太陽能綜合利用

1、1 引言自1973年世界性的石油危機(jī)爆發(fā)以來，能源危機(jī)給人們敲響了警鐘，大家開始關(guān)注占國(guó)家全部能源消耗的30-40%的建筑能耗的問題。1996年，聯(lián)合國(guó)在津巴布韋召開了“世界太陽能高峰會(huì)議”，會(huì)后發(fā)表了哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言，國(guó)際太陽能公約，世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃等重要文件，進(jìn)一步表明了聯(lián)合國(guó)和世界各國(guó)對(duì)開發(fā)太陽能的堅(jiān)定決心，要求全球共同行動(dòng)，廣泛利用太陽能。2 國(guó)內(nèi)外的節(jié)能政策與法規(guī)12.1 我國(guó)的節(jié)能政策與法規(guī)從我國(guó)的國(guó)情來看，建筑節(jié)能是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，是減輕大氣污染的需要，是改善建筑熱環(huán)境的需要，還是發(fā)展建筑業(yè)的需要。我國(guó)從80年代中期開始推行建筑節(jié)能，當(dāng)時(shí)確定的第一個(gè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)

2、準(zhǔn)，即民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)(JGJ26-86),用于采暖居住建筑，節(jié)能率為在19801981年當(dāng)?shù)赝ㄓ迷O(shè)計(jì)能耗標(biāo)準(zhǔn)水平的基礎(chǔ)上節(jié)能30%。1995年12月建設(shè)部發(fā)布了第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ26-95，以取代第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。1996年9月，建設(shè)部在北京發(fā)布了建設(shè)部建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃以及建筑節(jié)能技術(shù)政策文件。1997年2月18日建設(shè)部、國(guó)家計(jì)委、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家稅務(wù)局發(fā)文推行節(jié)能50%的JGJ26-95,由建設(shè)部批準(zhǔn)的采暖居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ132-2001)于2001年6月1日起實(shí)施。1998年1月1日施行的中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法是指導(dǎo)全國(guó)節(jié)能的大法，也是中

3、國(guó)建筑節(jié)能工作的立法依據(jù)。2.2 國(guó)外的節(jié)能政策與法規(guī)各發(fā)達(dá)國(guó)家都把對(duì)建筑節(jié)能的要求體現(xiàn)在建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，他們每過幾年就修訂一次建筑標(biāo)準(zhǔn)。近20多年來，每次修訂標(biāo)準(zhǔn)都將節(jié)能要求提高一步，從而推動(dòng)節(jié)能工作逐步發(fā)展。例如美國(guó)，據(jù)有關(guān)資料顯示，美國(guó)在70年代就制定了一系列的建筑節(jié)能法規(guī)，如新建建筑節(jié)能暫行標(biāo)準(zhǔn)、新建筑節(jié)能設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。1978年制定了五項(xiàng)法律：公益事業(yè)管理政策法(PURPA)、電力工業(yè)燃料使用法(PIFUA)、能源稅法(ETA)、天然氣政策法(NGPA)、國(guó)家節(jié)能政策法(NECPA)，統(tǒng)稱國(guó)家能源法。1986年美國(guó)制定的節(jié)能新標(biāo)準(zhǔn)中的主要措施是普遍降低室內(nèi)溫濕度的標(biāo)準(zhǔn)，改善維護(hù)結(jié)

4、構(gòu)的隔熱、保溫性能。1989年ASHRAE制定的除低層住宅以外的新建建筑物的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(ASHRAE/IESNA90.1-1989)以及新建低層住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(ASHRAE90.2-1993)，全國(guó)性的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還有由美國(guó)建筑官員理事會(huì)制訂的簡(jiǎn)明能源規(guī)范(ModelEnergyCode1993)。3 太陽能在建筑內(nèi)的利用一般說來，太陽能在建筑中的利用主要是在建筑中采取一定措施利用太陽能進(jìn)行冬季采暖或夏季制冷。趙敬源，邱永亮等人2、高芳葳3、陸維德4等分別研究了太陽能在建筑中的應(yīng)用。3.1主動(dòng)式太陽能建筑主動(dòng)式太陽能建筑是通過高效集熱裝置來收集獲取太陽能，然后由熱媒將熱量送入建筑物內(nèi)的建筑

