太阳能热利用现状及研究方向

《新能源技术》课程期末考核论文题目：太阳能热利用现状及研究方向

院（系）：材料科学与工程学院

专业：热能与动力工程

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完成时间 2014 年 12 月 20 日

太阳能热利用现状及研究方向

摘要：由于太阳能是理想的可再生能源，利用太阳能不仅可以改善日益恶化的环境而且可以缓解不可再生能源短缺的情况，以促进我国经济的可持续发展。然而太阳能热利用技术的研究方向将决定太阳能在各能源使用中的比例。本文主要介绍太阳能热利用现状及研究方向，分析了我国发展太阳能迫切性、可行性及重要意义，总结了太阳能热利用的发展方向以及发展太阳能热利用技术面临的问题。

关键词：太阳能、热利用技术、跟踪聚焦技术、辐射吸收材料

前言

由于对能源需求的不断增长，常规能源短缺将成为一个不可回避的问题，因此，开发新型可再生能源显得尤其重要，然而太阳能又是最为理想的可再生能源，具有辐射功率大、无污染、取之不尽用之不竭等诸多特点，使得太阳能利用技术的研究成为了可再生能源的焦点。

1 太阳能热利用的发展现状

由于我国距离赤道较近，60%的地表能接受太阳能的辐射。据估计年辐射量超过60万焦耳／cm2，每年地表吸收的太阳能相当于17万亿t标准煤的能量。因此，太阳能热利用技术成为可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。

太阳能热利用领域极其广阔，太阳能热水器是应用最广泛的一种。随着新农村的建设，太阳能热水器市场得到充分拓展，太阳能热水器以其环保、经济和能原可再生性越来越受到城区和边远地区的青昧。除了太阳能热水器产品外，还有很多应用方面，如太阳能发电、太阳能养殖、太阳房、太阳灶等，同时新的利用技术还在不断涌现。

2太阳能热利用研究方向

2．1太阳能与建筑完美统一

据估计我国建筑能耗占总能耗的30％左右，然而太阳能是永耗不完的，因此专家预测太阳能与建筑结台将成为未来建筑节能的主要措施。

目前，国内的现状是太阳能产品(主要是太阳能热水器)开发设计不考虑与建筑结合，企业按产品的功用、性能等要求去开发、安装。安装在楼顶上的太阳能热水器显得杂乱无章，严重地影响了建筑美观，市容市貌。为了改变现状，将太阳热水器作为建筑的一个功能性构件来考虑，进行产品的结构设计。同时根据产品的具体特点做出针对性设计方案，科学地做出相应的安装接口预留、管路布置预留或预埋。

2．2太阳能空调及采暖

随着国民消费水平的提高，空调产品已走进千家万户。空调能耗在民用能耗中占有相当大的比重，在夏季，民用电力供应己出现巨大的缺口。当前，各国都在加紧进行太阳能空调技术

的研究，利用太阳能驱动空调系统对节约常规能源，保护自然环境都具有十分重要的意义。

当前，太阳能空调制冷和采暖的主要研发方向在提高太阳能制冷系统的可靠性和降低单位成本，提高实用性和性能价格比，并关注太阳能系统与建筑的同步设计、同步工程施工和建筑的节能，低耗能的建筑会使太阳能空调制冷和采暖的努力变得更有意义。

2．3太阳能热发电

随着我国各种动力设备电气化后，电力供应已成为我国经济发展的最大障碍。传统的发电和电力传输都会影响环境。在能原短缺问题、能源安全问题、环境问题日趋严重的形势下，与化百燃料和核燃料发电相比，可再生能原发电技术为许多环境和社会问题提供了一种相对安全的解决方法。因此，中国迫切需要安全、清洁的可再生能掉电力。

太阳能热发电作为一种清店、安全、可靠的发电方式，成为可供选择的、很有竞争力的发电技术之一。太阳能热发电技术是通过集热装置将太阳辐射能转化为足够温度的热能，再通过常规的热机或其他发电技术将其转换成电能。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：碟式系统，槽式线聚焦系统和塔式系统。

与传统能源相比，太阳能发电具有明显的环境优势，可减少CO2的排放并且在其运行期间没有固体垃圾产生。利用目前已有的太阳能热发电技术，仅仅我国西部约7万km2的面积地域就可以产生满足全国当前一年的电能消费。我国日益增长的大规模电力需求，使研究、开发可廉价提供大规模电力的千Mw级太阳能电站成为中国电力工业的重要发展方向之一。2．4太阳能沼气

