太阳能利用技术及其发展趋势

太阳能利用技术及其发展趋势

摘要：本文根据太阳能分散型资源特征，论述了太阳能的三种利用方式及几种利用技术，以分布式能源体系的战略视角审视太阳能利用的发展趋势与前景，认集光伏和太阳低温热利用于一体的太阳能建筑将是太阳能利用发展的主流趋势,并指出光伏屋顶有可能成为未就地的分布式能源系统的主要成分之一。文章强调各国政府现行的政策支持,对启动和扩大太阳能市场使之未来能与化石能源竞争,将发挥极为重要的作用。

引言:太阳能是一种没有污染、取之不尽、用之不竭的洁净能源,随着太阳能热技术的日趋成熟,太阳能的开发和利用正在融入人们的生产、生活之中。讨论太阳能利用技术及其发展趋势,无论对于太阳能利用的理论研究还是对太阳能利用的实践研究都具有重要的意义。 一、太阳能的利用

太阳能利用主要包括光-热转换、光-电转换和光-化学转换三种方式。 1.光-热转换

光-热转换就是通过太阳光加热水箱中的水以备利用,这是光热转换最常见的、最基本的形式[1]，太阳能热利用的本质在于将太阳辐射能转化为热能。太阳集热器主要包括平板集热器和聚光集热器,平板集热器是一种不聚光的集热器,它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等,它主要用于太阳能热水、采暖和制冷等方面的应用;平板集热器提供的温度一般来说比较低,这就限制了它的使用范围。为了在较高温度条件下利用太阳能,聚光式集热器就应运而生,它可将太阳光聚集在比较小的吸热面上,散热损失少,吸热效率高,可以达到较高的温度。它还有利用廉价反射器代替昂贵集热器以降低造价的优点。

1.1太阳能热水器

太阳能热水器也称太阳热水装置或太阳热水系统。太阳能热水器的关键技术在于集热(集热器)和保温(贮热水箱)。为了提高集热器的性能,各研究所和厂家都积极依附先进技术开发新型集热器、加工工艺以及应用于集热器上的吸收和透过涂料等。如:(1)西安交通大学对窄缝高真空平面玻璃用于太阳能集热器盖板的实验研究[2];(2)新加坡国立大学机械工程系的研究人员完成了以温度为材料和冷剂特性变量的平板集热器;(3)慕尼黑大学Scholkopt采用e-Beam电子束蒸发的方法在金属条带上连续沉积TiNO选择性吸收涂层;(4)美国明尼苏达大学R.Raman等人介绍了利用高分子聚碳酸酯材料应用于集热器盖板;(5)美国雷诺金属制品公司正在研究铝板间的流道内存热聚酯薄膜防腐新工艺,可使吸热板芯的成本降低1/4[3]。

此外还出现了蜂窝热管平板式太阳能集热器;带透明蜂窝盖板和辅助反射面的整体式太阳能集热器[4];采用减反射低铁玻璃生产高性能的平板集热器;北京市太阳能研究所研制了不锈钢氮化物和不锈钢碳化物耐气候性涂层;将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失的技术等[5];贮热水箱的保温材料一般为用一氟三氯甲烷发泡剂制备硬质聚氨酯泡沫塑料,目前对其材料组成及工艺的研究取得了很大成就。但由于F-11对环境污染严重,现在对F-11替代物的研究很多,替代F-11的主要有141b、环戊烷、CO2等[6]。 1.2太阳能空调制冷技术

太阳能空调系统主要由太阳能集热装置、热驱动制冷装置和辅助热源组成。其工作方式主要有2类:①先实现光—电转换,再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷,这种方式原理简单、容易实现,但成本高。②利用太阳能转换的热能驱动进行制冷,这种制冷方式技术要求高,但成本低、无噪音、无污染。 目前,可以将目前的研究热点分为4类:太阳能压缩式制冷与空调技术、太阳能吸收式制冷与空调技术、太阳能吸附式制冷与空调技术、太阳能喷射式制冷与空调技术。其中太阳能吸附式制冷与空调技术的研究最接近于实用化,而且已经有了很多成功的实例。除了以上4类主流研究外,目前还出现了一些新型的太阳能制冷与空调系统:(1)吸附、吸收与蒸汽喷射之间的混合系统,它在吸收循环基础上,增加吸附器和气、液喷射器,打破了吸收循环的制约关系,使发生器浓度和吸收器浓度成为2个可以选择的参量。此系统既保持单效吸收式制冷系统流程简单的特点,又弥补了喷射式制冷效率低的缺点,同时还利用了吸附制冷和喷射制冷对太阳能需求的时间差而实现系统的连续制冷,并且对吸附热的有效回收和制冷系数的提高有一定作用[7]。(2)太阳能毛细驱动喷射式空调器,即太阳能集热器获得的热水通过发生器传热给液体工质,工质吸热后形成高压蒸汽,通过喷射器中的喷嘴成为高速气流,吸引来自蒸发段的蒸汽,混合后经过扩压到冷凝器,冷凝液一部分通过毛细作用流向发生器,一部分通过节流阀到蒸发器,工质在蒸发器内蒸发吸热达到制冷效果[8]。(3)太阳能驱动的1.X级溴化锂吸收式循环制冷系统,采用真空管太阳能集热器和无泵型1.X级溴化锂吸收式制冷机相结合的技术,得到了比单效、双效循环更优越的性能[9]。

