太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的研究進(jìn)展

太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著人類對(duì)能源需求的增加，傳統(tǒng)能源的需求越來(lái)越少，石油價(jià)格也在上漲，世界氣候變化很大，環(huán)境壓力。為了尋求能源和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)都將戰(zhàn)略眼光轉(zhuǎn)向可支配能源的開(kāi)發(fā)?？芍淠茉词亲罾硐氲目芍淠茉矗哂星鍧?、無(wú)環(huán)境影響、總輻射能力強(qiáng)、效益低下等優(yōu)點(diǎn)?？芍淠茉吹拈_(kāi)發(fā)和使用是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。人類利用太陽(yáng)能的歷史非常悠久,太陽(yáng)能熱利用的技術(shù)也最為成熟.太陽(yáng)能熱利用的基本方式是利用光熱轉(zhuǎn)換材料將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為熱能.產(chǎn)生的熱能可應(yīng)用于采暖、干燥、蒸餾、烹飪以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,并可進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電、空調(diào)制冷、熱解制氫等.當(dāng)前,技術(shù)成熟的、廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能熱利用方式有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶及太陽(yáng)房等,其中以太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用最為廣泛.我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)和應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代后期,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,我國(guó)已成為世界上熱水器生產(chǎn)和消費(fèi)最大的國(guó)家.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及能源危機(jī)的壓力,人們更加期望從太陽(yáng)獲取更高品位的能源,太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能制氫、太陽(yáng)能海水淡化等太陽(yáng)能先進(jìn)利用技術(shù)已成為當(dāng)前及未來(lái)研究、開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能的主要方向.由于太陽(yáng)能資源的分散性、高性能材料的研究及能量傳遞等因素影響,太陽(yáng)能熱利用先進(jìn)技術(shù)并未廣泛應(yīng)用于社會(huì)實(shí)踐,人類對(duì)太陽(yáng)能熱利用的研究與開(kāi)發(fā)還任重道遠(yuǎn).1采用太陽(yáng)能熱成熟技術(shù)1.1太陽(yáng)能熱泵的簡(jiǎn)介太陽(yáng)能熱水器是一種利用太陽(yáng)輻射能,通過(guò)溫室效應(yīng)把水加熱的裝置,它由集熱器、儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵、管道、支架、控制系統(tǒng)及相關(guān)附件組成.集熱器是吸收太陽(yáng)輻射能并向工質(zhì)(水)傳遞熱量的裝置,是熱水器的核心部件.根據(jù)收集太陽(yáng)輻射能的形式,集熱器可分為平板型集熱器和聚光型集熱器兩種.早期的集熱器為悶曬式,后來(lái)發(fā)展成為平板式和真空管式.集熱器擔(dān)負(fù)著兩項(xiàng)主要功能,一是吸收太陽(yáng)輻射能,二是將熱量傳遞給工質(zhì).集熱器上的太陽(yáng)能吸熱材料可分為兩類:非選擇性吸收涂層和選擇性吸收涂層.非選擇性吸收涂層是指其光學(xué)特性與輻射波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的吸收涂層;選擇性吸收涂層則是指其光學(xué)特性隨輻射波長(zhǎng)不同有顯著變化的吸收涂層.太陽(yáng)輻射可近似地認(rèn)為是溫度6000K的黑體輻射,約90%的太陽(yáng)輻射能集中在0.3—2μm波長(zhǎng)范圍內(nèi).