我國太陽能利用技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景

1、0905030223陳磊我國太陽能利用技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景太陽能利用技術指太陽能的直接轉化和利用技術。把太陽輻射能轉換成熱能并加以利用屬于太陽能熱利用技術；利用半導體器件的光伏效應原理把太陽能能轉換成電能稱為太陽能光伏技術。人類利用太陽能雖然已有3000多年的歷史,但把太陽能作為一種能源和動力加以利用,卻只有不到400年的歷史。自17世紀初以來可以按照太陽能利用發(fā)展和應用的狀況,把現(xiàn)代世界太陽能利用的發(fā)展過程大致劃分為8個階段。近代太陽能利用的歷史,一般從1615年法國工程師所羅門,德考克斯發(fā)明世界上第一臺利用太陽能驅動的抽水泵算起；19011920年這一階段世界太陽能研究的重點,仍然是太陽能動

2、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；19211945年由于化石燃料的大量開采應用及爆發(fā)了第二次世界大戰(zhàn)的影響,此階段太陽能利用的研究開發(fā)處于低潮,參加研究工作的人數(shù)和研究項目及研究資金大為減少；19461965年這一階段,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,在太陽能利用的各個方面都有較大進展;19661973年此階段由于太陽能利用技術還不成熟,尚處于成長階段,世界太陽能利用工作停滯不前,發(fā)展緩慢；19731980年這一時期爆發(fā)的中東戰(zhàn)爭引發(fā)了西方國家的！“石油危機”,使得越來越多的國家和有識之士5RIP,到現(xiàn)時的能源結構必須改變,應加

3、速向新的能源結構過渡,客觀上使這一階段成了太陽能利用前所未有的大發(fā)展時期;19811991年由于世界石油價格大幅度回落,而太陽能產品價格居高不下,缺乏競爭力,太陽能利用技術無重大突破;1992年至今為第八階段,1992年6月聯(lián)合國!世界環(huán)境與發(fā)展大會?在巴西召開之后,世界各國加強了對清潔能源技術的研究開發(fā),使太陽能的開發(fā)利用工作走出低谷,得到越來越多國家的重視和加強。1太陽能熱利用技術在國內外發(fā)展概況太陽能熱利用具有廣闊的應用領域,但最終可歸納為太陽能熱發(fā)電(能源產出)和建筑用能(終端直接用能),包括采暖、空調和熱水。當前太陽能熱利用最活躍、并已形成產業(yè)的當屬太陽能熱水器、太陽能熱發(fā)電和太陽能

4、制冷。此外,在太陽能熱泵、熱推進技術等新型領域也有一定的研究與應用。1.1 太陽能熱水器熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高、應用最普遍的技術。國際上,太陽能熱水器產品經歷了悶曬式、平板式、全玻璃真空管式的發(fā)展.目前熱水器產品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率,如將透明隔熱材料應用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層,以減少熱量損失。目前在提高集熱器效率的研究領域,主要在以下幾個方面取得了較大進展:(a)透明蜂窩應用于太陽能熱水器的研究透明蜂窩是應用廣泛的透明隔熱材料,將透明蜂窩應用于太陽能熱水器的核心部件集熱器的研究,成為目前太陽能熱水器發(fā)展的一個重要趨勢。透明蜂窩結構中的網格把其中的空氣分割成很多相

5、互隔離的微小空氣單元,在一端或兩端封閉的情況下能有效抑制單元內自然對流的形成,使熱損系數(shù)降低,提高隔熱性能。透明蜂窩具有!熱二極管?的作用一既能透過太陽輻射,又具有優(yōu)異的隔熱性能。透過率和熱損系數(shù)是透明蜂窩結構的兩個主要性能參數(shù),多年來人們在不斷地研制不同構造的透明蜂窩結構以期獲得熱損低而透過率高的透明隔熱材料。(b)真空管太陽能熱水器的研究真空管式太陽能熱水器由多只真空玻璃集熱管插入儲水箱構成,換熱原理為自然對流換熱。作為真空管式太陽能熱水器的核心部件,國外最初的真空集熱管是由單層壁內部抽成真空的玻璃管內置帶U型金屬管的鋼制吸熱體構成的。流體從金屬管一端流入,另一端流出,但熱效率太低,制作復

