摘要：概括介紹太陽能發(fā)電技術(shù)，著重討論有機(jī)硅材料在太陽能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

1前言

2太陽能發(fā)電工作原理、運(yùn)行方式及系統(tǒng)組成

目前較成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)主要有太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和太陽能光熱發(fā)電技術(shù)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)建規(guī)模靈便，可以有效利用建筑物屋頂和幕墻，無需占用土地資源，可以就地發(fā)電就地應(yīng)用，減少電力輸送損耗。光伏發(fā)電裝置基本不應(yīng)用運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。光熱發(fā)電則規(guī)模效應(yīng)明顯，光熱發(fā)電只適合大規(guī)模電站，對(duì)土地面積、資金規(guī)模等要求較高，電站規(guī)模越大，單位電量的成本越低。

2.1 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理。光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器是太陽能電池，又稱為光伏電池，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。在太陽光照射下，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換芯片吸收光能，產(chǎn)生光電子-空穴對(duì)，在電池芯片內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被分離，其結(jié)果在電池兩端形成異性電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電動(dòng)勢(shì)”，這種光照產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象就是“光生伏打效應(yīng)”。在光電池內(nèi)建電場(chǎng)的兩端分別接上引線和連接負(fù)載，則負(fù)載就有電流流過，由此實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和做功。

因制造太陽能電池的基本材料和工藝的不同，太陽能電池的結(jié)構(gòu)有多種樣式。應(yīng)用最多的常規(guī)硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意如下圖：

不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成。光伏發(fā)電布局較為靈活，既可以建設(shè)大規(guī)模的光伏電站，也可以將光伏電池安裝在屋頂上，甚至是移動(dòng)設(shè)備上。借助于未來智能電網(wǎng)的發(fā)展，家庭光伏發(fā)電可以隨意合并入網(wǎng)，發(fā)展前景遠(yuǎn)大。

目前應(yīng)用較廣的太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅三種，近年來也出現(xiàn)了磷化銦、砷化鎵、銦硒銅等硅以外的化合物材料。

2.2 太陽能光熱發(fā)電技術(shù)

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)就是利用光學(xué)系統(tǒng)聚集太陽輻射能，以其加熱工質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。依據(jù)聚光方式的不同，太陽能光熱發(fā)電分為塔式、槽式、碟式（盤式）和菲涅爾聚焦四種光熱發(fā)電方式。目前槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)和塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)過了示范階段，完成了技術(shù)驗(yàn)證，正在進(jìn)入商業(yè)階段，菲涅爾聚焦光熱發(fā)電的研究已取得初步成果。

槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)采用的是“線聚焦”原理，通過大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到一條集熱管上，加熱管內(nèi)的熱載體，再通過熱轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生高壓蒸汽，送入常規(guī)的汽輪機(jī)內(nèi)進(jìn)行發(fā)電。系統(tǒng)一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機(jī)發(fā)電裝置或／和輔助能源裝置(如鍋爐)等組成。聚光集熱系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構(gòu)成。

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到一個(gè)固定在塔頂部的接收器上，產(chǎn)生的高溫加熱傳熱介質(zhì)，高溫傳熱介質(zhì)來加熱蒸汽以驅(qū)動(dòng)常規(guī)的汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。這種發(fā)電方式無需常規(guī)能源，動(dòng)力供給完全來源于集熱系統(tǒng)內(nèi)因太陽輻射產(chǎn)生的高溫傳熱介質(zhì)。這種光熱發(fā)電系統(tǒng)主要有定日鏡陣列、高塔、受熱器、傳熱流體、換熱部件、蓄熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)和發(fā)電系統(tǒng)等組成。

碟式光熱系統(tǒng)借助于雙軸跟蹤，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射的太陽輻射進(jìn)行點(diǎn)聚集，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，加熱工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)熱機(jī)(如燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或其它類型透平等)，從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能凹面聚焦鏡、接收器和發(fā)電機(jī)組成。太陽能斯特林發(fā)電技術(shù)是將斯特林發(fā)電機(jī)直接放在焦點(diǎn)處。

菲涅爾系統(tǒng)就是簡(jiǎn)化了的槽式系統(tǒng)。菲涅爾系統(tǒng)其實(shí)就是用一組平板鏡來取代槽式系統(tǒng)里的拋物面型的曲面鏡聚焦。通過調(diào)整控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管中，實(shí)現(xiàn)聚焦加熱。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，一般采用水、油或熔鹽作為吸熱介質(zhì)。相比于拋物面型的曲面鏡，平面反射鏡制造難度低，因此大大降低了初始投資成本。

不管是什么技術(shù)路線，由于光熱發(fā)電是采用常規(guī)的汽輪機(jī)發(fā)電，電流穩(wěn)定，加之系統(tǒng)可以引入熔融鹽儲(chǔ)熱，白天將鹽從固態(tài)變成液態(tài)，晚間再用400℃左右的熔融鹽將水變成蒸汽發(fā)電，這樣一來，就解決了風(fēng)電與光伏發(fā)電最令人頭痛的調(diào)峰問題。只要規(guī)模足夠大，光熱發(fā)電的成本更是新能源中最具有競(jìng)爭(zhēng)力的。