而太陽(yáng)集熱器的吸熱體一般為400—1000K,其輻射能主要集中在2—30μm波長(zhǎng)范圍內(nèi).因此既有高的太陽(yáng)吸收比又有低的發(fā)射率的涂層材料,就可以在保證盡可能多地吸收太陽(yáng)輻射的同時(shí),又減少熱量的損失.集熱器主要的吸收涂層材料有氧化鐵、氧化銅、黑鉻、黑鎳、鋁、碳等.當(dāng)前,國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器都采用非承壓的貯水箱,并利用落水法獲取熱水;而從太陽(yáng)集熱器使用的舒適性、安全性、易操作性等因素考慮,國(guó)際上太陽(yáng)集熱器普遍采用承壓的貯水箱,并利用頂水法獲取熱水.因而承壓貯水箱與頂水法取熱水已成為國(guó)際上對(duì)太陽(yáng)集熱器的一條基本要求,只有這樣的太陽(yáng)集熱器才能與電熱水器、燃?xì)鉄崴鞯犬a(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng).另外,國(guó)內(nèi)大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器采用單循環(huán)系統(tǒng),即集熱器內(nèi)被加熱的水直接進(jìn)入貯水箱提供使用;而國(guó)際上家用太陽(yáng)能熱水器尤其是公用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)普遍采用雙循環(huán)系統(tǒng),即集熱器內(nèi)被加熱的是傳熱工質(zhì),再經(jīng)過(guò)換熱器去加熱貯水箱內(nèi)的水提供使用(圖1).因此,將集熱器回路與生活熱水回路分開(kāi),已成為國(guó)際上對(duì)太陽(yáng)集熱器的另一條基本要求.1.2太陽(yáng)灶系統(tǒng)的計(jì)算太陽(yáng)灶是利用太陽(yáng)輻射能,通過(guò)聚光、傳熱、儲(chǔ)熱等方式獲取熱量,進(jìn)行炊事烹飪食物的一種裝置.太陽(yáng)灶常用的集熱方法有兩種,一種是采用熱箱裝置,另一種是采用聚光裝置.故太陽(yáng)灶也有兩種型式:箱式灶和聚光灶.1.2.1保溫隔熱材料箱式太陽(yáng)灶的工作原理是:當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)玻璃進(jìn)入保溫箱體后,遇到黑色的吸收體,光即轉(zhuǎn)變?yōu)闊?在物理學(xué)上,熱的輻射也是一種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式,主要為紅外輻射,其波長(zhǎng)較長(zhǎng),恰好玻璃能阻止長(zhǎng)波的通過(guò),安裝雙層玻璃,紅外輻射就更難透過(guò).同時(shí),箱體四周和底部均有保溫隔熱材料,也不讓熱輻射外逸.換言之,玻璃起了讓短波陽(yáng)光進(jìn)、不讓長(zhǎng)波紅外線出的作用.盡管箱體總是要散失一部分熱量,但箱內(nèi)的溫度隨著悶曬時(shí)間的延續(xù),將會(huì)逐漸升溫,直至到達(dá)平衡為止.由此可見(jiàn),這種太陽(yáng)灶的箱內(nèi)最高溫度取決于保溫材料的優(yōu)劣.通常采用棉花保溫,可達(dá)120℃—150℃左右,這種溫度對(duì)于炊事使用已足夠了.若選用更好的保溫材料,則將增加太陽(yáng)灶的造價(jià),經(jīng)濟(jì)上并不合算.為了提高箱式太陽(yáng)灶的效率,縮短悶曬時(shí)間,或防止多云時(shí)影響灶溫下降,可在箱側(cè)加裝反光鏡,增大受光面積;也可在箱底加裝金屬油箱(薄盒),借助油的儲(chǔ)熱作用,維持太陽(yáng)間歇性照射時(shí)箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定.在條件允許的情況下,蓋面玻璃的表面可以加涂一層光譜選擇性材料,如二氧化硅之類的透明涂料,以改變陽(yáng)光的吸收與發(fā)射,提高太陽(yáng)灶的效率.1.2.2太陽(yáng)灶的料和神聚光式太陽(yáng)灶是將較大面積的陽(yáng)光聚焦到鍋底,使溫度上升到較高的程度,以滿足炊事要求.這種太陽(yáng)灶的關(guān)鍵部件是聚光鏡,它不僅有鏡面材料的選擇問(wèn)題,而且還有幾何形狀的設(shè)計(jì)問(wèn)題.最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡,也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等.聚光式太陽(yáng)灶的鏡面設(shè)計(jì),大都采用旋轉(zhuǎn)拋物面的聚光原理.作為太陽(yáng)灶使用,要求在鍋底形成一個(gè)焦面,才能達(dá)到加熱的目的.換言之,它并不要求嚴(yán)格地將陽(yáng)光聚集到一個(gè)點(diǎn)上,而是要求一定的焦面.