太阳能基本知识

太阳能（solar energy）

【简介】

        一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持几十亿至上百亿年的时间。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8×1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×1013kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
        人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式。
        使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能，使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电，利用太阳能进行海水淡化。现在，太阳能的利用还不很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。

【原理】

        太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

        尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

        太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

【分类】

        太阳能光伏
        光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

        太阳热能
        现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。

【利用太阳能的历史】

        据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率 不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。
        第一阶段(1900-1920)
        在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造 的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；1902 -1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。

        第二阶段（1920-1945）
        在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。

        第三阶段（1945-1965）
        在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少， 呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。 在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有： 1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。       
               
        第四阶段(1965-1973）
        这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

        第五阶段（1973-1980）
        自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。 于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房 、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶 ，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用……。 1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。 这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：
        各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。  
        研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、 光解水制氢、太阳能热发电等。  
        各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳 能电站还未升空。  
        太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想        
               
        第六阶段（1980-1992）
        70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。 受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使 人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。       
               
        第七阶段（1992- 至今）
        由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》， 《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确 了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》 （1996- 2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施 。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。 1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言 》，会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》（1996- 2005），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动 ，广泛利用太阳能。1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。        
                               
【利弊】

        优点：?
        (1)普遍：太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。?
        (2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。?
        (3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。?
        (4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。?

        缺点：?
        (1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1m?2面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1／5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。?
        (2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。?
        (3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。?

        太阳能利用中的经济问题：?
        第一，世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。
        第二，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费结构的76％，已成为我国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。

【我国太阳能资源】

        在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333 KWh/ m2 （日辐射量6.4KWh/ m2 ），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
        根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。
        一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量6680-8400 MJ/m2，相当于日辐射量5.1-6.4KWh/m2。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达2333 KWh/ m2 （日辐射量6.4KWh/ m2 ），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
        二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为5850-6680 MJ/m2，相当于日辐射量4.5-5.1KWh/m2。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
        三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000-5850 MJ/m2，相当于日辐射量3.8-4.5KWh/m2。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。
        四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量4200-5000 MJ/m2，相当于日辐射量3.2-3.8KWh/m2。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。
        五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量3350-4200 MJ/m2，相当于日辐射量只有2.5-3.2KWh/m2。
        太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。
        从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/m2.天 以上，西藏最高达7 kWh/m2.天。

【太阳能发展之路】

太阳能的利用有多种方式：
1－太阳热能的利用，比如太阳能热水器，目前就用的比较多也比较普及；
2－太阳能发电，是目前太阳能利用的重点研究领域，主要的普及障碍是：
①用于完成光电转化的硅光电池成本太高、转化效率低、使用寿命短；
②用于储存电能的蓄电池成本高、使用寿命有限、造成环境污染。
       国外采用电能联网的办法解决电能的储存问题，不用电池储电，直接供电，效果很好，但需要形成规模，并有政府的介入协调管理。硅光电池的技术正在快速发展和进步之中。目前太阳能发电还主要用在一些很难获得其他电力资源的地区或场所。

【太阳能热利用】

    概述：众所周知，人类目前大量利用的木头、石油、煤炭、天然气等能源都是通过植物光合作用等方式间接利用太阳能，可以毫不夸张地说，太阳是目前人类所能利用的唯一的能源来源，而到目前为止，通过光合作用等间接利用太阳能又是最重要的方式，而太阳能的直接利用方式则是二十世纪前后才真正进入人们的生活。从太阳能的间接利用到直接利用，是人类利用太阳能的质的飞跃，如果人类能在太阳能的直接利用技术上取得重大突破，那么就像人类第一次学会钻木取火使人类与动物区分开来一样，太阳能将再次改写人类的历史，人类文明的发展将进入一个崭新的阶段，对此，我们抱着极大的期待和信心！
    就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。


(一)太阳能集热器

    太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需 。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器.按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。另外还有一种真空集热器:一个好的太阳能集热器应该能用20-30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40-50年且很少进行维修。

