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太陽能

太陽能一般指太陽光的輻射能量。在太陽內部進行的由“氫”聚變成“氦”的原子核反應，不停地釋放出巨大的能量，並不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽內部的這種核聚變反應可以維持幾十億至上百億年的時間。太陽向宇宙空間發射的輻射功率為380000000000000000000000kW的輻射值，其中20億分之一到達地球大氣層。到達地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，其餘的到達地球表麵，其功率為800000億kW，也就是說太陽每秒鍾照射到地球上的能量就相當於燃燒500萬噸煤釋放的熱量。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風能，化學能，水的勢能等等。狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

        人類對太陽能的利用有著悠久的曆史。我國早在兩千多年前的戰國時期就知道利用鋼製四麵鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來幹燥農副產品。發展到現代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式。太陽能發電一種新興的可再生能源利用方式。

使用太陽電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能，使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量加熱水，並利用熱水發電，利用太陽能進行海水淡化。現在，太陽能的利用還不很普及，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題，但是太陽電池在為人造衛星提供能源方麵得到了應用。

【原理】

       太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kw/㎡。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。在海平麵上的標準峰值強度為1kw/m2，地球表麵某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡，相當於有102000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外）雖然太陽能資源總量相當於現在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發利用太陽能麵臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體係中的作用受到一定的限製。

        盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鍾照射到地球上的能量就相當於500萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的範圍非常大，狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

        太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何汙染。為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源減少汙染的時代。

【分類】

太陽能光伏 

光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置，由幾乎全部以半導體物料(例如矽)製成的薄身固體光伏電池組成。由於沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表及計算機提供能源，較複雜的光伏係統可為房屋照明，並為電網供電。光伏板組件可以製成不同形狀，而組件又可連接，以產生更多電力。近年，天台及建築物表麵均會使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設施通常被稱為附設於建築物的光伏係統。

太陽熱能 

現代的太陽熱能科技將陽光聚合，並運用其能量產生熱水、蒸氣和電力。除了運用適當的科技來收集太陽能外，建築物亦可利用太陽的光和熱能，方法是在設計時加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建築材料。

【利用太陽能的曆史】

據記載，人類利用太陽能已有3000多年的曆史。將太陽能作為一種能源和動力加以利用，隻有300多年的曆史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”，“未來能源結構的基礎”，則是近來的事。20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異。近代太陽能利用曆史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發明第一台太陽能驅動的發動機算起。該發明是一台利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機器。在1615年～1900年之間，世界上又研製成多台太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。這些動力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發動機功率不大，工質主要是水蒸汽，價格昂貴，實用價值不大，大部分為太陽能愛好者個人研究製造。20世紀的100年間，太陽能科技發展曆史大體可分為七個階段。

第一階段(1900-1920)

在這一階段，世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器和低沸點工質，裝置逐漸擴大，最大輸出 功率達73.64kW，實用目的比較明確，造價仍然很高。建造的典型裝置有：1901年，在美國加州建成一台太陽能抽水裝置，采用截頭圓錐聚光器，功率：7.36kW；1902 -1908年，在美國建造了五套雙循環太陽能發動機，采用平板集熱器和低沸點工質；1913年，在埃及開羅以南建成一台由5個拋物槽鏡組成的太陽能水泵，每個長62.5m，寬4m，總采光麵積達1250m2。


第二階段（1920-1945）

在這20多年中，太陽能研究工作處於低潮，參加研究工作的人數和研究項目大為減少，其原因與礦物燃料的大量開發利用和發生 第二次世界大戰（1935-1945）有關，而太陽能又不能解決當時對能源的急需，因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落。

