太空太阳能电站与纳米技术

太空太阳能电站与纳米技术班级：姓名：学号：目录概述纳米太阳能电池板电能的对地输送太空太阳能电站的综合防护总结一．概述1.当前世界总的能源形势进入21世纪，人类的发展进入了人一个新的全面的，快速的发展时期，随着知识的积累，科技的进步，生产力水平极大提高，经济飞速增长，人们的物质需求，精神需求都极大增加，伴随着这一系列变化，人类对能源的需求和渴望也越发加剧。然而，目前全球能源形势却非常严峻，能源工业所面临的经济增长、环境保护和社会发展的压力愈来愈大。虽然许多工业化国家能源消耗已经基本趋于稳定，但是发展中国家由于工业化进程速度加快，使得能源消耗呈增加的态势，导致全球能耗平均呈指数增长趋势，其后果将非常严重，不仅使地球气候变暖，造成生态环境恶化，引发自然灾害，同时还将加速消耗常规化石能源储量。

图1世界一次能源消费结构比例放眼国内亦是如此，各种常规化石能源像煤炭，石油，天然气的消耗急剧增加，储量明显下降，而且近年来我国的煤炭，电力往往是供应难以满足需求，特别是在高峰期，目前我国是有的进口量也已突破国内产量，能源形势非常严峻。而且常规化石能源的大量使用也找成了严重的环境污染，在一定程度上反而制约了经济的发展，妨碍了人民生活水平的提高。面对如此严峻的能源形势，国内国际都在积极寻求新对策，新方法，加大力度开发新能源，如风能，太阳能，核能等。太阳已经在宇宙中稳定的存在了若干亿年，能源储量非常之巨大，如果可以高效的开发和利用太阳能，将可以极大缓解甚至完全解决当前的能源紧张局面。2.目前开发太阳能存在的困难虽然太阳能对人类来说取之不尽，用之不竭，但是当前开发太阳能面临的主要难题是如何提高光电池对太阳能的转化效率，缩小太阳能电池板的面积，节省空间和成本。而且在地面上建造太阳能电站还会受到天气状况的干扰和影响。鉴于此，我们不难想到一个办法：就是把太阳能电站建到太空之中。可是这一想法依然面临很多困难需要解决：空间电站酷热与严寒并存，同时，需要经受宇宙射线的不断辐射，如何保障电池寿命；如何提高光电转化效率；如何将电能输送回地面。现在，所有的这些问题，都可以利用纳米技术得到解决。二.纳米太阳能电池1.传统太阳能电池1）太阳能电池的原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由p区流向n区，电子由n区流向p区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。2）传统太阳能电池的分类（1）硅太阳能电池（2）多元化合物薄膜太阳能电池（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池（5）有机薄膜太阳能电池3)传统太阳能电池的缺点传统的非晶膜太阳能电池的工作电极主要由半导体材料作为电极被光腐蚀，工作电极要同时承担吸收光能和产生传导光生电荷两个功能，因而不可避免的存在工作电极被光腐蚀（如选择禁带窄半导体材料）或损失大量可见光（如选择禁带宽半导体材料）的弱点，同时其稳定性问题也难以解决，所以转化效率比较低。2.纳米太阳能电池1)纳米太阳能电池的原理纳米太阳能的工作原理可以简单的总结归纳为以下三点：太阳光线被捕获太阳管线被用于分解正负电荷正负电荷被这样一种方式重新结合，即结合的库伦能被释放出来而产生其他有用的能量。下图为纳米太阳能电池的工作原理图图2纳米太阳能电池的工作原理图染料敏化纳米晶太阳能电池尽管自从上世纪90年代以来，世界上很多国家积极地纳米相关领域进行了研究和探索，并且也取得了一系列重大的发现和突破，但是在纳米太阳能电池方面的研究，技术比较成熟的还是染料敏化纳米晶太阳能电池，因此我们可以把这种相对成熟的技术应用于建设太空太阳能电站。瑞士洛桑大学化学家迈克尔•格雷兹尔教授发明的格雷兹尔电池可以很好的应用于太空太阳能电站的建设。格雷兹尔电池主要用一种染色分子来获取来自太阳的能量。这个分子吸收能量，进而处于一种较高的能量状态，在这种较高的能量状态，通过将电子从染料分子传送到被称为二氧化钛的白色晶体的纳米颗粒，这个分子实际上分离出了电荷。这些分离出的电荷（正电荷留在染色体上，负电荷转移到了二氧化钛纳米颗粒）其后通过使用一种电化学反应装置可以重新结合。这个重新结合的过程中，赝本靠这个分子从太阳光获取的能量被释放成为流过外电路的电流。这样就可以将太阳能转化成对我们人类有用的电能了。染料敏化纳米晶太阳能电池由于其光转化的功能单位是纳米级的，所涉及的是半导体的多数载流子，可以极大提到光电转化效率和稳定性。此外，由于金属纳米颗粒的存在，在太阳能的主波长范围内的吸收率可达80%，可是太阳能的光电转化效率提高一倍。由于纳米太阳能电池的超高额光电转化效率，这样便可以使其制造体积成倍减小，再加上太空中的太阳能不会受到天气状况的影响，可以24小时全天候工作，因此我们可以用几十平方米的纳米太阳能电池版而产生足够多的电能是可行的。此外，在纳米太阳能电池版的其他电路元件也都可以采用碳纳米管制备，可以极大降低电能不必要的消耗。三电能的对地输送在解决了电能的生产之后我们就会自然而然的想到电能的对地输送问题，因为得到电能是在太空中的，必须把它们输送到地面才能真正为我们所用。可是这么长的输送距离，势必对传输导线的材料性能提出很高的要求，而且要克服长距离输送是造成的巨大的电能的浪费。所以我们必须要采用一种特殊的材料，同样，由于纳米科技的迅猛发展也为我们找到了答案——碳纳米管。图3碳纳米管示意图碳纳米管兼有非常优秀的机械性能和电学性能。碳纳米管的强度非常高，单壁碳纳米管的强度就是高强度钢的60倍，同时它还很轻，很柔韧，因而可以承受长距离的重量。碳纳米管杰出的电学性能表现在：电子可以再管中前前后后的运动，传输电子丝毫不受任何阻力，因而碳纳米管具有超导体的性质，用其做长距离的传输介质能量损失会非常低。四太空太阳能电站的综合防护太空太阳能电站由于暴露在环境恶略的太空中，要承受宇宙射线的不断作用，要承受极端的温度条件，还要承受被各类空间物体撞击的危险，因此必须采取特殊的防护措施。同样，我们可以采用各种纳米材料对其进行防护。可以用高强度的同时兼有过滤宇宙射线和保温功能的纳米材料在电站外围做一个透明的防护罩，这样可以在受到空间物体冲击时可以保护电站，还可以过滤各种宇宙射线，还可以式电站保持一个稳定适宜的工作温度，从而保护电站，使电站可以持久稳定的为我们工作，为人类造福！五总结在能源日益紧张的21世纪，各种新能源，清洁能源像太阳能等的研究势必引起世界上更多的高度重视，也必将在能源结构中占据很大的比重。而伴随着纳米技术的快速发展，太空太阳能电站的可行性，实用性将得到论证，期待着太空太阳能电站为我们地球送来温暖和光明的那一