太陽能發電技術及其原理應用(一)

 太陽能發電技術及其原理應用 
 
 一、太陽能技術應用
 1、太陽能采集
 太陽輻射的能流密度低，在利用太陽能時為了獲得足夠的能量，或者為了提高溫度，必須采用一定的技術和裝置（集熱器），對太陽能進行采集。集熱器按是否聚光，可以劃分為聚光集熱器和非聚光集熱器兩大類。非聚光集熱器（平板集熱器，真空管集熱器）能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低；聚 光集熱器能將陽光會聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽。 
平板集熱器 
  歷史上早期出現的太陽能裝置，主要為太陽能動力裝置，大部分采用聚光集熱器，只有少數采用平板集熱器。平板集熱器是在17世紀后期發明的，但直至1960年以后才真正進行深入研究和規模化應用。在太陽能低溫利用領域，平板集熱器的技術經濟性能遠比聚光集熱器好。為了提高效率，降低成本，或者為了滿足特定的使用要求，開發研制了許多種平板集熱器：按工質劃分有空氣集熱器和液體集熱器，目前大量使用的是液體集熱器； 按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復合、不銹鋼、塑料及其它非金屬集熱器等； 按結構劃分有管板式、扁盒式、管翅式、熱管翅片式、蛇形管式集熱器，還有帶平面反射鏡集熱器和逆平板集熱器等；按蓋板劃分有單層或多層玻璃、玻璃鋼或高分子透明材料、透明隔熱材料集熱器等。目前，國內外使用比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復合集熱器。銅翅和銅管的結合，國外一般采用高頻焊，國內以往采用介質焊，199S年我國也開發成功全銅高頻焊集熱器。1937年從加拿大引進銅鋁復合生產線，通過消化吸收，現在國內已建成十幾條銅鋁復合生產線。 為了減少集熱器的熱損失，可以采用中空玻璃、聚碳酸酯陽光板以及透明蜂窩等作為蓋板材料，但這些 材料價格較高，一時難以推廣應用。 
真空管集熱器 
 為了減少平板集熱器的熱損，提高集熱溫度，國際上70年代研制成功真空集熱管，其吸熱體被封閉在高真空的玻璃真空管內，大大提高了熱性能。將若干支真空集熱管組裝在一起，即構成真空管集熱器，為了增加太陽光的采集量，有的在真空集熱管的背部還加裝了反光板。真空集熱管大體可分為全玻璃真空集熱管，玻璃-U型管真空集熱管，玻璃。金屬熱管真空集熱管，直通式真空集熱管和貯熱式真空集熱管。最近，我國還研制成全玻璃熱管真空集熱管和新型全玻璃直通式真空集熱管。我國自1978年從美國引進全玻璃真空集熱管的樣管以來，經20多年的努力，我國已經建立了擁有自主知識產權的現代化全玻璃真空集熱管的產業，用于生產集熱管的磁控濺射鍍膜機在百臺以上，產品質量達世界先進水平，產量雄居世界首位。我國自80年代中期開始研制熱管真空集熱管，經過十幾年的努力，攻克了熱壓封等許多技術難關，建立了擁有全部知識產權的熱管真空管生產基地，產品質量達到世界先進水平，生產能力居世界首位。目前，直通式真空集熱管生產線正在加緊進行建設，產品即將投放市場。 
聚光集熱器 
  聚光集熱器主要由聚光器、吸收器和跟蹤系統三大部分組成。按照聚光原理區分，聚光集熱器基本可分為反射聚光和折射聚光兩大類，每一類中按照聚光器的不同又可分為若干種。為了滿足太陽能利用的要求，簡化跟蹤機構，提高可靠性，降低成本，在本世紀研制開發的聚光集熱器品種很多，但推廣應用的數量遠比平板集熱器少，商業化程度也低。 在反射式聚光集熱器中應用較多的是旋轉拋物面鏡聚光集熱器（點聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器（線聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進行一維跟蹤。這兩種聚光集熱 器在本世紀初就有應用，幾十年來進行了許多改進，如提高反射面加工精度，研制高反射材料，開發高可靠性跟蹤機構等，現在這兩種拋物面鏡聚光集熱器完全能滿足各種中、高溫太陽能利用的要求，但由于造價高，限制了它們的廣泛應用。 
 70年代，國際上出現一種“復合拋物面鏡聚光集熱器”（CPC），它由二片槽形拋物面反射鏡組成，不需要跟蹤太陽，最多只需要隨季節作稍許調整，便可聚光，獲得較高的溫度。其聚光比一般在10以下，當聚光比在3以下時可以固定安裝，不作調整。當時，不少人對CPC評價很高，甚至認為是太陽能熱利用技術的一次重大突破，預言將得到廣泛應用。但幾十年過去了，CPC仍只是在少數示范工程中得到應用，并沒有象平板集 熱器和真空管集熱器那樣大量使用。我國不少單位在七八十年代曾對CPC進行過研制，也有少量應用，但現在基本都已停用。 
 其它反射式聚光器還有圓錐反射鏡、球面反射鏡、條形反射鏡、斗式槽形反射鏡、平面。拋物面鏡聚光器等。此外，還有一種應用在塔式太陽能發電站的聚光鏡--定日鏡。定日鏡由許多平面反射鏡或曲面反射鏡組成，在計算機控制下這些反射鏡將陽光都反射至同一吸收器上，吸收器可以達到很高的溫度，獲得很大的能量。 
 利用光的折射原理可以制成折射式聚光器，歷史上曾有人在法國巴黎用二塊透鏡聚集陽光進行熔化金屬的表演。有人利用一組透鏡并輔以平面鏡組裝成太陽能高溫爐。顯然，玻璃透鏡比較重，制造工藝復雜，造價高，很難做得很大。所以，折射式聚光器長期沒有什么發展。70年代，國際上有人研制大型菲涅耳透鏡，試圖用于制作太陽能聚光集熱器。菲涅耳透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價格比較低，也有點聚焦和線聚焦之分，一般由有機玻璃或其它透明塑料制成，也有用玻璃制作的，主要用于聚光太陽電池發電系統。 
