摘要：概括介紹太陽能發電技術，著重討論有機硅材料在太陽能發電領域的應用。

1前言

2太陽能發電工作原理、運行方式及系統組成

目前較成熟的太陽能發電技術主要有太陽能光伏發電技術和太陽能光熱發電技術。

光伏發電系統的主要優點是構建規模靈便，可以有效利用建筑物屋頂和幕墻，無需占用土地資源，可以就地發電就地應用，減少電力輸送損耗。光伏發電裝置基本不應用運轉機械設備，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。光熱發電則規模效應明顯，光熱發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 太陽能光伏發電技術

光伏發電是根據光生伏打效應原理。光伏發電的能量轉換器是太陽能電池，又稱為光伏電池，是光伏發電系統的核心。在太陽光照射下，太陽能電池的光電轉換芯片吸收光能，產生光電子-空穴對，在電池芯片內建電場的作用下，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，即產生“光生電動勢”，這種光照產生電壓的現象就是“光生伏打效應”。在光電池內建電場的兩端分別接上引線和連接負載，則負載就有電流流過，由此實現光伏發電和做功。

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

不論是獨立使用還是并網發電，光伏發電系統主要由太陽電池板（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成。光伏發電布局較為靈活，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，甚至是移動設備上。借助于未來智能電網的發展，家庭光伏發電可以隨意合并入網，發展前景遠大。

目前應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 太陽能光熱發電技術

太陽能光熱發電技術就是利用光學系統聚集太陽輻射能，以其加熱工質產生蒸汽，驅動汽輪發電機組發電。依據聚光方式的不同，太陽能光熱發電分為塔式、槽式、碟式（盤式）和菲涅爾聚焦四種光熱發電方式。目前槽式太陽能發電系統和塔式太陽能發電系統實現了商業化，碟式太陽能發電系統已經過了示范階段，完成了技術驗證，正在進入商業階段，菲涅爾聚焦光熱發電的研究已取得初步成果。

槽式太陽能光熱發電系統采用的是“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，加熱管內的熱載體，再通過熱轉換設備產生高壓蒸汽，送入常規的汽輪機內進行發電。系統一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機發電裝置或／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。

塔式光熱發電系統的基本形式是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到一個固定在塔頂部的接收器上，產生的高溫加熱傳熱介質，高溫傳熱介質來加熱蒸汽以驅動常規的汽輪發電機組發電。這種發電方式無需常規能源，動力供給完全來源于集熱系統內因太陽輻射產生的高溫傳熱介質。這種光熱發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，將入射的太陽輻射進行點聚集，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉換成熱能，加熱工質以驅動熱機(如燃氣輪機、斯特林發動機或其它類型透平等)，從而將熱能轉換成電能。碟式光熱發電系統主要由太陽能凹面聚焦鏡、接收器和發電機組成。太陽能斯特林發電技術是將斯特林發電機直接放在焦點處。

菲涅爾系統就是簡化了的槽式系統。菲涅爾系統其實就是用一組平板鏡來取代槽式系統里的拋物面型的曲面鏡聚焦。通過調整控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管中，實現聚焦加熱。為了簡化系統，一般采用水、油或熔鹽作為吸熱介質。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。

不管是什么技術路線，由于光熱發電是采用常規的汽輪機發電，電流穩定，加之系統可以引入熔融鹽儲熱，白天將鹽從固態變成液態，晚間再用400℃左右的熔融鹽將水變成蒸汽發電，這樣一來，就解決了風電與光伏發電最令人頭痛的調峰問題。只要規模足夠大，光熱發電的成本更是新能源中最具有競爭力的。

2.3 太陽能發電的運行方式

將太陽的輻射能轉變成電能的發電裝置稱為太陽能發電系統。太陽能發出的電能通過運行系統輸送到到用戶做功。

地面民用太陽能發電系統的運行方式，主要分為離網運行和聯網運行兩大類。

3太陽能發電配套有機硅材料的研究開發

3.1 有機硅材料的特性與功能

有機硅材料形態多樣，既有小分子化合物，也有可流動的液態聚合物，還有彈性的硅橡膠類和堅硬的硅樹脂及涂料等產品。有機硅聚合物大多具有類似硅酸鹽的高分子骨架，同時其側鏈帶有有機基團。這樣的半無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、光學透明、安全無毒等一系列優良性能。因而有機硅材料不僅適應多種場合的應用，而且還可以勝任通用型合成材料不能承受的嚴酷環境下的苛刻使用條件。用作在戶外條件下長期工作的太陽能發電裝置配套材料，有機硅產品顯示出無與倫比的優越性能。