第三階段（1945-1965）

在第二次世界大戰結束後的20年中，一些有遠見的人士已經注意到石油和天然氣資源正在迅速減少，呼籲人們重視這一問題，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢複和開展，並且成立太陽能學術組織，舉辦學術交流和展覽會，再次興起太陽能研究熱潮。在這一階段，太陽能研究工作取得一些重大進展，比較突出的有：1945年， 美國貝爾實驗室研製成實用型矽太陽電池，為光伏發電大規模應用奠定了基礎；1955年，以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學會議上提出選擇性塗層的基礎理論，並研製成實用的黑鎳等選擇性塗層，為高效集熱器的發展創造了條件。此外，在這一階段裏還有其它一些重要成果，比較突出的有： 1952年，法國國家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽爐。1960年，在美國佛羅裏達建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨-水吸收式空調係統，製冷能力為5冷噸。1961年，一台帶有石英窗的斯特林發動機問世。在這一階段裏，加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究，取得了如太陽選擇性塗層和矽太陽電池等技術上的重大突破。平板集熱器有了很大的發展，技術上逐漸成熟。太陽能吸收式空調的研究取得進展，建成一批實驗性太陽房。對難度較大的斯特林發動機和塔式太陽能熱發電技術進行了初步研究。
 
第四階段(1965-1973）

這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術處於成長階段，尚不成熟，並且投資大，效果不理想，難以與常規能源競爭，因而得不到公眾、企業和政府的重視和支持。

第五階段（1973-1980）

自從石油在世界能源結構中擔當主角之後，石油就成了左右經濟和決定一個國家生死存亡、發展和衰退的關鍵因素，1973年10月爆發 中東戰爭，石油輸出國組織采取石油減產、提價等辦法，支持中東人民的鬥爭，維護本國的利益。其結果是使那些依靠從中東地區大量進口廉價石油的國家，在經濟上遭到沉重打擊。於是，西方一些人驚呼：世界發生了“能源危機”（有的稱“石油危機”）。這次“危機”在客觀上使人們認識到：現有的能源結構必須徹底改變，應加速向未來能源結構過渡。從而使許多國家，尤其是工業發達國家，重新加強了對太陽能及其它可再生能源技術發展的支持，在世界上再次興起了開發利用太陽能熱潮。1973年，美國製定了政府級陽光發電計劃，太陽能研究經費大幅度增長，並且成立太陽能開發銀行，促進太陽能產品的商業化。日本在1974年公布了政府製定的“陽光計劃”，其中太陽能的研究開發項目有：太陽房 、工業太陽能係統、太陽熱發電、太陽電池生產係統、分散型和大型光伏發電係統等。為實施這一計劃，日本政府投入了大量人力、物力和財力。70年代初世界上出現的開發利用太陽能熱潮，對我國也產生了巨大影響。一些有遠見的科技人員，紛紛投身太陽能事業，積極向政府有關部門提建議，出書辦刊，介紹國際上太陽能利用動態；在農村推廣應用太陽灶 ，在城市研製開發太陽熱水器，空間用的太陽電池開始在地麵應用……。1975年，在河南安陽召開“全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會”，進一步推動了我國太陽能事業的發展。這次會議之後，太陽能研究和推廣工作納入了我國政府計劃，獲得了專項經費和物資支持。一些大學和科研院所，紛紛設立太陽能課題組和研究室，有的地方開始籌建太陽能研究所。當時，我國也興起了開發利用太陽能的熱潮。這一時期，太陽能開發利用工作處於前所未有的大發展時期，具有以下特點：

各國加強了太陽能研究工作的計劃性，不少國家製定了近期和遠期陽光計劃。開發利用太陽能成為政府行為，支持力度大大加強。國際間的合作十分活躍，一些 第三世界國家開始積極參與太陽能開發利用工作。  

研究領域不斷擴大，研究工作日益深入，取得一批較大成果，如 CPC、真空集熱管、非晶矽太陽電池、 光解水製氫、太陽能熱發電等。  

各國製定的太陽能發展計劃，普遍存在要求過高、過急問題，對實施過程中的困難估計不足，希望在較短的時間內取代礦物能源，實現大規模利用太陽能。例如，美國曾計劃在1985年建造一座小型太陽能示範衛星電站，1995年建成一座500萬kW空間太陽能電站。事實上，這一計劃後來進行了調整，至今空間太陽能電站還未升空。  

