硅基太阳能电池的发展及应用

硅基太阳能电池的发展及应用（通用6篇）

硅基太阳能电池的发展及应用 篇1

..硅基太阳能电池的发展及应用

摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。

关键词：硅基

太阳能电池

转换效率

1引言

二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%--45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。

目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。

（图1：太阳能电池的种类）

太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏)。

图1典型的晶体硅太阳电池结构图【6】

由于太阳能能源有如此优越的特性，因此，大力发展可再生能源成为了当今世界的热门研究领域，从长远角度来看，在各种可再生能源技术光伏发电自20世纪90年代后半期进入了快速发展时期，最近10年和最近5年的太阳电池的年均增长率都达到了爆发性的水平。我国太阳能光伏产业的发展在世界光伏市场的拉动下快速发展起来。2007年我国太阳电池产量达到了1088 MW，占世界总产量的27.2%，超过了日本(920 MW)和欧洲(1062.8 MW)，成为世界太阳电池的第一大生产国。到了2010年中国光伏电池产量己超过全球总产量的50%，目前己有数十家公司在海外上市，行业年产值超过3000亿人民币。太阳能光伏发电技术具有可持续发展的特点;最丰富的资源来源(太阳)和最洁净的发电过程【4】。

由于太阳电池研究涉及的学术与技术内容过于广泛，而且据近几年市场数据分析，硅基太阳能电池占太阳能电池总产量的98%，故本文只对当前生产化主要的硅基太阳能电池材料进行论述。

硅基太阳能电池的原理与特点

根据硅片厚度的不同，可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。本文主要论述以下几种硅基太阳能电池的基本原理：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，多晶硅薄膜太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，微晶硅薄膜太阳能电池。

晶体硅的发电过程大致如下：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型 硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一 部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧聚 集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作 用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

2.1 单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。

2.1.1 单晶硅的优点和不足

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，虽然其转换效率高，但是制作单晶硅太阳能电池需要大量的高纯度硅材料，且工艺复杂，电耗很大池工艺影响，且太阳能电池组件平面利用率低，致使单晶硅成本价格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

2.2多晶硅太阳能电池

目前，太阳能使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶硅颗粒的集合体，或用废弃单晶硅材料和冶金基硅材料熔化浇筑而成，其工艺过程是选择电阻率为100-300cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1:5的氢氟酸液混合进行适当的腐蚀，然后用离子水冲洗呈中性，并烘干，用石英坩埚装好许多硅料，加入适当硼硅，放入浇铸炉，在真空状态下加以熔化，熔化后保持约20min,然后注入石墨铸模中，慢慢冷却后即基硅锭，然后切片加工成太阳能电池片，即多晶硅太阳能电池。

2.2.1 多晶硅太阳能电池的优点和不足

它的成本和单晶硅差不多，其转换约为12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，总的生产成本较低，因此得到了大量发展。

2.3 多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池【3】。2.3.1多晶硅薄膜太阳能电池的优缺点

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。2.4 非晶硅薄膜太阳能电池

非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要1 ùm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产。由于硅原料不足和价格上涨，促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足，未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。但是由于非晶硅缺陷较多，制备的太阳能电池效率偏低，且其效率还会随着光照衰减，导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到 限制。目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合，生成非晶硅/晶硅异质结太阳能电池，这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点，而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度，目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17.4%【3】。

2.4.1非晶硅薄膜太阳能电池优点与缺陷

非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比，具有重量轻、工艺简单、成本低、耗能少和便于大规模生产等优点，因此受到人们 重视，并得到迅速的发展。非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化，也是目前产业规模最大的薄膜电池。

虽然非晶硅薄膜太阳能电池得到了广泛的研究和应用。但是，依然存在着很多问题需要去解决:y光学禁带宽度为1.7 eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域吸收不敏感，限制了其光电转换效率;(2)光电转换效率随着光照时间的增长而衰弱，即所谓的光致衰退(S W)【2】效应，使得电池性能不稳定;(3)制备过程中，非晶硅的沉积速率较低，影响了非晶硅薄膜太阳能电池的商业化生产;(4)电池组件的后续加工困难，如Ag电极的处理问题;(5)在薄膜沉积过程中存在大量的负面杂质，如Oz , Nz和C等，影响薄膜的质量和电池的稳定性。2.5 微晶硅薄膜太阳能电池

微晶硅薄膜可采用与非晶硅兼容的技术制备，鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性，常用微晶硅作底电池，形成非晶硅/微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率。通过诸多实验室的努力，微晶硅电池自1994年被报道以来，转换效率得到明显的提高。目前，单结微晶硅电池的效率已超过10%，微晶硅薄膜的制备方法有:基于高氢气稀释比，高功率密度的PECVI〕技术;用氢等离子体退火处理a-Si:H薄膜;电子回旋共振担CR)等离子体淀积技术;用热丝法(VV1J或Cat)技术【1】。2.5.1微晶硅薄膜太阳能电池的优势与不足

微晶硅薄膜太阳能电池具有过渡层结构，几乎没有s-w效应，稳定性好，可拓展太阳光谱范围，使其转换效率高，具有与非晶硅材料相同的低温工艺、工艺简单、便于大面积生产的优点，主要存在的问题就是其生长速率较低的问题，不利于降低制造成本。这将成为今后重点的研究方向。主流太阳能电池材料的比较

