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[原创]太阳能热利用简介
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| 1.1 太阳能 太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大能量。太阳内部的热核反应足以维持6×1010a，相对于人类历史的有限年代而言，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。地面上的太阳辐射能随着时间、地理纬度、气候变化，实际可利用量较低，但可利用资源仍远远大于满足现在人类全部能耗。地球上太阳能资源一般以全年总辐射量[kJ/（m2?a）]和全年日照总时数表示。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。 1.2 太阳能的利用方式 太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。还可以通过光合作用植物可以将太阳能转换成生物质能，等等。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。 第二章 太阳能集热器 2.1 概述 太阳能集热器是把太阳辐射能转换为热能的主要部件。根据集热方式和工作温度不同，一般分为聚焦式和非聚焦式两类。 图2-1 太阳集热器的分类 2.2 非聚焦集热器 非聚焦集热器主要用于太阳能热水器，集热技术已经很成熟，目前主要的工作在与建筑相结合上。太阳能热水器是太阳能热利用技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。1998年世界太阳能热水器的总保有量约5400万m2。按照人均使用太阳能热水器面积，塞浦路斯和以色列居世界首位，分别为1m2/人和0.7m2/人。日本有20％的家庭使用太阳能热水器，以色列有80％的家庭使用太阳能热水器。 我国二十多年来，太阳能热水器得到了快速发展和推广应用。70年代后期开始开发家用热水器。目前全国有500多个热水器生产厂家，1998年的产量约400万m2，总安装量约1400万m2，产量占世界第一位。我国太阳能热水器平均每平方米每年可节约100～150公斤标准煤。80年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。清华大学开发的全玻璃真空管集热器结构简单，类似拉长的暖水瓶，内管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。全玻璃真空管集热器已经实现了产业化，目前全国有60多个全玻璃真空管集热器生产厂，年产3百多万只真空管。 在非聚焦式中，主要有闷晒式集热器、平板式集热器和真空管式集热器等。闷晒式集热器是最简单的集热器，工作温度低，成本低廉。闷晒式集热器和平板式集热器热损失大，难以达到80℃以上的工作温度，只适合于低温太阳能产品（如热水器）；真空管式集热器热损小，最高可以达到120℃。 2.2.1 平板集热器 一块金属片，涂以黑色，置于阳光下，以吸收太阳辐射而使其温度升高。金属片内有流道，使流体通过并带走热量。并在板的背后衬垫隔热保温材料，在其阳面上加上玻璃罩盖，以减少板对环境的散热。这就是平板型集热器的基本工作原理。 图2-2 平板集热器 2.2.2 真空管集热器 虽然采用了选择性吸收表面，但平板集热器热损系数还很大，这就限制了平板集热器在较高的工作温度下获取的有用收益。只有在真空条件下才能充分发挥选择性吸收涂层的低发射率及降低热损的作用。在内玻璃外表面，利用真空镀膜机沉积选择性吸收膜，再把内管与外管之间抽真空，这样就大大减少对流、辐射与传导造成的热损，使总热损降到最低，这就是真空集热管的基本思路。 图2-3 真空管集热器 2.3 聚焦集热器 聚焦集热器利用光学系统－反射器或折射器增加能量吸收表面上的太阳辐射强度。对于一给定的总能量，在该表面上更高的能流意味着更小的集热面积，并对应地减少热损失。所以，聚焦集热器可以达到中、高温度下工作。虽然减少了热损失，但又产生两种额外的损失：大多数聚焦集热器只能收集直射辐射，散射辐射损失掉了；还有额外的光学损失。所以在具体应用上，聚焦集热器必须选择安装在太阳直射辐射资源比较丰富的地区。相对于非聚焦集热器，聚焦集热器都需要跟踪机构，所以控制复杂，成本较高，如果大规模应用，成本将大幅度下降。 聚焦集热器的形式很多，目前技术比较成熟的主要有槽式聚焦系统、塔式系统和碟式系统。 2.3.1 槽式系统 方程x2=4fy的抛物线绕y轴旋转，即可得到一个旋转抛物面，面上的反射可将平行的如射光线聚焦在焦点上，f为抛物面焦点至端点之间的距离，亦称焦距。