5、形式。它對(duì)太陽能的利用效率高，不僅可以供暖、供熱水，還可以供冷，而且室內(nèi)溫度穩(wěn)定舒適，日波動(dòng)小，在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用非常廣泛。但因?yàn)樗嬖谥O(shè)備復(fù)雜、先期投資偏高，陰天有云期間集熱效率嚴(yán)重下降等缺點(diǎn)，在我國(guó)長(zhǎng)期未能得到推廣。3.1.1太陽能熱水器系統(tǒng)由于將太陽能轉(zhuǎn)化為溫度不太高的熱水，只要用簡(jiǎn)單的裝置即可實(shí)現(xiàn)，因而被廣泛采用。供應(yīng)熱水可以采取集中的方式，也可以用于單獨(dú)的住宅中。集中供應(yīng)熱水，需要有一定的場(chǎng)地和基建投資，經(jīng)濟(jì)效益較高，適用于人口較集中的城鎮(zhèn)。單獨(dú)供應(yīng)熱水，設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要專門的管理人員，在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村均可采用。目前在我國(guó)市場(chǎng)上常見的太陽熱水器有以下幾類：(1) 平板太陽熱水器。它由平板集

6、熱器與熱水箱組成，一般采用自然循環(huán)運(yùn)行方式。(2) 真空管熱水器。它由多支玻璃真空集熱管直接插入水箱構(gòu)成，一般采用自然對(duì)流換熱；每支真空集熱管與水箱插孔間放置硅橡膠制成的密封圈。真空集熱管的熱損系數(shù)小，故用它做成的太陽熱水器在冬季有較好的熱性能，適合在北方地區(qū)使用。(3) 悶曬式熱水器。它是集熱與貯熱合二為一的整體式熱水器，一般由二至三個(gè)涂黑的圓筒組成，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低為特色，缺點(diǎn)是夜間散熱大，熱水不能過夜使用，在冬季也不能用。它在農(nóng)村有較大的推廣面。平板集熱器、玻璃真空管和家用太陽熱水器的技術(shù)條件均有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。平板太陽集熱器熱性能試驗(yàn)方法GB/T4271-2000（為原標(biāo)準(zhǔn)GB/T427

7、1-84的修訂版）平板太陽集熱器產(chǎn)品技術(shù)條件GB/T6424-1997（為原標(biāo)準(zhǔn)GB/T6424-86的修訂版）全玻璃真空集熱管GB/17049-1997全玻璃真空管太陽集熱器GB/T17683-1999家用太陽熱水器的熱性能試驗(yàn)方法GB12915-19913.1.2 太陽能熱泵采暖系統(tǒng)太陽能熱泵采暖系統(tǒng)是利用集熱器進(jìn)行太陽能低溫集熱，然后通過熱泵，將熱量傳遞到溫度為35-50C的采暖熱媒中去。冬季太陽輻射量較小，環(huán)境溫度很低，使用熱泵則可以直接收集太陽能進(jìn)行采暖。將太陽能集熱器作為熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，換熱器作為冷凝器，這樣就可以得到較高溫度的采暖熱媒。太陽能熱泵采暖系統(tǒng)主要特點(diǎn)是花費(fèi)少量電能

8、就可以得到幾倍于電能的熱量，同時(shí)可以有效地利用低溫?zé)嵩?，減少集熱面積，這是太陽能采暖的一種有效手段。若與夏季制冷相結(jié)合，應(yīng)用于空調(diào)，它的優(yōu)點(diǎn)更為突出。3.2 被動(dòng)式太陽能建筑被動(dòng)式太陽能建筑是指太陽能向室內(nèi)的傳遞不借助于機(jī)械動(dòng)力，完全由自然的方式，即蓄熱體進(jìn)行的建筑形式。所謂蓄熱體一般指可以儲(chǔ)存熱量的集熱體，蓄熱體相對(duì)于建筑物構(gòu)造體有附屬于或不附屬于兩種存在方式。若屬于構(gòu)造一部分，則一方面支撐建筑物，另一方面具有儲(chǔ)熱體的功能。不為構(gòu)造體的蓄熱體能很簡(jiǎn)單地設(shè)置于建筑物中，可靈活增減，配合季節(jié)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。用于蓄熱體的材料很簡(jiǎn)單，可以是液態(tài)的水、鹽水、油等液體，也可以是固體的磚瓦、預(yù)制混凝土、沙、

