太阳能保温材料（精选12篇）
太阳能保温材料 第1篇
关键词：太阳能保温材料,太阳能保温构件/体系,单位面积建筑采暖能耗,Sto Therm Solar
节能减排、可持续发展, 在大形式的驱使下, 建筑节能在中国已经走过了风风火火的十多个年头。在所有的建筑节能措施中, 维护结构的外墙保温则是使用量最大, 并且发展最为迅猛的一项节能手段。
纵观外墙外保温在欧洲近50年的发展史, 保温材料虽然还是以EPS为主导, 但是随着建筑物保温节能需求的不断提升, EPS板的使用厚度由当时的40mm增加到现在的160mm, 而低能耗住宅或被动节能住宅使用的EPS板厚度甚至达到240~300mm。当然, 人们在增加保温板厚度的同时, 也在不断尝试改良保温材料的保温性能, 即降低其导热系数λ值。在欧洲, 一种添加石墨的黑色EPS保温材料, 其λ值已经可以降到0.032以下。除了EPS以外, 人们也在寻求具有更好保温性能的保温材料, 譬如XPS (λ=0.03) , PU (λ=0.024) 等材料, 虽说这些材料在欧美作为外墙保温材料的使用并不十分广泛, 但其更佳的保温性能还是具备一定的吸引力。
这一现象在中国这些年的发展则尤为迅猛。不过我们不难发现, 不管是加大板材的厚度, 还是降低材料的导热系数, 我们希望达到的最终效果则是一致的, 即降低外墙部分的传热系数, 从而减少透过外墙部分的热损耗!这种减少外墙热损耗的节能方式, 在一定程度上可以将之定义为“被动式”的节能方式。那我们是否在降低热损耗的同时又能移入一种兼容“主动式”提供热源的墙体保温节能方式呢?答案是, 这种外墙保温体系不仅早已研发成功, 并且已经拥有十多年的工程实践经验。这种体系就是可以直接将太阳能转换成热能供墙体吸收的透明或半透明外保温体系——太阳能保温体系。
1 太阳能保温材料-源自自然界的启示
早在80年代初期, 德国的科学家就开始展开针对可以额外利用太阳辐射提供热源的透明或半透明的保温体系。在90年代下半叶, 成熟的产品体系出台, 开始真正接受大自然的挑战。而研发这种保温材料的启示, 则源于大自然的造化:北极熊。
北极熊之所以可以在北极酷寒的气候环境下安然度日, 其特殊的生理构造起到了决定性的作用:当我们观察北极熊, 首先映入眼帘的是它那一身又浓又密的白色长毛, 防潮御寒。但是大家是否有想过, 掩藏在“白熊”毡垫般浓毛下部的肌肤又是怎样一个情形?其实它黑黑的口鼻部以及眼圈周边, 可以让我们猜到一二:北极熊深藏的肌肤其实是黑色的!
显而易见, 黑色可以最大限度地吸热, 将光能最有效地转换成热能。其肌肤下侧的厚达十几厘米的脂肪层, 又可以将这些热能进行有效的存储, 用以御寒。但是, 阳光的辐射又是怎么穿透那密实的长毛而最终到达黑色肌肤的呢?当我们进一步去研究北极熊的毛发的时候, 会更惊奇地发现, 这些长长的白毛其实并非真正白色, 而是半透明的, 其构造也与众不同, 每一根都是中空的结构!正是这些“光导管”, 确保了太阳辐射顺利到达黑色肌肤的畅通, 而使其可以最终转换成宝贵的热能, 同时这层毛发又是优异的保温防寒层。这些构造的组合真是大自然的杰作!
2 太阳能保温材料的定义
太阳能保温材料又称透明保温材料, 是指由一种或多种材质组合而成的一种建筑构件, 一方面通过其较低的传热系数可以降低透过的热损耗, 如同普通的保温板材;另一方面, 这种建筑构件又可以让太阳辐射穿透自身, 并将之转换成热能, 为室内环境提供额外的热源。
透明保温材料中提及的“透明”定义, 并非一定指真正意义上的玻璃般的清澈, 也包含了半透明状态, 同时也包含太阳光谱中可见光以外部分的穿透性。
作为衡量太阳能保温材料保温效能的参数指标自然是传热系数k值。而用于衡量太阳辐射穿透性能指标的是总能量透过率g值。这里需要强调的是, 由于不同时间, 不同季节, 太阳辐射的入射角度均不相同, 此处的g值被定义为漫射情况下综合的总能量透过率 (衡量玻璃总能量透过率的g值一般采用垂直入射情况下的数值) 。
至于g值和k值必须要达到怎样的范围, 才能够将此材料定义为太阳能保温材料或透明保温材料, 至今未有法规上明确规范。但大量的试验数据和实践经验告诉我们, 只有当透明保温材料的k值低于1.3, 同时漫射g值至少达到0.4时, 才能真正发挥太阳能保温材料的效能, 即保温的同时利用太阳能产热。这几个数值是针对整个建筑构件进行定义的, 即包括了其必要的防水外饰层材料。这一取值亦将保温玻璃或者玻璃纤维棉等材料排除在了太阳能保温材料之外。
3 太阳能保温体系的结构组成和工作原理
在太阳能保温材料的研发和应用中, 存在不同的体系构造:一种是直接作为填充墙体 (类似玻璃砖) 的使用, 另一种则是粘贴在实墙外侧取代传统的外保温体系的使用, 还有一种是将太阳能保温构件作为背通风式干挂体系的功能性外饰面材料来使用。这里给大家介绍的, 是上述三种体系构造中相对结构较为简易, 因此也是使用相对广泛的太阳能保温构件作为外保温体系组成部分的结构组成及其工作原理 (图1) 。
作为完整外保温体系的一个组成部分, 太阳能外保温体系在适当的位置取代了传统的EPS外保温体系, 其厚度和四周的传统外保温材料保持一致。太阳能保温体系构件使用一种深色的建筑粘胶和实墙粘贴, 这一深色的建筑粘胶同时也承担者太阳能保温体系中热转换层的作用。太阳能保温体系构件本身底部是黑色的绒毡层, 和深色粘胶层一样, 是热转换层的组成部分。太阳能保温构件的主体材料由耐候性出色的聚合碳酸酯细径光导管组成, 其直径约3mm, 其长度即太阳能保温构件的厚度间于60~160mm之间, 主要取决于构件需要达到的传热系数k值以及周边传统外保温材料EPS板厚度的设计要求。构件的外饰材料由矩阵式排列的粒径为2~3mm的透明玻璃珠构成, 并通过透明的粘胶层固定于细径光导管上部。为了增加整个构件的抗荷载强度, 在间于细径光导管和饰面玻璃珠之间又加入了同样是透明的玻璃绵帛层用以加固。整个太阳能保温体系构件是工厂的预制构件, 在现场只需粘贴构件以及处理构件和周边传统保温体系的接缝处理, 施工较为简便。体系构件的温度承受限制为100~120°C, 平均传热系数间于1.0~0.5之间 (取决于构件厚度) , 漫射总能量透过率约50% (图2/图3) 。
太阳能保温体系的基本工作原理是, 太阳光辐射透过玻璃珠和细径光导管到达实墙的外侧部, 同时也是热转换层的黑色绒毡层以及深色建筑粘胶层可
以将光能最大程度地转换成热能。由于太阳能保温材料本身的低传热系数, 产生的热能更容易被实墙所吸收。这些热量会逐渐向墙体的内侧传递, 直至墙体的内表面, 最终向室内以低温发射形式传递热量。室外的阳光辐射和室内的低温发射过程存在一个时间差, 这一时间差的长短取决于墙体材料的热蓄功能及其厚度。
4 太阳能保温体系主要材料及其性能
从上述太阳能保温构件的结构组成可以看出, 构件中最基本同时也是最重要的材料组成部分是紧密排列的聚合碳酸酯细径光导管。这些材料耐高温, 在115~140°C的高温下具有长效稳定性。此外, 这些光导管的透明度极高, 且吸收率极低, 由于在材料中加入了紫外线稳定添加剂, 其抗紫外线老化的功能显著。同时这些光导管具备较好的阻燃性能, 可以达到B1的防火等级 (图4/图5) 。
作为太阳能保温材料, 必须具备在其结构体内最大限度降低热对流和限制热辐射交换。而后者的功效导致了太阳能保温材料非恒定性的导热系数λ值。垂直于热转换层排列的细径光导管可以确保在高热阻情况下的低反射值, 因为绝大部分的入射光被垂直的光导管壁传导到热转换层。
光导管边缘部分、粘结部分以及由结构造成的漫反射阻碍的部分光线的传递, 被吸收且部分转换成热量 (热阻) 。形成相对高热阻的重要条件是:光导管的直径和长度的比值 (1:10以上可以降低热对流) ;光导管壁的吸热功效及其微弱的导热性能。
5 太阳能保温体系在采暖周期中的功效
为了将太阳能保温体系在采暖周期中的功效进行量化分析, 我们特地选择了一栋典型的四层公寓建筑 (16住宅单元, 总计1400m2使用面积) 进行模拟计算。假设建筑物南立面40%的面积 (162m2) 采用太阳能保温体系, 通过TRNSYS软件, 分别根据不同的保温法规及其设计标准 (82保温法规, 95保温法规以及低能耗住宅设计规范/德国) 进行采暖能耗计算。其中82保温法规模型完全按照相应设计标准进行建模;95保温法规模型则适当提高设计要求, 采用90年代末德国较为普及的实用标准进行建模;低能耗住宅模型中除了更高的墙体和窗户的保温要就, 还增加了必须的可控型热交换通风系统 (图6/图7) 。
我们在图8中可以清晰地比较出通过太阳能保温体系赢取能量在总采暖能耗中占据的比例, 也不难看出, 通过更严格和有效的围护结构和通风系统节能措施, 可以将太阳能保温赢取能量的比例从20%提升到30%以上。可见好的外保温体系是太阳能保温体系使用的大前提。
不过我们同时需要确认的是, 提高太阳能保温赢取能量比例的有效手段并不是通过提高太阳能保温体系本身的赢取量来达到, 而是通过更有效地加强整体建筑的保温效果, 降低其综合能耗来达到。观察图9我们可以发现, 通过太阳能保温体系的实际赢取量, 其实是在下降:随着综合保温效果的提升, 由110kWh下降到70kWh单位面积。由此可见, 太阳能保温针对保温效应一般或较差的建筑物而言, 实际经济效果会更强些。
所以我们不难从上述的结果看出, 其实太阳能保温体系的太阳能赢取性能和保温性能其实存在一定的矛盾性, 一方性能的增强会导致另一方性能的削弱。一个保温效果较差的建筑物使用太阳能保温体系, 可以更大程度地赢取能量, 由此导致的节省效果更为明显。不过话又说回来, 即便在95保温法规 (相当于我国65%节能设计要求, 尚未达到低能耗住宅标准) 的设计标准规程下, 太阳能保温体系赢取能量所占综合采暖能耗比例仍然是相当可观的!