单晶硅太阳能电池是开发得最早、使用最广泛的一种太阳能电池，其结构和生产工艺已定型，产品已广泛应用于空间技术和其它方面单晶硅太阳能电池是由高质量的单晶硅材料制成的.目前，商用晶体硅光伏产品的光转化率约为20%左右.由于单品硅材料的制作成木昂贵，而半导体薄膜太阳能电池材料只需几微米厚就能实现光电转换.是降低成本和提高光子循环的理想材料，非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料制备的一种薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池可以用玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底.多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上作为太阳电池的激活层。纳米Ti0:半导体的化学性质稳定.纳米Ti0:半导体用做太阳能电池材料的原理与硅半导体相同.但TiO:是宽禁带(3.2eV)半导体化合物，应用于太阳能电池只有波长较短的太阳光（λ ≥387nm)才能被吸收.而这部分紫外线((300--400nm)只占到达地面上的太阳光能的4%-6%，太阳能利用率很低.提高太阳能吸收效率的途径是缩短Tin:半导体的禁带宽度使其吸收光谱向可见光扩展，可以通过金属离子掺杂、非金属离子注人、半导体复合以及染料敏化等几个方法来缩短Ti0:的禁带宽度。

从20世纪70年代起开始探索一些具有大共扼结构的有机化合物或金属配合物用做太阳能电池材料与无机半导体太阳能电池相比，有机材料制备太阳能电池具有制造面积大、制作简单、廉价、并且可以在可卷曲折叠的衬底上制备具有柔性的太阳能电池等优点.有机太阳能电池材料主要是一些具有大共扼结构的有机小分子花类化合物、有机染料分子、富勒烯及其衍生物等.有机小分子化合物的主要优势是制备和表征比较简单，化学结构很容易修饰，可以根据需要进行设计和改变官能团。

过渡金属配合物是一类新型的光电材料化合物，它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子结构的多样性，这类化合物的特点是过渡金属离子被有机配体所环绕，有机配体易于进行分子设计和分子裁剪，而过渡金属离子的d轨道或漱道上具有未成对电子，能形成特有的光电性质。目前用做太阳电池材料的金属配合物主要有菁类化合物和具有共扼结构的联毗啶过渡金属配合物。

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Soar Cells, DSSCs).以半导体 Ti02薄膜为光阳极，并引入了染料敏化剂，使电池效率达到7.1%，这种电池的出现为太阳能电池的发展带来了新方法，它将带有发色团的染料分子引人到半导体中，大大增强了半导体TiO,捕获太阳光的能力。由于现在对界面电荷的分离机理还不是很明确，当电荷分离形成之后就会发生电荷的迁移电子移向正极而空穴移向负极，从而在两极间形成一定的电势，但在电荷的迁移过程中，也伴随着电荷的重新结合(重合)。电荷重合浪费了界面电荷分离所储存的电势能，极大地降低光电转化的效率.目前染料敏化太阳能电池材料还存在光电转换率低，或是电池材料的寿命短.因此寻找光转换效率高寿命长的光敏染料是染料敏化太阳能电池材料研究的重要方向。硅基太阳能电池的发展和应用前景 4.1 硅基的发展历程

硅基太阳能电池的发展可划分为三个阶段（如图1所示），每一阶段效率的提升都是因为新技术的引入。

图1电池效率发展路程图

1954年贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年为第一发展阶段，导致效率提升的主要技术是硅材料的制备工艺日趋完善、硅材料的质量不断提高使得电池效率稳步上升，这一期间电池效率在15%。1972年到1985年是第二个发展阶段，背电场电池（BSF）技术、“浅结”结构、绒面技术、密栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到17%，电池成本大幅度下降。1985年后是电池发展的第三阶段，光伏科学家探索了各种各样的电池新技术、金属化材料和结构来改进电池性能提高其光电转换效率：表面与体钝化技术、Al/P吸杂技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。许多新结构新技术的电池在此阶段相继出现，如效率达24.4%钝化发射极和背面点接触（PERL）电池。目前相当多的技术、材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化生产当中来。目前已经有多家国内外公司对外宣称到2008年年底其大规模产业化生产转换效率单晶将达到18%，多晶将超过17%。

4.2 硅基太阳能电池的应用前景

目前，硅基电池已广泛应用于工业、农业、商业、通信、军事、航火等领域。还包括家用电器以及公用设施。硅基电池的应用主要可分为3种类型:并网型、离网和家用电器产品。

4.2.1 并网

进入21纪以来，全球太阳能光伏并网发电并网容址增长了44.1倍.从2000年的28 7MW递增至2008年的29.85MW，年均增长率 达60.99%，同比2007年增长了72.65%.全球太阳能光伏并网发电并网累积总里增长10.5倍，从2000的1.435G增至2008年的16.4GW，年增长率为35.6%。世界各国都在楼宇和家居屋顶应用了太阳能电池，所发的电大都可以并网。4.2.2离网应用

与井网发电相比，离网发电具有灵活等特点，特点，始终占据着重的市场份领，如用于通信联络中继站的供电、边远山区小功率的生活用电等场合。在不少偏远地区如远离城市的农场、山区、葡萄园采用离网方式发电，如水泵的供电系统。功率可高达441.3KW。

4.2.3 家用电器应用

太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适合于各家各户分散进行发电，而且要联接到供电网络上。太阳电池日益成为家用电器的“能源心脏”。

1.太阳能电话。以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。它利用顶端上装的太阳能接收板，可以不断给电池充电。使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换机，再传送到各地电话通讯网去。巴黎伏德瓦特公司制作的太阳能收费公用电话，耗电量极低，只要在阳光下充电几小时，便足够使用10多天。

2.太阳能冰箱。法国的太阳能冰箱以甲醇为制冰剂，每24小时可制冰10公斤，保鲜30公斤食物。印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流，箱内温度保持在－2℃，可冷藏500公斤食品，每天还可制出25公斤冰来。

3.太阳能空调器。日本夏普电器公司制造的这种空调装置，当天气晴朗时，全部动力都由阳光供给，多云或阴天时才使用一般电源。期间的转换由控制系统自动完成，用它可使一间18平方米的居室室温保持在20℃左右，并较一般空调器节约电费60％以上。

4.太阳能电视机。芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电池转换器放在有阳光的窗台上，晚上不需电源便可观看电视。转换器贮存的电能，可供工作电压为12伏的电视机使用3至4小时。印度研制的太阳能电视机，其能源吸收系统只要每天工作4小时，即使连续3天无太阳，也能正常接收信号播放节目。