太陽熱水器、太陽電池等產品開始實現商業化，太陽能產業初步建立，但規模較小，經濟效益尚不理想。  
 
第六階段（1980-1992）

70年代興起的開發利用太陽能熱潮，進入80年代後不久開始落潮，逐漸進入低穀。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經費，其中美國最為突出。導致這種現象的主要原因是：世界石油價格大幅度回落，而太陽能產品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標沒有實現，以致動搖了一些人開發利用太陽能的信心；核電發展較快，對太陽能的發展起到了一定的抑製作用。受80年代國際上太陽能低落的影響，我國太陽能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太陽能利用投資大、效果差、貯能難、占地廣，認為太陽能是未來能源，主張外國研究成功後我國引進技術。雖然，持這種觀點的人是少數，但十分有害，對我國太陽能事業的發展造成不良影響這一階段，雖然太陽能開發研究經費大幅度削減，但研究工作並未中斷，有的項目還進展較大，而且促使人們認真地去審視以往的計劃和製定的目標，調整研究工作重點，爭取以較少的投入取得較大的成果。
 
第七階段（1992- 至今）

由於大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環境汙染和生態破壞，對人類的生存和發展構成威脅。在這樣背景下，1992年 聯合國在巴西召開“世界環境與發展大會”，會議通過了《裏約熱內盧環境與發展宣言》， 《21世紀議程》和《聯合國氣候變化框架公約》等一係列重要文件，把環境與發展納入統一的框架，確立了可持續發展的模式。這次會議之後，世界各國加強了清潔能源技術的開發，將利用太陽能與環境保護結合在一起，使太陽能利用工作走出低穀，逐漸得到加強。世界環發大會之後，我國政府對環境與發展十分重視，提出10條對策和措施，明確要“因地製宜地開發和推廣太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等清潔能源”，製定了《中國21世紀議程》，進一步明確了太陽能重點發展項目。1995年國家計委、國家科委和國家經貿委製定了《新能源和可再生能源發展綱要》 （1996-2010），明確提出我國在1996-2010年新能源和可再生能源的發展目標、任務以及相應的對策和措施。這些文件的製定和實施，對進一步推動我國太陽能事業發揮了重要作用。1996年，聯合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會議”，會後發表了《哈拉雷太陽能與持續發展宣言》，會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》（1996-2005），《國際太陽能公約》，《世界太陽能戰略規劃》等重要文件。這次會議進一步表明了聯合國和世界各國對開發太陽能的堅定決心，要求全球共同行動，廣泛利用太陽能。1992年以後，世界太陽能利用又進入一個發展期，其特點是：太陽能利用與世界可持續發展和環境保護緊密結合，全球共同行動，為實現世界太陽能發展戰略而努力；太陽能發展目標明確，重點突出，措施得力，有利於克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端，保證太陽能事業的長期發展；在加大太陽能研究開發力度的同時，注意科技成果轉化為生產力，發展太陽能產業，加速商業化進程，擴大太陽能利用領域和規模，經濟效益逐漸提高；國際太陽能領域的合作空前活躍，規模擴大，效果明顯。通過以上回顧可知，在本世紀100年間太陽能發展道路並不平坦，一般每次高潮期後都會出現低潮期，處於低潮的時間大約有45年。太陽能利用的發展曆程與煤、石油、核能完全不同，人們對其認識差別大，反複多，發展時間長。這一方麵說明太陽能開發難度大，短時間內很難實現大規模利用；另一方麵也說明太陽能利用還受礦物能源供應，政治和戰爭等因素的影響，發展道路比較曲折。盡管如此，從總體來看，20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都大。  
 

【利弊】

優點：?

(1)普遍：太陽光普照大地，無論 陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發和利用，且勿須開采和運輸。?

(2)無害：開發利用太陽能不會汙染環境，它是最清潔的能源之一，在環境汙染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。?

(3)巨大：每年到達地球表麵上的太陽輻射能約相當於130萬億t標煤，其總量屬現今世界上可以開發的最大能源。?

(4)長久：根據目前太陽產生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。?

缺點：?

(1)分散性：到達地球表麵的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直於太陽光方向1m?2麵積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，則隻有200W左右。而在冬季大致隻有一半，陰天一般隻有1／5左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉換功率，往往需要麵積相當大的一套收集和轉換設備，造價較高。?

(2)不穩定性：由於受到 晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限製以及晴、陰、雲、雨等隨機因素的影響，所以，到達某一地麵的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩定的，這給太陽能的大規模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續、穩定的能源，從而最終成為能夠與常規能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環節之一。?

