太阳能利用现状与发展前景_缪仁杰

太阳能利用现状与发展前景

缪仁杰,李淑兰

(昆明理工大学过程装备与控制工程系,云南昆明650224)

摘　要:在简述太阳能利用技术发展历史的基础上,介绍国内外太阳能热利用及太阳能光伏发电技术发展现状,并对未来一段时期内太阳能利用技术的发展前景进行讨论。

关键词:太阳能利用技术;热利用技术;光伏发电

中图分类号:TK519 文献标识码:A 文章编号:1009-3230(2007)05-0028-06 Actuality and prospect of solar Energy's Application

LI AO Ren-jie,LI Shu-lan

(Department of Process Equipment and Control Engineering;Kunming University of

Science and Technology,Kunming,Yunnan,650224)

A bstract:This article described the development history of solar energy application technique,introduced the status of solar energy's application and the technique of light bring voltaic electricity both in home and abroad.This paper also discussed the potential of solar application technique in the future.

Key words:technique of solar ener gy's application;heat application technique;light bring voltaic elec-tricity

0　引言

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;1901～1920年这一阶段世界太阳能研究的重点,仍然是太阳能动力装置。但采

收稿日期:2007-03-28 修订稿日期:2007-04-04

作者简介:缪仁杰(1982～),男,昆明理工大学研究生院化

工过程机械2005级硕士研究生。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;1921～1945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; 1946～1965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;1966～1973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;1973～1980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;1981～1991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]。

1　太阳能热利用技术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”的作用一既能透过太阳辐射,又具有优异的隔热性能[2]。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[3]。

(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[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。图1所示为一种反射透射型全息太阳能集光器,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[5]。

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