6 太阳能保温体系的适用范围
太阳能保温体系的理想使用地区是, 冬季寒冷且日照充足。和采用传统的外保温体系的住宅建筑相比, 根据模拟计算和实际测算, 太阳能保温体系可以在中欧地区节省100kWh, 在干冷的美国沙漠气候地区节省150kWh, 在阳光充裕的奥地利阿尔卑斯高山区节省250kWh。这也是为何太阳能保温体系尤其在奥地利和瑞士得到广泛使用的原因。
太阳能保温体系在正南朝向时的功效是最高的。当转向偏南30°时, 效果略有下降;当转向达45°时, 效果仍然可以接受。东西朝向太阳能保温体系的功效只有正南方的一半。在纬度较低的区域应当尽量避免东西向的取向, 因为夏季的东西向斜射需尽量避免。当然还必须时刻关注的是建筑物周边其他物体阴影对其的影响。
设置在太阳能保温体系后侧的墙体必须能够将热转换层的热量吸收, 然后在一段时间后将这些热量向室内传递。这些墙体应该是具备出色热蓄功能并具良好热导性的重质材料。所以, 混凝土、砂岩石以及实心砖都是理想的墙体材料。其密度建议超过1200kg/m3, 1600kg/m3以上更为理想。墙体的理想厚度为20~30cm。墙材的密度越高, 热蓄性越好, 太阳能转换热量的利用率越高, 时效性更好。
7 太阳能保温体系的实际运用-StoTherm Solar太阳能保温构件
在和Fraunhofer-Instituten佛朗霍夫建筑物理研究所 (Stuttgart) 以及佛朗霍夫太阳能利用研究所 (Freiburg) 的共同合作下, Sto在1996年成功研发StoTherm Solar太阳能保温体系, 并荣获德国当年的年度创意大奖。在之后的实际运用中StoTherm Solar太阳能保温体系又得到进一步优化, 并在2002年荣获巴伐利亚州的节能大奖 (图10/图11) 。
StoTherm Solar太阳能保温构件全部在工厂预制完成。在施工现场, 只需在预选的墙面位置粘贴构件, 处理四周和传统保温体系的交接密封即可。StoTherm Solar太阳能保温构件的光量转换率高达95%, 加之体系中产生的热能无需经过管道等进行传递, 而是直接由蓄热墙体吸收贮存并向室内放热, 同时鉴于构件本身出色的保温性能, 可能的热损耗被降到最低 (图12/图13/图14) 。
在冬季, 当入射阳光几乎水平射入太阳能保温构件时, StoTherm Solar的热能转换功效接近峰值。在这种情况下, 即便室外的气温远低于-10°C, 热转换层以及墙体外表面的温度最高可以达到70°C, 此最高温度限值也确保了周边传统材料保温体系不会受到任何伤害。冬至日太阳能保温构件的功效可以达到最高值。随着太阳光入射角度的加大, 入射阳光被反射部分逐步增加, 同样被折射到热转换层的比分也在持续下降, 因而在夏天, 也不会出现墙体过热的现象, 尤其在盛夏, 入射阳光几乎全部被饰面的玻璃珠层所反射, 完全可以避免额外的遮阳装置, 冬暖夏凉。当然在国内运用时要尽量避免西晒造成的平射效应。
StoTherm Solar太阳能保温构件可以结合Sto传统型、经典型以及岩棉体系同时使用, 适用于新建建筑和既有建筑改造。标准构件尺寸间于1.0×0.6m至2.0×1.2m, 也可以根据设计要求生产特殊造型。一般厚度为12cm和16cm (德国欧洲新建建筑常用保温材料厚度) , 最小厚度为6cm。在中欧地区的地理环境及日照环境下, StoTherm Solar太阳能保温构件在南立面的单位面积年度平均太阳能赢取值是120kWh, 东西立面约80kWh。使用该体系单位面积的二氧化碳减排量约为30kg每年。
8 项目介绍 (StoTherm Solar太阳能保温体系的实际案例)
8.1 19世纪别墅改建成办公楼:Tannheim寓所, 弗莱堡
地点和功能区:
Tannheim寓所地处弗莱堡, 离太阳能体系研究所仅一箭之远。它是建于德国经济繁荣时期的一栋住宅楼, 直到上世纪90年代仍为法国军队所用。1995年国际太阳能协会 (ISES) 将其总部设在弗莱堡, 并迁入这幢楼。基于这个原因, 协会对其进行了一番彻底的节能改造。这栋建筑共有三层, 并带有全地下室。ISES的办公室在底楼和二楼, 顶楼设有会客室。地下室的房间 (展示间、酒吧等) 使用频率不高, 因此未装供暖设备。
脊檩为东西向, 因此屋顶面主要朝南。入口处和楼梯间在建筑的东侧, 北侧通向马路。特别一提的是东西立面, 由于树木丛生, 起到了遮阳的效果。
结构:
厚实的外墙为30~40cm的砖墙结构, 外墙至勒脚部分使用8cm厚的EPS外墙外保温系统。建筑物的天然石花纹由于保温板的缘故而消失, 于是, 利用96%可回收的旧玻璃制作装饰线条铺在外墙, 从而保留了寓所的原貌。
屋顶约占了建筑物供暖部分围墙结构面积的三分之一, 是热能损耗较大的部分, 因此屋顶和阁楼使用再生报纸制成的纤维材料做保温。建筑物的单扇窗装上高档三层式内含稀有气体的低幅射镀膜玻璃, 玻璃的理论K值为0.4W/m2K。
节能概念:
改建的目的是新业主理想中的节能改造。旧建筑物的能耗相当惊人, 每平方米居住面积每年达到230kWh, 改造后的现代化低能耗建筑所需的能量则降至70kWh/m2a。在此, 应展示一下旧房屋改造中使用的新型节能解决方案——太阳能保温体系。这种翻新对于设计者来说是一种挑战, 作为保护建筑, 寓所的外层虽然焕然一新, 却不能改变原有的外观。
由于南立面分成几部分, 面积较小且受光不足, 不适宜使用太阳能外保温, 因而在西立面铺设52m2的太阳能保温体系。西侧为太阳能保温构件与建筑物形状相融合提供了可能性。模拟测试的结果显示, 装上太阳能保温体系后每平方米每年热能节省50kWh, 总能耗将降低6.5%。
房屋技术:
为了完整的贯彻节能的概念, 供暖设备将由带有750L缩冲存储器的新型煤气燃烧器替代, 它同也供应热水。此供暖设备的能源供给来自于埋在南面屋顶的7.5m2太阳能收集器。
评价:
动态热能仿真计算显示, 此改建措施已达到节能目的, 热能耗降低超过三分之二。分析能耗测试值将带来更多重要信息。目前此寓所为一处样板工程, 可对新型太阳能体系在建筑师中的接受度起到促进的作用。在这个案例中, 利用太阳能作为旧房屋改造的新型技术得到很好的验证。
8.2 低能耗房屋Maier, 位于Stutensee—Blankenloch
1996年在Stutensee-Blankenloch造了一栋三层九户住宅楼。地下室为当地社区所用。通过整套保温节能措施, 热能耗根据计算为20kWh/m2a (太阳能保温体系降低的能耗不计在内) 。不算前檐后檐, 整栋建筑形状可得到最佳的表面积体积比。从勒脚至脊檩, 整栋建筑被包裹在厚厚的保温壳中。外墙的保温层为20cm, 屋顶处为27cm, 地板下为16cm。窗户装上K值为0.4 W/m2K的氙气玻璃。东南西立面铺设约100m2的太阳能保温体系, 可随着日照的变化补充从窗户获取的太阳能。房间装有排风设备用于可控通风, 社区站内装有热能回收通风装置。这栋居住和使用面积总计达814m2的住宅能耗仅相当于一栋单户住宅的平均能耗30kWh。
此外, 利用18m2的真空管状太阳能收集器, 可抵销热水约一半的能耗。虽然外墙构造和地坪铺设使用了新型技术, 但这个工程的特点是工期极短, 仅为7个月。
8.3 多户住宅WAG, A-Linz
WAG位于Linz的住宅小区是第一个使用超过100m2太阳能保温体系的样板改建工程。这个案例表明, 在保留楼房原有外貌的前提下, 使用TWD也较为经济。
这栋建筑有16户住户, 总住宅面积为1200m2, 外墙由30cm厚的混凝土灰砖组成, 采用140m2的太阳能外保温复合系统, 墙面其它部分使用10cm厚的传统EPS外墙外保温复合系统。中空保温玻璃窗的K值为1.6W/m2K。
太阳能保温构件作为构造和分割元素铺设在窗户旁, 与彩色砂浆色块相匹配, 形成有设计感的外墙立面。每年通过光照得到的能源约为100kWh/m2。
9 结语
太阳能技术其实已经得到了较为广泛的运用, 比如太阳能光电板, 太阳能真空管等;外保温技术和产品体系这些年在国内建筑业更是发展迅猛。而两者的有机结合, 更为我们寻求新的外保温技术开创了契机:在降低热损耗的同时利用可再生能源提供热能。成功的技术和成熟的产品体系以及超过10年的实践经验为我们在国内市场的引入和推广做好了最充分的准备。一些试验性项目即将进入实质性阶段。相信太阳能保温体系会为国内外保温技术提供新的发展方向。
参考文献
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北京金晶智慧太阳能材料有限公司 第2篇
北京金晶智慧太阳能材料有限公司是由山东金晶科技股份有限公司出资成立的全资子公司，注册资本5000万元，公司主要经营项目是制造太阳能电池基板、Low-E玻璃。2010年9月19日取得工商营业执照，2010年9月27日办理税务登记证，税务登记证号码为：1101***。山东金晶科技股份有限公司是一家是以玻璃、纯碱及其延伸产品开发、生产、加工、经营为主的大型企业。主要产品为超白玻璃、优质浮法玻璃、纯碱为主业的上市公司（股票代码600586），公司各项经济指标连续5年保持全国同行业前三名位置；在山东省同行业已连续十年保持第一,2005年与2007年，金晶两项产品分别获得“中国名牌”荣誉称号，2006年，“金晶”商标被中国国家工商行政管理总局认定为“中国驰名商标”。主要产品超白玻璃被应用于鸟巢、水立方、阳光谷等高档建筑。
随着化石能源的消耗，能源供应形势越来越紧张，在太阳能利用方面，西方发达国家率先开发单晶硅、多晶硅光电转换电池。但由于受结晶硅资源供给的影响，这两种电池价格居高不下，市场推广并不理想。上世纪90年代，非晶硅薄膜太阳能电池研究开发方面获得突破。由于薄膜电池硅消耗量只有单晶硅、多晶硅的百分之一，消除了硅材料“瓶颈”制约，使大面积推广成为可能。其中通过表面改性制备的导电玻璃成为薄膜电池不可缺少的重要配套材料。随着我国经济的快速发展，能源消耗绝对量急剧增加，节能降耗已被国家确定为基本战略，大力开发低辐射镀膜玻璃和玻璃薄膜光电转换电池具有重要意义。
租赁太阳能 第3篇
OneRoof能源公司正是这一新趋势的践行者。这家位于圣迭戈的公司向住户出租自己的太阳能系统：全款买下这套系统，需要花费3-4万美元，但该公司与住户签订租赁合同后便可为其安装，住户只需要支付少量（甚至无需支付）前期资金，同时按月支付租赁费用即可。据OneRoof公司总裁兼CEO大卫·菲尔德（David Field）透露，OneRoof用户每月可节省15%～25%的电费。
将公司全新的SolarSelect租赁计划引入市场需要更具智慧的融资举措。在筹措运营资本之余，OneRoof还需要为自己创建税惠权益融资基金（tax equity fund），用以支付租赁计划所需的前期资金，同时充分利用一些政策优势，比如享受投资抵税额（investment tax credit）这一为投资太阳能项目的公司特设的税收减免措施。
