代用能源戰(zhàn)略太陽(yáng)能利用技術(shù)與發(fā)展

代用能源戰(zhàn)略太陽(yáng)能利用技術(shù)與發(fā)展

0代用能源戰(zhàn)略能源和社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)步,以及人口的增加,對(duì)能源的需求量越來(lái)越大。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)執(zhí)行主任克勞德·芒迪在2003年11月6日舉行的新聞發(fā)布會(huì)上表示,該機(jī)構(gòu)最新公布的《世界能源展望》報(bào)告顯示,從現(xiàn)在到2030年,世界能源需求量將增加2/3。煤、石油、天然氣等常規(guī)能源由于儲(chǔ)量的有限性和不可再生性已不能滿足日益增長(zhǎng)的需要。1973年以來(lái),西方世界出現(xiàn)了能源危機(jī),石油供應(yīng)不足,油價(jià)猛漲,特別是那些靠進(jìn)口石油作為主要能源的國(guó)家,經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到很大的影響。因此當(dāng)今世界的能源問(wèn)題己變得十分尖銳。在這種情況下,必須重視可再生能源的利用和發(fā)展,于是,美國(guó)、西德、日本、法國(guó)等許多國(guó)家,都根據(jù)本國(guó)的情況,紛紛制訂了能源政策。為此所采取的各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)措施和政策措施,統(tǒng)稱(chēng)為“代用能源戰(zhàn)略”。在“代用能源戰(zhàn)略”中,除了煤和原子能外,太陽(yáng)能利用占據(jù)著突出地位。太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā),不僅在當(dāng)前有現(xiàn)實(shí)意義,而且具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。太陽(yáng)是一個(gè)巨大無(wú)比的能源,它輻射到達(dá)地球表面的能量高達(dá)4×1015MW,相當(dāng)于每年3.6x105億tce,約為全球能耗的2000倍。它既免費(fèi)使用,又不需運(yùn)輸,對(duì)環(huán)境也無(wú)任何污染。目前,人們?cè)趯?duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換、收集、儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用研究,正在取得顯著的進(jìn)展。太陽(yáng)能的利用主要是通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換3種途徑。1太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能熱利用的基本原理是用集熱器將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái),通過(guò)與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。目前使用最多的集熱器,主要有平板型集熱器、真空管集熱器、熱管式集熱器和聚焦型集熱器等4種。通常太陽(yáng)能熱利用可分為:低溫?zé)崂?、中溫?zé)崂煤透邷責(zé)崂?。低溫?zé)崂冒ㄗ詈?jiǎn)單的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸餾、供暖、太陽(yáng)熱水器。中溫?zé)崂糜锌照{(diào)制冷、制鹽以及其它工業(yè)用熱。高溫?zé)崂糜泻?jiǎn)單的聚焦型太陽(yáng)灶、焊接機(jī)和高溫爐。目前應(yīng)用最廣泛的是太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)制冷等。1.1新型集熱器材料的應(yīng)用太陽(yáng)能熱水器也稱(chēng)太陽(yáng)熱水裝置或太陽(yáng)熱水系統(tǒng)(或工程),但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是有區(qū)別的。按國(guó)標(biāo)GB/T18713和行標(biāo)NY/T513的規(guī)定,太陽(yáng)熱水器儲(chǔ)熱水箱的容水量在0.6t以下的稱(chēng)為家用太陽(yáng)熱水器,大于0.6t則稱(chēng)為太陽(yáng)熱水系統(tǒng)或太陽(yáng)熱水工程。太陽(yáng)能熱水器的關(guān)鍵技術(shù)在于集熱(集熱器)和保溫(貯熱水箱)。為了提高集熱器的性能,各研究所和廠家都積極依附先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)新型集熱器、加工工藝以及應(yīng)用于集熱器上的吸收和透過(guò)涂料等。如:(1)西安交通大學(xué)對(duì)窄縫高真空平面玻璃用于太陽(yáng)能集熱器蓋板的實(shí)驗(yàn)研究;(2)新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系的研究人員完成了以溫度為材料和冷劑特性變量的平板集熱器;(3)慕尼黑大學(xué)Scholkopt采用e-Beam電子束蒸發(fā)的方法在金屬條帶上連續(xù)沉積TiNO選擇性吸收涂層;(4)美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)R.Raman等人介紹了利用高分子聚碳酸酯材料應(yīng)用于集熱器蓋板;(5)美國(guó)雷諾金屬制品公司正在研究鋁板間的流道內(nèi)存熱聚酯薄膜防腐新工藝,可使吸熱板芯的成本降低1/4。此外還出現(xiàn)了蜂窩熱管平板式太陽(yáng)能集熱器;帶透明蜂窩蓋板和輔助反射面的整體式太陽(yáng)能集熱器;采用減反射低鐵玻璃生產(chǎn)高性能的平板集熱器;北京市太陽(yáng)能研究所研制了不銹鋼氮化物和不銹鋼碳化物耐氣候性涂層;將透明隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層,以減少熱量損失的技術(shù)等;貯熱水箱的保溫材料一般為用一氟三氯甲烷發(fā)泡劑制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料,目前對(duì)其材料組成及工藝的研究取得了很大成就。