6、雜。1976年,美國康寧公司研制成功了單層壁玻璃真空管內置熱管和內曲面反射器真空集熱管。該設計曲面使投射的太陽射線在一寬范圍的接受角內聚集在熱管上,大大降低了光線的反射和漫反射損失,這就是CPC復合拋物面聚光器在全玻璃真空集熱管上應用的雛形,為降低熱損失,熱管上開始電鍍黑鉻。現(xiàn)在,國外已經具有完備的生產制造真空玻璃管的工藝和技術,并且和CPC技術得到完美結合。(c)熱管式真空管太陽能熱水器的設計研究由于熱管具有良好的導熱性能,其形狀又可隨熱源和冷源的條件而變化,具有很好的環(huán)境適應性。所以將熱管應用于太陽能集熱器將會顯著提高其集熱效率。熱管式真空集熱管由外玻璃管、表面帶選擇性涂層的重力熱管組成。

7、外玻璃管和熱管之間抽真空(約1*10Pa),這樣可以有效地減少熱管吸熱段向外界的散熱損失。采用重力熱管,是因為熱管內不需設置吸液芯,具有結構簡單、制造方便、成本低廉、傳熱性能優(yōu)良、工作可靠、單向導熱等優(yōu)點,熱管材料為不銹鋼4。(d)應用全息技術提高太陽能熱水器效率的研究太陽能熱水全息集熱系統(tǒng)的工作原理如圖1所示全息聚光元件兼具有會聚和色散的功能,用它來實現(xiàn)聚光型太陽能的轉換系統(tǒng)不僅效率高,成本也大大地降低。1所示為一種反射透射型全息太陽能集光圖器,它由兩層全息圖組成。上層對可見光相當于一個凹面反射鏡把藍、綠、紅三種不同波長的光分開并會聚成不同的光斑,選用相應的光譜響應特性曲線的光電池進行光電熱

8、轉換,下層對紅外光相當于會聚透鏡,把熱紅外光譜成分透射會聚到一個光熱轉化接收器上。這樣就減少光電轉換器件、光熱轉換器件的用量,5降低太陽能熱水器的成本和提高太陽能的利用率。1.2 太陽能熱發(fā)電目前,太陽能熱發(fā)電在技術上和經濟上可行的三種形式是:3080MW聚焦拋物面槽式太陽能熱發(fā)電技術(簡稱拋物面槽式)；30200MW點聚焦中央接收式太陽能熱發(fā)電技術(簡稱塔式)；7.525kW的點聚焦拋物面盤式太陽能熱發(fā)電技術(筒稱拋物面盤式)。除了上述幾種傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電方式以外,太陽能煙囪發(fā)電、太陽池發(fā)電等新領域的研究也有進展。(a)太陽能煙囪發(fā)電太陽能煙囪發(fā)電技術由溫室、煙囪和風力發(fā)電技術三者結合為一

9、體,該系統(tǒng)由集熱棚、煙囪、發(fā)電系統(tǒng)組成。集熱棚用玻璃或塑料等透明材料建成,并用金屬框架作為支撐,集熱棚四周與地面留有一定的間隙,大約90%的可見光能夠進入集熱棚,被棚內地面吸收,同時由于溫室效應,集熱棚能夠很好地阻隔地面發(fā)出的長波輻射。這樣集熱棚就成了一個有效的捕捉和儲存系統(tǒng)。棚內被加熱的地面與棚內空氣之間的熱交換使集熱棚內的空氣溫度升高,受熱空氣由于密度下降而上升,進入集熱棚中部的煙囪,帶動煙囪內安裝的渦輪發(fā)電機發(fā)電。同時棚外的冷空氣通過四周的間隙進入集熱棚,這樣就形成了集熱棚內空氣的連續(xù)流動。太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)可建于人口稀少地區(qū),其設備較其它發(fā)電技術簡單,運行費用低,而且設備規(guī)模越大,功率

