太阳能利用技术现状及发展前景综述
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，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。
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。
(d)应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究。
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。
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,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: ①30--80MW 聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术( 简称抛物面槽式)；②30--200MW 点聚焦中央接收式太阳能热发电技术(简称塔式)；③7.5--25kW 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,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。
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,正如专家断言,只要有一、二种新型电池取得突破,就会使光电池局面得到极大的改善。
3.4 太阳能光电制氢产业将得到大力发展
随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展,使得太阳能制氢成为氢能产业的最佳选择。
氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。
随着太阳能制氢技术的发展,用氢能取代碳氢化台物能源将是本世纪的一个重要发展趋势。
3.5 空间太阳能电站显示出良好的发展前景
随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展, 空间太阳能电站的设想可望得到实现。
由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约,其发展显示出美好的前景,是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。