代用能源战略太阳能利用技术与发展

代用能源战略太阳能利用技术与发展

0代用能源战略能源和社会的进步与经济和社会发展密切相关。随着经济的增长和技术的进步,以及人口的增加,对能源的需求量越来越大。国际能源机构执行主任克劳德·芒迪在2003年11月6日举行的新闻发布会上表示,该机构最新公布的《世界能源展望》报告显示,从现在到2030年,世界能源需求量将增加2/3。煤、石油、天然气等常规能源由于储量的有限性和不可再生性已不能满足日益增长的需要。1973年以来,西方世界出现了能源危机,石油供应不足,油价猛涨,特别是那些靠进口石油作为主要能源的国家,经济发展受到很大的影响。因此当今世界的能源问题己变得十分尖锐。在这种情况下,必须重视可再生能源的利用和发展,于是,美国、西德、日本、法国等许多国家,都根据本国的情况,纷纷制订了能源政策。为此所采取的各种技术经济措施和政策措施,统称为“代用能源战略”。在“代用能源战略”中,除了煤和原子能外,太阳能利用占据着突出地位。太阳能的开发,不仅在当前有现实意义,而且具有长远的发展前景。太阳是一个巨大无比的能源,它辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW,相当于每年3.6x105亿tce,约为全球能耗的2000倍。它既免费使用,又不需运输,对环境也无任何污染。目前,人们在对太阳能的转换、收集、储存运输等方面的应用研究,正在取得显著的进展。太阳能的利用主要是通过光热转换、光电转换、光化学转换3种途径。1太阳能集热器太阳能热利用的基本原理是用集热器将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的集热器,主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器和聚焦型集热器等4种。通常太阳能热利用可分为:低温热利用、中温热利用和高温热利用。低温热利用包括最简单的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳热水器。中温热利用有空调制冷、制盐以及其它工业用热。高温热利用有简单的聚焦型太阳灶、焊接机和高温炉。目前应用最广泛的是太阳能热水器、太阳能空调制冷等。1.1新型集热器材料的应用太阳能热水器也称太阳热水装置或太阳热水系统(或工程),但严格来说是有区别的。按国标GB/T18713和行标NY/T513的规定,太阳热水器储热水箱的容水量在0.6t以下的称为家用太阳热水器,大于0.6t则称为太阳热水系统或太阳热水工程。太阳能热水器的关键技术在于集热(集热器)和保温(贮热水箱)。为了提高集热器的性能,各研究所和厂家都积极依附先进技术开发新型集热器、加工工艺以及应用于集热器上的吸收和透过涂料等。如:(1)西安交通大学对窄缝高真空平面玻璃用于太阳能集热器盖板的实验研究;(2)新加坡国立大学机械工程系的研究人员完成了以温度为材料和冷剂特性变量的平板集热器;(3)慕尼黑大学Scholkopt采用e-Beam电子束蒸发的方法在金属条带上连续沉积TiNO选择性吸收涂层;(4)美国明尼苏达大学R.Raman等人介绍了利用高分子聚碳酸酯材料应用于集热器盖板;(5)美国雷诺金属制品公司正在研究铝板间的流道内存热聚酯薄膜防腐新工艺,可使吸热板芯的成本降低1/4。此外还出现了蜂窝热管平板式太阳能集热器;带透明蜂窝盖板和辅助反射面的整体式太阳能集热器;采用减反射低铁玻璃生产高性能的平板集热器;北京市太阳能研究所研制了不锈钢氮化物和不锈钢碳化物耐气候性涂层;将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失的技术等;贮热水箱的保温材料一般为用一氟三氯甲烷发泡剂制备硬质聚氨酯泡沫塑料,目前对其材料组成及工艺的研究取得了很大成就。但由于F-11对环境污染严重,现在对F-11替代物的研究很多,替代F-11的主要有141b、环戊烷、CO2等。1.2空调及空调技术太阳能空调系统主要由太阳能集热装置、热驱动制冷装置和辅助热源组成。其工作方式主要有2类:(1)先实现光—电转换,再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷,这种方式原理简单、容易实现,但成本高,青岛海尔就生产过这种太阳能冰箱和空调。(2)利用太阳能转换的热能驱动进行制冷,这种制冷方式技术要求高,但成本低、无噪音、无污染,现采用的主要是这种方式。