太阳能资源的开发利用及应用docx太阳能资源的开发利用及应用 0 中国新能源产业的发展趋势 作为一种可再生的新能源，太阳能具有清洁、环保、可持续性、可持续、长期等优点。已成为应对能源短缺、气候变化和节能减少的重要选择之一。这种大规模使用可以有效地减少对石化能源的依赖，并对其发展前景做出重要评价。美国、欧盟和日本将太阳能等可再生能源作为2030年以后能源供应安全的重点,如美国的“百万屋顶计划”,德国的“千顶计划”与日本的“朝日七年计划”等。中国在《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中,也将新能源作为七大战略性新兴产业之一,未来将重点发展核电、风电、太阳能和生物质能四大产业。从该规划和相关政策的导向来看,中国“十二五”期间新能源产业将呈现出核电和风电平稳发展,太阳能和生物质能迅猛发展的趋势。 联合国环境规划署2008年全球可持续能源投资趋势报告显示,受高油价等因素影响,2007年全球新能源领域的投资比2006年猛增60%,达到1484亿美元,其中太阳能投资增速最快,增幅为254%,为286亿美元。2009年,哥本哈根世界气候大会增强了人们对环境问题的危机感,使低碳经济与民用太阳能发电再次成为焦点。在世界能源结构转换中,太阳能也处于突出位置。被誉为“世界太阳能之父”的诺贝尔环境奖获得者马丁·格林指出,目前光伏太阳能在全世界能源结构中的比重只占0.02%,在未来20年,很可能提升到25%。美国的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究表明,太阳能在21世纪初进入了一个快速发展阶段,并在2050年左右达到30%,仅次于核能,21世纪末将取代核能跃居首位。因此,太阳能的大力开发和利用将成为未来能源利用的主流。 1 太阳能资源的优势和不足 1.1 太阳辐射特性 与常规能源相比,太阳能资源的优点主要有: 1)储量丰富。每年到达地球表面的太阳辐射能约为130亿t标准煤,约为目前全球耗能总和的2×104倍。 2)长久性。太阳辐射源源不断供给地球,按目前太阳产生的核能速率估算,氢储量可维持上百亿年,而地球寿命约为几十亿年,所以,太阳能对人类来说是取之不尽的。 3)普遍性。相对于其他能源来说,太阳辐射能分布在地球上大部分地区,可就地取用,对解决偏远地区的供能问题有极大的优越性。 4)洁净安全。太阳能素有“洁净能源”和“安全能源”之称。太阳能几乎不产生任何污染,远比常规能源清洁,也远比核能安全。 5)经济性。太阳能的长期发电成本低,是21世纪最清洁、最廉价的能源。 1.2 太阳辐射能的特性 太阳能资源虽然具有常规能源无法比拟的优点,但也存在着固有的缺点和问题: 1)分散性。虽然到达地球表面的太阳辐射能的总量很大,但能流密度却很低,地面处的能流密度仅约为0.5kW/m2。 2)间断性和不稳定性。太阳辐射能不仅有随昼夜、季节、纬度和海拔等因素的规律性变化,还有受天气影响的随机性变化。 3)效率低和成本高。虽然目前太阳能利用在某些方面理论上可行,技术也相对成熟,但其设备运行效率较低且成本偏高,所以经济性仍不能与常规能源相抗衡。 2 中国太阳能资源年总量及区域划分 中国太阳能资源分布有如下特点:太阳能的高、低值中心都处在北纬22°~35°一带,高值中心在青藏高原,低值中心在四川盆地;西部年辐射总量高于东部,且除、新疆外,基本上北部高于南部;因南方多数地区云雾雨多,在北纬30°~40°地区,太阳能随纬度增加而增长,与一般的太阳能随纬度变化的规律相反。全国各地太阳年辐射总量达3350~8370MJ/(m2·a),太阳年辐射平均值为5860MJ/(m2·a)。按太阳能年辐射总量的大小,中国大致划分为五类地区,如表1。 根据太阳能资源年总量的大小,可将全国划分为资源丰富带、资源较富带、资源一般带及资源贫乏带等四个带。由于太阳能资源受到气候环境条件的制约,其分布具有明显的地域性,但大部分地区仍有很大的可利用性。 3 世界能源构成变化的预测及方法学分析 单晶硅电池与选择性太阳吸收涂层两项技术的突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志,也是人类能源利用技术又一次变革的基础。目前世界能源结构向高效、清洁、低碳或无碳的天然气、核能、太阳能、风能等方向转变,预计在2050年替换化石能源。欧洲联合研究中心对全球能源构成变化的预测见图1。