太陽能光熱應用概述

文光彩 梁曉鐘 蔡國良 麥棟釗

摘 要：太陽能是如今人們發現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境、保護資源的重要途徑。本文主要針對太陽能光熱應用進行了探究，并對太陽能轉電能的幾大主要系統及太陽能光熱應用最廣的空調領域進行了相關闡述，最后分析了太陽能光電應用未來的發展趨勢。

關鍵詞：太陽能；光熱應用；太陽能空調

中圖分類號：TK513 文獻標識碼：A

環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境、節約能源的重要性，這也催生了人們對新能源的開發與利用。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，將會解決人類現在所面臨的難題。如何將太陽能更好地利用起來已成為當今社會關注的焦點。以此為背景，太陽能被各行各業爭先引用，同時也進入了空調的領域。眾所周知，空調不僅耗電而且還污染環境，破壞臭氧層，若將太陽能技術與空調相結合，則必會是空調領域發展新的里程碑。

一、太陽能光熱類型

1 槽式太陽能系統

槽式太陽能系統是目前商業應用最多的太陽能發電系統，其技術相對于其他太陽能發電系統較成熟。槽式太陽能系統的全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統，該技術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的傳熱工質升溫，從而將水蒸發為水蒸氣，以此產生能量來使常規的汽輪機發電。槽式太陽能發電系統的特點之一即聚光比高，聚光性能強。其聚光系統的聚光比通常情況下在10～100之間徘徊；若借助其他導熱流體來提高槽式太陽能聚光系統的性能，則其聚光比會大大提高，如以油為工質，這時槽式太陽能聚光的熱度最高可達到400℃，若將導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550℃。很顯然，以混合硝酸鹽作為集熱管內的工質發電效率較高。槽式太陽能發電系統主要是以太陽能為發電的原動力的，這就決定了發電源動力的不確定性。因此，除一般的發電裝置以外，還要有必要的蓄熱系統或者可替代的燃料，以保證發電系統的正常運行。槽式太陽能系統的高聚光比性能，使得其不僅僅應用在發電系統中，在非電空調應用中，其作用也有所體現。利用槽式太陽能集熱系統加熱熱水，與吸收式制冷機組結合應用，相比常規用電制冷機組而言，對節約能源、緩解電力有一定的好處。

2 塔式太陽能系統

塔式太陽能系統不同于槽式太陽能系統的工作原理，是以點聚焦為核心思想運行的。塔式太陽能系統主要由五個結構構成，分別是主控系統、接收器、發電系統、定日鏡群（可跟隨太陽隨時調整角度的球面鏡群）及蓄熱槽。塔式太陽能系統最顯著的特點即接收器設立在高塔之上，而高塔的位置由設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達到一定的溫度后，通過與地面相連的管道將熱能傳送至地面上的蒸汽發生器，從而產生大量蒸汽，為發電提供動力。塔式太陽能系統的聚光比通常是在300～1500，發電蒸汽運行溫度為500℃左右，其運行溫度更是高達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來說是至關重要的。

3 其他系統

太陽能光熱發電系統即將太陽能轉化為熱能，并利用熱能來發電。除了槽式太陽能系統和塔式太陽能系統外，還有碟式太陽能系統、線性菲涅耳反射器系統及平板太陽能集熱系統。

（1）碟式（盤式）太陽能系統屬于太陽能系統的始祖，被人類最先開發使用。碟式太陽能系統外形是由無數小鏡子構成的拋物面，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3000以上，焦點處的溫度亦是高達1000℃，此時碟式太陽能系統的運行溫度通常在500℃～1500℃。因此，碟式太陽能系統具有非常高的熱機效率。碟式太陽能系統在不斷地發展中將方向轉向了開發單位功率質量比更小的空間電源上。碟式太陽能系統與眾多光伏發電系統比較而言，具有設備運費低、發射質量小及氣動阻力小等優勢。碟式太陽能系統雖與槽式太陽能系統有些相似，但是兩者的熱點轉化裝置不同。碟式太陽能系統熱點轉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壁位置，內部的工質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的不斷發展，線性菲涅爾反射器系統開始被人們越來越多的關注，逐漸發展起來。線性菲涅爾反射器系統是由早期的槽式發電系統不斷改進而來的，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平面鏡組成的平面鏡群，根據位置的不同排列成平面鏡陣列，平面鏡自身的轉動軸處在同一水平面中，跟蹤裝置可以將平面鏡群設定為繞著鏡軸轉動，以達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加熱，從而將光能轉化為熱能。線性菲涅爾反射器系統的工作原理是摒棄傳統的拋物面鏡，利用菲涅爾結構的聚光鏡來達到效果，該系統的集熱管可以將光二次反射，因此，此系統的聚光效率是一般系統的三倍以上，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出現在20世紀60年代，距今已半個多世紀的發展歷程。雖然這項技術流傳已久，但并沒有引起人們對它的關注，在近十年左右才得以發展。菲涅爾聚焦方式發電圖如圖1所示。