但由于F-11對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,現(xiàn)在對(duì)F-11替代物的研究很多,替代F-11的主要有141b、環(huán)戊烷、CO2等。1.2空調(diào)及空調(diào)技術(shù)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱裝置、熱驅(qū)動(dòng)制冷裝置和輔助熱源組成。其工作方式主要有2類(lèi):(1)先實(shí)現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換,再用電力驅(qū)動(dòng)常規(guī)壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷,這種方式原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn),但成本高,青島海爾就生產(chǎn)過(guò)這種太陽(yáng)能冰箱和空調(diào)。(2)利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的熱能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷,這種制冷方式技術(shù)要求高,但成本低、無(wú)噪音、無(wú)污染,現(xiàn)采用的主要是這種方式。目前,國(guó)內(nèi)外在太陽(yáng)能制冷與空調(diào)技術(shù)的實(shí)用化方面,都展開(kāi)了大規(guī)模的研究。歸納起來(lái),可以將目前的研究熱點(diǎn)分為4類(lèi):太陽(yáng)能壓縮式制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽(yáng)能吸收式制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽(yáng)能吸附式制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽(yáng)能?chē)娚涫街评渑c空調(diào)技術(shù)。其中太陽(yáng)能吸附式制冷與空調(diào)技術(shù)的研究最接近于實(shí)用化,而且已經(jīng)有了很多成功的實(shí)例。除了以上4類(lèi)主流研究外,目前還出現(xiàn)了一些新型的太陽(yáng)能制冷與空調(diào)系統(tǒng):(1)吸附、吸收與蒸汽噴射之間的混合系統(tǒng),它在吸收循環(huán)基礎(chǔ)上,增加吸附器和氣、液噴射器,打破了吸收循環(huán)的制約關(guān)系,使發(fā)生器濃度和吸收器濃度成為2個(gè)可以選擇的參量。此系統(tǒng)既保持單效吸收式制冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單的特點(diǎn),又彌補(bǔ)了噴射式制冷效率低的缺點(diǎn),同時(shí)還利用了吸附制冷和噴射制冷對(duì)太陽(yáng)能需求的時(shí)間差而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)制冷,并且對(duì)吸附熱的有效回收和制冷系數(shù)的提高有一定作用。(2)太陽(yáng)能毛細(xì)驅(qū)動(dòng)噴射式空調(diào)器,即太陽(yáng)能集熱器獲得的熱水通過(guò)發(fā)生器傳熱給液體工質(zhì),工質(zhì)吸熱后形成高壓蒸汽,通過(guò)噴射器中的噴嘴成為高速氣流,吸引來(lái)自蒸發(fā)段的蒸汽,混合后經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓到冷凝器,冷凝液一部分通過(guò)毛細(xì)作用流向發(fā)生器,一部分通過(guò)節(jié)流閥到蒸發(fā)器,工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱達(dá)到制冷效果。(3)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的1.X級(jí)溴化鋰吸收式循環(huán)制冷系統(tǒng),采用真空管太陽(yáng)能集熱器和無(wú)泵型1.X級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的技術(shù),得到了比單效、雙效循環(huán)更優(yōu)越的性能。此外,西班牙的MarceloIzquierdo也提出采用2級(jí)NH3一LiNO3吸收式制冷機(jī)與平板式集熱器來(lái)構(gòu)建一個(gè)太陽(yáng)能制冷系統(tǒng);上海交通大學(xué)的劉艷玲提出采用燃?xì)怆p效型溴化鋰制冷機(jī)和熱管型真空管集熱器的構(gòu)建;上海交大制冷與低溫工程研究所提出的太陽(yáng)能供熱與制冷聯(lián)合循環(huán)的復(fù)合機(jī)裝置,實(shí)現(xiàn)了白天產(chǎn)的熱水供應(yīng)夜間使用,而夜間的蓄冷供白天使用,提高了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的利用率;浙江大學(xué)的陳光明提出采用平板集熱器、單效吸收式循環(huán)和一個(gè)壓縮式循環(huán)構(gòu)成系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率較高、系統(tǒng)啟動(dòng)快速、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn);北京市太陽(yáng)能研究所于1999年9月在山東省乳山市建成一套我國(guó)目前最大的太陽(yáng)能吸收式空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)。2太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)水或其他工質(zhì)和裝置將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式,稱(chēng)為太陽(yáng)能發(fā)電。