太阳能应用研究进展

第２５卷第４期２００７年８月

水电能源科学

ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒ

Ｖ０１．２５Ｎｏ．４

Ａｕｇ．２００７

文章编号：１０００—７７０９（２００７）０４—０１５５—０４

太阳能应用研究进展

王建华１吴季平２徐伟１

（１．中国船舶重工集团公司第７１９研究所，湖北武汉４３００６４；２．中国船舶工业物资总公司，北京１００８６）

摘要：介绍了太阳能研究现状并对其发展动向和前景进行了分析，指出太阳能光电、光热转换有着巨大的潜在市场，将逐步在能源消费结构中占有显著的份额。本世纪内，太阳能将成为全球的主要能源之一。

关键词：太阳能；光电转挟｝光热转换；光化学转换

中圈分类号：ＴＫ５１；Ｘ３８２文献标志码：Ａ

能源问题一直是人们关注的一个热点。随着经济规模的扩大，能源需求以每年１５％的速度飙升，而且能源的不合理利用还带来一系列环境污染，传统的化石能源供应紧张和环保问题Ｉｔ益突出，已成为制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，是重要的可再生能源之一，将成为能源领域的研究热点，也是各国政府在资源利用方面可持续发展战略的重要内容［１’２］。

１太阳能研究现状

常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。在新能源的应用领域，太阳能的应用得到各国政府的重视和政策支持，因而太阳能的应用研究就得到了迅速地发展。

１．１国外研究现状

太阳能的应用研究，美国、日本和德国等欧洲国家开展的比较早，目前在光热转换、光电技术方面的研究较为成熟。

１８３９年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，２０世纪５０年代开始光电转换的应用研究，１９５４年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳电池，效率仅为４％［３］，光电池成本仍比传统能源发电高几十倍，因而光电转换的推广受到了限制。１９７４～１９９７年，美国、日本等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级，从５０￥／Ｗ降到了５￥／Ｗ［４］。此后世界各国专家大多认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电厂）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走，其成本再降低一个数量级才行。目前，世界太阳能电池年销售量己超过６０ＭＷ，电池转换效率提高到１５％以上，系统造价和发电成本已分别降至４￥／ｋＷ和０．２５￥／ｋＷ・ｈ。目前光伏发电成本比较高，以现有的技术水平比较，单位日光照射面积下太阳热发电电量是太阳光伏发电的２倍。美国、日本、西班牙等国都在深入开展太阳热发电的研究与开发。

太阳能光热转换的研究由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，应用领域也越来越广。２０世纪４０年代，美国麻省理工学院就开始利用太阳能集热器作为热源的供暖、空调系统研究；７０年代，华盛顿近郊的托马森太阳房和科罗拉多州丹佛市的洛夫太阳房等主动式太阳房的示范建筑建成。这些太阳房的成功运行，说明太阳能供热、空调系统在技术上是完全可行的，但由于投资较大，推广普及程度不及被动式太阳房。２０世纪９０年代，由于开发出更加高效的太阳集热器和吸收式制冷机、热泵机组，应用范围才得以扩大酯］。日本、法国、德国、澳大利亚、英国等发达国家也拥有成熟的光热转换应用技术。著名的集热蓄热墙采暖方式即为法国人菲利克斯・特朗勃的专利，法国的奥代洛太阳房是该采暖理论转化为实际应用的第一个样板房。

理论研究表明，单晶硅太阳电池在０。Ｃ时的最大理论转换效率只有３０％。在光强一定的条件下，当硅电池自身温度升高时其输出功率将下降，

收稿日期：２００７—０５—２４，修回日期：２００７—０６—０１

作者简介：王建华（１９６５一），男，高级工程师，研究方向为环保节能等，Ｅ—ｍａｌｌ：ｋｔｂ—ｈｗ一７１９＠１６３．ｃｏｒｎ　万方数据

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其他因素如光强的大小等对硅电池的能量转换效率也有所影响。在实际应用中，标准条件下硅电池转换效率约为１２％～１７％［６］。可以看出，照射到电池表面上的太阳能的８３％以上未能转换为有用能量，相当一部分能量转化成为热能，并使电池温度升高，致电池效率下降。为尽可能使电池效率保持在较高水平，很多研究者尝试构造这样一个太阳能发电同时制备热水一体化系统，这种光伏光热一体化（ＰＶ／Ｔ）系统可以产生热水和电力两种有用收益。Ｂｅｒｇｅｎｅ在理论上指出ＰＶ／Ｔ系统的效率可达到６０％～８０％［７］。该系统与建筑相结合将会推动太阳能应用的迅速发展。

