太陽能應用技術

太陽能

利用技術舒海靜熱能工程學院

前言我國能源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢能源是人類賴以生存的物質基礎，是加速國民經(jīng)濟發(fā)展，建設現(xiàn)代化社會主義強國的“先行官”。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步、人們生活水平的提高，對能源的需求亦隨之遞增。作為常規(guī)能源的煤炭、石油、天然氣、水能和核裂變能等，目前世界能源的消費幾乎全靠這五大能源來供應，在今后相當長的時期內(nèi)，它們?nèi)詫问澜缒茉次枧_上的主角。我國能源存在著許多重大問題：人均能耗低；人均能源不足；能源效率低；以煤為主的能源結構亟待調整；能源供應安全問題提到議事日程上來。圖1我國各種能源儲采比與世界比較為滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展對能源的需要，防止和減輕大量燃用化石能源對環(huán)境造成的嚴重污染和生態(tài)破壞，必須走可持續(xù)發(fā)展的能源道路，即清潔能源道路?？稍偕茉丛谙闹罂梢缘玫交謴脱a充，不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染物，被認為是未來能源結構的基礎。據(jù)專家預測，到2050年各種一次能源在世界能源構成中所占的比例分別為：石油0（或甚微），天然氣13%，煤20%，核能10%，水電5%，太陽能、風能、生物質能50%，其它2%。由此可見，21世紀是人類大規(guī)模利用可再生能源的世紀。（圖2）圖2Shell對世界能源發(fā)展的預測

太陽能具有資源豐富、取之不盡、用之不竭、處處均可開發(fā)應用、無需開采和運輸、不會污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡等特點。太陽能的開發(fā)利用將有巨大的市場前景，它不僅帶來很好的社會效益、環(huán)境效益，而且還具有明顯的經(jīng)濟效益。

第一章概論

1.1新能源和可再生能源的含義、

特點及種類（1）新能源和可再生能源的基本含義以新技術和新材料為基礎，使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開發(fā)利用，用取之不盡、周而復始的可再生能源來不斷取代資源有限、對環(huán)境有污染的化石能源；它可以持續(xù)發(fā)展，幾乎是用之不竭，對環(huán)境無多大損害，有利于生態(tài)良性循環(huán)。

（2）新能源和可再生能源的主要特點能量密度較低并且高度分散；資源豐富，可以再生；清潔干凈，使用中幾乎沒有損害生態(tài)環(huán)境的污染物排放；太陽能、風能、潮汐能等資源具有間歇性和隨機性；開發(fā)利用的技術難度大。（3）新能源和可再生能源的種類聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）分為3大類：大中型水電。新可再生能源。包括小水電、太陽能、風能、現(xiàn)代生物質能、地熱能和海洋能等傳統(tǒng)生物質能。我國目前利用的新能源和可再生能源：a.生物質能。綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能儲存在生物質內(nèi)部的能量。通常包括木材及森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機廢棄物、動物糞便等。應用：沼氣、壓縮成型固體燃料、氣化生產(chǎn)燃氣、氣化發(fā)電、生產(chǎn)燃料酒精、熱裂解生產(chǎn)生物柴油等。

利用途徑有直接燃燒、熱化學轉換和生物化學轉換。b.太陽能。轉換和利用方式有光-熱轉換、光-電轉換和光-化學轉換。太陽輻射的優(yōu)點：

a普遍；b無害；c長久；d巨大。缺點：

a分散性；b隨機性；c間歇性。c.風能。太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻，引起各地溫差和氣壓不同，導致空氣運動而產(chǎn)生的能量。利用的主要形式有風力發(fā)電、風力提水、風力制熱以及風帆助航等。d.小水電。指小水電站及其相配套的電網(wǎng)的統(tǒng)稱。開發(fā)方式按照集中水頭的辦法，可分為引水式、堤壩式和混合式3類。e.地熱能。指當前技術經(jīng)濟和地質環(huán)境條件下，地殼內(nèi)部能夠科學合理地開發(fā)出來的巖石的熱能量和地熱流體中的熱能量及其伴生的有用組分。利用方式主要有地熱發(fā)電和地熱直接利用。f.海洋能。指蘊藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、海水溫度差能和海水鹽度差能等不同的能源形態(tài)。海洋能技術是指將海洋能轉換成為電能或機械能的技術。g.氫能和燃料電池。氫能是一種二次能源。氫能不但清潔干凈、效率高，而且轉換形式多樣，可以制成以其為燃料的燃料電池。

1.2開發(fā)利用

新能源和可再生能源的意義能源危機如同身后的滾石,在我們漫不經(jīng)心時……

（1）新能源和可再生能源是人類社會未來能源的基石，是大量燃用的化石能源的替代能源在當今的世界能源結構中，人類所利用的能源主要是石油、天然氣的煤炭等化石能源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，社會生產(chǎn)的提高，能源消費量高速增長。1998年世界一次能源消費總量為140.50億噸標準煤，預計2020年將達到200～250億噸標準煤以上。據(jù)權威機構統(tǒng)計，至2002年底，世界一次能源可采儲量如圖所示。我國的能源資源儲量不容樂觀，人均能源資源占有量非常低。國際權威機構的預測，到21世紀60年代，全球新能源和可再生能源的比例，將會發(fā)展到占世界能源構成的50%以上。（2）新能源和可再生能源清潔干凈，只有很少的污染物排放，是與人類賴以生存地球的生態(tài)環(huán)境相協(xié)調的清潔能源化石能源的大量開發(fā)和利用，是造成大氣和其他類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。CO2等溫室氣體的排放，造成全球平均氣溫上升和海平面上升。能源利用和其他污染源大量排放環(huán)境污染物造成環(huán)境嚴重污染。（3）新能源和可再生能源是不發(fā)達國家約20億無電人口和特殊用途解決供電、用能問題的現(xiàn)實能源。太陽能被譽為21世紀最有希望的能源

