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梦想到现实 光伏涂料温差发电现潜力
梦想到现实 光伏涂料温差发电现潜力
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【建材网 】2011 年建材行业颁奖盛典圆满落幕 热线:010-
想象一下，在不远的未来，要捕捉太阳能，不再需要昂贵的光伏电池板，只需要购买几桶涂料，涂在屋顶、外墙或任何接触阳光的表面，就可以将它们变成巨大的光伏电池板。
想要减少电费，一种方法是利用无处不在的免费能源―――阳光。但首先，你得拿出一大笔钱，请专家上门在你家屋顶上安装沉重而低效率的光伏电池板。现在，有一种方法可以利用免费太阳能，且不用请专家，不用花大钱购买光伏电池板。假如，只需要上商店购买一桶涂料，花一个下午自己把屋顶涂满新买来的涂料，再请一个电工将电线连接上屋顶，就能让你家彻底脱离电网，实现能源自给自足？
这正是一种新的光伏材料许诺的美好前景。这种材料利用材料两面的温度差别产生电流，一度因为效率太低，造价昂贵，被认为难以用于实际应用。但新研究发现，温差发电材料可拯救太阳能光伏产业，解决光伏电池板致命的光-电转化效率低的问题。温差发电材料可帮助太阳能电池板走出低谷，发挥更大用途，但另一方面，它们也可能导致光伏电池板的没落。
早在半个世纪前，人们已经开始梦想将温差发电材料与光伏材料结合。1954年，太阳能先锋玛丽亚?特尔克斯用一张温差发电材料吸收太阳热量，并成功将热能转化为电能。材料一面的热能释放出的电子流向温度较低的一面，导致温度高的一面带正电，温度较低的一面带负电。特尔克斯用这种方法成功生成电流，但是只有很少一点。光-电转化的效率非常低，最成功的一次实验转化率仅有1%。这和当时的硅太阳能电池板的效率相差并不多。然而，到上世纪50年代末，硅太阳能电池的效率提高了两倍，达到6%-8%。而太阳能温差发电材料的效率依然保持在1%。因此，新生的太阳能光伏产业迅速抛弃了这种技术，大力发展硅光伏电池板。上世纪70至80年代，硅太阳能光伏电池板开始大批出现在屋顶上。
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在接下来的几十年里，温差发电材料几乎完全被忽视。除了可怜的发电效率之外，这种材料本身―――原料通常采用碲化铋等稀有元素―――价格昂贵，相对于卑微的产出实在不划算。只有在极其罕见的情况下，在没有其他选择的时候才可能被采用。比如，在“旅行者”号太空探测器上，温差发电材料利用一小块放射性材料和寒冷外太空的温度差异为探测器提供电源。
但是，不久之后，硅太阳能光伏电池板的发展也遭遇瓶颈。虽然研究者想尽各种办法，今天销售的光伏太阳能电池板的效率依然在15%至20%之间。这和它们将阳光转化为电能的方式有关。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生越迁，形成电流。但问题在于，光子必须携带适量的能量。超出这个能量范围就会发生问题。如果光子携带能量太多―――比如高能紫外线所携带的能量―――它们的热量会给材料造成混乱。另一方面，如果光子携带能量太低―――比如微波或红外光的光子―――就会直接穿过电池板，不与任何电子发生反应。
不幸的是，这些低能光子在太阳光谱中所占比例接近一半，因此，太阳能电池板的效率无法超过50%。更糟糕的是高能光子会对光伏材料精密的电子结构造成破坏：在高热下电子开始到处乱窜，而不是有序地流动。因此，约一半的太阳光子无法利用，少数能量充足的光子反而会影响电池板的效率。虽然可以通过冷却来减少电池板过热产生的副作用。但这将导致成本和体积增加，冷却过程还需要消耗能量，构成了限制光伏太阳能电池板效率的三大敌人。
或许可以用温差发电材料帮助解决这些问题？2007年，麻省理工学院的陈钢开始思考，是否能重新挖掘出这种早已被忽视的材料，帮助太阳能电池充分利用各种波长的太阳光。
