分析大规模高效率利用太阳能的途径和技术难点

分析大规模高效率利用太阳能的途径和技术难点目录一、前言二、大规模高效率利用太阳能的途径三、利用太阳能的技术难点四、国内发展现状五、结语前言当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。中国太阳能利用背景，中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国已是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家以及重要的太阳能光伏电池生产国。我国比较成熟的太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳热水系统。大规模高效率利用太阳能的途径我们根据将太阳能直接转化成能量形式的不同，把太阳能利用分为光热利用、光电利用、光化学利用。一、光热利用。主要包括太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥器、太阳能温室、太阳房、太阳能制冷、太阳池、太阳能热力发电、太阳能热力机、海水淡化、太阳能制氢等。1、太阳能热水器太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。太阳能热水器按结构可分为焖晒式、管板式、聚光式、真空管式、热管式。按照流体流动的方式分为焖晒式、直流式和循环式。2、太阳灶太阳灶利用太阳的辐射，直接把太阳的辐射能转换成人们炊事使用的热能。太阳灶种类繁多，按原理结构分为焖晒式（箱式）、聚光式和热管式三种。1）、焖晒式：它的工作方式是至于太阳光下长时间焖晒，慢慢的积蓄热量。箱内温度一般可达120—150摄氏度，适合于闪蒸食品或作为医疗器械的消毒。2）、聚光式：它是将较大面积的阳光进行聚焦，使焦点温度达到较高的程度，以满足炊事要求。3）、热管式：它分为两部分：一是室外收集太阳能的集热器，二是热管。3、太阳能干燥器加热空气有两种方法：一是直接加热空气，二是间接加热空气。目前国内外应用的多为低温型干燥器，它分为以下几种：集热器型干燥器、温室型干燥器、整体型干燥器。4、太阳能温室常见的太阳能温室很多，如玻璃房和花房。随着透明塑料和玻璃纤维等新材料的出现，太阳能温室越来越多样化，发展成为田园工厂。温室的结构和型式可分为以下几种：屋脊型棚、拱圆形大棚、大型塑料棚、管架大棚。5、太阳房它是利用太阳能采暖和降温的房子，可分为被动式和主动式。当前主动式利用成热门，发展迅速，朝着微排建筑或是0排建筑发展。6、太阳能制冷目前太阳能制冷的方法有多种，如压缩式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸收式制冷等。7、太阳池太阳池是一种收集和储蓄太阳能并作为热源用的水池。通常利用水中盐浓度成稳定状态而吸收太阳辐射热，并隔绝热在底层水中的对流损失。8、太阳能热力发电太阳能热力发电是利用集热器把太阳能转变成热能，然后通过汽轮机、发电机来发电。按照太阳能采集方式划分，太阳能热力发电站主要有塔式、槽式和盘式三类。1、塔式太阳能热发电系统是在空旷平地上建立高大的塔，塔顶安装固定一个接收器（相当于锅炉），塔的周围安置大量的定日镜，将太阳光聚集并反射到塔顶的接收器上产生高温，接收器内生成的高温蒸汽推动汽轮机来发电。2、槽式太阳能热发电系统是利用圆柱抛物面的槽式反射镜将太阳聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热。槽式系统商业化的典型代表是位于美国加州Mojave沙漠上的总装机容量为354MW的9座槽式太阳能热发电站，年发电总量为8亿kWh，从上世纪90年代初开始并网运行。3、碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳聚焦到一个焦点。和槽式一样，碟式系统的太阳能接收器也不固定，随着碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式系统较大余弦效应的损失问题，光热转换效率大大提高。和槽式不同的是，碟式接收器将太阳聚焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式接收器则将太阳聚焦于圆柱抛物面的焦线上。9、太阳能热力机太阳能热力机是一种以太阳辐射热作为动力的机械。它的种类很多，用途也各不相同，有的直接提供动力，有的作太阳泵，也有作小型发电设备，但是，他们的基本原理不外乎郎肯循环和斯特林发动机。10、海水淡化地球上的水资源中含盐的海水占97%，随着人口的增加和工业的发展，使城市用水日趋紧张。为了解决日益严重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。11、太阳能制氢太阳能热分解水制氢，需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。二、光电利用。光电，也称作光伏发电，是利用太阳能电池半导体材料的光伏作用，将太阳能直接转换为电能。