目前人類對太陽能的直接利用還處於初級階段，主要包括太陽能集熱、太陽能熱水系統、太陽能溫室和太陽能發電。太陽能集熱器太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道和水泵等部分。此外，在冬季，還需要熱交換器、膨脹水箱和發電裝置，以防電廠無法供電。太陽能集熱器是太陽能熱系統中接收太陽輻射並將熱量傳遞給傳熱工質的裝置。按傳熱工質可分為液體集熱器和空氣集熱器。按采光方式可分為聚光集熱器和吸熱集熱器兩種。還有真空集熱器:好的太陽能集熱器要用20 ~ 30年。從1980左右開始，做出來的采集器應該是40 ~ 50年保養，很少保養。太陽能熱水系統早期最廣泛的太陽能應用是加熱水，現在全世界有數百萬個太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統的主要部件包括集熱器、儲水器和循環管道。此外，可能還有輔助能源裝置(如電加熱器等。)在沒有陽光的時候供應，也可能有強制循環水的裝置，以控制水位或連接到負載的電氣部件和管道的溫度。太陽能熱水系統按循環方式可分為兩種:1和自然循環方式:這種類型的儲水箱放置在集熱器上方。水在集熱器中被太陽輻射加熱，溫度升高，導致集熱器和儲水箱中的水溫不同，產生密度差，從而產生浮力。這種熱虹吸現象促進了除水箱和收集器中水的自然流動。根據與密度差的關系，水流量與集熱器的太陽能吸收量成正比。這種類型已被廣泛使用，因為它不需要循環水，其維護非常簡單。2.強制循環:熱水系統用水在集熱器和儲水箱之間循環。當集熱器頂部水溫比儲水箱底部水溫高幾度時，控制裝置就會啟動水使其流動。進水口有止回閥，防止晚上水從集熱器倒流，造成熱量流失。這類熱水系統的流量是可以知道的(因為來自水的流量是已知的)，所以很容易預測性能，也可以計算出壹定時間內的供熱水量。比如在相同的設計條件下，它比自然循環法有獲得更高水溫的優勢，但因為必須用水，所以存在水電、維護(如漏水等)等問題。)和間歇控制裝置，容易損壞水。因此，除了大型熱水系統或需要高水溫的場合，通常使用強制循環熱水器。溫室在冬天利用太陽能來溫暖房間，這種方法在許多寒冷地區已經使用了很多年。因為寒冷地區冬季溫度很低，室內必須有取暖設備。如果妳想節省大量的化石能源消耗，盡量應用太陽輻射熱。大多數日光溫室使用熱水系統，有些也使用熱風系統。日光溫室系統由太陽能集熱器、蓄熱裝置、輔助能源系統和室內溫室風機系統組成。其過程是太陽輻射熱傳導，通過集熱器中的工作流體儲存熱能，然後向室內供熱。輔助熱源可以安裝在蓄熱裝置中、直接安裝在房間中或者安裝在蓄熱裝置和房間之間。當然，也可以直接將熱能應用到沒有雙重蓄熱的直熱式溫室設計中，或者直接利用太陽能進行熱電或光電發電，然後對房間進行加熱，或者通過冷暖房的加熱裝置作為溫室使用。最常用的溫室系統是太陽能熱水裝置，將熱水引入蓄熱裝置(固態、液態或相變蓄熱系統)，然後通過風機將室內或室外空氣驅入這個蓄熱裝置吸熱，再將這個熱空氣輸送到室內；或者另壹種液體流入蓄熱裝置吸收熱量，當熱的流體流入室內時，被加熱的空氣被風扇吹入室內，從而達到房間變暖的效果。太陽能發電直接將太陽能轉化為電能，並將電能儲存在電容器中，以備需要時使用。太陽能離網發電系統太陽能離網發電系統包括1和太陽能控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對發出的電能進行調節和控制。壹方面將調整後的能量送至DC負載或交流負載，另壹方面將多余的能量送至蓄電池儲存。當產生的電力不能滿足負載時，太陽能控制器將蓄電池的電能輸送給負載。