(二)太阳能热水系统

    早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：（a）自然循环式: 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。 （b）强制循环式:热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处，但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。

（三）暖房

    利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冷暖房的热装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，在把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。

（四）太阳能发电

    即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。

    空间太阳能电源

    第一个空间太阳电池载于1958年发射的Vangtuard I，体装式结构，单晶Si衬底，效率约10%（28℃）。到了1970年代，人们改善了电池结构，采用BSF、光刻技术及更好减反射膜等技术，使电池的效率增加到14%。在70年代和80年代，地面太阳电池大约每5.5年全球产量翻番；而空间太阳电池在空间环境下的性能，如抗辐射性能等得到了较大改善。由于80年代太阳电池的理论得到迅速发展，极大地促进了地面和空间太阳电池性能的改善。到了90年代，薄膜电池和Ⅲ-Ⅴ电池的研究发展很快，而且聚光阵结构也变得更经济，空间太阳电池市场竞争十分激烈。在继续研究更高性能的太阳电池，主要有两种途径：研究聚光电池和多带隙电池。

　　1、空间太阳电池主要性能

　　电池效率

　　由于太阳电池在不同光强或光谱条件下效率一般不同，对于空间太阳电池一般采用AM0光谱（1.367KW/m2），对于地面应用一般采用AM1.5光谱（即地面中午晴空太阳光，1.000 KWm-2）作为测试电池效率的标准光源。太阳电池在AM0光谱效率一般低于AM1.5光谱效率2～4个百分点，例如一个AM0效率为16%的Si太阳电池AM1.5效率约为19%）。

　　25℃，AM0条件下太阳电池效率

电池类型  面积（cm2） 效率（%） 电池结构

一般Si太阳电池 64cm2   14.6   单结太阳电池
先进Si太阳电池  4cm2   20.8   单结太阳电池
GaAs太阳电池    4cm2   21.8   单结太阳电池
InP太阳电池     4cm2   19.9   单结太阳电池
GaInP/GaAs      4cm2   26.9   单片叠层双结太阳电池
GaInP/GaAs/Ge   4cm2   25.5   单片叠层双结太阳电池
GaInP/GaAs/Ge   4cm2   27.0   单片叠层三结太阳电池

聚光电池
GaAs太阳电池    0.07   24.6   100X
GaInP/GaAs      0.25   26.4   50X，单片叠层双结太阳电池
GaAs/GaSb       0.05   30.5   100X，机械堆叠太阳电池


　　空间太阳电池在大气层外工作，在近地球轨道太阳平均辐照强度基本不变，通常称为AM0辐照，其光谱分布接近5800K黑体辐射光谱，强度1353mW/cm2。因此空间太阳电池多采用AM0光谱设计和测试。

　　空间太阳电池通常具有较高的效率，以便在空间发射的重量、体积受限制的条件下，能获得特定的功率输出。特别在一些特定的发射任务中，如微小卫星（重量在50～100公斤）上应用，要求单位面积或单位重量的比功率更高。

　　2、抗辐照性能

　　空间太阳电池在地球大气层外工作，必然会受到高能带电粒子的辐照，引起电池性能的衰减，主要原因是由于电子或质子辐射使少数载流子的扩散长度减小。其光电参数衰减的程度取决于太阳电池的材料和结构。还有反向偏压、低温和热效应等因素也是电池性能衰减的重要原因，尤其对叠层太阳电池由于热胀系数显著不同，电池性能衰减可能更严重。

　　3、空间太阳电池的可靠性

　　光伏电源的可靠性对整个发射任务的成功起关键作用，与地面应用相比，太阳电池/阵的费用高低并不重要，因为空间电源系统的平衡费用更高，可靠性是最重要的。空间太阳电池阵必须经过一系列机械、热学、电学等苛刻的可靠性检验。