5.太阳能照相机。日本制作的世界上第一架太阳能照相机，重量仅有475克，机内装有先进的太阳能电池系统，其蓄电池可连续使用4年。美国一家公司生产了一种新型的135照相机。它的光圈、速度均由微电脑自动控制，电力则由太阳能硒光电池提供，只要有光线就能供电。

5.总结

目前晶体硅电池仍然是硅基太阳能电池的主要部分，但由十成木、环保等发而的制约。为了寻找晶硅电池的替代品，人们除开发了硅基薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化嫁III-V族化合物、硫化福、硫化福及铜锢硒薄膜电 池等。但这些材料有些含有剧毒而制约其发展。

硅基薄膜凭借其而积大、成木低、工艺设备成熟、易集成、无毒、有多种廉价衬底选择以及适合制备柔性电池等优势，己经成为工业生产的一个重要组成部分。随着研究的深入，技术的进步和成木的进一步下降，薄膜电池将占据越来越多的市场份额，最终取代体硅材料成为太阳能电池的主要材料。薄膜电池的另一个优点是适合作为光伏建筑一体化(BIFV)的材料，非氢化非晶硅薄膜电池的生产线己有很多条，但其红外波段的响应较弱，受到光致衰

减效应的影响，组件效率较低。为了充分利用光谱减小光致衰减效应以提高效率，非晶微晶叠层电池己成为目前研究的一个热点。多晶硅薄膜电池的制备温度较高，耐高温衬底的成本

大致为组件制造成本的三分之一，因此寻找低成本的衬底和高效的低温制备技术和工艺艺是目前研究的一个重点。

参考文献

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【2】 鲁源坤，张敏刚。硅基薄膜太阳能电池及硅锗薄膜在其中的应用。山西太原，太原科技大学。

【3】铁生年，李星，李昀珺。太阳能硅材料的发展现状。青海西宁，青海大学先进材料重点实验室。

【4】 王昊鹰，近几年太阳能电池的研究进展与发展趋势。辽宁大连 大连理工大学。

【5】黄庆举，林继平，魏长河，.姚若河。硅太阳能电池的应用研究与进展。广东广州。华南理工大学电子信息学院，茂名学院物理系。

【6】汪建军，刘金霞。太阳能电池及材料研究和发展现状。宁波

硅基太阳能电池的发展及应用 篇2

【关键词】太阳能 建筑 应用 发展趋势

随着全球不可再生资源形势的日益严峻以及传统能源给自然环境带来的负面影响越来越严重，新能源的开发和环境保护已经成为关系人类生存的重要问题。对于作为能耗大户的各类大型建筑而言，如何在建筑结构设计上引入新型能源，从而减少对传统的不可再生资源的消耗。而太陽能的发展成熟为此提供了一个很好的契机，太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源之一，如能在建筑领域广泛而合理的使用将会对人类带来意想不到的福音。本文从太阳能在建筑领域应用的优越性入手，分析了绿色建筑的应用前景，并简要阐述了太阳能建筑的节能效果。

一、太阳能在绿色建筑中的突出优势

所谓利用太阳能进行建筑节能设计，是将太阳能利用设施与建筑进行有机的结合。随着太阳能在建筑领域应用的深入，人们提出了太阳能建筑一体化的概念，即利用太阳能集热系统替代建筑的房顶或墙体保温层，而这种太阳能与建筑的结合的模式一经诞生就显现出了其独特的优势：

（一）太阳能与建筑有机的结合可以有效的利用建筑物的屋顶和墙体等围护结构，从而节约了独立太阳能设施单独占用土地或空间的现状，这对于优化使用城市土地资源和空间尤为重要。

（二）在建筑物屋顶或墙体上安装光伏模块，能够实现就地发电、就地使用，从而减少了输送电网和另建发电站的投资，同时还避免了热能或电能长距离输送的损失。

（三）随着太阳能光伏模块材料的发展，大尺寸镀锌彩色光伏模块研发成功，使得大量的建筑物玻璃幕墙结构可以用其代替，不仅节约了昂贵的装饰材料的成本，而且使建筑物外观更加美观，同时还减少了反光的危害。

（四）太阳能集热系统即光伏阵列在建筑物屋顶和墙面的安装，减少了建筑物吸收太阳热量，避免了屋顶和墙面吸热使室内升温，降低了空调负荷和保温费用，同时还有利于改善室内环境。

（五）减少了石化燃料发电，烧锅炉带来的严重环境污染，这对环保要求越来越高的今天尤为重要。太阳能建筑可以大大减少石化燃料发电和锅炉取暖等对环境的污染，太阳能光伏发电可以接近零排放，而且在其发电过程中没有废料、废水、废气的排出，不存在对人体有害的物质，不会影响环境。

（六）太阳能和建筑的有效结合，可以使某些太阳能构件成为建筑物本身的一部分，达到一物多用的效果，比如安装于阳台的太阳能集热板既不影响阳台的正常使用又能够节省阳台楼板造价。

二、太阳能在节能建筑中的应用前景

（一）应用空间巨大

我国可利用的太阳能资源丰富，而且分布范围较广，而在我国建筑的各类能源消耗占我国总能源消耗的28%，因此将太阳能光伏技术应用于节能建筑领域，使建筑物能够实现能源自给，达到“零消耗”的理想状态，对落实科学发展观和节能减排的能源利用结构调整具有十分重要的意义。并且据有关调查显示表明，在我国利用太阳能进行供热或以其他形式供给的建筑物已达6001万平方米，这些太阳能建筑物面积只占全国所有建筑的1%不到，可见未来将太阳能与建筑进行有效结合具有巨大的应用空间。