目前,国内外在太阳能制冷与空调技术的实用化方面,都展开了大规模的研究。归纳起来,可以将目前的研究热点分为4类:太阳能压缩式制冷与空调技术、太阳能吸收式制冷与空调技术、太阳能吸附式制冷与空调技术、太阳能喷射式制冷与空调技术。其中太阳能吸附式制冷与空调技术的研究最接近于实用化,而且已经有了很多成功的实例。除了以上4类主流研究外,目前还出现了一些新型的太阳能制冷与空调系统:(1)吸附、吸收与蒸汽喷射之间的混合系统,它在吸收循环基础上,增加吸附器和气、液喷射器,打破了吸收循环的制约关系,使发生器浓度和吸收器浓度成为2个可以选择的参量。此系统既保持单效吸收式制冷系统流程简单的特点,又弥补了喷射式制冷效率低的缺点,同时还利用了吸附制冷和喷射制冷对太阳能需求的时间差而实现系统的连续制冷,并且对吸附热的有效回收和制冷系数的提高有一定作用。(2)太阳能毛细驱动喷射式空调器,即太阳能集热器获得的热水通过发生器传热给液体工质,工质吸热后形成高压蒸汽,通过喷射器中的喷嘴成为高速气流,吸引来自蒸发段的蒸汽,混合后经过扩压到冷凝器,冷凝液一部分通过毛细作用流向发生器,一部分通过节流阀到蒸发器,工质在蒸发器内蒸发吸热达到制冷效果。(3)太阳能驱动的1.X级溴化锂吸收式循环制冷系统,采用真空管太阳能集热器和无泵型1.X级溴化锂吸收式制冷机相结合的技术,得到了比单效、双效循环更优越的性能。此外,西班牙的MarceloIzquierdo也提出采用2级NH3一LiNO3吸收式制冷机与平板式集热器来构建一个太阳能制冷系统;上海交通大学的刘艳玲提出采用燃气双效型溴化锂制冷机和热管型真空管集热器的构建;上海交大制冷与低温工程研究所提出的太阳能供热与制冷联合循环的复合机装置,实现了白天产的热水供应夜间使用,而夜间的蓄冷供白天使用,提高了太阳能转换的利用率;浙江大学的陈光明提出采用平板集热器、单效吸收式循环和一个压缩式循环构成系统,具有结构简单、热效率较高、系统启动快速、运行平稳的特点;北京市太阳能研究所于1999年9月在山东省乳山市建成一套我国目前最大的太阳能吸收式空调及供热综合示范系统。2太阳能发电系统通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式,称为太阳能发电。目前世界上现有的最有前途的太阳能热发电系统大致可分为:槽形抛物面聚焦系统、中央接受器或太阳塔聚焦系统和盘形抛物面聚焦系统。目前利用太阳热能进行大规模发电、供电有2种具有前景的方式。一种是太阳能收集和传送热量与现代燃气循环电站相结合的ISCC(综合太阳能联合循环);另一种是太阳能电站独立运行,即较多地使用存储介质,在白天时存储太阳能,需要时再进行释放。美国是世界上太阳能发电技术开发较早的国家,太阳能槽式发电系统已经积累了10多a联网营运的经验,1×104kW塔式和5~25kW盘式太阳能发电系统正处于示范阶段。法国、西班牙、日本、意大利等国太阳能发电的应用也有一定发展。太阳能光伏发电最早用于缺电地区,从80年代开始,联网问题得到很大重视。目前,在世界范围内已建成多个MW级的联网光伏电站,光伏发电总装机容量约103MW。据国际绿色和平组织和欧洲太阳能产业协会预测,全球的太阳能电站总装机容量将从目前的354MW达到2015年的5000MW,2020年达到21540MW,将减少15400万t的CO2排放,为全球提供20万个就业机会。我国虽然早在20世纪70年代末,就对太阳能热发电开展了应用基础研究工作;在“八五”、“九五”和“十五”期间,原国家科委和现在的科技部,均将大型太阳能热发电关键技术列为国家重点科技攻关计划,并将盘式小型太阳能热发电装置的研制列入863计划,但从总体上讲,我国太阳能热发电技术的实际应用尚未真正起步,尚无工业化的装置,也无应用实例。3光伏发电系统太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是当今太阳光发电的主流。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。3.1高效晶硅材料单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。单晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池、新南威尔士大学的钝化发射区电池(PERL)以及德国Fraunhofer太阳能研究所的局域化背场电池等。