摘要：概括介紹太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，著(zhù)重討論有機硅材料在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的應用。

1前言

2太陽(yáng)能發(fā)電工作原理、運行方式及系統組成

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

光伏發(fā)電系統的主要優(yōu)點(diǎn)是構建規模靈便，可以有效利用建筑物屋頂和幕墻，無(wú)需占用土地資源，可以就地發(fā)電就地應用，減少電力輸送損耗。光伏發(fā)電裝置基本不應用運轉機械設備，可靠穩定壽命長(cháng)、安裝維護簡(jiǎn)便。光熱發(fā)電則規模效應明顯，光熱發(fā)電只適合大規模電站，對土地面積、資金規模等要求較高，電站規模越大，單位電量的成本越低。

2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電是根據光生伏打效應原理。光伏發(fā)電的能量轉換器是太陽(yáng)能電池，又稱(chēng)為光伏電池，是光伏發(fā)電系統的核心。在太陽(yáng)光照射下，太陽(yáng)能電池的光電轉換芯片吸收光能，產(chǎn)生光電子-空穴對，在電池芯片內建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被分離，其結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”，這種光照產(chǎn)生電壓的現象就是“光生伏打效應”。在光電池內建電場(chǎng)的兩端分別接上引線(xiàn)和連接負載，則負載就有電流流過(guò)，由此實(shí)現光伏發(fā)電和做功。

因制造太陽(yáng)能電池的基本材料和工藝的不同，太陽(yáng)能電池的結構有多種樣式。應用最多的常規硅太陽(yáng)能電池的結構示意如下圖：

不論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)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成。光伏發(fā)電布局較為靈活，既可以建設大規模的光伏電站，也可以將光伏電池安裝在屋頂上，甚至是移動(dòng)設備上。借助于未來(lái)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)展前景遠大。

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

2.2 太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)就是利用光學(xué)系統聚集太陽(yáng)輻射能，以其加熱工質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，驅動(dòng)汽輪發(fā)電機組發(fā)電。依據聚光方式的不同，太陽(yáng)能光熱發(fā)電分為塔式、槽式、碟式（盤(pán)式）和菲涅爾聚焦四種光熱發(fā)電方式。目前槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統和塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統實(shí)現了商業(yè)化，碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統已經(jīng)過(guò)了示范階段，完成了技術(shù)驗證，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(yáng)能光熱發(fā)電系統采用的是“線(xiàn)聚焦”原理，通過(guò)大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦反射到一條集熱管上，加熱管內的熱載體，再通過(guò)熱轉換設備產(chǎn)生高壓蒸汽，送入常規的汽輪機內進(jìn)行發(fā)電。系統一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機發(fā)電裝置或／和輔助能源裝置(如鍋爐)等組成。聚光集熱系統是本系統的核心，由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構成。

塔式光熱發(fā)電系統的基本形式是利用獨立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群，將陽(yáng)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(lái)加熱蒸汽以驅動(dòng)常規的汽輪發(fā)電機組發(fā)電。這種發(fā)電方式無(wú)需常規能源，動(dòng)力供給完全來(lái)源于集熱系統內因太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的高溫傳熱介質(zhì)。這種光熱發(fā)電系統主要有定日鏡陣列、高塔、受熱器、傳熱流體、換熱部件、蓄熱系統、控制系統、汽輪機和發(fā)電系統等組成。

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

菲涅爾系統就是簡(jiǎn)化了的槽式系統。菲涅爾系統其實(shí)就是用一組平板鏡來(lái)取代槽式系統里的拋物面型的曲面鏡聚焦。通過(guò)調整控制平面鏡的傾斜角度，將陽(yáng)光反射到集熱管中，實(shí)現聚焦加熱。為了簡(jiǎn)化系統，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(xiàn)，由于光熱發(fā)電是采用常規的汽輪機發(fā)電，電流穩定，加之系統可以引入熔融鹽儲熱，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(lái)，就解決了風(fēng)電與光伏發(fā)電最令人頭痛的調峰問(wèn)題。只要規模足夠大，光熱發(fā)電的成本更是新能源中最具有競爭力的。

2.3 太陽(yáng)能發(fā)電的運行方式

將太陽(yáng)的輻射能轉變成電能的發(fā)電裝置稱(chēng)為太陽(yáng)能發(fā)電系統。太陽(yáng)能發(fā)出的電能通過(guò)運行系統輸送到到用戶(hù)做功。

地面民用太陽(yáng)能發(fā)電系統的運行方式，主要分為離網(wǎng)運行和聯(lián)網(wǎng)運行兩大類(lèi)。

3太陽(yáng)能發(fā)電配套有機硅材料的研究開(kāi)發(fā)

3.1 有機硅材料的特性與功能

有機硅材料形態(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(lèi)和堅硬的硅樹(shù)脂及涂料等產(chǎn)品。有機硅聚合物大多具有類(lèi)似硅酸鹽的高分子骨架，同時(shí)其側鏈帶有有機基團。這樣的半無(wú)機半有機特殊高分子結構，賦予有機硅材料耐高溫耐低溫、耐氣候老化、憎水防潮、高絕緣強度和低介電損耗、光學(xué)透明、安全無(wú)毒等一系列優(yōu)良性能。因而有機硅材料不僅適應多種場(chǎng)合的應用，而且還可以勝任通用型合成材料不能承受的嚴酷環(huán)境下的苛刻使用條件。用作在戶(hù)外條件下長(cháng)期工作的太陽(yáng)能發(fā)電裝置配套材料，有機硅產(chǎn)品顯示出無(wú)與倫比的優(yōu)越性能。