从图1中可知,2030年后,光伏及太阳热能发电将得到快速发展,至2050年将约占世界能源消费结构30%的比例,逐步取代传统能源。 表2为世界知名城市太阳能利用技术。对比东京、巴黎和伦敦等太阳能利用较好的城市,国内部分地区也多停留在对太阳能热水器的应用,而其他太阳能技术应用涉及较少。 不同的太阳能利用方式,其原理也不尽相同,各具特点和适用范围。表3是不同太阳能利用方式的性能、应用范围等方面的比较。由表3可见,太阳能热利用的效率最低约为30%,最高可达80%;但太阳能照明和光伏发电的平均效率均未超过30%,且初投资都较高,还会造成严重的环境污染。相对而言,太阳能热利用技术更为成熟,更具优势。 3.1 太阳能热泵供热 太阳能热水器是把太阳能转化为热能并对水进行加热的装置,与燃气热水器、电热水器并称三大热水器。其结构简单、成本低、易推广,目前已是一个成熟的行业。太阳能热水器在中国也得到了广泛应用。2000~2010年的10年间,中国仅太阳能热水器累计节约11295万t标煤,折合累计减排365.19万t SO2、164.15万t NOx、282.36万t烟尘、24246.6万t CO2温室气体,节能减排取得了显著效果。中国太阳能热水器的户用比例约为8.7%,与日本的20%和以色列的90%相差甚远,市场仍需大力开发。 3.2 太阳能在农村地区的应用现状和趋势 太阳房概念与建筑结合形成了“太阳能建筑”技术领域,可节约75%~90%的能耗,具有良好的环境和经济效益。欧洲在太阳房技术和应用方面,特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面引领世界。中国太阳房开发利用始于20世纪80年代初,主要分布在河北、内蒙古、甘肃和等的农村地区。目前还存在以下问题:1)太阳房的设计与建筑并未真正结合成为建筑师的设计理念,没有相应的建筑规范和标准,制约了其发展进度;2)透光隔热材料、带涂层的控光玻璃和节能窗等相关技术还未实现商业化,也使太阳房应用受限。 直接利用太阳能供暖、制冷、采光系统的太阳能建筑模式也越来越普及,但多采用主动式太阳房,即阳光充足时不用其他动力,直接采暖,阴天或夜间启动辅助系统来保证室内有较稳定温度。图2是将太阳能集热装置和建筑构造完美结合的主、被动式太阳房,具有良好的节能效果和发展前景。被动式太阳房已开始由群体建筑向住宅小区发展,如甘肃临夏建成占地9.8万m2、建筑面积9.2万m2的太阳能小区等。目前,由于成本高,太阳能在制冷与空调上的应用仍处于示范阶段,但对于缺电地区,与建筑结合起来考虑,仍有很大市场潜力[16~19]。Diaconu对低温能量存储的太阳能辅助空调系统进行了能量分析。 3.3 太阳能热发电系统 太阳能热发电是利用集热器将太阳能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。世界上现有太阳能热发电系统大致分为槽式系统、塔式系统和碟式系统三类。 1)槽式系统。利用槽式聚光镜将太阳光反射到镜面焦点处的集热管上,并将管内工质加热,产生高温蒸汽,驱动常规汽轮机发电。目前,槽式太阳能发电是商业化进展最快的技术之一,全球应用较广。从1985年开始,美国在加州Mojave沙漠上先后建成9个发电装置,总容量354MW。美国能源部2010年2月向美国Bright Source Energy公司提供13.7亿美元,2013年将全面启动在Mojave沙漠建设400MW太阳能发电系统“Ivanpah”。 2)塔式系统。利用一组独立跟踪太阳的定日镜,将太阳光聚集到中心接受高塔上,加热工质进而发电。1996年美国第二座太阳塔Solar Two的发电运行,加速了30~200MW的塔式太阳能热发电系统的商业化进程。以色列Weizmanm科学研究所对塔式系统进行改进后使系统总发电效率达25%~28%。 3)碟式系统。利用旋转抛物面反射镜将太阳光聚焦到焦点处放置的斯特林发电装置。其光学效率为三类系统中最高、启动损失小。美国热发电计划开发了25k W的碟式发电系统,适用于大规模的离网和并网应用,并于1997年开始运行。2010年中国科学院理化技术研究所研制了1k W碟式太阳能行波热声发电系统,利用碟式集热器收集太阳辐射热,通过高温热管换热器将热量传输到行波热声发动机热端,再驱动直线MPa下,以氦气为工质,加热温度为798℃时,输出电力255W,初步证实了系统的可行性。