我國太陽能的利用與開發(fā)

我國太陽能的利用與開發(fā)摘要：太陽能是一種清潔可再生能源，是當前能源研究工作中的一個重要課題，而我國對太陽能的利用還遠沒有發(fā)達國家那樣的多元化。本文論述了我國迄今為止的太陽能利用、研究狀況和所取得的成果，以及目前市場上太陽能的新型開發(fā)產(chǎn)品和技術(shù)。最后指出太陽能的發(fā)展前景，說明利用太陽能供電、供熱、供冷、照明，建成太陽能綜合利用建筑物，緩解能源、電力、環(huán)境等方面的壓力，是必然的發(fā)展方向。關(guān)鍵字：光-熱轉(zhuǎn)化太陽能制冷空調(diào)太陽能建筑0前言七十年代初期石油價格上漲，全世界出現(xiàn)了能源危機，許多工業(yè)發(fā)達的資本主義國家都被迫對能源問題采取了開源節(jié)流的措施。一方面從生產(chǎn)和生活上節(jié)約能源，另一方面努力尋找和開發(fā)新的穩(wěn)定的能源，其中也包括對于太陽能的研究和利用。我國經(jīng)濟發(fā)展面臨著越來越嚴重的能源短缺制約，能源方面專家指出，開發(fā)國內(nèi)豐富的太陽能資源，是可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是緩解能源緊張的“陽光”之途。我國太陽能資源十分豐富，年日照時數(shù)在2200小時以上地區(qū)約占國土面積的2/3以上。在西方國家，太陽能不僅僅用于熱水系統(tǒng)，同時還包括太陽能發(fā)電、太陽能取暖、太陽能空調(diào)制冷等等，而我國目前還沒有把太陽能完全應用到建筑設(shè)計理念中，我國對太陽能的利用遠遠沒有達到西方國家對太陽能利用的多元化。1太陽能利用的發(fā)展作為清潔、可再生能源，太陽能已廣泛應用于許多領(lǐng)域：供應熱水、取暖、空調(diào)制冷和發(fā)電，隨之也就出現(xiàn)了綜合利用太陽能的生態(tài)建筑，即太陽能建筑。從能源轉(zhuǎn)換角度講，太陽能的利用有兩種方法，即光-熱轉(zhuǎn)化利用和光-電轉(zhuǎn)化利用。太陽能光-熱轉(zhuǎn)換利用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，特別是在解決生活需要方面，如生活熱水、采暖、太陽房等。但這些應用在需求上其實與大自然的賜予并不完全一致：當天氣越冷、人們越需要溫暖的時候，太陽能量的提供往往不足。而太陽能空調(diào)的應用則正好與太陽能的供給大體上保持很好的一致性：當天氣越熱、太陽輻射越強的時候，空調(diào)的負荷也越大。這正是太陽能空調(diào)孕育而生的原因，也是太陽能建筑結(jié)合采暖空調(diào)、熱水和部分電力，達到低能耗、零排污效果的必然發(fā)展。當前我國太陽能熱利用技術(shù)主要應用于太陽能熱水器。從我國太陽能熱水器的發(fā)展過程來看，主要經(jīng)歷了三個階段：悶曬式熱水器、平板式集熱器、全玻璃真空管[1]。太陽能建筑的發(fā)展大體也可分為三個階段：第一階段為被動式大陽房，是一種完全通過建筑物結(jié)構(gòu)、朝向、布置以及相關(guān)材料的應用進行集取、儲存和分配太陽能的建筑。第二階段為主動式太陽房，是一種以太陽能集熱器與風機、泵、散熱器等組成的太陽能采暖系統(tǒng)或者與吸收式制冷機組成的太陽能空調(diào)及供熱系統(tǒng)的建筑。第三階段是太陽電池的應用，為建筑物提供采暖、空調(diào)、照明和用電，完全能滿足這些要求的話，稱為“零能房屋”。我國太陽能建筑的研究和應用還停留在第一階段。太陽能空調(diào)及供熱系統(tǒng)的成功，為第二階段的主動式太陽房創(chuàng)造了條件。隨著太陽電池不斷提高效率、降低成本，利用光伏技術(shù)[2]解決建筑物用電問題是切實可行的，太陽電池與建筑結(jié)合是一個必然的趨勢。2太陽能制冷空調(diào)的歷史研究太陽能制冷空調(diào)不僅可使太陽能得到更充分、更合理地利用，把低品位的能源（太陽能）轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏哪茉矗ㄖ评洌?，而且對?jié)省常規(guī)能源、減少環(huán)境污染、提高人們生活水平也有重要意義，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。