2.3 太陽能發(fā)電的運(yùn)行方式

將太陽的輻射能轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置稱為太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)出的電能通過運(yùn)行系統(tǒng)輸送到到用戶做功。

地面民用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，主要分為離網(wǎng)運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行兩大類。

3太陽能發(fā)電配套有機(jī)硅材料的研究開發(fā)

3.1 有機(jī)硅材料的特性與功能

有機(jī)硅材料形態(tài)多樣，既有小分子化合物，也有可流動(dòng)的液態(tài)聚合物，還有彈性的硅橡膠類和堅(jiān)硬的硅樹脂及涂料等產(chǎn)品。有機(jī)硅聚合物大多具有類似硅酸鹽的高分子骨架，同時(shí)其側(cè)鏈帶有有機(jī)基團(tuán)。這樣的半無機(jī)半有機(jī)特殊高分子結(jié)構(gòu)，賦予有機(jī)硅材料耐高溫耐低溫、耐氣候老化、憎水防潮、高絕緣強(qiáng)度和低介電損耗、光學(xué)透明、安全無毒等一系列優(yōu)良性能。因而有機(jī)硅材料不僅適應(yīng)多種場(chǎng)合的應(yīng)用，而且還可以勝任通用型合成材料不能承受的嚴(yán)酷環(huán)境下的苛刻使用條件。用作在戶外條件下長(zhǎng)期工作的太陽能發(fā)電裝置配套材料，有機(jī)硅產(chǎn)品顯示出無與倫比的優(yōu)越性能。

3.2 太陽能發(fā)電領(lǐng)域配套應(yīng)用的有機(jī)硅材料

有機(jī)硅產(chǎn)品是優(yōu)良的耐熱電絕緣材料，廣泛應(yīng)用于通用的發(fā)電、變電、輸電等強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域。在太陽能發(fā)電裝置建設(shè)和安全運(yùn)行中，有機(jī)硅材料常常是不可替代的重要配套材料。下面簡(jiǎn)單列舉在太陽能發(fā)電裝置中特殊應(yīng)用的有機(jī)硅材料。

3.2.1 太陽能電池系統(tǒng)配套應(yīng)用的有機(jī)硅材料

太陽能光伏發(fā)電裝置設(shè)置于室外，在四季寒暑變化的自然環(huán)境中，要求耐受長(zhǎng)期光照、高低溫循環(huán)、風(fēng)雨沖刷、灰塵砂礫侵蝕等嚴(yán)酷自然條件。為太陽能電池配套的材料，必須滿足耐氣候老化、長(zhǎng)期性能穩(wěn)定等特定使用要求。

太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如下圖：

用于太陽能電池的裝配的有機(jī)硅材料及其相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵分述如下：

● 太陽能電池粘接密封用單組分室溫硫化硅橡膠

單組分室溫硫化硅橡膠可用于太陽能電池的邊框密封劑、接線盒密封劑、匯流條密封劑、薄膜組件支架粘接劑等。

適用于太陽能電池粘接密封的單組分室溫硫化硅橡膠是中性硅橡膠，以保護(hù)電池芯片不受污染腐蝕，同時(shí)要求硫化后的硅橡膠具有阻燃性能。

● 太陽能電池芯片表面減反射膜層材料

在電池芯片表面要應(yīng)用硅溶膠或硅烷處理，生成減反射膜，以提高太陽能電池吸收光照效率。

● 太陽能電池組件透光表面的保護(hù)膜

在太陽能電池組件的透光表面上涂覆有機(jī)硅涂層，保護(hù)電池表面免遭外界因素?fù)p傷，并且提高接收光照效率。

適用的有機(jī)硅涂料是有機(jī)硅樹脂為基料的特殊涂料，要求室溫快速固化，固化后的膜層應(yīng)具有適當(dāng)高的折射率，并且對(duì)基材粘附牢固。

● 太陽能電池組件裝配用填充粘接材料

在太陽能電池組件中，芯片周圍要填充透明材料粘接固定，以往較多應(yīng)用EVA材料熱熔填充，在發(fā)電運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)EVA黃變、透光率降低和脫粘等現(xiàn)象，導(dǎo)致電池發(fā)電效率降低。為了延長(zhǎng)光伏電池的工作壽命和提高發(fā)電效率，采用液體硅橡膠填充粘接才是科學(xué)合理的選擇，尤其是應(yīng)用加成型液體硅橡膠填充灌封太陽能電池組件，將會(huì)達(dá)到最佳效果。

