（热能工程专业论文）光伏太阳能热泵的理论和实验研究.pdf

摘要 摘要 光伏电池的转换效率随着工作温度的升高而下降，这常常会导致光伏电池 在无冷却的条件下效率较低。为了降低光伏电池的工作温度利用这部分热量 并同时提高太阳能的利用率，对太阳能进行光电、光熟综合利用是一个很好的 选择近年来这方面的研究在国内外得以逐渐展开。 参阅相关文献可以发现：光电光热综合利用的研究主要有以下两种方式： 一种是利用水作为冷却介质，被加热后用来作为生活用水，或者作为热泵系统 的辅助热源i 另一种是利用空气作为冷却介质，加热后的空气被导入到室内给 房问采暖或进行其它形式的再利用。相关的研究表明：采取了上述冷却措施后 光伏电池的效率得以明显改善，同时太阳能的综合利用率也得以显著提高。 然而为了便水或空气可以达到直接利用或再利用的目的，常常希望冷却介 质的能达到较高的温度，这和提高光伏电池效率的方向是背道而驰的。为了从 根本上解决这个问题，我们提出了一种新型的太阳能综合利用方案：即把光伏 集熟器和热泵系统直接偶合起来，利用温度较低的制冷剂带走光伏集热器的热 量，由此可以达到很好的冷却效果，并可以在热泵的冷凝端输出品质提升后的 热量用于采暖或制取生活用热水。这种系统被称为光伏太阳能热泵( p h o t o v o l t a i c s o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p p v - s a h p ) ，对其进行的相关研究表明该系统具有优良的 热性能，并且光伏电池的转换效率也得以显著提高。 本文利用分布参数模型对光伏太阳能热泵系统的核心部件一光伏蒸发器 进行了深入的数值研究，并在此基础上构件了p v - s a h p 系统模型，研究了结构 参数、太阳辐射强度、环境参数等因素的改变对光佚蒸发器和整个热泵系统性 能的影响。对光伏蒸发器的模拟采用了分布参数法，相对于集总参数法而言。 这种方法具有更高的精度。它能够给出光伏蒸发器各组件的温度分布以及能量 流动特点，并同时给出光伏蒸发器的热电输出等。 在上述理论模拟的基础上，设计并搭建了光伏太阳能热泵实验台并在合 摘要 肥冬季的气候条件下，进行了相关的实验研究，对实验结果和数值模拟结果进 彳亍了对比分析，二者具有很高的一致性，验证了所建模型具有较高的精度。研 究结果表明光伏蒸发器的热效率可以达到0 5 3 - - 0 ，7 5 ；电效率可以达到 0 1 2 4 0 1 3 5 ：综合效率可达到o 6 4 0 8 7 。与同类型的集热器相比高出约1 0 以 上。光伏太阳能热泵的c o p 最高达到8 4 ，平均c o p 为6 5 。由此可见光伏太阳 能热泵具有非常优越的性能。 采用上述模型，本文还对光伏太阳能热泵的变频率工作特性进行了数值模 拟研究。由于光伏太阳能热泵是工作在宽幅变动的太阳辐射和环境温度下，凶 此必须对制冷剂流量进行适时调整，以避免蒸发器出口的制冷剂处于两相状态 危及到压缩机的安全运行，或者蒸发器出口制冷荆的过热度太大，导致散热损 失增加，降低蒸发器的热效率。本文采用了变频率和电子膨胀阀的二级调整方 式调节制冷剂流量，使其与外界参数的变化相匹配，取得了很好的效果，使光 伏太阳能热泵系统处于安全、高效的运行状态。 关键词：光伏太阳能热泵光伏蒸发器热效率电效率综合效率件能系 数变频率分布参数法 v 摘要 a b s t r a c t p h o t o v o l t a i ce f f i c i e n c yd e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e t h i sl e a d st oar e l a t i v e l yl o w e re f f i c i e n c yw h e ns o l a rc e l l so p e r a t i n gw i t h o u ta c o o l i n gs e r v i c e i no r d e rt ou t i l i z et h i sp a r to ft h e r m a le n e r g y , w h i c hw a sd i s c h a r g e d t ot h ee n v i r o n m e n td i r e c t l y , ac o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no ft h es o l a re n e r g yi sag o o d a l t e r n a t i v e r e s e a r c h e so nt h i sf i e l dh a v eb e e nw i d e l yc a r r i e do ni n s i d ea n do u t s i d e c h i n a ， r e f e r e n c e sr e v