（二）绿色节能的有效措施

根据美国环境总署EPA的统计数据显示，当前全球的所有建筑物消耗能源所排放进大气的 量约占全球总排放量的30%～40%，据此人们对未来 在大气中的含量做了粗略预计，如果不采取有效措施进行控制，五十年后大气中的 含量将是现在的3.5倍。因此，作为“零排放”的太阳能技术对控制的排放和节能环保将有十分重要的意义，可以说将太阳能应用于建筑能源供给，将是绿色节能的有效措施之一。

（三）技术日趋成熟

光伏发电技术和建筑当初是毫不相干的两个领域，而由于绿色、节能建筑理念的提出，两者得以结合，并在其逐渐深入的应用过程中，造就了多项喜人的成果，同时也问题与困难不断。但随着新材料和新技术的快速发展和进步，光电领域的新产品也将不断涌现，光伏产品的大规模应用，将促使其价格进一步下降，这就使得光伏发电和建筑的相互结合更加具有现实意义，而越来越多的建筑设计师也将接受太阳能技术，并在设计实践中进一步扩大使用力度，这些有利的条件必将推动太阳能技术在我国建筑领域越来越广泛的应用。

三、小结

太阳辐射能作为一种可更新的自然能源 ，以其取之不尽、 用之不竭且无污染性显示了其独特的优势。我国是太阳能资源十分丰富的国家，除四川盆地等局部地区不适宜太阳能利用以外，我国大部分地区都适合利用太阳能。尤其是西北、 西南、 华北地区，应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少建筑物能耗。在能源危机、 环境污染和人口膨胀等问题困扰人类的今天，开发利用太阳能，太阳能利用与建筑的有机结合，充分体现了可持续发展和人类回归自然的理念。在国家建筑节能政策的引导下，太阳能利用与建筑的有机结合，充分使利用太阳能成为未来的发展趋势。

参考文献：

[1]陆维德，罗振涛.我国太阳能热利用进展[J].太阳能 ，2002（1）：324.

[2]王崇杰，赵学义.论太阳能建筑一体化设计[J].建筑学报，2002（7）：28230

[3]姚伟.太阳能利用与可持续发展[J].中国能源，2005 （2）：46247.

[4]刘培琴，刘淑敏.我国建筑节能现状及发展[J].煤气与热力，2002 ，22（3） ：2552256.

燃料电池电极反应式的书写及应用 篇3

一、有关燃料电池基本知识

1.燃料电池的电极规定

燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极,可燃物在该电极上发生氧化反应;通入空气或氧气的一极为正极,氧气在该电极上发生还原反应。

2.燃料电池的电质

不同类型的燃料电池可有不同种类的电解质,其电解质通常有水剂体系(酸性、中性或碱性)电解质、熔融盐电解质、固体(氧化物或质子交换膜)电解质等。在不同的电解质中,燃料电池的电极反应式有不同的表示方法。因此,在书写燃料电池电极反应式时要特别注意电解质的种类。

3.燃料电池的工作原理

以氢氧燃料电池为例,其工作原理是:在负极,氢气失去电子发生氧化反应;在正极,氧气得到电子发生还原反应。

二、燃料电池电极反应式的书写方法

1.若已知原电池的总反应式

书写规律:抓正极,减一减。

“抓正极”:因为燃料电池正极反应物一般是氧气,正极都是氧气得到电子发生还原反应,所以可先写出正极反应式。正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子,故正极反应式的基础都是:O2+4e-=2O2-。正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。

“减一减”:在电子守恒的基础上,用燃料电池的总反应式减去正极反应式,即得到负极反应式。

下面以CH4、O2燃料电池以碳棒做电极材料,在几种不同环境下的电极反应式写法为例,具体加以说明。

总反应式:CH4+2O2=CO2+2H2O

(1)电解质为酸性电解质溶液(如稀硫酸)

在酸性环境中,O2-离子不能单独存在,O2-离子结合H+离子生成H2O,即:2O2+8e-=4O2-,4O2-+8H+=4H2O,这样,在酸性电解质溶液中:

正极反应式为:2O2+8H++8e-=4H2O

“减一减”得负极反应式:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+

(2)电解质为碱性电解质溶液(如氢氧化钠溶液)

由于碱性溶液中OH-参加反应,CO2转化为CO32-,总反应式:CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。在碱性环境中,O2-离子也不能单独存在,O2-离子只能结合H2O生成OH-离子,即:2O2+8e-=4O2-,4O2-+4H2O=8OH-,故在碱性电解质溶液中:

正极反应式为:2O2+4H2O+8e-=8OH-

“减一减”得负极反应式:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

(3) 电解质为熔融的碳酸盐

在熔融的碳酸盐环境中,O2-离子也不能单独存在,O2-离子可结合CO2生成CO32-离子,即:O2+4e-=2O2-,2O2-+2CO2=2CO32-,则其正极反应式为:O2+2CO2+4e-=2CO32-

“减一减”得负极反应式:CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O

(4) 电解质为熔融氧化物

该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过,故其正极反应式应为:2O2+8e-=4O2-

减一减得负极反应:CH4+4O2-8e-=CO2+2H2O

综上所述,燃料电池正极反应式本质都是O2+4e-=2O2-,在不同电解质环境中,其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时,要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

2.若不知原电池的总反应式

书写规律:定、算、补、配。

“定”:先确定原电池的正负极,然后确定正负极参与反应的物质及对应产物;

“算”:由化合价升降数计算电子转移数;

“补”:由电荷守恒,结合电解质环境,判断是否补离子、补何种离子;

“配”:由质量守恒配平电极反应方程式。

下面以乙醇—空气燃料电池在碱性环境下的电极反应式写法为例具体加以说明。

(1)据化合价升、降分别列出含变价元素的物质

负极:C2H5OH—2CO32-

正极:O2—OH-

(2) 1molC2H5OH失去12mol电子,1molO2得到4mol电子,所以得到:

负极:C2H5OH-12e-—2CO32-

正极:O2+4e-—OH-

(3) 若是酸性溶液,通常用H+或H2O来平衡电荷;若是碱性溶液,通常用OH-或H2O来平衡电荷。这里是碱性电池,应以OH-或H2O来平衡电荷数。

负极:C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正极:O2+4e-+2H2O=4OH-

(4) 据质量守恒,配平方程式中各原子数,并调整系数使正负两极得失电子数相等。

负极:C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正极:3O2+12e-+6H2O=12OH-

所以,该燃料电池的总反应为:C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2O

当然,如果题目给定的是图示装置,应先分析正负极,再根据书写规律写电极反应式。

三、燃料电池电极反应式的书写应用举例

1. 电解质为酸性电解质溶液

例1:氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池,其反应式为:2H2+O2=2H2O,主要用于航空领域。它的电极材料一般具有很强的催化活性,如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液可用40%的NaOH溶液或稀硫酸。请写出电解质溶液用稀硫酸时的电极反应式。

解析:按上述燃料电池电极反应式的书写方法1(1)可知,酸性条件下,O2-离子结合H+离子生成H2O,故正极反应式为:O2+4H++4e-=2H2O;由总反应“减一减”得负极反应式:

2H2-4e-=4H+。

2.电解质为碱性电解质溶液

例2(09广东):可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液,铝合金为负极,空气电极为正极。下列说法正确的是()

A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:O2+2H2O+4e-=4OH-

B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓

C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的PH保持不变

D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极

解析:本题考查原电池的构成、电极反应方程式的书写及电解质溶液的影响,意在考查考生的迁移能力。按上述燃料电池电极反应式的书写方法1(2)可知,O2在以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时形成OH-,故A正确;以NaOH溶液为电解液时,Al形成AlO2-,B错;以NaOH溶液为电解液时,根据书写方法2可以写出总反应式为:4Al+3O2+4NaOH=4NaAlO2+2H2O,C错;原电池工作时外电路电子由负极流向正极,D错。故符合题意的是A。

3.电解质为熔融碳酸盐

例3:某燃料电池以熔融的K2CO3(其中不含O2-和HCO3-)为电解质,以丁烷为燃料,以空气为氧化剂,以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题:

⑴写出该燃料电池的化学反应方程式;

⑵写出该燃料电池的电极反应式。

解析:由于电解质为熔融的K2CO3,且不含O2-和HCO3-,所以生成的CO2不会与CO32-反应生成HCO3-,故该燃料电池的总反应式为:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料电池电极反应式的书写方法1(3)可知,在熔融碳酸盐环境中,其正极反应式为:O2+2CO2+4e-=2CO32-,“减一减”得负极反应为:2C4H10+26CO32--52e-=34CO2+10H2O。

4.电解质为固体氧化物

例4(05广东):一种新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体;电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体,在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说法正确的是 ()

A.在熔融电解质中,O2-由负极移向正极

B.电池的总反应是:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O

C.通入空气的一极是正极,电极反应为:O2+4e-=2O2-

D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为:C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O

硅基拉曼放大器的研究进展 篇4

关键词：光器件 放大器 研究课题

1、前言

在光学介质中实现光放大的方法主要有两种，一种是利用受激辐射，另一种是利用非线性效应。硅是一种间接带隙的半导体材料，由于电子和空穴的辐射复合效率低，非辐射复合几率大，同时还受双光子吸收和自由载流子吸收非线性损耗的影响，导致其通过受激辐射的方法来实现光放大非常困难。但是硅中的非线性系数，特别是拉曼散射系数却很高，这使通过激拉曼散射成为实现硅中光放大的一种有效途径。国内外研究人员也对此进行了深入的研究，并取得了一些突破性的成果

2、拉曼散射

拉曼散射是一种非线性效应，也是在硅中实现光放大的有效方法。其实质是泵浦光子与散射物质分子发生了非弹性的碰撞，在这个过程中光子和分子之间发生了能量交换。我们将低于入射光频率的散射光称为斯托克斯光，高于入射光频率的散射光称为反斯托克斯光。

硅是一种间接带隙的半导体材料，其辐射复合需要声子的参与，所以发光的效率很低，远远小于直接带隙的材料，受激拉曼散射则可以有效地避免硅材料辐射发光复合几率低的缺点。由于硅基光子器件具有重要的应用价值，人们很早就开展了对硅中拉曼散射效应的研究。1970 年，Ralston 和Chang 等利用YAG 激光器在实验上对硅中的自发拉曼散射效率和受激拉曼散射效率进行了研究，得到硅材料具有很高的拉曼散射效率的结论。2002 年，Jalali 等人对硅材料中的自发拉曼散射系数进行了测量，测得硅中的拉曼散射系数大约比光纤中高三到四个数量级，并且模式范围比光纤小100 倍，这样可以实现利用受激拉曼散射在较短距离内实现硅中光放大。

3、硅基拉曼放大器

阻碍硅波导中实现光放大主要是由于双光子吸收和由双光子吸收导致的自由载流子吸收而造成的非线性损耗。FCA 是最主要的损耗，TPA 对于光的损耗很小，基本可以忽略。通过减小FCA得到净增益的主要方法有两个，第一个是减小自由载流子的有效寿命；第二个是采用脉冲泵浦。当脉冲的宽度远小于自由载流子寿命而脉冲周期远大于自由载流子寿命时，自由载流子的吸收损耗就可以忽略；

3.1 脉冲光泵浦的硅基拉曼放大器

2004 年，荣海生等人第一次报道了脉冲光泵浦的硅基拉曼放大器。增益介质为长4.8 cm，有效面积为1.57 μm2 的硅波导。当泵浦光强为470 mW 的时候，得到的净增益是2 dB 。他们采用了1545 nm 的光脉冲泵浦，脉冲间隔远大于自由载流子的寿命，从而有效的减小了由于自由载流子吸收造成的非线性损耗，实现了光放大。