10、越大,發(fā)電的功率也越高。不但白天能夠發(fā)電,而且晚上也能釋放能量,保證發(fā)電機組的連續(xù)運轉,因此特別適合于我國西部荒漠地區(qū)。(b)太陽池發(fā)電簡單地說,太陽池是一種池內水體加鹽(一般用NaCI、CaCh、MgCl2、Na2CO,和芒硝等鹽類)使對流受到抑制的太陽能集聚工程。它可以兼作太陽集熱器和儲熱器,并且構造簡單,操作方便,宜于大規(guī)模開發(fā),所以近年來得到快速發(fā)展。太陽池發(fā)電的突出優(yōu)點,一是建造發(fā)電站的成本較低,幾乎無需使用價格昂貴的不銹鋼、玻璃等材料,只需要一處淺水池和發(fā)電設備即可;二是由于它能夠儲存大量的熱能,再利用池中特定介質汽化后相互對流產生的能量推動氣輪機運轉發(fā)電,所以對光照的強度要求不高

11、,即便是在夜晚和陰雨雪天也能照常進行工作。太陽池的應用也有一定的局限性:一是在高緯度地區(qū),只能水平設置的太陽池接收的太陽輻射較少;二是在某些有地下流動含水層的地區(qū),如果太陽池發(fā)生泄露,會造成水源污染和嚴重的熱損失;三是大型太陽池只能建造在土壤貧瘠又無礦藏的地區(qū),以免占用耕地、影響開礦以及引起生態(tài)環(huán)境和地球物理方面的6變化。除上述方法外,還有太陽能熱離子發(fā)電、太陽能磁流體熱發(fā)電、太陽能海水溫差發(fā)電等。1.3 太陽能制冷實現(xiàn)太陽能制冷有兩條途徑:一是太陽能光電轉換,以電制冷;一是太陽能光熱轉換,以熱制冷。前一種方法成本太高,應用較少,所以目前普遍采用以熱制冷。太陽能以熱制冷研究主要在三個方向上進行

12、,即太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴射式制冷。其中吸收式制冷和噴射式制冷都已經進入了應用階段,吸附式制冷還處在研究階段。由于吸收式制冷系統(tǒng)龐大,運行復雜;吸附式制冷則停留在實驗室階段,因此對吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的實用化是目前研究的熱點。(a)太陽能吸收式制冷吸收式制冷技術是利用吸收劑的吸收和蒸發(fā)特性進行制冷的技術,根據(jù)吸收劑的不同,分為氨一水吸收式制冷和溴化鋰一水吸收式制冷兩種。它以太陽能集熱器收集太陽能產生熱水或熱空氣,再用太陽能熱水或熱空氣代替鍋爐熱水輸入制冷機中制冷。由于造價、工藝、效率等方面的原因,這種制冷機不宜做得太小。一般用于較大型的制冷設備,如中央空調系統(tǒng)、

13、大型冷凍庫等。(b)太陽能吸附式制冷吸附式制冷技術是利用固體吸附劑對制冷劑的吸附作用來制冷,常用的有分子篩一水、活性炭一甲醇吸附式制冷。吸附式制冷循環(huán)方式的研究有基本型、連續(xù)型、連續(xù)回熱型、熱波型和對流熱波型,前三種已有樣機研制成功,后兩種尚處在理論模擬和實驗室階段。由于現(xiàn)今國際上的太陽能吸附制冷裝置大多以水或甲醇等低飽和蒸汽壓液體作為制冷劑,如何長期保證系統(tǒng)較高的真空度是太陽能吸附制冷技術走向應用的一個難題。針對這個問題,劉震炎等人研制了一種新型非金屬太陽能制冷管。其殼體采用高透過率的玻璃管,一根冷管即為一個制冷單元。冷管的上端為吸附床段,其內填充中空圓柱型復合吸附劑塊;中部為冷凝段,外接水

14、箱利用水的自然對流進行冷卻；下端的蒸發(fā)器內填充制冷劑。冷管型太陽能制冷系統(tǒng)具有下述優(yōu)點:因吸附床直接吸收太陽能,減少了換熱的中間環(huán)節(jié),有利于提高制冷系統(tǒng)對太陽能的利用率；冷管殼體采用玻璃管,易于密封及長期維持較高的真空度;實現(xiàn)了加熱與制冷在一根管子上進行,結構簡單,易于模塊化。這些使冷管型太陽能制冷系統(tǒng)具有良好的實用性。(c)太陽能噴射式制冷噴射式制冷是太陽能經集熱器產生一定壓力的蒸汽來完成噴射制冷。噴射式制冷系統(tǒng)簡單,但制冷系數(shù)較低,因而出現(xiàn)了用電能輔助提高噴射器的引射壓力以提高系統(tǒng)性能的趨勢。利用太陽能集熱器獲得較高溫度的熱水為熱源,采用低沸點工質輔以機械壓縮噴射制冷循環(huán)稱為太陽能增強型噴