１．２国内研究现状

我国于１９５８年开始研究太阳能电池，２０世纪８０年代以后得到迅速发展。在１９８３＂－１９８７年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了７条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从１９８４年以前的年产２００ｋＷ跃到１９８８年的４．５ＭＷ［８］。目前，国内的光电应用主要集中在通信领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、卫星电视接收差转系统、通信台站等，市场占有率约５０％。独立光伏电站和户用光伏电源系统市场占有率约３０％‘引。

国内光热转换的研究开始于２０世纪７０年代，１９７５年天津大学研制成连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，９０年代真空管集热器的出现真正推动了国内太阳能光热转换的应用。

太阳能应用发展趋势

１９９９年召开的世界太阳能大会明确提出：太阳能科技发展的两大趋势：一是光与电结合，二是太阳能与建筑的结合。太阳能应用途径有光热转换、光电转换和光化学转换三种方式。

２．１光热转换

光热转换是将太阳辐射到地球的光能转换为其他物质的内能的过程。由于光热转换成本低、技术上容易实现，适用面广，所以现在世界上许多国家都把它放在太阳能利用的首位。

光热转换的主要技术问题是如何收集太阳能并高效地转换为热能。完成该项任务的装置称为集热器。集热器的集热方式有平板型和聚焦型两种。平板型集热器吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相同，集热温度一般在８０～１００。Ｃ之间。目前广泛用于热水器上的真空玻璃管型太阳能集热器和新近开发的热管真空管太阳能集热器就均属于平板型。聚焦型集热器通过有凹型的反射器，以使落在反射器总面积上的辐射能聚集到表面积较小的换热器上，其集热温度可达数百度至上千度。利用获得的热量可进行太阳能热发电，提供生活用热水，替代锅炉为暖气系统供热，对空调系统进行吸收式制冷和工业制冷［９］。

太阳能供暖可采用被动式供暖系统或主动式供暖系统，也可同时采用这两种供暖系统。被动式供暖系统不需任何专用设备，只根据传热学原理将房屋南面墙用蓄热好的材料建造，墙外盖有玻璃或其他透光物质，其间形成空气层，配有通气孔与室内相通，通过冷热空气对流达到供暖的作用。主动式供暖系统则与常规的供暖系统相同，需要专门的供暖设备，并以太阳能集热器作为热源代替常规的燃料锅炉。由于太阳能的分散性和间断性，太阳能供暖常需要配有辅助系统来确保供暖的连续性和稳定性［１…。

集热器采集的热能既可用于供暖又可用于制冷。太阳能制冷通过集热器收集太阳能，靠消耗太阳能转化来的内能使热量从低温物体向高温物体传递。所使用的工质是两种不同沸点的物质组成的混合物。其中，沸点低的为制冷剂，沸点高的为吸收剂。通过选用不同的工质，可获得零度以上或零度以下的低温。由于太阳能的分散性和间断性，太阳能制冷也需要配有辅助系统来确保制冷的连续性和稳定性。

太阳能热力发电是当今世界各国在太阳能利用方面研究的主题之一［１川，通过集热器代替常规锅炉，用太阳能热力系统带动发电机发电。太阳能热力发电要求集热温度高，需采用聚焦型集热器以提高光能流密度。目前采用的有平面镜集热、曲面镜集热、透镜集热等。太阳能热力系统中工质的选择也是非常重要的。高集热温度要求高沸点的工质。对大功率的太阳能热力发电系统，常需要较大的占地面积，因此，太阳能热力发电特别适合于偏远地区和电力输送困难的地区。

２．２光电转换

太阳光发电是通过太阳电池直接将太阳光的光能转换为电能，即光伏效应［１２’。太阳电池就是依据光伏效应而设计的，太阳电池用半导体材料制成，一般为ｐ—ｎ结，靠ｐ—ｎ结的光伏效应产生电动势，其种类现已有多款类型。按材料分类有硅、化合物半导体、有机半导体等；按材料结晶形态有单晶、多晶和非晶态。单晶硅太阳电池转换效率高，通过使用增透技术和低辐射技术，在正常阳光下光电效率可达２２。８％，在聚光情况下可达２８。

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