分析大規(guī)模高效率利用太陽能的途徑和技術(shù)難點.

1、分析大規(guī)模高效率利用太陽能的途徑和技術(shù)難點目錄一、 前言二、 大規(guī)模高效率利用太陽能的途徑三、 利用太陽能的技術(shù)難點四、 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀五、 結(jié)語前言當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。太陽能作為一種可再生的新能源，越來越引起人們的關(guān)注。中國太陽能利用背景，中國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目前，我國已是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國家以及重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國。我國比較成熟的太陽能產(chǎn)品有兩項：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽熱水系統(tǒng)。大規(guī)模高效率利用太

2、陽能的途徑 我們根據(jù)將太陽能直接轉(zhuǎn)化成能量形式的不同，把太陽能利用分為光熱利用、光電利用、光化學利用。 一、光熱利用。主要包括太陽能熱水器、太陽灶、太陽能干燥器、太陽能溫室、太陽房、太陽能制冷、太陽池、太陽能熱力發(fā)電、太陽能熱力機、海水淡化、太陽能制氫等。1、 太陽能熱水器太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需熱水

3、。太陽能熱水器按結(jié)構(gòu)可分為燜曬式、管板式、聚光式、真空管式、熱管式。按照流體流動的方式分為燜曬式、直流式和循環(huán)式。2、 太陽灶 太陽灶利用太陽的輻射，直接把太陽的輻射能轉(zhuǎn)換成人們炊事使用的熱能。太陽灶種類繁多，按原理結(jié)構(gòu)分為燜曬式（箱式）、聚光式和熱管式三種。1）、燜曬式：它的工作方式是至于太陽光下長時間燜曬，慢慢的積蓄熱量。箱內(nèi)溫度一般可達120150攝氏度，適合于閃蒸食品或作為醫(yī)療器械的消毒。2）、聚光式：它是將較大面積的陽光進行聚焦，使焦點溫度達到較高的程度，以滿足炊事要求。3）、熱管式：它分為兩部分：一是室外收集太陽能的集熱器，二是熱管。3、太陽能干燥器 加熱空氣有兩種方法：一是直接加

4、熱空氣，二是間接加熱空氣。目前國內(nèi)外應(yīng)用的多為低溫型干燥器，它分為以下幾種：集熱器型干燥器、溫室型干燥器、整體型干燥器。4、 太陽能溫室常見的太陽能溫室很多，如玻璃房和花房。隨著透明塑料和玻璃纖維等新材料的出現(xiàn)，太陽能溫室越來越多樣化，發(fā)展成為田園工廠。溫室的結(jié)構(gòu)和型式可分為以下幾種：屋脊型棚、拱圓形大棚、大型塑料棚、管架大棚。5、 太陽房它是利用太陽能采暖和降溫的房子，可分為被動式和主動式。當前主動式利用成熱門，發(fā)展迅速，朝著微排建筑或是0排建筑發(fā)展。6、 太陽能制冷目前太陽能制冷的方法有多種，如壓縮式制冷、蒸汽噴射式制冷、吸收式制冷等。7、太陽池 太陽池是一種收集和儲蓄太陽能并作為熱源用的

5、水池。通常利用水中鹽濃度成穩(wěn)定狀態(tài)而吸收太陽輻射熱，并隔絕熱在底層水中的對流損失。8、 太陽能熱力發(fā)電太陽能熱力發(fā)電是利用集熱器把太陽能轉(zhuǎn)變成熱能，然后通過汽輪機、發(fā)電機來發(fā)電。按照太陽能采集方式劃分，太陽能熱力發(fā)電站主要有塔式、槽式和盤式三類。1、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是在空曠平地上建立高大的塔，塔頂安裝固定一個接收器（相當于鍋爐），塔的周圍安置大量的定日鏡，將太陽光聚集并反射到塔頂?shù)慕邮掌魃袭a(chǎn)生高溫，接收器內(nèi)生成的高溫蒸汽推動汽輪機來發(fā)電。2、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用圓柱拋物面的槽式反射鏡將太陽聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱。槽式系統(tǒng)商業(yè)化的典型代表是位于美國加州Mojave沙

