太阳能的发展道路

太阳能的发展道路陆家其(暨南大学土木工程系广州2008053803)摘要论述太阳能的发展道路关键词环境保护，太阳集热器，太阳能利用的历史，现代太阳能科技，太阳能未来开发的前景1前言自去年哥本哈根会议结束后，世界各国对于环境保护，尤其是针对温室气体使气候暖化的问题，各国都已作出减排的承诺。但面对着今天过份依赖化石能源的人类社会，以及人口急剧膨胀使得能源需求增加，方法似乎除了开发其他新能源，就别无它径。而太阳能是一种无污染、随处可见的能源，人类使用它甚至有几千年的历史，所以人类对太阳能并不陌生，假设只用一种新的能源来取代石化能源，似乎并不实际，但如果可靠多种不同形式的能源，我想，太阳能必定会成为当中的主流。下面将会介绍太阳能的开发过程，以及太阳能的发展现状。2正文2.1太阳能利用的历史根据文献记载，我国是世界上第一个最早利用太阳能的国家。早在公元前十一世纪（西周时代），古人就已发明利用铜制凹面镜汇聚阳光点燃艾绒取火，古书上称之为＂阳燧取火＂。及后，于西晋时代，有人更利用凸透镜的聚焦特性，把冰削磨成凸透镜，以之取火。但由于古代科学技术的发展水平十分低下制约，在人类社会的相当长的一个历史时期内，太阳能除用作取火外，始终处于自然利用的初级阶段，主要用以晾晒对象。这是古代中国利用太阳能的概貌。但人类利用太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有差不多四百年的历史。踏入近代，最先以太阳能为能源的机器于1615年在法国面世，这是一台由法国的工程师所罗门‧德‧考克斯发明的太阳能抽水泵。1878年法国人皮福森研制出太阳能的印刷机。1883年美籍瑞典人埃里克森制成太阳能摩托，夏季试验时可驱动一台1.6马力的往复式发动机。但这些动力装置，几乎全部都以聚光方式采集阳光，不仅发动机功率不大，且造价昂贵，实用价值不大。1901~1920年是世界太阳能研究的重要时间点，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。同时，装置的规模也有扩大，最大者输出功率已达73.55kW，实用的价值提高，但造价仍然偏高。在此时期，主要的成就有：1901年美国的伊尼斯在加州建成一台太阳能抽水装置，采用自动追踪太阳的截头圆锥聚光器，功率为7.36kW。1902～1908年维尔斯在美国建造了五套循环太阳能发动机，其特点是采用氨、乙醚等低沸点工质和平板式集热器。1913年舒曼与博伊斯合作，在埃及开以南造了一台由五个，每个长62.5米、宽４m的抛物槽镜组成的太阳能动力灌溉系统，总采光面积达1250㎡，功率为5.4x104W，但到了第二次世界大战爆发后，由于各国政府投入的资金有限，致使太阳能的研究陷入低潮。二战结束往后的二十年，关注到石化能源的大量开采，仅依靠石化能源来满足人类日益增长的能源需求，絶非长远之策。因此，各国政府都大力支持太阳能事业，太阳能技术得到崭新重大的突破。例如：太阳能硅电池的开发，实验性太阳房大批建成，太阳能吸收式空调的研究取得进展等。2.2现代太阳能科技太阳集热器太阳集热器是一种能吸收太阳辐射，并将产生的热能传递至传热工质的装置。装置本身虽然不是直接面向消费者的终端产品，但它却是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。关于集热器的分类按集热器的传热工质类型分类：液体集热器以液体作为传热工质的太阳集热器。空气集热器以空气作为传热工质的太阳集热器。按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类：聚光型集热器利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳集热体。非聚光型集热器进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳集热器。按集热器是否跟踪太阳分类：跟踪集热器是以绕单轴或双轴旋转方全天跟踪太阳视运动的太阳集热器。非跟踪集热器全天都不跟踪太阳视运动的太阳集热器。按集热器是否有真空空间分类：平板型集热器吸热体表面基本上为平板形状的非聚光型集热器。真空管集热器采用透明管并在管壁和吸热体之间有真空空间的太阳集热器。其中吸热体可以由一个内玻璃管组成，也可以由另一种用于转移热能的组件组成。