e a l e dt w om a i nm o d e sw e r ea d o p t e db yv a r i o u s a u t h o r si n p h o t o v o l t a i c p h o t o t h e r m i c 吣u t i l i z a t i o no ft h es o l a re n e r g y ：i nt h ef i r s tm o d e w a t e rw a su s e da st h ec o o l a n to ft h ep vp a n e l sa n dt h eh e a t e dw a t e rw a su s e df o r d o m e s t i cu s a g eo ra sat h e r m a lr e s o u r c eo fah e a tp u m p i nt h es e c o n dm o d ea i rw a s u s e da st h ec o o l a n t ，a n dt h eh o ta i rw a si n d u c t e dt oar o o mf o rs p a c eh e a t i n g t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h ep h o t o v o l t a i ce f f i c i e n c yw a si m p r o v e dw i t ht h ec o o l i n ge f f e c t , a n dt h eo v e r a l le f f i c i e n c yw a sa l s ol i f t e dt oah i g h e rl e v e l h o w e v e rt h ew a t e ro ra i rw a su s u a l l yh e a t e dt oar e l a t i v e l yh i g ht e m p e r a t u r eo n t h ep u r p o s eo fad i r e c tu s a g e t h i sw a so nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o no ft h ep h o t o v o l t a i c e f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t t h i sp a p e rp r o p o s e dan o v e ls y s t e mw h i c hw a sd i r e c t l y c o u p l e do fap vs o l a rc o l l e c t o ra n dah e a tp u m p t h es o l a rc o l l e c t o ra c t e da st h e e v a p o r a t o ro ft h eh e a tp u m p i nt h ee v a p o r a t o r r e f r i g e r a n ta b s o r b e dh e a tf r o mt h ep v b a s ep l a t e ，a n dd i s c h a r g e di tt ot h ec o o l i n gw a t e ri nt h ec o n d e n s e r i nt h i sw a yt h ep v p a n e l st e m p e r a t u r ed r o p p e da n dt h ep h o t o v o l t a i ce f f i c i e n c yw a si m p r o v e da tt h e s a n t l et i m e t h i sn o v e ls y s t e mw a sn a m e da sp h o t o v o l t a i cs o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ( p v - s a h p ) r e s e a r c hh a sr e v e a l e d i th a sas u p e r i o rt h e r m a la n de l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e ad i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sa p p r o a c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e