太阳能利用技术

太阳能利用技术第1页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×l026W）的22亿分之一，但已高达1.73×1017

瓦，换句话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤。

由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1克质量将亏损0.0072克。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持100亿年。因此，太阳能可以说是用之不竭的。

太阳持续不断地向地球输送能量，随处可取，无须开采、运输。而且太阳能是一种洁净、无污染的能源，既不会对环境造成污染，也不会对生态平衡构成危害。

太阳能第2页，共47页，2023年，2月20日，星期六但是，太阳能能量密度低，且受昼夜、气候等自然条件限制。由于能量密度低，即使天气晴朗的中午，太阳垂直投射到地球表面每平方米上的能量最多约为1千瓦。因此，需要庞大的收集设备，投资多，占地面积大，且能量提供是间隙的，供应是非常不稳定的，需要储能装置。正是由于这些缺陷，给太阳能的利用技术、经济效益带来许多问题，要完善地利用太阳能还有许多工作需要做。专家们预测100年后，太阳能有望占到全球一次能源的70%。太阳能的利用主要有两大重点方向：一是把太阳能转化为热能，如太阳能供热水、供暖和制冷，太阳能干燥农副产品、药材和木材，太阳能淡化海水，太阳能热动力发电等。另一是将太阳能转化为电能（即光伏发电）。如，建在新江弯城体育中心的上海市第一套太阳能光伏发电系统，与建筑一体化，它采用的是新型的非晶硅技术，在正常光照下，发的电可以点亮500盏100瓦的电灯，能够基本满足该体育中心的照明用电。第3页，共47页，2023年，2月20日，星期六

太阳内部有“里三层”，从中心向外，依次是核反应区，这里是太阳热能产生的基地；辐射区，太阳能先通过这里传播出去；对流区，太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。太阳外部有“外三层”。依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球层厚约500km，温度为5762K，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。第4页，共47页，2023年，2月20日，星期六集热器是收集太阳能的主要装置，一般分为非聚光集热器和聚光集热器。非聚光集热器能利用太阳直射辐射和散射辐射。聚光集热器能将太阳光聚集在面积较小的集热面上，可以获得较高的温度，但只能利用太阳直射辐射，且需要跟踪太阳。非聚光集热器有平板利用太阳直射辐射、真空管利用太阳直射辐射等方式。典型的平板集热器见图3-2-1。它由集热板（吸收太阳能并加热集热介质）、透明盖板（减少集热板与环境间的对流核辐射换热，保护集热板避免外界侵害）、隔热层（防止集热器向周围散热）和外壳。

一、太阳能利用技术第5页，共47页，2023年，2月20日，星期六第6页，共47页，2023年，2月20日，星期六第7页，共47页，2023年，2月20日，星期六20世纪70年代研制成功的真空管集热器，其集热介质被封闭在高真空的玻璃管内，较之于平板集热器，热性能显著提高。我国已经形成拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业，产品质量达到世界水平，产量居世界之首。第8页，共47页，2023年，2月20日，星期六利用太阳能集热器，实现小区住宅建筑太阳能热水系统一体化，是构建生态住宅小区的重要组成部分。例如，某住宅小区共有坡顶住宅26栋，设计中选择了有足够集热面的22栋建筑，其屋面坡度为32°，在向南斜屋面上设置三排太阳能集热器凹槽，集热器镶嵌在凹槽内，构成一大块集热器，每2-3栋建筑构成一个供热水子系统，11个子系统组成一个大系统。这样的太阳能集中供热系统，由计算机控制运行。太阳能集热器采集的热量直接传递给水，获得热量的水传输到设置在泵房内的保温水箱。再通过电动泵将热水经由保温水管送至每个家庭。为安全起见，输出热水控制在60℃以下。考虑到阴天、雨天等不利气候的影响，系统采用双能源供热模式，即在水箱内的热水温度达不到要求的水温时，启动电辅助加热。第9页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能集中供热系统具有如下特点：便于将有限的资源更为合理分配利用。如住户分散安装，由于杂乱无序集热面有限、水量不足、气候影响而不能充分发挥太阳能资源的作用，集中供水可以大面积采热，全天候供热。通过控制中心可以为住户提供相对恒温、恒压的热水，使用更加方便。既节能又经济。据测算，相对于燃气热水器或电热水器供热水，集中式太阳能供热水更为经济。实现住宅建筑太阳能供热水系统一体化，既开发利用了可再生洁净能源，又美化了住宅小区的建设。第10页，共47页，2023年，2月20日，星期六为了更有效地利用太阳能必须提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质，跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与人射太阳辐射总是互相垂直的。