確定了焦面之后,我們就不難研究聚光器的聚光比,它是決定聚光式太陽(yáng)灶的功率和效率的重要因素.1.3被動(dòng)式太陽(yáng)房的概念太陽(yáng)房是利用太陽(yáng)輻射能量來(lái)代替部分常規(guī)能源,使室內(nèi)達(dá)到一定環(huán)境溫度的一種建筑物.太陽(yáng)房分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類.1938年世界上第一幢主動(dòng)式太陽(yáng)房由美國(guó)麻省理工學(xué)院建成.它是一種能夠控制的采暖方式,用集熱器、貯熱裝置、管道、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備“主動(dòng)”收集、儲(chǔ)存和輸配太陽(yáng)能.由于它具有利用太陽(yáng)熱能和節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn),從它誕生的那天開(kāi)始就十分引人注意.被動(dòng)式太陽(yáng)房最早是在法國(guó)發(fā)展起來(lái)的.它主要依靠建筑方位、建筑空間的合理布置和建筑結(jié)構(gòu)及建筑材料的熱工性能,使房屋盡可能多地吸收和儲(chǔ)存熱量.如果所獲得的太陽(yáng)能達(dá)到了建筑物采暖、空調(diào)所需能量的一半以上,就達(dá)到了被動(dòng)式太陽(yáng)房的要求.2采用先進(jìn)的太陽(yáng)能熱利用技術(shù)2.1太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式:一種是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)而制成的太陽(yáng)能電池來(lái)發(fā)電的方式;另一種是太陽(yáng)能熱發(fā)電.本文主要論述太陽(yáng)能熱發(fā)電方式.太陽(yáng)能熱發(fā)電作為一種太陽(yáng)能高溫?zé)崂眉夹g(shù),美國(guó)、西班牙、以色列、意大利、澳大利亞、日本、俄羅斯等國(guó)家都投入了大量資金和人力進(jìn)行研究,取得了大量科研成果,先后建立了幾十座太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng).太陽(yáng)能熱發(fā)電大致有三類:槽式線聚焦系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)和塔式系統(tǒng).研究成果表明,太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電是最可能引起能源革命、實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最經(jīng)濟(jì)手段之一,將完全有可能給緊張的能源問(wèn)題帶來(lái)革命性的解決方案,目前已經(jīng)處于商業(yè)化應(yīng)用前期和工業(yè)化應(yīng)用初期.2.1.1發(fā)電系統(tǒng)組成塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)提出的,用于傳熱的循環(huán)介質(zhì)可以是水、油、熔鹽或液態(tài)鈉,聚光比可達(dá)300—1500,運(yùn)行溫度可達(dá)1500℃.塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)由定日鏡裝置、高溫接收器、蓄熱裝置和發(fā)電系統(tǒng)四部分組成.定日鏡負(fù)責(zé)采集太陽(yáng)能,接收器負(fù)責(zé)將采集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能,熱能由蓄熱裝置收集,并由裝置內(nèi)的工作流體通過(guò)熱力循環(huán)將熱能傳輸至動(dòng)力設(shè)備(汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,最終將熱能轉(zhuǎn)化成電能.圖2為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站實(shí)物圖.塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的特點(diǎn)是:采用高溫熔融鹽來(lái)蓄熱儲(chǔ)能,聚光比高,容易達(dá)到較高的工作溫度,接收器散熱面積相對(duì)較小,可以得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率,這種電站的運(yùn)行參數(shù)與高溫高壓的常規(guī)熱電站基本一致,因而不僅有較高的熱機(jī)效率,而且容易獲得配套設(shè)備.2.1.2太陽(yáng)能熱發(fā)電槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電通過(guò)槽式聚光鏡面將太陽(yáng)光聚焦在一條線上,在這條焦線上安裝有管狀集熱器,以吸收聚焦后的太陽(yáng)輻射能,管內(nèi)的流體被加熱后,流經(jīng)換熱器的加熱工質(zhì),借助于蒸汽動(dòng)力循環(huán)來(lái)發(fā)電.