15、射制冷系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要以提高引射流壓力來提高噴射器性能,它綜合了機械壓縮式制冷循環(huán)和蒸汽噴射式制冷循環(huán)的優(yōu)點,具有較高的熱經濟性,其COP比傳統(tǒng)的噴射制冷高50%。1.4 太陽能熱泵將太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)稱為太陽能熱泵系統(tǒng)。其工作原理為:在蒸發(fā)器吸熱后,其工質的高溫低壓過熱氣體在壓縮機中經過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w,經冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體,放出工質的氣化熱,與冷凝水進行熱交換,使冷凝水被加熱為熱水,供用戶使用。同時液態(tài)工質再經過降壓閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w,并回到蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量,蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸氣,完成一個循環(huán)過程。1.5 太陽能熱推進太陽能推進可分為太陽能電推

16、進(SEP)和太陽能熱推進(STP)兩大類。SEP是通過太陽電池將太陽能轉化成電能,再通過電源處理系統(tǒng)將電能供應給各種電推力器加熱工質產生推力的推進技術；STP是利用聚集的太陽能直接加熱工質產生推力的推進技術。STP與電推進技術相比較,不需要電能轉換、管理分配系統(tǒng),從而使系統(tǒng)簡單可靠,能量利用率高；與核火箭發(fā)動機相比,STP使用豐富廉潔的太陽能,不產生粒子污染,具有較高的比沖,范圍寬闊適中的推力,對同樣的星際探索任務；與化學能推進型發(fā)動機相比,其有效載荷質量比提高1.363.4倍,有顯著的質量節(jié)省。因此,STP是空間推進技術發(fā)展的一個重要方向。其中,高性能太陽能主聚光器的研制和吸收器/推力室的

17、高溫熱結構設計是太陽能熱推進器(STP)發(fā)展過程中的關鍵技術。2太陽能光伏發(fā)電技術國內外發(fā)展概況50年代第一塊實用的硅太陽電池的問世,揭開了光電技術的序幕,也揭開了人類利用太陽能的新篇章。世界光伏組件生產最近10年的平均年增長率為22%,最近5年的年平均增長率為35%,2005年已達到近800MW?？梢钥闯?世界光伏產業(yè)呈快速發(fā)展勢態(tài),成為世界發(fā)展最快的新興產業(yè)之一。在光伏產業(yè)方面,各國一直通過擴大規(guī)模、提高自動化程度,改進技術水平、開拓市場等措施降低成本,并取得了巨大進展。在研究開發(fā)方面,單晶硅電池效率達到24.7%,多晶硅電池效率19.8%,非晶硅電池實驗室穩(wěn)定效率已突破15%,碲化鎘電池

18、效率達到16.4%,銅銦硒電池效率18.8%。晶硅薄膜電池的研究自1987年以來發(fā)展迅速,成為世界關注的新熱點。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導體材料的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng),有獨立運行和并網運行兩種方式。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,主要用于無電網的邊遠地區(qū)和人口分散地區(qū),整個系統(tǒng)造價很高;在有公共電網的地區(qū),光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網連接并網運行,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)電的研究重點在開發(fā)高效率、低成本新型太陽能電池方面。主要包括非晶硅太陽能電池和微晶硅迭層薄膜電池的實驗型

19、研究。(a) 非晶硅太陽能電池非晶硅是一種很好的太陽能電池材料,成熟的非晶硅太陽電池具有較高的穩(wěn)定性,效率已達到8%。隨著非晶硅太陽電池轉化效率的提高及生產成本的降低,柔性襯底非晶硅太陽電池,已經應用于一些實際領域。由于柔性襯底的非晶硅電池具有高比功率,輕便,柔韌性強等優(yōu)點,所以在光伏建筑一體化,特別是在城市遙感用平流層氣球平臺,軍用微小衛(wèi)星,空間航天器等應用中極具優(yōu)勢。在目前的衛(wèi)星系統(tǒng)中電源系統(tǒng)的重量占整星重量的近三分之一,而柔性襯底的非晶硅電池可達到2000W/ke的功率/重量比,遠遠高于晶硅的比功率,因此,使用柔性襯底的非晶硅電池可大大降低電源系統(tǒng)的重量。在民用方面,由于柔性襯底的非晶硅

