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太陽能發(fā)電技術(shù)及其原理應(yīng)用(二)

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  4、太陽能光化學(xué)分解水制氫。這一制氫過程與上述熱化學(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，增加對陽光中長波光能的吸收，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)體電極作陽極，而以鉑黑作陰極，制成太陽能光電化學(xué)電池，在太陽光照射下，陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣，兩電極用導(dǎo)線連接便有電流通過，即光電化學(xué)電池在太陽光的照射下同時(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)果引起世界各國科學(xué)家高度重視，認(rèn)為是太陽能技術(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、太陽光絡(luò)合催化分解水制氫。從1972年以來，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)，并通過一系列偶聯(lián)過程，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)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽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5萬平方公里接受的太陽能，通過光合放氫工程即可滿足美國的全部燃料需要。
  太陽能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換：通過植物的光合作用，太陽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)換太陽能的過程，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，今后對其機(jī)理的研究具有重大的理論意義和實(shí)際意義。
太陽能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換
20世紀(jì)初，俄國物理學(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帆，在陽光的壓力作用下可推動宇宙飛船前進(jìn)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能�？茖W(xué)家估計(jì)，在未來10～20年內(nèi)，太陽帆設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)。通常，太陽能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要通過中間過程進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。
3、太陽能貯存
地面上接受到的太陽能，受氣候、晝夜、季節(jié)的影響，具有間斷性和不穩(wěn)定性。因此，太陽能貯存十分必要，尤其對于大規(guī)模利用太陽能更為必要。太陽能不能直接貯存，必須轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能貯存。大容量、長時(shí)間、經(jīng)濟(jì)地貯存太陽能，在技術(shù)上比較困難。本世紀(jì)初建造的太陽能裝置幾乎都不考慮太陽能貯存問題，目前太陽能貯存技術(shù)也還未成熟，發(fā)展比較緩慢，研究工作有待加強(qiáng)。
（1）熱能貯熱
  ①、顯熱貯存。利用材料的顯熱貯能是最簡單的貯能方法。在實(shí)際應(yīng)用中，水、沙、石子、土壤等都可作為貯能材料，其中水的比熱容最大，應(yīng)用較多。七八十年代曾有利用水和土壤進(jìn)行跨季節(jié)貯存太陽能的報(bào)道。但材料顯熱較小，貯能量受到一定限制。
②、潛熱貯存。利用材料在相變時(shí)放出和吸入的潛熱貯能，其貯能量大，且在溫度不變情況下放熱。在太陽能低溫貯存中常用含結(jié)晶水的鹽類貯能，如10水硫酸鈉／水氯化鈣、12水磷酸氫鈉等。但在使用中要解決過冷和分層問題，以保證工作溫度和使用壽命。太陽能中溫貯存溫度一般在100℃以上、500℃以下，通常在300℃左右。適宜于中溫貯存的材料有：高壓熱水、有機(jī)流體、共晶鹽等。太陽能高溫貯存溫度一般在500℃以上，目前正在試驗(yàn)的材料有：金屬鈉、熔融鹽等。1000℃以上極高溫貯存，可以采用氧化鋁和氧化鍺耐火球。