拋物面可對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行一維跟蹤,聚光比在10—100之間,溫度可達(dá)400℃.槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電最大的優(yōu)點(diǎn)是多聚光器集熱器可以同步跟蹤,故跟蹤控制代價(jià)大為降低.缺點(diǎn)是:能量在集中過(guò)程中依賴管道和泵,管道系統(tǒng)比塔式電站要復(fù)雜得多,熱量及阻力損失均較大,降低了系統(tǒng)的凈輸出功率和效率.圖3為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站實(shí)物圖.2.1.3多碟太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電借助于雙軸跟蹤,拋物型碟式鏡面將接收的太陽(yáng)能集中在其焦點(diǎn)的接收器上,接收器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能.在接收器上安裝熱電轉(zhuǎn)換裝置,比如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或朗肯循環(huán)熱機(jī)等,從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能.單個(gè)碟式斯特林發(fā)電裝置的容量范圍在5—50kW之間.用氦氣或氫氣作工質(zhì),工作溫度達(dá)800℃,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率較高.碟式系統(tǒng)可以是單獨(dú)的裝置,也可以是由碟群構(gòu)成以輸出大容量電力.圖4為多碟太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物圖.2.2太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換制冷空調(diào)的主要分類和發(fā)展太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源.在太陽(yáng)能熱利用中,不僅有太陽(yáng)能熱水和太陽(yáng)能采暖,還有太陽(yáng)能制冷空調(diào).從節(jié)能和環(huán)保的角度考慮,用太陽(yáng)能替代或部分替代常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng),正日益受到世界的重視.太陽(yáng)能空調(diào)的最大優(yōu)點(diǎn)在于季節(jié)性好.夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng),太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)可以產(chǎn)生更多的制冷量,正好滿足人們夏季對(duì)制冷空調(diào)的需求,顯著減少常規(guī)能源的消耗.從理論上講,太陽(yáng)能制冷可以通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能(即光-電轉(zhuǎn)換),利用此電能來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)制冷.這種制冷原理與普通的電力制冷無(wú)明顯差異,只不過(guò)所要消耗的電能來(lái)自太陽(yáng)能.由于太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率較低(商業(yè)化成品在15%左右),且制作成本較高(銷售價(jià)約每瓦40元),目前在經(jīng)濟(jì)上不具有可行性,難以大面積推廣使用.另外,還可通過(guò)太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能空調(diào)制冷.太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換制冷是利用相應(yīng)的設(shè)備首先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能,再利用熱能作為外界的補(bǔ)償,使系統(tǒng)能夠達(dá)到制冷的目的,即以熱能來(lái)制冷.