dt os i m u l a t et h e p ve v a p o r a t o ro nt h i sb a s e ，t h em o d e lo ft h ep v - s a h ps y s t e mw a sa l s ob u i l t r e s e a r c h e sw e r ef o c u s e do nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ， w h i c hi n f l u e n c e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp u m p c o m p a r e dt ot h el u m p e d 摘要 p a r a m e t e r sa p p r o a c h ，t h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sa p p r o a c hh a sah i g h e ra c c u r a c y i t c a ng i v et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h er e f r i g e r a n ta l o n gt h et u b e , a n dc a l c u l a t e t h et h e r m a l e l e c t r i c a lo u t p u t sa tt h es a m et i m e b a s e do nt h ea b o v et h e o r i e sw ed e s i g n e da n db u i l tt h ee x p e r i m e n t a lr i g so f t h e p v - s a h ps y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sw e r et a k e nu n d e rw i n t e rw e a t h e r c o n d i t i o n so fh e f e ir e g i o n t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na g r e e dv e r y w e l l ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h es y s t e m sm o d e lh a sah i g ha c c u r a c y t h et h e r m a l e f f i c i e n c y , e l e c t r i c i t ye f f i c i e n c ya n dt h eo v e r a l le f f i c i e n c yo ft h ep ve v a p o r a t o rw e r e 0 ，5 3 0 7 5 ，0 12 4 0 i3 5 ，a n do 6 4 - 08 7r e s p e c t i v e l y ，c o m p a r e dt oaw a t e r - b a s e do r a i r - b a s e dp v 厂rc o l l e c t o rt h eo v e r a l le f f i c i e n c yw a s1 0 h i g h e r t h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) r e a c h e d8 4w i t ha na v e r a g ev a l u eo f 65 ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h e p v - s a h ps y s t e mh a sas u p e r i o rp e r f o r m a n c e ， w i t ht h em o d e l sa b o v e ，t h i sp a p e ra l s og i v ean u m e r i c a ls t u d yo ft h ep v - s a h p s y s t e mw o r k i n gi nav a r i a b l ef r e q u e n c yc o n d i t i o n w h e np v - s a h po p e r a t e s ，t h es o l a r r a d i a t i o ni n t e n s i t ya n da m b i e n tt e m p e r a t u r ev a