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外,倒金字塔技术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶硅电池发展的主要原因。如新南威尔士大学的钝化发射区电池和激光刻槽埋栅电池分别取到24.7%和19.6%的转化率,日本Sanyo公司采用PECVD工艺开发的HIT电池取得了21%的转化率。3.2双组分纤维电池技术多晶硅太阳能电池与单晶硅比较,由于所使用的硅远较单晶硅少,其成本远低于单晶硅电池,具有独特的优势。但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷,造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口,低于单晶硅电池。多晶硅太阳能电池的实验室以往的最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。不过乔治亚(G~gia)工大光伏中心采用磷吸杂和双层减反射膜技术,使电池的效率达到18.6%;新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术,使电池的效率达到19.8%;日本Kysera公司采用了PECVD—SiN技术,起到钝化和减反射双重作用,加上表面织构化和背场技术,使15×15cm2大面积多晶硅电池效率达17.1%,此种电池技术已经实现了工业化生产,商业化电池效率在14%以上。最近德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术,在世界上率先使多晶硅太能电池的光电转换率达到20.3%。如能在工业生产中大规模使用该新技术,基于成本低廉的优势,预计多晶硅电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。3.3双结非晶硅电池由于受到原材料、加工工艺和制造过程的制约,若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳电池。目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、染料敏化TiO2太阳电池等。具有代表性的产品主要有:(1)非晶硅(a—Si)太阳电池,即硅和氢(约10%)的一种合金。最早提出非晶硅太阳能电池思路的是美国RCA实验室的Carlson和Wronski提出的。2000年,我国将以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池的研究列入国家重点基础研究发展计划(973)项目,使我国非晶硅电池的研究又进入一个新阶段。(2)CVD多晶硅薄膜及电池,即利用PECVD(等离子强化CVD),RTCVD(快速热CVD),Hot—wireCVD(热线CVD)等技术来生长多晶硅薄膜。德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底,用RTCVD沉积多晶硅薄膜,硅膜经过再结晶后制备太阳电池,两种衬底的电池效率分别达到9.3%和11%。(3)CdTe和CIGS电池被认为是未来实现低于1美分/W成本目标的典型薄膜电池。从2003年11月公布的第21版的太阳电池组件的转换效率数据,可以看出由日本昭和壳牌石油公司开发的CIGS太阳电池组件,转换效率达到了13.4%,PacificSolar公司开发的薄膜Si系薄膜太阳能电池转换效率也达到了8.2%。太阳能光伏发电系统还可以同其他发电系统组成混合供电系统,如风-光混合系统、风-光-油混合系统等。最有发展前景的是太阳能光伏发电系统与电网相连构成联网发电系统。联网系统是将太阳能电池发出的直流电通过并网逆变器馈入电网。实践证明,联网太阳能光伏电站可以对电网调峰、提高电网末端的电压稳定性、改善电网的功率因数和有效地消除电网杂波,应用前景广阔,是大规模利用太阳能电池发电的发展方向。4积极开发和推广低能源及可再生资源21世纪,人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。而能源问题将更为突出,不仅表现在常规能源的匾乏不足,更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题,如环境污染,温室效应都与化石燃料的燃烧有关。因此,人类要解决上述能源问题,实现可持续发展,只