一些投资者已经看到了这一市场的希望。2011年9月，韩国企业韩华集团（Hanwha Group）旗下的韩华国际公司（Hanwha International）为OneRoof提供了一笔5000万美元的投资。今年3月，波士顿清洁能源技术投资公司黑珊瑚资本（Black Coral Capital）向其注资300万美元。黑珊瑚资本副总裁尼基尔·加格（Nikhil Garg）表示，OneRoof公司非常缜密复杂的融资举措令其团队印象深刻。菲尔德希望能在今年年底之前再完成一轮融资，目标是获得一笔1亿美元的税惠权益融资基金，以及一笔2000万美元的运营基金。
OneRoof采取的是审慎的扩张策略。菲尔德表示，这主要是由于全美只有不到10个州符合其发展的条件——理想的日照情况，高昂的电费，相对有利的市场规则及本地政府的刺激，比如税收特惠或安装费返点等，这些都是OneRoof走向盈利的必要条件。但随着太阳能系统产品价格的持续走低，以及政策环境更为规范和利好，这个局面将有所改善。
自从2011年10月启动SolarSelect租赁计划以来，OneRoof公司的业务已从加州扩大到夏威夷，同时计划向亚利桑那、马萨诸塞、康涅狄格以及纽约扩张。如今，该公司的太阳能系统已经安装了成百上千套。菲尔德透露，目前公司已经走上正轨，2012年将完成4000套系统的安装，总价值将达到1.2亿美元。
“人们都想在自己的屋顶上配备这么一个太阳能系统，但以较高的价格购买、安装并维持这个太阳能系统却令他们踌躇不前，”菲尔德说，“我们则为服务住户提供了一个更好的解决方案。”
太阳能光伏发电材料技术新进展 第4篇
1 太阳能光伏效应
光伏材料将光能转换为电能, 这个过程叫做光伏效应。光伏效应的过程即半导体材料吸收光子能量, 使到半导体中的原子发生原子能级跃迁, 然后释放电子并形成电压的过程。入射光子的能量e=hν, (h为普朗克常数, ν为入射光子的频率) , 只有当入射光子的频率达到一定数值, 使到入射光子的能量e大于半导体能级跃迁并释放电子所需要的最小能量——禁带宽度, 才能使原子能级跃迁并产生电子。
2 太阳能光伏应用常见材料特性
根据NREL的最新光伏转换效率统计发现[1], 近年来, 光伏转换效率在全世界的各个实验室不断被刷新, 为光伏发电的发展奠定了坚实的技术基础。
2.1 多重结和单重结III-V族材料
多重结和单重结太阳能电池的转换效率最高, 在多重太阳聚焦下, 单重结的效率可达20%~30%, 而三重结材料的光伏转换效率, 可达到40%。2011年在美国SolarJunction公司的试验数据显示最高的转换效率为43.5%[1]。在2006年, Emcore公司推出了有效面积为1 0 8 m m 2的三重结太阳能电池, 其在200余倍聚焦数下能量转换效率达到37%[2]。多重结材料生长制备一般采用金属有机化学气相沉积, 这需要精密的材料配比控制和生长速率控制, 成本较高, 加上重结III-V族材料如Ga、As和Ge在地壳中的含量还不到10%~5%, 综合考虑下更适用于高密度辐照下的光电转换。
2.2 单晶硅和多晶硅
在硅系太阳能电池中, 单晶硅大阳能电池转换效率最高, 技术最成熟。UNSW大学在2000年以前就已经实现25%的单晶硅材料的转换效率。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本, 其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭, 制造过程简单、省电、节约硅材料, 对材质要求也较低。弗劳恩霍夫研究所的太阳能系统在2005年前发表的最高的多晶硅转换效率为20.4%。在实规模化应用中, 多为单晶硅产品, 其效率在13%~16%左右。
2.3 薄膜技术
薄膜技术可采用的材料包括无定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化镉 (Cd Te) 和铜铟硒 (CIS) 等, 其电池的转换效率从12%~20%不等。薄膜技术电池可通过薄膜制备方法如射频建设、真空蒸发等将这些材料沉积到玻璃基板甚至柔软的基板上制作。其制备简单, 转换效率也不低, 据报道, Cu In Ga Se电池的转换效率已经达到19.2%[3]。由于铜、铟和硒材料资源相对丰富, 薄膜技术制备简单, 其成本低很多, 适合大规模应用。
2.4 有机聚合物、无机聚合物和燃料敏化物太阳能电池
目前, 这几种材料仍然在研究、开发和探索之中。目前实验室数据为有机聚合物的效率为10.6%、无机聚合物的效率为10.1%和染料敏化物的效率为11.4%[1]。这些材料制成的太阳能电池成本远远低于半导体材料, 而且可以制备柔软底板的大面积电池。因其制作成本也远远低于半导体材料, 而且可以制备柔底板的大面积电池, 适合用于建筑物上。
2.5 新兴材料
基于薄膜技术的表面等离子材料, 一般用玻璃、塑料或者钢材来做衬底, 这样可以降低成本。目前的一种方法是通过在薄膜太阳能面板上放置金属纳米粒子, 光入射后, 金属纳米粒子实现等离子共振然后对光进行散射, 这样增加光吸收而无需增加更多的薄膜电池层, 从而实现效率的提高, 其效率可预计能达到40%~60%。
另外一种新型材料是由碳原子构成的单层片状结构的石墨烯。这是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。这种材料的太阳能电池, 目前最新研究得到的效率为8.6%[4]。
2.6 其他
基于纳米科技的量子点、量子阱和超晶格材料也有不少机构在研究。此类型材料的优势一般是可更好地匹配太阳能光谱, 但其研究还比较少, 目前的效率不高, 离稳定性和量产化还有一段距离。研究指出[5], 相对于常规的块状太阳能电池, 多量子阱、超晶格以及量子点用于光伏设备可大大提高理论上的最大效率, 可实现光伏转换效率达40%甚至更高。
3 结语
随着光伏发电材料的不断深入研究和试验, 可以预测在未来的5~10年, 将会有越来越多新型和改进型材料的出现, 逐步解决材料的吸收问题, 效率问题, 稳定性问题, 工艺规模化生产的成本问题。从规模化生产和应用的角度看, 硅技术、薄膜技术和聚合物电池仍为主导, 量子点和纳米技术将给传统技术带来新的生命。
摘要：本文首先介绍了太阳能光伏发电的基本原理, 然后简述了用于太阳能光伏发电的各种常用材料的原理和特点以及在实验室中的最高转换效率, 并介绍了研究前沿的几种新材料和结构, 最后就太阳能光伏发电的前景做了分析总结。
关键词：光伏发电材料,转换效率,新进展,规模化应用
参考文献
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[4]Xiaochang Miao, Sefaattin Tongay, Maureen K.Petterson et al, Nano Letter, High Efficiency Graphene Solar Cellsby Chemical Doping, Nano Lett., Pub-lication Date (Web) :May 3, 2012 (Letter)
金太阳幼儿园年检汇报材料总结 第5篇
年关岁末，回顾一学期来，中班全体教师精诚团结，以蓬勃向上、积极进取、敬业爱岗的精神面貌。工作上认认真真、扎扎实实。全体教师以“纲要”精神为指导，围绕各项计划，开展了丰富多彩的主题活动。各班都以高效的工作效率，圆满完成了各项工作。现将本学期的工作汇报如下：
一、教师精诚合作，深入开展班级工作。
我们中班年级组能深入学习《纲要》精神，在工作中我们本着积极认真、互相学习、探索的态度开展工作，坚持保教并重、使幼儿身心健康成长。每位教师都积极认真的参加年级组的教研活动和各种观摩学习课，学习同行们的先进教育经验，同时每位教师都能为班级的工作提出宝贵的意见和建议，使得大家的能力和水平在学习中不断提高。在环境创设方面，各班能注意体现幼儿的主动参与性，并且能与教学主题内容相匹配。每个班都能根据自己班主题开展的情况布置环境，并因此形成了各班个性化的主题墙饰。
保育与教育是并重的。本学期各班都非常重视保育这一块。重视了幼儿一日行为习惯的培养和训练；加强了幼儿午睡的管理及巡视，做好了班级的环境卫生工作，严格卫生保健制度，按制度要求给各种玩、用具认真的进行清洗消毒工作，保证了玩、用具的卫生、安全使用。积极配合幼儿园保健医生做好疾病防治和预防接种工作。本学期无传染病的流行。
安全工作是最重要的工作之一，工作中我们加强一日活动各个环节的管理，加强幼儿日常生活的管理，做到了人到心到，谨防意外事故的发生。在日常生活中我们也做个有心人，及时检查班级中的事故隐患，及时进行排除，避免了大小事故的发生，确保了班级零事故。各项工作的顺利开展离不开家长的支持与配合，因此在家长工作方面大家以积极主动的态度采用多种途径，开展全面细致的家长工作为了让家长了解幼儿园生活，本学期我们组织了家长会和家长开放半日活动，让家长观摩了解自己孩子在园表现等。平时我们灵活运用各种形式对家长进行家教指导，充分发挥家长园地的作用，结合家访、电话、随访、校信通、成长册等形式进行家园之间的沟通交流，共同为幼儿的身心和谐发展而努力。全面细致的家长工作，使我们年级组达成了家园同步共育的目标，促进了幼儿健康和谐全面的发展。
二、深入开展主题活动，促进幼儿发展。
在金色的秋天里我们带孩子游览茱萸湾公园，让孩子真正回归到大自然。教师细致入微的照顾和精心的组织，幼儿表现出了很高的积极和兴趣性，也收获了许多秋天的知识。
在首个消防安全月，开展了我们“走进消防月”的系列活动。活动中许君老师积极出谋划策，主动联系，首先请来了消防中队的队长，带着孩子们一边观看FLASH，一边生动讲解消防知识。其次，年级组开展了“安全交通从娃娃抓起”为的幼儿道路安全交通的知识趣味主题活动；最后还请来了消防队员们带领孩子们举行了一次火灾疏散演练。形式多样的活动，增强了幼儿消防安全意识和技能。
感恩节，我们开展了“感恩从心开始”一系列富有教育意义的感恩节活动。教师向幼儿讲述故事《孔融让梨》，教会幼儿制作感恩卡；这一系列的活动加将感恩的种子播撒在幼儿的心田。
“病魔无情人间有爱”朵三班邢思琪小朋友不幸罹患了细胞瘤时，孩子的病痛牵动了老师的心。我们向全体教职员工及幼儿家长发出倡议，进行了的爱心捐款活动。老师们纷纷带头捐款。在教师们爱心的感召下，孩子和家长也积极地伸出援手。此次金太阳幼儿园师生共计捐款16300元。邢思琪家长非常感动，送来了锦旗和感谢信。
万圣节，教师与幼儿一起进行万圣节环境创设，小朋友们还装扮成万圣节人物的服装走秀，孩子们勇敢的“要糖果”。处处弥漫着积极快乐、喜庆的氛围。
在“世界节俭日”来临之际，我们开展了“勤俭节约风，吹入你我心”的活动，老师利用多媒体课件向幼儿讲解了勤俭节约的重要性和生活中节俭的小方法。在活动的最后，孩子们还表演了《小小一粒米》、《悯农》等以“节俭”为主题的小节目。从我做起，从小事做起，让幼儿从小树立了勤俭节约的美德
12月20日，澳门回归祖国12周年纪念日，我们开展了“庆祝澳门回归祖国12周年”主题教育。老师们讲解了澳门历史故事，并组织幼儿观看了今日澳门，让孩子们了解了澳门的历史，感受到了澳门回归祖国这12年里发生的巨大变化。最后，孩子们用手中的画笔表达了自己庆祝澳门回归祖国12周年的喜悦之情，并且用动人的歌声唱出了对祖国的敬爱之情。
12月22日,冬至，我们开展了“快乐过冬至”活动。活动中，教师们讲故事、当泥工、做游戏等形式，孩子们品尝着香甜可口的汤圆，欢快的气氛洋溢着每个角落，使孩子们亲身感受这一传统文化。