目前世界上現(xiàn)有的最有前途的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)大致可分為:槽形拋物面聚焦系統(tǒng)、中央接受器或太陽(yáng)塔聚焦系統(tǒng)和盤(pán)形拋物面聚焦系統(tǒng)。目前利用太陽(yáng)熱能進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電、供電有2種具有前景的方式。一種是太陽(yáng)能收集和傳送熱量與現(xiàn)代燃?xì)庋h(huán)電站相結(jié)合的ISCC(綜合太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán));另一種是太陽(yáng)能電站獨(dú)立運(yùn)行,即較多地使用存儲(chǔ)介質(zhì),在白天時(shí)存儲(chǔ)太陽(yáng)能,需要時(shí)再進(jìn)行釋放。美國(guó)是世界上太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)開(kāi)發(fā)較早的國(guó)家,太陽(yáng)能槽式發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)積累了10多a聯(lián)網(wǎng)營(yíng)運(yùn)的經(jīng)驗(yàn),1×104kW塔式和5~25kW盤(pán)式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)正處于示范階段。法國(guó)、西班牙、日本、意大利等國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用也有一定發(fā)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電最早用于缺電地區(qū),從80年代開(kāi)始,聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題得到很大重視。目前,在世界范圍內(nèi)已建成多個(gè)MW級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站,光伏發(fā)電總裝機(jī)容量約103MW。據(jù)國(guó)際綠色和平組織和歐洲太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè),全球的太陽(yáng)能電站總裝機(jī)容量將從目前的354MW達(dá)到2015年的5000MW,2020年達(dá)到21540MW,將減少15400萬(wàn)t的CO2排放,為全球提供20萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。我國(guó)雖然早在20世紀(jì)70年代末,就對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電開(kāi)展了應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作;在“八五”、“九五”和“十五”期間,原國(guó)家科委和現(xiàn)在的科技部,均將大型太陽(yáng)能熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃,并將盤(pán)式小型太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置的研制列入863計(jì)劃,但從總體上講,我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用尚未真正起步,尚無(wú)工業(yè)化的裝置,也無(wú)應(yīng)用實(shí)例。3光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)光發(fā)電是指無(wú)需通過(guò)熱過(guò)程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能級(jí)半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽(yáng)光輻射能,并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式,是當(dāng)今太陽(yáng)光發(fā)電的主流。目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)電池是單晶體硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池等。3.1高效晶硅材料單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。單晶硅高效電池的典型代表是斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池、新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池(PERL)以及德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所的局域化背場(chǎng)電池等。硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。此外,倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。如新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池和激光刻槽埋柵電池分別取到24.7%和19.6%的轉(zhuǎn)化率,日本Sanyo公司采用PECVD工藝開(kāi)發(fā)的HIT電池取得了21%的轉(zhuǎn)化率。3.2雙組分纖維電池技術(shù)多晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少,其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯(cuò)位的明顯缺陷,造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無(wú)法突破20%的關(guān)口,低于單晶硅電池。