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)難點目錄前言大規(guī)模高高效率利利用太陽陽能的途途徑利用太陽陽能的技技術(shù)難點點國內(nèi)發(fā)展展現(xiàn)狀結(jié)語前言當(dāng)電力、煤炭、石油等等不可再再生能源源頻頻告告急，能能源問題題日益成成為制約約國際社社會經(jīng)濟濟發(fā)展的的瓶頸時時，越來來越多的的國家開開始實行行“陽光計計劃”，開發(fā)發(fā)太陽能能資源，尋求經(jīng)經(jīng)濟發(fā)展展的新動動力。太太陽能作作為一種種可再生生的新能能源，越越來越引引起人們們的關(guān)注注。中國太陽陽能利用用背景，中國蘊蘊藏著豐豐富的太太陽能資資源，太太陽能利利用前景景廣闊。目前，我國已已是全球球太陽能能熱水器器生產(chǎn)量量和使用用量最大大的國家家以及重重要的太太陽能光光伏電池池生

2、產(chǎn)國國。我國國比較成成熟的太太陽能產(chǎn)產(chǎn)品有兩兩項：太太陽能光光伏發(fā)電電系統(tǒng)和和太陽熱熱水系統(tǒng)統(tǒng)。大規(guī)模高高效率利利用太陽陽能的途途徑 我們根根據(jù)將太太陽能直直接轉(zhuǎn)化化成能量量形式的的不同，把太陽陽能利用用分為光光熱利用用、光電電利用、光化學(xué)學(xué)利用。 一一、光熱熱利用。主要包包括太陽陽能熱水水器、太太陽灶、太陽能能干燥器器、太陽陽能溫室室、太陽陽房、太太陽能制制冷、太太陽池、太陽能能熱力發(fā)發(fā)電、太太陽能熱熱力機、海水淡淡化、太太陽能制制氫等。太陽能熱熱水器太陽能熱熱水器把把太陽光光能轉(zhuǎn)化化為熱能能，將水水從低溫溫度加熱熱到高溫溫度，以以滿足人人們在生生活、生生產(chǎn)中的的熱水使使用。太太陽能熱熱水器

3、是是由全玻玻璃真空空集熱管管、儲水水箱、支支架及相相關(guān)附件件組成，把太陽陽能轉(zhuǎn)換換成熱能能主要依依靠玻璃璃真空集集熱管。集熱管管受陽光光照射面面溫度高高，集熱熱管背陽陽面溫度度低，而而管內(nèi)水水便產(chǎn)生生溫差反反應(yīng)，利利用熱水水上浮冷冷水下沉沉的原理理，使水水產(chǎn)生微微循環(huán)而而達到所所需熱水水。太陽能熱熱水器按按結(jié)構(gòu)可可分為燜燜曬式、管板式式、聚光光式、真真空管式式、熱管管式。按按照流體體流動的的方式分分為燜曬曬式、直直流式和和循環(huán)式式。太陽灶 太陽灶灶利用太太陽的輻輻射，直直接把太太陽的輻輻射能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成人人們炊事事使用的的熱能。太陽灶灶種類繁繁多，按按原理結(jié)結(jié)構(gòu)分為為燜曬式式（箱式式）、聚聚光式和

4、和熱管式式三種。1）、燜燜曬式：它的工工作方式式是至于于太陽光光下長時時間燜曬曬，慢慢慢的積蓄蓄熱量。箱內(nèi)溫溫度一般般可達11201500攝氏度度，適合合于閃蒸蒸食品或或作為醫(yī)醫(yī)療器械械的消毒毒。2）、聚聚光式：它是將將較大面面積的陽陽光進行行聚焦，使焦點點溫度達達到較高高的程度度，以滿滿足炊事事要求。3）、熱熱管式：它分為為兩部分分：一是是室外收收集太陽陽能的集集熱器，二是熱熱管。3、太陽陽能干燥燥器 加加熱空氣氣有兩種種方法：一是直直接加熱熱空氣，二是間間接加熱熱空氣。目前國國內(nèi)外應(yīng)應(yīng)用的多多為低溫溫型干燥燥器，它它分為以以下幾種種：集熱熱器型干干燥器、溫室型型干燥器器、整體體型干燥燥器。