(3)效率低和成本高：目前太陽能利用的發展水平，有些方麵在理論上是可行的，技術上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經濟性還不能與常規能源相競爭。在今後相當一段時期內，太陽能利用的進一步發展，主要受到經濟性的製約。?

太陽能利用中的經濟問題：?

第一，世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應該是一個既能滿足社會需要，而又不危及後代人前途的社會。因此，盡可能多地用潔淨能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設應該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控製環境汙染也必須增大投資。

第二，我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭約占商品能源消費結構的76％，已成為我國 大氣汙染的主要來源。大力開發新能源和可再生能源的利用技術將成為減少環境汙染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看，太陽能利用技術和裝置的大量應用，也必然可以製約礦物能源價格的上漲。

【我國太陽能資源】

在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達2333 KWh/㎡ （日輻射量6.4KWh/㎡ ），居世界第二位，僅次於撒哈拉大沙漠。

根據各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區。

一類地區

為我國太陽能資源最豐富的地區，年太陽輻射總量6680～8400 MJ/㎡，相當於日輻射量5.1～6.4KWh/㎡。這些地區包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達2333 KWh/㎡（日輻射量6.4KWh/㎡），居世界第二位，僅次於撒哈拉大沙漠。

二類地區

為我國太陽能資源較豐富地區，年太陽輻射總量為5850-6680 MJ/m2，相當於日輻射量4.5～5.1KWh/㎡。這些地區包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。

三類地區

為我國太陽能資源中等類型地區，年太陽輻射總量為5000-5850 MJ/m2，相當於日輻射量3.8～4.5KWh/㎡。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、雲南、陝西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、台灣西南部等地。

四類地區

是我國太陽能資源較差地區，年太陽輻射總量4200～5000 MJ/㎡，相當於日輻射量3.2～3.8KWh/㎡。這些地區包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陝西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、台灣東北部等地。

五類地區

主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區，年太陽輻射總量3350～4200 MJ/㎡，相當於日輻射量隻有2.5～3.2KWh/㎡。

太陽能輻射數據可以從縣級氣象台站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數據是水平麵的輻射數據，包括：水平麵總輻射，水平麵直接輻射和水平麵散射輻射。

從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數地區年平均日輻射量在4 kWh/㎡以上，西藏最高達7 kWh/㎡。

【太陽能發展之路】

太陽能的利用有多種方式：

1、太陽熱能的利用，比如太陽能熱水器，目前就用的比較多也比較普及；

2、太陽能發電，是目前太陽能利用的重點研究領域，主要的普及障礙是：

①用於完成光電轉化的矽光電池成本太高、轉化效率低、使用壽命短；
②用於儲存電能的蓄電池成本高、使用壽命有限、造成環境汙染。
 
國外采用電能聯網的辦法解決電能的儲存問題，不用電池儲電，直接供電，效果很好，但需要形成規模，並有政府的介入協調管理。矽光電池的技術正在快速發展和進步之中。目前太陽能發電還主要用在一些很難獲得其他電力資源的地區或場所。

【太陽能熱利用】

 
就目前來說，人類直接利用太陽能還處於初級階段，主要有太陽能集熱、太陽能熱水係統、太陽能暖房、太陽能發電等方式。

太陽能集熱器

太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要熱交換器和膨脹槽以及發電裝置以備電廠不能供電之需。太陽能集熱器(solarcollector)在太陽能熱係統中，接受太陽輻射並向傳熱工質傳遞熱量的裝置。按傳熱工質可分為液體集熱器和空氣集熱器。按采光方式可分為聚光型和聚光型集熱器兩種。另外還有一種真空集熱器:一個好的太陽能集熱器應該能用20～30年。自從大約1980年以來所製作的集熱器更應維持40～50年且很少進行維修。

太陽能熱水係統

早期最廣泛的太陽能應用即用於將水加熱，現今全世界已有數百萬太陽能熱水裝置。太陽能熱水係統主要元件包括收集器、儲存裝置及循環管路三部分。此外，可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應無日照時使用，另外尚可能有強製循環用的水，以控製水位或控製電動部份或溫度的裝置以及接到負載的管路等。依循環方式太陽能熱水係統可分兩種：

