太阳能新时代:即将迎来大规模应用

2021-11-24 11:04:54, 路绍琰,吴丹等



中国太阳能资源条件良好,拥有发展太阳能利用产业的自然优势,但技术亟待发展,推广应用潜力巨大。

本文在对中国太阳能的资源条件和产业特点分析的基础上,研究了太阳能光热、光伏发电的关键技术、核心装备和市场现状,指出了太阳能建筑一体化、多能互补等将是太阳能利用技术发展的未来趋势。

中国正在从太阳能利用的出产和消费大国向创造强国迈进,太阳能光热设备的产量多年来保持世界第一,光伏电池中的多晶硅材料已实现了大幅度的国产化和规模化,光伏发电已具备大规模应用的市场条件。

随着一系列优惠政策的颁布和实施,中国太阳能利用产业的健康发展得到了有效保障和积极推动,已形成良好的投资机制

光热利用技术


太阳能光热利用现状

中国太阳能热水器的年产量和保有量处于世界前列,但人均太阳能集热面积仍小于太阳能技术先进国家。

中国农村地区太阳能光热利用技术得到了普及和推广,太阳能热水器的使用量已超过城市。

然而,农村地区所使用的太阳能集热技术仍较为落后,光热收集和转换效率不高,产品质量参差不齐。

部分厂商为了追求价格低廉,产品性能参数不符合相关国家标准的规定,其安全性、可靠性、耐久性无法保证,产品质量和技术水平有待提高。

太阳能低温集热技术

集热器是太阳能热水系统中的核心部件,主要包括真空管式和平板式。

太阳能热水系统集热器

玻璃真空管式集热器技术成熟度高,市场价格相对较高,耐压能力一般小于0.1 MPa,单位采光面积相对较少,设备可靠性较差,容易出现漏水、破碎、爆管等现象,但传热损失小,热能利用率高,在冬季具有较好的抗冻性能。

平板型集热器的运行压力可在0.6MPa以上,单位采光面积相对较大,设备可靠性高,构件模块化程度高,但热损失较大,在冬季抗冻性能较差,市场价格相对较低。

目前,玻璃真空管集热器占据了中国太阳能热水器市场的主导地位,而平板型集热器非常适宜作太阳能建筑一体化的功能建材,在发达国家已得到广泛采用。

国内生产平板型集热器的厂商也在逐渐增多,太阳能集热器“南板北管”的格局正在形成。

低温集热也可以通过太阳池实现。太阳池是一个垂直深度方向含盐量具有一定梯度的盐水池,底部浓盐水吸可以收并集热储存太阳的可见光和紫外线部分辐射能量,中国对太阳池技术的研究起步较晚,目前主要处于实验室研发阶段

太阳能中高温集热技术

提高太阳能光热利用效率和经济性的根本途径在于提高太阳能的集热温度

太阳能中高温集热用于发电的太阳能利用效率与光伏发电系统相近,且在相同发电规模下占地面积更少,产生的热能更便于储存管理,可保证电站输出功率更平稳输电品质更高

此外,中高温集热发电后的余热还可在冬季期用于居民供暖,进一步提高综合效率和经济性

太阳能中高温集热器

太阳能中高温集热技术关键在于设计和制造高效可靠的集热器,目前普遍采用槽式集热器蝶式集热器塔式集热器以及菲尼尔透镜聚光集热器

技术难点集中在:


集热器表面的吸热涂层

中高温集热器要选用对光谱选择性好的耐高温吸热涂层材料,以保持对不同波长光波的高吸收率低发射率,同时在高温下有良好的热稳定性,基体材质一般选用不锈钢、碳钢等金属材料

对于基体表面的加工处理涂覆工艺都需进行严格控制,以保证涂层厚度均匀,吸热面温度一致。


集热金属管与真空玻璃间的密封连接

集热金属管与真空玻璃管间的密封连接是保障设备可靠运行的关键。

在密封连接时需要严格保证波形膨胀节在高温下的强度和刚度能与玻璃管相匹配,并解决内外管工作时因温差而引起的失效问题。

此外,集热管连接处的机械性能必须满足循环工质的工况参数,保证工作运行的可靠性。

中高温真空集热管

光伏发电技术


太阳能光伏发电技术现状

国内光伏产业在迅猛发展,但仍面临诸多挑战。

光伏组件的原材料(晶硅)的生产属于高能耗和高污染的工业项目。

中国光伏产业处于明显的产能过剩状态,光伏发电产品主要依靠欧美市场,但近期光伏产品的需求增速减缓,国内市场一时难以消化富余的产能,光伏企业的生存环境正在不断恶化。

光伏发电系统的输出功率不稳定,大规模储电技术尚未成熟,对电网的安全运行造成了一定影响,目前主要以分布式系统为主,就地消纳所发的电能,发展规模受到极大限制。

太阳能光伏/光热一体化技术

光伏转换效率通常会随着温度的上升而下降,为提高转化效率,降低电池板的受热温度,将空气或液态工质对电池板进行循环冷却,实现在光伏电池输出电能的同时对外供给热能,即太阳能光伏/光热一体化(PV-T)