按集热器的工作温度范围分类：低温集热器工作温度在100℃以下的太阳集热器。中温集热器工作温度在100℃～200℃的太阳集热器。高温集热器工作温度在200℃以上的太阳集热器。集热器根据以上的分类实际上是相互交叉的。如某一台液体集热器，可以是平板型集热器，自然也是非聚光型集热器及非跟踪集热器，属于低温集热器。虽然上述的集热器有多种不同的类型，但由于平板型集热器是太阳能设备的基件配件，也一直是太阳能产品市场的主导产品，因此下面主要介绍平板型集热器平板型集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。当平板型集热器工作热，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免地要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。平板式集热器的构造：1.吸热板吸热板是平板型集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件，其基本上是平板形状。主要构造材料，有铜、铝合金、铜铝合金、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。通常会有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式的结构型式。另外，为了要使吸热板可最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能，在吸热板上应覆深色的涂层，这称为太阳能吸收涂层。涂层主要分为两大类：1.非选择性吸收涂层；2.选择性吸收涂层。它们主要的不同在于光学特性是否会随着辐射波的波长变化而变化。前者不会，而后者会。2.透明盖板透明盖板是平板型集热器中覆盖吸热板、并由透明(或半透明材料组成的板将部件。它的功能主要有三个：一是透过太阳辐射，使其投射在吸热板上；二是保护吸热板，不受灰尘及雨雪的侵蚀；三是形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。主要制造材料有：平板玻璃和玻璃钢板。但目前国内外都以平板玻璃为主流。平板玻璃有红外透射比低、导热系数小、耐候性能好等优点，但同时平板玻璃也有太阳透射比和冲撃强度低的缺点。3.隔热层隔热层是集热器中阻止热量往外散失的部件。根据隔热层的功能，要求热层的导热系数小，不易变形，不易挥发，更不能产生有害气体。它的制造材料包括：岩棉、矿棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。目前国内用的最多是岩棉。4.外壳外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件。外壳要求有一定的强度和刚度，有较好的密封性及耐腐蚀性，而且外型要美观。用于外壳的材料有：铝合金板、碳钢板、塑料等。太阳集热器的性能检测太阳集热器是组成各种家用太阳热水器和大中型太阳能热水系统的关键部件。因此，太阳集热器性能的优劣将决定太阳热水器性能的好坏，太阳集热器性能的检测结果将是设计各种家用太阳热水器和大中型太阳热水系统的重要依据。太阳集热器检测，有以下十一项试验及要求：(1)热性能试验：集热器效率不低于0.68(2)空晒试验：应无变形、开裂及其他损坏(3)闷晒试验：应无泄漏及明显变形(4)内通水热冲击试验：应无变形、开裂、破裂及其他损坏(5)外淋水热冲击试验：应无泄漏及明显变形(6)淋雨试验：应无渗水及破坏(7)强度试验：应无损坏及明显变形，塑料透明盖板应不与吸热板接触(8)刚度试验：应无泄漏、破坏及过度永久性变形(9)耐压试验：应无传热工质泄漏(10)防雹(耐冲击)试验:应无划痕、翘曲、裂纹、破裂、断裂或穿孔(11)外观试验:吸热板在外壳内应安装平整,间隙均匀；涂层应无剥落、反光及发白现象；透明盖板应与外壳密封接触,应无扭曲及明显划痕；隔热层应当填塞严实，不应有明显萎缩或膨胀隆起，不允许有发霉、变质或释放污染物质的现象；外壳的外表面应平整，无扭曲、破裂、应采取充的防腐措施。太阳热水器太阳热水器是一种利用温室原理，将太阳的能量转变为热能，并向水传递热量，因而获得热水的一种装置。它是由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架控制系统及相关附件组成的。