在晴天，使抛物面的轴线对准太阳，并把集热管放在焦点处，只要抛物面反射镜的面积足够，利用聚焦阳光所得的高温，即可进行太阳能集热。 从1984年到1991年，以色列LUZ公司（SOLEL公司前身）在美国南加州建造了9套电量共计354mW的太阳能发电系统，简称SEGS 。SEGSⅨ集热效率为54％，热油温度390℃。随着技术不断发展，系统效率由起初的11.5％ 提高到13.6％。建造费用由5976美元/kW降低到3011美元/kW，发电成本由26.3美分/kWh降低到12美分/kWh。槽式线聚焦系统是目前最成熟的聚焦集热器系统，美国决定再建2000MW槽式太阳能发电站。 图2-4 槽式系统 2.3.2 塔式系统 塔式系统主要用于太阳能发电，它是通过将太阳辐射聚焦到至于一高塔上的接受器上实现的。塔式系统运用几百或几千个反射镜（又称定日镜）将太阳辐射反射到接收器上。塔式系统发电规模较大，一般在30～400MW之间比较合理，集热效率70％左右，传热介质为熔化盐，工作温度560℃。塔式系统每一块定日镜都是一个单独的二维跟踪机构，系统复杂，成本高（塔式发电站3600$/kW左右）。 80年代初，美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置－Solar One。起初，太阳塔采用水－蒸汽系统，发电功率为10MW。1992年，Solar One经过改装，用于示范熔盐接收器和储热系统。由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高达65%。熔盐在接收器内由288℃加热到565℃，然后用于发电。第二座太阳塔Solar Two于1996年开始发电，计划试运行三年，然后进行评估。Solar Two发电的实践不仅证明熔盐技术的正确性，而且将进一步加速30-200MW范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。 以色列Weizmanm科学研究所最近正在对塔式系统进行改进。利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光反射到固定在塔的顶部的初级反射镜——抛物镜上，然后由初级反射镜将阳光向 下反射到位于它下面的次级反射镜——复合抛物聚光器（CPC），最后由CPC将阳光聚焦在其底部的接收器上。通过接收器的气体被加热到1200℃，推动一台汽轮发电机组，500℃左右的排气再用于推动另一台汽轮发电机组，从而使系统的总发电效率可达到25-28%。由于次级反射镜接收到很强的反射辐射能，因而CPC必须进行水冷。整个实验仍处于安装、调试阶段。 图2-5 塔式系统 2.3.3 碟式系统 碟式发电系统光学效率高，启动损失小，它是目前太阳能发电效率最高的系统，发电效率达到30％，输出效率达22％（扣除跟踪机构耗电量）。抛物面反射镜/斯特林发电机系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到750℃左右，驱动发电机进行发电。碟式发电系统成本高达5700$/kW。 美国热发电计划与Cummins公司合作，1991年开始开发商用的7kW碟式/斯特林发电系统。1996年Cummins向电力部门和工业用户交付7台碟式发电系统，计划1997年生产25台以 上。Cummins预计10年后年生产超过1000台。该种系统适用于边远地区独立电站。美国热发电计划还同时开发25kW的碟式发电系统。25kW是经济规模，因此成本更加低廉，而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996年年在电力部门进行实验，1997年开始运行。目前对碟式系统研究得比较多。 图2-6 碟式系统 2.4 内聚焦真空集热管 内聚焦真空集热管是一种特殊的真空集热管，由于玻璃管内有反射面，它可以比普通真空集热管在更高的温度下工作。它的反射面也是一种特殊的反射面，称为复合抛物面即CPC。这种反射面虽然聚焦比不高，但是却可以将来自不同方向进入反射面的太阳辐射反射聚焦到吸热管上，所以也可以利用散射辐射，适合在直射辐射较低的地区使用。 图2-7 内聚焦集热管 200℃下内聚焦集热管具有较高的集热效率，而且不需要跟踪阳光，安装方便，系统简单。虽然进入反射面的太阳能辐射都可以被利用，但是反射面的开口有限，所以内聚焦集热管每天正常工作的时间不超过6个小时，时间利用系数并不高。 如右图所示，以色列SOLEL公司生产的VAC2005/2008（长度不同）是目前最成熟的内聚焦集热管，在工作温度165℃时，集热效率达60％。成本为4000￥/kW左右. |