r i e di naw i d er a n g e ，s oi ti sn e c e s s a r y t oa d j u s tt h em a s sf l o wr a t eo ft h er e f r i g e r a n ta c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n t p a r a m e t e r s t h i sc a ne f f e c t i v e l ya v o i dt w o p h a s ef l o wa p p e a r sa tt h eo u t l e to ft h e e v a p o r a t o lo rc o n t r o lt h es u p e r h e a t e dd e g r e eo ft h er e f r i g e r a n tw i t h i nas u i t a b l e r e g i o n i ft h et w o - p h a s ef l o wf l u s h e di n t ot h ec o m p r e s s o r ，t h ec o m p r e s s o rw o u l db e s e r i o u s l yd a m a g e d 1 ft h es u p e r h e a t e dd e g r e e i st o oh i g h t h eh e a tl o s st ot h e e n v i r o n m e n ti n c r e a s e da n dt h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h ee v a p o r a t o rd r o p p e do nt h e c o n t r a r y t h i sp a p e ra d o p t e dat w o - s t a g em o d u l a t i o nt h r o u g ht h ec o m p r e s s o r f r e q u e n c ya n dt h ee x p a n s i o nv a l v et om a t c ht h em a s sf l o wr a t ew i t ht h et h e r m a ll o a d ， w h i c he n s u r e dt h ep v - s a h p s y s t e mw o r k i n gi nah e a l t h y , e f f e c t i v es t a t e k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cs o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，p h o t o v o l t a i ce v a p o r a t o r , t h e r m a l e f f i c i e n c y , e l e c t r i c i t ye f f i c i e n c y , o v e r a l le f f i c i e n c y , c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ， v a r i a b l ef r e q u e n c y ，d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sa p p r o a c h v l i 符号列表 符号列表 光伏蒸发器面积( m 2 ) 定压比热容( 弘9 1x ，) 制冷剂铜管直径( m ) 单位面积的光伏输出功率( w i n - 2 ) 压缩杌运行频率( h z ) 太阳辐射强度( w i n - 2 ) 制冷剂比焓( k j k g - 1 ) 蒸发器背面的热损失系数( w i n - 2k - 1 ) 玻璃盖板和光伏基板间的对流换热系数( w i n - zk - i ) 玻璃表面的对流换热系数( w m - 2k 。) 