太阳能利用技术现状及发展前景综述

太阳能利用技术现状及发展前景综述

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。清洁、环保、可再生的太阳能日益引起世界的广泛关注。本文首先分析了国外太阳能利用技术现状，发现日、美、德国家的企业掌握了太阳能利用的核心技术；其次，分析了我国太阳能利用技术现状：我国太阳能热利用取得显著成绩，太阳能发电取得一定进展，但在太阳能光伏产业存在原材料依赖进口、企业缺乏核心技术与装备、国内市场欠发育致使产品出口国外等问题；最后从制定可持续发展战略、完善体制与机制、以及制定政策体系等方面，提出促进我国太阳能利用技术可持续发展的对策。

关键词:太阳能利用技术；热利用技术；光伏发电；发展现状

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引言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、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