我国太阳能利用技术现状及发展前景

1、0905030223陈磊我国太阳能利用技术现状及发展前景太阳能利用技术指太阳能的直接转化和利用技术。把太阳辐射能转换成热能并加以利用属于太阳能热利用技术；利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能能转换成电能称为太阳能光伏技术。人类利用太阳能虽然已有3000多年的历史,但把太阳能作为一种能源和动力加以利用,却只有不到400年的历史。自17世纪初以来可以按照太阳能利用发展和应用的状况,把现代世界太阳能利用的发展过程大致划分为8个阶段。近代太阳能利用的历史,一般从1615年法国工程师所罗门,德考克斯发明世界上第一台利用太阳能驱动的抽水泵算起；19011920年这一阶段世界太阳能研究的重点,仍然是太阳能动

2、力装置。但采用的聚光方式多样化,并开始采用平板式集热器和低沸点工质；19211945年由于化石燃料的大量开采应用及爆发了第二次世界大战的影响,此阶段太阳能利用的研究开发处于低潮,参加研究工作的人数和研究项目及研究资金大为减少；19461965年这一阶段,太阳能利用的研究开始复苏,加强了太阳能基础理论和基础材料的研究,在太阳能利用的各个方面都有较大进展;19661973年此阶段由于太阳能利用技术还不成熟,尚处于成长阶段,世界太阳能利用工作停滞不前,发展缓慢；19731980年这一时期爆发的中东战争引发了西方国家的！“石油危机”,使得越来越多的国家和有识之士5RIP,到现时的能源结构必须改变,应加

3、速向新的能源结构过渡,客观上使这一阶段成了太阳能利用前所未有的大发展时期;19811991年由于世界石油价格大幅度回落,而太阳能产品价格居高不下,缺乏竞争力,太阳能利用技术无重大突破;1992年至今为第八阶段,1992年6月联合国!世界环境与发展大会?在巴西召开之后,世界各国加强了对清洁能源技术的研究开发,使太阳能的开发利用工作走出低谷,得到越来越多国家的重视和加强。1太阳能热利用技术在国内外发展概况太阳能热利用具有广阔的应用领域,但最终可归纳为太阳能热发电(能源产出)和建筑用能(终端直接用能),包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能

4、制冷。此外,在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也有一定的研究与应用。1.1 太阳能热水器热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。国际上,太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展.目前热水器产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失。目前在提高集热器效率的研究领域,主要在以下几个方面取得了较大进展:(a)透明蜂窝应用于太阳能热水器的研究透明蜂窝是应用广泛的透明隔热材料,将透明蜂窝应用于太阳能热水器的核心部件集热器的研究,成为目前太阳能热水器发展的一个重要趋势。透明蜂窝结构中的网格把其中的空气分割成很多相

5、互隔离的微小空气单元,在一端或两端封闭的情况下能有效抑制单元内自然对流的形成,使热损系数降低,提高隔热性能。透明蜂窝具有!热二极管?的作用一既能透过太阳辐射,又具有优异的隔热性能。透过率和热损系数是透明蜂窝结构的两个主要性能参数,多年来人们在不断地研制不同构造的透明蜂窝结构以期获得热损低而透过率高的透明隔热材料。(b)真空管太阳能热水器的研究真空管式太阳能热水器由多只真空玻璃集热管插入储水箱构成,换热原理为自然对流换热。作为真空管式太阳能热水器的核心部件,国外最初的真空集热管是由单层壁内部抽成真空的玻璃管内置带U型金属管的钢制吸热体构成的。流体从金属管一端流入,另一端流出,但热效率太低,制作复

6、杂。1976年,美国康宁公司研制成功了单层壁玻璃真空管内置热管和内曲面反射器真空集热管。该设计曲面使投射的太阳射线在一宽范围的接受角内聚集在热管上,大大降低了光线的反射和漫反射损失,这就是CPC复合抛物面聚光器在全玻璃真空集热管上应用的雏形,为降低热损失,热管上开始电镀黑铬。现在,国外已经具有完备的生产制造真空玻璃管的工艺和技术,并且和CPC技术得到完美结合。(c)热管式真空管太阳能热水器的设计研究由于热管具有良好的导热性能,其形状又可随热源和冷源的条件而变化,具有很好的环境适应性。所以将热管应用于太阳能集热器将会显著提高其集热效率。热管式真空集热管由外玻璃管、表面带选择性涂层的重力热管组成。

