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再生能源

太阳能技术应用

2015-02-10 11:23:18来源:网络浏览: 评论:0
  太阳辐射的能流密度低,在利用太阳能时为了获得足够的能量,或者为了提高温度,必须采用一定的技术和装置(集热器),对太阳能进行采集。集热器按是否聚光,可以划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。 非聚光集热器(平板集热器,真空管集热器)能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射,集热温度较低;聚 光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上,可获得较高温度,但只能利用直射辐射,且需要跟踪太阳。
 
\   平板集热器   历史上早期出现的太阳能装置,主要为太阳能动力装置,大部分采用聚光集热器,只有少数采用平板集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的,但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域,平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。为了提高效率,降低成本,或者为了满足特定的使用要求,开发研制了许多种平板集热器: 按工质划分有空气集热器和液体集热器,目前大量使用的是液体集热器; 按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等; 按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器,还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等; 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。目前,国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合,国外一般采用高频焊,国内以往采用介质焊,199S年我国也开发成功全铜高频焊集热器。1937年从加拿大引进铜铝复合生产 线,通过消化吸收,现在国内已建成十几条铜铝复合生产线。 为了减少集热器的热损失,可以采用中空玻璃、聚碳酸酯阳光板以及透明蜂窝等作为盖板材料,但这些 材料价格较高,一时难以推广应用。   真空管集热器   为了减少平板集热器的热损,提高集热温度,国际上70年代研制成功真空集热管,其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内,大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起,即构成真空管集热器,为了增加太阳光的采集量,有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管,玻璃-U型管真空集热管,玻璃。金属热管真空集热管,直通式真空集热管和贮热式真空集热管。最近,我国还研制成全玻璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集 热管。我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来,经20多年的努力,我国已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业,用于生产集热管的磁控溅射镀膜机在百台以上,产品质量达世 界先进水平,产量雄居世界首位。我国自80年代中期开始研制热管真空集热管,经过十几年的努力,攻克了热压封等许多技术难关,建立了拥有全部知识产权的热管真空管生产基地,产品质量达到世界先进水平,生产能力居世界首位。 目前,直通式真空集热管生产线正在加紧进行建设,产品即将投放市场。   