为锻炼幼儿的体魄，愉悦幼儿的身心。本学期我们积极参与了幼儿园进行的早操比赛、自制教玩具比赛、手指游戏和体育游戏的比赛，并取得了较好的成绩；“迎新年”的亲子运动会中，年级组根据幼儿的年龄特点设计了丰富有趣的游戏，许君、徐苗老师精心设计海报，老师们认真地做好各项准备工作，大家积极动员家长参赛，中班年级的家长拔河比赛更是将运动会推向了高潮，为幼儿园元旦的的圆满成功复出了努力。
三、蓬勃向上、积极进取、敬业爱岗、高效的团队。
中班年级组是一个具有凝聚力的团队，本着“求真务实”的工作作风，我们组所有成员无论是在工作上，还是在生活上，都互相关心、互相帮助，荣辱与共。大家思想上一致，心灵上沟通，年级组无论是开展教师活动，还是幼儿活动，大家都鼎立支持，竭力配合，较好地完成本学期的各项工作任务。全组教师做到了齐心合力，认真备课，认真授课，努力做到教书育人、为人师表，热爱学生、关心学生，发扬奉献精神。在各项活动中，特别是在迎接市优质园验收和幼儿园年终考核的过程中，年级老师积极出谋划策，积极投入活动，并能主动地加班加点，布置环境、准备资料、制定活动，根据孩子的兴趣和学习活动的需要，提供丰富的材料。使整个环境焕然一新，使各项工作走在最前面在各项活动中，高效表现出团结协作的团队精神。
为了更好的搞好年级组里的工作，不管是教学和保教方面大家都搞得相当出色。如果哪一位老师有事情需要我进行调配时，大家都毫无怨言。有老师外出学习，年级老师服从工作安排，积极代课带班，保证了教学活动的正常开展。本学期，幼儿园开展了青年教师技能大赛，当年轻教师开课时，陈金艳、马宝翠、吕琴老教师积极配合与支持，共同研究教材，共同商讨教学设计。当老师需要试教，被用到的班级老师毫不犹豫地答应，甚至还做好前期准备工作。为了上好一节课，老师们听取组内听课老师的改进意见，反复进行磨课，力求做到精益求精。正是同组老师的积极配合，我们组的每一位教师的业务能力都有了极大的的提高。老教师陈金艳、马宝翠、吕琴模范地遵守规章制度，工作效率高，并能积极传帮带，用丰富的教学经验指导年轻教师；许君老师工作积极主动，利用假期编排的早操无论是在音乐的选择和动作的编排上都具有独特的创意和巧妙地编排，对年级组的活动她总是积极参与，出谋划策。还在电脑方面热情地帮助和解决老师们的疑难；高丽老师工作踏踏实实，班级管理有条不紊。年轻教师李慧、徐苗对工作充满热情，虚心学习，经过一年多的工作，两位老师的班级管理能力和业务水平都有了明显的提高，特别是徐苗老师的教学水平有了明显的进步。
正是有了这样一个个蓬勃向上、积极进取、敬业爱岗的教师组成的严谨、高效率的团队，结出了累累硕果。李慧教师参加了区幼儿教师技能大赛取得区二等奖的好成绩，许君、徐苗老师获园赛二等奖。早期教育新视野论文陈金艳、吕芹获省二等奖、高丽获省三等奖；学前教育学会论文陈金艳、马宝翠省二等奖、徐苗省三等奖；“新观念好实践”征文陈金艳获市二
等奖；周铭老师的论文还刊登在《现代教育信息》杂志上。学习“吴邵萍老师”征文徐苗、李慧区二等奖。第六届教职工运动会团体第一名的好成绩拼搏；每班的班级网站都获园一等奖；
太阳能之路 第6篇
这种太阳能路面的关键在于“太阳能之路”所制造的一种每块大小为12英寸×12英寸的太阳能电池板，这种电池板可以嵌入路面，向电网中输入电力。这种电池板还会带有LED道路标志以及内建的加热单元，可以防止路面冻结。
每一片太阳能道路电池板可以每天发出7.6千瓦时电力，成本大概为7000美元。如果大范围推广，可以让美国真正摆脱化石燃料的束缚：一段一英里长的四车道高速公路可以使500个家庭脱离电网。如果整个美国州际公路网线系统采用这一电板，能源将不会再成为整个国家的问题。
Commonweal at a Glance
1镑的伙食费/从4月29日开始，约5000名英国人报名参加了GPP（慈善机构全球贫困项目）发起的“1天1镑周”活动，今后五天里每天一日三餐和零食、点心、饮料的花销不超过1英镑。这项活动旨在通过亲身“体验贫困”使得更多人关注贫困、参与减贫努力。据GPP的说明，全球有12亿贫困人口每周用于饮食、居住、交通、教育和医疗的钱只有5英镑，相当于1天1英镑。
测试纸就能检测胰腺癌/来自美国马里兰州的16岁天才少年杰克·安德拉卡发明了一种简单有效且成本低廉的胰腺癌“测试纸”。这种简易测试纸能够用来测试人体内间皮素的水平，从而在癌癥早期就发现对应的病症。这种测纸的准确率已被证明接近100%，测试速度比目前测试方式快28倍，成本便宜数十倍，敏感度高100倍以上。安德拉卡计划将该项技术转让给医药公司进行生产和销售。
有机太阳能电池材料研究新进展 第7篇
随着人类社会的不断发展, 新型资源和能源材料的应用越来越广泛, 为了满足人们日益增长的能源使用需求, 科研机构不断在进行新型材料的研究。有机太阳能电池材料, 就是当下科研机构正在着力研究和创造使用的一种新型能源材料。人们从十七世纪发现太阳能能源并进行研究和使用以来, 太阳能就不断为人类生活提供了便利, 而且这种能源对于人类生活起到了重大作用, 无限的使用源头实现了人们对可持续发展战略实施的伟大目标逐渐步入成熟和稳定。文章以太阳能作为有机电池的材料进行专业的研究和分析, 希望能够有效的提升人们使用的效率, 观察研究发展新进展。
1有机太阳能电池简介
1.1有机太阳能电池基本原理
通过半导体的导电功能收集环境中存在的光伏, 将光伏的异样材质进行不同层面的处理, 进而形成了有机太阳能电池的能量供给源头。因此, 根据太阳能电池的特殊效应可以将其称之为光伏电池。 借助特殊材料收集光能, 凭借对光能敏感的介质实现静电处理, 从材料的内部进行光能和电子材料的接触, 实现电极流转等操作, 综合形成静电条件下的电池作用, 并为电子设备提供能源。太阳能电池主要就是依靠光伏发生作用产生对应的电流, 并在通电设备的操作原理下实现电能的转换和应用, 太阳光能可以通过收集能源的传导介质实现光子反应, 并在光子作用的情况下进行工作。如果收集的能源能量超过了实际的禁止范畴, 就会产生电子空穴对, 此时对应的半导体就会产生融合能源的现象, 进而导致激子出现了不能自行转化的情况。将不同两种电子的能量进行融合和反应, 就会产生游离的激子反应, 导致实际电池应用的功能降低了, 因此, 以主导的材料进行半导体材质的融合, 就可以提升太阳能电池的应用效果[1]。
1.2有机太阳能电池分类
有机的太阳能电池种类可以按照常性质分为三种类型:第一种是单质结类型的有机太阳能电池, 第二种是异质结类型的有机太阳能电池, 第三种就是通过染料敏化特征实现的特殊类别太阳能电池。第一种有机太阳能电池类型是最为常见的, 也是研究并成功使用的最早的一种太阳能电池类型, 制造的材料有Phthalocyanine/Por- phyrin, 以及Cyanine和容易导电的聚合物等特殊材料制成。第二种类型的有机太阳能电池与第一种类型的电池相比更加先进和优越, 其中涉及的制造材料更多, 这种电池存在的优势是能够根据自身选择能力优化电池功能。第三种类型的太阳能电池与传统电池相比较具有优势, 传统对于太阳能源的收集能力差, 不能够直接使用光能作为支持工作的原动力, 但是更新后的电池吸附阳光的能力更强, 对于转化功能的引用更加全面, 实现的效率也不断得到提升[2]。
2有机太阳能电池材料
有机太阳能电池材料种类很多, 本次研究主要针对五种类型进行分析, 希望能够在掌握材料类型的基础上更好地应用有机太阳能电池。
2.1有机小分子太阳能电池材料
有机小分子是研究和制造太阳能电池材料的一种途径, 根据分析有机小分子的分子结构式可以进行自行的组织和制造形成全新的结构类型, 而且, 在进行分子重组的过程中也实现了对太阳能电池功效的提升, 满足了人们对太阳能电池效率的使用需求。在日常生活中比较常见的有机小分子电池材料涉及到很多, 菁、 是比较常见的类型。小分子的综合作用形成了电流, 并以此支持太阳能电池的使用。
2.2有机大分子电池材料
有机的大分子电池材料与小分子的工作原理存在差异, 伴随时间的不断发展, 大分子电池材料相关的研究也越来越受到热议。比如, 在众多大分子电池材料中, 富勒烯衍生物就是比较有效的电池能源供给材料。通过将这种物质进行反应作用实现对新型能源的研制, 并且在实际的使用过程中进行优化功能的研发, 通过大分子的高效工作原理实现对电能和光能的优质转化, 进而提供具有良好溶解性的物质提供给电池工作的原动力[3]。
2.3 D-A体系
D-A体系是指通过混合形式的导电介质进行结构薄膜中的异质结构进行相互间的深入和渗透, 以此实现对电能需求的转化, 并且满足网络输出中工作要求, 尽量弥补结构中存在的缺失, 以此进行电流和能源的传送, 为进行电荷的转移分离进行技术操作上的支持。D-A材料能够满足传统混合材料对传输电能结构上的影响, 降低缺失中损失的电量, 实现提升有机太阳能电池高效率工作的目标, 也是当下我国科研工作的重点内容[4]。
2.4有机无机杂化体系
在传统传输和导电工作操作流程中, 需要进行差异性光能和电能的调节, 避免出现异动或者转化操作环节中的阻碍, 以复合型功能作为有机材料综合性的电能、光能转变, 进而实现有机太阳能电池的告诉传导, 同时也能够提升收集光能材质的功能性, 保证电能供应质量。发展有机太阳能电池需要科研工作者不断的努力和分析, 在研究的过程中实现对有机和无机材料的转化, 进而满足分子、 量子等材料质量的提升需求。
2.5有机太阳能材料小结
结构简单且合成功能便捷是有机太阳能材料小结的优势, 在实际的工作过程中还具备对应的质量轻便等操作简单性, 将传统复杂的化学机构简易化, 也是实现降低有机太阳能电池制造成本的目标。虽然制造的成本降低了, 但是实际的功能增强了, 工作的效率也得到了相对应的提升[5]。
3结束语
综上所述, 本次研究通过分析和掌握有机太阳能电池基本原理入手, 了解有机太阳能电池的不同类型。细致分析有机太阳能的电池材料特征, 以及有机太阳能的电池材料类型, 进行深入的研究和制造, 以此实现对太阳能能源的有效利用。研究的过程中发现, 太阳能电池的材料使用的电力能源相对时间较短, 而且实际的转变效率也相对小。影响太阳能电池使用时间和效率的因素, 主要是源于有机电池材料对太阳能源吸收的功能偏低, 实际吸收阳光能源的效率也比较小, 影响了储存的功能和应用电子能源的转化。伴随时代的不断发展, 人们越来越关注对有机太阳能电池材料的开发和研制, 希望能够结合有机、无机, 以及纳米材料进行电池功能的提升, 以保证太阳能源利用的智能提升, 为我国太阳能开发和研究工作奠定良好基础, 促进太阳能能源发展。
摘要：伴随时代的不断发展, 科学技术的不断提升, 人们对于资源和能源的应用越来越重视, 希望能够通过先进的科学技术实现对新型资源和能源的充分利用, 并且坚持可持续发展战略实现对资源和能源的节约和保护。文章以有机太阳能作为新型电池材料进行分析和研究, 通过了解有机太阳能电池的基本理论, 分析有机太阳能电池材料的特征和性质, 观察新型材料研究和应用的新进展, 希望能够掌握专业技术实现更加广泛的生活和生产领域应用。
关键词：有机,太阳能,电池材料,研究新进展
参考文献
[1]李在房, 侯秋飞, 王艳玲, 等.苯并噻二唑类有机太阳能电池材料研究进展[J].有机化学, 2013, 2:288-304.