该技术可以提高光伏电池的转化效率,且可以利用电池板收集的热能,提高太阳能的综合利用效率,减少系统的占地面积,降低成本。

太阳能光伏/光热一体化技术

在无冷却方式运行时,太阳能电池板温度可达40~60℃,通过冷却后电池板温度可下降约20℃,且保持发电效率10%~13%、集热效率55%~65%、太阳能综合利用效率在70%以上。

该技术还可通过调整光伏电池片的覆盖密度改变PV-T输出的热电比例,进一步提高系统运行的经济性

目前PV-T的生产成本还较高,但随着集成制造技术的发展和生产规模的扩大,光伏/光热一体化技术将成为太阳能利用产业发展的又一动力因素

太阳能利用技术发展趋势


太阳能建筑一体化

太阳能光热、光电转换构件均已实现模块化,且可与储能设备分离运行,因此采光部件与建筑的结合方式也更加灵活多样,可将太阳能组件完全融入到建筑体系中,并与周围环境和谐统一。

太阳能建筑一体化

中国太阳能建筑一体化技术还处于起步阶段,还需开展深度设计,不断补充和完善相关的设计标准和施工规程,在建筑设计时充分考虑太阳能部件的最佳安装运行参数支撑结构安全性,以及屋面防水、保温、排水、避雷等各项措施,真正将太阳能系统与建筑整体统一协调

太阳能海水淡化

利用太阳能进行海水或苦咸水淡化的能量的方式有:利用太阳能产生热能以驱动海水相变过程蒸馏(可分为直接法和间接法);利用太阳能发电以驱动膜淡化过程。

国内在海南省乐东县自主建造完成了首个太阳能光热海水淡化商业示范工程项目,该系统可充分发挥菲涅尔透镜太阳能集热和多效蒸馏海水淡化各自的技术优势,提高了太阳能海水淡化系统的稳定性和经济性,为太阳能光热海水淡化装备技术的产业化应用奠定了基础,将为沿海地区及海岛利用开发提供用水保障

线性菲涅尔式集热的多效蒸馏海水淡化系统

铝是一种比较廉价的替代金属,Zhu等通过在三维多孔氧化铝模板中,自组装铝纳米颗粒制备出等离子激元铝黑体材料,实现了高达96%的吸收比91%的光热转换效率

Zhou等开发了一套2级的太阳能膜蒸馏系统实现高效水分收集和优化,能够实现更好的产水速率和更高的淡水回收效果,且分开蒸汽冷凝面和吸光涂层面。

多能互补与微能网

通过将太阳能与其他形式能源配合使用,可实现各能源间的空间分布、时间季节及能源品味的互补,确保系统稳定地供应用户所需的能量,推动能源、环境、资源的可持续性发展。

多能互补系统可因地制宜地发展太阳能与常规能源可再生能源相结合的多能互补系统。

配合智能型电网和储能技术,实现对多种能源有机结合和综合管理,形成高效合理的微能网,满足用户多层次的能源需求。

太阳能多元化应用

将太阳能与其他形式能源转化技术相结合是扩展太阳能应用领域的有效途径,也是实现各种能源品味对口、梯级利用的重要手段。

太阳能+空气/地源热泵以常规能源为辅助加热系统,可实现全天侯不间断热源供给;

太阳能+空气/地源热泵

太阳能空调可为建筑提供室温调节、食品冷藏、冷冻保鲜等功能;

太阳能空调

太阳能通风是利用太阳能加热空气产生浮力效应,实现建筑自然通风,改善内部空气条件;

太阳能通风

太阳能照明利用反光或导光技术将外部太阳光引入建筑内部,节约建筑系统的电能消耗。

太阳能照明

太阳能+海水淡化的利用方式有:

利用太阳能蒸馏器直接加热海水实现蒸发淡化,可在能源紧缺、环境恶劣的条件下独立运行,环境适应性强,投资少;

太阳能蒸馏器

将外部太阳光引入建筑内部,利用自然光为不透光区域提供照明;

以反光或导光技术将外部太阳光引入建筑内部

利用太阳能光伏发电驱动反渗透淡化,适用于光照资源丰富但水资源匮乏地区。

利用太阳能光伏发电驱动反渗透淡化

结论

在此阶段,中国的光热利用已逐步完成产业升级,中高温集热技术得到了普遍重视和开发。

光伏发电设备的生产成本得到了显著下降,为今后大规模应用奠定了良好的市场条件。

太阳能建筑一体化、多能互补以及多元化应用将会成为太阳能技术未来发展的重要趋势,大规模利用太阳能的新时代即将来临。

本文作者:路绍琰,吴丹,马来波,高春娟,王亮,张辉,张琦

作者简介:路绍琰,自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所,工程师,研究方向为现海水化学资源利用。

全文发表于《科技导报》2021年第19期,原标题为《中国太阳能利用技术发展概况及趋势》,本文有删减,欢迎订阅查看。


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