（轉載）節能減排，從實驗室自己做起~附太陽能技術詳解

實驗室

對普通人來說，是一個神秘且神聖的地方

許許多多的科學成果誕生在這裡

為我們的生活創造了無數福祉

But，對於無數的科研工作者來說

實驗室是他們夜以繼日工作的地方

就是說~這個地方也是要用電、用水、用氣的~

而實驗室更是是各科研機構、高等院校、檢測機構的耗能大戶

SO~實驗室如何做到節能減排，降低功耗呢？

（以下文章來源於網路）

（原文地址：斯爾福實驗室節能技術應用）

先進結構

先進結構設計是巧妙利用結構對熱傳導的影響，降低實驗室與外界的熱能交換技術。透過合理平面結構佈局、空間結構最佳化設計，確保實驗室溫度、溼度、潔淨度、光照度、密閉性等環境和空間滿足實驗工藝要求和工作人員舒適性要求。科學合理的結構設計可以降低能耗，夏季，頂層建築可以為底層建築遮陽，起到一定的降溫作用。另外應用了生態農業景觀技術，能有效隔熱，使建築能耗降低25%以上。實驗室設計中，將頂層設計為尖頂可以減少冬季取暖和夏季製冷需要的能耗。合理佈局樓體排布和調整樓間距，可以充分利用當地日照時間，確保樓層日照量。合理利用氣流走向，實現樓群冬暖夏涼。

在建築物頂層佈置綠植，夏季室內溫度可降低2-3℃，同時還具有效淨化空氣、美化環境的作用。採用外牆保溫或內牆保溫，減少實驗室透過牆面與外界交換熱量。將環境要求相同或相近的實驗室集中佈局，儘量避免溫度梯度大起大落。合理的結構設計，也可以採取自然通風，保持春秋季節溫度、溼度適宜。

先進材料

隨著科技發展，實驗室先進材料主要有主牆體材料、牆體保溫材料、門窗材料和玻璃材料等節能材料，具有殺菌、防塵、密封功能的圍護結構材料和光電材料也逐漸應用。節能主牆體材料包括加氣混凝土砌塊、EPS砌塊（用阻燃型聚苯乙烯泡沫塑膠模組作模板和保溫隔熱層，中芯澆築混凝土而成的複合牆體）、混凝土空心砌塊、模網混凝土、納土塔板（由聚苯乙烯、水泥、新增劑和水製成的隔熱吸聲水泥聚苯乙烯空心板構件經黏合組裝成牆體）等。牆體保溫材料主要有聚苯乙烯泡沫塑膠、硬質聚氨酯泡沫塑膠、膠粉聚苯顆粒保溫材料等。

節能門窗材料主要塑鋁型材、玻璃鋼型材等。低輻射鍍膜玻璃，可以起到散熱保護作用，達到冬暖效果；還能有效抵禦紫外線，達到夏涼效果。採用新型防微塵圍護結構材料，可以使淨化空調系統的風管和調節風閥、高效空氣過濾器的保護網、孔板、擴散孔板減少微塵產生，進而提高潔淨度，降低新風量，節約能源。高效過濾殺菌材料，在排風、新風量一定的情況下，能夠保持實驗室高潔淨度等級，起到節能效果。

自迴圈

自迴圈是指將各實驗室有可能損失的能量透過某種方式收集再次利用的技術，如一次或二次迴風系統、自然冷卻系統等。實驗室冬季取暖，可以將熱能迴圈介質由實驗室溫度高的區域流向溫度低的區域。可以將實驗室產生的餘熱透過換熱器等裝置設施收集，用於空氣預熱或生活用水加熱。採用潔淨自迴圈，如，迴圈安全櫃、通風櫃室內自迴圈等，可以使空氣在實驗室內部迴圈，降低實驗室內部空氣與外界空氣熱量交換產生損失。採用高效殺菌技術實施室內空氣過濾，確保空氣清潔度，降低補風需要的能耗。淨化空調系統設計應合理利用迴風、風機宜採取變頻措施，嚴寒及寒冷地區的新風防凍保護措施。