[2]李在房, 王艳玲, 侯秋飞, 等.可溶液加工给体-受体有机小分子太阳能电池材料研究进展[J].有机化学, 2012, 5:834-851.
[3]关丽, 李明军, 韦志仁, 等.有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展[J].科学通报, 2015, 7:581-592.
[4]黄林泉, 周玲玉, 于为, 等.石墨烯衍生物作为有机太阳能电池界面材料的研究进展[J].物理学报, 2015, 3:26-35.
有机太阳能电池材料研究进展 第8篇
关键词：有机太阳能电池,本体异质结,能量转换效率
进入20世纪以来,随着经济的快速发展人们对能源需求日益增长,能源问题已经成为当今世界面临的一个重要问题。由于太阳能电池直接吸收光将太阳能转换成电能,对环境污染小,备受人们的青睐[1,2]。美国贝尔实验室于1954年制造了世界上首个硅基无机太阳能电池,为能源的清洁利用开创了新篇章[3]。然而,无机太阳能电池存在成本高、能耗大、加工难等问题,一定程度上限制了其大规模应用。近十年来,有机半导体材料作为一类极具前景的光伏材料,引起了研究人员的高度重视。一方面,有机半导体材料成本较低、结构和功能易于调控;另一方面,它们可以被溶液加工和大面积成膜,为大规模利用太阳能获得廉价电能提供了有利条件。此外,有机半导体材料良好的柔韧性也拓宽了其应用范围,例如在柔性可卷曲体系中实现光伏供电等[4,5]。早在1958年,Kearns和Calvin[6]报道了OSCs,其结构由夹在两个电极间的单晶蒽构成,器件的开路电压(Voc)为0.2 V,但转换效率(PCE)很低(仅～2×10-6)。至今,OSCs的PCE已高达8.5%[7],然而与无机太阳能电池相比还比较低,主要存在载流子迁移率较低和器件稳定性差等问题。鉴于此,科研工作者正在通过建设理论模型、设计新材料和优化器件等手段弥补OSCs的不足[8]。
本文简单介绍了OSCs的基本结构与原理,重点综述了具有代表性的OSCs核心材料,并对该领域的发展趋势进行了展望。
1 有机太阳能电池结构与原理
1.1 肖特基型有机太阳能电池
前文提到的第一个OSC的主要材料为镁酞菁染料,这种结构的太阳能电池通常被称为“肖特基型OSCs”[9]。功函数不同的电极之间夹杂着有机半导体薄膜时,会产生不同的肖特基势垒,在太阳光照射下,电子从最高占有分子轨道能级被激发到最低未占有分子轨道能级,产生电子-空穴对。电子被较低功函数的电极捕获,空穴则被来自较高功函数电极的电子填充,形成光电流。
1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池
1986年,柯达公司的邓青云[10]制备了由四羧基苝的一种衍生物(PV)和铜酞菁组成双层膜异质结型OSCs(如图1所示)。在该结构中,p-型半导体材料(电子给体材料,Donor)和n-型半导体材料(电子受体材料,Acceptor)按顺序成膜附着于正极上。Donor层或者Acceptor层受到光子的激发生成激子,激子扩散到Donor层与Acceptor层的接触界面处发生电荷分离生成载流子,载流子迁移至各自电极,形成光电流[11]。
1.3 本体异质结型有机太阳能电池
自从1992年Sariciftci[12]等将BHJ(如图2所示)的概念引入OSCs,从而在有机光伏领域实现了历史性突破。所谓的“BHJ”,就是将Donor和Acceptor混合起来,通过真空沉积或者溶液旋涂的方法制成一种混合型薄膜。这种结构的太阳能电池的工作原理与双层膜结构OSCs类似。其中Donor和Acceptor分散形成各个单一组成的区域,扩大了界面面积,而且在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达Donor/Acceptor接触界面,电荷分离效率得到了提高。同时,在Donor/Acceptor接触界面上形成的载流子也可通过较短的路径迁移到对应电极,从而弥补双层膜结构OSCs载流子迁移率的不足。从1995年PCE低于1%的聚对苯乙烯撑(PPV)[13]体系到2005年的聚3-己基噻吩(P3HT)和[6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester(PCBM)的共混聚合物器件的PCE提升到5%[14]。最近报道Polymer/PCBM共混聚合物的光伏器件PCE已达7%以上[15,16,17]。相比于双层膜结构,此种结构的效率提高相当明显,Small[7]等不久前报道的PDTG-TPD/PCBM共混并采用倒置结构的器件,其PCE保持了最高效率纪录8.5%。
2 有机太阳能电池光伏材料
2.1 有机小分子太阳能电池材料
酞菁类化合物是典型的Donor有机半导体,具有离域的平面大π键,在600～800 nm光谱区域内有较强吸收。苝类化合物是典型Acceptor有机半导体,具有较强的电荷传输能力,在400～600 nm光谱区域内有较强吸收。图3为目前被广泛应用于OSCs的小分子半导体材料[18]。
2.2 有机聚合物太阳能电池材料
2.2.1 聚对苯乙烯撑类
PPV及其衍生物(如图4所示)类共轭聚合物是被广泛应用于光伏器件的材料,通常作为Donor。代表性材料是MEH-PPV,具有良好的溶解性,禁带宽度(2.1 eV)适中等优点。Y Gang[19]等将质量比为1:4的MEH-PPV/PCBM溶液在氧化铟锡(ITO)导电玻璃上通过旋涂方法制作了BHJ OSCs。电池在20 mWcm-2光照下产生的短路电流密度(Jsc)为0.5 mAcm-2,比单纯聚合物器件的Jsc提高了两个数量级。
2.2.2 聚噻吩类
PTh及其衍生物结构如图5图所示,通过引入侧链增加其溶解度,如烷基链,烷氧基链,羧基,酯基以及苯基等。J. H. Hou等[20]通过合成一种二维的共轭PTh使得PCE 提升到3.18%。Solenn Berson等[21]采用高浓度P3HT纳米纤维与PCBM的混合溶液通过旋涂制膜,未经退火处理,其相应器件的最高PCE高达3.6%。Marisol等[22]通过加压热处理获得PCBM与P3HT更均匀的纳米结构相分离,使PCE提高至5.2%,其中Voc和Jsc分别达到0.664 V和10.1 mA·cm-2。Hu等[23]以P3HT:PCBM为活性材料,深入研究了对ITOC臭氧处理以及对P3HT:PCBM薄膜退火处理对器件性能的影响,结果显示,这两种处理方法都使器件性能有所提高。同时采用两种处理方法时,器件Jsc从2.68 mA·cm-2提高到4.13 mA·cm-2,填充因子(FF)也从32.2%提高到38.8%,PCE也从0.63%提高到1.08%。
2.2.3 聚芴类聚合物
聚芴类共轭聚合物(如图6所示)由于具有良好的稳定性和较光吸收强度而引起人们的广泛兴趣[24]。与PPV相比,由于聚芴中含有刚性平面结构的联苯,所以往往表现出好的光稳定性和热稳定性,特别是在光伏器件领域,聚芴更是近几年来研究的热点[11]。Zhang等[25]深入研究了APFO-Green5与PCBM不同比例对器件性能的影响,结果显示,比例为3/7且厚度为100 nm,获得PCE为2.2%,其中Jsc, Voc, FF分别为8.2 mA·cm-2,0.61 V,0.44。
3 结 语
太阳能保温材料 第9篇
太阳能电池组件是由单晶或多晶硅太阳能电池片串并联,用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成,周边加装铝合金边框。从截面看可分为五层,从上到下依次为:光伏玻璃、EVA(聚乙烯一醋酸乙烯酯)、太阳能电池片、EVA和背板。其中,用于太阳能电池组件的部分材料为可燃类材料,这些可燃类材料包括EVA、背板、接线盒、密封硅胶等。
背板是指电池板背面的保护材料,为太阳能电池组件中可燃物数量最多,所占面积最大的一类材料,一般有TPT,TPE,PET等等。这些保护材料具有良好的抗环境侵蚀能力、绝缘能力并且可以和EVA良好粘接。背板材料作为光伏组件中一个重要的部件,是主要封装材料。背板材料必须要有很低的热阻,并且必须阻止水或者水蒸气的进入,对电池起保护和支撑作用,具有可靠的绝缘性、阻水性、耐老化性。背板的最外层能够抗环境腐蚀能力,中间层要有良好的绝缘性能,内层应与EVA具有较好的粘接性能。背板主要用来抵御恶劣环境对组件造成的伤害,确保组件的使用寿命。
常用的背板可以分为TPT、TPE、全PET和PET/聚烯烃结构。其中T指美国某公司的聚氟乙烯(PVF)薄膜。P指PET薄膜———聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。E指乙烯-醋酸乙烯树脂EVA。聚烯烃指各种以碳碳结构为主链的塑料。在各结构层之间使用合适的胶粘接复合而成太阳能电池背板。
目前,国内对这类材料燃烧性能的研究较少,相关规范对TPT、TPE、PET等3种材料的耐候性、水气阻隔性能、相对耐热指数、有害元素含量提出了要求,但这类有机材料使用量大,可燃物多,发生火灾时,其燃烧性能有多大危害以及它们在火灾中所起的作用还不清楚,相关的规范也不明确。因此,笔者选取上述3种材料,采用不同试验方法研究其燃烧性能,采用的试验方法包括单体燃烧试验、热值试验、垂直燃烧性能试验、氧指数试验。
2 试验
2.1 SBI试验
SBI即单体燃烧试验,测量试验时O2浓度的变化、管道中烟气流量、CO2浓度等指标,通过计算得到某一时刻的热释放速率,而试验过程中热释放速率与时间商的最大值为热释放速率的FIGRA指数。
2.1.1 试验结果
根据GB/T 20284《建筑材料或制品的单体燃烧试验》要求,将PET、TPE、TPT按膜材的安装方式固定在试验框架上,其厚度均为0.3mm,每种材料的试验样品大小为1 500mm×1 000mm、1 500mm×500mm两块,拼接形成90°夹角,放入小推车中,按平板状建筑材料的试验方法,试验结果如图1~图3所示。
单体燃烧试验后得到的试验数据,如表1所示。
2.1.2 试验分析
由表1可以看出,PET聚酯薄膜的燃烧性能较好,燃烧增长速率指数为63.3 W/s,燃烧性能等级满足GB8624-2012《建筑材料的燃烧等级分级》的B1(B)的要求,单面复合聚氟乙烯薄膜的TPE材料,燃烧增长速率指数为355.2 W/s,燃烧性能逐渐变差,当聚酯薄膜两面都粘结聚氟乙烯,如TPT,燃烧性能变得更差。背板材料的单体燃烧性能从高到低依次为PET、TPE、TPT。