20、電池具有極好的柔韌性,可卷曲性,這使它不但易于貯存和運輸,而且為電池的安裝,特別是與建筑物及供電系統(tǒng)的一體化設計方面提供了方便的條件,具有廣闊的應用前景。但目前非晶硅電池仍然存在一些問題,主要集中在以下兩個方面:(1)轉化效率低；(2)電池穩(wěn)定性不高。要提高轉化效率,就需要改進并探索窗口材料及其它各層材料,如:納米硅復合薄膜。此外還可采取有效方法減少i層缺陷,改善各層間的能隙匹配,改善各種界面接觸,這些都有可能提高轉化效率。而穩(wěn)定性不高的問題,則主要是由于光致衰退而引起,即S-W效率,近年來投人了大量的精力來研究光致衰退的問題,光衰退隨著i層厚度的增大而增大,這是因為在i層產生的光生載流子復合

21、因內建電場強度的減小而增大,對i層內建電場分布的計算,可看出隨i層厚度的減小,最低電場強度增大,因此,解決穩(wěn)定性不高的問題則主要集中在i層材料性能的改善上,而解決這些問題的一個較好的途徑就是制備疊層太陽能電池,疊層太陽電池是使用對應于不同太陽光譜部分的不同光伏材料膜層來制作的。一般頂電池的i層做的較薄,從而阻止光致衰退的產生,而底電池產生的光生栽流子約為單結電池的一半,從而也減小了底電池的11光致衰退。(b) 晶硅疊層薄膜電池晶體硅薄膜電池之所以得到普遍的重視是由于它將晶體硅電池工藝優(yōu)點和薄膜電池的優(yōu)勢有機的結合起來,從單結疊層電池到多結疊層電池,電池的穩(wěn)定轉化效率會明顯增加。但晶體硅薄膜電池

22、存在著一個問題:與其它薄膜電池材料不同,硅是非直接半導體,為了最大限度地吸收和轉換太陽光譜,通常需要較厚的活性層12。這樣就需要薄膜電池工藝采取有效的限光措施以彌補硅片厚度減薄后所造成的光譜損失和快速的沉積技術。因此,只有薄膜電池襯底成本和薄膜沉積技術成本低于晶體硅成本時,它才能在經濟上是可行的,襯底和沉積技術的經濟型研究也因而成為目前薄膜電池研究的重點。3太陽能開發(fā)利用技術未來發(fā)展趨勢隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內的實施,太陽能的開發(fā)利用將被推到新的高度。至本世紀中葉,世界范圍內的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。隨著越來越多的國家和有識之士的重視,太陽

23、能的利用技術也有望在短期內獲得較大進展。3.1提高太陽能熱利用效率有望獲得突破目前,世界范圍內許多國家都在進行新型高效集熱器的研制,一些特殊材料也開始應用于太陽能的儲熱,利用相變材料儲存熱能就是其中之一。相變貯能就是利用太陽能或低峰谷電能加熱相變物質,使其吸收能量發(fā)生相變(如從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)),把太陽能貯存起來。在沒有太陽的時間里,又從液態(tài)回復到固態(tài),并釋放出熱能,相變貯能是針對物質的潛熱貯存提出來的,對于溫度波動小的采暖循環(huán)過程,相變貯能非常高效。而開發(fā)更為高效的相變材料將會成為未來提高太陽能熱利用效率研究的重要課題。3.2太陽能建筑將得到普及太陽能建筑集成已成為國際新的技術領域,將有無限廣闊的前景。太陽能建筑不僅要求有高性能的太陽能部件,同時要求高效的功能材料和專用部件。如隔熱材料、透光材料、儲能材料、智能窗(變色玻璃)、透明隔熱材料等,這些都是未來技術開發(fā)的內容。3.3新型太陽能電池開發(fā)技術可望獲得重大突破光伏技術的發(fā)展,近期將以高效晶體硅電池為主,然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各種新型太陽能光電池的發(fā)展。薄膜太陽能電池以及各種新硅太陽能電池具有生產材料廉價、生產成本低等特點,隨著研發(fā)投人的加大,必將促使其中一、二種獲得突破,正如專家斷