3.2 连续光泵浦的硅基拉曼放大器

连续光泵浦的硅基拉曼放大器在生活、生产等各个方面都有着重要的应用，然而采用连续光泵浦会导致光生载流子在波导内的大量累积，这将产生大量的损耗，从而不易实现净增益。这其中最关键的因素是自由载流子拥有较长的有效寿命。为了解决这个问题，有人提出了通过加反向偏压和离子注入等方法来减小自由载流子的有效寿命，这种方法取得了突破性的进展，并且在硅波导中已经得到了净增益。

2005 年，荣海生等在硅波导中采用连续光泵浦，并且得到了净增益。2006 年Y. Liu 和 H. K. Tsang 提出了在硅波导中进行离子注入来减小自由载流子寿命的方法。2006 年，Jalali 等又在理论上提出了基于多孔硅材料的拉曼放大器。在多孔硅中，其多孔性和材料的能带宽度是有关的，通过适当的改变其多孔性，可以使能带宽度增加。当满足泵浦光子的能量小于价带和导带之间能量间隔的一半时，双光子吸收消失，那么由双光子吸收导致的自由载流子也可忽略，从而有效的减小了非线性损耗。并且可以使硅基拉曼放大器的增益大幅提高。

3.3 中红外波段的硅基拉曼放大器

工作于中红外波段的光子器件在生物医学探测、遥感、以及军事方面都有重要应用，因此具有很高的研究价值。硅材料在此波段具有良好的透过性，而且其能带宽度为1.12 eV，当光波波长大于2.2 μm 时，光子能量小于能带宽度的一半，双光子吸收消失，由双光子吸收导致的自由载流子也随之消失，使得TPA 和FCA 非线性损耗均可忽略。这为研制在中红外波段工作的硅基光子器件提供了良好的条件。2007 年，Jalali 等第一次报道了中红外波段的硅基拉曼放大器。实验中采用2.88 μm 脉冲泵浦，硅波导长度为2.5 cm，泵浦光强为217 MW/cm2，其中得到的信号光波长为3.39 μm，增益达到12 dB，这为实现中红外波段的硅基光放大提供了良好的途径。

3.4 硅基拉曼放大器的噪声

噪声是限制光放大器实际应用的主要因素，对于硅基拉曼光放大器噪声的分析与计算，是硅基拉曼放大器实际应用的基础。2008 年，Jalali 等通过运用量子光学的Langevin 近似第一次计算了硅基拉曼放大器的噪声。通过理论分析指出双光子吸收和自由载流子吸收非线性损耗是导致噪声的主要因素，通过减小自由载流子寿命，降低自由载流子吸收损耗可以有效的减小硅基拉曼放大器的噪声。其中对于通信波段的硅基拉曼放大器（λ=1.55 μm），当自由载流子寿命小于0.1 ns 時，噪声可以降到实际应用的允许范围之内。而对于波长λ>2.2μm 的中红外波段，由于不存在双光子吸收和自由载流子吸收非线性损耗，所以其噪声接近理论极限3 dB。

4、总结

太阳能的发展 篇5

最初，人类发现使用放大镜可以将太阳光聚焦在目标物体上。据记载，早在公元前600年，人类就已经使用放大镜焚烧蚂蚁、生火等。公元前400年，美国土著人民和古希腊人民就已经将房子建造在白天可以吸收最多太阳光的地方，以便晚上可以继续使用太阳热能。

公元前200年，太阳能开始用于宗教仪式和战争当中。古希腊人和古罗马人利用镜子折射太阳光点燃寺庙的火把。据称，古希腊伟大的物理学家、发明家阿基米德在公元前214-212年锡拉库扎被围困期间，利用青铜盾牌聚焦太阳光并反射在罗马的木船上致使木船着火。

公元2世纪，罗马人发明了特殊的窗户，改变太阳光线照射方向至公共浴室、建筑和公共取暖设施上。纵观古代历史，可以发现多个利用太阳热能的例子。

现代社会，人们投入大量努力以改进收集太阳能的技术。1767年，瑞士发明家贺瑞斯-班尼迪克·索绪尔发明了世界上第一个太阳能集热器——装置三层玻璃吸收太阳热能的隔热箱。隔热箱温度可达230华氏度，足以在他攀登阿尔卑斯山的过程中加热食物。

1816年，牧师罗伯特·斯特林发明了热空气发动机，又称斯特林发动机。该发动机大体上是装置了一个活塞和氦气、氮气或氢气的封闭气缸。气缸一端被聚焦的太阳光加热，另一端被空气或水冷却，通过两端温度冷热差异驱动活塞运动，并因此启动发电机产生电力。该装置后来被用于将太阳能转化为电能。

1839年，太阳能取得了里程碑意义的发展。亚历山大-埃德蒙·贝克勒尔发现了光伏效应，即太阳能电池的工作原理。40年后，威洛比·史密斯发现了硒这一光电材料。还发现硒无需加热或运动部件即可将太阳光转化为电力。

19世纪末和20世纪初期几十年间，出现了数个新的发明和发现。1893年，人类发明了第一个太阳能电池;1887年，发现了紫外线的性能;1891年，第一个太阳能加热器被制造出;1908年，人类发明了铜集电器;1905年，一篇关于光电效应的论文推动了太阳能的利用。

第二次世界大战以后，太阳能开始成为美国科学界研究的主流，受到越来越多人的欢迎。1958年，太阳能开始用于商业目的，并第一次用于卫星和空间站的建造中。

随后的二十年里，关于太阳能的重要讨论主要集中在减少成本和提高太阳能电池的效用上。二十世纪七十年代，Exxon公司设计出一种新型的太阳能电池板，极大地减少了生产成本。

1977年，美国政府成立了太阳能研究所，致力于研究如何利用太阳能。不久，全球多个国家成立了类似的研究机构。

二十世纪八十年代是太阳能发展历史的重大阶段。这10年期间，科学家们开发出了不同的太阳能产品，如1981年开发的第一个太阳能飞机、1982年出现的第一台太阳能汽车等。