这是一个诱人的想法。理论上也得到了证实。结合温差发电材料和光伏材料的太阳能电池可以疏导高能光子，从而给电池降温，并且温差发电材料可捕捉低能光子发电，充分利用所有阳光。
理论上，结合两种材料的最好方式是“光谱分裂太阳能电池”。它类似于交通警察，根据波长将阳光分隔。按照陈钢的计算，类似混合电池的效率将是标准硅太阳能电池的1.5倍，这样的飞跃可能最终让太阳能在价格上与化石燃料竞争。但是有一个问题：“要实现‘光谱分裂’需要太阳能聚光器和分光棱镜。”增加的成本已经超过增加效率带来的利润。
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也许更好的选择是一种更简单的东西。与其建造一个复杂的结构疏导低能光子，为什么不让它们直接穿过太阳能电池进入下面的温差发电层？再下面的冷却管道可吸收高能光子的热能。热电池板和冷水为夹在中间的温差发电层提供理想的温差。但即使如此，温差发电层捕捉到的多余能量依然不足以弥补材料的花费。必须解决最根本的问题：温差发电材料昂贵的价格。
它的发电方式也是导致低效率的罪魁祸首。当材料一面变热，电子脱离原子，迁移到冷的一面。难度在于保持材料两面的温差。电子并非唯一穿透材料的东西：热以光子的形式传播，从一个原子传递给另一个原子。冷的一面很快也将因为热传导而变热，这时候，电子将不再朝着一个特定方向流动，而是无序地乱窜。当然再也无法生成电流。
在长达半个世纪的时间里，这个问题一直得不到解决。直到纳米技术出现。现在，研究者可以从最细微的层面控制材料的结构。
在硅等晶体材料中，所有原子都有序规则排列。使得电子和光子可以畅通无阻地穿过。相反，在玻璃等原子排列混乱的材料中，电子和光子的流动都受到阻碍。通过纳米技术可以创造出只让电子(而非光子)通过的合成材料。纽约哥伦比亚大学的尹慧明(音译)和杨大江(音译)采用了一种量子点基础材料。量子点材料诞生于约30年前，像传统太阳能电池一样，它可以捕捉光能，转化为电能。它可以让普通温差发电材料的效率接近翻倍。夹在水冷却光伏发电系统中间，这种材料可以将太阳能电池的效率提高到超过50%。
亚利桑那大学的查尔斯?斯塔福德在创造一种类似装置的过程中意识到还有一种可能性，它甚至可能重塑整个太阳能产业。假如可以完全放弃挑剔的光伏电池？假如能够找到一种高效率的阳光捕捉材料，从而完全取代太阳能电池？如果它足够便宜，那么即使它的峰值效率达不到50%也没有关系。
为此，他必须放弃半导体，寻找一种全新材料。他发现一种叫聚苯基醚的聚合物可能符合要求。“它们价格很便宜，”他说，“你可以买上几罐，刷在任何可以被阳光照射的表面。”斯塔福德认为他可以对材料的分子进行加工，干扰光子的流动，同时让电子通过。他估计，这种新材料可将20%至25%的光子转化为电力，效率为今天的温差发电材料的6倍。如果他获得成功，结果将是惊人的。光伏太阳能电池可能从此被淘汰。
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很多研究者都看到了太阳能涂料的前景。加拿大纳米技术研究者特德?萨金特多年前就开始研究太阳能涂料。他的涂料中的关键材料也量子点。这种涂料的最大优势是低廉的价格。覆盖1平方米的薄膜只需要15至20美元。制作涂料的时候，先将工业橄榄油加热，然后添加主要原料―――锡、铋、铅、硫和硒等―――然后等待量子点形成。最终的成品像一种油性黑墨，但里面遍布直径几纳米的量子点，每一颗都是一个小晶体。萨金特的小组在2005年通过实验证明量子点不但可以捕捉可见光的能量，还能捕捉红外光的能量，而抵达地球的太阳能中一半是红外光所携带的。萨金特的太阳能技术还尚未成熟，但已经吸引到财大气粗的投资者。沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)是阿拉伯世界中几所砸下大笔资金吸引世界顶尖人才的学校之一。萨金特从2008年就开始与KAUST合作。KAUST为他的研究项目投入了1000万美元。并获得了这一技术在中东、西亚、俄罗斯、印度等38个国家的使用权。