太陽能制冷空調(diào)是國內(nèi)研究的一大課題，1974年中東石油危機發(fā)生以后，不少科研機構(gòu)、高等院校及企業(yè)單位等都致力于太陽能的研究與開發(fā)，20多年來，在技術(shù)和應用推廣上取得了一定的進展[3]。主要有太陽能液體吸收式制冷、太陽能固體吸附式制冷、太陽能（吸收式制冷）空調(diào)系統(tǒng)和太陽能除濕式空調(diào)。以下列舉了一些主要的研究成果來說明其發(fā)展過程。2.1太陽能液體吸收式制冷太陽能液體吸收式制冷主要有氨-水吸收式太陽能制冷和溴化鋰-水吸收式制冷。太陽能驅(qū)動的氨-水吸收式制冷系統(tǒng)是太陽能利用的研究中最為活躍的，先后有20多個單位開展過工作，積累了寶貴的經(jīng)驗。1975年，天津大學研制成功有效集熱面積為1.33㎡的連續(xù)式氨-水吸收式太陽能制冰機。1977年，北京師范學院（現(xiàn)首都師范大學）與北京市建筑安裝工程公司等單位研制成功1.5㎡平板型間歇式氨-水太陽能制冰機，不需外加動力。1979年又研制出8㎡平板型自動跟蹤連續(xù)式太陽能冷藏柜，利用兩對光電管分別控制集熱器的方位角和傾角。1977年，華中工學院（現(xiàn)華中理工大學）研制了采光面積為1.5㎡、冰箱容積為70L的間歇式氨-水小型太陽能制冷裝置。同年，原五機部第五設(shè)計院試驗成功他們所研制的無泵循環(huán)氨-水吸收式太陽能制冰裝置，采用透光面積2.74㎡的扁管式太陽能平板集熱器。其特點是將收集到的太陽能大部分用于制冷，一小部分用于工質(zhì)的循環(huán)，取消了電動的循環(huán)泵。迄今為止，國外太陽能溴化鋰-水吸收式制冷通常采用熱水型單級吸收式溴化鋰制冷機，該類制冷機在熱源溫度足夠高及冷卻水溫度比較低的場合性能良好；若熱源溫度降低而冷卻水溫度較高，它的效率將大大下降，甚至不能正常制冷。單級吸收式制冷機還有一個很大的缺點，就是熱源的利用溫差小，一般只有6-8℃。為了適應低溫余熱和太陽能的利用，中國科學院廣州能源研究所從1982年開始進行了新型熱水型兩級吸收式溴化鋰制冷機的研制工作，于1987年研制成功一臺制冷能力為6kW的兩級吸收式試驗裝置，并于1993年和1994年先后制造了一臺350kW和一臺70kW的兩級吸收式制冷機組。1997年，又為國家“九五”科技攻關(guān)項目“太陽能空調(diào)及供熱示范系統(tǒng)”研制了一臺100kW的兩級吸收式制冷機，并成功地應用于太陽能系統(tǒng)中，于1998年投入運行。這是我國第一次采用自己制造的制冷機應用于大型太陽能空調(diào)系統(tǒng)。這種新型的兩級吸收式制冷機有兩個顯著的特點：一是所要求的熱源溫度低，在65℃以上的溫度范圍內(nèi)均能穩(wěn)定地制冷，甚至低至60℃時仍可達到80％的制冷量和性能系數(shù)；二是熱源的利用溫差大，為12-24℃（隨熱源溫度而變）。2.2太陽能固體吸附式制冷太陽能固體吸附式制冷是利用固體吸附劑（例如沸石分子篩、硅膠、活性炭、氯化鈣等）對制冷劑（水、甲醇、氨等）的吸附（或化學吸收）和解吸作用實現(xiàn)制冷循環(huán)的。吸附劑的再生溫度可在80-150℃之間，也適合干太陽能的利用。太陽能吸附式制冷系統(tǒng)間歇運行、結(jié)構(gòu)簡單、沒有運動部件，能制作成小型裝置，多用于制冰工況。1990年，中國科學院廣州能源研究所研制成功一種以活性碳-甲醇為工質(zhì)對的太陽能吸附式制冰機，集熱面積為1m2（透光面積0.92m2）。華南理工大學對活性碳-甲醇、沸石-水為工質(zhì)對的吸收式制冷系統(tǒng)進行了大量的研究，試制了一臺采光面積為1m2、以活性碳-甲醇為工質(zhì)對、冰箱有效容積為103L的太陽能吸附制冷的樣機。1992年，北京航空航天大學試驗了一臺集熱面積為1.6m2、以氯化鈣-氨為工質(zhì)對的化學吸附太陽能制冰樣機。2.3太陽能（吸收式制冷）空調(diào)系統(tǒng)太陽能空調(diào)技術(shù)要求較高，許多研究一直停留在試驗階段，直到作為太陽能空調(diào)應用基礎(chǔ)的太陽能熱水器在全國蓬勃發(fā)展，溴化鋰吸收式制冷機產(chǎn)品日趨成熟和穩(wěn)定，并經(jīng)過國家科委（科技部）和中國太陽能學會熱利用專業(yè)委員會組織專家研討、論證，才認為太陽能空調(diào)進入實際應用的時機已經(jīng)成熟，在不同年代也出現(xiàn)了一些具有代表性的太陽能空調(diào)系統(tǒng)。