射示意圖
          圖片來源:h.ttp://www.360doc.com/content/18/0628/21/
          16806734_766191096.shtml略有修改)

           

           

          太陽能是可再生能源中的優良選擇 

           

                 對太陽能的利用,最主要的思路是太陽能發電。現今的太陽能發電主要包括兩大方面,一是光熱發電,二是光伏發電。光熱發電是需要在直接輻射太陽能較高的地方,并輔以聚光條件才能具有利用價值。世界范圍內西班牙地區的光熱發電嘗試較多,中科院電工研究所亦于北京延慶建有太陽能熱發電示范電站。

           

           

          圖2 位于西班牙塞維利亞的塔式太陽能光熱電站

          (圖片來源: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.)

           

           

                 光伏發電是指利用一種能產生“光伏效應(將光能轉換成電能)”的器件來發電,其載體是太陽電池,商業化的產品是以電池板組件的形式直接轉換太陽的輻射能。簡單的說,光伏發電可以用在地球上任何有陽光的地方。
          光伏發電產生的電能應用大致分三種。第一種是獨立應用,可細分為分布式和一家一戶的各自使用。尤其是在中國的偏遠山區和海島中,光伏發電的獨立應用就顯得非常靈活。

           

           

          圖3 海上的獨立光伏系統

          (圖片來源:https://b2b.hc360.com/viewPics/supplyself_pics/
          365546039.html 

           


                  第二種是并網應用,就是將光伏電站產生的電能,輸入到廣闊的城市用電市場。從最初的輔助能源,逐漸向著替代、乃至成為發電主力的能源形式發展,最終實現光伏領域常提起的“平價上網”的目標。

          圖4 位于印度泰米爾納德邦的Kamuthi光伏電站
          (圖片來源:http://www.sohu.com/a/277940051_764680

           

           

           

                 第三種是從獨立應用衍生出的一些新型光伏應用的產品。例如,圖5中的薄膜太陽能發電傘(漢傘)是一款集離網供電、儲電、夜間照明、終端充電四大功能于一身的產品。傘布表面通過車縫工藝鋪設了一層大功率柔性銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池板,功率可達50.8瓦,內置138 wh(瓦時)容量的儲能電池,可供小型電器充電。圖6所示為建筑薄膜光伏發電墻-漢墻,該產品將銅銦鎵硒薄膜太陽能技術植入到建筑玻璃中,讓玻璃成為“發電體”,再通過一些技術方案,與建筑外墻結合在一起,讓建筑外墻成為“發電墻”。

           

           

           

          圖5 薄膜太陽能發電傘-漢傘

          (圖片來源:http://www.hanergyshop.com/wap/goods)

           

          圖6 光伏建筑一體化(BIPV)的薄膜太陽能產品-漢墻

          (圖片來源:http://www.hanergymobileenergy.com/content/
          solarBuildingSeries/solarBuildingSeries_2670.htmll

           

           

                 除了漢傘和漢墻,還有很多新型光伏應用的產品,如光伏住宅屋頂、光伏充電式海洋氣象浮標觀測儀、市政用光伏智能井蓋等等。這說明,光伏產品的創新型應用為人類生活提供了極大的便利。

           

          太陽電池工作原理 

                 光伏發電,最簡單地說就是當具有特殊結構的半導體器件,受到光照射時將產生直流電壓(或電流);當光照停止后,電壓(或電流)就會立即消失。太陽電池就是利用光伏效應產生電力輸出的半導體器件。在一個低摻雜的n型半導體襯底上,通過硼(B)擴散形成淺結p型發射層,構成pn結,再在該層上制備金屬柵極、減反射膜,以增加進入電池的入射光并有效收集電流。當太陽光照射在太陽電池上時,具有足夠能量的光子會將其中的電子進行激發,產生電子-空穴對。在空間電荷的電場作用下被相互分離,電子向帶正電的N區運動,空穴向帶負電的P區運動。在穩態下,外電路呈現出開路電壓,倘若在外電路接上負載,太陽電池就會輸出電流,對外電路做功。

           

           

          圖7 典型晶硅太陽電池的結構示意圖(林新璐繪)

           

           

          結  語 

                 筆者作為太陽電池領域的一線科研工作者,深感發展大規模太陽能源將是非常光榮而艱巨的事業。以光伏發電為例,當今中國的光伏產業在經歷了多年的快速發展之后,在2018年經歷了行業低谷,“531”政策的實施使得光伏補貼降低、產品利潤下降、企業盈利能力堪憂。但與此同時,也加速了中上游企業的“洗牌”,淘汰落后產能,促進企業加大技術創新投入,加速光伏補貼完全退出市場,促使我國光伏平價上網時代更早的到來。
          無論外部環境如何,對光伏領域的科研工作者來說,太陽電池的效率和成本仍是最核心的問題。隨著越來越多的科研工作者們投入到各類太陽電池的研發之中,我國在光伏材料、器件及應用方面都取得了重大進展,相信未來的太陽能產業,必定會進一步地發展與擴大。


           參考文獻:

          [1] 朱美芳,熊紹珍.太陽電池基礎與應用[M].科學出版社,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.

          來源:中科院電工研究所供稿

           

           

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