電池充滿電後，控制器要控制電池不要過充。當存儲在電池中的電能被釋放時，太陽能控制器應該控制電池不被過度放電以保護電池。當控制器的性能不好時，會極大地影響電池的使用壽命，最終影響系統的可靠性。2.太陽能電池組的任務是儲存能量，以保證負載在夜間或雨天用電。3.太陽能逆變器負責將DC轉換成交流電供交流負載使用。太陽能逆變器是光伏風力發電系統的核心部件。由於使用地區相對落後、偏遠、維護困難，為了提高光伏風力發電系統的整體性能，保證電站的長期穩定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。此外，由於新能源發電成本高，太陽能逆變器的高效運行也很重要。太陽能離網發電系統主要產品分類為A、光伏組件B、風機C、控制器D、蓄電池E、逆變器F、風/光伏發電控制、逆變器集成電源。太陽能並網發電系統可再生能源並網發電系統是將光伏陣列、風力發電機和燃料電池產生的可再生能源通過並網逆變器直接饋入電網，無需電池儲能的發電系統。由於電能直接輸入電網，不需要配置電池，省去了電池儲能和放能的過程，可以充分利用可再生能源產生的電能，減少能量損耗，降低系統成本。並網發電系統可以利用市電和可再生能源並聯作為本地交流負載的電源，降低整個系統的缺電率。同時，可再生能源並網系統可以對公共電網起到調峰作用。並網發電系統是太陽能風力發電的發展方向，代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。太陽能並網發電系統主要產品分類為A、光伏並網逆變器B、小型風力發電機組並網逆變器C、大型風機變流器(雙饋變流器、全功率變流器)。
[編輯本段]空間太陽能供電
第壹塊空間太陽能電池搭載在1958年發射的Vangtuard I上，采用體裝式結構，單晶矽襯底，效率約為10%(28℃)。1970年代，人們改進了電池結構，采用了BSF、光刻和更好的抗反射膜，使電池的效率提高到14%。在20世紀70年代和80年代，全球陸地太陽能電池的產量大約每5.5年翻壹番。但是空間太陽能電池在空間環境下的性能，比如抗輻射性能，已經有了很大的提高。由於20世紀80年代太陽能電池理論的快速發展，太陽能電池在地面和太空的性能都有了很大的提高。20世紀90年代，薄膜電池和ⅲ-ⅴ族電池的研發發展迅速，聚光陣列結構更加經濟，空間太陽能電池市場競爭激烈。繼續研究更高性能的太陽能電池主要有兩種途徑:聚光電池和多帶隙電池。×空間太陽能電池的主要性能電池效率由於太陽能電池在不同的光強或光譜條件下效率壹般是不壹樣的，所以空間太陽能電池壹般采用AM0光譜(1.367KW/㎡/m2)，測試電池效率壹般采用AM1.5光譜(即地面中午晴朗陽光，1.000 KWm-2)作為標準光源。AM0中太陽能電池的光譜效率壹般比AM1.5低2 ~ 4個百分點，例如壹個AM16%的AM1.5的Si太陽能電池效率約為19%)。◎ 25℃, AM0條件下太陽能電池的效率電池類型面積(cm2)效率(%)電池結構普通矽太陽能電池64cm2 14.6單結太陽能電池高級矽太陽能電池4cm2 20.8單結太陽能電池GaAs太陽能電池4cm2 21.8單結太陽能電池InP太陽能電池4cm2 19.9單結太陽能電池GaInP/GaAs 4cm2 26.9單片堆疊雙結太陽能電池GaInP/GaAs/Ge 4cm2 25.5單片堆疊雙 Ge 4cm2 27.0單片堆疊三結太陽能電池◎聚光電池GaAs太陽能電池0.07 24.6 100 x gainp/GaAs 0.25 26.4 50x、單片堆疊雙結太陽能電池GaAs/GaSb 0.05 30.5 100X、機械堆疊太陽能電池空間太陽能電池工作在大氣層外，近地軌道平均太陽輻照強度基本不變，通常稱為AM0輻照，其光譜分布接近於 因此，空間太陽能電池大多采用AM0光譜進行設計和測試。