（3）平板太陽能集熱系統是目前我國太陽能集熱器中使用最廣泛的技術，平板型太陽能集熱器的功能則是系統中吸收太陽輻射并將熱量傳遞給導熱工質。該系統的工作原理是：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化為熱能傳遞給管道中的工質，以此實現太陽能到熱能的轉化。系統中置有保溫材料，可將熱能損耗降低到最小。

二、主要光熱技術經濟性比較

在以上五種太陽能光熱技術中，如今被應用最廣的則為槽式太陽能系統，據有關部門統計，槽式太陽能系統在世界上的應用率高達90%，由此可見其在商業中所占的重要位置。槽式太陽能系統的跟蹤機構較其他系統更為簡單，且目前槽式太陽能系統的相關技術是最成熟的太陽能光熱技術。因此，使用槽式太陽能系統更易實現，且成本更低。隨著技術的不斷完善和發展，槽式太陽能系統的建筑成本不斷下降，有望繼續下降，達到歷史新低。槽式太陽能系統并不是十全十美的，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，則會使發電量減少8%，成本增加12%。因此，槽式太陽能系統不適宜那些缺水的地區使用。相較于槽式太陽能系統的需水量，碟式太陽能系統則更適合在干旱沙漠等地區使用。碟式太陽能系統發1kWh電只需1.2L水，與槽式太陽能系統相比更能夠適應沙漠干旱地區水資源不足的情況，其光熱轉化率在四個系統之中亦是屬于最高的。雖然碟式太陽能系統優越性非常強，但是其造價成本較高，系統也要相對復雜許多，因此，碟式太陽能系統不是非常適合大規模商業化應用。隨著技術的不斷發展，塔式太陽能系統的技術也在不斷革新改進，有更高的技術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應用，塔式太陽能系統的發展潛力巨大。據國際權威組織調查研究表明，在大規模發電方面，塔式太陽能系統將會是世界上所有太陽能光熱系統中最低成本的一種體系。并且根據如今塔式太陽能技術的不斷發展，在過一段時間后，塔式太陽能發電的成本會更低，那時其競爭力會原來越強。

三、太陽能光熱在太陽能空調中的應用實例

太陽能的光熱利用始于20世紀70年代，那時的研究方向還是側重在空調的自動制冷及供暖上，使用的技術是吸收、吸附式制冷。吸收式制冷技術的核心在于“吸收”二字，該技術的核心是吸收劑，利用吸收劑吸收及蒸發特性來實現空調的制冷功能，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境造成破壞，這對空調的發展有著重要的意義。太陽能在空調方面的運用理論上有兩種實現方式：一是利用光與電之間的轉換，通過電力驅動使用常規壓縮式制冷機實現空調的制冷功能；二是利用太陽能，將太陽能轉化為熱能驅動制冷機進行制冷。就目前我國的太陽能技術發展實際來說，第一種方式屬于大功率的太陽能發電技術，其投資昂貴，實用性較低，不利于太陽能空調的普及，因此，利用熱能驅動制冷的空調技術成為我國主要使用的太陽能空調技術。本文以中高溫太陽能利用與溴化鋰制冷機組結合的制冷技術為例，分析中高溫太陽能在空調技術中的應用。中高溫熱源主要是利用槽式太陽能集熱系統取得，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9進行加熱介質儲存在水箱11內，通過熱水泵10將中高溫的介質傳輸至溴化鋰制冷機組1以驅動機組運行制冷，通過三通閥5的切換，將制冷機組產生的冷水由冷凍水泵3傳輸至空調末端12，制冷機組通過冷卻水泵2和冷卻塔4組成的冷卻系統進行冷卻，其中在溴化鋰機組設置單向閥，防止介質回流，在槽式太陽能集熱系統及溴化鋰機組熱源管的進出口設置溫度計6和壓力計7，監控系統運行參數。中高溫太陽能制冷系統循環圖如圖2所示。

四、未來太陽能光熱發展趨勢思考

隨著人們可持續發展的意識越來越強，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勢。太陽能的限制小，綠色無污染，能夠實現大容量的熱能轉換。太陽能光熱應用能源提供穩定，能源可再生，使用過程綠色無污染，不產生任何有害物質，是人們在未來將大規模使用的能源之一。太陽能光熱發展在將來必然朝著大容量、能源穩定、高參數的方向發展，未來的研究工作將主要放在提高熱點轉換效率、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、太陽能熱電轉換及高精度跟蹤控制系統上。從我國近幾年的實際情況來看，我國對可再生能源的開發與利用越來越重視，太陽能光熱技術也在我國得到了一定的發展，我國的各大理工高校和專家學者已經開始對太陽能的光熱進行研究，并且取得了一定的成果。現階段，我國的專家學者對四種太陽能光熱系統已有了較深層次的了解，并且掌握了槽式太陽能系統、塔式系統即碟式系統的部分核心技術，在未來我國將會對太陽能光熱應用領域相關技術有更深層次的發現。

結語

就我國目前的發展需要來看，能源是必不可缺的發展動力。研究發展太陽能光熱技術給我國的可持續發展道路奠定了基礎。本文針對太陽能光熱實際應用對太陽能發電及太陽能空調相關技術的發展進行了探究，期望有更多的專家學者關注可持續發展，關注太陽能的使用。

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