太阳能光伏发电有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要适用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价相对较高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。目前，太阳能光伏发电技术正在走向成熟，是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术之一。相关数据显示，2005年，全球安装的太阳能光伏系统容量达1700兆瓦；同时，光伏发电产业在最近五年的年均增长速度已逾30%。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。现有的太阳能电池中除了各种硅太阳能电池外，还有多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池等。（1）硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。（2）多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。（4）纳米晶太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到2O年以上。三、光化学利用。主要利用植物的光合作用，将太阳能转化微生物质能，这里不再做详细介绍。利用太阳能的技术难点太阳能主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受季节、地点、气候等各种因素的影响，因此不能维持常量，上述两个缺点限制了太阳能的有效利用。针对光热利用，主要的技术难点在于如何高效率的集热。如何更好收集太阳辐射能，设计更好的集热设备有待人们进一步开发探索。而对于太阳能热力发电，上述几种太阳能热发电技术，除碟式发电系统外，都属于大规模发电系统，只有建设几十到几百兆瓦级的发电站，成本才可能降下来。太阳能塔热气流发电和太阳池发电占地面积大，利用效率只有1%左右，因此太阳能塔热气流发电适合于土地广阔、人口稀少的沙漠地区；而太阳池发电适合日照条件好、盐资源比较丰富的地区。总体来看，槽式发电系统技术上最为成熟，且跟踪机构比较简单、易于实现，总体成本最低。太阳能热发电系统要实现的是低投资和高可靠性运行，这就要求未来要进行新型集热材料的研究和开发，快速提高跟踪机构的技术并降低成本。同时发电产业要实现规模化，建立大规模的并网系统，既节约成本又保证系统平稳安全运行。光伏发电产业尚处于起步阶段，主要是由于太阳能发电初期投资大，控制成本高，而太阳能转化效率比较低，且容易受天气等多种因素影响。根据目前光伏发电发展状况和技术难点，未来的光伏发电研究需要重视以下几个方面：（1）加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发，降低材料成本并提高其转化效率。（2）提高系统控制技术，如实现光伏电池阵列的最优化排列组合和太阳光最大功率跟踪等。（3）研究光伏发电的并网技术，减少光伏电能对电网的冲击。（4）研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合应用，保证供电持续性。国内发展现状发展太阳能发电的需求主要来自满足农村和边远地区的生产与生活用电及我国电力事业持续发展两个方面。在太阳能发电方面我国具有得天独厚的有利条件。（1）丰富的太阳能资源。我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000h以上，年平均日辐射量在4000MJ/m2以上，要优于欧洲和日本，与美国相近。如此丰富的太阳能资源可以节省太阳能电池的用量，有利于太阳能发电在较低成本下加以推广。（2）我国太阳能电池的生产能力已超过日本、美国和欧洲，居世界第一位。2007年我国太阳能电池的产量约为1180MW。2007年在全球太阳能生产企业16强中，我国占据了6席。（3）逆变技术是太阳能发电的关键技术之一，由于我国在大功率开关器件开发和逆变技术的应用等方面已取得长足进步，生产出适用于光伏并网、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆变器亦成为可能。但是，为了太阳能发电产业能快速发展，还必须解决以下几个问题：（1）我国生产太阳能电池的原材料主要依靠进口，而绝大多数太阳能电池和切片用于出口，这种不利于产业发展的局面必须尽快扭转。（2）太阳能发电的成本在3元/kW·h以上，远远高于目前居民电网电价0.5元/kW·h,这也是发展太阳能发电的不利一面。（3）目前，太阳能电池的光电转换效率比较低，比如小尺寸（1cm2）多晶硅太阳能电池的光电转换效率为19.8%,而大尺寸（1000cm2）多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%,为了降低太阳能发电的成本，必须提高太阳能电池的光电转换效率。（4）我国的太阳能发电产业起步于独立型太阳能发电设备（10kW以下）,主要用于解决太阳能资源丰富而又无电的边远地区的居民用电。而更大容量（MW级）的并网型太阳能发电设备的投产是降低成本的途径之一。（5）截止到2005年，我国的风力发电总装机容量为1