7、外玻璃管和热管之间抽真空(约1*10Pa),这样可以有效地减少热管吸热段向外界的散热损失。采用重力热管,是因为热管内不需设置吸液芯,具有结构简单、制造方便、成本低廉、传热性能优良、工作可靠、单向导热等优点,热管材料为不锈钢4。(d)应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究太阳能热水全息集热系统的工作原理如图1所示全息聚光元件兼具有会聚和色散的功能,用它来实现聚光型太阳能的转换系统不仅效率高,成本也大大地降低。1所示为一种反射透射型全息太阳能集光图器,它由两层全息图组成。上层对可见光相当于一个凹面反射镜把蓝、绿、红三种不同波长的光分开并会聚成不同的光斑,选用相应的光谱响应特性曲线的光电池进行光电热

8、转换,下层对红外光相当于会聚透镜,把热红外光谱成分透射会聚到一个光热转化接收器上。这样就减少光电转换器件、光热转换器件的用量,5降低太阳能热水器的成本和提高太阳能的利用率。1.2 太阳能热发电目前,太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是:3080MW聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术(简称抛物面槽式)；30200MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术(简称塔式)；7.525kW的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术(筒称抛物面盘式)。除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外,太阳能烟囱发电、太阳池发电等新领域的研究也有进展。(a)太阳能烟囱发电太阳能烟囱发电技术由温室、烟囱和风力发电技术三者结合为一

9、体,该系统由集热棚、烟囱、发电系统组成。集热棚用玻璃或塑料等透明材料建成,并用金属框架作为支撑,集热棚四周与地面留有一定的间隙,大约90%的可见光能够进入集热棚,被棚内地面吸收,同时由于温室效应,集热棚能够很好地阻隔地面发出的长波辐射。这样集热棚就成了一个有效的捕捉和储存系统。棚内被加热的地面与棚内空气之间的热交换使集热棚内的空气温度升高,受热空气由于密度下降而上升,进入集热棚中部的烟囱,带动烟囱内安装的涡轮发电机发电。同时棚外的冷空气通过四周的间隙进入集热棚,这样就形成了集热棚内空气的连续流动。太阳能烟囱发电系统可建于人口稀少地区,其设备较其它发电技术简单,运行费用低,而且设备规模越大,功率

10、越大,发电的功率也越高。不但白天能够发电,而且晚上也能释放能量,保证发电机组的连续运转,因此特别适合于我国西部荒漠地区。(b)太阳池发电简单地说,太阳池是一种池内水体加盐(一般用NaCI、CaCh、MgCl2、Na2CO,和芒硝等盐类)使对流受到抑制的太阳能集聚工程。它可以兼作太阳集热器和储热器,并且构造简单,操作方便,宜于大规模开发,所以近年来得到快速发展。太阳池发电的突出优点,一是建造发电站的成本较低,几乎无需使用价格昂贵的不锈钢、玻璃等材料,只需要一处浅水池和发电设备即可;二是由于它能够储存大量的热能,再利用池中特定介质汽化后相互对流产生的能量推动气轮机运转发电,所以对光照的强度要求不高

11、,即便是在夜晚和阴雨雪天也能照常进行工作。太阳池的应用也有一定的局限性:一是在高纬度地区,只能水平设置的太阳池接收的太阳辐射较少;二是在某些有地下流动含水层的地区,如果太阳池发生泄露,会造成水源污染和严重的热损失;三是大型太阳池只能建造在土壤贫瘠又无矿藏的地区,以免占用耕地、影响开矿以及引起生态环境和地球物理方面的6变化。除上述方法外,还有太阳能热离子发电、太阳能磁流体热发电、太阳能海水温差发电等。1.3 太阳能制冷实现太阳能制冷有两条途径:一是太阳能光电转换,以电制冷;一是太阳能光热转换,以热制冷。前一种方法成本太高,应用较少,所以目前普遍采用以热制冷。太阳能以热制冷研究主要在三个方向上进行

12、,即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。其中吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用阶段,吸附式制冷还处在研究阶段。由于吸收式制冷系统庞大,运行复杂;吸附式制冷则停留在实验室阶段,因此对吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的实用化是目前研究的热点。(a)太阳能吸收式制冷吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术,根据吸收剂的不同,分为氨一水吸收式制冷和溴化锂一水吸收式制冷两种。它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气,再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷。由于造价、工艺、效率等方面的原因,这种制冷机不宜做得太小。一般用于较大型的制冷设备,如中央空调系统、