5、太陽能溫溫室常見的太太陽能溫溫室很多多，如玻玻璃房和和花房。隨著透透明塑料料和玻璃璃纖維等等新材料料的出現(xiàn)現(xiàn)，太陽陽能溫室室越來越越多樣化化，發(fā)展展成為田田園工廠廠。溫室室的結(jié)構(gòu)構(gòu)和型式式可分為為以下幾幾種：屋屋脊型棚棚、拱圓圓形大棚棚、大型型塑料棚棚、管架架大棚。太陽房它是利用用太陽能能采暖和和降溫的的房子，可分為為被動式式和主動動式。當(dāng)當(dāng)前主動動式利用用成熱門門，發(fā)展展迅速，朝著微微排建筑筑或是00排建筑筑發(fā)展。太陽能制制冷目前太陽陽能制冷冷的方法法有多種種，如壓壓縮式制制冷、蒸蒸汽噴射射式制冷冷、吸收收式制冷冷等。7、太陽陽池 太太陽池是是一種收收集和儲儲蓄太陽陽能并作作為熱源源用的水水

6、池。通通常利用用水中鹽鹽濃度成成穩(wěn)定狀狀態(tài)而吸吸收太陽陽輻射熱熱，并隔隔絕熱在在底層水水中的對對流損失失。太陽能熱熱力發(fā)電電太陽能熱熱力發(fā)電電是利用用集熱器器把太陽陽能轉(zhuǎn)變變成熱能能，然后后通過汽汽輪機、發(fā)電機機來發(fā)電電。按照照太陽能能采集方方式劃分分，太陽陽能熱力力發(fā)電站站主要有有塔式、槽式和和盤式三三類。1、塔式式太陽能能熱發(fā)電電系統(tǒng)是是在空曠曠平地上上建立高高大的塔塔，塔頂頂安裝固固定一個個接收器器（相當(dāng)當(dāng)于鍋爐爐），塔塔的周圍圍安置大大量的定定日鏡，將太陽陽光聚集集并反射射到塔頂頂?shù)慕邮帐掌魃袭a(chǎn)產(chǎn)生高溫溫，接收收器內(nèi)生生成的高高溫蒸汽汽推動汽汽輪機來來發(fā)電。2、槽式式太陽能能熱發(fā)電電系

7、統(tǒng)是是利用圓圓柱拋物物面的槽槽式反射射鏡將太太陽聚焦焦到管狀狀的接收收器上，并將管管內(nèi)傳熱熱工質(zhì)加加熱。槽槽式系統(tǒng)統(tǒng)商業(yè)化化的典型型代表是是位于美美國加州州Mojjavee沙漠上上的總裝裝機容量量為3554MWW的9座座槽式太太陽能熱熱發(fā)電站站，年發(fā)發(fā)電總量量為8億億kWhh，從上上世紀(jì)990年代代初開始始并網(wǎng)運運行。3、碟碟式太陽陽能熱發(fā)發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)是利用用旋轉(zhuǎn)拋拋物面的的碟式反反射鏡將將太陽聚聚焦到一一個焦點點。和槽槽式一樣樣，碟式式系統(tǒng)的的太陽能能接收器器也不固固定，隨隨著碟形形反射鏡鏡跟蹤太太陽的運運動而運運動，克克服了塔塔式系統(tǒng)統(tǒng)較大余余弦效應(yīng)應(yīng)的損失失問題，光熱轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率大大提提高

8、。和和槽式不不同的是是，碟式式接收器器將太陽陽聚焦于于旋轉(zhuǎn)拋拋物面的的焦點上上，而槽槽式接收收器則將將太陽聚聚焦于圓圓柱拋物物面的焦焦線上。9、太陽陽能熱力力機 太太陽能熱熱力機是是一種以以太陽輻輻射熱作作為動力力的機械械。它的的種類很很多，用用途也各各不相同同，有的的直接提提供動力力，有的的作太陽陽泵，也也有作小小型發(fā)電電設(shè)備，但是，他們的的基本原原理不外外乎郎肯肯循環(huán)和和斯特林林發(fā)動機機。10、海海水淡化化地球上的的水資源源中含鹽鹽的海水水占977%，隨隨著人口口的增加加和工業(yè)業(yè)的發(fā)展展，使城城市用水水日趨緊緊張。為為了解決決日益嚴(yán)嚴(yán)重的缺缺水問題題，海水水淡化越越來越受受重視。11、太太