智慧控制

智慧控制技術日新月異，已經廣泛應用於生產、生活的方方面面，在實驗室建設和管理中，也得到廣泛應用。採用智慧控制系統可以自動控制實驗室溫度、溼度、照明、氣壓等。控制系統甄別實驗室工作人員狀況，自動調節實驗室溫度、照明、換風等。如，新風自動控制系統，可以根據實驗室內工作人員的有無，自動調整新風換風次數，自動調整通風櫃升降門的有效排風面積。空調控制系統可以在非工作時間段，保持實驗室處於相對寬泛的溫度環境，根據工作時間，提前自動調整實驗室溫度。又如，採用送風、迴風和排風系統的啟閉聯鎖控制，正壓潔淨室聯鎖程式應先啟動送風機，再啟動迴風機和排風機；關閉時聯鎖程式應相反。負壓潔淨室聯鎖程式應與上述正壓室相反。

模擬技術

對於高能耗實驗室，可以將實驗專案建立數學模型，採用計算機技術、網路技術、控制技術模擬實驗的自變數、因變數、變化過程、反應現象等，避免真實實驗需要的能量，大大降低能耗。如，我國建成的某型高速風洞實驗室，可以模擬20MH高超音速飛行，該實驗室每次啟動的能耗功率已超過三峽電站產電總功率。又如，高溫材料蠕變實驗室，需要連續實驗數萬小時，耗能較大。

新能源

根據實驗室所在地理環境，太陽能、風能、潮汐能等新能源技術廣泛應用於實驗室。光伏發電是最常用的新能源技術，如世界太陽城大會主場，總建築面積7。5x104m2，採用太陽能熱水供應、採暖、製冷、光伏發電等技術，節能88%。光伏發電與建築物統一設計、統一施工、統一驗收，與建築功能和外觀協調，使之成為建築物有機的組成部分。將電池板等裝置器件安裝在屋頂或屋面，不需要額外佔地，有效降低建築能耗。太陽能通風牆、太陽能通風式屋頂等也被應用於實驗室節能，既採用了先進材料，又採用科學合理的建築結構。另外太陽能路燈、太陽能指示牌、太陽能熱水器也逐漸應用於實驗室。

空氣燃料：實驗室功能新方案

目前航空和航運目前約佔人為二氧化碳排放總量的8%。“Drop-in”燃料作為一種很有前景的替代燃料源，這是一種合成版本的石油衍生液態烴（例如煤油、汽油或柴油都是液態烴），能在太陽能的幫助下用水和二氧化碳製成。之前演示過這種太陽能燃料生產過程的獨立步驟，但在真實世界條件下執行完整步驟和最佳化後的系統一直很有難度。

不久之前，瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究人員阿爾多·斯坦菲爾德及其同事，描述了一種安裝在實驗室屋頂的太陽能燃料系統，該系統由3個關鍵單元組成：一個是直接空氣捕獲裝置，能從空氣中提取二氧化碳和水；一個是太陽氧化還原裝置，能利用太陽能將二氧化碳和水轉換為一氧化碳和氫的混合物（合成氣）；還有一個氣轉液裝置，能將合成氣轉換為液態烴或甲醇。該實驗系統能在間歇性太陽輻射下順利、穩定地運轉，在一天7小時的典型工作時間裡能產生32毫升的甲醇，驗證了太陽能燃料生產流程的技術可行性。

研究團隊評估了他們的系統所需的升級方案，從而有望滿足全球範圍內的航空煤油消耗量（2019年為4140億升）。據估算，所有太陽燃料生產廠的總土地足跡大概在4。5萬平方公里，相當於撒哈拉沙漠面積的0。5%左右。不過，第一代商用太陽能燃料廠生產的這類燃料將比它們能取代的化石煤油更貴。

這種裝置製造的燃料是碳中性的，因為它們燃燒釋放的二氧化碳與製作時提取的二氧化碳量一樣。研究人員認為，考慮到建設太陽能燃料廠所需的初始投入成本較高，有必要制定支援政策來推進這些燃料的大規模部署。

