太陽能熱利用綜述

PAGEPAGE1太陽能熱利用技術發(fā)展摘要：太陽能是理想的可再生能源．太陽能熱利用技術目前還處于發(fā)展時期。文章對太陽能熱利用成熟技術、先進技術以及當前研究的中心問題進行了簡要的概述。成熟技術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；先進技術部分主要闡述了尚處于研究試驗階段的高品位太陽能熱利用技術，包括太陽能熱發(fā)電、太陽能空調制冷、太陽能制氫、太陽能梅水淡化及太陽能煙囪發(fā)電等；在當前研究的中心問題部分，主要論述解決太陽能熱利用的關鍵技術問題。關鍵詞：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引言由于人類對能源需求的日益增長，常規(guī)能源的日益短缺，石油價格不斷上漲，全球氣候變暖以及環(huán)境的壓力，世界各國為尋求能源安全和人類社會可持續(xù)發(fā)展，將戰(zhàn)略目光轉向可再生能源的開發(fā)新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(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，開發(fā)和利用太陽能是人類社會可持續(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，才有意把太陽能進一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式。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，通過溫室效應把水加熱的裝置，它由集熱器、儲熱水箱、循環(huán)水泵、管道、支架、控制系統(tǒng)及相關附件組成。集熱器是吸收太陽輻射能并向工質(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．集熱器擔負著兩項主要功能，一是吸收太陽輻射能，二是將熱量傳遞給工質．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特性與輻射波長無關的吸收涂層；選擇性吸收涂層則是指其光學特性隨輻射波長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、儲熱等方式獲取熱量，進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，使室內達到一定環(huán)境溫度的一種建筑物。太陽房分為主動式和被動式兩類。1938年世界上第一幢主動式太陽房由美國麻省理工學院建成。它是一種能夠控制的采暖方式，用集熱器、貯熱裝置、管道、風機、水泵等設備“主動”收集、儲存和輸配太陽能。由于它具有利用太陽熱能和節(jié)約能源的優(yōu)點，從它誕生的那天開始就十分引人注意。被動式太陽房最早是在法國發(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構及建筑材料的熱工性能，使房屋盡可能多地吸收和儲存熱量。如果所獲得的太陽能達到了建筑物采暖、空調所需能量的一半以上，就達到了被動式太陽房的要求。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：一種是利用半導體光伏效應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熱利用技術，美國、西班牙、以色列、意大利、澳大利亞、日本、俄羅斯等國家都投入了大量資金和人力進行研究，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、實現(xiàn)大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最經(jīng)濟手段之一，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)化應用前期和工業(yè)化應用初期[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)的設計思想是20世紀50年代前蘇聯(lián)提出的，用于傳熱的循環(huán)介質可以是水、油、熔鹽或液態(tài)鈉[2,3]。.聚光比可達300—1500，運行溫度可達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。定日鏡負責采集太陽能，接收器負責將采集的太陽能轉化為熱能，熱能由蓄熱裝置收集，并由裝置內的工作流體通過熱力循環(huán)將熱能傳輸至動力設備(汽輪機或燃氣輪機)并帶動發(fā)電機發(fā)電，最終將熱能轉化成電能。其特點是：采用高溫熔融鹽來蓄熱儲能，聚光比高，容易達到較高的工作溫度，接收器散熱面積相對較小，可以得到較高的光熱轉換效率，這種電姑的運行參數(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，管內的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器的加熱工質，借助于蒸汽動力循環(huán)來發(fā)電。拋物面可對太陽進行一維跟蹤，聚光比在10一100之間，溫度可達400％。槽式太陽能熱發(fā)電最大的優(yōu)點是多聚光器集熱器可以同步跟蹤，故跟蹤控制代價大為降低。缺點是：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的接收器上，接收器吸收這部分輻射能并將其轉換成熱能，在接收器上安裝熱電轉換裝置，比如斯特林發(fā)動機或朗肯循環(huán)熱機等，從而將熱能轉換成電能。單個碟式斯特林發(fā)電裝置的容量范圍在5—50kW之間。用氦氣或氫氣作工質，工作溫度達800°，斯特林發(fā)動機能量轉換效率較高。碟式系統(tǒng)可以是單獨的裝置，也可以是由碟群構成以輸出大容量電力。3.2國內太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀我國國內光伏產業(yè)也在飛速發(fā)展，在1983年一1987年建成了40多座縣、鄉(xiāng)級小型光伏電站，光伏電池總裝機容量約600kw，其中西藏最多，達450多kw；1998年10月建成我國最大的西藏那曲安多縣光伏電站的光伏電池裝機容量高達100kw。家用光伏電源在青海、內蒙古、新疆、甘肅、寧夏、西藏以及遼寧、吉林、河北、海南、四川等地廣泛應用。據(jù)不完全統(tǒng)計，至今全國已累計推廣家用光伏電源約15萬臺，光伏電池總功率約達2.9MW。在22所農村學校建立了光伏電站，光伏電池組件的總裝機容量為57kw。1995年，63個國家重點援藏項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先伏電源系統(tǒng)，總功率為40kw。該系統(tǒng)橫貫環(huán)境惡劣復雜的塔克拉瑪干大沙漠，總長達300Km。1998年中國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、倫敦等海外市場及國內證券市場上市。2008年，國內光伏電池產量超過了2000MW，實際生產能力超過了3000MW，位居世界第一。光伏電池產量占全球產量的比重由2001年的1%提高到2008年的15%。我國2002～2003年的“送電到鄉(xiāng)”工程，投資50億在西部地區(qū)建設了近千座獨立光伏電站，不但很好的解決了無電地區(qū)居民的基本生活用電問題，也極大拉動了國內光伏產業(yè)的發(fā)展。而近兩年光伏建筑一體化日趨流行，國家體育館、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)電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀計劃。準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導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現(xiàn)的。