聚光集热器一般将太阳能转换为热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。20世纪80年代以来，欧洲一些国家相继建立起了不同形式的示范装置，促进了太阳能热力发电技术。现有的太阳能热力发电系统一般分为三类：抛物柱面槽式聚焦系统、碟式聚焦系统和塔式聚焦系统，分别见图3-2-3。塔式太阳能热力发电系统见图3-2-4：第11页，共47页，2023年，2月20日，星期六a）抛物柱面槽式聚焦系统

b）碟式聚焦系统

b）塔式聚焦系统

第12页，共47页，2023年，2月20日，星期六塔式聚焦太阳能热力发电系统

塔式太阳能热力发电系统由反射镜陈列、高塔、集热器、发电机组等构成，集热器置于塔顶。反射镜陈列由许多反射镜按一定规律排列而成。反射镜自动跟踪太阳，反射光能精确地投射到集热器的窗口。当阳光投射到集热器被吸收转变为热能后，加热盘管内的流动介质使其蒸发。一部分热量用来带动汽轮机发电机组发电，另一部分热量则被储存在蓄热器里，以备没有阳光时发电。

第13页，共47页，2023年，2月20日，星期六为了降低塔式太阳能热动力系统的投资，发展了一种太阳坑发电技术。它是在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温蒸汽。试验证实太阳坑发电的方案是可行的。由于其技术简单，成本低，有巨大的市场潜力。

另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为50千瓦的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。

第14页，共47页，2023年，2月20日，星期六第15页，共47页，2023年，2月20日，星期六第16页，共47页，2023年，2月20日，星期六第17页，共47页，2023年，2月20日，星期六第18页，共47页，2023年，2月20日，星期六第19页，共47页，2023年，2月20日，星期六第20页，共47页，2023年，2月20日，星期六第21页，共47页，2023年，2月20日，星期六如果将房屋当作一个集热器，通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖的目的。美国建筑专家发明一种太阳能墙：将建筑物的墙体外侧装一层薄薄的黑色打孔铝板，能吸收照射到墙体上太阳能的80%，被吸入铝板的空气经预热后，通过墙体内的泵抽到建筑物内，从而就能减少建筑物的耗能。另外，德国科学家发明两种采用光热调节的玻璃窗，一种是太阳能温度调节系统，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖气，然后把这种太阳能传递到墙和地板的空间储存，到了晚上再放出来。还有一种是自动调整进入房间的阳光，如变色太阳镜一样，根据房间设定的温度，窗玻璃或是变成透明或是变成不透明。

第22页，共47页，2023年，2月20日，星期六建筑能耗在能源消耗中的比例越来越大。因此，国内外对建筑节能非常重视。建筑节能是近年来世界建筑发展的一个基本趋向，也是当代建筑科学技术的一个新的生长点。我国将建筑节能也列入了“十一五“规划中。建筑节能有多种模式，太阳能房是其中之一。太阳能房可以分为被动式和主动式两大类。被动式太阳能房是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，夏天可以通过建筑结构的设计，阻止太阳的直射。而冬天可以通过室内围护结构材料、相变蓄热地板等吸收并贮存白天太阳的辐射热量，到了晚上，贮存的热量慢慢释放出来，减小了供暖能耗，见图3-3-5a主动式太阳能房是在被动式太阳能房的基础上，利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。将太阳能收集并贮存在蓄热装置中，可以保证一天24小时的取暖要求，温度可以调控，既舒适，又省能。

