太陽(yáng)能熱利用的現(xiàn)狀和特征

1、太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀 摘要：太陽(yáng)能是理想的可再生能源.太陽(yáng)能熱利用技術(shù)目前還處于發(fā)展時(shí)期。文章對(duì)太陽(yáng)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(wèn)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(yáng)灶、太陽(yáng)房等廣為人們使用的太陽(yáng)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(yáng)能熱利用技術(shù)，包括太陽(yáng)能空調(diào)制冷、太陽(yáng)能制氫、太陽(yáng)能海水淡化及太陽(yáng)能煙囪發(fā)電等；在當(dāng)前研究的中心問(wèn)題部分，主要論述了解決太陽(yáng)能熱利用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 熱利用 制冷Abstract: Solar energy is an ideal renewable energy source an

2、d the thermal utilization is one of the most important applications. We review the status of solar thermal utiliz- ation, including: Firstly, developed technologies which are already widely used all over the world, such as solar assisted water heaters, solar cookers, solar heated buildings and so on

3、; Secondly, advanced technologies which are still in the developmentor laboratory stage and could havemore innovative applications, including thermal power generation, solar refrigeration, hydrogen production, desalination, and chmineys; Thirdly,major problemswhich need to be resolved for advanced u

4、tilization of solar thermal energy.Keywords solar energy, thermalutilization, solar refrigeration0 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(kāi)發(fā)。太陽(yáng)能是最理想的可再生能源，具有清潔、無(wú)污染、輻射總功率巨大且取之不盡的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。 當(dāng)前，技術(shù)成熟的、廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能熱利用方式有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶及太陽(yáng)房等，其中以太陽(yáng)能熱水器

5、的應(yīng)用最為廣泛。1太陽(yáng)能的特點(diǎn) 太陽(yáng)能的利用之所以成為空調(diào)等眾多領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的焦點(diǎn)之一，是因?yàn)樘?yáng)能有著諸多優(yōu)點(diǎn)： a)儲(chǔ)量的“無(wú)限性”：太陽(yáng)每秒鐘放射的能量大約是118668kW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約120465%千億噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬(wàn)倍。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽(yáng)能具有取之不盡，用之不竭的“無(wú)限性”。 b)存在的普遍性:相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問(wèn)題提供了美好前景。 c)利用的清潔性:太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。 d)

6、利用的經(jīng)濟(jì)性:可以從兩個(gè)方面看太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性:一是太陽(yáng)能取之不盡，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用:二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下。太陽(yáng)能利用不僅可能而且可行。 因此，太陽(yáng)能是人類取之不盡、用之不竭、隨處可得的廉價(jià)、環(huán)保且安全的能源。而世界能源危機(jī)所帶來(lái)的嚴(yán)重問(wèn)題也使人們意識(shí)到:太陽(yáng)能是人類近期急需的補(bǔ)充能源、是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。鑒于此，太陽(yáng)能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。但是太陽(yáng)輻射能利用也存在著缺點(diǎn)。太陽(yáng)輻射能在利用中的主要有三個(gè)問(wèn)題1: a)分散性太陽(yáng)輻射能的總量雖然很大，但能流密度低、單位面積上的能量稀薄因此只能通過(guò)增大采光面積或者提高聚焦程度

7、來(lái)獲得較大功率的輻射能。但是前者需要占用較大的地面，而后者則會(huì)使成本大大提高。 b)間斷性和不穩(wěn)定性：由于受到季節(jié)、氣候、晝夜、地理緯度和海拔高度等的影響太陽(yáng)輻射是間斷且不穩(wěn)定的。要使太陽(yáng)能能夠連續(xù)穩(wěn)定的被利用，就必須很好的解決蓄能問(wèn)題，這恰恰是太陽(yáng)能利用的薄弱環(huán)節(jié)之一。 c)太陽(yáng)能利用設(shè)備的效率低和成本高:雖然太陽(yáng)能利用在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的，但是經(jīng)濟(jì)性還較差。因此當(dāng)前的研究重點(diǎn)之一，就是盡可能的提高效率和降低成本?？偟膩?lái)說(shuō)，太陽(yáng)能有很多其他能源無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)，有極其廣闊的利用前景。太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)面積約占全國(guó)總面積的三分之二以上，其中有些地區(qū)燃料資源非常缺乏。因此，隨著我國(guó)能