9、陽能制制氫太陽能熱熱分解水水制氫，需將水水或水蒸蒸氣加熱熱到30000KK以上，水中的的氫和氧氧便能分分解。這這種方法法制氫效效率高，但需要要高倍聚聚光器才才能獲得得如此高高的溫度度，一般般不采用用這種方方法制氫氫。二、光電電利用。光電，也稱作作光伏發(fā)發(fā)電，是是利用太太陽能電電池半導(dǎo)導(dǎo)體材料料的光伏伏作用，將太陽陽能直接接轉(zhuǎn)換為為電能。太陽能光光伏發(fā)電電有獨立立運行和和并網(wǎng)運運行兩種種方式。獨立運運行的光光伏發(fā)電電系統(tǒng)需需要有蓄蓄電池作作為儲能能裝置，主要適適用于無無電網(wǎng)的的邊遠地地區(qū)和人人口分散散地區(qū)，整個系系統(tǒng)造價價相對較較高；在在有公共共電網(wǎng)的的地區(qū)，光伏發(fā)發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)與電網(wǎng)網(wǎng)連接并并網(wǎng)運

10、行行，省去去蓄電池池，不僅僅可以大大幅度降降低造價價，而且且具有更更高的發(fā)發(fā)電效率率和更好好的環(huán)保保性能。目前，太太陽能光光伏發(fā)電電技術(shù)正正在走向向成熟，是最具具可持續(xù)續(xù)發(fā)展理理想特征征的可再再生能源源技術(shù)之之一。相相關(guān)數(shù)據(jù)據(jù)顯示，20005年，全球安安裝的太太陽能光光伏系統(tǒng)統(tǒng)容量達達17000兆瓦瓦；同時時，光伏伏發(fā)電產(chǎn)產(chǎn)業(yè)在最最近五年年的年均均增長速速度已逾逾30%。太陽光照照在半導(dǎo)導(dǎo)體p-n結(jié)上上，形成成新的空空穴-電電子對，在p-n結(jié)電電場的作作用下，空穴由由n區(qū)流流向p區(qū)區(qū)，電子子由p區(qū)區(qū)流向nn區(qū)，接接通電路路后就形形成電流流。這就就是光電電效應(yīng)太太陽能電電池的工工作原理理?，F(xiàn)有的

11、太太陽能電電池中除除了各種種硅太陽陽能電池池外，還還有多元元化合物物薄膜太太陽能電電池、聚合物物多層修修飾電極極型太陽陽能電池池、納米晶晶太陽能能電池等等。（1）硅太陽陽能電池池 硅太陽陽能電池池分為單單晶硅太太陽能電電池、多多晶硅薄薄膜太陽陽能電池池和非晶晶硅薄膜膜太陽能能電池三三種。 單晶晶硅太陽陽能電池池轉(zhuǎn)換效效率最高高，技術(shù)術(shù)也最為為成熟。在實驗驗室里最最高的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率為233%,規(guī)規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)時的效效率為115%。在大規(guī)規(guī)模應(yīng)用用和工業(yè)業(yè)生產(chǎn)中中仍占據(jù)據(jù)主導(dǎo)地地位，但但由于單單晶硅成成本價格格高，大大幅度降降低其成成本很困困難，為為了節(jié)省省硅材料料，發(fā)展展了多晶晶硅薄膜膜和非晶晶硅薄

12、膜膜做為單單晶硅太太陽能電電池的替替代產(chǎn)品品。 多晶晶硅薄膜膜太陽能能電池與與單晶硅硅比較,成本低低廉，而而效率高高于非晶晶硅薄膜膜電池，其實驗驗室最高高轉(zhuǎn)換效效率為118%,工業(yè)規(guī)規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)的轉(zhuǎn)換換效率為為10%。因此此，多晶晶硅薄膜膜電池不不久將會會在太陽陽能電地地市場上上占據(jù)主主導(dǎo)地位位。 非晶晶硅薄膜膜太陽能能電池成成本低重重量輕，轉(zhuǎn)換效效率較高高，便于于大規(guī)模模生產(chǎn)，有極大大的潛力力。但受受制于其其材料引引發(fā)的光光電效率率衰退效效應(yīng)，穩(wěn)穩(wěn)定性不不高，直直接影響響了它的的實際應(yīng)應(yīng)用。如如果能進進一步解解決穩(wěn)定定性問題題及提高高轉(zhuǎn)換率率問題，那么，非晶硅硅大陽能能電池?zé)o無疑是太太陽能電電

13、池的主主要發(fā)展展產(chǎn)品之之一。 （2）多元化化合物薄薄膜太陽陽能電池池 多元化化合物薄薄膜太陽陽能電池池材料為為無機鹽鹽，其主主要包括括砷化鎵鎵IIII-V族族化合物物、硫化化鎘、硫硫化鎘及及銅錮硒硒薄膜電電池等。 硫化化鎘、碲碲化鎘多多晶薄膜膜電池的的效率較較非晶硅硅薄膜太太陽能電電池效率率高，成成本較單單晶硅電電池低，并且也也易于大大規(guī)模生生產(chǎn)，但但由于鎘鎘有劇毒毒，會對對環(huán)境造造成嚴(yán)重重的污染染，因此此，并不不是晶體體硅太陽陽能電池池最理想想的替代代產(chǎn)品。 砷化化鎵（GGaAss）IIII-VV化合物物電池的的轉(zhuǎn)換效效率可達達28%，GaaAs化化合物材材料具有有十分理理想的光光學(xué)帶隙隙以