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室以往的最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。不過(guò)喬治亞(G~gia)工大光伏中心采用磷吸雜和雙層減反射膜技術(shù),使電池的效率達(dá)到18.6%;新南威爾士大學(xué)光伏中心采用類(lèi)似PERL電池技術(shù),使電池的效率達(dá)到19.8%;日本Kysera公司采用了PECVD—SiN技術(shù),起到鈍化和減反射雙重作用,加上表面織構(gòu)化和背場(chǎng)技術(shù),使15×15cm2大面積多晶硅電池效率達(dá)17.1%,此種電池技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),商業(yè)化電池效率在14%以上。最近德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)科研人員采用新技術(shù),在世界上率先使多晶硅太能電池的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到20.3%。如能在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模使用該新技術(shù),基于成本低廉的優(yōu)勢(shì),預(yù)計(jì)多晶硅電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。3.3雙結(jié)非晶硅電池由于受到原材料、加工工藝和制造過(guò)程的制約,若要再大幅度地降低單晶硅太陽(yáng)電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品,現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)電池。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽(yáng)電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、染料敏化TiO2太陽(yáng)電池等。具有代表性的產(chǎn)品主要有:(1)非晶硅(a—Si)太陽(yáng)電池,即硅和氫(約10%)的一種合金。最早提出非晶硅太陽(yáng)能電池思路的是美國(guó)RCA實(shí)驗(yàn)室的Carlson和Wronski提出的。2000年,我國(guó)將以雙結(jié)非晶硅電池為重點(diǎn)的硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目,使我國(guó)非晶硅電池的研究又進(jìn)入一個(gè)新階段。(2)CVD多晶硅薄膜及電池,即利用PECVD(等離子強(qiáng)化CVD),RTCVD(快速熱CVD),Hot—wireCVD(熱線CVD)等技術(shù)來(lái)生長(zhǎng)多晶硅薄膜。德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底,用RTCVD沉積多晶硅薄膜,硅膜經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后制備太陽(yáng)電池,兩種襯底的電池效率分別達(dá)到9.3%和11%。(3)CdTe和CIGS電池被認(rèn)為是未來(lái)實(shí)現(xiàn)低于1美分/W成本目標(biāo)的典型薄膜電池。從2003年11月公布的第21版的太陽(yáng)電池組件的轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù),可以看出由日本昭和殼牌石油公司開(kāi)發(fā)的CIGS太陽(yáng)電池組件,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13.4%,PacificSolar公司開(kāi)發(fā)的薄膜Si系薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了8.2%。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以同其他發(fā)電系統(tǒng)組成混合供電系統(tǒng),如風(fēng)-光混合系統(tǒng)、風(fēng)-光-油混合系統(tǒng)等。最有發(fā)展前景的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電通過(guò)并網(wǎng)逆變器饋入電網(wǎng)。實(shí)踐證明,聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站可以對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)末端的電壓穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和有效地消除電網(wǎng)雜波,應(yīng)用前景廣闊,是大規(guī)模利用太陽(yáng)能電池發(fā)電的發(fā)展方向。4積極開(kāi)發(fā)和推廣低能源及可再生資源21世紀(jì),人類(lèi)將面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn),在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點(diǎn)問(wèn)題。而能源問(wèn)題將更為突出,不僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的匾乏不足,更重要的是化石能源的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)了一系列問(wèn)題,如環(huán)境污染,溫室效應(yīng)都與化石燃料的燃燒有關(guān)。因此,人類(lèi)要解決上述能源問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,只