太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換制冷系統(tǒng)主要分為以下幾種類型:太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)、太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)、太陽(yáng)能除濕式制冷系統(tǒng)、太陽(yáng)能噴射式制冷系統(tǒng)等.與太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)換技術(shù)相比,在相同制冷功率情況下,光-熱轉(zhuǎn)換的成本約為光一電轉(zhuǎn)換的1/5.目前國(guó)內(nèi)外的研究工作,以太陽(yáng)能吸附式制冷和吸收式制冷為主.2.2.1太陽(yáng)能吸收式制冷原理太陽(yáng)能吸收式制冷是利用兩種沸點(diǎn)不同物質(zhì)所組成的混合溶液作為工質(zhì),其中沸點(diǎn)高的稱為吸收劑,沸點(diǎn)低的稱為制冷劑.常見(jiàn)的吸收一制冷劑有溴化鋰(LiBr)-水、水-氨(NH3)兩種.以溴化鋰-水工質(zhì)為例,其性質(zhì)和食鹽類似,易溶于水,無(wú)毒、無(wú)臭,沸點(diǎn)1265℃.太陽(yáng)能吸收式制冷原理如圖5所示:首先利用太陽(yáng)能集熱裝置把水加熱,高溫?zé)崴诠艿乐辛鹘?jīng)發(fā)生器時(shí)把熱量傳遞給工質(zhì);混合的液態(tài)工質(zhì)在受熱升溫時(shí),由于兩種成分沸點(diǎn)不同,沸點(diǎn)低的水就會(huì)大量蒸發(fā),從而與溴化鋰分離;分離后的制冷劑(水)呈氣態(tài),且溫度和壓力都很高,經(jīng)冷凝裝置冷卻后變成高壓低溫的液態(tài)水;液態(tài)水經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后進(jìn)入蒸發(fā)室,因其內(nèi)壓力小,液態(tài)水就會(huì)急速膨脹氣化,變成水蒸氣,氣化過(guò)程中將大量吸收蒸發(fā)室的熱量,從而達(dá)到制冷的目的.低溫水蒸氣就沿管道進(jìn)入吸收器.因?yàn)樗牟粩嗾舭l(fā),發(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液的濃度不斷升高;通過(guò)管道把高濃度的溴化鋰溶液引入吸收器,在吸收器內(nèi)高濃度的溴化鋰溶液會(huì)大量吸收從蒸發(fā)器流過(guò)來(lái)的水蒸氣而被稀釋,同時(shí)可使蒸發(fā)器內(nèi)壓力降低;稀釋后的溴化鋰溶液只需用一個(gè)功率很小的泵送回發(fā)生器就可以進(jìn)入下一個(gè)制冷循環(huán).2.2.2太陽(yáng)能制冷技術(shù)太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)由吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等構(gòu)成,如圖6所示:工作過(guò)程由熱解吸和冷卻吸附組成,基本循環(huán)過(guò)程是利用太陽(yáng)能或者其他熱源,使吸附劑和吸附質(zhì)形成的混合物(或絡(luò)合物)在吸附床中發(fā)生解吸,放出高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器,冷凝出來(lái)的制冷劑液體由節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器.制冷劑蒸發(fā)時(shí)吸收熱量,產(chǎn)生制冷效果,蒸發(fā)出來(lái)的制冷劑氣體進(jìn)入吸附發(fā)生器,被吸附后形成新的混合物(或絡(luò)合物),從而完成一次吸附制冷循環(huán)過(guò)程.基本循環(huán)是一個(gè)間歇式的過(guò)程,循環(huán)周期長(zhǎng),COP值低,一般可以用兩個(gè)吸附床實(shí)現(xiàn)交替連續(xù)制冷,通過(guò)切換集熱器的工作狀態(tài)及相應(yīng)的外部加熱冷卻狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)連續(xù)工作.與蒸汽壓縮式制冷相比,太陽(yáng)能制冷技術(shù)目前不是很成熟,但是因?yàn)槠洵h(huán)保節(jié)能的特點(diǎn),決定其具有良好的發(fā)展前景.目前,制約其廣泛應(yīng)用的主要原因是成本較高.太陽(yáng)能制冷要降低成本,一方面要大力開(kāi)發(fā)高效太陽(yáng)能集熱板,提高熱力學(xué)性能,另一方面,走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路.