研究開發(fā)適用于光伏電池填充封裝的加成型液體硅橡膠，必須解決保證硅橡膠的高透光性能和可靠的粘接性能等技術(shù)關(guān)鍵。

3.2.2 太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的有機(jī)硅材料

在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)特殊應(yīng)用的有機(jī)硅材料舉例如下：

● 太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的高溫傳熱介質(zhì)硅油

為了提高發(fā)電效率，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)工作溫度高達(dá)400℃以上，通用型導(dǎo)熱油不僅不能滿足安全工作溫度要求，而且導(dǎo)熱油在長(zhǎng)期泵送運(yùn)行中會(huì)因機(jī)械剪切分子斷鏈導(dǎo)致耐熱性能下降。具有半無機(jī)半有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)的硅油，耐熱性能和聚合物分子抗剪切性能優(yōu)良，可以充當(dāng)光熱發(fā)電的傳熱介質(zhì)，特定結(jié)構(gòu)的苯甲基硅油不僅耐熱性能、抗剪切性能優(yōu)良，還特別具有突出的耐熱氧化性能。同時(shí)再引進(jìn)熱穩(wěn)定劑等助劑，進(jìn)一步提高硅油的熱穩(wěn)定性能。應(yīng)用苯甲基硅油作高效傳熱介質(zhì)，可保證光熱發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

● 太陽能光熱發(fā)電構(gòu)筑物的耐熱耐候有機(jī)硅涂料

太陽能光熱發(fā)電的構(gòu)筑物要長(zhǎng)期露置于強(qiáng)光照射和在高溫環(huán)境中工作，其金屬構(gòu)件等必需應(yīng)用高耐熱和高耐候涂料涂覆保護(hù)。通用型耐熱耐候涂料都難以滿足光熱發(fā)電的苛刻使用要求。甲基苯基硅樹脂具有優(yōu)良的耐熱耐候性能，可以應(yīng)用硅樹脂作基材的有機(jī)硅涂料作為光熱發(fā)電構(gòu)筑物的保護(hù)涂料。

研究開發(fā)適用于光熱發(fā)電構(gòu)筑物耐熱耐候保護(hù)涂料的技術(shù)關(guān)鍵是合成高固化活性的有機(jī)硅樹脂。因?yàn)橥ㄓ眯图谆交铇渲毡榇嬖诠袒钚缘?、固化后的漆膜與基材粘附強(qiáng)度低和固化后的漆膜容易返粘等缺陷，以通用型硅樹脂制得的涂料尚不能完全滿足光熱發(fā)電的配套需求。應(yīng)用親核反應(yīng)催化劑催化合成的高固化活性硅樹脂，不僅可以做到室溫下即可催化交聯(lián)固化，而且固化后的涂膜與基材粘接牢固，固化后的漆膜永不返黏［3］。應(yīng)用高固化活性有機(jī)硅樹脂為基料的高耐熱高耐候有機(jī)硅涂料，可作為光熱發(fā)電塔架等建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)良涂覆保護(hù)涂料。

● 太陽能光熱發(fā)電菲涅爾透鏡成型用有機(jī)硅材料

以菲涅爾透鏡作為聚光構(gòu)件的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)嶄露頭角。應(yīng)用菲涅爾透鏡的特殊結(jié)構(gòu)，用一組平板鏡取代拋物面型的曲面鏡聚焦即可實(shí)現(xiàn)太陽光高效聚焦，菲涅爾透鏡制造工藝簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，因而菲涅爾系統(tǒng)光熱發(fā)電受到廣泛關(guān)注。

雖然多種透明材料都可以用來制造菲涅爾透鏡，但就成型加工工藝、制件自身重量、制件尺寸穩(wěn)定、材質(zhì)耐候耐熱穩(wěn)定性等各種因素比較，高透明性硅橡膠具有明顯優(yōu)勢(shì)。尤其是以加成反應(yīng)硫化型液體硅橡膠作為光熱發(fā)電用菲涅爾透鏡的基礎(chǔ)材料，因?yàn)槌尚凸に嚭?jiǎn)便、成型的透鏡重量輕、性能穩(wěn)定、耐氣候老化，硅橡膠透鏡將會(huì)保證菲涅爾系統(tǒng)聚光效率提高，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3.３ 太陽能發(fā)電配套應(yīng)用有機(jī)硅材料研究開發(fā)

大部分有機(jī)硅材料盡管具備適用于太陽能發(fā)電配套用的基本性能，但并不是現(xiàn)有通用型有機(jī)硅產(chǎn)品都可以直接應(yīng)用于太陽能發(fā)電裝置中。太陽能發(fā)電的大部分構(gòu)件必需長(zhǎng)期處于室外自然環(huán)境中工作，為保證組件在室外條件下正常使用20～25年以上，其配套材料必須與發(fā)電構(gòu)件充分匹配。為了做好配套應(yīng)用，就必須根據(jù)太陽能發(fā)電的具體技術(shù)要求，進(jìn)行專門研究開發(fā)，著力解決重要技術(shù)關(guān)鍵，并通過模擬應(yīng)用試驗(yàn)進(jìn)行考核優(yōu)選，以全面檢測(cè)研制產(chǎn)品的工藝性能和使用性能。通過測(cè)試和模擬應(yīng)用試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷和不足，有針對(duì)性地研究改進(jìn)，確保研制產(chǎn)品充分滿足太陽能發(fā)電的使用要求。