　　Si太阳电池

　　硅太阳电池是最常用的卫星电源，从1970年代起，由于空间技术的发展，各种飞行器对功率的需求越来越大，在加速发展其他类型电池的同时，世界上空间技术比较发达的美、日和欧空局等国家，都相继开展了高效硅太阳电池的研究。以日本SHARP公司、美国的SUNPOWER公司以及欧空局为代表，在空间太阳电池的研究发展方面领先。其中，以发展背表面场（BSF）、背表面反射器（BSR）、双层减反射膜技术为第一代高效硅太阳电池，这种类型的电池典型效率最高可以做到15%左右，目前在轨的许多卫星应用的是这种类型的电池。

　　到了70年代中期，COMSAT研究所提出了无反射绒面电池（使电池效率进一步提高）。但这种电池的应用受到限制：一是制备过程复杂，避免损坏PN结；二是这样的表面会吸收所有波长的光，包括那些光子能量不足以产生电子-空穴对的红外辐射，使太阳电池的温度升高，从而抵消了采用绒面而提高的效率效应；三是电极的制作必须沿着绒面延伸，增加了接触的难度，使成本升高。

　　80年代中期，为解决这些问题，高效电池的制作引入了电子器件制作的一些工艺手段，采用了倒金子塔绒面、激光刻槽埋栅、选择性发射结等制作工艺，这些工艺的采用不但使电池的效率进一步提高，而且还使得电池的应用成为可能。特别在解决了诸如采用带通滤波器消除温升效应以后，这类电池的应用成了空间电源的主角。

　　虽然很多工艺技术是由一些研究所提出，但却是在一些比较大的公司得到了发扬光大，比如倒金子塔绒面、选择性发射结等工艺是在澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心出现，但日本的SHARP公司和美国的SUNPOWER公司目前的技术水平却为世界一流，有的技术甚至已经移植到了地面用太阳电池的大批量生产。

　　为了进一步降低电池背面复合影响，背面结构则采用背面钝化后开孔形成点接触，即局部背场。这些高效电池典型结构为PERC、PERL、PERT、PERF[1]，其中前种结构的电池已经在空间获得实用。典型的高效硅太阳电池厚度为100μm，也被称为NRS/BSF（典型效率为17%）和NRS/LBSF（典型效率为18%）,其特征是正面具有倒金子塔绒面的选择性发射结构，前后表面均采用钝化结构来降低表面复合，背面场采用全部或局部背场。实际应用中还发现，虽然采用局部背场工艺的电池要普遍比NRS/BSF的电池效率高一个百分点，但通常局部背场的抗辐照能力比较差。

　　到了上世纪90年代中期，空间电源工程人员发现，虽然这种类型电池的初期效率比较高，但电池的末期效率比初期效率下降25%左右，限制了电池的进一步应用，空间电源的成本仍然不能很好地降低。

　　为了改变这种情况，以SHARP为首的研究机构提出了双边结电池结构，这种电池的出现有效地提高了电池的末期效率，并在HES、HES-1卫星上获得了实际应用。

　　另外研究人员还发现，卫星对电池阵位置的要求比较苛刻，如果太阳电池阵不对日定向或对日定向差等都会影响到卫星电源的功率，这在一定程度上也限制了卫星整体系统的配置。比如空间站这样复杂的飞行器，有的电池阵几乎不能完全保证其充足的太阳角，因而就需要高效电池来满足要求。虽然目前已经部分应用了常规的高效电池，但电池的高的α吸收系数、有限的空间和重量的需要使其仍然不能满足空间系统大规模功率的需要。传统的电池结构仍然受到很大程度的限制。在这种情况下，俄罗斯在研究高效硅电池初期就侧重于提高电池的末期效率为主，在结合电池阵研究方面提出了双面电池的构想并获得了成功，真正做到了高效长寿命和低成本。