另外,太陽(yáng)能制冷有多種形式,但就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看,各種不同形式的制冷系統(tǒng)都多少存在著不足,所以限制了太陽(yáng)能空調(diào)制冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用.如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率,以及各種制冷循環(huán)的聯(lián)合運(yùn)行都是將來(lái)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域.2.3太陽(yáng)能制氫方法氫是一種理想的二次能源,具有清潔、無(wú)污染、效率高、重量輕和儲(chǔ)存及輸送性能好、應(yīng)用形式多等諸多優(yōu)點(diǎn),贏得了人們的青睞.工業(yè)制氫方法主要是以天然氣、石油、和煤為原料,在高溫下使之與水蒸氣反應(yīng)而制得,也可以用部分氧化法制得.這些制氫方法在工藝上都比較成熟,但是由化石能源(天然氣、石油、煤)和電力來(lái)?yè)Q取氫能,在經(jīng)濟(jì)上和資源利用上并不合適.太陽(yáng)能是最理想的可再生能源,具有廉價(jià)、資源豐富、清潔、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn),利用太陽(yáng)能制氫是能源利用的最理想的方式之一.太陽(yáng)能制氫的方法主要有:直接熱分解法、熱化學(xué)循環(huán)法、光催化法以及光電化學(xué)分解法.直接熱分解法需要2500K以上的溫度,設(shè)備要求高,價(jià)格昂貴.光催化及光電化學(xué)分解法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,耗能低,但目前轉(zhuǎn)化效率還較低,仍處于研究階段.熱化學(xué)循環(huán)法主要是利用化學(xué)材料的特性,在一定的溫度下分解水或碳?xì)漕惢衔锒@得氫氣的方法,該方法優(yōu)點(diǎn)是氫氣轉(zhuǎn)化效率較高,能耗較低,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一.2.3.1兩步熱化學(xué)循環(huán)法為了克服直接分解法需要非常高的溫度的缺陷,科學(xué)家采用熱化學(xué)循環(huán)法來(lái)降低反應(yīng)溫度.熱化學(xué)循環(huán)法制氫的研究在20世紀(jì)60年代廣泛興起,于1974年到1986之間達(dá)到高峰,之后雖然減少,但是仍然在不斷進(jìn)行.早期熱化學(xué)循環(huán)采用多步進(jìn)行,工藝復(fù)雜,成本高,后來(lái)科學(xué)家越來(lái)越傾向于兩步熱化學(xué)循環(huán)法的研究.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:概念和工藝簡(jiǎn)單,而且不使用氫氣分離裝置.與此同時(shí),兩步法由于涉及的反應(yīng)階段少,因而它更有利于原料和熱力學(xué)的可逆循環(huán),它的總體效率也會(huì)比較高.兩步熱化學(xué)循環(huán)法中多使用金屬氧化物的氧化還原反應(yīng).金屬氧化物先在高溫下吸熱分解生成金屬或低價(jià)金屬氧化物,然后它們?cè)诘诙椒艧岱磻?yīng)中作為還原劑被氧化.使用較多的金屬氧化物有ZnO/Zn、Fe3O4/FeO,Ni0.5Mn0.5Fe2O4/Ni0.5Mn0.5Fe2O4-δ,反應(yīng)溫度一般在700—1000℃.當(dāng)前,另一個(gè)研究熱點(diǎn)是乙醇催化制氫,它的反應(yīng)溫度進(jìn)一步降低,可以降到300—600℃.2.3.2太陽(yáng)能光電化學(xué)電池制氫光電化學(xué)分解法制氫是通過(guò)由光陽(yáng)極和對(duì)極(陰極)組成的光電化學(xué)電池完成的.光陽(yáng)極通常為光半導(dǎo)體材料,受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì).在電解質(zhì)存在下,光陽(yáng)極吸收光能后,電子被激發(fā)到半導(dǎo)體導(dǎo)帶上,并通過(guò)外電路流向?qū)O,水中的質(zhì)子從對(duì)極上接受電子產(chǎn)生氫氣.圖7是太陽(yáng)能光電化學(xué)電池制氫原理圖,它包括一個(gè)光陽(yáng)極(一般是金屬氧化物)和陰極(一般是Pt),在電解液中,氧化和還原反應(yīng)分別在陽(yáng)極和陰極發(fā)生.光電化學(xué)分解水制氫的轉(zhuǎn)換效率原則上取決于電極的材料,但通過(guò)電極/電解液界面電位的修飾,可以有效地防止電子-空穴的復(fù)合,從而能夠有效地提高效率.