太陽能光熱應(yīng)用概述

文光彩 梁曉鐘 蔡國良 麥棟釗

摘 要：太陽能是如今人們發(fā)現(xiàn)的最好掌控和利用的可再生能源，將太陽能充分利用是如今保護環(huán)境、保護資源的重要途徑。本文主要針對太陽能光熱應(yīng)用進行了探究，并對太陽能轉(zhuǎn)電能的幾大主要系統(tǒng)及太陽能光熱應(yīng)用最廣的空調(diào)領(lǐng)域進行了相關(guān)闡述，最后分析了太陽能光電應(yīng)用未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：太陽能；光熱應(yīng)用；太陽能空調(diào)

中圖分類號：TK513 文獻標(biāo)識碼：A

環(huán)境污染及能源危機給人們敲響了警鐘，使人類意識到保護環(huán)境、節(jié)約能源的重要性，這也催生了人們對新能源的開發(fā)與利用。太陽能因其自身的特點而廣受世界各國的青睞，太陽能無污染可再生，若將太陽能好好利用，將會解決人類現(xiàn)在所面臨的難題。如何將太陽能更好地利用起來已成為當(dāng)今社會關(guān)注的焦點。以此為背景，太陽能被各行各業(yè)爭先引用，同時也進入了空調(diào)的領(lǐng)域。眾所周知，空調(diào)不僅耗電而且還污染環(huán)境，破壞臭氧層，若將太陽能技術(shù)與空調(diào)相結(jié)合，則必會是空調(diào)領(lǐng)域發(fā)展新的里程碑。

一、太陽能光熱類型

1 槽式太陽能系統(tǒng)

槽式太陽能系統(tǒng)是目前商業(yè)應(yīng)用最多的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其技術(shù)相對于其他太陽能發(fā)電系統(tǒng)較成熟。槽式太陽能系統(tǒng)的全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，該技術(shù)利用大面積的槽型反射鏡將太陽能聚焦在集熱管上，即線聚焦原理，通過太陽能對集熱管的不斷加熱使集熱管內(nèi)的傳熱工質(zhì)升溫，從而將水蒸發(fā)為水蒸氣，以此產(chǎn)生能量來使常規(guī)的汽輪機發(fā)電。槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的特點之一即聚光比高，聚光性能強。其聚光系統(tǒng)的聚光比通常情況下在10～100之間徘徊；若借助其他導(dǎo)熱流體來提高槽式太陽能聚光系統(tǒng)的性能，則其聚光比會大大提高，如以油為工質(zhì)，這時槽式太陽能聚光的熱度最高可達(dá)到400℃，若將導(dǎo)熱流體換為混合硝酸鹽，這時槽式太陽能聚光熱度最高可達(dá)550℃。很顯然，以混合硝酸鹽作為集熱管內(nèi)的工質(zhì)發(fā)電效率較高。槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要是以太陽能為發(fā)電的原動力的，這就決定了發(fā)電源動力的不確定性。因此，除一般的發(fā)電裝置以外，還要有必要的蓄熱系統(tǒng)或者可替代的燃料，以保證發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。槽式太陽能系統(tǒng)的高聚光比性能，使得其不僅僅應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)中，在非電空調(diào)應(yīng)用中，其作用也有所體現(xiàn)。利用槽式太陽能集熱系統(tǒng)加熱熱水，與吸收式制冷機組結(jié)合應(yīng)用，相比常規(guī)用電制冷機組而言，對節(jié)約能源、緩解電力有一定的好處。

2 塔式太陽能系統(tǒng)

