太陽能熱利用綜述

PAGEPAGE1太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展摘要：太陽能是理想的可再生能源．太陽能熱利用技術(shù)目前還處于發(fā)展時(shí)期。文章對(duì)太陽能熱利用成熟技術(shù)、先進(jìn)技術(shù)以及當(dāng)前研究的中心問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述。成熟技術(shù)部分主要包括熱水器、太陽灶、太陽房等廣為人們使用的太陽能熱利用技術(shù)；先進(jìn)技術(shù)部分主要闡述了尚處于研究試驗(yàn)階段的高品位太陽能熱利用技術(shù)，包括太陽能熱發(fā)電、太陽能空調(diào)制冷、太陽能制氫、太陽能梅水淡化及太陽能煙囪發(fā)電等；在當(dāng)前研究的中心問題部分，主要論述解決太陽能熱利用的關(guān)鍵技術(shù)問題。關(guān)鍵詞：太陽能，熱利用，發(fā)電Thedevelopmentofsolarthermaltechnology

ShenFang

(NingboEngineeringCollegeofInformationandEngineering,Ningbo,Abstract:Solarenergyisanidealrenewableenergysourceanditsthermalutilizationistheoneofitsmostimportantapplications.wereviewthestatusofsolarthermalutilization,including:(1)developedtechnologieswhicharealreadywidelyusedallovertheworld,suchassolarassistedwaterheaters,solarcookers,solarheatedbuildingsandsoon;(2)advancedtechnologieswhicharestillinthedevelopmentorlaboratorystageandcouldhavemoreinnovativeapplications,includingthermalpowergeneration,refrigeration,hydrogenproduction,desalination,andchimneys;(3)majorproblemswhichneedtoberesolvedforadvancedutilizationofsolarthermalenergy.Keywords:solarenergy,thermalutilization,powergeneration引言由于人類對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)，常規(guī)能源的日益短缺，石油價(jià)格不斷上漲，全球氣候變暖以及環(huán)境的壓力，世界各國(guó)為尋求能源安全和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，將戰(zhàn)略目光轉(zhuǎn)向可再生能源的開發(fā)新能源要同時(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風(fēng)力發(fā)電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是大陽能。太陽能是最理想的可再生能源，具有清潔、無污染、輻射總功率巨大且取之不盡的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)和利用太陽能是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。1太陽能太陽能一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有被動(dòng)式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。2太陽能利用技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀2.1太陽能熱水器太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能，通過溫室效應(yīng)把水加熱的裝置，它由集熱器、儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵、管道、支架、控制系統(tǒng)及相關(guān)附件組成。集熱器是吸收太陽輻射能并向工質(zhì)(水)傳遞熱量的裝置，是熱水器的核心部件。根據(jù)收集太陽輻射能的形式，集熱器可分為平板型集熱器和聚光型集熱器兩種。早期的集熱器為悶曬式，后來發(fā)展成為平板式和真空管式．集熱器擔(dān)負(fù)著兩項(xiàng)主要功能，一是吸收太陽輻射能，二是將熱量傳遞給工質(zhì)．