美国圣母大学的研究者在太阳能涂料研究方面也取得突破。他们创造了一种能够产生电能的半导体纳米粒子。“我们想要创新，摆脱现在的硅基础太阳能技术。”圣母大学纳米科技中心的化学和生物化学教授普拉香特?卡玛特说，“通过结合纳米微粒和一种涂抹材料，我们创造了一种可以涂抹于任何导电表面的太阳能涂料。”
研究小组经过反复试验，最后选择了二氧化钛纳米微粒，外面包裹上硫化镉或硒化镉，最后加入水和酒精，形成一种膏状物。涂抹在透明导电材料上，暴露在阳光下，就能产生电能。“目前最佳的光-电转化效率只有1%，远远低于硅太阳能电池的10%至15%。”卡玛特解释说，“但是这种涂料成本低廉，可批量生产。如果能够提高光-电转化效率，我们也许能够改变未来的能源获取途径。”
事实上，这一天可能近在眼前。2011年5月，陈钢发表论文，说明无需电池板的太阳能发电系统即将成为现实：这是因为温差发电材料提供了一种聚集太阳能的新方式。直到现在，小型屋顶太阳能电池板依然无法实现这一点。因为聚集阳光需要复杂的透镜系统追踪太阳轨迹，过于昂贵，只有商业规模的太阳能发电站采用。
然而，聚集阳光其实非常简单，将一块铜片放到阳光下就可以办到。将铜片放进便宜的玻璃真空罩中，可以将热量困在罩内，只需要再将一小块温差发电材料附着在铜片背面就能将热能转化成电力。即使采用普通温差发电材料，光-电转化效率也可达到史无前例的5%。如果材料成本够低廉，即使这样的效率也值得生产。如果温差发电材料的效率再有所提高，光伏太阳能电池可能很快就会被取而代之。
无论未来属于陈钢的太阳能聚光器还是斯塔福德的太阳能涂料，温差发电已现出巨大的潜力，相比光伏电池，它更加方便、实用、成本低廉。玛丽亚?特尔克斯50年前的梦想已经接近现实。
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【来源】中国建材网
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弗光新能源用“放大镜”聚光成电
　　本报记者刘毅贺江　　“看，那是一家追逐太阳的企业。”　　12月初，记者在位于哈密石城子光伏产业园区的哈密弗光太阳能有限公司光伏电站看见，一片与众不同的太阳能电池板引人注目。　　这家企业的太阳能电池板――聚光光伏发电机组被周边其他电力企业传统的晶硅电池板排列出的“长龙阵”团团包围。与周围一片耀眼的幽蓝相比，哈密弗光太阳能有限公司高大的聚光光伏发电机组十分醒目，30平方米的电池板被安装在一个高度近10米的支架上，它们像向日葵一样，从太阳升起到落下，不断调整方向，追随着太阳最佳的照射角度。这就是被誉为太阳能发电未来发展趋势的第三代技术――聚光光伏技术。　　该电站工程总投资3.3亿元，实际运营期为25年，目前运用聚光光伏技术的发电装机容量已经达到2.3MW，预计2015年年底将达到20MW的设计规模，年平均发电量将达到4004.72万千瓦时。　　电池板外形独特　　聚光光伏技术是一种将太阳能转化为电能的新途径，通过使用透镜或反射镜面等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再通过高转化效率的光伏电池，将阳光直接转换为电能。　　“好比是放大镜聚焦太阳光的作用。”该电站站长张献伟说。　　同样是将太阳能转变为电能，聚光光伏技术与传统的晶硅光伏技术相比，有很多不同之处。　　首先是外观上的不同。记者在哈密弗光太阳能有限公司光伏电站看到，一块面积为30平方米的聚光光伏太阳能电池板是由很多个小的发电模块组成，每个模块的表面安装了一层透镜，近似一个火柴盒大小，透镜底部是由特种材料制成的电池元件，这种立体结构使聚光光伏电池板比传统晶硅电池板更“厚实”，大约是其厚度的一倍。　　第二是发电原理的不同。张献伟介绍，与传统光伏发电原理不同，聚光光伏技术接受的太阳光更加“高能”，通过表面安装的透镜，太阳光被聚集后形成焦斑，投射在底部的电池元件上产生电能。