太陽能熱利用的現(xiàn)狀和特征

1、太陽能熱利用技術(shù)的特點和現(xiàn)狀 摘要：太陽能是理想的可再生能源.太陽能熱利用技術(shù)目前還處于發(fā)展時期。文章對太陽能熱利用成熟技術(shù)、先進技術(shù)以及當(dāng)前研究的中心問題進行了簡要的概述。成熟技術(shù)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(shù)；先進技術(shù)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(shù)，包括太陽能空調(diào)制冷、太陽能制氫、太陽能海水淡化及太陽能煙囪發(fā)電等；在當(dāng)前研究的中心問題部分，主要論述了解決太陽能熱利用的關(guān)鍵技術(shù)問題。關(guān)鍵詞：太陽能 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(zhuǎn)向可再生能源的開發(fā)。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。 當(dāng)前，技術(shù)成熟的、廣泛應(yīng)用的太陽能熱利用方式有太陽能熱水器、太陽灶及太陽房等，其中以太陽能熱水器

5、的應(yīng)用最為廣泛。1太陽能的特點 太陽能的利用之所以成為空調(diào)等眾多領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的焦點之一，是因為太陽能有著諸多優(yōu)點： a)儲量的“無限性”：太陽每秒鐘放射的能量大約是118668kW，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約120465%千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有取之不盡，用之不竭的“無限性”。 b)存在的普遍性:相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。 c)利用的清潔性:太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。 d)

6、利用的經(jīng)濟性:可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性:一是太陽能取之不盡，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用:二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下。太陽能利用不僅可能而且可行。 因此，太陽能是人類取之不盡、用之不竭、隨處可得的廉價、環(huán)保且安全的能源。而世界能源危機所帶來的嚴(yán)重問題也使人們意識到:太陽能是人類近期急需的補充能源、是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。鑒于此，太陽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。但是太陽輻射能利用也存在著缺點。太陽輻射能在利用中的主要有三個問題1: a)分散性太陽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增大采光面積或者提高聚焦程度

7、來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輻射是間斷且不穩(wěn)定的。要使太陽能能夠連續(xù)穩(wěn)定的被利用，就必須很好的解決蓄能問題，這恰恰是太陽能利用的薄弱環(huán)節(jié)之一。 c)太陽能利用設(shè)備的效率低和成本高:雖然太陽能利用在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的，但是經(jīng)濟性還較差。因此當(dāng)前的研究重點之一，就是盡可能的提高效率和降低成本?？偟膩碚f，太陽能有很多其他能源無法相比的優(yōu)點，有極其廣闊的利用前景。太陽能資源豐富地區(qū)面積約占全國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，隨著我國能

8、源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，開發(fā)太陽能空調(diào)具有重要的現(xiàn)實意義。2 太陽能熱利用成熟技術(shù)2.1 太陽能熱水器 太陽能熱水器（系統(tǒng)）是利用太陽輻射能把水加熱的裝置。它是太陽能熱利用中最基本的也是目前經(jīng)濟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)品實現(xiàn)了商業(yè)化。 太陽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。目前國內(nèi)的太陽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 全玻璃真空管太陽集熱器結(jié)構(gòu)及組成部件 1-內(nèi)玻璃管；2-太陽選擇性吸收涂層；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,后來發(fā)展成為平板式和真空管式。集熱器擔(dān)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(zhì)。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(xué)特性與輻射波長無關(guān)的吸收涂層；選擇性吸收涂層則是指其光學(xué)特性隨輻射波長不同有顯著變化的吸收涂層。 太陽輻射可近似地認為是溫度6000K的黑體輻射,約90%的太陽輻射能集中在0.32m波長范圍內(nèi)。而太陽集熱器的吸熱體一般為4001000K,其輻射能主要集中在230m波長范圍內(nèi)。因此既有高的太陽吸收比又有低的發(fā)射率的涂層材料，就可以在保證盡可能多地吸收太陽輻射的

10、同時，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；而從太陽集熱器使用的舒適性、安全性、易操作性等因素考慮，國際上太陽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際上對太陽集熱器的一條基本要求，只有這樣的太陽集熱器才能與電熱水器、燃氣熱水器等產(chǎn)品進行競爭。另外，國內(nèi)大多數(shù)太陽能熱水器采用單循環(huán)系統(tǒng)，即集熱器內(nèi)被加熱的水直接進入貯水箱提供使用；而國際上家用太陽能熱水器尤其是公用太陽能熱水系統(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，已成為國際上對太陽集熱器的另一條基本要求2。 圖2 承壓式雙循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)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。故太陽灶也有兩種型式:箱式灶和聚光灶。箱式太陽灶 箱式太陽灶的工作原理是：當(dāng)陽光透過玻璃進入保溫箱體后，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)運動的形式，主要為紅外輻射，其波長較長，恰好玻璃能阻止長波的通過，安裝雙層玻璃，紅外輻射就更難透過。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，玻璃起了讓短波陽光進、不讓長波紅外線出的作用。盡管箱體總是要散失一部分熱量，但箱內(nèi)的溫度隨著悶曬時間的延續(xù)，將會逐漸升溫，直至到達平衡為止。由此可見，這種太陽灶的箱內(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120150左右，這種溫度對于炊事使用已足夠了。若選用更好的保溫材料，則將增加太陽灶的造價,經(jīng)濟上并不合算。為了提高箱式太陽灶的效率，縮短悶曬時間，或防止多云時影響灶溫下降，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)，借助油的儲熱作用，維持太陽間歇性照射時箱內(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，以改變陽光的吸收與發(fā)射，提高太陽灶的效率。聚光式太陽灶 聚光式太陽灶是將較大面積的陽光聚焦到鍋底，使溫度上升到較高的程度，以滿足炊事要求。這種太陽灶的關(guān)鍵部件是聚光鏡，它不僅有鏡面材料的選擇問題，而且還有幾何形狀的設(shè)計問題。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。聚光式太陽灶的鏡面設(shè)計,大都采用旋轉(zhuǎn)拋物面的聚光原理。作為太陽灶使用,要求在鍋底形成一個焦面,才能達到加熱的目的.換言之,它并不要求嚴(yán)格地將陽光聚集到一個點上,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灶的功率和效率的重要因素。2.3太陽房 太陽房是