番外篇：使用新能源，也要開發新能源

分散式供能獲得發展

近年來，分散式供能與可再生能源實驗室組織承擔了國家分散式能源“973”專案，在能的綜合梯級利用理論、微小型動力、餘熱利用和系統整合方法及驗證方面取得諸多成果，驗收成績在能源領域同期專案中名列前茅。而可再生能源憑藉取之不盡和清潔環保等優勢，正在成為世界能源舞臺上的主角，並將逐漸取代化石燃料。

專家表示，將太陽能與成熟的常規發電技術整合，進行多能源互補發電，不僅可降低開發利用太陽能的技術和經濟風險，有效解決太陽能利用不穩定和蓄熱技術不成熟等技術瓶頸問題，還能實現高效、低成本地利用太陽能。

在中低溫太陽能熱化學互補發電技術方面，分散式供能與可再生能源實驗室原創性提出並研製了15kW槽式太陽能驅動甲醇裂解合成氣的內燃機發電裝置，成功實現了300℃太陽能燃料發電，太陽能年均淨髮電效率達到25%，標誌著太陽能熱化學發電實驗樣機研製的重大突破，為該技術向產業化邁進提供了堅實基礎。

實驗室還原創性提出部分旋轉的槽式聚光集熱新方法，研發了變輻照主動調控聚光集熱場技術，開展我國首座10MW光煤互補示範電站關鍵技術的研究。實驗室不僅研製了百kW級太陽能熱化學發電樣機，還在鄭州富士康能源站建立槽式太陽能熱化學發電示範裝置。太陽能與火電機組互補發電可使中低溫太陽能熱發電規模發展到單臺容量幾萬千瓦，與一座太陽能單獨發電電站規模相當，因此具有低成本、規模化開發利用太陽能資源的潛力。

附加科技：鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells）

鈣鈦礦是鈣鈦礦太陽能電池中吸收光的材料，它吸收光子併產生電子-空穴對。之後，這個電子-空穴對會分離（也可能不會，這是導致太陽能電池效率低下的原因），釋放出電子和正電荷載流子。這些電子（負極）和空穴（正極）載流子分別被裝置中的其他材料（傳輸層）收集，然後流出，在外部電路中產生電壓。人們嘗試用各種鈣鈦礦材料來製備PSCs，其中最常見的是MAPbI3。這種材料由甲基銨正離子嵌入Pb2+離子和碘離子（I-）組成的八面體框架。

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應用於光伏發電領域後，因為效能優異、成本低廉、商業價值巨大，近年來，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現量產。近年來，中國某鈣鈦礦小組將轉換效率提升至 17。9%，穩態輸出效率達 17。3%，再一次證明了中國科學家在鈣鈦礦領域的技術領先優勢。然而大部分太陽能電池無論材質如何在生產中都面臨著同樣的問題如何在電池表面進行鍍膜工序。

對於薄膜的製備技術目前主要有液體旋塗和真空鍍膜兩類。旋塗技術由於裝置簡單，易於快速搭建等特點很容易在實驗室實現。但是其規模化拓展性較差，器件的重複性和穩定性以及與後續加工流程的相容性等方面仍有不足。在真空鍍膜方面目前較為流行的是採用物理氣象沉積（physical vapor deposition—PVD），例如熱蒸發等方式。而對於熱蒸發技術來說，在真空室中加熱鈣鈦礦前驅體，使它們向上蒸發並覆蓋在基片上。透過對過程的精細控制，形成所需的鈣鈦礦薄膜。

熱蒸發方法制備出的薄膜不僅效能出色，同時還能與太陽能電池製造過程中需要的其他過程具備良好的相容性

（例如，傳輸層和金屬接觸層的沉積也經常使用PVD）。

以製備鈣鈦礦太陽能電池的常用材料MA和Pb為例，MAI蒸發溫度約為150℃，而金屬鹵化物PbI需要400℃~500℃。這與常規的金屬熱蒸發相比溫度低很多，但對熱蒸發源溫度控制的精準性要求較高。傳統金屬熱蒸發更注重所能達到的高溫（可達~1800℃），如果採用