13、大型冷冻库等。(b)太阳能吸附式制冷吸附式制冷技术是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷,常用的有分子筛一水、活性炭一甲醇吸附式制冷。吸附式制冷循环方式的研究有基本型、连续型、连续回热型、热波型和对流热波型,前三种已有样机研制成功,后两种尚处在理论模拟和实验室阶段。由于现今国际上的太阳能吸附制冷装置大多以水或甲醇等低饱和蒸汽压液体作为制冷剂,如何长期保证系统较高的真空度是太阳能吸附制冷技术走向应用的一个难题。针对这个问题,刘震炎等人研制了一种新型非金属太阳能制冷管。其壳体采用高透过率的玻璃管,一根冷管即为一个制冷单元。冷管的上端为吸附床段,其内填充中空圆柱型复合吸附剂块;中部为冷凝段,外接水

14、箱利用水的自然对流进行冷却；下端的蒸发器内填充制冷剂。冷管型太阳能制冷系统具有下述优点:因吸附床直接吸收太阳能,减少了换热的中间环节,有利于提高制冷系统对太阳能的利用率；冷管壳体采用玻璃管,易于密封及长期维持较高的真空度;实现了加热与制冷在一根管子上进行,结构简单,易于模块化。这些使冷管型太阳能制冷系统具有良好的实用性。(c)太阳能喷射式制冷喷射式制冷是太阳能经集热器产生一定压力的蒸汽来完成喷射制冷。喷射式制冷系统简单,但制冷系数较低,因而出现了用电能辅助提高喷射器的引射压力以提高系统性能的趋势。利用太阳能集热器获得较高温度的热水为热源,采用低沸点工质辅以机械压缩喷射制冷循环称为太阳能增强型喷

15、射制冷系统。此系统主要以提高引射流压力来提高喷射器性能,它综合了机械压缩式制冷循环和蒸汽喷射式制冷循环的优点,具有较高的热经济性,其COP比传统的喷射制冷高50%。1.4 太阳能热泵将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统称为太阳能热泵系统。其工作原理为:在蒸发器吸热后,其工质的高温低压过热气体在压缩机中经过绝热压缩变为高温高压的气体,经冷凝器定压冷凝为低温高压的液体,放出工质的气化热,与冷凝水进行热交换,使冷凝水被加热为热水,供用户使用。同时液态工质再经过降压阀绝热节流后变为低温低压液体,并回到蒸发器定压吸收热源热量,蒸发变为过热蒸气,完成一个循环过程。1.5 太阳能热推进太阳能推进可分为太阳能电推

16、进(SEP)和太阳能热推进(STP)两大类。SEP是通过太阳电池将太阳能转化成电能,再通过电源处理系统将电能供应给各种电推力器加热工质产生推力的推进技术；STP是利用聚集的太阳能直接加热工质产生推力的推进技术。STP与电推进技术相比较,不需要电能转换、管理分配系统,从而使系统简单可靠,能量利用率高；与核火箭发动机相比,STP使用丰富廉洁的太阳能,不产生粒子污染,具有较高的比冲,范围宽阔适中的推力,对同样的星际探索任务；与化学能推进型发动机相比,其有效载荷质量比提高1.363.4倍,有显著的质量节省。因此,STP是空间推进技术发展的一个重要方向。其中,高性能太阳能主聚光器的研制和吸收器/推力室的

17、高温热结构设计是太阳能热推进器(STP)发展过程中的关键技术。2太阳能光伏发电技术国内外发展概况50年代第一块实用的硅太阳电池的问世,揭开了光电技术的序幕,也揭开了人类利用太阳能的新篇章。世界光伏组件生产最近10年的平均年增长率为22%,最近5年的年平均增长率为35%,2005年已达到近800MW。可以看出,世界光伏产业呈快速发展势态,成为世界发展最快的新兴产业之一。在光伏产业方面,各国一直通过扩大规模、提高自动化程度,改进技术水平、开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。在研究开发方面,单晶硅电池效率达到24.7%,多晶硅电池效率19.8%,非晶硅电池实验室稳定效率已突破15%,碲化镉电池

18、效率达到16.4%,铜铟硒电池效率18.8%。晶硅薄膜电池的研究自1987年以来发展迅速,成为世界关注的新热点。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置,主要用于无电网的边远地区和人口分散地区,整个系统造价很高;在有公共电网的地区,光伏发电系统与电网连接并网运行,省去蓄电池,不仅可以大幅度降低造价,而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。目前,太阳能光伏发电的研究重点在开发高效率、低成本新型太阳能电池方面。主要包括非晶硅太阳能电池和微晶硅迭层薄膜电池的实验型