空間太陽能電池通常具有較高的效率，因此可以在空間發射重量和體積有限的情況下獲得比功率輸出。特別是在壹些特定的發射任務中，如微小衛星(重量50 ~ 100 kg)，要求單位面積或重量的比功率更高。抗輻射性能當空間太陽能電池在地球大氣層外工作時，不可避免地會受到高能帶電粒子的照射，導致電池性能的衰減。主要原因是電子或質子輻射使少數載流子的擴散長度減小。光電參數衰減的程度取決於太陽能電池的材料和結構。還有反向偏置、低溫、熱效應等因素，也是電池性能衰減的重要原因。特別是對於疊層太陽能電池，由於熱膨脹系數顯著不同，電池性能衰減可能更嚴重。×空間太陽能電池的可靠性光伏電源的可靠性對整個發射任務的成功起著關鍵作用。與地面應用相比，太陽能電池/陣列的成本並不重要，因為空間供電系統的平衡成本更高，可靠性最重要。空間太陽電池陣必須經過壹系列嚴格的可靠性試驗，如機械、熱、電試驗。矽太陽能電池矽太陽能電池是最常用的衛星電源。自1970年代以來，由於航天技術的發展，各種飛行器的動力需求日益增加。在加快發展其他類型電池的同時，美國、日本、歐空局等世界上航天技術較為發達的國家相繼開展了高效矽太陽能電池的研究。以日本夏普公司、美國SUNPOWER公司和歐空局為代表，他們在空間太陽能電池的研發方面處於領先地位。其中，背面場(BSF)、背面反射器(BSR)和雙層減反射膜技術的發展是第壹代高效矽太陽能電池。這種電池的典型效率可以達到65，438+05%左右，目前在軌的很多衛星都在使用這種電池。在20世紀70年代中期，COMSAT研究所提出了壹種無反射絨面電池(以進壹步提高電池效率)。但這種電池的應用受到限制:壹是制備工藝復雜，要避免損傷PN結；第二，這樣的表面會吸收所有波長的光，包括那些光子能量不足以產生電子-空穴對的紅外輻射，這會提高太陽能電池的溫度，從而抵消使用絨面提高的效率效果；第三，必須使電極沿著絨面延伸，這增加了接觸的難度，增加了成本。80年代中期，為了解決這些問題，電子器件制造的壹些技術手段被引入到高效電池的制造中，如倒金金字塔絨面、激光溝槽埋柵、選擇性發射極結等。這些技術的采用不僅進壹步提高了電池的效率，也使電池的應用成為可能。特別是在解決了帶通濾波器消除溫升效應的問題後，這種電池的應用成為了空間電源的主角。雖然很多技術是壹些研究所提出來的，但是都是在壹些大公司開發的。例如，澳大利亞新南威爾士大學的光伏研究中心已經出現了倒金金字塔絨面和選擇性發射結。而日本夏普公司和美國SUNPOWER公司目前的技術水平是世界壹流的，有些技術甚至已經移植到了地面太陽能電池的量產上。為了進壹步降低電池背面的復合影響，背面結構采用背面鈍化形成點接觸，即局部背場。這些高效電池的典型結構有PERC、PERL、PERT和PERF[1]，其中前壹種結構的電池已經在空間得到應用。典型的高效矽太陽能電池厚度為100μm，也稱為NRS/BSF(典型效率為17%)和NRS/LBSF(典型效率為18%)，其特點是正面為倒金金字塔絨面的選擇性發射結構，正面和背面為鈍化結構以減少表面復合，背面為完全或部分背場。在實際應用中還發現，采用局域背場技術的電池雖然普遍比NRS/BSF高壹個百分點，但局域背場的抗輻照能力通常較差。