2011年浙江华仪康迪斯太阳能科技有限公司自主研发的国内首台10k W碟式太阳能聚光发电机系统样机投入试运行,填补了中国在太阳能聚光发电方面的空白。 截至2010年8月,全球太阳能光热发电站装机容量已建94.07万k W,在建215.44万k W,拟建1747.11万k W。国际能源署(IEA)和欧洲太阳能热发电协会(ESTIF)预测,2015年全球光热发电装机容量将达到1200万k W,2020年3000万k W,2025年6000万k W。图3为西班牙建造的太阳能高塔电站,其包括高塔、蓄热罐和涡轮发电机组等,于2011年7月完成试运行,成为世界首个全天候供电的商业化太阳能电站。与槽式聚光技术相比,该系统能产生更多的高温蒸汽,从而使发电效率大幅度提升。与晶硅太阳能发电系统相比,其特点在于储能更容易,可实现24h不间断发电。此外,该系统能与传统涡轮发电机电站实现无缝结合,改造成本较低。澳大利亚一座规模庞大的太阳能高塔塔高1000m,底部集热区直径达7000m,装机容量达到200MW,可供20万户家庭使用。就太阳能资源来说,干旱的荒漠地区往往储量更为丰富,云汽量很少,晴天比例高,可大力发展尤其是太阳能高塔这样的全天候发电站。 太阳能烟囱是非聚光型太阳能热发电的一种发电方式。该系统主要由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮发电机组3部分所构成。其原理是利用太阳能集热器热棚加热空气及烟囱产生上曳气流效应,驱动空气涡轮发电机发电。Pasumarthi N等证明了太阳能烟囱发电技术的可行性,提出一种评估热气流温度对电力输出影响的数学模型,并研究了烟囱高度、集热棚半径对热气流温度和速度的影响。自日本福岛核危机爆发后,全球反核能声音再起,可再生能源更加受到重视。2011年澳洲一家能源公司筹资7.5亿美元在美国西南部建一个高约800m的烟囱型太阳能塔,其高度仅次于全球最高楼———迪拜哈利发塔(约828m),预计2015年初竣工,可供20万户使用,也是全球首座以烟囱吸收太阳能的设施。 3.4 光伏发电前景广阔 太阳能光伏发电是利用太阳电池将太阳能直接转变为电能。光伏发电系统主要由光伏电池板、和逆变器3大部分组成。2007年全球光伏组件及系统新增装机容量2249MW,同比增长40.74%。截至2010年底,全球光伏发电装机容量达到3952.9万k W,欧洲光伏产业协会(EPIA)预测到2015年全球光伏发电装机容量将达到1.31~1.96亿k W。中国光伏设备产能仅次于日本和德国,居全球第三,但90%以上销往国外,呈现出产业与市场倒挂现象。2007年以来,中国光伏产业呈现爆发式增长,2008年太阳电池产量占世界产量的31%,居世界首位。根据中国《可再生能源中长期发展规划》,到2020年中国光伏发电累计装机将达1.8GW,到2050年达到600GW。 中国学者对比了几种太阳能光伏发电方案,并研究了光伏发电系统孤岛运行状态时的故障特性。美国国家可再生能源实验室研究表明采用太阳能涂料(硅墨水)技术的太阳电池可将18%的太阳能转换为电能。英国南安普敦大学的研究人员模拟植物的光合作用制出的光伏装置,可更高效地将光能转换为电能。此外,格伦桑能源科技有限公司(Green Sun)也研制出一种包含各种色彩的太阳电池板,不用直接对准太阳也能收集太阳能。 3.5 太阳能热解甲醇法 太阳能光化学转换是将太阳光能转换为化学能。生物质能也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式,直接或间接地来源于植物的光合作用。地球上每年经光合作用产物所蕴含的能量相当于全世界能耗总量的10~20倍,但目前利用率不到3%。为研究中低温太阳能品位提升的能量转化机理,金红光等研制了5k W太阳能热化学反应实验装置,并进行了太阳能热解甲醇的实验。 图4为太阳能甲烷裂解制氢的原理图。甲烷气体先经换热器预热后和一部分再循环氢气进入位于吸热塔顶部的吸收/反应器,反应器接收定日镜场反射的太阳能,使甲烷发生裂解制氢反应。该装置的优点在于制取高纯度氢气的同时,获得了易储存的固体碳,且无CO2排放,进一步提高了太阳能的品位,为太阳能的存储和运输提供了可能性。麻省理工大学Daniel Nocera教授利用太阳光分解水,产生多功能、易储存的氢燃料,并创立公司为“水分解”和太阳能存储技术进行商业推广。 3.6 煤气灶与炉 太阳灶是利用太阳辐射能,直接转换成供人们炊事使用的热能,以代替一般炉灶,是一种很有前景的太阳能应用技术。