集熱器上的太陽能吸熱材料可分為兩類：非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層。非選擇性吸收涂層是指其光學(xué)特性與輻射波長(zhǎng)無關(guān)的吸收涂層；選擇性吸收涂層則是指其光學(xué)特性隨輻射波長(zhǎng)不同有顯著變化的吸收涂層。2.2太陽灶太陽灶是利用太陽輻射能，通過聚光、傳熱、儲(chǔ)熱等方式獲取熱量，進(jìn)行炊事烹飪食物的一種裝置。太陽灶常用的榘熱方法有兩種，一種是采用熱箱裝置，另一種是采用聚光裝置。故太陽灶也有兩種型式：箱式灶和聚光灶。2.3太陽房太陽房是利用太陽輻射能量來代替部分常規(guī)能源，使室內(nèi)達(dá)到一定環(huán)境溫度的一種建筑物。太陽房分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。1938年世界上第一幢主動(dòng)式太陽房由美國(guó)麻省理工學(xué)院建成。它是一種能夠控制的采暖方式，用集熱器、貯熱裝置、管道、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備“主動(dòng)”收集、儲(chǔ)存和輸配太陽能。由于它具有利用太陽熱能和節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，從它誕生的那天開始就十分引人注意。被動(dòng)式太陽房最早是在法國(guó)發(fā)展起來的。它主要依靠建筑方位、建筑空間的合理布置和建筑結(jié)構(gòu)及建筑材料的熱工性能，使房屋盡可能多地吸收和儲(chǔ)存熱量。如果所獲得的太陽能達(dá)到了建筑物采暖、空調(diào)所需能量的一半以上，就達(dá)到了被動(dòng)式太陽房的要求。3太陽能發(fā)電3.1太陽能熱發(fā)電太陽能發(fā)電有兩種方式：一種是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)而制成的太陽能電池來發(fā)電的方式；另一種是太陽能熱發(fā)電．本文主要論述太陽能熱發(fā)電方式。太陽能熱發(fā)電作為一種太陽能高溫?zé)崂眉夹g(shù)，美國(guó)、西班牙、以色列、意大利、澳大利亞、日本、俄羅斯等國(guó)家都投入了大量資金和人力進(jìn)行研究，取得了大量科研成果，先后建立了幾十座太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)．太陽能熱發(fā)電大致有三類：槽式線聚焦系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)和塔式系統(tǒng)。研究成果表明，太陽能塔式熱發(fā)電是最可能引起能源革命、實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最經(jīng)濟(jì)手段之一，將完全有可能給緊張的能源問題帶來革命性的解決方案，目前已經(jīng)處于商業(yè)化應(yīng)用前期和工業(yè)化應(yīng)用初期[1]。3.1.1塔式太陽能熱發(fā)電塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)提出的，用于傳熱的循環(huán)介質(zhì)可以是水、油、熔鹽或液態(tài)鈉[2,3]。.聚光比可達(dá)300—1500，運(yùn)行溫度可達(dá)15000C。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由定。日鏡裝置、高溫接收器、蓄熱裝置和發(fā)電系統(tǒng)陰部分組成。定日鏡負(fù)責(zé)采集太陽能，接收器負(fù)責(zé)將采集的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能由蓄熱裝置收集，并由裝置內(nèi)的工作流體通過熱力循環(huán)將熱能傳輸至動(dòng)力設(shè)備(汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最終將熱能轉(zhuǎn)化成電能。其特點(diǎn)是：采用高溫熔融鹽來蓄熱儲(chǔ)能，聚光比高，容易達(dá)到較高的工作溫度，接收器散熱面積相對(duì)較小，可以得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，這種電姑的運(yùn)行參數(shù)與高溫高壓的常規(guī)熱電站基本一致。3.1.2槽式太陽能熱發(fā)電槽式太陽能熱發(fā)電通過槽式聚光鏡面將太陽光聚焦在一條線上，在這條焦線上安裝有管狀集熱器，以吸收聚焦后的太陽輻射能，管內(nèi)的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器的加熱工質(zhì)，借助于蒸汽動(dòng)力循環(huán)來發(fā)電。拋物面可對(duì)太陽進(jìn)行一維跟蹤，聚光比在10一100之間，溫度可達(dá)400％。