这个半径仅为3毫米的电池元件，是聚光光伏技术的核心，目前只有、和三个国家真正掌握了其全部技术，该电站使用的电池元件，主要进口自德国。　　除了电池板的不同，固定电池板的支架也与众不同，传统的晶硅电池板被固定在无法移动的支架上，整齐排列，聚光光伏所使用的电池板独立安装，每个30平方米的电池板都有自己的支架，支架顶部安装着一个传感器，它可以捕捉到太阳照射角度的变化，控制支架不断旋转变换姿态，让电池板始终以最佳的照射角度迎着太阳，保证系统的工作效率。　　聚光光伏优点多　　与传统的太阳能电池板相比，聚光光伏技术除了外形另类外，电池的发电效率也很高。　　张献伟介绍，目前企业引进的聚光光伏系统，电池光电转化效率可以达到41.5%，整个发电系统转化率可以达到30%，比传统晶硅太阳能发电系统高出近一倍，并且41.5%的电池转化率还存在很大提升空间。高转化率带来的是较高的发电能力，据测算，同等装机容量下，聚光光伏技术要比传统光伏技术多发电20%。　　同时，聚光光伏发电技术还具有稳定性高的优势。传统的光伏发电受光照强度影响较大，很难在全天保持发电。发电量曲线图呈现抛物线，早晨至中午随着日照强度不断提高发电量逐渐增加，中午达到发电峰值，之后开始不断下降。聚光光伏发电系统支架不断调整日照角度，使其发电量曲线呈“T”型，可以长时间保持发电高峰，全天有效发电时数可达8小时―10小时，夏季可达10个小时以上的满功率发电，弥补了传统太阳能发电稳定性低的缺陷。　　另据介绍，聚光光伏发电系统的发电元件在生产制造过程中所采用的材料大多为钢、、玻璃、树脂等普通材料，生产过程不会产生多余的污染，当电池板使用周期结束后，大部分电池板原料可以回收再利用，减少资源浪费。　　生产本地化求效益　　聚光光伏发电技术有这么多的好处，但还是暴露出明显的缺点，技术进口、成本高昂。中国弗光新能源控股有限公司项目部部长刘越说，目前哈密电站第一批装机容量2.3MW的电池板及控制系统全部是从德国进口的，每瓦特装机容量的平均成本为25元，而传统的晶硅光伏则为9元左右，贵出不少，这为技术的推广带来很大困难。　　“能本地化的尽量本地化生产，这是降低成本最有效的办法。”刘越介绍，为了降低高昂的成本，企业在引进技术的同时，一直想办法改善技术运用条件，加强材料配件的本地化生产，把成本降到合理区间。　　目前，该电站正在组建的另外一套机组，已经摆脱技术全部依赖国外的弊端。刘越说，根据哈密当地气象土地条件，企业将光伏电池板的面积由30平方米扩大到75平方米，这一点改动就使聚光光伏发电设备比传统晶硅光伏设备在同等装机容量下节约20%的用地，从而提升企业整体效益。同时，企业还对核心发电元件以外的设备进行研究，逐步本地化生产，新机组中用于调整电池板照射角度的跟踪控制系统和监控维护系统已经全部本地化生产，经过核算，本地化生产后其每瓦特装机成本降低至14元左右，效果非常明显。　　“明后年再降30%。”刘越自信地说，企业目前正在积极筹划，计划明后年将电池板的核心元件本地化生产，虽然暂时无法得到核心技术，但本地化生产后节约的运输和材料成本，依然很可观，届时每瓦特装机的安装成本在10元左右，与传统光伏机组安装成本基本持平。　　有了本地化的支持，产品的推广才有基础。刘越说，不断降低的成本为企业产品推广提供了更多机遇，今后企业不仅将在全疆其他地区布局新的聚光光伏电站，还要推广本地化生产后的聚光光伏发电系统，从单纯的技术引进者变为技术的改良与推广者。　　“现在，除了每天完成电站的日常工作，我还要担任讲解员的工作。”张献伟说。很多人都对我们的技术感兴趣，越来越多的人来参观，我都要一一讲解。当天采访结束时，一辆中巴车驶入电站，来自富蕴县的考察观摩组来了……　　图为哈密弗光太阳能有限公司的高大聚光光伏太阳能电池板。（资料图片）　　张献伟供图
（责任编辑：HN666）
11/20 10:54
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新型太阳能光热发电聚光镜成型
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