到20世紀90年代中期，空間電源工程師發現，盡管這種電池的初始效率相對較高，但電池的最終效率比初始效率低25%左右，這限制了電池的進壹步應用，空間電源的成本仍然不能很好地降低。為了改變這種狀況，夏普領導的研究所提出了雙邊結電池的結構，有效地提高了電池的終端效率，並在HES和HES-1衛星上得到實際應用。此外，研究人員還發現，衛星對電池陣列的位置有嚴格的要求。如果太陽電池陣不朝向太陽或者朝向太陽不好，就會影響衛星電源的功率，這也在壹定程度上限制了衛星系統的配置。例如，空間站是壹個復雜的飛行器，壹些電池陣列很難保證其足夠的太陽角，因此需要高效的電池來滿足要求。雖然目前常規高效電池已部分應用，但由於其α吸收系數高，空間和重量有限，仍不能滿足空間系統大規模供電的需要。傳統的電池結構仍然在很大程度上受到限制。在這種情況下，俄羅斯在研究前期重點提高了高效矽電池的最終效率，在電池陣列的研究中提出了雙面電池的設想並取得成功，真正做到了高效率、長壽命、低成本。×太陽能路燈太陽能路燈是壹種利用太陽能作為能源的路燈。由於不受電源影響，不需要溝埋電線，不消耗常規電能，只要晴天就可以現場安裝，所以受到人們的廣泛關註，由於不汙染環境，被稱為綠色環保產品。太陽能路燈可用於城市公園、道路、草坪的照明，也可用於人口密度低、交通不便、經濟不發達、缺乏常規燃料，但太陽能資源豐富的地區，以解決這些地區人民的家庭照明問題。
[編輯本段]太陽能電池
太陽能電池的發電原理太陽能電池是對光有反應，能將光能轉化為電能的器件。能產生光伏效應的材料有很多種，單晶矽、多晶矽、非晶矽、砷化鎵、硒、銦、銅等。它們的發電原理基本相同。現在以晶體為例來描述光伏發電過程。P型晶體矽可以摻磷得到N型矽，形成P-N結。當光照射到太陽能電池表面時，部分光子被矽材料吸收；光子能量轉移到矽原子上，使電子遷移，變成自由電子聚集在P-N結兩側，形成電勢差。當外電路接通時，在這個電壓的作用下，會有電流流過外電路，產生壹定的輸出功率。這個過程的本質是:光子能量轉化為電能的過程。太陽是離地球最近的恒星，也是太陽系的中心天體，其質量占太陽系總質量的99.865%。太陽也是太陽系中唯壹壹個自己發光的天體，給地球帶來光和熱。如果沒有陽光，地面的溫度將很快下降到接近絕對零度。由於陽光的照射，地面平均溫度會保持在65438±04℃左右，形成了人類和大部分生物生存的條件。除了原子能、地熱能和火山噴發能，地面上的大部分能量都與太陽直接或間接相關。太陽是壹個熾熱的氣體火球，主要由氫和氦組成，半徑為6.96×105km(地球半徑的109倍)，質量約為1.99×1027t(地球的33萬倍)，平均密度約為地球的1/。太陽表面的有效溫度為5762K，而內部中心區域的溫度高達數千萬度。太陽的能量主要來自氫聚合成氦的聚變反應。每秒鐘6.57×1011kg氫氣聚合生成6.53× 11 kg氦氣，連續產生3.90×1023kW能量。這些能量以電磁波的形式，以3×105km/s的速度穿越空間，向四面八方輻射。地球只接收到太陽總輻射的22億，即1.77×1.01.4千瓦到達地球大氣層上邊緣。由於穿過大氣層時的衰減，大約8.5×1.01.3 kW最終到達地球表面，相當於幾十個世界的發電量。按照目前太陽產生核能的速率，氫的儲量足夠維持600億年，地球內部組織因熱核反應聚合成氦，其壽命約為50億年。因此，從這個意義上說，可以說太陽的能量是取之不盡的。太陽的結構和能量傳遞方式簡述如下。太陽的質量非常大。在太陽本身的引力下，太陽物質向地核聚集，地核中心的密度和溫度都很高，使得核反應能夠發生。這些核反應就是太陽的能量，產生的能量不斷向太空輻射，控制著太陽的活動。