槽式太陽能熱發(fā)電最大的優(yōu)點(diǎn)是多聚光器集熱器可以同步跟蹤，故跟蹤控制代價(jià)大為降低。缺點(diǎn)是：能量在集中過程中依賴管道和泵，管道系統(tǒng)比塔式電站要復(fù)雜得多，熱量及阻力損失均較大，降低了系統(tǒng)的凈輸出功率和效率。3.1.3碟式太陽能熱發(fā)電碟式太陽能熱發(fā)電借助于雙軸跟蹤，拋物型碟式鏡面將接收的太陽能集中在其焦點(diǎn)的接收器上，接收器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，在接收器上安裝熱電轉(zhuǎn)換裝置，比如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或朗肯循環(huán)熱機(jī)等，從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。單個(gè)碟式斯特林發(fā)電裝置的容量范圍在5—50kW之間。用氦氣或氫氣作工質(zhì)，工作溫度達(dá)800°，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率較高。碟式系統(tǒng)可以是單獨(dú)的裝置，也可以是由碟群構(gòu)成以輸出大容量電力。3.2國(guó)內(nèi)太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)也在飛速發(fā)展，在1983年一1987年建成了40多座縣、鄉(xiāng)級(jí)小型光伏電站，光伏電池總裝機(jī)容量約600kw，其中西藏最多，達(dá)450多kw；1998年10月建成我國(guó)最大的西藏那曲安多縣光伏電站的光伏電池裝機(jī)容量高達(dá)100kw。家用光伏電源在青海、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、寧夏、西藏以及遼寧、吉林、河北、海南、四川等地廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至今全國(guó)已累計(jì)推廣家用光伏電源約15萬臺(tái)，光伏電池總功率約達(dá)2.9MW。在22所農(nóng)村學(xué)校建立了光伏電站，光伏電池組件的總裝機(jī)容量為57kw。1995年，63個(gè)國(guó)家重點(diǎn)援藏項(xiàng)目一西藏廣播電視發(fā)射接收工程采用光伏電池供電，共建成216套衛(wèi)視接收站和若干套調(diào)頻發(fā)射站光伏電池供電系統(tǒng)，總功率為300。1996年建成了塔中4--輪南輸油輸氣管道陰極保護(hù)先伏電源系統(tǒng)，總功率為40kw。該系統(tǒng)橫貫環(huán)境惡劣復(fù)雜的塔克拉瑪干大沙漠，總長(zhǎng)達(dá)300Km。1998年中國(guó)通信史上建成難度最大的蘭一西一拉光纜干線工程，有26個(gè)光纜通信站采用光伏電池作電源，其海拔高度多在4500m以上，光伏電池組件的總功率達(dá)100kw。直到現(xiàn)在已有10多家光伏企業(yè)在紐約、倫敦等海外市場(chǎng)及國(guó)內(nèi)證券市場(chǎng)上市。2008年，國(guó)內(nèi)光伏電池產(chǎn)量超過了2000MW，實(shí)際生產(chǎn)能力超過了3000MW，位居世界第一。光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比重由2001年的1%提高到2008年的15%。我國(guó)2002～2003年的“送電到鄉(xiāng)”工程，投資50億在西部地區(qū)建設(shè)了近千座獨(dú)立光伏電站，不但很好的解決了無電地區(qū)居民的基本生活用電問題，也極大拉動(dòng)了國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而近兩年光伏建筑一體化日趨流行，國(guó)家體育館、保定錦江飯店等多處建有BIPV示范工程。4太陽能發(fā)電的前景太陽能發(fā)電有更加激動(dòng)人心的計(jì)劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃。準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。據(jù)測(cè)算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發(fā)電供給全球能源，占地也不過為65.11萬平方公里、186.79萬平方公里、829.19萬平方公里。829.19萬平方公里才占全部海洋面積2.3％或全部沙漠的51.4％，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5％。因此這一方案是有可能實(shí)現(xiàn)的。