9、粘土、石塊等。蓄熱體設(shè)置在太陽能接收式冷暖系統(tǒng)的建筑物的任何位置都會(huì)發(fā)揮功用，但為能發(fā)揮最大限度的功能，必須選擇理想的位置。3.3 太陽能在制冷方面的開發(fā)和設(shè)計(jì)目前，太陽能制冷技術(shù)在研究和開發(fā)方面已做了大量的工作，日趨完善。一般來說，太陽能制冷有兩種方式：一是通過太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，驅(qū)動(dòng)吸附式或吸收式制冷機(jī)；二是將太陽能由光電池轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動(dòng)常規(guī)電冰箱制冷。比較以上兩種方式，利用熱能制冷具有造價(jià)低、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，特別適合發(fā)展中國(guó)家和偏遠(yuǎn)農(nóng)村采用。該類系統(tǒng)的研究和利用得到了國(guó)際上極大的關(guān)注。太陽能吸附式系統(tǒng)通常包括太陽能集熱器、吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器，整個(gè)系統(tǒng)一般

10、工作在負(fù)壓狀態(tài)下。通常將太陽能集熱器和吸附床合二為一。從前期的研究和使用情況來看，這樣的系統(tǒng)在使用一段時(shí)間后，制冷性能會(huì)變壞，最終會(huì)停止工作。據(jù)推測(cè)，這可能是由于活性炭、甲醇與銅在一定條件下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，或者是系統(tǒng)中有二甲基、甲醇的存在，使系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生了一些雜質(zhì)氣體，導(dǎo)致系統(tǒng)真空度下降，致使系統(tǒng)性能下降。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，李云蒼等人5提出用化學(xué)性能穩(wěn)定的玻璃做吸附床和太陽能集熱器（真空管集熱器）。為了驗(yàn)證該種系統(tǒng)的可行性，他們建立了一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)的結(jié)果及討論是：整個(gè)系統(tǒng)在模擬自然環(huán)境中工作正常，證明該系統(tǒng)的構(gòu)想是可行的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，解附出來的甲醇溶液的數(shù)量有所

11、減少，系統(tǒng)的工作壓力（無光照時(shí)）變化不大，但系統(tǒng)的性能下降。系統(tǒng)重新抽真空后，整個(gè)性能得到恢復(fù)和改善，但沒有完全恢復(fù)到以前的水平。估計(jì)是重新抽真空時(shí)，在抽出雜質(zhì)氣體的同時(shí)也將一些甲醇?xì)怏w抽走，使系統(tǒng)的性能下降。因此，對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)充了300mL甲醇，試驗(yàn)看出，整個(gè)系統(tǒng)的性能幾乎得到了恢復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)處于制冷狀態(tài)時(shí)，吸附床的散熱狀態(tài)直接影響其制冷速率的大小，散熱狀態(tài)越好，制冷速率越快。張學(xué)軍等人6研究了太陽能吸附制冷系統(tǒng)的COP和制冷量的問題，他們提出應(yīng)該構(gòu)建更合理的吸附循環(huán)和吸附床結(jié)構(gòu)。基于對(duì)固體吸附制冷系統(tǒng)的大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出了一種新型的太陽能驅(qū)動(dòng)連續(xù)型固體吸附制冷及供熱復(fù)合機(jī)的設(shè)計(jì)方案。該復(fù)合

12、機(jī)與間歇式的太陽能固體吸附制冷系統(tǒng)相比，有以下一些優(yōu)點(diǎn)：日照時(shí)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷；既制冷又供熱；系統(tǒng)中能量利用率較高。陳光明等人7也研究了如何提高系統(tǒng)的COP問題，他們提出了一個(gè)新的循環(huán)。與傳統(tǒng)吸收循環(huán)比較，新循環(huán)較傳統(tǒng)循環(huán)多了一個(gè)壓縮機(jī)。通過用熱力學(xué)第一、二定律對(duì)循環(huán)進(jìn)行分析，COP比傳統(tǒng)循環(huán)明顯提高。3.4 家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)8家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)的不同之處是引進(jìn)了一個(gè)與傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)相連接的測(cè)量系統(tǒng)，我們稱之為計(jì)量箱。計(jì)量箱包括一個(gè)將太陽能模塊發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電再與電網(wǎng)聯(lián)接的逆變器。測(cè)量裝置測(cè)出太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量，電力部門從用戶消耗的總電量中扣除太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量，電力