第23页，共47页，2023年，2月20日，星期六第24页，共47页，2023年，2月20日，星期六我国建筑总量约为400亿平方米，但其中只有2.3%达到建筑节能标准。公共建筑总量约45亿平方米，占全国建筑总量的10%以上，每年兴建2~3亿平方米，且几乎都是高耗能建筑。因此，如何有效地将太阳能利用引入建筑采暖、制冷等设计中是非常有意义的。另外，我国是太阳灶的最大生产国。太阳灶利用太阳的辐射，直接将太阳的辐射转换为供人们炊事使用的热能。每个太阳灶每年可节约300千克标准煤。第25页，共47页，2023年，2月20日，星期六在建筑节能中存在着一种表面化现象。即简单地以能耗费用作为节能标志。只看建筑运行的一次能耗形式，不考虑这种能耗形式在制造、以及转换过程的总能耗。譬如，冰蓄冷技术。不仅在它的设备制造中材料提炼、加工需要能耗，在其运行中由电到冰、由冰到冷的能量转换过程中都存在着能耗。因而，表面的舒缓高峰电力和电费开支的多少，并不意味着资源消耗的节省。

第26页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能利用是建筑节能的必然趋势

目前，全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右。因此，建筑应该是主要的节能领域。

节能，就是探讨如何最大限度地减少能量浪费。从使用能源的目的和方式进行划分，节能可以分成直接节能，广义节能和潜在节能三种类型。

直接节能，指的是减少不合理的需求来节约能耗。例如，白天关路灯，风管少漏风，下雨不浇花。一句话，直接节能就是根本不应该消耗的能源坚决不消耗。

广义节能，则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率，从而减少应该耗费的那部分能源的消耗。例如，空气热回收设备的利用，保温墙体材料的应用，光照度的合理调控，生活用水的“二次利用”等。

潜在节能，是把能够利用的能源尽可能地利用起来。例如，美国有些建筑利用公共走廊地毯下安装的踏板，将人体走路时的重力作用带动发电机的中心轴，解决走廊等的照明。在可以预期的将来，潜在节能将有极大的发展。

第27页，共47页，2023年，2月20日，星期六光合作用：在多种酶的催化下，绿色植物吸收太阳的光能，把CO2和H2O合成有机物，同时释放氧气的过程。太阳能光电化学电池太阳能光伏电池

。2.2太阳能光利用技术第28页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能光电化学电池：利用N型二氧化钛半导体电极为阳极，以铂作阴极，制成的太阳能光电化学电池，在太阳光照射下，阴极产生氢气，阳极产生氧气，两电极用导线连接便有电流通过。既实现制氢、有可获得电能，但制氢效率非常低（0.4%），且只能吸收太阳光中的紫外线和近紫外线，电极容易受腐蚀，性能不稳定。以光电化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。第29页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能光伏电池的工作原理是：当太阳光照射到一种称为“P－N结”的半导体上时，其中一部分被表面反射，其余部分被半导体吸收或透过。波长极短的光很容易被半导体内部吸收。被吸收的光子有一些转变成热能，另一些光子则与半导体原子中的“阶电子”碰撞，使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。图3-2-5为太阳能电池结构原理图。太阳能光伏电池第30页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能光伏发电系统可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要。太阳能光伏发电系统可原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗。由于太阳能发电板阵列一般安装在屋顶及墙面上直接吸收太阳能，因此太阳能光伏发电系统同时降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑的空调负荷，降低了空调的能耗。

太阳能光伏发电系统的各种彩色光伏组件，可以取代和节约昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境；太阳能光伏发电系统正是在白天用电高峰期供电，从而舒缓高峰电力需求，这对于高峰电力紧张地区及无电少电地区更为重要。配备蓄电池后，太阳能光伏发电系统除了确保自身用电外，还能够满足安全用电设施的不断电要求。

太阳能光伏发电第31页，共47页，2023年，2月20日，星期六我国政府十分重视太阳能的综合开发与利用。先后将太阳能列入新能源和可再生能源技术发展的研究开发与利用战略重点。早在1999年国家有关部门就将开发高效率、低成本的太阳能集热、光伏技术列为优先发展的高技术产业化重点领域,我国2020年的太阳能光电总容量将达到300Mw。

我国从80年代开始实验被动太阳能的热利用。然而，被动太阳能利用只是简单地直接转换为生活用水的加温，停留在低水平应用层。它与智能化系统也没有发生什么关系。而太阳能发电技术这个典型的主动型潜在节能，将会对智能化系统提出更高、更深的技术要求，要求智能化系统深化与供能设备、发电设备的系统集成，保证整个建筑内电力的调配和平衡。第32页，共47页，2023年，2月20日，星期六