2.光-电转换

在光照条件下,半导体p-n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。其过程是半导体吸收光子后,产生了附加的电子和空穴,这些自由载流子在半导体内的局部电场作用下,各自运动到界面层两侧积累起来,形成净空间电荷而产生电位差。光生伏特效应的实际应用导致太阳能电池的出现,太阳能电池应用范围和规模近来都得到了较大的发展[10]。太阳能电池产生电力与火力、水力、风力、核能等的发电原理存在着本质的差别,其工作原理主要基于“光生伏打效应”,这种效应在固体、液体和气体中均可产生。半导体太阳能电池按材料分类可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和有机半导体太阳能电池等[11]。 3.光-化学转换

光-化学转换尚处于研究开发阶段,这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢,利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等形式。太阳能制氢问题解决了,才能有真正意义上的氢能利用(包括燃料电池),这将引起时代的变革。 二、5个改变太阳能利用的技术

1.后接点的硅光电电池板

这种独特的高效太阳能电池板由硅谷企业SunPowe公司制造， SunPower公司的太阳能硅光电电池实现了高达23.4%的转换效率—创了大型批量生产电池的效率记录。SunPower公司采用了所谓的“后接点”设计，这意味着所有电子接触点都在电池背面，这样为暴露在阳光下的电池正面留出了更大的空间。

这样的设计一向以来比较高效，但是直到最近几年生产成本才具备竞争力。这种后接点光电电池板设计由斯坦福大学在20世纪80年代初开发出来。该公司拥有令人自豪的太阳能光电电池板，比传统晶体硅电池板效率高50%以上。 2.微型转换器

对于在屋顶上安装太阳能光电电池板来说，会碰到一个非常基本的电气工程问题：太阳能电池板只能产生直流电，而我们使用的电器插口则要求交流电。解决办法是安装一种叫做“微型转换器”的新型小型装置。这种微型转换器直接同每个太阳能电池板相连，使得每个电池板产生交流电，而非直流电。它们还能够同无线监控系统相连，这样可以实现对每块电池板工作状况的跟踪监控。“这种转换器和监控系统的结合将推动大量与电网相连的太阳能项目，”SmartSpark能源公司说，SmartSpark公司是众多赶着发布微型转换器系统公司中的一家。

3.聚焦型光电太阳能电池板

大部分大型太阳能公司在公开技术开发费用的具体数字时都非常谨慎—主要是由于同其他选择相比（例如燃烧煤炭），太阳能还太昂贵。所以当Sunrgi公司信心十足地预测他们所生产的XCPV（极限聚焦光电）太阳能电池板很快能够以每千瓦小时仅仅0.05美元的成本进行发电时，就非常惹人注目了—成本如此低廉，同传统电能源相比具有足够的竞争力。

Sunrgi公司技术的关键是：使用镜头聚集射入的太阳光，使其放大1600倍，就像小孩子使用放大镜烤蚂蚁那样。这样制造太阳能电池所需的昂贵的半导体原料用量较少，使得Sunrgi公司能够节约成本的同时从系统中获得等量的能量。现在记录达到40.8%，由（美国）国家可再生能源实验室使用相当于326个太阳光能量的聚焦光在今年8月份创造。其他一些公司也正竞相研究如何将聚焦光电太阳能电池板转化为市场产品。Emcore，一家在新墨西哥州的公司，他们的太阳能电池已经在外太空打破了效率记录，该公司宣称他们生产的“倒置变形多结”太阳能电池，在结合使用聚焦镜头和镜面时，效率可以达到45%。另一家名叫Solaria的公司设计出了如何在尽量少地使用硅的前提下获得最大量的太阳光。

4.CIGS薄膜电池板

阻碍太阳能发展的一个关键因素就是硅的价格问题：长期的短缺造成硅的价格比从前暴涨了10倍—经济危机也止不住它。其他可能替代光电太阳能电池板中硅的半导体也非常昂贵，但是因为使用它们可以采用“薄膜”方式，所以制造电池所需的材料就大大减少了。如果采用碲化镉制造光电电池板，可以在2009年将生产能力提升至超过10亿瓦太阳能组件。然而这种技术并非完美：太阳能的转化效率只有约10%，而且镉也是一种危险材料，在处理碲化镉板时会产生更多的复杂因素。

5.太阳热能储存

所有关于太阳能的讨论最终都将面临一个显而易见的问题：太阳下山了怎么办？由于电池的有限容量和高额成本，答案并不容易找到。Andasol一号工厂将成为第一家商业利用太阳能并且具备热能储存能力的工厂，他们在太阳下山或者躲在云层背后时还能持续工作约7.5个小时。这代表着不是仅仅在阳光明媚的时候将电能输入电网，我们还能选择保存能源进而在能源需求高峰期时（价格最贵的时候）使用。Andasol工厂依赖“聚焦太阳热能”技术，而不是更普遍的光电太阳能电池板。采用一排排巨大的曲面镜在液体上聚焦太阳光，加热至超过750华氏度，沸腾的液体驱动蒸汽涡轮机。储存能量仅需要相当于一个巨大的保温瓶的设备来保存加热的液体，直至需要蒸汽的时候。

三、太阳能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。

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。

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.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,必将促使其中二种获得突破,只要有新型电池取得突破,就会使光电池局面得到极大的改善。

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。

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[12]。 四、结论

进入21世纪以来,世界各国都十分重视太阳能利用技术的开发,而我国由于得天独厚的地理位置而具有丰富的太阳能资源,我国的年太阳能辐射能量,据估计能达到3340-8 400MJ/m2。由此可见,充分开发利用太阳能资源是节省和替代常规能源的有效措施,是实现能源可持续发展战略的必由之路。而根据有关部门的预测,到2050年左右,太阳能将超过石油天然气等其他常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表,进而在人类的生产、生活和社会发展中扮演重要的角色。