另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設太陽能發(fā)電站設想，準備在同步軌道上放一個長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?，F(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實現(xiàn)了短距離、短時間、小功率的微波無線輸電，但離真正實用還有漫長的路程。

隨著我國技術的發(fā)展，在2006年，中國有三家企業(yè)進入了全球前十名，標志著中國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用，導致了目前缺乏的是原材料的供應和價格的上漲，我們需要將技術推廣的同時，必須采用新的技術，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長遠發(fā)展提供原動力！

太陽能的使用主要分為幾個方面：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、風光互補路燈、風光互補供電系統(tǒng)等，現(xiàn)在主要的應用方式為建筑一體化和風光互補系統(tǒng)。5太陽能熱利用中心問題5.1跟蹤聚焦技術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，這就對太陽能的收集和利用提出更高的要求，目前得到廣泛應用的太陽熱水器，一般只能滿足人們的洗浴要求。屬于太能的低溫熱利用，無法提供工業(yè)應用上的高溫熱水及蒸汽等．為了滿足人們對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熱能，集熱器須采用聚焦、跟蹤等技術。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度，節(jié)省吸熱材料，提高熱利用效率。太陽能聚焦技術廣泛應用于太陽能空凋、太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、光電化學、太陽能制氫等領域，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鍵部分，它承擔著太陽輻射能的吸收和熱傳導雙重任務。當前，人類太陽能熱利用的多數(shù)研究成果僅限于低溫應用(<100屯)，特別是國內更是如此。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熱利用所要解決的關鍵問題。光學性能穩(wěn)定、耐候性強(受氣候影響小)、制備工藝簡單、對環(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今太陽能熱利用研究的重要目標和發(fā)展方向。傳熱技術輻射吸收材料即選擇性吸收涂層一般沉積在導熱性能良好的金屬材料上，比如銅、鋁、不銹鋼等。太陽輻射能所轉換成的熱能一般通過中間工質傳輸用戶端，比如太陽熱發(fā)電一般采用導熱油、熔鹽、空氣等工質吸收并傳輸熱能給水和水蒸氣，水蒸氣推動汽輪機并帶動發(fā)電機發(fā)電，將熱能轉換成電能。中間熱傳輸工質的選擇對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)工質水、空氣、油、熔鹽等由于水、油作為高溫吸熱載體的熱機效率很低，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較高，其工作溫度范圍很窄，為了防止熔鹽凝固需要浪費很大的常規(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