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池，以无机盐（如硫化镉、砷化镓、铜铟硒等多元化合物）为材料的太阳能电池，液结太阳能电池，聚光太阳能电池等。作为制作太阳能电池的半导体材料来说，要求性能稳定、光电转换效率高、对环境无污染、便于生产等。目前来说硅是最理想的太阳能电池材料。硅系列太阳能电池中，单晶硅（纯度为99.99%）太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。目前，单晶硅太阳能电池光电转换效率已经到20%左右。于单晶硅太阳能电池的工艺不断得到提高，使得硅材料成本比重相对增加。单晶硅从开采、运输、制作等一系列过程成本很大，因此，作为太阳能电池生产厂家希望在不降低光电转换效率的前提下，寻找单晶硅的替代材料。多晶硅以及硫化镉、砷化镓等多元化合物均是比较适用的替代材料。其中，多晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%，其电性能和机械性能都与单晶硅太阳能电池基本相似，而生产成本低于单晶硅太阳能电池。20世纪80年代开始，德国、美国、日本等先后投入工业化生产多晶硅太阳能电池，并降低单晶硅太阳能电池的产量。另外，砷化镓太阳能电池的光电转换效率达到25%以上

第33页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，既可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机、太阳能电话亭都相继问世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况，人类都期待这一天的到来第34页，共47页，2023年，2月20日，星期六上海市最大规模的非晶硅太阳能发电系统在江湾城体育中心发电，该系统安置在体育中心的屋顶，所发的电可点亮500盏100瓦电灯，下图中工人正在保养非晶硅板的表面。

第35页，共47页，2023年，2月20日，星期六首都博物馆新馆的建筑条件

北京市位于北纬36度56分，东经116度20分地区。全年日照2,662小时，平均标准日照时间为4-5小时。理论上每平方米日照面积可达1,000W能量，属太阳能资源丰富地区。

首博新馆作为北京的标志性建筑物，是市政府奥运工程配套项目中的重点工程。为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，配合北京2008年奥运会，突出“绿色北京、绿色奥运”理念，努力创造绿色、环保、节能城市整体形象，首都博物馆新馆建设工程业主委员会在市领导和有关部门的支持下，决定在首博新馆建筑屋顶安装太阳能光伏发电装置，使首博新馆建设成集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆，具体而形象地表现太阳能资源利用，起到“可持续发展”的教育示范作用。

首博新馆屋顶设计为平顶挑檐结构，有利于太阳能发电板的布置与安装。根据屋顶平面部分设计，安装太阳能发电板的面积5,000平方米强、峰值发电量达300kW。在中国已经建造的太阳能光伏发电工程中，单体建筑发电量居第一，达到了国际先进水平。第36页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能光伏系统的工程风险

建筑是建筑技术与艺术的结晶，在建筑中应用高新技术必须服从建筑的整体设计理念。首博新馆不是为建设太阳能系统盖一个建筑，而原来首都博物馆新馆建设任务书中并没有提出安装太阳能系统的要求。目前的建筑设计和结构设计也没有考虑屋面上再架设太阳能电池板的结构与荷载、根本没有设计安装太阳能电池板的支架接点。从建筑外观、造型的角度，也不希望在屋面上再加出一层太阳能屋面。因此，太阳能光伏发电系统的结构形式必须服从首博新馆建筑的整体设计理念、符合首博新馆屋顶结构设计等各种条件要求。而且太阳能光伏发电系统的安装不能破坏首博新馆建筑造型，不能破坏装饰性屋面轻盈、通透的艺术风格。

第37页，共47页，2023年，2月20日，星期六太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是最大的工程风险。如何解决太阳能光伏发电板在屋面安装时对屋面负荷、造型的影响等问题，一直是建设首博太阳能光伏发电系统的核心问题。工程要保证能够成功地满足功能要求，不能够出事故。尤其不能够出重大事故。一旦刮下一片太阳能玻璃板就会酿成大祸，甚至出人命！