6、漠上的總裝機容量為354MW的9座槽式太陽能熱發(fā)電站，年發(fā)電總量為8億kWh，從上世紀90年代初開始并網(wǎng)運行。3、 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面的碟式反射鏡將太陽聚焦到一個焦點。和槽式一樣，碟式系統(tǒng)的太陽能接收器也不固定，隨著碟形反射鏡跟蹤太陽的運動而運動，克服了塔式系統(tǒng)較大余弦效應(yīng)的損失問題，光熱轉(zhuǎn)換效率大大提高。和槽式不同的是，碟式接收器將太陽聚焦于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點上，而槽式接收器則將太陽聚焦于圓柱拋物面的焦線上。9、太陽能熱力機 太陽能熱力機是一種以太陽輻射熱作為動力的機械。它的種類很多，用途也各不相同，有的直接提供動力，有的作太陽泵，也有作小型發(fā)電設(shè)備，但是，他們的基

7、本原理不外乎郎肯循環(huán)和斯特林發(fā)動機。10、海水淡化地球上的水資源中含鹽的海水占97%，隨著人口的增加和工業(yè)的發(fā)展，使城市用水日趨緊張。為了解決日益嚴重的缺水問題，海水淡化越來越受重視。11、太陽能制氫太陽能熱分解水制氫，需將水或水蒸氣加熱到3000K以上，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。二、光電利用。光電，也稱作光伏發(fā)電，是利用太陽能電池半導體材料的光伏作用，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏發(fā)電有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種方式。獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲能裝置，主要適用于無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)和人口分散地區(qū)，整個系統(tǒng)

8、造價相對較高；在有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。目前，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)正在走向成熟，是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)之一。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2005年，全球安裝的太陽能光伏系統(tǒng)容量達1700兆瓦；同時，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在最近五年的年均增長速度已逾30%。太陽光照在半導體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理?，F(xiàn)有的太陽能電池中除了各種硅太陽能電池外，還有多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物

9、多層修飾電極型太陽能電池、 納米晶太陽能電池等。（1） 硅太陽能電池  硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。  單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。  多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換

10、效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。  非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。  （2） 多元化合物薄膜太陽能電池  多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。  硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本

11、較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。  砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。  銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較

12、稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。  （3） 聚合物多層修飾電極型太陽能電池  以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。  （4） 納米晶太陽能電池  納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝

13、及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達到2O年以上。 三、光化學利用。主要利用植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化微生物質(zhì)能，這里不再做詳細介紹。利用太陽能的技術(shù)難點太陽能主要缺點：一是能流密度低；二是其強度受季節(jié)、地點、氣候等各種因素的影響，因此不能維持常量，上述兩個缺點限制了太陽能的有效利用。針對光熱利用，主要的技術(shù)難點在于如何高效率的集熱。如何更好收集太陽輻射能，設(shè)計更好的集熱設(shè)備有待人們進一步開發(fā)探索。而對于太陽能熱力發(fā)電，上述幾種太陽能熱發(fā)電技術(shù)，除碟式發(fā)電系統(tǒng)外，都屬于大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，只有建設(shè)幾十到幾百兆瓦級的發(fā)電站，成本才可能降下

14、來。太陽能塔熱氣流發(fā)電和太陽池發(fā)電占地面積大，利用效率只有1%左右，因此太陽能塔熱氣流發(fā)電適合于土地廣闊、人口稀少的沙漠地區(qū)；而太陽池發(fā)電適合日照條件好、鹽資源比較豐富的地區(qū)。總體來看，槽式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)上最為成熟，且跟蹤機構(gòu)比較簡單、易于實現(xiàn)，總體成本最低。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)要實現(xiàn)的是低投資和高可靠性運行，這就要求未來要進行新型集熱材料的研究和開發(fā)，快速提高跟蹤機構(gòu)的技術(shù)并降低成本。同時發(fā)電產(chǎn)業(yè)要實現(xiàn)規(guī)模化，建立大規(guī)模的并網(wǎng)系統(tǒng)，既節(jié)約成本又保證系統(tǒng)平穩(wěn)安全運行。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，主要是由于太陽能發(fā)電初期投資大，控制成本高，而太陽能轉(zhuǎn)化效率比較低，且容易受天氣等多種因素影響。根據(jù)目前光

