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太阳能材料分类及我国太阳能发电现状
2017-05-18 16:02:45   来源:科学与财富   作者:张龙采编  点击:

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摘 要:随着我国经济的快速发展,能源的需求量越来越大,新能源的开发越来越受到重视,太阳能发电具有高效清洁、可持续等优点,在我国能源战略中占据着日益重要的地位。本文介绍了太阳能材料的分类及研究动态,并阐述了我国太阳能发电的发展现状。


太阳在40min内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费使用1年,合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略,是其中最受瞩目的研究热点之一[1]。太阳能是清洁能源,不产生任何的环境污染。为了充分有效地利用太阳能,人们发展了多种太阳能材料。按性能和用途大体上可分为光电转换材料、光热转换材料和光化学能转换材料。近十几年来,各国都在太阳能材料的研究和利用方面投入了大量的资金,也取得了一系列的成果。尽管太阳能材料的成本还较高,性能还有待进一步高,但随着材料科学的不断进步,太阳能材料愈来愈显示了诱人的发展前景。


1 太阳能材料


1.1 光电转换材料


光电转换材料主要分为有机物材料、硅材料和多元化合物材料等[2]。


(1)有机物材料


有机太阳能电池材料大体可分为四大类:小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料。


(2)硅材料


硅材料分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅是目前普遍使用的光伏发电材料,它被用做人造卫星、太阳能汽车的电源以及城市路灯或街头时钟的电源。但由于单晶硅生产工艺复杂,加工工艺繁琐,致使单晶硅电池成本居高不下,因此依靠单晶硅大规模推广太阳能电池是很难的。


多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料,太阳电池生产的原料是半导体工业的边角废料。多晶硅光电池的转换效率最高达20.4%,明显不如单晶硅。但与单晶硅电池相比,多晶硅电池材料制备方法更为简单、耗能少,可连续生产。


非晶硅最明显的特征是组成原子的短程有序、长程无序性。非晶硅的另一个特点是在非晶硅半导体中可以连续物性控制,当连续地改变非晶硅中掺杂元素和掺杂量时可以连续改变其电导率、禁带宽度等,这为获得所需要的新型材料提供了广阔的选择空间。


(3)多元化合物材料


应用于太阳能电池的多元化合物材料主要是砷化镓、碲化镉和铜铟镓等,这类材料相比于硅基太阳能电池具有使用材料少、成本低、光电转换效率高、可选用柔性基材等优点。但是由于稳定性能等方面还存在一些问题,大多数的多元化合物太阳能电池还未工业化生产。


1.2 光热转换材料


光热转换材料按用途可以分为导热材料、蓄热材料和集热材料[3]。


(1)导热材料


导热材料主要有导热流材料和导热流管道材料,另外蓄热材料在液相或气相状态下也可作为导热流材料,国际研究倾向于在蓄热和导热过程中采用相同的材料,以降低热交换系统的复杂程度,从而达到降低系统成本的目的,未来的重点是新型热传导媒质的研发,如离子流体,以及新型热循环管道材料,如金属化塑胶管等。


(2)蓄热材料


蓄热材料主要包括相变储热材料、显热储热材料等。利用相变材料的固、液或固、固相变潜热来储存热能的潜热蓄热技术,因具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点而成为目前最具实际发展潜力、应用最多和最重要的蓄热方式。典型的有机类相变材料有石蜡、脂酸类、高分子化合物等。


(3)集热材料


在吸热方面,太阳能一次吸热材料主要有金属、塑料、玻璃等,但实际使用的几乎全是金属,按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料、溴化锂、氯化锂、硫化钠、硅胶、水等。国内外使用得比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。


1.3 光化学能转换材料


光化学能转换材料主要是一些光催化剂,包括钽酸盐、铌酸盐、钛酸盐、多元硫化物等。


2 我国太阳能发电的现状


我国土地辽阔,幅员广大,在中国广阔富饶的土地上,有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳年辐射为3340MJ/m2~8400MJ/m2,中值为5852MJ/m2。从中国太阳能总量的分布来看,西部地区由于地理位置较好,太阳辐射总量很大,因此,我国发展太阳能发电具有天然的优势[4]。


2.1 太阳能发电相关技术的发展现状


近年来,我国的光伏技术理论研究水平及应用水平明显提高,在国家高技术发展计划(863)及国家重大基础研究计划(973)中,国家将大量的资金投入到太阳能薄膜电池的研发项目中,目前我国的太阳能薄膜电池技术已达到或接近世界先进水平,促进了中国薄膜光伏材料、器件及关键设备方面的广泛发展[5]。


2.2 光伏行业的发展现状


自二十世纪八十年代以来,在国家政策的的支持下,我国的光伏行业快速发展壮,发电规模不断扩大。2011年我国凭借290万千瓦的新增装机规模,成为亚太地区光伏市场主力;2012年新增350万千瓦,累计装机达到700万千瓦,新增市场排名全球第四;2013年我国建成光伏电站规模1479万千瓦,当年发电量是87亿千瓦时,为全国发电总量的0.17%,位列全球光伏电站年度建设第一大国;2014年我国累计光伏电站规模达到2805万千瓦,年发电量250亿千瓦时,已占全国发电总量的0.46%。“十二五”期间,我国光伏发电装机从2010年的89万千瓦起步,到2015年三季度定格3795万千瓦,规模体量实现了超过40倍的扩充。目前,我国的光伏发电规模已居世界前列。


结束语


在生态环境日趋恶化、化石燃料日趋紧张的今天,太阳能作为清洁安全的可再生资源必将成为化石燃料理想的替代品。太阳能材料是太阳能技术的基础,太阳能材料的研究对太阳能行业起着决定性的作用,我国应该更加重视太阳能基础材料的研究开发,致力于提高太阳能的利用效率,只有加强自主创新、掌握核心技术,我国的光伏产业才能破除困境,我国的太阳能发电水平才能更上一个层次。

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