要使分解水的反應(yīng)發(fā)生,最少需要1.23V的能量,現(xiàn)在最常用的電極材料是TiO2,其禁帶寬度為3eV,把它用作太陽(yáng)能光電化學(xué)制氫系統(tǒng)的陽(yáng)極,能夠產(chǎn)生0.7—0.9V的電壓,因此要使水裂解必須施加一定的偏壓.2.3.3光催化氧化法光催化制氫的實(shí)質(zhì)就是在水中加入光催化劑,通過(guò)這些物質(zhì)吸收光能并有效地傳給水分子,使水發(fā)生光解.當(dāng)能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí),電子吸收光的能量由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子和空穴,電子和空穴由半導(dǎo)體內(nèi)部遷移至表面,在表面產(chǎn)生反應(yīng)活性,與周圍的氧和水反應(yīng)產(chǎn)生活性氧,如圖8所示.這些活性氧具有極強(qiáng)的氧化性,可用于環(huán)境凈化、光催化分解水制氫等.半導(dǎo)體光解水制氫的研究比較成熟,主要經(jīng)歷了以TiO2、過(guò)渡金屬氧化物、層狀金屬氧化物和能利用可見(jiàn)光的復(fù)合層狀物為光催化劑制氫的階段.和光電化學(xué)池比較,半導(dǎo)體光催化分解水制氫的反應(yīng)大大簡(jiǎn)化,但通過(guò)光激發(fā)在同一個(gè)半導(dǎo)體微粒上產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)極易復(fù)合.因此如何提高這種方法的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率,如何實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的化學(xué)循環(huán),以及如何尋找高效的光催化劑等成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)問(wèn)題.2.4太陽(yáng)能海水淡化的途徑地球上的海水資源非常豐富,97%的水都在海洋里,而其中蘊(yùn)含著大量的淡水.為了解決淡水資源缺乏的問(wèn)題.很久以來(lái)世界各國(guó)的科學(xué)家都把目光投向了海洋.如果能從海水中成功地分離出淡水,那么就能解決淡水資源不足的問(wèn)題.利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化是一條廉價(jià)有效的途徑.太陽(yáng)能海水淡化主要有兩種方法:太陽(yáng)能蒸餾淡化技術(shù)和太陽(yáng)能反滲透淡化技術(shù).太陽(yáng)能蒸餾淡化技術(shù)主要是指從太陽(yáng)能采集熱量,使海水(或介質(zhì)淡水)加熱,最原始的是頂棚式太陽(yáng)能蒸餾裝置,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但占地面積大,產(chǎn)水率一般為2—4kg/m2·d,太大的設(shè)施會(huì)帶來(lái)在施工和抗大風(fēng)問(wèn)題.因此,如何充分利用冷凝過(guò)程的潛熱提高造水率是非常必要的,只是太陽(yáng)能是稀薄、低密度的能源,將傳統(tǒng)的多級(jí)閃蒸、低溫多效蒸餾應(yīng)用到太陽(yáng)能海水淡化中必須解決海水的進(jìn)口溫度、流量等技術(shù)問(wèn)題.利用太陽(yáng)能熱擴(kuò)散多效蒸餾,每平方米日照面積產(chǎn)水量可超過(guò)30L.反滲透海水淡化運(yùn)行的必要條件之一是需要有驅(qū)動(dòng)高壓泵的電能.利用太陽(yáng)能電池的光伏發(fā)電技術(shù),使反滲透法能夠在無(wú)商用電源或電力緊張的地區(qū)(特別是海島和沙漠地區(qū))淡化海水、苦咸水成為可能.2.5集熱棚內(nèi)熱空氣太陽(yáng)能煙囪發(fā)電的構(gòu)想是由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的JorganSchlaich教授于1978年提出的.1982年,德國(guó)政府和西班牙一家電力公司合作,在西班牙的Manzanares建立了世界上第一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站.太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱棚、太陽(yáng)能煙囪和渦輪發(fā)電機(jī)組3個(gè)基本部分所構(gòu)成,如圖9所示.太陽(yáng)能集熱棚建設(shè)在一塊太陽(yáng)輻照強(qiáng)、絕熱性能比較好的土地上;集熱棚和地面有一定的間隙,集熱棚采用透光性能好且隔熱的材料制成.