光伏输出电流( a ) 太阳光线入射角( d e g r e e ) 导热系数( w m - 1k 0 1 ) 蒸发器铜管长度( m ) 质量流量( k g s 1 ) 折射率( d i m e n s i o n l e s s ) 制冷剂压力( p a ) 光伏输出功率( 聊 得热功率；冷凝功率( w ) 传导热流密度( w i n 2 1 制冷剂和铜管间的热流密度( w i n 之) 蒸发器背面单位面积的散热率( w m 玻璃益板的反射率f d i m e n s i o n l e s s ) 折射角( d e g r e e ) 光伏基板与粘胶铝板间的热流密度( w m - 2 ) a g d z g k 如儿 j j 七 l m n 尸 9 矿 靠 办露 ， s 符号列表 蒸发器表面倾角( d e g r e e l 粘胶铝板温度( k ) 环境温度( k ) 玻璃盖板温度( 1 ( ) 制冷剂温度水) 天空温度( k ) 铜管壁温( k ) 制冷剂流速( m s d ) 光伏电压( v ) 管间距( m ) 单位体积力分量( n m 3 1 干度( d i m e n s i o n l e s s ) g r e e k f e l l e r s 玻璃盖板的吸收率( d i m e n s i o n l e s s ) 制冷剂和铜管间的换热系数( w m k 1 ) 温度系数( o c 。) 光伏电池的覆盏率( d i m e n s i o n l e s s ) 蒸发器倾角( d e g r e e ) 方位角( d e g r e e ) 时角( d e g r e e ) 倾斜面上的入射角( d e g r e e l 粘胶铝板厚度( m ) ；赤纬( d e g r e e ) 光伏基板的厚度( 包括了光伏电池) ( m ) 光伏基板表而的发射率( d i m e n s i o n l e s s ) 效率( d i m e n s i o n l e s s ) 动力粘度系数( p a 曲 j，瓦磊乃乃矿肜 r 盯 坼层乃，易莎如 e 矿 p 符号列表 密度( k g m 4 ) s t e f a n b o l t z m a n n 常数( w m 2p ) 玻璃盖板的透过率( d i m e n s i o n l e s s ) 空气，环境 受光面积 蒸发器，电的 玻璃 内部的 进口 液体 测量的 外侧的：综合的、全部的 出口 p v 基板；压缩机 光伏的 制冷剂 参考条件 模拟的 过冷的 过热的 热 两相的 管壁：水 9 0 ， ， 一口 妒， 占，加， 肼 口刎 ， 彤 ， 船砌，驴， 图例清单 图例清单 表i 1 中国一次能源生产总量及构成“”l 表1 2 中国一次能源消费总量及构成2 表i 3 中国历年石油净进口量3 表1 42 0 0 0 2 0 0 5 年主要大气污染物排放量4 图i 1 太阳能资源分布图5 表1 5 中国可再生能源资源现代方式开发利用程度6 图1 2 光伏太阳能热泵系统工作原理图1 5 图2 ip v 蒸发器的实物照片2 4 图2 2p v 蒸发器局部剖面示意图2 4 图2 3 薄层铝板中肋片微元的导热分析2 5 图2 4 蒸发器管道中制冷剂微元的能量分析2 8 图2 5 光伏太阳能热泵系统计算流程图3 4 图2 6 出口焓随辐射强度s 的变化曲 3 6 图2 7 出口焓随环境温度t a 的变化曲线3 6 图2 8 出口焓与蒸发器管长之间的变化曲线3 7 图2 9 出口焓与平行管问距之间的变化曲线3 7 图2 1 0 出口焓与制冷剂进口干度之间的变化曲线3 8 图3 1 光伏太阳能热泵实验原理图4 2 图例清单 图3 2 光伏蒸发器模块制冷剂铜管的连接示意图4 4 图3 3 制冷剂封装在粘胶铝板和光伏基板问的q 槽中4 4 图3 4 光伏蒸发器的制作工艺图4 5 表3 1 压缩机的转速、出口压力和压缩比的对应关系4 6 图3 5 光伏系统原理图4 6 图3 6 光伏电池的i v 特性曲线4 7 图3 7 光伏蒸发器内热电偶布置图鹌 图3 8 工质质量流量计5 0 图3 9 压力传感器5 0 图3 1 0 太阳辐射仪5 0 图3 1 l 风速仪5 0 图3 1 2 光伏蒸发器实验布置图5 2 表3 2 光伏蒸发器性能参数的计算公式5 3 图3 1 3 实验期间得太阳辐射强度和环境温度5 4 图3 1 4 质量流量和蒸发压力的变化5 4 图3 1 5 蒸发器的得热量5 6 冈3 1 6 光伏蒸发器的热效率变化曲线5 6 图3 1 7 输出电功率的变化曲线5 7 图3 1 8 光电转换效率的变化曲线5 7 图3 1 9 热电综合效率的变化5 9 图例清单 图3 2 0 相邻铜管间的温度分布变化6 0 表3 3 太阳能热泵性能参数的计算公式6 2 图3 2 1 太阳辐射强度和环境温度的变化6 3 图3 2 2 压缩机耗功的模拟和实验结果6 4 图3 2 3 冷凝功率的变化曲线6 5 图3 2 4 系统的c o p 变化曲线6 6 图3 2 5 光伏功率的变化曲线6 7 图3 2 6 光伏效率的变化曲线6 8 图4 1 光伏太阳能热泵变频率工况下的计算流程图7 4 表4 1 气象参数7 5 图4 2 冷凝功率和c o p 的变化曲线7 6 图4 3 压缩机功率和光伏功率的变化曲线7 7 图4 4 压缩机频率和制冷剂质量流量的变化曲线7 8 图4 5t a ，t g 和t p 的变化曲线7 9 图4 6 电效率、热效率和综合效率的变化曲线8 0 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：刻雪盎 z 。