14、利用太陽輻射能量來代替部分常規(guī)能源,使室內(nèi)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(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、水泵等設(shè)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(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存熱量。如果所獲得的太陽能達到了建筑物采暖、空調(diào)所需能量的一半以上,就達到了被動式太陽房的要求。3 太陽能制冷 實現(xiàn)太陽能制冷主要有

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，實際應(yīng)用較少；以熱制冷方式相對廉價因而備受睞主要有3種方式：太陽能吸收式制冷；太陽能吸附式制冷；太陽能噴射式制冷3.1太陽能吸收式制冷 吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的裝置，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)簡圖如圖3所示8。自蒸發(fā)器出來的低壓蒸汽進入吸收器并被吸收劑強烈吸收，吸收過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)生高壓蒸汽進入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器完成一個循環(huán)。它相當(dāng)

16、于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機，消耗的是熱能。熱源可以利用太陽能、低壓蒸汽、熱水、燃氣等多種形式。 吸收式制冷系統(tǒng)的特點與所使用的制冷劑有關(guān)，常用于吸收式制冷機中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個大類。水系工質(zhì)對是目前研究最熱門的課題之一，對它的研究主要是針對現(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用LiBr吸收式制冷機依然存在的易結(jié)晶、腐蝕性強及蒸發(fā)溫度只能在零度以上等缺陷。 圖3 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)圖3.2 太陽能吸附式制冷 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)對制冷劑(如甲醇)的周期性

17、吸附、解吸附過程實現(xiàn)制冷循環(huán)，即當(dāng)無陽光暴曬加熱時，吸附劑在較低溫度下對制冷劑進行吸附壓縮，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，達到制冷的目的。此過程一般在夜間進行。當(dāng)吸附劑處于陽光曝曬的加熱狀態(tài)時，夜間被吸附的氣態(tài)制冷劑受熱脫附，離開吸附床，過冷凝器時凝結(jié)為液體，流回蒸發(fā)器中，等待下一循環(huán)的蒸發(fā)、吸熱過程的開始。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光線的輻射加熱，制冷劑裝入蒸發(fā)器中。 圖4太陽能吸附式制冷系統(tǒng)該系統(tǒng)有兩種形式:一種為利用晝夜交替實現(xiàn)自然循環(huán)的間歇式太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，通常用于夜間制冰，但生產(chǎn)周期較長；另一種是連續(xù)性太陽

18、能吸附式制冷系統(tǒng)，即利用多個吸附床交替地進行吸附和脫附、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)，太陽能固體吸附式制冷成為制冷界研究的熱門課題之一，同時它具有結(jié)構(gòu)簡單、運行效率高、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、安全性好，以及無需考慮腐蝕問題等優(yōu)點。大量研究結(jié)果表明：許多先進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)和對流熱波循環(huán)等)具有良好的特性，但系統(tǒng)的性能并未達到實際應(yīng)用的要求。目前太陽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研制成功的報道，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)性能如何進一步強化；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；對于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質(zhì)作為制冷劑的負壓系統(tǒng)；如何長期維持系統(tǒng)的真空度等。這些都是需要進一步解決的關(guān)鍵問題。3.3 太陽能噴射式制冷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，蒸汽進入噴射器，經(jīng)過噴嘴高速噴出膨脹，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)過噴射器出來的混合氣體進入冷凝器放熱、凝結(jié)，然后冷凝液的一部分通過節(jié)流閥進入蒸發(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)。另一部分通過循環(huán)泵升壓后進入換熱器，重新吸熱汽化，它們所做的循環(huán)稱為動力循環(huán)。噴射式制冷系統(tǒng)中循環(huán)泵是運動部件，系統(tǒng)設(shè)置比吸收式制冷系統(tǒng)簡單，運行穩(wěn)定，可靠性較高等優(yōu)點。缺點是性能系數(shù)較低。 圖5 太陽能噴射式制冷系統(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)是一獨立的參變量，是噴射器的固有性能參數(shù)，對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)計噴射器過程中，首先通過優(yōu)化程序包定出設(shè)計工況下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，能保證在設(shè)計工況下運行的噴射器可達到它的最大噴射系數(shù)，即最佳性能；在此