1、自然循環式:

此種型式的儲存箱置於收集器上方。水在收集器中接受太陽輻射的加熱，溫度上升，造成收集器及儲水箱中水溫不同而產生密度差，因此引起浮力，此一熱虹吸現像，促使水在除水箱及收集器中自然流動。由與密度差的關係，水流量於收集器的太陽能吸收量成正比。此種型式因不需循環水，維護甚為簡單，故已被廣泛采用。

2、強製循環式:

熱水係統用水使水在收集器與儲水箱之間循環。當收集器頂端水溫高於儲水箱底部水溫若幹度時，控製裝置將啟動水使水流動。水入口處設有止回閥以防止夜間水由收集器逆流，引起熱損失。由此種型式的熱水係統的流量可得知（因來自水的流量可知），容易預測性能，亦可推算於若幹時間內的加熱水量。如在同樣設計條件下，其較自然循環方式具有可以獲得較高水溫的長處，但因其必須利用水，故有水電力、維護（如漏水等）以及控製裝置時動時停，容易損壞水等問題存在。因此，除大型熱水係統或需要較高水溫的情形，才選擇強製循環式，一般大多用自然循環式熱水器。

暖房

利用太陽能作房間冬天暖房之用，在許多寒冷地區已使用多年。因寒帶地區冬季氣溫甚低，室內必須有暖氣設備，若欲節省大量化石能源的消耗，設法應用太陽輻射熱。大多數太陽能暖房使用熱水係統，亦有使用熱空氣係統。太陽能暖房係統是由太陽能收集器、熱儲存裝置、輔助能源係統，及室內暖房風扇係統所組成，其過程乃太陽輻射熱傳導，經收集器內的工作流體將熱能儲存，在供熱至房間。至輔助熱源則可裝置在儲熱裝置內、直接裝設在房間內或裝設於儲存裝置及房間之間等不同設計。當然亦可不用儲熱雙置而直接將熱能用到暖房的直接式暖房設計，或者將太陽能直接用於熱電或光電方式發電，在加熱房間，或透過冷暖房的熱裝置方式供作暖房使用。最常用的暖房係統為太陽能熱水裝置，其將熱水通至儲熱裝置之中（固體、液體或相變化的儲熱係統），然後利用風扇將室內或室外空氣驅動至此儲熱裝置中吸熱，在把此熱空氣傳送至室內；或利用另一種液體流至儲熱裝置中吸熱，當熱流體流至室內，在利用風扇吹送被加熱空氣至室內，而達到暖房效果。

太陽能發電

即直接將太陽能轉變成電能，並將電能存儲在電容器中，以備需要時使用。

【空間太陽能電源】

第一個空間太陽電池載於1958年發射的VangtuardI，體裝式結構，單晶Si襯底，效率約10%（28℃）。到了1970年代，人們改善了電池結構，采用BSF、光刻技術及更好減反射膜等技術，使電池的效率增加到14%。在70年代和80年代，地麵太陽電池大約每5.5年全球產量翻番；而空間太陽電池在空間環境下的性能，如抗輻射性能等得到了較大改善。由於80年代太陽電池的理論得到迅速發展，極大地促進了地麵和空間太陽電池性能的改善。到了90年代，薄膜電池和Ⅲ-Ⅴ電池的研究發展很快，而且聚光陣結構也變得更經濟，空間太陽電池市場競爭十分激烈。在繼續研究更高性能的太陽電池，主要有兩種途徑：研究聚光電池和多帶隙電池。

× 空間太陽電池主要性能

電池效率

由於太陽電池在不同光強或光譜條件下效率一般不同，對於空間太陽電池一般采用AM0光譜（1.367KW/㎡），對於地麵應用一般采用AM1.5光譜（即地麵中午晴空太陽光，1.000KWm-2）作為測試電池效率的標準光源。太陽電池在AM0光譜效率一般低於AM1.5光譜效率2～4個百分點，例如一個AM0效率為16%的Si太陽電池AM1.5效率約為19%）。