太阳能工程必须保证建筑物的安全，太阳能系统不仅仅要保证自身系统的安全可靠，同时要确保建筑的安全可靠。必须考虑安装条件和安装方式、安装强度。包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷的影响问题，包括太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等工程应用问题。

以往的太阳能组件安装需要采用平架或者斜撑架安装方式，这种安装方式不仅会破坏建筑物的完整性和建筑外观造型，而且对屋面防水存在不利影响。特别是需要承受屋面空气层流所产生的很大的风力。第38页，共47页，2023年，2月20日，星期六综合上述因素，首都博物馆新馆采用了非晶体柔性太阳能发电板、以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式。这样既不会影响建筑造型，也不需要对屋面结构进行重新计算和加固。特别重要的是，以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式不再存在太阳能发电板和屋面之间的空气腔，从根本上解决了空气层流作用的发生。

另外，在建筑天棚上嵌装太阳能光伏发电板时，一般都需要考虑天棚屋顶会否产生漏水问题。直接粘贴方式从根本上杜绝了渗漏问题。

常见的以玻璃为基板的太阳能光伏发电板则还有一个玻璃破碎问题。即在极端的气候条件下，常常会有玻璃破碎情况发生。直接粘贴的非晶体柔性太阳能发电板以不锈钢为基板，不会因为冰雹等自然灾害发生破碎。

当然，采用粘结方式，对粘合剂的性能和粘贴工艺需要特别注意。如果粘贴当时的屋面自然气温过高或者过低，都会影响到粘贴的牢固度。而且，所用的粘结剂必须能够经受得住自然气候的变化。不因为四季变化、日晒和积雪积雨而影响粘结度。第39页，共47页，2023年，2月20日，星期六

太阳能光伏发电系统为子孙后代提供了可持续发展的空间，世界上许多国家（如欧洲国家、美国、日本等）都在积极倡导太阳能光伏发电。但是，正象所有的生产都需要考虑投入产出一样，任何新型能源形式的采用都会有一个消耗多少能量、产出多少能量的比率问题。太阳能光伏发电系统在生产制造过程中，无论是发电板相关的硅晶体、钢材或玻璃的冶炼，以及其他相关逆变器等各种零部件的生产加工，都需要消耗一定能量。全地球的能源是一个大系统。这些预先消耗的能量，宇建成以后产出的能量之比，是值得考虑的大问题。例如，目前有一些晶体太阳能光伏发电系统的技术水平很低级，生产中消耗的电能需要产出的太阳能板发电19年才能够补偿。而它的实际运行生存周期不到20年！而某个非晶体太阳能光伏发电系统只需要发电7年就能够补偿生产建设过程的能耗。可见，即使是采用新型可持续发展能源，仍然应该考虑产能技术问题。

第40页，共47页，2023年，2月20日，星期六最近，丹麦科学家开发出一种新型的塑料太阳能电池，其成本只有硅太阳能电池成本的2%左右，但使用寿命比硅太阳能电池短得多，且转换效率只有0.2~5%。

液结太阳能电池是一种光电、光化的复杂转换装置。其原理是将一种半导体电极插入某种电解液中，在太阳光照射的作用下，电极产生电流，同时从电解液中释放出氢气。液结太阳能电池预示着太阳能利用的广阔前景，不仅可以通过光电转换利用太阳能，还能从光化学反应中获得新的能源——氢气。第41页，共47页，2023年，2月20日，星期六聚光太阳能电池也是降低太阳能利用成本的一种技术措施，见图3-2-8。通过聚光器将阳光会聚在一个较小的范围内，形成焦斑，将太阳能电池置于这种焦斑上，以增强光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能。如聚光集热器一样，聚光太阳能电池的聚光器也需要太阳旋转跟踪装置。第42页，共47页，2023年，2月20日，星期六第43页，共47页，2023年，2月20日，星期六统计资料显示，世界太阳能电池发电从1998年的154.9兆瓦增加到2003年的742.28兆瓦，年平均增长率为36.8%。2004年，全球的太阳能电池组件产量是7年前的10倍。如今，美国、德国、日本等国家，太阳能电池都已经实现了并网发电，数以千计的办公楼、实验室和数以万计的居民，在享用着稳定可靠、无污染、无噪音、无任何废料排出的太阳能电力。

第44页，共47页，2023年，2月20