我国是一个农业大国，农家沼气使用具有广阔的发展空间，随着沼气池型不断更新，太阳能沼气成为继太阳灶之后又一洁净能源的重要来原。利用太阳能为沼气池供热的技术，可解决中国大部分地区冬天沼气池产生沼气困难或产气量低的问题，维持冬天农民正常的生活用气。

中国科学院电工研究所和皇明公司联合开发的太阳能沼气池供热系统，由太阳能系统和玻璃钢沼气罐两部分组成，采用保盟材料在罐体外设保温层，通过太阳能集热器集热产生的热水经过换热器维持沼气池发酵温度。使得正常产沼气。

随着常规能源价格的提高，太阳能沼气技术越来越显示出其优越性。因此，发展太阳能沼气事业是持续发展农村经济、实现农业现代化的一项措施。

2.5太阳房

太阳房是利用太阳辐射能量来代替部分常规能源，使室内达到一定环境温度的一种建筑物．太阳房分为主动式和被动式两类．1938年世界上第一幢主动式太阳房由美国麻省理工学院建成．它是一种能够控制的采暖方式，用集热器、贮热装置、管道、风机、水泵等设备“主动”收集、储存和输配太阳能．由于它具有利用太阳热能和节约能源的优点，从它诞生的那天开始就十分引人注意．被动式太阳房最早是在法国发展起来的．它主要依靠建筑方位、建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能，使房屋尽可能多地吸收和储存热量．如果所

获得的太阳能达到了建筑物采暖、空调所需能量的一半以上，就达到了被动式太阳房的要求．2.6太阳灶

太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置．太阳灶常用的榘热方法有两种，一种是采用热箱装置，另一种是采用聚光装置．故太阳灶也有两种型式：箱式灶和聚光灶．

2.6.1箱式太阳灶

箱式太阳灶的工作原理是：当阳光透过玻璃进人保温箱体后，遇到黑色的吸收体，光即转变为热．在物理学上，热的辐射也是一种物质运动的形式，主要为红外辐射，其波长较长，恰好玻璃能阻止长波的通过，安装双层玻璃，红外辐射就更难透过．同时，箱体四周和底部均有保温隔热材料，也不让热辐射外逸。这种太阳灶的箱内最高温度取决于保温材料的优劣．通常采用棉花保温，可达120℃一150℃左右，基本可以满足炊事要求。

2.6.2聚光式太阳灶

聚光式太阳灶是将较大面积的阳光聚焦到锅底，使温度上升到较高的程度，以满足炊事要求．

2.7太阳能制氢

太阳能是最理想的可再生能源，具有廉价、资源丰富、清洁、无污染的优点，利用太阳能制氢是能源利用的最理想的方式之一．太阳能制氢的方法主要有：直接热分解法、热化学循环法、光催化法以及光电化学分解法．直接热分解法需要2500K以上的温度，设备要求高，价格昂贵．光催化及光电化学分解法虽然结构简单，耗能低，但目前转化效率还较低，仍处于研究阶段．热化学循环法主要是利用化学材料的特性，在一定的温度下分解水或碳氢类化合物而获得氢气的方法，该方法优点是氢气转化效率较高，能耗较低，成为当前研究的热点之一．

3太阳能热利用中心问题

3．1跟踪聚焦技术

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，因此太阳能热利用需要对太阳能进行收集，目前广泛应用的太阳热水器，属于太能的低温热利用，无法提供工业应用上的高温热水及蒸汽等．为了使太阳能集热器更有效地吸收太阳辐射能和获得高温热能，集热器须采用聚焦、跟踪等技术．使用太阳跟踪系统，可以使太阳光始终垂直照射在接收面，接收到的太阳辐射将大大增加．目前，已有多种太阳跟踪装置，但大多造价高、结构复杂，而未能广泛应用．结构简单、成本低、跟踪过程不必人工干预，而且在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作的太阳能跟踪系统是未来研究的重点．使用太阳能聚焦装置可以增加单位面积的太阳辐射强度，节省吸热材料，提高热利用效率．太阳能聚焦技术是未来中高温太阳能利用研究的重要方向．

3．2辐射吸收材料

辐射吸收材料是太阳能热利用中的关键材料，它决定着产品对太阳能的热利用效率．当前太阳能热利用的多数研究成果仅限于低温应用，因此，研究人员开始把目光转向太阳能中高温利用的研究，通过聚焦装置，使太阳能热利用温度达到200℃以上，甚至上千度．这使得光学性能稳定、受气候影响小、制备工艺简单、对环境无污染、成本低廉、能适合中高温度使用的