根據各種間接和直接數據，太陽從中心到邊緣可分為核反應區、輻射區、對流區和太陽大氣。(1)核反應區是太陽25%半徑範圍內(即0.25R)的太陽核心，集中了太陽壹半以上的質量。這裏的溫度約為15百萬度(K)，壓力約為2500億個大氣壓(1 ATM = 101325 pa)，密度接近158g/cm3。這部分產生的能量占太陽產生的總能量的99%，以對流和輻射的形式向外輻射。當氫聚合時，會發出伽馬射線。這種射線經過寒冷地區時，會消耗能量，增加波長，變成X射線、紫外線和可見光。(2)核反應區外的輻射區為輻射區，範圍為0.25~0.8R，溫度降至65438±0.3萬度，密度降至0.079g/cm3。太陽核心產生的能量通過輻射傳輸到這個區域。(3)輻射帶外，對流帶為對流帶(對流層)，範圍為0.8 ~ 1.0r，溫度降至5000K，密度為10-8g/cm3。在對流區，能量主要通過對流傳播。對流區及其內部是看不見的，它們的性質只能通過與觀測相符的理論計算來確定。(4)太陽大氣大致可分為光球層、色球層、日冕層等層次，各層次的物理性質明顯不同。太陽大氣層的最低層被稱為光球層，幾乎所有的太陽光能都是從這壹層發出的。太陽的連續光譜基本上是光球層的光譜，太陽光譜中的吸收線基本上都在這壹層形成。光球層的厚度約為500公裏。色球層是太陽大氣層的中間層，是光球層的向外延伸，可以延伸到幾千公裏。太陽大氣的最外層被稱為日冕，它是壹個極其薄的氣體殼，可以延伸到幾個太陽半徑。嚴格來說，上述太陽大氣層的分層只有形式上的意義。事實上，各層之間沒有明顯的界限，它們的溫度和密度隨著高度不斷變化。可見，太陽不是壹個具有壹定溫度的黑體，而是壹個在不同波長上有許多層輻射和吸收的輻射體。但在描述太陽時，通常將其視為溫度為6000K、波長為0.3 ~ 3.0微米的黑色輻射體..目前，太陽能利用的近期發展已從晶體矽和薄膜太陽能電池進入到合成生物學和光合生物技術發展的有機分子電池、生物分子篩選甚至生物能源等太陽能技術新領域。日前，從上海市科委獲悉，華東師範大學科研人員在實驗室利用納米材料成功“再造”葉綠體，以極低的成本實現了光發電。葉綠體是植物進行光合作用的地方，可以有效地將太陽的光能轉化為化學能。這個研究小組沒有在體外“復制”壹個葉綠體，而是開發了壹種新型電池——染料敏化太陽能電池，這種電池與葉綠體結構類似，並試圖將光能轉化為電能。在上海納米專項基金的支持下，經過三年多的實驗和探索，這種仿生太陽能電池的光電轉換效率已經超過10%，接近11%的世界最高水平。項目負責人、華東師範大學光電集成與先進裝備教育部工程研究中心主任孫卓教授演示了新型太陽能電池的三明治結構——中空玻璃夾著納米“三明治”，光電轉換的奧秘就藏在這幾十微米厚的復合膜中。納米“三明治”的配方非常獨特:染料充當“捕光器”，納米二氧化鈦是“光電轉換器”。為了讓染料盡可能地“吃掉”太陽光，研究人員還別出心裁地撒了壹些“調料”——壹種由納米熒光材料制成的量子點，讓不同波長的太陽光與捕光器的“胃口”相匹配。只要不斷改進配方，納米三明治的光電轉換效率是可以壹再提高的。作為第三代太陽能電池，染料敏化電池最大的吸引力在於廉價的原料和簡單的制造工藝。估計染料敏化電池的成本只相當於矽面板的1/10。同時對光照條件要求不高，即使室內陽光不夠，其光電轉換率也不會受到太大影響。此外，它還有許多有趣的用途。比如，用塑料代替玻璃“夾板”可以制成柔性電池；當它被制成顯示器時，可以同時發電和發光，從而實現能源自給自足。太陽能是壹種清潔和可持續的能源。太陽能技術的發展可以減少化石燃料在發電中的使用，從而緩解空氣汙染和全球變暖的問題。