塔式太陽能系統(tǒng)不同于槽式太陽能系統(tǒng)的工作原理，是以點聚焦為核心思想運行的。塔式太陽能系統(tǒng)主要由五個結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別是主控系統(tǒng)、接收器、發(fā)電系統(tǒng)、定日鏡群（可跟隨太陽隨時調(diào)整角度的球面鏡群）及蓄熱槽。塔式太陽能系統(tǒng)最顯著的特點即接收器設(shè)立在高塔之上，而高塔的位置由設(shè)立在地面的定日鏡群所決定。地面上的定日鏡群可將太陽光集中并射向高塔上的接收器，在使接收器中的傳熱介質(zhì)達(dá)到一定的溫度后，通過與地面相連的管道將熱能傳送至地面上的蒸汽發(fā)生器，從而產(chǎn)生大量蒸汽，為發(fā)電提供動力。塔式太陽能系統(tǒng)的聚光比通常是在300～1500，發(fā)電蒸汽運行溫度為500℃左右，其運行溫度更是高達(dá)1000℃～2000℃，相較于槽式太陽能聚光比更高，聚光性能更好。在塔式太陽能系統(tǒng)中，高塔之上的接收器起到了一個中樞的作用，因此接收器對于整個系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。

3 其他系統(tǒng)

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)即將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并利用熱能來發(fā)電。除了槽式太陽能系統(tǒng)和塔式太陽能系統(tǒng)外，還有碟式太陽能系統(tǒng)、線性菲涅耳反射器系統(tǒng)及平板太陽能集熱系統(tǒng)。

（1）碟式（盤式）太陽能系統(tǒng)屬于太陽能系統(tǒng)的始祖，被人類最先開發(fā)使用。碟式太陽能系統(tǒng)外形是由無數(shù)小鏡子構(gòu)成的拋物面，由此形成一個巨大的反光鏡，將太陽光反射至焦點處，這樣的聚光方式會聚集很強的太陽能，從而使聚光比高達(dá)3000以上，焦點處的溫度亦是高達(dá)1000℃，此時碟式太陽能系統(tǒng)的運行溫度通常在500℃～1500℃。因此，碟式太陽能系統(tǒng)具有非常高的熱機效率。碟式太陽能系統(tǒng)在不斷地發(fā)展中將方向轉(zhuǎn)向了開發(fā)單位功率質(zhì)量比更小的空間電源上。碟式太陽能系統(tǒng)與眾多光伏發(fā)電系統(tǒng)比較而言，具有設(shè)備運費低、發(fā)射質(zhì)量小及氣動阻力小等優(yōu)勢。碟式太陽能系統(tǒng)雖與槽式太陽能系統(tǒng)有些相似，但是兩者的熱點轉(zhuǎn)化裝置不同。碟式太陽能系統(tǒng)熱點轉(zhuǎn)化裝置一般都采用斯特林機作為原動機。斯特林機是由動力活塞與配器活塞組成的活塞式外燃機。將配氣活塞上下室的旁路連接在氣缸側(cè)壁位置，內(nèi)部的工質(zhì)在配器活塞中上下交替時則會充分利用這個旁路進行工作。

（2）最近隨著太陽能系統(tǒng)的不斷發(fā)展，線性菲涅爾反射器系統(tǒng)開始被人們越來越多的關(guān)注，逐漸發(fā)展起來。線性菲涅爾反射器系統(tǒng)是由早期的槽式發(fā)電系統(tǒng)不斷改進而來的，主要包括三部分，分別是反射鏡場、跟蹤裝置及接收裝置。其主反射場即是由無數(shù)平面鏡組成的平面鏡群，根據(jù)位置的不同排列成平面鏡陣列，平面鏡自身的轉(zhuǎn)動軸處在同一水平面中，跟蹤裝置可以將平面鏡群設(shè)定為繞著鏡軸轉(zhuǎn)動，以達(dá)到隨時緊跟太陽光的效果。平面鏡群將太陽光聚集，并向接收器投去，接收器在受到反射的光之后會對鋼管流動工質(zhì)加熱，從而將光能轉(zhuǎn)化為熱能。線性菲涅爾反射器系統(tǒng)的工作原理是摒棄傳統(tǒng)的拋物面鏡，利用菲涅爾結(jié)構(gòu)的聚光鏡來達(dá)到效果，該系統(tǒng)的集熱管可以將光二次反射，因此，此系統(tǒng)的聚光效率是一般系統(tǒng)的三倍以上，這可將不必要的建造費用省化，將建造成本直降50%。線性菲涅爾反射技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，距今已半個多世紀(jì)的發(fā)展歷程。雖然這項技術(shù)流傳已久，但并沒有引起人們對它的關(guān)注，在近十年左右才得以發(fā)展。菲涅爾聚焦方式發(fā)電圖如圖1所示。