3.2 太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域配套應用的有機硅材料

有機硅產(chǎn)品是優(yōu)良的耐熱電絕緣材料，廣泛應用于通用的發(fā)電、變電、輸電等強電應用領(lǐng)域。在太陽(yáng)能發(fā)電裝置建設和安全運行中，有機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(yáng)能發(fā)電裝置中特殊應用的有機硅材料。

3.2.1 太陽(yáng)能電池系統配套應用的有機硅材料

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

太陽(yáng)能電池的基本結構如下圖：

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

● 太陽(yáng)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(yáng)能電池的邊框密封劑、接線(xiàn)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(yáng)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(yáng)能電池芯片表面減反射膜層材料

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

● 太陽(yáng)能電池組件透光表面的保護膜

在太陽(yáng)能電池組件的透光表面上涂覆有機硅涂層，保護電池表面免遭外界因素損傷，并且提高接收光照效率。

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

● 太陽(yáng)能電池組件裝配用填充粘接材料

在太陽(yáng)能電池組件中，芯片周?chē)畛渫该鞑牧险辰庸潭?，以往較多應用EVA材料熱熔填充，在發(fā)電運行過(guò)程中，經(jīng)常出現EVA黃變、透光率降低和脫粘等現象，導致電池發(fā)電效率降低。為了延長(cháng)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，尤其是應用加成型液體硅橡膠填充灌封太陽(yáng)能電池組件，將會(huì )達到最佳效果。

研究開(kāi)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(yáng)能光熱發(fā)電系統應用的有機硅材料

在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統特殊應用的有機硅材料舉例如下：

● 太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統的高溫傳熱介質(zhì)硅油

為了提高發(fā)電效率，太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統的傳熱介質(zhì)工作溫度高達400℃以上，通用型導熱油不僅不能滿(mǎn)足安全工作溫度要求，而且導熱油在長(cháng)期泵送運行中會(huì )因機械剪切分子斷鏈導致耐熱性能下降。具有半無(wú)機半有機高分子結構的硅油，耐熱性能和聚合物分子抗剪切性能優(yōu)良，可以充當光熱發(fā)電的傳熱介質(zhì)，特定結構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)熱穩定劑等助劑，進(jìn)一步提高硅油的熱穩定性能。應用苯甲基硅油作高效傳熱介質(zhì)，可保證光熱發(fā)電系統長(cháng)期穩定運行。

● 太陽(yáng)能光熱發(fā)電構筑物的耐熱耐候有機硅涂料

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

研究開(kāi)發(fā)適用于光熱發(fā)電構筑物耐熱耐候保護涂料的技術(shù)關(guān)鍵是合成高固化活性的有機硅樹(shù)脂。因為通用型甲基苯基硅樹(shù)脂普遍存在固化活性低、固化后的漆膜與基材粘附強度低和固化后的漆膜容易返粘等缺陷，以通用型硅樹(shù)脂制得的涂料尚不能完全滿(mǎn)足光熱發(fā)電的配套需求。應用親核反應催化劑催化合成的高固化活性硅樹(shù)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］。應用高固化活性有機硅樹(shù)脂為基料的高耐熱高耐候有機硅涂料，可作為光熱發(fā)電塔架等建筑結構的優(yōu)良涂覆保護涂料。

● 太陽(yáng)能光熱發(fā)電菲涅爾透鏡成型用有機硅材料

以菲涅爾透鏡作為聚光構件的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統已經(jīng)嶄露頭角。應用菲涅爾透鏡的特殊結構，用一組平板鏡取代拋物面型的曲面鏡聚焦即可實(shí)現太陽(yáng)光高效聚焦，菲涅爾透鏡制造工藝簡(jiǎn)便，運行穩定，因而菲涅爾系統光熱發(fā)電受到廣泛關(guān)注。

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

3.３ 太陽(yáng)能發(fā)電配套應用有機硅材料研究開(kāi)發(fā)

大部分有機硅材料盡管具備適用于太陽(yáng)能發(fā)電配套用的基本性能，但并不是現有通用型有機硅產(chǎn)品都可以直接應用于太陽(yáng)能發(fā)電裝置中。太陽(yáng)能發(fā)電的大部分構件必需長(cháng)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)電構件充分匹配。為了做好配套應用，就必須根據太陽(yáng)能發(fā)電的具體技術(shù)要求，進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究開(kāi)發(fā)，著(zhù)力解決重要技術(shù)關(guān)鍵，并通過(guò)模擬應用試驗進(jìn)行考核優(yōu)選，以全面檢測研制產(chǎn)品的工藝性能和使用性能。通過(guò)測試和模擬應用試驗發(fā)現缺陷和不足，有針對性地研究改進(jìn)，確保研制產(chǎn)品充分滿(mǎn)足太陽(yáng)能發(fā)電的使用要求。