另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國(guó)宇航局和能源部就提出在空間建設(shè)太陽能發(fā)電站設(shè)想，準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長(zhǎng)10公里、寬5公里的大平板，上面布滿太陽電池，這樣便可提供500萬千瓦電力。但這需要解決向地面無線輸電問題。現(xiàn)已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了短距離、短時(shí)間、小功率的微波無線輸電，但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程。

隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，在2006年，中國(guó)有三家企業(yè)進(jìn)入了全球前十名，標(biāo)志著中國(guó)將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽能光伏的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供應(yīng)和價(jià)格的上漲，我們需要將技術(shù)推廣的同時(shí)，必須采用新的技術(shù)，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供原動(dòng)力！

太陽能的使用主要分為幾個(gè)方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等，現(xiàn)在主要的應(yīng)用方式為建筑一體化和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。5太陽能熱利用中心問題5.1跟蹤聚焦技術(shù)太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，與常規(guī)能源有很大的區(qū)別，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出更高的要求，目前得到廣泛應(yīng)用的太陽熱水器，一般只能滿足人們的洗浴要求。屬于太能的低溫?zé)崂?，無法提供工業(yè)應(yīng)用上的高溫?zé)崴罢羝龋疄榱藵M足人們對(duì)太陽能利用更高的要求，使太陽能集熱器更有效地吸收太陽輻射能和獲得高溫?zé)崮埽療崞黜毑捎镁劢?、跟蹤等技術(shù)。使用太陽跟蹤系統(tǒng)，可以使太陽光始終垂直照射在接收面，接收到的太陽輻射將大大增加。使用太陽能聚焦裝置可以增加單位面積的太陽輻射強(qiáng)度，節(jié)省吸熱材料，提高熱利用效率。太陽能聚焦技術(shù)廣泛應(yīng)用于太陽能空凋、太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、光電化學(xué)、太陽能制氫等領(lǐng)域，是未來中高溫太陽能利用研究的重要方向。5.2輻射吸收材料太陽輻射吸收材料是太陽能熱利用中的關(guān)鍵部分，它承擔(dān)著太陽輻射能的吸收和熱傳導(dǎo)雙重任務(wù)。當(dāng)前，人類太陽能熱利用的多數(shù)研究成果僅限于低溫應(yīng)用(<100屯)，特別是國(guó)內(nèi)更是如此。隨著能源短缺問題的日益突出，人類已開始把目光轉(zhuǎn)向更好品位的太陽能的熱利用上——太陽能中高溫利用，通過聚焦裝置，使太陽能熱利用溫度達(dá)到200°以上，甚至上千度。中高溫吸熱材料的研究是太陽能中高溫?zé)崂盟鉀Q的關(guān)鍵問題。光學(xué)性能穩(wěn)定、耐候性強(qiáng)(受氣候影響小)、制備工藝簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無污染、成本低廉、能適合中高溫度使用的新型太陽選擇性吸收涂層成為當(dāng)今太陽能熱利用研究的重要目標(biāo)和發(fā)展方向。傳熱技術(shù)輻射吸收材料即選擇性吸收涂層一般沉積在導(dǎo)熱性能良好的金屬材料上，比如銅、鋁、不銹鋼等。太陽輻射能所轉(zhuǎn)換成的熱能一般通過中間工質(zhì)傳輸用戶端，比如太陽熱發(fā)電一般采用導(dǎo)熱油、熔鹽、空氣等工質(zhì)吸收并傳輸熱能給水和水蒸氣，水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)換成電能。中間熱傳輸工質(zhì)的選擇對(duì)太陽熱利用效率具有重要的影響。在太陽熱發(fā)電系統(tǒng)中，傳熱的循環(huán)工質(zhì)水、空氣、油、熔鹽等由于水、油作為高溫吸熱載體的熱機(jī)效率很低，而鈉遇空氣和水容易著火，空氣的熱容小，故目前常用的高溫吸熱載體主要是熔鹽。但是通常熔鹽的熔點(diǎn)較高，其工作溫度范圍很窄，為了防止熔鹽凝固需要浪費(fèi)很大的常規(guī)能源，而且熔鹽的傳熱系數(shù)較小，熱效率不理想。所以尋求性能更加優(yōu)越的高溫吸熱、傳熱載體成為