15、伏發(fā)電發(fā)展狀況和技術(shù)難點，未來的光伏發(fā)電研究需要重視以下幾個方面：（1）加快太陽能原材料晶體硅生產(chǎn)技術(shù)的研究和新型替代材料的開發(fā)，降低材料成本并提高其轉(zhuǎn)化效率。（2）提高系統(tǒng)控制技術(shù)，如實現(xiàn)光伏電池陣列的最優(yōu)化排列組合和太陽光最大功率跟蹤等。（3）研究光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)，減少光伏電能對電網(wǎng)的沖擊。（4）研究光伏發(fā)電與其他可再生能源發(fā)電技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，保證供電持續(xù)性。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展太陽能發(fā)電的需求主要來自滿足農(nóng)村和邊遠地區(qū)的生產(chǎn)與生活用電及我國電力事業(yè)持續(xù)發(fā)展兩個方面。在太陽能發(fā)電方面我國具有得天獨厚的有利條件。（1）豐富的太陽能資源。我國總面積2/3以上的地區(qū)年平均日照時數(shù)在2000h以上，

16、年平均日輻射量在4000MJ/m2以上，要優(yōu)于歐洲和日本，與美國相近。如此豐富的太陽能資源可以節(jié)省太陽能電池的用量，有利于太陽能發(fā)電在較低成本下加以推廣。（2）我國太陽能電池的生產(chǎn)能力已超過日本、美國和歐洲，居世界第一位。2007年我國太陽能電池的產(chǎn)量約為1180MW。2007年在全球太陽能生產(chǎn)企業(yè)16強中，我國占據(jù)了6席。（3）逆變技術(shù)是太陽能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于我國在大功率開關(guān)器件開發(fā)和逆變技術(shù)的應(yīng)用等方面已取得長足進步，生產(chǎn)出適用于光伏并網(wǎng)、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆變器亦成為可能。 但是，為了太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)能快速發(fā)展，還必須解決以下幾個問題：（1）我國生產(chǎn)太陽能電池的原材

17、料主要依靠進口，而絕大多數(shù)太陽能電池和切片用于出口，這種不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的局面必須盡快扭轉(zhuǎn)。（2）太陽能發(fā)電的成本在3元/kW·h以上，遠遠高于目前居民電網(wǎng)電價0.5元/kW·h,這也是發(fā)展太陽能發(fā)電的不利一面。（3）目前，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，比如小尺寸（1cm2）多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為19.8%,而大尺寸（1000cm2）多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為12%,為了降低太陽能發(fā)電的成本，必須提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。（4）我國的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步于獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備（10kW以下）,主要用于解決太陽能資源豐富而又無電的邊遠地區(qū)的居民用電。而更大容量（MW級）的并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備的投產(chǎn)是降低成本的途徑之一。（5）截止到2005年，我國的風力發(fā)電總裝機容量為1500MW左右，是太陽能發(fā)電總裝機容量的20倍，到2020年規(guī)劃總裝機容量為30000MW,也是規(guī)劃太陽能發(fā)電總裝機容量的15倍。但兩者特點各異。夏季日照足風速低，冬季日照弱風速強；同樣白天日照強時風小，夜晚無光照時風大。因此，協(xié)調(diào)太陽能發(fā)電與風力發(fā)電并網(wǎng)是提高電能質(zhì)量和降低成本的另一途徑。結(jié)語太陽能發(fā)電對我國農(nóng)村與邊遠地區(qū)發(fā)展的意義重大，并已取得