中國建筑科學研究院與北京市第三棉紡織廠共同協(xié)作，以京棉三廠計量室（面積64m2，高4.1m）為制冷空調(diào)試驗對象，研究試制了利用太陽能和工業(yè)余熱（輔助熱源）的氨-水吸收式制冷裝置，用了近三年的時間，于1979年10月完成全部研究試驗任務。中國科學院廣州能源研究所與香港理工學院合作，于1987年在深圳科技發(fā)展中心招待所建成了一套科研與實用相結(jié)合的示范性太陽能空調(diào)與熱水綜合系統(tǒng)，采用日本出產(chǎn)的單級溴化鋰吸收式制冷機，熱源溫度要求88℃以上。它能對總面積為80m2的4間客房晝夜進行供冷，制冷能力14kW，非空調(diào)期每天可提供45-60℃的生活熱水10-12噸。廣州能源研究所又于廣東省江門市一棟24層綜合大樓上建成我國第一座大型實用性太陽能空調(diào)系統(tǒng)，采用500㎡高效平板太陽集熱器和100kW兩級吸收式制冷機。利用太陽能可全年提供大樓每天所需的生活用熱水，且在夏天以太陽能熱水制冷，供其中一層空調(diào)。它的建成標志著我國太陽能熱利用技術(shù)上了一個新的臺階，使太陽能空調(diào)技術(shù)能與太陽能熱水的應用相結(jié)合。2.4太陽能除濕式空調(diào)除濕式空調(diào)系統(tǒng)是利用吸濕劑（例如氯化鋰、硅膠等）對空氣進行減濕，然后蒸發(fā)降溫，對房間進行溫度和濕度的調(diào)節(jié)，用過的吸附劑被加熱進行再生。再生過程可以利用較低品位熱能，因此也很適合于太陽能利用。清華大學興建了一座利用太陽能再生的干燥劑除濕復合空調(diào)系統(tǒng)試驗裝置。系統(tǒng)具有營造所要求的試驗工況、利用太陽熱能以及進行各種設(shè)備性能試驗等多種功能，包括構(gòu)成與壓縮式制冷系統(tǒng)相結(jié)合的復合式空調(diào)系統(tǒng)。西北工業(yè)大學對吸附劑的除濕性能、吸附除濕換熱器及除濕空調(diào)系統(tǒng)等都作了充分的研究，并且在實用性產(chǎn)品開發(fā)方面取得了成果。西安交通大學與北京市太陽能研究所聯(lián)合研制了一套敞開式吸收式空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用氯化鈣水溶液作吸收劑，由濃溶液在吸收器中吸收來自空調(diào)房間內(nèi)空氣的水分，并經(jīng)絕熱加濕使空氣加濕來達到空調(diào)目的。吸收水分后的稀溶液到再生器中通過太陽能加熱而解吸變回濃溶液，再返回吸收器繼續(xù)進行吸收。3新型太陽能產(chǎn)品與技術(shù)太陽能的廣闊利用前景已被眾多企業(yè)所熟知，不少公司已在大力研制開發(fā)新型的太陽能技術(shù)與產(chǎn)品，以下介紹幾種目前市場上熱門的新型太陽能產(chǎn)品。3.1太陽能產(chǎn)氧空調(diào)機由浙江海寧市斯泰德太陽能熱水器廠研制成功，利用太陽無窮的光熱原理，采用化學能強化多級接收方法，收集和儲存大量的能量，再由太陽能吸附式熱助器和冷助器根據(jù)制冷、制熱需要隨時滿足陰雨雪夜使用，實現(xiàn)了晝夜全優(yōu)化高效運行。其產(chǎn)品特點是熱值高，升溫、降溫快，使用時無明火、無煙塵、無污染，通過光能高效產(chǎn)氧制冷、制熱，比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)約電能達60%左右(按一臺普通2匹空調(diào)每小時0.7度耗電測算)。3.2多功能太陽能旅游景區(qū)清潔機它主要通過高效太陽能電池板吸收太陽能產(chǎn)生動力，利用特制的高速吸塵裝置，清除景區(qū)內(nèi)（尤其是山路路石階等常規(guī)手段那一清除的位置）難以清除的細小的雜物，還可以刮磨掉一些難以清除的污垢。可以配置小型汽油機輔助。3.3采暖降溫凈化器其研制原理是：在陽光的作用下，利用單位體積的冷熱空氣的密度在陽光的作用下，利用冷熱空氣的密度差所產(chǎn)生的微循環(huán)，來實現(xiàn)冬季供暖、夏季降溫的目的。