◎ 25℃，AM0條件下太陽電池效率

電池類型  麵積（cm2） 效率（%） 電池結構

一般Si太陽電池 64cm2   14.6   單結太陽電池
先進Si太陽電池  4cm2   20.8   單結太陽電池
GaAs太陽電池    4cm2   21.8   單結太陽電池
InP太陽電池     4cm2   19.9   單結太陽電池
GaInP/GaAs      4cm2   26.9   單片疊層雙結太陽電池
GaInP/GaAs/Ge   4cm2   25.5   單片疊層雙結太陽電池
GaInP/GaAs/Ge   4cm2   27.0   單片疊層三結太陽電池

◎ 聚光電池

GaAs太陽電池    0.07   24.6   100X
GaInP/GaAs      0.25   26.4   50X，單片疊層雙結太陽電池
GaAs/GaSb       0.05   30.5   100X，機械堆疊太陽電池


空間太陽電池在大氣層外工作，在近地球 軌道太陽平均輻照強度基本不變，通常稱為AM0輻照，其光譜分布接近5800K黑體輻射光譜，強度1353mW/cm2。因此空間太陽電池多采用AM0光譜設計和測試。

空間太陽電池通常具有較高的效率，以便在空間發射的重量、體積受限製的條件下，能獲得特定的功率輸出。特別在一些特定的發射任務中，如微小衛星（重量在50～100公斤）上應用，要求單位麵積或單位重量的比功率更高。

抗輻照性能

空間太陽電池在地球大氣層外工作，必然會受到高能帶電粒子的輻照，引起電池性能的衰減，主要原因是由於電子或質子輻射使少數載流子的擴散長度減小。其光電參數衰減的程度取決於太陽電池的材料和結構。還有反向偏壓、低溫和熱效應等因素也是電池性能衰減的重要原因，尤其對疊層太陽電池由於熱脹係數顯著不同，電池性能衰減可能更嚴重。

× 空間太陽電池的可靠性

光伏電源的可靠性對整個發射任務的成功起關鍵作用，與地麵應用相比，太陽電池/陣的費用高低並不重要，因為空間電源係統的平衡費用更高，可靠性是最重要的。空間太陽電池陣必須經過一係列機械、熱學、電學等苛刻的可靠性檢驗。

Si太陽電池

矽太陽電池是最常用的衛星電源，從1970年代起，由於空間技術的發展，各種飛行器對功率的需求越來越大，在加速發展其他類型電池的同時，世界上空間技術比較發達的美、日和歐空局等國家，都相繼開展了高效矽太陽電池的研究。以日本SHARP公司、美國的SUNPOWER公司以及歐空局為代表，在空間太陽電池的研究發展方麵領先。其中，以發展背表麵場（BSF）、背表麵反射器（BSR）、雙層減反射膜技術為第一代高效矽太陽電池，這種類型的電池典型效率最高可以做到15%左右，目前在軌的許多衛星應用的是這種類型的電池。

到了70年代中期，COMSAT研究所提出了無反射絨麵電池（使電池效率進一步提高）。但這種電池的應用受到限製：一是製備過程複雜，避免損壞PN結；二是這樣的表麵會吸收所有波長的光，包括那些光子能量不足以產生電子-空穴對的紅外輻射，使太陽電池的溫度升高，從而抵消了采用絨麵而提高的效率效應；三是電極的製作必須沿著絨麵延伸，增加了接觸的難度，使成本升高。

80年代中期，為解決這些問題，高效電池的製作引入了電子器件製作的一些工藝手段，采用了倒金子塔絨麵、激光刻槽埋柵、選擇性發射結等製作工藝，這些工藝的采用不但使電池的效率進一步提高，而且還使得電池的應用成為可能。特別在解決了諸如采用帶通濾波器消除溫升效應以後，這類電池的應用成了空間電源的主角。

雖然很多工藝技術是由一些研究所提出，但卻是在一些比較大的公司得到了發揚光大，比如倒金子塔絨麵、選擇性發射結等工藝是在澳大利亞新南威爾士大學光伏研究中心出現，但日本的SHARP公司和美國的SUNPOWER公司目前的技術水平卻為世界一流，有的技術甚至已經移植到了地麵用太陽電池的大批量生產。