聚光集热器   聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分,聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类,每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。为了满足太阳能利用的要求, 简化跟踪机构,提高可靠性,降低成本,在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多,但推广应用的数量远比平板集热器少,商业化程度也低。 在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器(点聚焦)和槽形抛物面镜聚光集热器 (线聚焦)。前者可以获得高温,但要进行二维跟踪;后者可以获得中温,只要进行一维跟踪。这两种聚光集热 器在本世纪初就有应用,几十年来进行了许多改进,如提高反射面加工精度,研制高反射材料,开发高可靠性 跟踪机构等,现在这两种抛物面镜聚光集热器完全能满足各种中、高温太阳能利用的要求,但由于造价高,限制了它们的广泛应用。   70年代,国际上出现一种“复合抛物面镜聚光集热器”(CPC),它由二片槽形抛物面反射镜组成,不需要跟踪太阳,最多只需要随季节作稍许调整,便可聚光,获得较高的温度。其聚光比一般在10以下,当聚光比在3以下时可以固定安装,不作调整。当时,不少人对CPC评价很高,甚至认为是太阳能热利用技术的一次重大突破,预言将得到广泛应用。但几十年过去了,CPC仍只是在少数示范工程中得到应用,并没有象平板集 热器和真空管集热器那样大量使用。我国不少单位在七八十年代曾对CPC进行过研制,也有少量应用,但现在基本都已停用。   其它反射式聚光器还有圆锥反射镜、球面反射镜、条形反射镜、斗式槽形反射镜、平面。抛物面镜聚光器等。此外,还有一种应用在塔式太阳能发电站的聚光镜--定日镜。定日镜由许多平面反射镜或曲面反射镜组成,在计算机控制下这些反射镜将阳光都反射至同一吸收器上,吸收器可以达到很高的温度,获得很大的能量。   利用光的折射原理可以制成折射式聚光器,历史上曾有人在法国巴黎用二块透镜聚集阳光进行熔化金属的表演。有人利用一组透镜并辅以平面镜组装成太阳能高温炉。显然,玻璃透镜比较重,制造工艺复杂,造价高,很难做得很大。所以,折射式聚光器长期没有什么发展。70年代,国际上有人研制大型菲涅耳透镜,试图用于制作太阳能聚光集热器。菲涅耳透镜是平面化的聚光镜,重量轻,价格比较低,也有点聚焦和线聚焦之分,一般由有机玻璃或其它透明塑料制成,也有用玻璃制作的,主要用于聚光太阳电池发电系统。   我国从70年代直至90年代,对用于太阳能装置的菲涅耳透镜开展了研制。有人采用模压方法加工大面 积的柔性透明塑料菲涅耳透镜,也有人采用组合成型刀具加工直径1.5m的点聚焦菲涅耳透镜,结果都不大理想。近来,有人采用模压方法加工线性玻璃菲涅耳透镜,但精度不够,尚需提高。 还有两种利用全反射原理设计的新型太阳能聚光器,虽然尚未获得实际应用,但具有一定启发性。一种是光导纤维聚光器,它由光导纤维透镜和与之相连的光导纤维组成,阳光通过光纤透镜聚焦后由光纤传至使 用处。另一种是荧光聚光器,它实际上是一种添加荧光色素的透明板(一般为有机玻璃),可吸收太阳光中与荧光吸收带波长一致的部分,然后以比吸收带波长更长的发射带波长放出荧光。放出的荧光由于板和周围介质的差异,而在板内以全反射的方式导向平板的边缘面,其聚光比取决于平板面积和边缘面积之比,很容易 达到10一100,这种平板对不同方向的入射光都能吸收,也能吸收散射光,不需要跟踪太阳。   4.2  太阳能转换   太阳能是一种辐射能,具有即时性,必须即时转换成其它形式能量才能利用和贮存。将太阳能转换成不同形式的能量需要不同的能量转换器,集热器通过吸收面可以将太阳能转换成热能,利用光伏效应太阳电池可以将太阳能转换成电能,通过光合作用植物可以将太阳能转换成生物质能,等等。原则上,太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量,但转换次数越多,最终太阳能转换的效率便越低。   太阳能-热能转换   黑色吸收面吸收太阳辐射,可以将太阳能转换成热能,其吸收性能好,但辐射热损失大,所以黑色吸收面不是理想的太阳能吸收面。选择性吸收面具有高的太阳吸收比和低的发射比,吸收太阳辐射的性能好,且辐射热损失小,是比较理想的太阳能吸收面。