3.2 太陽能發電領域配套應用的有機硅材料

有機硅產品是優良的耐熱電絕緣材料，廣泛應用于通用的發電、變電、輸電等強電應用領域。在太陽能發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。下面簡單列舉在太陽能發電裝置中特殊應用的有機硅材料。

3.2.1 太陽能電池系統配套應用的有機硅材料

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

太陽能電池的基本結構如下圖：

用于太陽能電池的裝配的有機硅材料及其相關技術關鍵分述如下：

● 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，以保護電池芯片不受污染腐蝕，同時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膜

在太陽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，以往較多應用EVA材料熱熔填充，在發電運行過程中，經常出現EVA黃變、透光率降低和脫粘等現象，導致電池發電效率降低。為了延長光伏電池的工作壽命和提高發電效率，采用液體硅橡膠填充粘接才是科學合理的選擇，尤其是應用加成型液體硅橡膠填充灌封太陽能電池組件，將會達到最佳效果。

研究開發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關鍵。

3.2.2 太陽能光熱發電系統應用的有機硅材料

在太陽能光熱發電系統特殊應用的有機硅材料舉例如下：

● 太陽能光熱發電系統的高溫傳熱介質硅油

為了提高發電效率，太陽能光熱發電系統的傳熱介質工作溫度高達400℃以上，通用型導熱油不僅不能滿足安全工作溫度要求，而且導熱油在長期泵送運行中會因機械剪切分子斷鏈導致耐熱性能下降。具有半無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良，可以充當光熱發電的傳熱介質，特定結構的苯甲基硅油不僅耐熱性能、抗剪切性能優良，還特別具有突出的耐熱氧化性能。同時再引進熱穩定劑等助劑，進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，可保證光熱發電系統長期穩定運行。

● 太陽能光熱發電構筑物的耐熱耐候有機硅涂料

太陽能光熱發電的構筑物要長期露置于強光照射和在高溫環境中工作，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足光熱發電的苛刻使用要求。甲基苯基硅樹脂具有優良的耐熱耐候性能，可以應用硅樹脂作基材的有機硅涂料作為光熱發電構筑物的保護涂料。

研究開發適用于光熱發電構筑物耐熱耐候保護涂料的技術關鍵是合成高固化活性的有機硅樹脂。因為通用型甲基苯基硅樹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，以通用型硅樹脂制得的涂料尚不能完全滿足光熱發電的配套需求。應用親核反應催化劑催化合成的高固化活性硅樹脂，不僅可以做到室溫下即可催化交聯固化，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脂為基料的高耐熱高耐候有機硅涂料，可作為光熱發電塔架等建筑結構的優良涂覆保護涂料。

● 太陽能光熱發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能光熱發電系統已經嶄露頭角。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現太陽光高效聚焦，菲涅爾透鏡制造工藝簡便，運行穩定，因而菲涅爾系統光熱發電受到廣泛關注。

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、制件尺寸穩定、材質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勢。尤其是以加成反應硫化型液體硅橡膠作為光熱發電用菲涅爾透鏡的基礎材料，因為成型工藝簡便、成型的透鏡重量輕、性能穩定、耐氣候老化，硅橡膠透鏡將會保證菲涅爾系統聚光效率提高，長期運行穩定可靠。

3.３ 太陽能發電配套應用有機硅材料研究開發

大部分有機硅材料盡管具備適用于太陽能發電配套用的基本性能，但并不是現有通用型有機硅產品都可以直接應用于太陽能發電裝置中。太陽能發電的大部分構件必需長期處于室外自然環境中工作，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電構件充分匹配。為了做好配套應用，就必須根據太陽能發電的具體技術要求，進行專門研究開發，著力解決重要技術關鍵，并通過模擬應用試驗進行考核優選，以全面檢測研制產品的工藝性能和使用性能。通過測試和模擬應用試驗發現缺陷和不足，有針對性地研究改進，確保研制產品充分滿足太陽能發電的使用要求。