14、及較較高的吸吸收效率率,抗輻輻照能力力強,對對熱不敏敏感，適適合于制制造高效效單結(jié)電電池。但但是GaaAs材材料的價價格不菲菲,因而而在很大大程度上上限制了了用GaaAs電電池的普普及。 銅銦銦硒薄膜膜電池（簡稱CCIS）適合光光電轉(zhuǎn)換換，不存存在光致致衰退問問題，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和多晶晶硅一樣樣。具有有價格低低廉、性性能良好好和工藝藝簡單等等優(yōu)點，將成為為今后發(fā)發(fā)展太陽陽能電池池的一個個重要方方向。唯唯一的問問題是材材料的來來源，由由于銦和和硒都是是比較稀稀有的元元素，因因此，這這類電池池的發(fā)展展又必然然受到限限制。 （3）聚合物物多層修修飾電極極型太陽陽能電池池 以有有機聚合合物代替替無機材材

15、料是剛剛剛開始始的一個個太陽能能電池制制造的研研究方向向。由于于有機材材料柔性性好，制制作容易易，材料料來源廣廣泛，成成本底等等優(yōu)勢，從而對對大規(guī)模模利用太太陽能，提供廉廉價電能能具有重重要意義義。但以以有機材材料制備備太陽能能電池的的研究僅僅僅剛開開始，不不論是使使用壽命命，還是是電池效效率都不不能和無無機材料料特別是是硅電池池相比。能否發(fā)發(fā)展成為為具有實實用意義義的產(chǎn)品品，還有有待于進進一步研研究探索索。 （4）納米晶晶太陽能能電池 納米米TiOO2晶體體化學(xué)能能太陽能能電池是是新近發(fā)發(fā)展的，優(yōu)點在在于它廉廉價的成成本和簡簡單的工工藝及穩(wěn)穩(wěn)定的性性能。其其光電效效率穩(wěn)定定在100以上上，制

16、作作成本僅僅為硅太太陽電池池的1/511/100壽命命能達到到2O年年以上。三、光化化學(xué)利用用。主要利利用植物物的光合合作用，將太陽陽能轉(zhuǎn)化化微生物物質(zhì)能，這里不不再做詳詳細介紹紹。利用太陽陽能的技技術(shù)難點點太陽能主主要缺點點：一是是能流密密度低；二是其其強度受受季節(jié)、地點、氣候等等各種因因素的影影響，因因此不能能維持常常量，上上述兩個個缺點限限制了太太陽能的的有效利利用。針對光熱熱利用，主要的的技術(shù)難難點在于于如何高高效率的的集熱。如何更更好收集集太陽輻輻射能，設(shè)計更更好的集集熱設(shè)備備有待人人們進一一步開發(fā)發(fā)探索。而對于于太陽能能熱力發(fā)發(fā)電，上上述幾種種太陽能能熱發(fā)電電技術(shù)，除碟式式發(fā)電系系

17、統(tǒng)外，都屬于于大規(guī)模模發(fā)電系系統(tǒng)，只只有建設(shè)設(shè)幾十到到幾百兆兆瓦級的的發(fā)電站站，成本本才可能能降下來來。太陽陽能塔熱熱氣流發(fā)發(fā)電和太太陽池發(fā)發(fā)電占地地面積大大，利用用效率只只有1%左右，因此太太陽能塔塔熱氣流流發(fā)電適適合于土土地廣闊闊、人口口稀少的的沙漠地地區(qū)；而而太陽池池發(fā)電適適合日照照條件好好、鹽資資源比較較豐富的的地區(qū)?？偪傮w來看看，槽式式發(fā)電系系統(tǒng)技術(shù)術(shù)上最為為成熟，且跟蹤蹤機構(gòu)比比較簡單單、易于于實現(xiàn)，總體成成本最低低。太陽陽能熱發(fā)發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)要實現(xiàn)現(xiàn)的是低低投資和和高可靠靠性運行行，這就就要求未未來要進進行新型型集熱材材料的研研究和開開發(fā)，快快速提高高跟蹤機機構(gòu)的技技術(shù)并降降低成本本