為了進一步降低電池背麵複合影響，背麵結構則采用背麵鈍化後開孔形成點接觸，即局部背場。這些高效電池典型結構為PERC、PERL、PERT、PERF[1]，其中前種結構的電池已經在空間獲得實用。典型的高效矽太陽電池厚度為100μm，也被稱為NRS/BSF（典型效率為17%）和NRS/LBSF（典型效率為18%），其特征是正麵具有倒金子塔絨麵的選擇性發射結構，前後表麵均采用鈍化結構來降低表麵複合，背麵場采用全部或局部背場。實際應用中還發現，雖然采用局部背場工藝的電池要普遍比NRS/BSF的電池效率高一個百分點，但通常局部背場的抗輻照能力比較差。

到了上世紀90年代中期，空間電源工程人員發現，雖然這種類型電池的初期效率比較高，但電池的末期效率比初期效率下降25%左右，限製了電池的進一步應用，空間電源的成本仍然不能很好地降低。

為了改變這種情況，以SHARP為首的研究機構提出了雙邊結電池結構，這種電池的出現有效地提高了電池的末期效率，並在HES、HES-1衛星上獲得了實際應用。

另外研究人員還發現，衛星對電池陣位置的要求比較苛刻，如果太陽電池陣不對日定向或對日定向差等都會影響到衛星電源的功率，這在一定程度上也限製了衛星整體係統的配置。比如空間站這樣複雜的飛行器，有的電池陣幾乎不能完全保證其充足的太陽角，因而就需要高效電池來滿足要求。雖然目前已經部分應用了常規的高效電池，但電池的高的α吸收係數、有限的空間和重量的需要使其仍然不能滿足空間係統大規模功率的需要。傳統的電池結構仍然受到很大程度的限製。在這種情況下，俄羅斯在研究高效矽電池初期就側重於提高電池的末期效率為主，在結合電池陣研究方麵提出了雙麵電池的構想並獲得了成功，真正做到了高效長壽命和低成本。

GaAs太陽電池

隨著空間科學和技術的發展，對空間電源提出了更高的要求。80年代初期，前蘇聯、美國、英國、意大利等國開始研究GaAs基係太陽電池。80年代中期，GaAs太陽電池已經用於空間係統，如1986年前蘇聯發射的“和平號”空間站，裝備了10KW的GaAs太陽電池，單位麵積比功率達到180W/㎡。8年後，電池陣輸出功率總衰退不大於15%。

GaAs基係太陽電池經曆了從LPE到MOVPE，從同質外延到異質外延，從單結到多結疊層結構發展變化，其效率不斷提高。從最初的16%增加到25%，工業生產規模年產達100KW以上，並在空間係統得到廣泛的應用。更高的效率減小了陣列的大小和重量，增加了火箭的裝載量，減少火箭燃料消耗，因此整個衛星電源係統的費用更低。

薄膜太陽電池

為適應空間應用需求，國際上紛紛製訂各自的薄膜太陽電池計劃（如NASA，主要目標在於提高比功率和降低發射裝載容量），提出解決措施：

（1）研製超輕柔性襯底薄膜太陽電池；

（2）研製多結薄膜太陽電池。目前，國際發展趨勢主要涉及非晶矽（a-Si:H）太陽電池、銅銦（镓）硒（CuInGaSe2）太陽電池和碲化鎘(CdTe)太陽電池。經過數年的努力，其效率達到15～20%（AM0）。

另一方麵，為展開柔性薄膜太陽電池的研製（展開式、折疊式、套桶式、卷廉式）的設計與應用提供可能。自90年代後期，國外已開展了以聚合物為襯底薄膜太陽電池的研製，並取得一定的進展。薄膜太陽電池是獲得高效率、長壽命、高可靠、低成本的重要途徑之一。主要包括：a-Si及其合金、CuInSe2及其合金、以及CdTe三種材料的薄膜太陽電池。