　　GaAs太阳电池

　　随着空间科学和技术的发展，对空间电源提出了更高的要求。80年代初期，前苏联、美国、英国、意大利等国开始研究GaAs基系太阳电池。80年代中期，GaAs太阳电池已经用于空间系统，如1986年前苏联发射的“和平号”空间站，装备了10KW的GaAs太阳电池，单位面积比功率达到180W/m2。8年后，电池阵输出功率总衰退不大于15%。

　　GaAs基系太阳电池经历了从LPE到MOVPE，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构发展变化，其效率不断提高。从最初的16%增加到25%，工业生产规模年产达100KW以上，并在空间系统得到广泛的应用。更高的效率减小了阵列的大小和重量，增加了火箭的装载量，减少火箭燃料消耗，因此整个卫星电源系统的费用更低。

　　薄膜太阳电池

　　为适应空间应用需求，国际上纷纷制订各自的薄膜太阳电池计划（如NASA，主要目标在于提高比功率和降低发射装载容量），提出解决措施：（1）研制超轻柔性衬底薄膜太阳电池；（2）研制多结薄膜太阳电池。目前，国际发展趋势主要涉及非晶硅（a-Si:H）太阳电池、铜铟（镓）硒（CuInGaSe2）太阳电池和碲化镉(CdTe)太阳电池。经过数年的努力，其效率达到15～20%（ AM0）。

　　另一方面，为展开柔性薄膜太阳电池的研制（展开式、折叠式、套桶式、卷廉式）的设计与应用提供可能。自90年代后期，国外已开展了以聚合物为衬底薄膜太阳电池的研制，并取得一定的进展。薄膜太阳电池是获得高效率、长寿命、高可靠、低成本的重要途径之一。主要包括：a-Si及其合金、CuInSe2 及其合金、以及CdTe三种材料的薄膜太阳电池。

　　聚光太阳电池

　　一般认为，现代聚光PV开始于1970年代末悉尼国家实验室，采用了点聚焦非涅耳透镜硅电池双轴跟踪结构，随后并研制了几个原型。在1980年代，很多研究机构进行了一系列成功的实验，在聚光技术方面取得了突破性进展，如非涅耳透镜、棱形玻璃盖片等。在1990年代中期，线聚焦Fresenel透镜聚光阵技术已经成功地用于SCARLET太阳电池阵，电池为GaInP/GaAs/Ge三结电池，聚光阵的功率密度大于200 W/m2，比功率大于45 W/kg。线聚焦Fresenel透镜聚光阵已经用于DEEPSPACE-1。

　　由于三结GaAs太阳电池有很好的高温特性（为高电压低电流器件），通过聚光将显著提高电池电流输出，特别在实现高倍聚光后，可获得更高的功率输出。因此，以三结砷化镓太阳电池为主要部件的聚光太阳电池以其高效率（可达到40%以上）、高温性能好（工作温度每升高1?C性能仅下降0.2%，可在200?C情况下正常工作，聚光倍数可达500倍以上）等特点被国际公认为最有发展前途和最具商用价值的新一代太阳能器件。


【第一个实现太阳能发电的太阳能电站】

        法国奥德约太阳能发电站是世界上第一个实现太阳能发电的太阳能电站。虽然当时发电功率才64千瓦，但它为后来的太阳能电站的研究与设计奠定了基础。1982年美国建成了一座1000万千瓦的塔式太阳热中间试验电站。美国计划到2000年，太阳能发电站总装机容量将达4000万千瓦。2000年和2020年，生产的电量占总能量的百分比将是7％和25％。由于光热转换器（聚光器）需要占据较大的空间采光受热，设备偏大，以美国在加利福尼亚州计划建一座1万千瓦发电设备为例，集光装置达40万平方米，200万千瓦，则需占地50平方千米。据估计，大型太阳能发电站效率仅为30％左右。另外，太阳能发电站还需要有应付晚上和阴天用电需要的蓄电器，而所需的聚光器造价也较昂贵，发电经济性差，因此，影响了广泛地推广和应用。

文章作者：Solarbe.com