8、源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能空調(diào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2 太陽(yáng)能熱利用成熟技術(shù)2.1 太陽(yáng)能熱水器 太陽(yáng)能熱水器（系統(tǒng)）是利用太陽(yáng)輻射能把水加熱的裝置。它是太陽(yáng)能熱利用中最基本的也是目前經(jīng)濟(jì)效益比較明顯的一種裝置，已成為一種新興工業(yè)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。 太陽(yáng)能熱水器一般由集熱器、貯熱裝置、循環(huán)管路和輔助裝置組成。集熱器就是吸收太陽(yáng)輻射并向載熱工質(zhì)傳遞熱量的裝置，它是熱水器的關(guān)鍵部件。目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器、聚焦型集熱器和空氣集熱器。 圖1 全玻璃真空管太陽(yáng)集熱器結(jié)構(gòu)及組成部件 1-內(nèi)玻璃管；2-太陽(yáng)選擇性吸收涂層；3-真空夾層；4-罩玻璃管；5-支撐件-彈簧卡子；

9、6-吸氣劑；7-吸氣膜 早期的集熱器為悶曬式,后來(lái)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(yáng)輻射能，二是將熱量傳遞給工質(zhì)。集熱器上的太陽(yáng)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(wú)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。 太陽(yáng)輻射可近似地認(rèn)為是溫度6000K的黑體輻射,約90%的太陽(yáng)輻射能集中在0.32m波長(zhǎng)范圍內(nèi)。而太陽(yáng)集熱器的吸熱體一般為4001000K,其輻射能主要集中在230m波長(zhǎng)范圍內(nèi)。因此既有高的太陽(yáng)吸收比又有低的發(fā)射率的涂層材料，就可以在保證盡可能多地吸收太陽(yáng)輻射的

10、同時(shí)，又減少熱量的損失。集熱器主要的吸收涂層材料有氧化鐵、氧化銅、黑鉻、黑鎳、鋁、碳等。壓的貯水箱,并利用落水法獲取熱水；而從太陽(yáng)集熱器使用的舒適性、安全性、易操作性等因素考慮，國(guó)際上太陽(yáng)集熱器普遍采用承壓的貯水箱，并利用頂水法獲取熱水。因而承壓貯水箱與頂水法取熱水已成為國(guó)際上對(duì)太陽(yáng)集熱器的一條基本要求，只有這樣的太陽(yáng)集熱器才能與電熱水器、燃?xì)鉄崴鞯犬a(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。另外，國(guó)內(nèi)大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器采用單循環(huán)系統(tǒng)，即集熱器內(nèi)被加熱的水直接進(jìn)入貯水箱提供使用；而國(guó)際上家用太陽(yáng)能熱水器尤其是公用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)普遍采用雙循環(huán)系統(tǒng)，即集熱器內(nèi)被加熱的是傳熱工質(zhì)，再經(jīng)過(guò)換熱器去加熱貯水箱內(nèi)的水提供使用(圖2)

11、。因此，將集熱器回路與生活熱水回路分開(kāi)，已成為國(guó)際上對(duì)太陽(yáng)集熱器的另一條基本要求2。 圖2 承壓式雙循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)2.2太陽(yáng)灶 太陽(yáng)灶是利用太陽(yáng)輻射能，通過(guò)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(yáng)灶常用的集熱方法有兩種，一種是采用熱箱裝置,另一種是采用聚光裝置。故太陽(yáng)灶也有兩種型式:箱式灶和聚光灶。箱式太陽(yáng)灶 箱式太陽(yáng)灶的工作原理是：當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)玻璃進(jìn)入保溫箱體后，遇到黑色的吸收體，光即轉(zhuǎn)變?yōu)闊?在物理學(xué)上，熱的輻射也是一種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式，主要為紅外輻射，其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，恰好玻璃能阻止長(zhǎng)波的通過(guò)，安裝雙層玻璃，紅外輻射就更難透過(guò)。箱體四周和底部均有保溫隔熱材料，也不讓熱輻

12、射外逸。換言之，玻璃起了讓短波陽(yáng)光進(jìn)、不讓長(zhǎng)波紅外線出的作用。盡管箱體總是要散失一部分熱量，但箱內(nèi)的溫度隨著悶曬時(shí)間的延續(xù)，將會(huì)逐漸升溫，直至到達(dá)平衡為止。由此可見(jiàn)，這種太陽(yáng)灶的箱內(nèi)最高度取決于保溫材料的優(yōu)劣。通常采用棉花保溫，可達(dá)120150左右，這種溫度對(duì)于炊事使用已足夠了。若選用更好的保溫材料，則將增加太陽(yáng)灶的造價(jià),經(jīng)濟(jì)上并不合算。為了提高箱式太陽(yáng)灶的效率，縮短悶曬時(shí)間，或防止多云時(shí)影響灶溫下降，可在箱側(cè)加裝反光鏡,增大受光面積;也可在箱底加裝金屬油箱(薄盒)，借助油的儲(chǔ)熱作用，維持太陽(yáng)間歇性照射時(shí)箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定。在條件允許的情況下，蓋面玻璃的表面可以加涂一層光譜選擇性材料，如二氧化硅之