太陽電池發電系統
 我國從70年代直至90年代，對用于太陽能裝置的菲涅耳透鏡開展了研制。有人采用模壓方法加工大面積的柔性透明塑料菲涅耳透鏡，也有人采用組合成型刀具加工直徑1.5m的點聚焦菲涅耳透鏡，結果都不大理想。近來，有人采用模壓方法加工線性玻璃菲涅耳透鏡，但精度不夠，尚需提高。還有兩種利用全反射原理設計的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實際應用，但具有一定啟發性。一種是光導纖維聚光器，它由光導纖維透鏡和與之相連的光導纖維組成，陽光通過光纖透鏡聚焦后由光纖傳至使 用處。另一種是熒光聚光器，它實際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機玻璃），可吸收太陽光中與熒光吸收帶波長一致的部分，然后以比吸收帶波長更長的發射帶波長放出熒光。放出的熒光由于板和周圍介質的差異，而在板內以全反射的方式導向平板的邊緣面，其聚光比取決于平板面積和邊緣面積之比，很容易 達到10一100，這種平板對不同方向的入射光都能吸收，也能吸收散射光，不需要跟蹤太陽。
 2、太陽能轉換
 太陽能是一種輻射能，具有即時性，必須即時轉換成其它形式能量才能利用和貯存。將太陽能轉換成不同形式的能量需要不同的能量轉換器，集熱器通過吸收面可以將太陽能轉換成熱能，利用光伏效應太陽電池可以將太陽能轉換成電能，通過光合作用植物可以將太陽能轉換成生物質能，等等。原則上，太陽能可以直接或間接轉換成任何形式的能量，但轉換次數越多，最終太陽能轉換的效率便越低。
太陽能-熱能轉換 
 黑色吸收面吸收太陽輻射，可以將太陽能轉換成熱能，其吸收性能好，但輻射熱損失大，所以黑色吸收面不是理想的太陽能吸收面。選擇性吸收面具有高的太陽吸收比和低的發射比，吸收太陽輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理想的太陽能吸收面。這種吸收面由選擇性吸收材料制成，簡稱為選擇性涂層。它是在本世紀40年代提出的，1955年達到實用要求，70年代以后研制成許多新型選擇性涂層并進行批量生產和推廣應用，目前已研制成上百種選擇性涂層。我國自70年代開始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。
太陽能-電能轉換 
 電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便。將太陽能轉換為電能是大規模利用太陽能的重要技術基礎，世界各國都十分重視，其轉換途徑很多，有光電直接轉換，有光熱電間接轉換等。這里重點介紹光電直接轉換器件--太陽電池。世界上，1941年出現有關硅太陽電池報道，1954年研制成效率達6％的單晶硅太陽電池，1958年太陽電池應用于衛星供電。在70年代以前，由于太陽電池效率低，售價昂貴，主要應用在空間。70年代以后，對太陽電池材料、結構和工藝進行了廣泛研究，在提高效率和降低成本方面取得較大進展，地面應用規模逐漸擴大，但從大規模利用太陽能而言，與常規發電相比，成本仍然大高。
 目前，世界上太陽電他的實驗室效率最高水平為：單晶硅電池24％（4cm2)，多晶硅電池18.6％（4cm2）， InGaP／GaAs雙結電池30．28％（AM1），非晶硅電池14．5％（初始）、12．8（穩定），碲化鎘電池15．8％， 硅帶電池14．6％，二氧化鈦有機納米電池10．96％。 我國于1958年開始太陽電池的研究，40多年來取得不少成果。目前，我國太陽電他的實驗室效率最高水平為：單晶硅電池20．4％（2cm×2cm），多晶硅電池14．5％（2cm×2cm）、12％（10cm×10cm），GaAs電池 20．1％（lcm×cm），GaAs／Ge電池19．5％（AM0），CulnSe電池9％（lcm×1cm），多晶硅薄膜電池13．6％ （lcm×1cm，非活性硅襯底），非晶硅電池8．6％（10cm×10cm）、7．9％（20cm×20cm）、6．2％（30cm×30cm），二氧化鈦納米有機電池10％（1cm×1cm）。
太陽能-氫能轉換 
 氫能是一種高品位能源。太陽能可以通過分解水或其它途徑轉換成氫能，即太陽能制氫，其主要方法如下：
 1、太陽能電解水制氫。電解水制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法，效率較高（75％-85％），但耗電大，用常規電制氫，從能量利用而言得不償失。所以，只有當太陽能發電的成本大幅度下降后，才能實現大規模電解水制氫。 
  2、太陽能熱分解水制氫。將水或水蒸汽加熱到3000K以上，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。 
  3、太陽能熱化學循環制氫。為了降低太陽能直接熱分解水制氫要求的高溫，發展了一種熱化學循環制氫方法，即在水中加入一種或幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經歷不同的反應階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物不消耗，可循環使用。熱化學循環分解的溫度大致為900-1200K，這是普通旋轉拋物面鏡聚光器比較容易達到的溫度，其分解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要問題是中間物的還原，即使按99．9％-99． 99％還原，也還要作 0.1％-0.01％的補充，這將影響氫的價格，并造成環境污染。 

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