2.2 热值试验
将4种背板材料(其中PET背板为2个不同企业提供)按照热值试验要求取样1g,采用氧弹法,测量4种材料的热值,结果如表2所示。
通过对该材料燃烧热值的分析,材料燃烧热值大小略有不同,见表2。背板材料主要成分为PET,当复合了EVA后,热值会有所增加,而换成相同含量的聚氟乙烯(PVF)薄膜后热值略有降低。分析可以看出,在构成背板材料的三种结构中,EVA的热值最高,其次是PET,最后是聚氟乙烯(PVF)薄膜。
2.3 氧指数试验
按照GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分:室温试验》进行氧指数试验,厚度均为0.3mm。试验结果:SP-TPT-300为24.2;SP-PET-300为25.3;SP-TPE-300为23.4;PET为25.2。3种背板材料的氧指数都不高,属于可燃材料。结合单体燃烧性能试验分析,氧指数相对较高的背板材料,单体燃烧性能较好。
2.4 垂直燃烧性能试验
根据3种背板材料应用的最终方式,考虑到材料的结构和状态,采用垂直燃烧性能试验方法对材料进行试验,按照GB/T 2408-2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》要求进行试验,结果如表3所示。
结果表明,3种材料在50 W小火焰轰击下,连续两次点火10s,观察材料的燃烧状态,在第一次施加火焰后,TPE和TPT出现较长时间的持续燃烧,分别为29、30s,而PET的有焰燃烧时间较短,只有7、0s。而且TPE和TPT在第一次点火后燃烧已经蔓延到夹具,PET是在第二次施加火焰后才蔓延到夹具,火焰蔓延的速率低于TPE和TPT。
3 背板材料对太阳能电池板燃烧性能的影响
3.1 不同背板材料的太阳能电池板单体燃烧试验
选择2种不同的背板材料的太阳能电池板进行比较,一种为TPE背板的太阳能电池板,一种为TPT背板的太阳能电池板,2种背板材料的功率都为200 W,样品尺寸略有不同。按GB/T 20284要求进行单体燃烧试验,结果如表4所示。
3.2 试验分析
由表4可以看出,2种背板材料的电池板都出现了剧烈燃烧,外层玻璃很快炸裂,中间层EVA和背板迅速着火燃烧,燃烧火焰较高,并在夹角处出现熔融滴落的现象。从试验数据可以看出,200 W功率的太阳能电池板,试验结果却有很大差距,TPE背板的电池板燃烧增长速率指数、总放热量、烟气生产速率和总烟气产生量都比TPT背板的电池板要低。玻璃和电池片在本试验中产生的热释放量可以忽略不计,试验中对热释放贡献最大的是背板材料,即使TPT背板的多晶硅比TPE背板的单晶硅样品尺寸还小,但产生的热释放速率和总热量都要大很多。由此可见,背板材料是影响太阳能电池板燃烧性能最主要的因素。
4 结论
(1)3种不同的背板材料,在相同试验条件下,通过对氧指数、单体燃烧性能以及垂直燃烧性能的比较,PET背板的燃烧性能要优于TPE和TPT。
(2)当火灾从太阳能电池板的背面发生时,特别是电弧故障引起的火灾往往是从膜材即背板材料开始燃烧,由于背板材料的氧指数较低,热值很高,在发生火灾后火势增长迅速,燃烧剧烈。一旦发生这类火灾,极易形成大规模的燃烧场景。在实际应用中应着重考虑避免此类事故发生。
(3)功率相同而背板材料不同的太阳能电池板,PET、TPE背板的电池板燃烧增长速率指数,总放热量等燃烧性能参数比TPT背板的电池板要低,具有更好的燃烧性能,具有更好的抵御火灾的能力。
摘要：选取典型太阳能电池背板材料PET、TPT、TPE分别开展单体燃烧试验、氧指数试验、燃烧热值试验、垂直燃烧性能试验,分析比较3种背板材料燃烧性能的优劣,以及背板材料对太阳能电池板燃烧性能的影响。结果表明,背板材料的单体燃烧性能从高到低依次为PET、TPE、TPT;在构成背板材料的三种结构中,EVA的热值最高,其次是PET,最后是PVF薄膜;3种材料的氧指数都不高;PET的火焰蔓延速率低于TPE和TPT;背板材料是影响太阳能电池板燃烧性能最主要的因素。
关键词：太阳能电池板,火灾,背板,燃烧性能
参考文献
[1]张立文,张聚伟,田葳,等.太阳能光伏发电技术及其应用[J].应用能源技术,2010,(3):4-8.
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[4]GB/T 20284-2006,建筑材料或制品的单体燃烧试验[S].
[5]GB/T 14402-2007,建筑材料及制品的燃烧性能燃烧热值的测定[S].
[6]GB/T 2406.2-2009,塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分:室温试验[S].
太阳能保温材料 第10篇
将这一来自原型的新设计放大为大尺寸的太阳能电池板,则与其他发电方式相比,将是获取廉价太阳能电力的一大进步。
这种用于廉价的太阳能发电未来材料的开发源于美国宾夕法尼亚大学和德雷克塞尔大学科学家为引领的研究团队所进行的新材料的初期测试。这些测试在美国能源部阿贡国家实验室先进光子源实验室中进行。
该团队创建了新一类的陶瓷材料,其有三个主要的优点。首先,由它生产的太阳能电池板可比当今硅基市场领导者所生产的更薄,其只需使用一种材料,可代替两种材料。第二,它使用了比当今的高端薄膜太阳能电池板更便宜的材料。第三,这种材料为铁电材料,这意味着它可变换极性,具有超过当今太阳能电池材料理论能效限制的关键特征。
太阳能电池板效率较低的部分原因是,颗粒收集进入太阳能电池的能量来自太阳,呈四面八方传播。典型的要让它们都流向一个方向需要有不同通渠材料的层面。这些层面之间的颗粒让光线通过每一次都会造成一些损失,降低了太阳能电池的能量效率。而研究团队的新设计使用了较少的层面限制了损失,并使用铁电材料使更少的能量通过颗粒。
研究团队用了5年多时间模拟和设计了组合这些性质的材料。该材料使用钙钛矿晶体并组合铌酸钾和镍铌酸钡而制取。这表明比当今典型的铁电材料有显著改进。这种新材料可吸收6倍多的能量并可传输50倍的光电流密度。对材料成分的进一步优化还可进一步提高效率。
研究团队指出,这个材料家族是更引人注目的,因为它是廉价的、无毒的并是使用了地球上储量丰富的元素,与目前用于高效薄膜太阳能电池技术所用的化合物半导体材料不同。
身边的太阳能 第11篇
太阳能是一种可再生资源，取之不尽，用之不竭。现在，哪个同学能举一个我们身边利用太阳能的例子？
太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的装置，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。
太阳能汽车是一种靠太阳能来驱动的汽车。相比传统的汽车，太阳能汽车是真正的零排放。正因为它环保的特点，太阳能汽车被许多国家提倡。
我见过马路上有那种小汽车，上边写着“太阳能汽车”，不知道这个算不算呢？
嗯，这里提到了太阳能的两个用处：一个是太阳能电池板，一个是太阳能路灯。
太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳能转换成电能的装置。大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本较高，它还不能被大量广泛地使用。相对于普通电池和可循环充电电池来说，太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。
太阳能路灯以太阳光为能源，白天太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给灯供电。太阳能路灯不用复杂昂贵的管线铺设，可以任意调整灯具的布局，安全节能无污染。同时，太阳能路灯各自为一个循环，不用担心像普通路灯那样，一个线路断了会导致整条街的路灯都不亮。
我有一个叔叔是种植大棚蔬菜的，那个好像也是利用太阳能的吧？
对啦！大棚其实就是温室，又叫暖房，能透光、保温，是用来栽培植物的设施。它在不适宜植物生长的季节，能为植物提供适宜生长的各种条件以增加产壁，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗等。现代化温室中有控制温度、湿度、光照等条件的设备，由电脑自动控制，以创造植物所需的最佳环境条件。
太阳能保温材料 第12篇
水、有机流体、烟气和空气占据能源利用、加热和冷却应用领域的90%,它们的最高使用温度为400℃,然而有些有机化合物的使用温度却还达不到400℃。气体虽然能在高于400℃时使用,但是其热传递系数小,不适合使用。熔盐不仅可以在高于500℃时使用,而且危险性小,具有良好的热传递特性,在化学和石化等行业应用广泛,在电池及冶金行业中也发挥着很大的作用,尤其可以作为传热蓄热介质应用于太阳能热发电和太阳能制氢中。熔盐储热材料[1]主要有碳酸盐、氯化盐、氟化盐和硝酸盐,其中硝酸盐的性能最为适合作熔盐储热材料,因此硝酸熔融盐在传热蓄热应用中较为常见。由硝酸钾、硝酸钠和亚硝酸钠组成的混合熔盐HTS(KNO353%+NaNO240%+NaNO37%)[2]被广泛应用在使用温度为350~500℃的工业中,其使用温度范围可以扩展到155~550℃。硝酸钾和硝酸钠二元混合熔盐[3]也被广泛应用,其上限使用温度扩展为600℃[4]。
目前对于硝酸熔盐作为传热蓄热介质主要有以下几个方面的研究:首先是硝酸熔盐作为传热蓄热介质在太阳能光热发电和太阳能制氢中的应用情况;其次介绍了硝酸熔盐材料的熔点、上限使用温度等物化性质,硝酸熔盐热稳定性[5]和热力学方面的性质。硝酸熔盐材料本身的性质影响硝酸熔盐在太阳能光热发电和太阳能制氢中管内的流动情况及热量交换情况。本文综述了目前硝酸熔盐在太阳能利用中的相关研究。
1硝酸熔盐的性能概述
熔融盐是盐的熔融态液体,通常说的熔融盐是指无机盐的熔融体。硝酸熔盐是无机盐的一种,其固态大部分为离子晶体,在高温下熔化后形成离子熔体。与水溶液一样,熔盐也是一种溶剂,是一种不含水的高温熔剂,熔化时解离为离子,正负离子靠库仑力互相作用,所以可用作高温下的反应介质[6]。熔盐具有很高的热熔和热传导值以及高的热稳定性和质量传递速度,在电化学上具有宽的电位稳定“窗口”,比水溶液的“能量窗口”要宽(水1.2V;CsCl-MgCl22.6V,700℃)。