安裝該系統(tǒng)后，室內(nèi)冬季最高平均室溫在19.5℃以上，夏季比傳統(tǒng)建筑的室內(nèi)溫度低6℃左右，同時使室內(nèi)空氣得到不斷的過濾、凈化，保持清新。3.4太陽能輔助電加熱低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的集熱器采用U型管式太陽能集熱器，系統(tǒng)承壓能力高，適合機械循環(huán)方式，而且循環(huán)介質(zhì)可以是防凍液，沒有冬季凍結(jié)的擔憂。采用間接式系統(tǒng)，集熱和采暖獨立，既方便防凍液使用又有利采暖運行。配備電加熱輔助系統(tǒng)，滿足集熱不足時的需要。3.5全天侯太陽能灶根據(jù)拋物面聚光原理、光熱轉(zhuǎn)換原理、熱能存貯與傳導原理研制發(fā)明。該太陽灶主要由聚光罩、集熱器、保溫儲能箱、支撐架、自動跟蹤調(diào)節(jié)裝置、導熱體、保溫蓋等幾部分組成。可以在陽光相對充足的天氣，內(nèi)部溫度達到280度以上，可以進行蒸、煮、炒、燉等多種烹飪，且一天三頓飯均可利用。3.6太陽能·地能協(xié)同供應系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)包括太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、熱管技術(shù)、相變蓄熱技術(shù)、真空強制揮發(fā)技術(shù)、逆卡諾循環(huán)制冷·制熱技術(shù)、光電智能控制與自動跟蹤陽光技術(shù)等。該技術(shù)通過太陽能、地能的控制協(xié)同，實現(xiàn)了對房屋的采暖、制冷和熱水供應。通過兩者的有效結(jié)合，實現(xiàn)了在充分滿足環(huán)保要求前提下的經(jīng)濟運行。3.7太陽能·風能協(xié)同海水淡化系統(tǒng)屬于海水淡化領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)包括風能轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、太陽能技術(shù)、智能控制技術(shù)、能量蓄積利用（節(jié)能）技術(shù)等。通過幾種易于得到可再生能源的協(xié)同作用，從而實現(xiàn)了規(guī)?；迫〉ㄟ^模塊化的設(shè)計，可以實現(xiàn)通過組合提供各種產(chǎn)水量的海水淡化系統(tǒng)。通過能量的回收利用，使得能量得到了高效的利用，并使海水淡化的成本大幅度降低。3.8KRW-10型太陽能制冷、采暖、生活熱水三聯(lián)供系統(tǒng)由棗陽市東升太陽能開發(fā)有限公司研制，系統(tǒng)采用可跟蹤太陽直射的W型反射裝置、100℃時熱效率達到55%以上的真空管集熱裝置和太陽能制冷的單效-雙級溴化鋰吸收式制冷機。3.9太陽能熱泵空調(diào)系統(tǒng)[4]由北京中科能能源高科技公司最新開發(fā)生產(chǎn)的一套空調(diào)、采暖和生活熱水三聯(lián)供系統(tǒng)，該產(chǎn)品主要由熱泵機組、輔助熱源系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)三部分組成，配以中科能公司專為該系統(tǒng)開發(fā)的微電腦控制器，充分利用太陽能和空氣能等綠色新能源，將風冷熱泵技術(shù)和太陽能熱水技術(shù)有機結(jié)合，突破了風冷熱泵系統(tǒng)低溫環(huán)境下運行效率低或無法運行的缺陷，并能常年提供生活熱水，充分滿足現(xiàn)代家庭生活需求。4結(jié)束語太陽能眾多產(chǎn)品的開發(fā)利用說明太陽能利用越來越廣泛，利用太陽能供電、供熱、供冷、照明，建成太陽能綜合利用建筑物則是一個新的發(fā)展方向，美國、德國、日本、意大利等國家都已建成這種全部依靠太陽能的示范建筑物。2004年6月，我國北京市大興區(qū)天普工業(yè)園的一幢建筑面積8000㎡的綜合利用新能源的生態(tài)建筑示范工程[5]，經(jīng)過近一年的運行后全面通過驗收，被專家評議為“我國第一幢綜合利用太陽能解決能源問題的建筑示范工程”。“中國太陽能第一樓”的成功運行，標志著內(nèi)地在民用太陽能綜合利用技術(shù)