7 年矿月彳护日 筇一章绪论 第一章绪论 中国目前已成为世界上第二大能源生产和能源消费国，伴随着经济的快速 发展，我国对能源的需求仍将呈现快速增k 的趋势发展。而目前我国的能源结 构还是以煤炭和石油等化石燃料为主，可再生能源尤其是太阳能、风能在整个 能源结构中所占的比重还非常低。2 0 0 6 年1 月1 日，随着我国可再生能源法 的正式实施，我国的可再生能源的发展迎来了一个新的发展机遇，在未来一段 时间内，这方面的理论和实验研究将成为一个持续的热点，从而对我国的能源 结构和经济发展产生深远影响n 1 1 我国能源的概况 1 1 1 我国的能源现状和基本特点 表1 1 中国一次能源生产总量及构成( 引自中国能源发展报告2 0 0 7 ) ) 能源生产总量( 万 构成( 以能源生产总量为1 0 0 ) 年份 吨标准煤) 原煤原油灭然气水电 1 9 7 86 2 7 7 07 032 3 72 9 l30 9 1 9 8 06 3 7 3 56 952 3 7 529 8 3 7 7 1 9 8 58 5 5 4 6 7 28 3 2 08 6 2 0 l4 3 0 1 9 9 01 0 3 9 2 27 4 2 31 90 i19 64 8 0 1 9 9 51 2 9 0 3 47 5 31 6 6 01 9 06 2 0 2 0 0 01 2 8 9 7 87 201 8 12 8 07 2 0 2 0 0 11 3 7 4 4 57 1 81 702 9 8 2 2 0 0 21 4 3 8 1 07 23j 6 63 08i 2 0 0 31 6 3 8 4 27 5 11 482 87 3 2 0 0 41 8 7 3 4 l 7 6o l342977 2 0 0 52 0 6 0 6 87 6 41 263 377 统计资料显示：2 0 0 5 年中国一次能源的生产总量已经达到2 0 6 亿吨标准 第一章绪论 煤，发电总量超过2 5 万亿千瓦时。从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年，一次能源生产总量 和发电总量的平均年增长率分别达到了9 8 2 和1 3 0 2 。2 0 0 5 年一次能源生产 总量的构成分别为：原煤7 6 4 ，原油1 2 6 ，天然气3 3 ，水电7 7 ，如表 1 1 所示。 进入二十一世纪以来，伴随着我国经济的快速发展，中国能源消费总量也 呈快速增长的趋势，从2 0 0 1 。年到2 0 0 5 年，中国能源消费总羞年均增长率达到 1 0 0 2 。2 0 0 5 年中国能源消费总量达到2 2 3 3 亿吨标准煤，能源消费总量的构 成分别为：煤炭6 8 9 ，石油2 l _ 0 9 6 ，天然气2 ，9 9 6 ，水电7 2 9 6 ，如表1 2 所示 表1 2 中国一次能源消费总量及构成( 引自中田能源发展报告2 0 0 7 ) ) 能源生产总量( 万 构成( 以能源生产总量为l o o ) 年份 吨标准煤) 水电 原煤 原油天然气 1 9 7 8 5 7 1 4 4 7 0 ，7 2 27323 4 1 9 8 06 0 2 7 57 222 0 8 3 14 o 1 9 8 57 6 6 8 27 58 1 7 1224 9 1 9 9 0 9 8 7 0 37 6 21 6 ，62l5 1 1 9 9 5l3 1 1 7 67 4 61 751 8 6 i 2 0 0 01 3 8 5 5 36 7 82 3 22 4 6 7 2 0 0 l1 4 3 1 9 96 672 292 ，67 ，9 2 0 0 21 5 1 7 9 76 6 ，32 3 42 6 7 7 2 0 0 31 7 4 9 9 06 8 42 2 22 6 6 8 2 0 0 4 2 0 2 1 2 2 7 6 8o 2 23267 1 2 0 0 52 2 3 3 1 96 89 2 1 02 97 2 对比一 = 述数据可以发现，我国的能源生产和消费具有如下特点： 1 ) 能源消费量大于能源生产量，并且这个差额有逐年上升的趋势。2 0 0 5 年能源 消费与能源生产的平衡差达到了1 7 3 亿吨标准煤。 2 ) 煤炭在我国的能源资源中占绝对优势地位，油气资源很少，水力资源丰富。 到2 0 0 3 年底，中国常规能源查明和剩余可采容量中，煤炭占7 4 1 ，石油占 2 第一章绪论 1 1 。天然气占o ，9 ，水能占2 3 9 。 3 ) 石油需求旺盛，净进口量剧增。2 0 0 5 年中国的石油消费量达到了3 2 5 3 5 万吨， 而生产总量为1 8 1 3 5 万吨，二者存在1 4 4 0 0 万吨的差额，只能通过石油进口 来填补。由此增加了我国能源对外来能源的依赖程度，给能源的安全造成不 利的影响。表1 3 是上世纪九十年代以来我国的石油进口量。 