硝酸熔盐的特性主要表现在以下几个方面[7]:(1)离子熔体,熔融盐的液体通常由阳离子和阴离子组成,因此熔融盐具有良好的导电性能,其导电率比电解质溶液高1个数量级;(2)具有广泛的使用温度范围,通常的熔融盐使用温度在300~1000℃之间,且具有相对的热稳定性;(3)低的蒸汽压,熔融盐具有较低的蒸汽压,特别是混合熔融盐,蒸汽压更低;(4)热容量大;(5)对物质有较高的溶解能力;(6)较低的粘度;(7)具有化学稳定性。
目前具有代表性的部分硝酸熔盐性能如表1所示,可以把硝酸熔盐分为单盐、二元熔盐、三元熔盐和多元熔盐。由表1可以看出单盐的熔点较高,在使用中容易导致“冻管现象”[8],限制了单盐的适用范围;三元熔盐(HTS)可以大大降低体系熔点,但体系的导热系数和熔化热也会随之降低;二元熔盐(Solarsalt)既保证了导热系数和熔化热变化不大,还降低了熔点。如表1所示,3种熔盐中Solarsalt熔盐体系的性能是比较适合应用于太阳能热发电的。
注:表中物性为硝酸熔盐在400 ℃时的物理化学性能,组成以质量分数计
硝酸熔融盐具有良好的储热性能和热传递特性,比较适合用作熔盐储热材料,在化学和石化等行业具有非常广泛的应用,尤其可以作为传热蓄热介质应用于太阳能热发电和太阳能制氢中。
2硝酸熔盐在太阳能利用方面的应用
2.1太阳能热发电
为了更好地解决目前存在的能源危机问题,世界各国都在开展太阳能热利用方面的研究。之所以研究太阳能是因为太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,符合我国节能环保的战略举措。太阳能热利用的形式有很多种,太阳能热发电是其中最常见也是最有价值的一种,与常规火力发电相比,其发电效率较高。但是太阳能热发电易受阴天、夜晚等气象变化的影响,供能方式具有“间歇性”的特征,故需要蓄热来提高太阳能利用效率。因此,蓄热介质的开发就成了热发电的关键技术之一[4]。
目前,世界各国都在着力研究太阳热力发电,如美国、以色列、西班牙、德国、智利和法国等国家都在深入开展太阳热力发电的研究与开发,经过几十年的研究,太阳能热力发电单机容量已从千瓦级发展到兆瓦级,已有数十座兆瓦级太阳能热电站投入试验运行。按集热器类型的不同,太阳能热发电系统可分为槽式系统、塔式系统、碟式系统3类。其中槽式系统技术发展相对成熟,而塔式系 统由于热 转化效率 较高,具有非常好的应用潜力。早期的太阳能塔式热发电站[9]有美国的SolarOne、意大利的Eurelios、西班牙的CESA、日本的SUNSHINE等,它们都是采用太阳能直接加热生产过热蒸汽来驱动蒸汽机发电。但由于蒸汽作为传热介质温度不能超过500℃,而且高温下水蒸气常处于超临界状态,导致压力特别高、不好控制。为了解决上述问题,硝酸盐开始被用于太阳能热发电系统的储热介质。由表2中所列的国外太阳能发电 装置可以 看出,SolarTwo、MSEE/CatB和THEMIS等热发电站都利用硝酸熔盐混合物作为热能储存介质,SolarTwo和MSEE/CatB热发电站还利用硝酸熔盐混合物作为传热流体。其中,SolarTwo电站是世界上第一座熔盐蓄热 技术太阳 能热发电 实验电站,装机容量 为10MW,它奠定了熔盐在太阳能热发电领域的应用基础。SolarTres是在SolarTwo基础上改 进的,将继续用NaNO3KNO3 硝酸熔盐作为传热蓄热介质。除了表2中所列,智利的SPT电站目前可以提供70GWhel/yr的电量,并计划在2020年实现每年提供86.30GWhel电量的目标[10],西班牙的GemaSolar电站自2011年9月底成功进入商业运行以来,实现了24h发电,是太阳能电站中首个实现24h发电的,其装机容量为17MW。PS10太阳能电站利用石墨-硝酸熔盐复合物作为蓄热介质,实现了又一个创新,其装机容量为11MW[11]。
在国内,青海中控德令哈50 MW塔式太阳能热发电站一期10MW工程顺利并网发电,它是由青海中控太阳能发电有限公司投资建设的,是国内首座大规模应用的太阳能热发电站,标志着我国自主研发的太阳能光热发电技术向商业化运行迈出了坚实步伐,填补了我国没有太阳能光热发电的空白。电站二期40 MW光热发电工程将于2014年全面建成,预计年发电量达1.125kW·h时,峰值效率达24%,年节约标煤3.94万t,减排二氧化碳气体10.3万t。中广核太阳能开发有限公司50 MW光热发电项目也已全面投入运营,总装机容量50MW,采用抛物线型槽式聚光系统。工程年等效发电小时数为4060h,设计年上网电量为2.75×108kW·h,镜场共设置抛物型反射镜389760面、13920个集热单元、1160个太阳能集热器组合、290个集热管回路和配套跟踪驱动装置。
研究者发现利用硝酸熔盐作为储热介质可以明显提升热发电系统 发电效率,改善材料 热稳定性 等。KearneyD等[13]运用高温硝酸熔盐发电,不仅可以使太阳能电站操作温度提高到450~500℃,还使得蒸汽汽轮机发电效率提高了40%。为了减小蓄热容器的体积,他们运用熔融盐储热,使储热效率提高了215倍。但是硝酸熔盐储热材料在实际应用过程中还存在较多的技术问题需要解决,比如硝酸熔盐导热系数相对较低、使用温度范围还需进一步扩大等。为了克服硝酸熔盐作为蓄热介质时导热系数相对较低的问题,有研究向熔盐体系中添加了石墨,研究了石墨-硝酸熔盐复合材料的储热性能,发现当石墨质量分数为5%~30%时,复合材料的导热系数提 高很多,从3 W/(m·K)提高到25 W/(m·K)[14,15]。此外,还有大量的研究工作致力于提高硝酸熔盐储热材料的使用温度范围、研究材料-结构性能、提高稳定性能等,将在下文中详细阐述。
2.2太阳能制氢
随着经济的不断发展和人类科技的进步,温室效应日趋严重。世界各国越来越关注CO2排放控制,再加上化石能源的储量有限,都迫使人们寻找一种可再生的非常规能源,现今氢能研究备受关注,得到了很大的发展。作为未来能源载体和储能媒介,氢能制备已经成为未来能源研究战略的重要课题,传统化石能源-可再生能源将结合氢能制备利用可再生能源。目前是采用碳氢化合物重整生产大规模、低成本氢,其中有关蒸汽甲烷重整的研究最多,主要由以下2个气相催化化学反应组成[4]:
以上反应中,甲烷既用作反应物,又为蒸汽产生、重整熔炉、净化和辅助系统等外部设备提供动力源,所以不仅甲烷消耗量较多,而且CO2的排放量也较多。如果改用非化石且不含碳的能源来提供热量,不仅会减少化石能源需求量,也会大大降低CO2排放量。MollerS等[16]和PetraschJ等[17]对集中式太阳能热工厂(CSPplant)为甲烷蒸汽催化制氢提供外部热量做了详细研究,研究表明利用甲烷蒸汽催化制氢提供外部热量与前面所述的太阳能热发电不同。虽然两者都用NaNO3-KNO3 作为传热蓄热介质 ,但太阳能热发电是利用热量推动蒸汽轮机发电,而催化重整是利用太阳能热量为甲烷蒸汽反应提供外部热源。利用集中式太阳能作为甲烷蒸汽重整的外部能源,不同于常规的蒸汽催化重整,其基本的催化熔炉被更加紧凑的管式热交换器替代,熔盐在壳程中对流流动。其作 用机制主 要是:预热到500℃的CH4/H2O混合气体通过充满催化剂的管程,从热管中出来的熔盐进口温度为550℃,冷却到530℃,与内管混 合物交换 热量[17]。
3硝酸熔盐储热材料研究现状
自1807年英国科学家戴维利用熔盐制得金属钠以来,各国学者对熔盐的研究迅速升温,从第二次世界大战期间主要研究无机化合物熔盐,到目前已发展到对有机无机混合熔盐的研究。历经了2个多世纪的研究现已有较为全面的研究成果,目前硝酸熔融盐体系的研究依然是科学热点之一,研究工作主要集中在硝酸熔盐体系的物理性能、使用温度、熔盐结构、热力学性质(储热性能、导热性能、热稳定性)、输运性质以及光学性质等。相关研究内容杂、无系统。本文对相关文献资料进行了总结,将按照研究内容、性质侧重点进行分类阐述,以便相关研究者参考。
3.1对硝酸熔盐体系物理性质的研究
塔式太阳能热发电系统主要由太阳热能定日镜、集热器、熔盐储能系统和蒸汽透平发电系统等几个部分组成,如图1所示。由于熔融盐在系统运行时处于液态流动状,熔融盐的加热温度对其粘度等流动物性影响较大,此外温度的变化将会改变系统中的压强,研究温度与熔融盐粘度、压强等物理性质的关系是非常重要的,这些因素直接影响熔融盐的传热蓄热特性,关系到熔融盐循环管路的设计与布置。因此对熔融盐体系的温度与熔融盐粘度、压强等之间关系的研究将有利于对相关系统工艺条件的合理控制,具有非常重要的意义。
Gaune在373~482℃和254~480℃温度范围内分别测量了2种混合熔盐(KNO353%+NaNO240%+NaNO37%和KNO352%+NaNO233.6%+NaNO314.4%)的粘度值,通过对实验数据进行拟合得到2种熔盐的粘度与温度的关系式。ShuklaRK等[18]利用大量 的实验和 统计理论 对NaNO2-KNO3-NaNO3 熔盐体系的粘度与温度的关系做了进一步的研究,得到的结果与相关文献的实测数值基本吻合,并且证实该理论可以扩展应用于其他多元混合熔盐体系。
影响混合熔融盐温度范围的因素有很多,在制备混合熔融盐时,不仅要考虑组成对温度的影响,还要考虑封闭情况下压强的影 响。Mar等[19]对组成为NaNO360%、KNO340%的硝酸盐混合物熔盐的压强、温度及组成(硝酸盐与亚硝酸盐之比)之间的关系进行了研究,对于封闭体系,获得了压强-温度、组成-温度曲线;对于恒压体系,分别在氧分压为101.325kPa、20.265kPa、1.01325kPa、101.325Pa条件下得到组成-温度曲线。Glazov等[20]在798K、823K、848K时分别测定熔融盐NaNO2、KNO3二元混合熔融盐中亚硝酸钠和硝酸钾的 分压,实验发现,随着温度 升高蒸汽 压相对于Raoult定律产生的负偏差逐渐减小,并且通过计算得到了克劳休斯-克拉佩龙方程中系数A和B,硝酸钾的偏摩尔蒸发热,活度和活度系数。
3.2对硝酸熔盐体系热力学性质的研究
聚光式太阳能热发电系统的基本原理是:在白天利用聚光集热器收集太阳能,通过接收器转换成热能,一部分高温熔融盐用来直接发电,另一部分高温熔融盐放入热盐罐存起来。晚上没太阳时,再通过蒸气发生器加热工质,驱动热动力装置进行发电。因此,熔融盐的比热容、热导率、潜热、载热容量等热物性参数直接影响熔融盐的传热蓄热特性,从而影响到熔融盐循环管路的设计布置及传热熔融盐蓄热系统的效率。