随着对太阳能开发领域投资的增加，随后30年里出现了更多的突破，人类发明了更高效的太阳能板和太阳能电池。1999年，美国国家可再生能源实验室开发出一种光伏太阳能电池，可将太阳能电池吸收的32.3%的太阳能转化为电能;该实验室还发明了一种新型的薄膜光伏太阳能电池，打破了光伏太阳能电池的效用记录，提高至18.8%，比原来太阳能电池的效用高出1%。

同年，纽约市地标建筑时代广场35层至48层楼的传统玻璃被替换为薄膜光伏太阳能电池板，以提高能源效用。

21世纪，人们开始在自家房屋、建筑物上和日常活动中使用太阳能。装置于屋顶太阳能系统也开始大众化，可以在五金商店购买到。

过去几年里，对大型太阳能发电厂的大额投资在全球各地开始随处可见。2013年4月，世界上最大的独立光伏电站是位于美国亚利桑那州的阿瓜卡连特太阳能项目，当时发电能力为250兆瓦。该项目已于2014年全部完成，发电能力达到397兆瓦。

利用太阳能存在的问题

从理论上讲，太阳能必将有很广阔的发展前景，特别是在当今气候变化和能源危机的背景下，且太阳能为可免费使用、取之不竭的清洁能源。然而，太阳能分布、吸收和存储方面的技术壁垒限制了太阳能的广泛使用。

资金是开发应用新技术的首要问题。尽管太阳能源可免费使用，但吸收太阳能需要太阳能电池板等价格昂贵的设备。电池板主要为半导体材料，生产半导体材料需要高度清洁的生产环境，其建造和维护也需大量投入。此外，太阳能电池板的维护费用同样高昂，每寸太阳能电池板须无污无损。太阳能电池板一小部分被树叶或薄层灰尘覆盖，其发电效用将明显降低。

此外，可用于建造太阳能发电站同时提高太阳能成本效益的合适选址并不多。太阳能电池板需太阳直射，才能发挥其电力生产功能。因此，多云雨地区并不适合安置太阳能电池板。并且太阳能电站需要大量的安装空间。为减少造价，太阳能电站的安置选地不能太过昂贵，因此通常选址远离需电力供应的城市地区，需布置电缆将电力传输至城市地区。

暂且不考虑环境代价，与火电厂和核电站相比，每千瓦时的太阳能成本较高。

多项研究证明，生产一块太阳能电池板需消耗大量能源。电池板自身需连续工作11年才能弥补生产电池板过程中的能耗。当然，能耗也因电池板型号和生产工艺不同而有所差异。但总体来说，电池板只有连续工作11年之后才能生产“新的电量”或产生“能源利益”。因此，太阳能电池板的环境友好性受到质疑。

太阳能系统的另一缺点在于地球上任何地方的日照时间都不可能达到全年每天24小时。晚上或阴天，太阳能系统吸收的能力为零。所以说电池板接受能量时间并不连贯。因此，太阳能无法成为主流能源资源，也无法成为电力行业所称的基载电力，即电力公司或其子公司应提供给客户的最小电量。太阳能的使用仍将很有限，直到生产出效能更高，且即使多云或夜间也能稳定持续供应电力的能量存储设施为止。

中国的太阳能光伏产业

尽管太阳能造价高且电力供应不连续，阻止其成为可广泛应用的能源，太阳能仍是一种辅助能源，未来可能成为基载电力。随着中国经济的快速发展，对能源的需求也在迅速增长。中国政府也意识到开发可再生能源的重要性和紧迫性。更重要的是，太阳能被认为是全球发展最快的产业之一，目前产值约为3000亿美元。所有这些有利因素推动了太阳能产业在中国的蓬勃发展。

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过去几年中，太阳能产业淘汰了部分实力较弱的企业。产业内实力较强的企业也面临了诸多问题。

产能过剩是中国太阳能光伏产业面临的最突出的问题，因太阳能电池的造电能力超出了全球需求。2013年，全球的太阳能造电量为60千兆瓦，其中大部分由中国太阳能光伏企业生产，而太阳能需求量仅为35千兆瓦。供给远远高于需求导致太阳能电池板价格暴跌。

更糟糕的是，中国生产的太阳能电池板因国内需求仍处于较低水平，多数用于出口。中国太阳能电池板的主要市场——欧洲的需求减缓后，中国太阳能电池板生产商需削减价格以促进销售。不利的市场环境导致小型太阳能电池板生产商退出市场或被规模较大公司吞并。若情况得不到改观，光伏产业的长期发展将受到影响。

太阳能电池板价格下跌对于消费者来讲是个好消息，但对于生产商来讲则比较棘手。由于价格下降，微薄的利润让生产商难以投资新的设备或投资进行创新。但如果太阳能真正得以广泛应用，需不断更新和开发效用更高技术，或开发出替代传统硅板的材料。目前，创新成为了太阳能产业的瓶颈。

太阳能发展的另一障碍是传输电缆不足。在一次采访中，国家发改委能源研究所所长李俊峰称，传输电缆的不足成为太阳能电站整体的障碍，导致中国多个太阳能电站无法与全国电网连接，无法销售生产的电量，也因此无法收回投资成本。中国电网过时这一情况也羁绊着太阳能的发展。

尽管中国的太阳能企业在全球太阳能市场中正处于一个艰难的阶段，且多个企业无以为继。但这种情况也促使太阳能市场调整减少供应量。尚存的企业可以开发新技术，并寻求扩大国内市场及非洲、拉丁美洲等新兴市场。