③、化學(xué)貯熱。利用化學(xué)反應(yīng)貯熱，貯熱量大，體積小，重量輕，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物可分離貯存，需要時(shí)才發(fā)生放熱反應(yīng)，貯存時(shí)間長。真正能用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)必須滿足以下條件：反應(yīng)可逆性好，無副反應(yīng)；反應(yīng)迅速；反應(yīng)生成物易分離且能穩(wěn)定貯存；反應(yīng)物和生成物無毒、無腐蝕、無可燃性；反應(yīng)熱大，反應(yīng)物價(jià)格低等，目前已篩選出一些化學(xué)吸熱反應(yīng)能基本滿足上述條件，如Ca(OH)2的熱分解反應(yīng)，利用上述吸熱反應(yīng)貯存熱能，用熱時(shí)則通過放熱反應(yīng)釋放熱能。但是，Ca（OH)2在大氣壓脫水反應(yīng)溫度高于500℃，利用太陽能在這一溫度下實(shí)現(xiàn)脫水十分困難，加入催化劑可降低反應(yīng)溫度，但仍相當(dāng)高。所以，對化學(xué)反應(yīng)貯存熱能尚需進(jìn)行深入研究，一時(shí)難以實(shí)用。其它可用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)還有金屬氫化物的熱分解反應(yīng)、硫酸氫銨循環(huán)反應(yīng)等
④、塑晶貯熱。1984年，美國在市場上推出一種塑晶家庭取暖材料。塑晶學(xué)名為新戊二醇（NPG），它和液晶相似，有晶體的三維周期性，但力學(xué)性質(zhì)象塑料。它能在恒定溫度下貯熱和放熱，但不是依靠固一液相變貯熱，而是通過塑晶分子構(gòu)型發(fā)生固-固相變貯熱。塑晶在恒溫44℃時(shí)，白天吸收太陽能而貯存熱能，晚上則放出白天貯存的熱能。美國對NPG的貯熱性能和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究，將塑晶熔化到玻璃和有機(jī)纖維墻板中可用于貯熱，將調(diào)整配比后的塑晶加入玻璃和纖維制成的墻板中，能制冷降溫。我國對塑晶也開展了一些實(shí)驗(yàn)研究，但尚未實(shí)際應(yīng)用。   5、太陽池貯熱。太陽池是一種具有一定鹽濃度梯度的鹽水池，可用于采集和貯存太陽能。由于它簡單、造價(jià)低和宜于大規(guī)模使用，引起人們的重視。60年代以后，許多國家對太陽池開展了研究，以色列還建成三座太陽池發(fā)電站。70年代以后，我國對太陽池也開展了研究，初步得到一些應(yīng)用。
（2）電能貯存
電能貯存比熱能貯存困難，常用的是蓄電池，正在研究開發(fā)的是超導(dǎo)貯能。世界上鉛酸蓄電池的發(fā)明已有100多年的歷史，它利用化學(xué)能和電能的可逆轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)充電和放電。鉛酸蓄電池價(jià)格較低，但使用壽命短，重量大，需要經(jīng)常維護(hù)。近來開發(fā)成功少維護(hù)、免維護(hù)鉛酸蓄電池，使其性能有一定提高。目前，與光伏發(fā)電系統(tǒng)配套的貯能裝置，大部分為鉛酸蓄電池。1908年發(fā)明鎳-銅、鎳-鐵堿性蓄電池，其使用維護(hù)方便，壽命長，重量輕，但價(jià)格較貴，一般在貯能量小的情況下使用�，F(xiàn)有的蓄電池貯能密度較低，難以滿足大容量、長時(shí)間貯存電能的要求。新近開發(fā)的蓄電池有銀鋅電池、鉀電池、鈉硫電池等。某些金屬或合金在極低溫度下成為超導(dǎo)體，理論上電能可以在一個(gè)超導(dǎo)無電阻的線圈內(nèi)貯存無限長的時(shí)間。這種超導(dǎo)貯能不經(jīng)過任何其它能量轉(zhuǎn)換直接貯存電能，效率高，起動迅速，可以安裝在任何地點(diǎn)，尤其是消費(fèi)中心附近，不產(chǎn)生任何污染，但目前超導(dǎo)貯能在技術(shù)上尚不成熟，需要繼續(xù)研究開發(fā)。
（3）氫能貯存
  氫可以大量、長時(shí)間貯存。它能以氣相、液相、固相（氫化物）或化合物（如氨、甲醇等）形式貯存。氣相貯存：貯氫量少時(shí)，可以采用常壓濕式氣柜、高壓容器貯存；大量貯存時(shí)，可以貯存在地下貯倉、由不漏水土層復(fù)蓋的含水層、鹽穴和人工洞穴內(nèi)。液相貯存：液氫具有較高的單位體積貯氫量，但蒸發(fā)損失大。將氫氣轉(zhuǎn)化為液氫需要進(jìn)行氫的純化和壓縮，正氫-仲氫轉(zhuǎn)化，最后進(jìn)行液化。液氫生產(chǎn)過程復(fù)雜，成本高，目前主要用作火箭發(fā)動機(jī)燃料。固相貯氫：利用金屬氫化物固相貯氫，貯氫密度高，安全性好。目前，基本能滿足固相貯氫要求的材料主要是稀土系合金和鈦系合金。金屬氫化物貯氫技術(shù)研究已有30余年歷史，取得了不少成果，但仍有許多課題有待研究解決。我國對金屬氫化物貯氫技術(shù)進(jìn)行了多年研究，取得一些成果，目前研究開發(fā)工作正在深入。
（4）機(jī)械能貯存