13、部門也可以買進(jìn)用戶未用完的多余電量。4 太陽能在通訊中的利用岳靜等人9提出了將太陽能用于黃河通訊網(wǎng)中，并且取得了預(yù)期的效果。1993年，鄭州濟(jì)南數(shù)字微波通信工程中，個(gè)別中繼站供電采用農(nóng)用電供電，供電極不正常，經(jīng)常停電，造成微波干線中斷。為了解決個(gè)別站點(diǎn)的供電問題，他們?cè)诤幽暇硟?nèi)的渠村站實(shí)驗(yàn)安裝了太陽能供電系統(tǒng)。根據(jù)該站的環(huán)境條件和微波設(shè)備耗電情況，考慮到渠村也不是完全沒有市電供電，因此在設(shè)計(jì)時(shí)供電以太陽能電池為主，市電為輔。該系統(tǒng)具有防反充、防過充、過放告警、輸出電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)以及自動(dòng)切換功能等特點(diǎn)。5 太陽能在其他方面的應(yīng)用流金10曾提到利用太陽能，黑夜變白晝、烈日造冰。俄羅斯科學(xué)家使北極的黑

14、夜變得陽光燦爛的試驗(yàn)過程是：利用一艘叫“進(jìn)步號(hào)”的無人駕駛小飛船從已處于太空的“和平號(hào)”空間站上脫離，并以每秒鐘570度的速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，使上面的一把折疊傘式的太陽反射鏡展開成形。折疊的反射鏡完全張開后，小飛船的旋轉(zhuǎn)速度降低到每秒84度，這個(gè)速度足夠使反射陽光的傘處于繃緊狀態(tài)。這時(shí)，反射鏡把陽光反射到北極，照亮了處于黑暗之中的地面。這次試驗(yàn)成功后，俄羅斯的空間科學(xué)家開始制定規(guī)模更大的計(jì)劃，準(zhǔn)備在圍繞地球的15505530千米的高空中，布置100個(gè)這樣的太陽反射鏡。它們既可以使地球的黑夜變白晝，還能把陽光聚焦成光束，射到飛船的太陽能電池帆板上作為能源來投進(jìn)飛船，或者用光束的熱能燒毀留在空間

15、的各種太空垃圾，以保證正在運(yùn)行中的宇宙飛船的安全。法國(guó)一家船舶公司的科學(xué)家研制出了太陽能冰箱，這種太陽能自動(dòng)制冰機(jī)，外形就像一個(gè)恒溫箱，僅靠一個(gè)太陽能接收器。在接收器里裝活性炭顆粒，向這些活性炭的孔中“灌進(jìn)”甲醇。夜晚因氣溫下降，活性炭粒吸進(jìn)液態(tài)的甲醇，白天太陽一曬，活性炭粒中的甲醇?xì)饣?。氣化后的甲醇流到制冰箱的冷凝器變成液體，夜晚時(shí)又被活性碳吸進(jìn)小孔內(nèi)，每天就這樣日夜循環(huán)制冰。這種制冰機(jī)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是在陰天時(shí)因活性炭中的甲醇不能氣化吸熱，不能制造冰塊。光機(jī)電信息l/2002(No.35)11還介紹了太陽能水池的利用。俄羅斯國(guó)立敖德薩理工大學(xué)的研究人員提了一項(xiàng)新設(shè)想，用水池吸收并儲(chǔ)備太陽能，然后再加以利用。在一個(gè)深水池中，如果沒有對(duì)流和層流，那么在陽光照射下，水面和底層之間會(huì)存在相當(dāng)大的溫差，有時(shí)候會(huì)高達(dá)數(shù)十度。6 今后太陽能利用的發(fā)展前景現(xiàn)在太陽能的利用已得到世界各國(guó)的普遍重視，太陽能的利用也到了一個(gè)新的發(fā)展階段，稱為建筑一體化設(shè)計(jì)，即不再采用屋頂