这种吸收面由选择性吸收材料制成,简称为选择性涂层。它是在本世纪40年代提出的,1955年达到实用要求,70年代以后研制成许多新型选择性涂层并进行批量生产和推广应用,目前已研制成上百种选择性涂层。我国自70年代开始研制选择性涂层,取得了许多成果,并在太阳集热器上广泛使用,效果十分显着。   太阳能-电能转换   电能是一种高品位能量,利用、传输和分配都比较方便。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础,世界各国都十分重视,其转换途径很多,有光电直接转换,有光热电间接转换等。这里重点介绍光电直接转换器件--太阳电池。世界上,1941年出现有关硅太阳电池报道,1954年研制成效率达6%的单晶硅太阳电池,1958年太阳电池应用于卫星供电。在70年代以前,由于太阳电池效率低,售价昂贵,主要应用在空间。70年代以后,对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛研究,在提高效率和降低成本方面取得较大进展,地面应用规模逐渐扩大,但从大规模利用太阳能而言,与常规发电相比,成本仍然大高。   目前,世界上太阳电他的实验室效率最高水平为:单晶硅电池24%(4cm2),多晶硅电池18.6%(4cm2), InGaP/GaAs双结电池30.28%(AM1),非晶硅电池14.5%(初始)、12.8(稳定),碲化镉电池15.8%, 硅带电池14.6%,二氧化钛有机纳米电池10.96%。   我国于1958年开始太阳电池的研究,40多年来取得不少成果。目前,我国太阳电他的实验室效率最高水平为:单晶硅电池20.4%(2cm×2cm),多晶硅电池14.5%(2cm×2cm)、12%(10cm×10cm),GaAs电池 20.1%(lcm×cm),GaAs/Ge电池19.5%(AM0),CulnSe电池9%(lcm×1cm),多晶硅薄膜电池13.6% (lcm×1cm,非活性硅衬底),非晶硅电池8.6%(10cm×10cm)、7.9%(20cm×20cm)、6.2%(30cm×30cm), 二氧化钛纳米有机电池10%(1cm×1cm)。   太阳能-氢能转换   氢能是一种高品位能源。太阳能可以通过分解水或其它途径转换成氢能,即太阳能制氢,其主要方法如下:   1、太阳能电解水制氢。电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法,效率较高(75%-85%),但耗电大,用常规电制氢,从能量利用而言得不偿失。所以,只有当太阳能发电的成本大幅度下降后,才能实现大规模电解水制氢。   2、太阳能热分解水制氢。将水或水蒸气加热到3000K以上,水中的氢和氧便能分解。这种方法制氢效率高,但需要高倍聚光器才能获得如此高的温度,一般不采用这种方法制氢。   3、太阳能热化学循环制氢。为了降低太阳能直接热分解水制氢要求的高温,发展了一种热化学循环制氢方法,即在水中加入一种或几种中间物,然后加热到较低温度,经历不同的反应阶段,最终将水分解成氢和氧,而中间物不消耗,可循环使用。热化学循环分解的温度大致为900-1200K,这是普通旋转抛物面镜聚光器比较容易达到的温度,其分解水的效率在17.5%-75.5%。存在的主要问题是中间物的还原,即使按99.9%-99. 99%还原,也还要作 0.1%-0.01%的补充,这将影响氢的价格,并造成环境污染。   4、太阳能光化学分解水制氢。这一制氢过程与上述热化学循环制氢有相似之处,在水中添加某种光敏物质作催化剂,增加对阳光中长 波光能的吸收,利用光化学反应制氢。日本有人利用碘对光的敏感性,设计了一套包括光化学、热电反应的综 合制氢流程,每小时可产氢97升,效率达10%左右。   5、太阳能光电化学电池分解水制氢。1972年,日本本多健一等人利用n型二氧化钛半导体电极作阳极,而以铂黑作阴极,制成太阳能光电化学电池,在太阳光照射下,阴极产生氢气,阳极产生氧气,两电极用导线连接便有电流通过,即光电化学电池在太阳光的照射下同时实现了分解水制氢、制氧和获得电能。这一实验结果引起世界各国科学家高度重视, 认为是太阳能技术上的一次突破。但是,光电化学电池制氢效率很低,仅0.4%,只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光,且电极易受腐蚀,性能不稳定,所以至今尚未达到实用要求。   