聚光太陽電池

一般認為，現代聚光PV開始於1970年代末悉尼國家實驗室，采用了點聚焦非涅耳透鏡矽電池雙軸跟蹤結構，隨後並研製了幾個原型。在1980年代，很多研究機構進行了一係列成功的實驗，在聚光技術方麵取得了突破性進展，如非涅耳透鏡、棱形玻璃蓋片等。在1990年代中期，線聚焦Fresenel透鏡聚光陣技術已經成功地用於SCARLET太陽電池陣，電池為GaInP/GaAs/Ge三結電池，聚光陣的功率密度大於200 W/㎡，比功率大於45W/kg。線聚焦Fresenel透鏡聚光陣已經用於DEEPSPACE-1。

由於三結GaAs太陽電池有很好的高溫特性（為高電壓低電流器件），通過聚光將顯著提高電池電流輸出，特別在實現高倍聚光後，可獲得更高的功率輸出。因此，以三結砷化镓太陽電池為主要部件的聚光太陽電池以其高效率（可達到40%以上）、高溫性能好（工作溫度每升高1?C性能僅下降0.2%，可在200?C情況下正常工作，聚光倍數可達500倍以上）等特點被國際公認為最有發展前途和最具商用價值的新一代太陽能器件。

× 太陽能路燈

太陽能路燈 是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規電能，隻要陽光充足就可以就地安裝等特點，因此受到人們的廣泛關注，又因其不汙染環境，而被稱為綠色環保產品。太陽能路燈即可用於城鎮公園、道路、草坪的照明，又可用於人口分布密度較小，交通不便經濟不發達、缺乏常規燃料，難以用常規能源發電，但太陽能資源豐富的地區，以解決這些地區人們的家用照明問題。

太陽能硒光電池

    日本製成了世界上第一架太陽能照相機,重量僅有475克,機內裝有先進的太陽能電池係統,其蓄電池可連續使用4年。美國一家公司生產了一種新型的135太陽能照相機,它的光圈、速度均由微電腦自動控製,電力則由太陽能硒光電池提供,隻要有光線就能供電使用。

【第一個太陽能發電站】

法國奧德約太陽能發電站是世界上第一個實現太陽能發電的太陽能電站。雖然當時發電功率才64千瓦，但它為後來的太陽能電站的研究與設計奠定了基礎。1982年美國建成了一座1000萬千瓦的塔式太陽熱中間試驗電站。美國計劃到2000年，太陽能發電站總裝機容量將達4000萬千瓦。2000年和2020年，生產的電量占總能量的百分比將是7％和25％。由於光熱轉換器（聚光器）需要占據較大的空間采光受熱，設備偏大，以美國在加利福尼亞州計劃建一座1萬千瓦發電設備為例，集光裝置達40萬平方米，200萬千瓦，則需占地50平方千米。據估計，大型太陽能發電站效率僅為30％左右。另外，太陽能發電站還需要有應付晚上和陰天用電需要的蓄電器，而所需的聚光器造價也較昂貴，發電經濟性差，因此，影響了廣泛地推廣和應用。

【太陽能電池】

太陽能電池發電原理 

太陽能電池是一對光有響應並能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶矽，多晶矽，非晶矽，砷化镓，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體為例描述光發電過程。P型晶體矽經過摻雜磷可得N型矽，形成P－N結。

當光線照射太陽能電池表麵時，一部分光子被矽材料吸收；光子的能量傳遞給了矽原子，使電子發生了越遷，成為自由電子在P－N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。

晶體矽太陽能電池的製作過程 

“矽”是我們這個星球上儲藏最豐量的材料之一。自從19世紀科學家們發現了晶體矽的半導體特性後，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。20世紀末，我們的生活中處處可見“矽”的身影和作用，晶體矽太陽能電池是近15年來形成產業化最快的。生產過程大致可分為五個步驟：a、提純過程 b、拉棒過程 c、切片過程 d、製電池過程 e、封裝過程。

太陽能電池的應用 

上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用於空間技術——通信衛星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對於光伏發電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發電戶用係統、村寨供電的獨立係統、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化係統、城鎮中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發電並入城市用電係統及邊遠地區自然界村落供電係統納入發展方向。太陽電池與建築係統的結合已經形成產業化趨勢。太陽能光伏玻璃幕牆組件得應用越來越多，隨著上海和北京的幾個項目進入實質性運轉，這種方式將會代替普通玻璃幕牆，它具有反射光強度小、保溫性能好等特點！