太陽能轉(zhuǎn)換為電能，推動電動水泵將低位水抽至高位，便能以位能的形式貯存太陽能；太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，推動熱機(jī)壓縮空氣，也能貯存太陽能。但在機(jī)械能貯存中最受人關(guān)注的是飛輪貯能。早在50年代有人提出利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪貯能設(shè)想，但一直沒有突破性進(jìn)展。近年來，由于高強(qiáng)度碳纖維和玻璃纖維的出現(xiàn)，用其制造的飛輪轉(zhuǎn)速大大提高，增加了單位質(zhì)量的動能貯量；電磁懸浮、超導(dǎo)磁浮技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合真空技術(shù)，極大地降低了摩擦阻力和風(fēng)力損耗；電力電子的新進(jìn)展，使飛輪電機(jī)與系統(tǒng)的能量交換更加靈活。所以，近來飛輪技術(shù)已成為國際上研究熱點(diǎn)，美國有20多個(gè)單位從事這項(xiàng)研究工作，已研制成貯能20kWh飛輪，正在研制5MWh～100MWh超導(dǎo)飛輪。我國已研制成貯能0.3kwh的小型實(shí)驗(yàn)飛輪。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，飛輪可以代替蓄電池用于蓄電。
4、太陽能傳輸
    太陽能不象煤和石油一樣用交通工具進(jìn)行運(yùn)輸，而是應(yīng)用光學(xué)原理，通過光的反射和折射進(jìn)行直接傳輸，或者將太陽能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量進(jìn)行間接傳輸。直接傳輸適用于較短距離，基本上有三種方法：通過反射鏡及其它光學(xué)元件組合，改變陽光的傳播方向，達(dá)到用能地點(diǎn)；通過光導(dǎo)纖維，可以將入射在其一端的陽光傳輸?shù)搅硪欢�，傳輸時(shí)光導(dǎo)纖維可任意彎曲；采用表面鍍有高反射涂層的光導(dǎo)管，通過反射可以將陽光導(dǎo)入室內(nèi)。間接傳輸適用于各種不同距離。將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱管可將太陽能傳輸?shù)绞覂?nèi)；將太陽能轉(zhuǎn)換為氫能或其它載能化學(xué)材料，通過車輛或管道等可輸送到用能地點(diǎn)；空間電站將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過微波或激光將電能傳輸?shù)降孛�。太陽能傳輸包含許多復(fù)雜的技術(shù)問題，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行研究，這樣才能更好地利用太陽能。

二、結(jié)論

在地球環(huán)境污染和能源形勢的變化日趨嚴(yán)峻的背景下,太陽能作為一種無公害、儲量無窮的自然能量,相起人們的關(guān)注.為此,該文綜述了家用太陽能的發(fā)展概況、研究動態(tài)及應(yīng)用前景.并對家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)做了一系列的研制.首先,介紹了太陽能電池的結(jié)構(gòu)原理,測試太陽能電池的輸出特性,作為整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)研制的基礎(chǔ),針對自然太陽光強(qiáng)度變化的隨機(jī)性,研制出仿太陽能發(fā)電池輸出特性的模擬電源,作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輔助電源.其次,用以實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤和控制.在分析模糊邏輯技術(shù)的原理、特點(diǎn)基礎(chǔ)上,針對功率比較法的不足和局限性,提出并研究了模糊控制的最大功率跟蹤方案.從理論上對太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的雙方向逆變進(jìn)行初步探討.最后,將研制出的太陽能空調(diào)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連網(wǎng)運(yùn)行,并通過大量的實(shí)測結(jié)果說明該系統(tǒng)的節(jié)能效果. 綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是本世紀(jì)人類面臨的重大課題，開發(fā)新能源，對現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)開發(fā)的深化，它的效率、性價(jià)比將得到提高，它在包括BIPV在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，也將極大地推動中國"綠色照明工程"的快速發(fā)展。

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