让太阳能用户和投资者获利

尽管媒体多次报道使用化石燃料的危害，但太阳能仍未能对传统化石燃料构成威胁。人们不选择太阳能的主要原因是其成本远远高于其他能源。降低其成本或者甚至使其产生利润将极大鼓舞终端用户放弃化石燃料，转而使用太阳能。此外，近年来大幅降低太阳能电池板价格以增加其在国际市场上的销量也阻碍了生产商对生产电池板新技术的投资。为扭转这一趋势，需开发太阳能电池板出口的新市场。

上网电价

上网电价政策机制用于促进可再生能源的使用。在上网电价机制下，满足条件的太阳能发电个体和单位，如房主、企业主、农民或学校、社会团体等各机构组织，可以因其生成的电量获得收益。各发电个体和单位可以使用自己所产电力，多余的电力可以传输至电网。因其使用自产电力，无疑会节省电费费用。

2013年，上网电价机制已在50多个国家实施，其中包括阿尔及利亚、澳大利亚、奥地利、比利时、巴西、加拿大、中国、南非、肯尼亚、韩国、泰国和英国等。

在英国，上网电价机制适用于生产绿色电力并将剩余电力接入国家电网的个体和单位。2012年5月出台的政策规定，平均为每位家庭成员生产2.5千瓦时太阳能的任一家庭，生产的每千瓦时电可获得21英镑的奖励。除此之外，接入国家电网的每千瓦时电可获得3.2英镑的收益，且收益可以免税。一个普通家庭每年可因此获得约500美元的收入。

肯尼亚在2008年开始实施上网电价机制，不过直到2010年太阳能才纳入该机制。该机制强制规定，能源公司或负责运营国家电网的公共事业单位需以制定好的价格购买可再生能源。因价格极具吸引力，刺激了对太阳能行业增加新的投资，并确保市场正常运作，太阳能投资者获得可观的回报。

向非洲出口太阳能电池板

随着欧洲对光伏电池板需求的减少，生产商需寻求新的市场。而非洲国家便是他们的最佳选择。由于光伏设备价格下降，非洲国家负担得起将太阳能接入电网的资金。更重要的是，非洲大陆急需便宜实惠的能源。目前，5.87亿非洲人民无法使用电。因此非洲对于太阳能电池板生产商来说是一个潜在的巨大市场。

而且，非洲是安装太阳能电池板的上好选址。平均而言，非洲多个国家的年日照天数为325天，赋予非洲开发太阳能源的巨大潜力。甚至无需大规模电网基础设施，即可将太阳能送到非洲任一角落。

尽管现有的太阳能技术可以进行大规模供电，并在美国、印度、中国和德国等取得了成功，但非洲更适合小规模供电。大规模供电需大规模的电网和传输基础设施，而这在非洲的农村地区尚很缺乏。

小规模发电是满足未供电地区对电力需求更为现实的方式。集政府财政援助和小额贷款项目于一力，贫困社区可以负担起太阳能电池板，以利用太阳能满足小规模充电、海水淡化、抽水和水质净化等日常用电需求。

向非洲出口太阳能电池是双赢项目，既有利于生产商也利于非洲的贫困社区。

温室种植业

太阳能电池板可广泛应用于农业产业。传统来讲，农业主要依赖于季节、天气、水源供应、植物病害和虫害的持续性等，但利用太阳能电池的温室可以完全控制这些因素变量。

太阳能温室可以延长植物生长季节，因温室可以存储吸收的太阳能，供寒冷季节使用，且存储的能量也可以在夜间和阴天使用。

未使用的额外能量还可以用于室内供电以减少能耗费用，或接入当地电网，获得额外收益。

正午太阳高度的应用 篇6

一、课前预习

1.熟练掌握正午太阳高度角的公式H=90°-纬度差。

2.测量三中新校区教学楼的高度和教学楼之间的距离。

3.观测周围小区或自家小区太阳能热水器面板摆放方向。

二、教学过程

只有正确地认识和理解地理教学过程的基本特征，才能确定符合客观规律的教学方式和方法，才能有效地提高地理教学质量，实现地理教学目的。在高效地理课堂中要体现教师的主导作用和学生的主体作用，所以本节课以教师为主导、以学生为主体进行设置。

1.情景导入。

播放视频“楼贴贴”激发学生对本节内容楼间距的兴趣。

2.教学目标解读。

本节教学目标设置：（1）熟练掌握正午太阳高度角的公式H=90°-纬度差。（2）通过小组讨论、合作探究学习正午太阳高度的应用。（3）培养学生学习生活中的地理，学习有用的地理。

3.预习检测。（略）

4.课堂探究。

有效探究活动以学生为本，能充分激发学生的探究兴趣与热情，使学生积极主动地参与活动。本节探究设置问题如下。

天气炎热，为了方便学生洗澡，学校计划在学生寝室安装太阳能热水器，学校请咱班 （32°34′N，116°E）一学生对太阳能热水器进行改造（如图所示）。据此回答：当楼房影子最长时，为使热水器有最好的效果，调节活动支架，使热水器吸热面与地面的夹角为多少度 ？

5.课堂检测。

课堂检测的目的，一方面是为了巩固知识，形成技能，促进情感、态度、价值观的形成，另一方面是及时发现学习中的问题，帮助学生及时解决，做到课堂检测当堂完成、当堂反馈、当堂消化。 本节设置的检测题是：近年来，我国房地产业发展迅速，越来越多的居民乔迁新居，居住条件和环境条件显著改善。参考下图，运用以下公式及相关知识回答下面问题。

某地正午太阳高度的大小：H=90°-∣φ-δ∣。式中：H為正午太阳高度；φ为当地纬度，取正值；δ为太阳直射点的纬度，当地夏半年取正值，冬半年取负值。tan35°≈0.7tan45°≈1tan60°≈1.732

为避免纠纷，房地产开发商在建楼时，应该使北楼所有朝南房屋在正午时终年都能被阳光直接照射。那么在两幢楼房间距不变的情况下，南楼的高度最高约为（）

A. 20米B. 30米C. 40米D. 50米

6.课堂小结。