6、太阳光络合催化分解水制氢。从1972年以来,科学家发现三联毗啶钉络合物的激发态具有电子转移能力,并从络合催化电荷转移反应,提出利用这一过程进行光解水制氢。这种络合物是一种催化剂,它的作用是吸收光能、产生电荷分离、电荷转移和集结,并通过一系列偶联过程,最终使水分解为氢和氧。络合催化分解水制氢尚不成熟,研究工作正在继续进行。   7、生物光合作用制氢。40多年前发现绿藻在无氧条件下,经太阳光照射可以放出氢气;十多年前又发现,兰绿藻等许多藻类在无氧环境中适应一段时间,在一定条件下都有光合放氢作用。目前,由于对光合作用和藻类放氢机理了解还不够,藻类放氢的效率很低,要实现工程化产氢还有相当大的距离。据估计,如藻类光合作用产氢效率提高到10%,则每天每平方米藻类可产氢9克分子,用5万平方公里接受的太阳能,通过光合放氢工程即可满足美国的全部燃料需要。   太阳能-生物质能转换   通过植物的光合作用,太阳能把二氧化碳和水合成有机物(生物质能)并放出氧气。光合作用是地球上最大规模转换太阳能的过程,现代人类所用燃料是远古和当今光合作用固定的太阳能,目前,光合作用机理尚不完全清楚,能量转换效率一般只有百分之几,今后对其机理的研究具有重大的理论意义和实际意义。   太阳能-机械能转换   20世纪初,俄国物理学家实验证明光具有压力。20年代,前苏联物理学家提出,利用在宇宙空间中巨大的太阳帆,在阳光的压力作用下可推动宇宙飞船前进,将太阳能直接转换成机械能。科学家估计,在未来10~20年内,太阳帆设想可以实现。通常,太阳能转换为机械能,需要通过中间过程进行间接转换。   4.3  太阳能贮存   地面上接受到的太阳能,受气候、昼夜、季节的影响,具有间断性和不稳定性。因此,太阳能贮存十分必要,尤其对于大规模利用太阳能更为必要。太阳能不能直接贮存,必须转换成其它形式能量才能贮存。大容量、长时间、经济地贮存太阳能,在技术上比较困难。本世纪初建造的太阳能装置几乎都不考虑太阳能贮存问题,目前太阳能贮存技术也还未成熟,发展比较缓慢,研究工作有待加强。   热能贮热   1、显热贮存。利用材料的显热贮能是最简单的贮能方法。在实际应用中,水、沙、石子、土壤等都可作为贮能材料,其中水的比热容最大,应用较多。七八十年代曾有利用水和土壤进行跨季节贮存太阳能的报道。但材料显热较小,贮能量受到一定限制。   2、潜热贮存。利用材料在相变时放出和吸入的潜热贮能,其贮能量大,且在温度不变情况下放热。在太阳能低温贮存中常用含结晶水的盐类贮能,如10水硫酸钠/水氯化钙、12水磷酸氢钠等。但在使用中要解决过冷和分层问题,以保证工作温度和使用寿命。太阳能中温贮存温度一般在100℃以上、500℃以下,通常在300℃左右。适宜于中温贮存的材料有:高压热水、有机流体、共晶盐等。太阳能高温贮存温度一般在500℃以上,目前正在试验的材料有:金属钠、熔融盐等。1000℃以上极高温贮存,可以采用氧化铝和氧化锗耐火球。   3、化学贮热。利用化学反应贮热,贮热量大,体积小,重量轻,化学反应产物可分离贮存,需要时才发生放热反应,贮存时间长。 真正能用于贮热的化学反应必须满足以下条件:反应可逆性好,无副反应;反应迅速;反应生成物易分离且能稳定贮存;反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性;反应热大,反应物价格低等,目前已筛选出一些化学吸热反应能基本满足上述条件,如Ca(OH)2的热分解反应,利用上述吸热反应贮存热能,用热时则通过放热反应释放热能。但是,Ca(OH)2在大气压脱水反应温度高于500℃,利用太阳能在这一温度下实现脱水十分困难,加入催化剂可降低反应温度,但仍相当高。所以,对化学反应贮存热能尚需进行深入研究,一时难以实用。其它可用于贮热的化学反应还有金属氢化物的热分解反应、硫酸氢铵循环反应等。   4、塑晶贮热。1984年,美国在市场上推出一种塑晶家庭取暖材料。塑晶学名为新戊二醇(NPG),它和液晶相似,有晶体的三维周期性,但力学性质象塑料。它能在恒定温度下贮热和放热,但不是依靠固一液相变贮热,而是通过塑晶分子构型发生固-固相变贮热。塑晶在恒温44℃时,白天吸收太阳能而贮存热能,晚上则放出白天贮存的热能。 美国对NPG的贮热性能和应用进行了广泛的研究,将塑晶熔化到玻璃和有机纤维墙板中可用于贮热,将调整配比后的塑晶加入玻璃和纤维制成的墙板中,能制冷降温。