表j3 中国历年石油净进口量( 引自中国能源发展报告2 0 0 7 ) 生产与消费的差额石油狰进口量( 万 年份 石油生产量( 万吨)石油消费量( 万吨) ( 万吨)吨) 1 9 9 01 3 8 3 l1 1 4 8 62 3 4 52 3 5 5 ( 净出口) 1 9 9 i1 4 0 9 91 2 3 8 4】7 1 51 4 5 5 ( 净出口) 1 9 9 21 4 2 l o1 3 3 5 48 5 6 5 6 5 ( 净出口) j 9 9 31 4 5 2 4i 4 7 2 i- 1 9 79 8 8 1 9 9 41 4 6 0 81 4 9 5 6- 3 4 82 9 0 1 9 9 51 5 0 0 51 6 0 6 5一j 0 6 01 2 1 9 j 9 9 6j 5 7 3 31 7 4 3 61 7 0 31 3 9 5 1 9 9 71 6 0 7 41 9 6 9 23 6 1 83 3 8 4 1 9 9 81 6 1 0 01 9 8 1 8- 3 7 1 82 9 1 3 1 9 9 9j 6 0 0 02 1 0 7 35 0 7 34 3 8 i 2 0 0 01 6 3 0 02 2 4 3 96 1 3 97 5 7 6 2 0 0 i1 6 3 9 62 2 8 3 86 4 4 27 0 7 2 2 0 0 21 6 7 0 02 4 7 8 78 0 8 78 】3 0 2 0 0 31 6 9 6 02 7 1 2 61 0 1 6 61 0 6 4 9 2 0 0 41 7 5 8 73 1 7 0 0- 】4 1 1 31 5 0 5 1 2 0 0 51 8 1 3 53 2 5 3 5一1 4 4 0 01 4 2 7 5 4 ) 能源消费的部门结构以工业为主，居民生活用电量呈上升趋势。以2 0 0 4 年 的统计数据为例，工业能源消费占总能源消费的比例为7 0 5 ，居民生活用 电的比例为i o 4 7 。2 0 0 5 年我国工业用能超过了1 4 亿吨标准煤，而用于居 民生活用能量也达2 3 3 9 3 万吨标准煤 第一章绪论 1 1 2 能源发展面临的问题和挑战 能源资源相对不足，能源生产不能满足对能源的消费需求。中国常规一次 能源( 包括煤、油、气、水) 总量约3 6 3 万亿吨标准煤，占世界同类资源总量 的1 0 左右。然而中国的人口约占世界人1 3 的四分之一，这就造成了我国人均能 源资源占有率较低的现状。因此中国的社会经济发展必须建立在能源高效利用 的基础之上。 石油进口依赖程度增加，能源安全形势严峻。统计资料显示：中国石油的 对外依存度由1 9 9 3 年的7 增加到2 0 0 5 年的4 4 $ ，并且今后将保持持续上升的 趋势，由此带来中国能源和经济发展的安全问题。今后国际石油市场的供应短 缺或价格异常波动，都会给我国的经济发展带来越来越大的冲击和影响。 能源发展和环境保护的矛盾尖锐。煤炭在中国的能源结构中占7 0 左右的 比重，并且中国的煤炭消耗中大部分是原煤的直接燃烧，因此给环境带来了严 重的污染。化石燃料对环境的影响主要有以下几方面： 表1 4 是2 0 0 0 - 2 0 0 5 年主要大气污染物排放量( 单位：万吨) 二氧化琉排放量 烟尘排放量 年份 合计工业生活 合计 工业生活 2 0 0 01 9 9 5 l1 6 1 253 8 2 6 1 1 6 5 4 9 5 3 32 1 2 1 2 0 0 11 9 4 7 ，81 5 6 6 63 8 1 2 1 0 6 9 88 5 1 92 1 7 9 2 0 0 21 9 2 6 61 5 6 2 03 6 4 6l o l 278 0 4 22 0 8 ，5 2 0 0 32 15 871 7 9 i 43 6 691 0 4 8 58 4 6 12 0 2 5 2 0 0 42 2 5 4 91 8 9 1 43 6 3 51 0 9 508 8 6 52 0 8 5 2 0 0 52 5 4 9 0 2 1 6 8 03 8 10 1 1 8 209 4 9 0 2 3 3 0 燃烧产生的二氧化碳导致了地球的温室效应。改变了全球的气候，改变了 生态平衡； 燃烧排放的余热会对环境造成热污染。改变了原有的生态环境； 燃烧产生的硫、磷、氮的氧化物，在一定条件下形成酸雨，给农作物、土 壤、森林等带来危害【2 】。 4 第一章绪论 节能工作还有待深入开展。2 0 0 2 年我国每万元国内生产总值能耗为1 2 9 吨 标准煤，然而近几年来，由于钢铁、水泥、电解铝等高耗能产业的剧增我国 的节能率又呈现逐年减少的趋势：2 0 0 3 年和2 0 0 4 年分别为一4 7 8 和- 5 5 0 。中 国能源的利用效率和经济效益与世界先进水平还存在较大差距：高能耗产品的 能源单耗比发达国家平均水平高4 0 ：单位产值能耗是世界平均水平的2 3 倍i 能源利用效率比世界平均水平低1 0 以上。 