无需燃料、无污染,正常使用时比蜂窝煤炉还要快、与煤气灶速度基本一致。中国是太阳灶的最大生产国,主要应用在甘肃、青海、等边远地区,每个太阳灶每年可节约300k标煤。 4 国内外太阳能的开发 4.1 影响经济发展的重要因素 尽管经济不景气,美国太阳能利用技术仍在快速发展。至2010年底,美国光伏发电装机容量为252.8万k W,EPIA预测到2015年将达到2200~3150万k W。美国建筑用能约占全国总能耗的40%,对经济发展形成了一定的制约作用。为减少能耗,降低污染,调整能源结构,实现环境的可持续发展,美国对太阳能的利用技术及应用作了积极的探索,其中“百万太阳能屋顶计划”正是一项由政府倡导、发展的中长期计划。最近,美国科学家把目光投向了太空,设想通过向太空发射带有能量收集装置的卫星,安装在巨型卫星上的太阳电池板可收集太空能量,并将其转换为微波传回地球,再转为直流电,从而提供“廉价、清洁、安全、可靠、可持续”的新能源。同时利用太阳能进行海水脱盐的研究也得到了一定关注[30~32]。 4.2 在建筑领域的应用 中国高度重视可再生能源发展,1983~1987年先后从美国、加拿大等国引进77条太阳电池生产线,并制定了一系列支持可再生能源产业发展的政策。在“光明工程”和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下,中国光伏发电产业迅猛发展。太阳电池主要应用于边远偏僻的无电地区,年发电量约1.1MW。家用光伏电源在青海、新疆、以及辽宁、河北、四川等地广泛应用。中国太阳能热水器产业化体系已较完整,2009年“太阳能热水器下乡”标志着国家认可该项技术,2010年国内太阳能热水器年产4900万m2,约占世界年产量的80%168体育app下载。但从建筑房屋的安装率来说,以色列已达90%,澳大利亚为30%,日本为20%,而中国仅为8.7%,仍需不断推广与应用。陈子乾等利用太阳能为海水淡化装置提供热能。崔映红等对太阳能与燃煤耦合发电的性能进行了研究,提出几种太阳能与燃煤机组集成发电方案。 中国也重视太阳能建筑的发展。中国的第一幢被动式太阳房是1977年在甘肃省民勤县建成的由直接受益窗和集热墙两种形式结合而成的组合式太阳房。中国首座全太阳能建筑已在北京建成,占地8000m2,主体建筑室内的、供热、供电等所有能源均来自太阳能。2011年3月,住建部、财政部发布的《关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知》中明确指出,到2020年实现可再生能源在建筑领域消费比例占建筑能耗的15%以上。中国科学院已启动实施太阳能行动计划,以2050年太阳能作为重要能源为远景目标,并确定了三个阶段目标:2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年规模利用。因此,中国的太阳能技术及应用必将迅猛发展。 4.3 光伏发电系统 日本因能源稀缺,多年来一直注重太阳能等新能源的开发,通过推行可再生能源配额法和实行强补贴等政策,日本已成为世界光伏发电的先导,近年来日本居民光伏屋顶系统年增长率高达96.7%。2003年日本光伏发电装机容量为88.7万k W,2010年为362.2万k W,预计2020年将达到2800万k W,2050年达到5300万k W。日本政府耗资数百亿美元的空间太阳能系统计划,推测到2030年,将在宇宙中收集太阳能,然后以微波或激光束的形式传回地球。 4.4 发电行业分布 德国光伏发电处于领先地位,占据了超过全球1/3的太阳能光伏发电装机容量,成为世界太阳能应用第一大国。2007年,德国太阳能发电已占整个发电行业的14.2%。至2010年底,德国光伏发电装机容量已达到1719.3万k W,2020年将至5100万k W。目前德国已形成完善的光伏产业链,制造了全球约25%的太阳电池板和40%的太阳能转换整流器。在光热发电方面,成立了德国航天航空研究中心太阳能实验室,短期目标是技术支持欧洲第一座光热电站项目的开发,中期致力于降低光热电站的成本,长期目标是研究以化学方式储存太阳能。 4.5 太阳能电站投运 2009年法国已成为世界第七大太阳能发电国。2008年,世界上第一座能“追踪”太阳的太阳能电站在法国马帝亚克小城正式投运,其光电接收转换装置的面积达3500m2,转换效率提高了20%~40%。