由于高温熔融盐的特殊性,一般采取差示扫描量热法(DSC)测量其相变温度、相变焓、比热容等热力学性质。差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下,测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术[21,22,23,24]。试样在热反应时发生的热量变化,由于及时输入电功率而得到补偿,所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿加热丝的热功率之差随时间t的变化关系。如果升温速率恒定,记录的也就是热功率之差随温度T的变化关系。许多物质在加热或冷却过程中都会发生物理化学变化,这些变化必将伴随体系焓的改变,因而产生热效应。如果参比物和被测物质的热容大致相同,而被测物质又无热效应,两者的温度基本相同,此时测到的是一条平滑的直线,该直线称为基线。一旦被测物质发生变化,并产生了热效应,在差热分析曲线上就会有峰出现。热效应越大,峰的面积也就越大。通过这种方法可以直接测得材料的相变温度和相变焓,而通过一定的方法改进可以获得比热大小等参数。TakahashiY等[25]利用DSC对LiNO3、NaNO3和KNO3的比热和潜热进行了准确的测量,由于混合熔融盐的比热测定较为困难,为了便于测出精准的比热,他们总结出了比热的多项式拟合方程。TaoWang等[26]建立了LiNO3-NaNO3-KNO3-2KNO3 ·Mg(NO3)2四元混合熔盐的热力学模型,并利用此 模型预测 其熔点为374.9K,经过DSC测试验证材料熔点为(373.90±0.78)K。其后,还研究了材料的焓、熵、吉布斯函数等一系列热力学参数。
混合熔融盐具有一定的腐蚀性,并且相关测定实验需要在高温下进行,导致对于熔融盐热力 学性质的 测量比较 困难。因此,对熔融盐热力学模拟参数方程的研究和计算预测可以辅助相关分析手段,从而对材料结构与热力学性能之间的关系进行深入研究。其中,熔融盐相图在熔融盐理论研究和实际应用中有重要意义,可以为混合熔融盐的配制提供理论依据。但多元相图的复杂性给相图绘制和计算带来了较大困难,导致混合熔融盐一直发展较慢。Kramer[27]用DSC研究了NaNO3、KNO3的二元相图,精确地确定了该体系固相线和液相线。通过使常规液体理论模型与实验数据相对应,从而测得常规溶液参数和NaNO3与KNO3固熔体的混合热。
对于熔体来说,密度与熔体的短程有序结构密切相关,也是准确推测熔融体内部Marangoni对流情况不可缺少的特征物理量,通过密度 还能了解 单位体积 的载热情 况。诸平[28]根据相关文献数据进行回归分析,得到了碱金属硝酸盐和亚硝酸盐混合物(NaNO37%、NaNO240%和KNO353%)的密度和比热容与温度的函数关系式,并进一步推导了该熔盐体系单位体积的载热容量积分式。
MahanA等[29]根据熔盐的热膨胀系数和恒温压缩率通过理论计算研究了NaNO3、NaNO2和KNO3三元熔盐混合物的部分热力学性质,包括蒸气压、汽化能和汽化热,并对混合物进行了理论分析。
有学者通过大量实验总结出了混合熔融盐热力学性质的相关经验公式,并与实际测量值进行对比证明拟合的准确性。TufeuR等利用同心圆柱法在101.325kPa条件下分别测量了纯 净盐和混 合盐的导 热系数,对纯净的 化合物NaNO3、KNO3和NaNO2进行了测量,同时还有相同比例的2种盐的混合物NaNO3和KNO3,还有3种盐的混合物,质量分数为7% 的NaNO3、40% 的NaNO2和53% 的KNO3。他们的实验值与按照线性比例计算的计算值基本相符。
3.3对混合硝酸熔盐工作温度范围及热稳定性的研究
熔融盐作为一种性能优良的高温传热蓄热介质,必须具有使用温度较高,热稳定性好等优势。研究混合熔融盐工作温度范围及热稳定性就是为了延长蓄热介质的使用寿命,提高太阳能热发电效率。
在国外,太阳能热发电站中作为传热和蓄热介质使用的是60% KNO3、40% NaNO3(Solarsalt)组成的二元熔盐和53% KNO3、40% NaNO2和7% NaNO3(Hitecsalt(HTS))组成的三元混合硝酸熔盐。其中对含NaNO2的三元混合硝酸熔盐研究较多。文献中介绍的硝酸熔盐体系及其工作温度范围如表3所示。
一般来说,单盐NaNO3和KNO3的熔点较高,分别为307℃、337℃,混合后可 以降低材 料熔点,二元熔盐60%KNO3、40%NaNO3(Solarsalt)的熔点为220℃左右,三元熔盐53% KNO3、40% NaNO2和7%NaNO3(HTS)的熔点为140℃左右。为了降低熔点、扩展使用温度范围并提高熔盐热稳定性,Sandia研究中心(NSTTF)采用60%(质量分数)NaNO3、40% (质量分数)KNO3(Solarsalt)与硅石 (Silicasand)、石英石(Quartziterock)相结合进行研究,研究表明其使用温度在290~400℃,并经过553次循环实验后没有出现填料腐蚀性问题。后来,该研究中心又用44%Ca(NO3)2、12%NaNO3、44%KNO3(HitecXL)做实验,结果表明不仅材料熔点从220℃降低到120℃,而且使用温度提高到450~500℃。随后经过10000次循环实验后,其填料与熔融盐相容性仍很好。这充分证明了此温度范围内材料的稳定性较好。
为了了解三元熔盐的熔点、上限温度等物性,AlexanderJJr等[30]和KirstWE等[31]研究得到熔盐(HTS)的上限使用温度为454.4℃;SilvermanMD等研究发现,熔盐(HTS)的熔点为138℃,上限使用温度为450℃;KearneyD等后来还研究得出上限温度为535℃的三元熔盐(53%KNO3、7%NaNO3和40%NaNO2),其熔点为142℃,与SilvermanMD等研究发现相差不多。国内在熔盐炉中所使用的三元体系(53%KNO3、7%NaNO3和40% NaNO2)工作温度 范围为180~500℃。当温度高于500℃时,由于熔融盐在空气中的氧化导致亚硝酸盐组分含量降低,使得熔盐的熔点上升出现劣化现象,引起各种运行故障[32,33]。
于建国等[33]发明了一种四元熔盐,即在三元熔盐(HTS)基础上加入LiNO3,加入LiNO3后不仅材料熔点降低到120℃,还扩展了三元熔盐的温度适用范围,其最佳使用温度范围为250~550℃。但由于LiNO3的加入使得熔盐和容器、管路系统成本提高,在工业应用中受到一定限制。
为了提高混合熔融盐的热稳定性,彭强等[4]采用静态高温混合熔融法[34,35]制备以硝酸钾、亚硝酸钠、硝酸钠为三元基元和添加剂构成多元混合熔盐。通过热稳定性、放热实验以及X射线衍射分析(XRD)和DSC热分析等表征技术,确定在三元熔盐中加入5%添加剂A时,既保证了多元混合熔盐与三元熔盐的熔点相差不多(140℃),还使多元混合熔盐比三元熔盐的高温热稳定性好。在不提高熔盐固体析出温度的前提下,可以使其最佳操作温度由原来400~500℃提高到约550℃。从多元混合熔盐中NO2-含量变化和相变潜热损失方面,发现添加剂的加入可以 降低多元 熔盐劣化 程度,提高混合熔盐的蓄热效率。当在三元熔盐中加入10%添加剂A时,多元混合熔盐的熔点又有明显下降,最低为120℃。但这并没有 影响多元 混合熔盐 的热稳定 性。XiaolanWei[36]也针对HTS体系的NO2-含量变化与潜热损失等性质的关系进行了研究。
AlexanderJJr等和KirstWE等研究得到,在454.4℃以下熔盐 (HTS)热化学稳 定性很好;Du等[37]研究了NaNO3-KNO3 熔盐,发现当添 加L-F基物质 (如NaNO2、Na2O2、Na2CO3)时,由于熔盐碱性的增加,不仅可以降低熔盐的熔点,还能提高熔盐的热稳定性。
刘风国等[38]采用Raman光谱技术 研究NaNO2-KNO3二元熔盐。研究发现随温度升高,离子团内部微观结构的无序性和不均匀性增加,使得NO3-和NO2-的Raman特征峰变宽。由于NO3-比NO2-的结构更 趋于稳定,所以增加NaNO3 的含量,N-O键也随之加强,从而提高NaNO2-KNO3二元熔盐的热稳定性。
4结语
目前许多学者对混合硝酸熔融盐的性质与结构进行了研究,使混合硝酸熔融盐作为传热蓄热 介质的特 性有所提高,推动了硝酸熔融盐产业的发展。现今硝酸熔盐的研究范围在不断扩大,并已渗透到现代科学的各个领域。不论是对硝酸熔融盐材料本身的研究,还是对硝酸熔融盐应用的研究都已成为近年来科学领域研究的热点与重点。但是硝酸熔盐体系在热发电领域的应用仍然存在成本高、效率低和热稳定差等缺点并制约着其应用,比如传热蓄热介质性能还有待提高。再者,国内外对熔融盐传热蓄热介质性能的研究还存在一些问题,如使用温度范围还不能完全满足太阳能热发电的需求;混合熔融盐的宏观性能与熔融盐比例、种类、混合方法等的关联性还缺乏深入研究;混合熔融盐物性推算的理论体系还不健全;对熔融盐传热中的流态特性研究较少;熔融盐制备过程缺乏定量化理论指导等。上述相关问题的解决,将可以提高熔融盐储热材料性能、促进太阳能光热发电产业的迅速发展。
对硝酸熔盐储热材料进行研究,并以其作为光热发电系统的储热、传热介质,可以充分发挥我国的资源优势。我国西部拥有大量富含钾、钠、镁、氯盐、硝酸盐等的盐湖矿产资源,可用于熔盐储热材料的制备,这不仅可以在一定程度上降低熔盐储热传热介质的生产成本、促进相关产业快速稳定发展,而且可以使盐湖产品实现高值化,提高现有盐湖资源的综合利用能力,具有非常重要的战略意义。
摘要：随着全球经济的快速发展,能源危机日渐凸显,太阳能作为可再生能源的一种,越来越受到人们的重视。因此,如何高效利用太阳能资源值得深究。熔盐具有良好的蓄热特性,在石化、电池及冶金行业中发挥着很大的作用,尤其可以作为传热蓄热介质应用于太阳能热发电和太阳能制氢中。其中硝酸盐的特性较为适合用于熔盐储热材料。主要针对硝酸熔融盐体系,一是介绍了硝酸熔融盐体系在太阳能方面的应用,二是介绍了国内外学者对此体系的物化性质研究,如工作温度范围、热力学性质及热稳定性等。通过对比,总结了不同混合熔融盐各项性能的异同。指出了硝酸熔融盐性能深入研究的方向,为硝酸熔盐在能源开发利用和环境保护等方面发挥更重要的作用提供了重要参考。