18、。同時時發(fā)電產(chǎn)產(chǎn)業(yè)要實實現(xiàn)規(guī)模?；?，建建立大規(guī)規(guī)模的并并網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)，既節(jié)節(jié)約成本本又保證證系統(tǒng)平平穩(wěn)安全全運行。光光伏發(fā)電電產(chǎn)業(yè)尚尚處于起起步階段段，主要要是由于于太陽能能發(fā)電初初期投資資大，控控制成本本高，而而太陽能能轉(zhuǎn)化效效率比較較低，且且容易受受天氣等等多種因因素影響響。根據(jù)據(jù)目前光光伏發(fā)電電發(fā)展?fàn)顮顩r和技技術(shù)難點點，未來來的光伏伏發(fā)電研研究需要要重視以以下幾個個方面：（1）加加快太陽陽能原材材料晶體體硅生產(chǎn)產(chǎn)技術(shù)的的研究和和新型替替代材料料的開發(fā)發(fā)，降低低材料成成本并提提高其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化效率率。（2）提高系系統(tǒng)控制制技術(shù)，如實現(xiàn)現(xiàn)光伏電電池陣列列的最優(yōu)優(yōu)化排列列組合和和太陽光光最大功功率跟蹤蹤

19、等。（33）研究究光伏發(fā)發(fā)電的并并網(wǎng)技術(shù)術(shù)，減少少光伏電電能對電電網(wǎng)的沖沖擊。（44）研究究光伏發(fā)發(fā)電與其其他可再再生能源源發(fā)電技技術(shù)的結(jié)結(jié)合應(yīng)用用，保證證供電持持續(xù)性。國內(nèi)發(fā)展展現(xiàn)狀發(fā)展太陽陽能發(fā)電電的需求求主要來來自滿足足農(nóng)村和和邊遠地地區(qū)的生生產(chǎn)與生生活用電電及我國國電力事事業(yè)持續(xù)續(xù)發(fā)展兩兩個方面面。在太太陽能發(fā)發(fā)電方面面我國具具有得天天獨厚的的有利條條件。（11）豐富富的太陽陽能資源源。我國國總面積積2/33以上的的地區(qū)年年平均日日照時數(shù)數(shù)在20000hh以上，年平均均日輻射射量在440000MJ/m2以上，要優(yōu)于于歐洲和和日本，與美國國相近。如此豐豐富的太太陽能資資源可以以節(jié)省太太陽

20、能電電池的用用量，有有利于太太陽能發(fā)發(fā)電在較較低成本本下加以以推廣。（2）我我國太陽陽能電池池的生產(chǎn)產(chǎn)能力已已超過日日本、美美國和歐歐洲，居居世界第第一位。20007年我我國太陽陽能電池池的產(chǎn)量量約為111800MW。20007年在在全球太太陽能生生產(chǎn)企業(yè)業(yè)16強強中，我我國占據(jù)據(jù)了6席席。（3）逆變技技術(shù)是太太陽能發(fā)發(fā)電的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)之一，由于我我國在大大功率開開關(guān)器件件開發(fā)和和逆變技技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用等方方面已取取得長足足進步，生產(chǎn)出出適用于于光伏并并網(wǎng)、高高效率、高可靠靠性、低低污染、低成本本的逆變變器亦成成為可能能。 但是是，為了了太陽能能發(fā)電產(chǎn)產(chǎn)業(yè)能快快速發(fā)展展，還必必須解決決以下幾幾個問

21、題題：（1）我國生生產(chǎn)太陽陽能電池池的原材材料主要要依靠進進口，而而絕大多多數(shù)太陽陽能電池池和切片片用于出出口，這這種不利利于產(chǎn)業(yè)業(yè)發(fā)展的的局面必必須盡快快扭轉(zhuǎn)。（2）太太陽能發(fā)發(fā)電的成成本在33元/kkWh以上上，遠遠遠高于目目前居民民電網(wǎng)電電價0.5元/kWh,這這也是發(fā)發(fā)展太陽陽能發(fā)電電的不利利一面。（3）目目前，太太陽能電電池的光光電轉(zhuǎn)換換效率比比較低，比如小小尺寸（1cmm2）多晶晶硅太陽陽能電池池的光電電轉(zhuǎn)換效效率為119.88%,而而大尺寸寸（10000ccm2）多晶硅硅太陽能能電池的的光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率為122%,為為了降低低太陽能能發(fā)電的的成本，必須提提高太陽陽能電池池的光電電轉(zhuǎn)換效效率。（44）我國國的太陽陽能發(fā)電電產(chǎn)業(yè)起起步于獨獨立型太太