（3）平板太陽能集熱系統(tǒng)是目前我國太陽能集熱器中使用最廣泛的技術(shù)，平板型太陽能集熱器的功能則是系統(tǒng)中吸收太陽輻射并將熱量傳遞給導(dǎo)熱工質(zhì)。該系統(tǒng)的工作原理是：太陽能將光線通過玻璃擋板照射在集熱板上，集熱板再將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給管道中的工質(zhì)，以此實現(xiàn)太陽能到熱能的轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)中置有保溫材料，可將熱能損耗降低到最小。

二、主要光熱技術(shù)經(jīng)濟性比較

在以上五種太陽能光熱技術(shù)中，如今被應(yīng)用最廣的則為槽式太陽能系統(tǒng)，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，槽式太陽能系統(tǒng)在世界上的應(yīng)用率高達(dá)90%，由此可見其在商業(yè)中所占的重要位置。槽式太陽能系統(tǒng)的跟蹤機構(gòu)較其他系統(tǒng)更為簡單，且目前槽式太陽能系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)是最成熟的太陽能光熱技術(shù)。因此，使用槽式太陽能系統(tǒng)更易實現(xiàn)，且成本更低。隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，槽式太陽能系統(tǒng)的建筑成本不斷下降，有望繼續(xù)下降，達(dá)到歷史新低。槽式太陽能系統(tǒng)并不是十全十美的，其在使用的過程中需要使用大量的水來冷卻蒸汽，若用空氣自然冷卻，則會使發(fā)電量減少8%，成本增加12%。因此，槽式太陽能系統(tǒng)不適宜那些缺水的地區(qū)使用。相較于槽式太陽能系統(tǒng)的需水量，碟式太陽能系統(tǒng)則更適合在干旱沙漠等地區(qū)使用。碟式太陽能系統(tǒng)發(fā)1kWh電只需1.2L水，與槽式太陽能系統(tǒng)相比更能夠適應(yīng)沙漠干旱地區(qū)水資源不足的情況，其光熱轉(zhuǎn)化率在四個系統(tǒng)之中亦是屬于最高的。雖然碟式太陽能系統(tǒng)優(yōu)越性非常強，但是其造價成本較高，系統(tǒng)也要相對復(fù)雜許多，因此，碟式太陽能系統(tǒng)不是非常適合大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，塔式太陽能系統(tǒng)的技術(shù)也在不斷革新改進，有更高的技術(shù)支持也就有了大幅度的降價空間，有很大的可能性會被大范圍的用于商業(yè)應(yīng)用，塔式太陽能系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿薮?。?jù)國際權(quán)威組織調(diào)查研究表明，在大規(guī)模發(fā)電方面，塔式太陽能系統(tǒng)將會是世界上所有太陽能光熱系統(tǒng)中最低成本的一種體系。并且根據(jù)如今塔式太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展，在過一段時間后，塔式太陽能發(fā)電的成本會更低，那時其競爭力會原來越強。