13、類的透明涂料，以改變陽(yáng)光的吸收與發(fā)射，提高太陽(yáng)灶的效率。聚光式太陽(yáng)灶 聚光式太陽(yáng)灶是將較大面積的陽(yáng)光聚焦到鍋底，使溫度上升到較高的程度，以滿足炊事要求。這種太陽(yáng)灶的關(guān)鍵部件是聚光鏡，它不僅有鏡面材料的選擇問(wèn)題，而且還有幾何形狀的設(shè)計(jì)問(wèn)題。最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡,也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。聚光式太陽(yáng)灶的鏡面設(shè)計(jì),大都采用旋轉(zhuǎn)拋物面的聚光原理。作為太陽(yáng)灶使用,要求在鍋底形成一個(gè)焦面,才能達(dá)到加熱的目的.換言之,它并不要求嚴(yán)格地將陽(yáng)光聚集到一個(gè)點(diǎn)上,而是要求一定的焦面.確定了焦面之后,我們就不難研究聚光器的聚光比,它是決定聚光式太陽(yáng)灶的功率和效率的重要因素。2.3太陽(yáng)房 太陽(yáng)房是

14、利用太陽(yáng)輻射能量來(lái)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能。由于它具有利用太陽(yáng)熱能和節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn),從它誕生的那天開(kāi)始就十分引人注意。被動(dòng)式太陽(yáng)房最早是在法國(guó)發(fā)展起來(lái)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(yáng)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(yáng)房的要求。3 太陽(yáng)能制冷 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷主要有

15、兩條途徑：一是光熱轉(zhuǎn)換，以熱制冷，如吸收式制冷、吸附式制冷；二是光電轉(zhuǎn)換，以電制冷，如光電制冷、熱電制冷；光電轉(zhuǎn)換的制冷方法成本較高，實(shí)際應(yīng)用較少；以熱制冷方式相對(duì)廉價(jià)因而備受睞主要有3種方式：太陽(yáng)能吸收式制冷；太陽(yáng)能吸附式制冷；太陽(yáng)能噴射式制冷3.1太陽(yáng)能吸收式制冷 吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來(lái)獲取冷量的裝置，即制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)吸熱，再利用吸收劑吸收制冷劑蒸汽。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示8。自蒸發(fā)器出來(lái)的低壓蒸汽進(jìn)入吸收器并被吸收劑強(qiáng)烈吸收，吸收過(guò)程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中被熱源加熱后蒸發(fā)產(chǎn)生高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器完成一個(gè)循環(huán)。它相當(dāng)

16、于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機(jī)，消耗的是熱能。熱源可以利用太陽(yáng)能、低壓蒸汽、熱水、燃?xì)獾榷喾N形式。 吸收式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)與所使用的制冷劑有關(guān)，常用于吸收式制冷機(jī)中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個(gè)大類。水系工質(zhì)對(duì)是目前研究最熱門的課題之一，對(duì)它的研究主要是針對(duì)現(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用LiBr吸收式制冷機(jī)依然存在的易結(jié)晶、腐蝕性強(qiáng)及蒸發(fā)溫度只能在零度以上等缺陷。 圖3 太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)圖3.2 太陽(yáng)能吸附式制冷 吸附式制冷系統(tǒng)一般由吸附床(集熱器)、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門等構(gòu)成9,如圖4所示。太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的制冷原理，是利用吸附床中的固體吸附(如活性炭)對(duì)制冷劑(如甲醇)的周期性