太阳热水器的用途和它的集热温度有着密切的关系。低温和中温热水器主要用于预热锅炉给水、民用生活热水、地下加热除湿工程、取暖和工农业中低温热水的应用。中高温、高温热水器主要用于取暖、制冷或发电。太阳灶太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式取热量，进行炊事烹调食物的一种装置。根据太阳灶的不同功能，对它所要求的温度也有不同。如是蒸煮和烧开水，则需要100～150℃；但若是煎、炒、炸，则需要500～600℃高温。关于太阳灶的功率，要根据用户的需求，一般家庭使用的太阳灶，其功率大多为500～1500W之间，截光面积约1~3㎡，其热效率(即太阳灶提供的有效热能与它接收太阳的能量之比)约为50％左右。除以上的性能外，太阳灶还需满足炊事人员操作的方便，如锅灶的高度，它与人体的距离，以及便于定时调整角度和方位，此外，还要考虑耐久性能和抗风载等要求。太阳房太阳房是利用大阳能进行取暖和空调的环保型生态建筑，它需同时满足冬天保暖；夏天降温和调节空气的功能。但太阳房也会配备其他辅助能源，包括石化能源、电能和风能。因此严格来说，太阳房只是一种节约能源的建筑形式。太阳房基本上可分为主动式太阳房、被动式太阳房和热泵式太阳能取暖系统三种类型。(1)主动式太阳房与其他以常规能源取暖的空间最主要的区别，就是主动太阳房的主要能源为太阳能，以太阳集热器作为热源，取代其他石化能源。其主要设备有：太阳集热器、储热水箱、辅助热源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等部件。集热器获得太阳的热量，通过配热系统送至室内提供暖气。剩余的热量存入水箱内。当收集热量小于采暖负荷时，由储存的热量来补充，热量不足时由备用的辅助热源提供。(2)被动式太阳房被动式太阳房是不需要专门集热器、热交换器、水泵等主动式太阳能采暖系统中所必需的部件，只依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶等建筑物本身构造和材料的热工性能，以自自然交换的方法(辐射、对流、传导)使建筑物在冬季尽可能吸取和储存更多的热量，达到采暖的目的。(3)热泵式太阳房热泵是一种反向使用的制冷机.它的热能大部分是来于周边环境,只有一部分由电能转变而成。以花费少量电能作为代价，将低温环境的热能转移到温度较高的环境中。热泵式太阳房的供暖系统，利用集热器进行太阳能低温集热，大约是10~20℃，然后通过热泵，将热量传递到温度为30~50℃的采暖热媒中去。太阳能干燥太阳能干燥可算是最古老和广泛的利用太阳能的一种方式。在以前，人们总会将需要的物品放在太阳底下摊晒，目的是要干燥物品后再保存起来。但这种传统的方法易受环境影响，效率低，所需面积大等，所以现代太阳能干燥技术，是以机器取代自然晒干。太阳能干燥通常采用空气作为干燥介质。在太阳能干燥器中，空气与被干燥物料接触，热空气将热量不断传递给被干燥物料，使物料中水分不断汽化，并把水汽及时带走，从而使物料得以干燥。太阳能温室太阳能温室属于太阳房的其中一种，就是利用太阳的能量，来提高塑料大棚内或玻璃房内的室内温度，以满足植物生长对温度的要求。温室主要是通过“温室效应”来实现，所谓“温室效应”，就是太阳光折射到透明材料后，进入温室内部空间，使进入温室的太阳辐射能大于其损失的热量，使得温室内部温度不断升高，称为“温室效应”。另外，太阳能温室还需有储热功能，当日间温室内的温度过高时，过余的热量便可储存起来，当晚间温度降低时，被储起来的热量便可释放，达到维持一定温度的目的。太阳能制冷与空调太阳能制冷可以通过太阳能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种途径来实现。太阳能光电转换制冷首先是通过太阳能电池将太阳能转换成电能，再用电能驱动常规的压缩式制冷机。但由于太阳能电池成本高昂，使之实用性大大减低。而太阳能光热转换制冷，是把太阳能转换成热能或机械能，再利用热能或机械能作为外界的补偿，使系统达到并维持所需的低温。以太阳能来驱动的空调，最大的优点在于其季节适应性好，因为人们使用空调的时间都集中于夏季，而夏季的太阳辐射量也是最高，即是说，高的太阳辐射量使得空调的制冷性能也更好。除此之外，太阳能空调也有以下几个优点：(1)传统的压缩式制冷机以