我国对塑晶也开展了一些实验研究,但尚未实际应用。   5、太阳池贮热。太阳池是一种具有一定盐浓度梯度的盐水池,可用于采集和贮存太阳能。由于它简单、造价低和宜于大规模使用,引起人们的重视。60年代以后,许多国家对太阳池开展了研究,以色列还建成三座太阳池发电站。70年代以后,我国对太阳池也开展了研究,初步得到一些应用。   电能贮存   电能贮存比热能贮存困难,常用的是蓄电池,正在研究开发的是超导贮能。世界上铅酸蓄电池的发明已有100多年的历史,它利用化学能和电能的可逆转换,实现充电和放电。铅酸蓄电池价格较低,但使用寿命短,重量大,需要经常维护。近来开发成功少维护、免维护铅酸蓄电池,使其性能有一定提高。目前,与光伏发电系统配套的贮能装置,大部分为铅酸蓄电池。1908年发明镍-铜、镍-铁碱性蓄电池,其使用维护方便,寿命长,重量轻,但价格较贵,一般在贮能量小的情况下使用。 现有的蓄电池贮能密度较低,难以满足大容量、长时间贮存电能的要求。新近开发的蓄电池有银锌电池、 钾电池、钠硫电池等。某些金属或合金在极低温度下成为超导体,理论上电能可以在一个超导无电阻的线圈内贮存无限长的时间。这种超导贮能不经过任何其它能量转换直接贮存电能,效率高,起动迅速,可以安装在任何地点,尤其是消费中心附近,不产生任何污染,但目前超导贮能在技术上尚不成熟,需要继续研究开发。   氢能贮存   氢可以大量、长时间贮存。它能以气相、液相、固相(氢化物)或化合物(如氨、甲醇等)形式贮存。 气相贮存:贮氢量少时,可以采用常压湿式气柜、高压容器贮存;大量贮存时,可以贮存在地下贮仓、由不漏水土层覆盖的含水层、盐穴和人工洞穴内。 液相贮存:液氢具有较高的单位体积贮氢量,但蒸发损失大。将氢气转化为液氢需要进行氢的纯化和压缩,正氢-仲氢转化,最后进行液化。液氢生产过程复杂,成本高,目前主要用作火箭发动机燃料。 固相贮氢:利用金属氢化物固相贮氢,贮氢密度高,安全性好。目前,基本能满足固相贮氢要求的材料主要是稀土系合金和钛系合金。金属氢化物贮氢技术研究已有30余年历史,取得了不少成果,但仍有许多课题有待研究解决。我国对金属氢化物贮氢技术进行了多年研究,取得一些成果,目前研究开发工作正在深入。   机械能贮存   太阳能转换为电能,推动电动水泵将低位水抽至高位,便能以位能的形式贮存太阳能;太阳能转换为热 能,推动热机压缩空气,也能贮存太阳能。但在机械能贮存中最受人关注的是飞轮贮能。早在50年代有人提出利用高速旋转的飞轮贮能设想,但一直没有突破性进展。近年来,由于高强度碳纤维和玻璃纤维的出现,用其制造的飞轮转速大大提高,增加了单位质量的动能贮量;电磁悬浮、超导磁浮技术 的发展,结合真空技术,极大地降低了摩擦阻力和风力损耗;电力电子的新进展,使飞轮电机与系统的能量交换更加灵活。所以,近来飞轮技术已成为国际上研究热点,美国有20多个单位从事这项研究工作,已研制成贮能20kWh飞轮,正在研制5MWh~100MWh超导飞轮。我国已研制成贮能0.3kwh的小型实验飞轮。 在太阳能光伏发电系统中,飞轮可以代替蓄电池用于蓄电。   4.4  太阳能传输   太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输,而是应用光学原理,通过光的反射和折射进行直接传输,或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。 直接传输适用于较短距离,基本上有三种方法:通过反射镜及其它光学元件组合,改变阳光的传播方向,达到用能地点;通过光导纤维,可以将入射在其一端的阳光传输到另一端,传输时光导纤维可任意弯曲;采用表面镀有高反射涂层的光导管,通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能,通过热管可将太阳能传输到室内;将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料,通过车辆或管道等可输送到用能地点;空间电站将太阳能转换为电能,通过微波或激光将电能传输到地面。太阳能传输包含许多复杂的技术问题,应认真进行研究,这样才能更好地利用太阳能。
 

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