傳統的蒸發源生長鈣鈦礦材料很容易導致溫度過沖，製備的薄膜效能不穩定，甚至前驅體會瞬間揮發殆盡導致生長失敗

。鈣鈦礦光伏材料除了在較低溫度下生長之外，沉積速率也是一個重要的控制變數。由於沉積速率並非溫度的直接函式，鈣鈦礦材料在沉積時需要對每一個蒸發源的速率進行標定與檢測。通常在熱蒸發過程中，可以採用晶振探頭來探測每一個蒸發源的蒸發速率。對於常規的金屬熱蒸發過程，材料從蒸發源沿著直線方向到達襯底，按照類似於標準分佈函式的規律在襯底上沉積成薄膜。然而對於非常易揮發的材料，例如MAI，蒸發過程中會首先在源上方形成較高的蒸氣壓，這會導致材料向側方擴散，導致材料在腔體的其他部位形成非必要的沉積。因此，對於鈣鈦礦光伏材料的沉積過程必須控制得更加精密，否則MAI容易導致其他材料的晶振感測器被汙染。

這也就是說：整個鈣鈦礦光伏材料的製備，都需要在一個絕對真空且乾淨的環境中進行：

目前所有的技術方法，都不能很好的解決鍍膜膜層均勻性的問題。噴塗法鍍膜過程中，噴中心鍍膜液富集多，造成花斑；表面刻蝕法因壓花玻璃表面成分難以均一，導致刻蝕反應的速度不一致造成膜厚不均勻；即使均勻性輥塗法，受制於玻璃厚薄差、輥道傳輸抖動等多種因素的制約，也難以達到高精度的一致性。在鍍膜均勻性無法進一步提高的情況下，其結果一方面造成元件的色差影響外觀，另一方面由於鍍膜玻璃各區域透光率不一致造成熱斑效應，影響元件的耐久性。（文章內容來源於網路）

手套箱整合系統

雖然成品PSCs元件可以在大氣條件下使用，但通常有必要在惰性氣氛下進行器件封裝製造。因為在最後的保護塗層覆蓋之前，溼氣和氧氣會對材料效能造成影響。因此，一些PSC製備工作通常在惰性氣體（如純氬氣或氮氣）的手套箱中進行。針對這一問題，經過多年探索，伊特克斯提供的

真空鍍膜系統

，由

真空鍍膜系統和真空手套箱系統整合

，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，並在手套箱高純惰性氣體氛圍下進行樣品的存放、製備以及蒸鍍後樣品的檢測。

真空鍍膜手套箱

是一款整裝可直接使用的標準型真空手裝置，由主作業倉、主過渡艙、工具過渡艙、抽真空系統以及各個零部件組合而成，具有高密閉性、保壓時間長、操作簡單等特點，可滿意院校科研和小批次生產的應用。

鈣鈦礦太陽能電池疊層實驗

在手套箱氮氣環境裡裡旋塗鈣鈦礦前驅液，避免接觸水和空氣，可以直接透過連線藏艙將製備好的鈣鈦礦電池傳到蒸發艙裡，蒸發電極，全程實驗都可以做到無水無氧的環境下操作，以保證實驗的有效性；方腔室自動門熱蒸發鍍膜機嵌入手套箱內，配套進口英福康膜厚儀，普發分子泵，北儀機械泵，4個蒸發源，合理的蒸發源佈局，保證每個蒸發源到基片的距離完全一樣，提高了成膜質量和均勻性；

整套系統由真空鍍膜系統和手套箱系統整合而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，並在手套箱高純惰性氣體氛圍下進行樣品的存放、製備以及蒸鍍後樣品的檢測。主要用於太陽能電池鈣鈦礦、OLED和PLED、半導體制備等實驗研究與應用。

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