我國具有豐富的太陽能資源，年日照時數(shù)在2200小時以上的地區(qū)約占國土面積的2/3以上。太陽能資源分布的特點是西部多于東部，南部大部分地區(qū)少于北部。中國太陽能資源分布帶（100MJ/M2.a)1.3太陽能利用簡史中國是世界上利用太陽能最早的國家之一，中華民族的祖先是人類利用太陽能最早、最杰出的先驅。公元前11世紀（西周時代），利用銅制凹面鏡匯聚陽光點燃艾絨取火，稱之為“陽燧取火”。西晉時代，把冰磨成凸透鏡，用來使太陽光聚集而取火。

從世界范圍來說，真正引起國際社會重視并有組織的對太陽能利用開展較大規(guī)模研究開發(fā)和試驗示范工作，開始于20世紀60年代之初。1961年聯(lián)合國在羅馬召開的國際新能源會議，把太陽能利用作為主要議題之一。按照太陽能利用發(fā)展和應用的狀況，把現(xiàn)代世界太陽能利用的發(fā)展過程劃分為如下8個階段。第一階段，1615—1900年，1615年發(fā)明世界上第一臺利用太陽能驅動的抽水泵。這和其他動力裝置的發(fā)明幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發(fā)動機功率不大，工質大都是水蒸氣，造價昂貴，實用價值不大。1860年研制出世界上第一臺拋物鏡太陽灶。第二階段，1901—1920年，研究的重點，仍然是太陽能動力裝置。但采用的聚光方式多樣化，并開始采用平板式集熱器和低沸點工質。同時，裝置的規(guī)模也有擴大，實用價值增大，但造價仍然很高。第三階段，1921—1945年，化石燃料大量開采應用，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，研究開發(fā)處于低潮。第四階段，1946年—1965年，太陽能利用的研究開始復蘇，加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究，取得了太陽能選擇性涂層和硅太陽能電池等關鍵技術的重大突破；平板式集熱器有了很大發(fā)展，技術上逐漸成熟；太陽能吸收式空調的研究取得進展；建成了一批實驗性的太陽房；對技術難度較大的斯特林發(fā)動機和太陽能熱發(fā)電技術等進行了初步研究。第五階段，1966—1973年，停滯不前，發(fā)展緩慢，技術還不成熟。第六階段，1973—1980年，石油危機帶來了世界太陽能利用前所未有的大發(fā)展時期。①各國加強了支持力度，制定“陽光計劃”。

②研究領域不斷擴大，取得了一批較為重要的成果。③太陽熱水器和太陽能電池等產(chǎn)品開始實現(xiàn)商品化，初步建立起太陽能產(chǎn)業(yè)，但規(guī)模較小，經(jīng)濟效益上不理想。④存在要求過高、過急的問題。第七階段，1981—1991年，石油價格大幅回落，太陽能產(chǎn)品價格居高不下，缺乏競爭力，技術也無重大突破，故研究經(jīng)費大幅度減少，但仍有很好的進展。全世界建造了500kW以上的太陽能熱發(fā)電站約20多座。第八階段，1992年至今，化石能源的大量耗用造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對人類的生存和發(fā)展構成嚴重威脅。聯(lián)合國于1992年6月召開了“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，把環(huán)境與發(fā)展緊密結合，確立了經(jīng)濟社會走可持續(xù)發(fā)展之路的模式。世界各國加強了對于清潔能源技術的研究開發(fā)，把利用太陽能與環(huán)境保護緊密結合在一起，使太陽能的開發(fā)利用工作走出低谷，逐步得到重視和加強。

1992年以后，世界太陽能利用進入了一個快速發(fā)展的新階段。

特點：①太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護緊密結合，全球共同行動，為實現(xiàn)世界太陽能發(fā)展戰(zhàn)略而努力。②發(fā)展目標明確，重點突出，措施得力，克服了以往忽冷忽熱、過熱過急的弊病，使太陽能事業(yè)健康、穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展。③在加大研發(fā)力度的同時，注意將研發(fā)成果盡快轉化為產(chǎn)品，不斷擴大太陽能利用應用領域和應用規(guī)模，努力降低成本，大力提高經(jīng)濟效益，積極發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進程。1.4太陽能利用基本方式光熱利用基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦型集熱器等3種。根據(jù)所能達到的溫度和用途的不同，太陽能光熱利用分為低溫利用（<200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（>800℃）。目前低溫利用主要有太陽熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽爐等。太陽能發(fā)電①光-熱-電轉換。即利用太陽集熱器將所吸收的熱能轉換為工質的蒸氣，然后由蒸氣驅動氣輪