国家发改委能源所对中国能源需求分析表明，到2 0 2 0 年实现国内生产总值 比2 0 0 0 年翻两番的总体目标，预测在充分考虑技术进步、经济结构调整因素， 采取多种切实可行的政策措施，努力构建高效、节能型社会的前提下2 0 1 0 年能 源消费总量约需2 3 亿t 标准煤，2 0 2 0 年能源消费总量约需3 0 亿t 标准煤。因 此，我国能源供应形势十分严峻，从现在开始，应高度重视可再生能源的开发 利用问题。可再生能源利用既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境 治理和生态保护的重要措施。发展可再生能源既是未来能源技术储备的战略需 要，也是解决局部地区基本能源供应的现实选择【3 4 】。 1 , 2 太阳能的光电、光热利用技术 图1 i 太阳能资源分布图 5 第一章绪论 图1 1 是我国的太阳能资源分布图。可以看出我国的太阳能资源非常丰富： 年日照时数大于2 2 0 0 h ，辐射总量高于5 0 0 0 m j m 2 a 约占全国总面积的三分 之二以上，具有利用太阳能的良好条件。 2 0 0 6 年1 月1 日随着可再生能源法工f 式实施，为我国可再生能源的发 展提供了法律上的保障。它明确规范了政府和社会在可再生能源开发利用方面 的责任与义务，确立了一系歹f 制度和措施，包括中长期总量目标与发展规划， 鼓励可再生能源产业发展和技术开发，支持可再生能源并网，优惠上网电价和 全社会分摊费用，设立可再生能源财政专项资金等。该法将引导和激励国内外 各类经济主体参与开发利用可再生能源。促进可再生能源长期发展，使得可再 生能源在能源结构中逐步占有重要地位，有效地减缓矿物燃料带来的环境问题， 促进可持续发展r 然而由于我国可再生能源的利用起步较晚，再加上很长一段时间内缺乏政 策和资金的支持，因此我国的可再生能源的开发利用程度还非常低，水力资源 的利用近年来随着长江三峡工程的建成以及澜沧江、怒江等水利工程的开始建 设取褥了长足的发展，但是太阳能、风能、生物质等可再生能源的利用还处于 f l j j f l i j 起步的阶段，由表1 5 可以看出，我国太阳能的开发利用程度只约有0 0 1 表i5 是中国可再生能源资源现代方式开发利用程度 可再生能源可开发资源量已开发利用量 开发利用程度( ) 大中型水电3 7 9 亿千瓦1 0 8 2 6 万千瓦2 8 5 6 水能资源小水电( 2 5 万千瓦 0 6 5 亿千瓦3 0 8 0 万千瓦4 7 6 6 以下) 陆上技术可开发2 5 3 亿千瓦7 6 4 万千瓦 风能资源 0 0 7 6 海上技术可开发7 5 0 亿千瓦0 太阳能光伏发电5 2 0 亿千瓦5 5 万千瓦0 0 1 地热资源( 大陆高温地热)2 8 0 万千瓦3 1 7 万千瓦1 1 3 生物质制气和发电5 6 亿吨标准煤6 0 0 万吨标准煤 - 1 0 1 2 潮汐能资源2 1 8 0 万千瓦1 2 万千瓦0 0 6 6 第一章绪论 1 2 1 太阳能光伏发电技术 光伏发电利用太阳光短波部分，激发电子跃迁，产生电势，直接输出产生 电流。光伏技术的主要发展历程如下： 1 8 3 9 年，法国的b c c q u r e l 发现光照条件下的伏打电池产生额外电势；( 伏 打电池) ；1 8 7 3 年，英国的w i l o u g h b ys m i t h 发现硒材料对光敏感，其导电能力 的增强正比与光通量；1 8 8 0 年，c h a r l e sf r i t t s 以硒为材料的光伏器件一太阳电池 1 9 5 4 年，c h a p i n 等人研制出了转换效率为6 的单晶硅电池；1 9 5 9 年第一 个多晶硅太阳电池问世，效率达5 。 1 9 6 2 年砷化镓太阳电池光电转换效率达1 3 ；1 9 6 9 年薄膜硫化镉太阳电 池效率达8 。 1 9 7 3 年砷化镓太阳电池效率达1 5 ；1 9 7 4 年c o m s a t 研究所提出无反射绒 面电池，硅太阳电池效率达1 8 。 1 9 8 0 年单晶硅太阳电池效率达2 0 ，砷化镓电池达2 2 5 ，多晶硅电池达 1 4 5 ，硫化镉电池达9 1 5 。 1 9 9 5 年高效聚光砷化镓太阳电池效率达3 2 。1 9 9 8 年单晶硅光伏电池效 率达2 5 。 光伏发电的主要用途有：为边远村落、岛屿、哨所等提供离网供电；为航 天、军事、交通、通讯等特殊领域提供电源或备用电源；由于电池生产的规模 效应及相关政策的支持，并网发电所占的分额增大，目前光伏发电正成为能源 构成中的重要一部分。 最近1 0 年世界光伏产业发展迅速，太阳电池组件生产的年平均增长率达到 3 3 ，2 0 0 4 年1 ： ：2 0 0 3 年增长6 1 2 成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。 近五年的年平均增长速度超过了5 0 。2 0 0 4 年底全球光伏发电产量超过 1 2 5 0 m w ，2 0 0 5 年年底的产量超过2 5 0 0 m w ，年