用來(lái)吸收太陽(yáng)輻射能量使棚內(nèi)空氣溫度升高;集熱棚中間離地面一定距離處裝著煙囪,在煙囪底部裝有渦輪機(jī);位于集熱棚中央的煙囪,高達(dá)數(shù)百米至上千米,在煙囪的抽吸力和集熱棚內(nèi)熱空氣壓力的聯(lián)合作用下,煙囪引導(dǎo)集熱棚內(nèi)空氣形成強(qiáng)大氣流,驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,并且可以讓周圍空氣進(jìn)入系統(tǒng);太陽(yáng)光照射集熱棚,集熱棚下面的土地吸收透過(guò)覆蓋層的太陽(yáng)輻射能,并加熱土地和集熱棚覆蓋層之間的空氣,使集熱棚內(nèi)空氣溫度升高,密度下降,并沿著煙囪上升,集熱棚周圍的冷空氣進(jìn)入系統(tǒng),從而形成空氣循環(huán)流動(dòng).由于集熱棚內(nèi)的空間足夠大,當(dāng)集熱棚內(nèi)的空氣流到煙囪底部的時(shí)候,在煙囪內(nèi)將形成強(qiáng)大的氣流,利用這股強(qiáng)大的氣流,推動(dòng)裝在煙囪底部的渦輪機(jī),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電.太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)研究的時(shí)間并不長(zhǎng),盡管第一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站由于集熱棚發(fā)生故障,已經(jīng)停止發(fā)電,但是它給我們帶來(lái)的思考卻是無(wú)窮的.國(guó)內(nèi)在華中科技大學(xué)的一座小型太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置也已經(jīng)建成,該裝置煙囪高8m,集熱棚直徑為10m.該發(fā)電裝置已經(jīng)運(yùn)行了兩年多的時(shí)間,積累了許多運(yùn)行和相關(guān)研究的數(shù)據(jù).3能熱利用的中心問(wèn)題3.1太陽(yáng)跟蹤技術(shù)太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源,與常規(guī)能源有很大的區(qū)別,這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出更高的要求.目前得到廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)熱水器,一般只能滿足人們的洗浴要求,屬于太能的低溫?zé)崂?無(wú)法提供工業(yè)應(yīng)用上的高溫?zé)崴罢羝?為了滿足人們對(duì)太陽(yáng)能利用更高的要求,使太陽(yáng)能集熱器更有效地吸收太陽(yáng)輻射能和獲得高溫?zé)崮?集熱器須采用聚焦、跟蹤等技術(shù).使用太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng),可以使太陽(yáng)光始終垂直照射在接收面,接收到的太陽(yáng)輻射將大大增加.例如,對(duì)于完全相同的平板,與太陽(yáng)輻射方向垂直的表面和朝南鉛直方向的固定表面,一天中兩者接收到的太陽(yáng)輻射的比值大約是3:1.相同條件下,自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%,成本下降25%,因此在太陽(yáng)能利用中,進(jìn)行跟蹤是很有必要的.目前,已有多種太陽(yáng)跟蹤裝置,但大多造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而未能廣泛應(yīng)用.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、跟蹤過(guò)程不必人工干預(yù),而且在天氣變化比較復(fù)雜的情況下,系統(tǒng)也能正常工作的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)是未來(lái)研究的重點(diǎn).使用太陽(yáng)能聚焦裝置可以增加單位面積的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,節(jié)省吸熱材料,提高熱利用效率.太陽(yáng)能聚焦技術(shù)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電、光電化學(xué)、太陽(yáng)能制氫等領(lǐng)域,是未來(lái)中高溫太陽(yáng)能利用研究的重要方向.太陽(yáng)熱利用中廣泛采用反射式聚光集熱器,主要包括點(diǎn)聚焦方式(碟式、定日鏡)、線聚焦(槽式)等.線聚焦溫度一般可以達(dá)到200—400℃,點(diǎn)聚焦可以達(dá)到800—1500℃.現(xiàn)在這兩種聚光集熱器完全能滿足各種中、高溫太陽(yáng)能利用的要求,但由于造價(jià)高,限制了它們的廣泛應(yīng)用.3.2太陽(yáng)