19、研究。(a) 非晶硅太阳能电池非晶硅是一种很好的太阳能电池材料,成熟的非晶硅太阳电池具有较高的稳定性,效率已达到8%。随着非晶硅太阳电池转化效率的提高及生产成本的降低,柔性衬底非晶硅太阳电池,已经应用于一些实际领域。由于柔性衬底的非晶硅电池具有高比功率,轻便,柔韧性强等优点,所以在光伏建筑一体化,特别是在城市遥感用平流层气球平台,军用微小卫星,空间航天器等应用中极具优势。在目前的卫星系统中电源系统的重量占整星重量的近三分之一,而柔性衬底的非晶硅电池可达到2000W/ke的功率/重量比,远远高于晶硅的比功率,因此,使用柔性衬底的非晶硅电池可大大降低电源系统的重量。在民用方面,由于柔性衬底的非晶硅

20、电池具有极好的柔韧性,可卷曲性,这使它不但易于贮存和运输,而且为电池的安装,特别是与建筑物及供电系统的一体化设计方面提供了方便的条件,具有广阔的应用前景。但目前非晶硅电池仍然存在一些问题,主要集中在以下两个方面:(1)转化效率低；(2)电池稳定性不高。要提高转化效率,就需要改进并探索窗口材料及其它各层材料,如:纳米硅复合薄膜。此外还可采取有效方法减少i层缺陷,改善各层间的能隙匹配,改善各种界面接触,这些都有可能提高转化效率。而稳定性不高的问题,则主要是由于光致衰退而引起,即S-W效率,近年来投人了大量的精力来研究光致衰退的问题,光衰退随着i层厚度的增大而增大,这是因为在i层产生的光生载流子复合

21、因内建电场强度的减小而增大,对i层内建电场分布的计算,可看出随i层厚度的减小,最低电场强度增大,因此,解决稳定性不高的问题则主要集中在i层材料性能的改善上,而解决这些问题的一个较好的途径就是制备叠层太阳能电池,叠层太阳电池是使用对应于不同太阳光谱部分的不同光伏材料膜层来制作的。一般顶电池的i层做的较薄,从而阻止光致衰退的产生,而底电池产生的光生栽流子约为单结电池的一半,从而也减小了底电池的11光致衰退。(b) 晶硅叠层薄膜电池晶体硅薄膜电池之所以得到普遍的重视是由于它将晶体硅电池工艺优点和薄膜电池的优势有机的结合起来,从单结叠层电池到多结叠层电池,电池的稳定转化效率会明显增加。但晶体硅薄膜电池

22、存在着一个问题:与其它薄膜电池材料不同,硅是非直接半导体,为了最大限度地吸收和转换太阳光谱,通常需要较厚的活性层12。这样就需要薄膜电池工艺采取有效的限光措施以弥补硅片厚度减薄后所造成的光谱损失和快速的沉积技术。因此,只有薄膜电池衬底成本和薄膜沉积技术成本低于晶体硅成本时,它才能在经济上是可行的,衬底和沉积技术的经济型研究也因而成为目前薄膜电池研究的重点。3太阳能开发利用技术未来发展趋势随着可持续发展战略在世界范围内的实施,太阳能的开发利用将被推到新的高度。至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。随着越来越多的国家和有识之士的重视,太阳

23、能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。3.1提高太阳能热利用效率有望获得突破目前,世界范围内许多国家都在进行新型高效集热器的研制,一些特殊材料也开始应用于太阳能的储热,利用相变材料储存热能就是其中之一。相变贮能就是利用太阳能或低峰谷电能加热相变物质,使其吸收能量发生相变(如从固态变为液态),把太阳能贮存起来。在没有太阳的时间里,又从液态回复到固态,并释放出热能,相变贮能是针对物质的潜热贮存提出来的,对于温度波动小的采暖循环过程,相变贮能非常高效。而开发更为高效的相变材料将会成为未来提高太阳能热利用效率研究的重要课题。3.2太阳能建筑将得到普及太阳能建筑集成已成为国际新的技术领域,将有无限广阔的前景。太阳能建筑不仅要求有高性能的太阳能部件,同时要求高效的功能材料和专用部件。如隔热材料、透光材料、储能材料、智能窗(变色玻璃)、透明隔热材料等,这些都是未来技术开发的内容。3.3新型太阳能电池开发技术可望获得重大突破光伏技术的发展,近期将以高效晶体硅电池为主,然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各种新型太阳能光电池的发展。薄膜太阳能电池以及各种新硅太阳能电池具有生产材料廉价、生产成本低等特点,随着研发投人的加大,必将促使其中一、二种获得突破,正如专家断