三、太陽能光熱在太陽能空調(diào)中的應(yīng)用實例

太陽能的光熱利用始于20世紀(jì)70年代，那時的研究方向還是側(cè)重在空調(diào)的自動制冷及供暖上，使用的技術(shù)是吸收、吸附式制冷。吸收式制冷技術(shù)的核心在于“吸收”二字，該技術(shù)的核心是吸收劑，利用吸收劑吸收及蒸發(fā)特性來實現(xiàn)空調(diào)的制冷功能，而吸收劑也各有不同，主要分為溴化鋰水吸收式制冷和氨水吸收式制冷。吸附式制冷技術(shù)則是以使用固體吸附劑為核心，固體吸附劑對制冷劑有吸附作用，使固體吸附劑吸附制冷劑可實現(xiàn)制冷的效果。最常用的制冷劑有兩類：活性炭甲醇吸附式及分子篩水式。應(yīng)注意的是，這里使用的固體吸附劑不含有氟利昂的成分，亦不會對臭氧層及環(huán)境造成破壞，這對空調(diào)的發(fā)展有著重要的意義。太陽能在空調(diào)方面的運用理論上有兩種實現(xiàn)方式：一是利用光與電之間的轉(zhuǎn)換，通過電力驅(qū)動使用常規(guī)壓縮式制冷機實現(xiàn)空調(diào)的制冷功能；二是利用太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能驅(qū)動制冷機進行制冷。就目前我國的太陽能技術(shù)發(fā)展實際來說，第一種方式屬于大功率的太陽能發(fā)電技術(shù)，其投資昂貴，實用性較低，不利于太陽能空調(diào)的普及，因此，利用熱能驅(qū)動制冷的空調(diào)技術(shù)成為我國主要使用的太陽能空調(diào)技術(shù)。本文以中高溫太陽能利用與溴化鋰制冷機組結(jié)合的制冷技術(shù)為例，分析中高溫太陽能在空調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用。中高溫?zé)嵩粗饕抢貌凼教柲芗療嵯到y(tǒng)取得，給溴化鋰制冷機組提供熱源。其工作原理如下：利用槽式太陽能集熱系統(tǒng)9進行加熱介質(zhì)儲存在水箱11內(nèi)，通過熱水泵10將中高溫的介質(zhì)傳輸至溴化鋰制冷機組1以驅(qū)動機組運行制冷，通過三通閥5的切換，將制冷機組產(chǎn)生的冷水由冷凍水泵3傳輸至空調(diào)末端12，制冷機組通過冷卻水泵2和冷卻塔4組成的冷卻系統(tǒng)進行冷卻，其中在溴化鋰機組設(shè)置單向閥，防止介質(zhì)回流，在槽式太陽能集熱系統(tǒng)及溴化鋰機組熱源管的進出口設(shè)置溫度計6和壓力計7，監(jiān)控系統(tǒng)運行參數(shù)。中高溫太陽能制冷系統(tǒng)循環(huán)圖如圖2所示。

四、未來太陽能光熱發(fā)展趨勢思考

隨著人們可持續(xù)發(fā)展的意識越來越強，人們開始致力于綠色能源及可再生能源的使用。太陽能作為可再生能源的重要組成部分，具有其得天獨厚的優(yōu)勢。太陽能的限制小，綠色無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的熱能轉(zhuǎn)換。太陽能光熱應(yīng)用能源提供穩(wěn)定，能源可再生，使用過程綠色無污染，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，是人們在未來將大規(guī)模使用的能源之一。太陽能光熱發(fā)展在將來必然朝著大容量、能源穩(wěn)定、高參數(shù)的方向發(fā)展，未來的研究工作將主要放在提高熱點轉(zhuǎn)換效率、提高聚光比及提高運行溫度上。因此，在未來要將科研精力主要放在高密度流下的傳熱、太陽能熱電轉(zhuǎn)換及高精度跟蹤控制系統(tǒng)上。從我國近幾年的實際情況來看，我國對可再生能源的開發(fā)與利用越來越重視，太陽能光熱技術(shù)也在我國得到了一定的發(fā)展，我國的各大理工高校和專家學(xué)者已經(jīng)開始對太陽能的光熱進行研究，并且取得了一定的成果?，F(xiàn)階段，我國的專家學(xué)者對四種太陽能光熱系統(tǒng)已有了較深層次的了解，并且掌握了槽式太陽能系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)即碟式系統(tǒng)的部分核心技術(shù)，在未來我國將會對太陽能光熱應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)有更深層次的發(fā)現(xiàn)。

結(jié)語

就我國目前的發(fā)展需要來看，能源是必不可缺的發(fā)展動力。研究發(fā)展太陽能光熱技術(shù)給我國的可持續(xù)發(fā)展道路奠定了基礎(chǔ)。本文針對太陽能光熱實際應(yīng)用對太陽能發(fā)電及太陽能空調(diào)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進行了探究，期望有更多的專家學(xué)者關(guān)注可持續(xù)發(fā)展，關(guān)注太陽能的使用。

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