17、吸附、解吸附過(guò)程實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)，即當(dāng)無(wú)陽(yáng)光暴曬加熱時(shí)，吸附劑在較低溫度下對(duì)制冷劑進(jìn)行吸附壓縮，導(dǎo)致液態(tài)的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)汽化吸熱，從而使包含蒸發(fā)器的空間溫度下降，達(dá)到制冷的目的。此過(guò)程一般在夜間進(jìn)行。當(dāng)吸附劑處于陽(yáng)光曝曬的加熱狀態(tài)時(shí)，夜間被吸附的氣態(tài)制冷劑受熱脫附，離開(kāi)吸附床，過(guò)冷凝器時(shí)凝結(jié)為液體，流回蒸發(fā)器中，等待下一循環(huán)的蒸發(fā)、吸熱過(guò)程的開(kāi)始。通常，吸附劑裝入吸附床(集熱器)中，以接近垂直的角度接收太陽(yáng)光線的輻射加熱，制冷劑裝入蒸發(fā)器中。 圖4太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)該系統(tǒng)有兩種形式:一種為利用晝夜交替實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)的間歇式太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，通常用于夜間制冰，但生產(chǎn)周期較長(zhǎng)；另一種是連續(xù)性太陽(yáng)

18、能吸附式制冷系統(tǒng)，即利用多個(gè)吸附床交替地進(jìn)行吸附和脫附、并在吸附床之間發(fā)生熱交換的連續(xù)性回?zé)崾窖h(huán)制冷系統(tǒng)。作為一種不采用氟利昂制冷劑的制冷技術(shù)，太陽(yáng)能固體吸附式制冷成為制冷界研究的熱門課題之一，同時(shí)它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、不消耗常規(guī)能源(如煤、電和化石燃料等)，而且具有噪音小、壽命長(zhǎng)、安全性好，以及無(wú)需考慮腐蝕問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。大量研究結(jié)果表明：許多先進(jìn)的固體吸附式制冷循環(huán)(如連續(xù)回?zé)嵫h(huán)、熱波循環(huán)和對(duì)流熱波循環(huán)等)具有良好的特性，但系統(tǒng)的性能并未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。目前太陽(yáng)能固體吸附式制冷系統(tǒng)制冷效率較，難以與其他形式的制冷系統(tǒng)相比，雖然不斷有各種制冷樣機(jī)研制成功的報(bào)道，但離商業(yè)化應(yīng)用仍有較

19、大差距。因此，吸附床傳熱、傳質(zhì)性能如何進(jìn)一步強(qiáng)化；吸附床/集熱器白天的集熱和夜間的散熱之間的關(guān)系如何有效地解決；如何提高集熱器的集熱效率；工質(zhì)對(duì)的選取研究工作；如何將夜間的制冷量有效地貯存到白天使用；對(duì)于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質(zhì)作為制冷劑的負(fù)壓系統(tǒng)；如何長(zhǎng)期維持系統(tǒng)的真空度等。這些都是需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問(wèn)題。3.3 太陽(yáng)能噴射式制冷6 噴射式制冷系統(tǒng)的原理如圖5所示。制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓，產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽進(jìn)入噴射器，經(jīng)過(guò)噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，將蒸發(fā)器中的低壓蒸汽吸入噴射器，經(jīng)過(guò)噴射器出來(lái)的混合氣體進(jìn)入冷凝器放熱、凝結(jié)，然后冷凝液的一部分通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸收

20、熱量后汽化，這部分工質(zhì)完成的循環(huán)是制冷循環(huán)。另一部分通過(guò)循環(huán)泵升壓后進(jìn)入換熱器，重新吸熱汽化，它們所做的循環(huán)稱為動(dòng)力循環(huán)。噴射式制冷系統(tǒng)中循環(huán)泵是運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)設(shè)置比吸收式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是性能系數(shù)較低。 圖5 太陽(yáng)能噴射式制冷系統(tǒng)圖 決定噴射式制冷系統(tǒng)性能的是工作流體、引射流體和壓縮流體的工作狀態(tài)和噴射器的噴射系數(shù)，其中引射流體的狀態(tài)由被冷卻對(duì)象決定，壓縮流體的狀態(tài)由冷卻水控制，工作蒸汽則決定于發(fā)生器工作條件。只有噴射系數(shù)是一獨(dú)立的參變量，是噴射器的固有性能參數(shù)，對(duì)噴射器的性能起著很重要的作用，它的變化受噴射器的工作條件和結(jié)構(gòu)尺寸影響。在工作蒸汽壓力不變的條件下，噴射器的性能隨引射壓力增加而提高，隨壓縮壓力升高而降低。另一方面，噴射器的外形和幾何尺寸對(duì)噴射器性能非常重要。給定工況下，噴射器的噴嘴出口截面到混合室入口的距離不同，噴射器的工作性能有顯著變化，存在一最佳值。因此，為提高噴射器的性能，在設(shè)計(jì)噴射器過(guò)程中，首先通過(guò)優(yōu)化程序包定出設(shè)計(jì)工況下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，能保證在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的噴射器可達(dá)到它的最大噴射系數(shù)，即最佳性能；在此