法国国家实用技术研究所研发了一种可供太阳能热水器使用的建筑外墙玻璃,符合建筑节能要求,综合成本低于普通太阳能热水器。 4.6 班牙太阳能供热 西班牙在太阳能发电领域位居世界前列,是全球增长最快的光伏国家之一,2010年底光伏发电装机容量为378.4万k W,预计2020年将达到870万k W。西班牙不仅拥有先进的光伏电池和太阳能板制造基地,还拥有换流器及太阳能发电设备部件的生产基地。西班牙光热发电技术也处于全球领先地位,至2010年8月,已建光热电站装机容量为48.24万k W,在建164.30万k W,拟建108.01万k W。西班牙强制安装太阳能热水器政策经历了从地方法令到国家法令阶段。1999年,巴塞罗那实行太阳能城市法令,显著的效果使欧洲众多城市纷纷效仿。2004年实施“皇家太阳能计划”,2006年颁布法令要求所有新建房屋必须安装太阳能热水器。 4.7 哈萨克斯坦太阳能发电规模和安装规定 由于日照充足、太阳能资源丰富,以色列高度重视太阳能利用技术研究与开发,同时也重视国际间的密切合作。以色列南部内盖夫沙漠中在建的占地1000英亩、发电功率50万k W的世界最大的太阳能发电厂,一期发电能力将达10万k W,2012年完工时达到50万k W,发电量约占全国电力生产的5%。以色列于1980年颁布强制安装太阳能热水器的法令,也是实施强制法令最早的国家。目前以色列住宅楼太阳能集热器安装率超过90%。 4.8 太阳能和热风利用技术 印度作为世界上最大的太阳电池模板制造国之一,光伏太阳能利用总容量约29MW,2009年制定了耗资700亿美元的国家太阳能计划,预计2013年达成1300MWp装机目标,2017年再新增10GWp,2022年前达到20GWp。丹麦自1987年以来,太阳能加热装置数量逐年递增。意大利开展了使建筑物日光照明最佳化的研究,如改进控制系统,调节自然和人工光源,改进窗和遮光装置的性能和效率等措施。澳大利亚拟计划投资14亿澳元(合10.5亿美元)建全球最大太阳能发电厂,应对全球气温上升问题,预计2015年建成。南太平洋的所罗门群岛安装了世界上第一台太阳能自动提款机。 5 太阳能利用的发展前景 在当前常规能源日趋枯竭、环境日趋恶化的背景下,太阳能技术的开发及应用无疑具有重大战略意义。近几年在全球变暖、哥本哈根会议、低碳经济等的推动下,使得太阳能等新能源的开发利用备受关注。为应对全球气候变化,中国政府已承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放要比2005年下降40%~45%,新能源约占一次能源消费比重的15%。纵观世界及中国对太阳能的开发和利用,为促进太阳能产业的高效发展,应从以下几方面采取相应措施: 1)太阳能热利用技术相对更为成熟,应以太阳能热利用为主,光伏为辅的策略推广太阳能利用市场。适度降低太阳能热水器、太阳灶、太阳能空调、太阳能路灯等太阳能产品的价格,不断开发新产品,实现产业升级换代,并促进太阳能与建筑的结合。 2)加大科技投入与攻关,培养研发人才,围绕太阳能利用关键技术、绿色生产工艺、系统集成技术等重要问题层层攻关,形成具有自主知识产权的太阳能利用核心技术,增强竞争力。 3)大力发展中、低温太阳能集热器,努力研发高温太阳能集热器;促进太阳能能源的综合梯级利用,提升太阳能能源品位;加强太阳能和能源系统互补的综合利用研究。 4)健全太阳能资源利用相关法规,加强可再生能源领域的国际合作。从国外经验来看,太阳能行业的发展离不开政策支持,特别是在发展初期政府提供的法律约束、电价补贴、财政资助等保障措施和激励政策,极大推动了其规模化发展。作为发展中国家,我国太阳能利用行业总体还处于起步阶段,而太阳能发电成本也远远高于传统方式发电的成本,市场竞争力弱,且能源消费总量将进一步增加。因此,为实现可再生能源发展和节能减排目标,我国必须加快开发利用太阳能等新能源技术,学习和借鉴国外的成功经验,强化中国可再生能源法规及制度体系,促进太阳能利用行业的发展。 5)加快太阳能相关产业链的发展。太阳能产业的发展必然会涉及到电网、建筑、物管等相关产业。目前我国缺乏太阳能产业与其相关产业的统筹安排与规划,相关产业链发展滞后,导致我国虽然有强大的生产能力,但约有90%的产品却只能销售到国外市场,急需尽快引导相关产业链的形成,拓宽国内市场,使太阳能真正成为中国重要的新能源之一。

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