太阳能光热应用概述

文光彩梁晓钟蔡国良麦栋钊

（广州万宝集团有限公司，广东 广州 510470）

环境污染及能源危机给人们敲响了警钟，使人类意识到保护环境、节约能源的重要性，这也催生了人们对新能源的开发与利用。太阳能因其自身的特点而广受世界各国的青睐，太阳能无污染可再生，若将太阳能好好利用，将会解决人类现在所面临的难题。如何将太阳能更好地利用起来已成为当今社会关注的焦点。以此为背景，太阳能被各行各业争先引用，同时也进入了空调的领域。众所周知，空调不仅耗电而且还污染环境，破坏臭氧层，若将太阳能技术与空调相结合，则必会是空调领域发展新的里程碑。

一、太阳能光热类型

1 槽式太阳能系统

槽式太阳能系统是目前商业应用最多的太阳能发电系统，其技术相对于其他太阳能发电系统较成熟。槽式太阳能系统的全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，该技术利用大面积的槽型反射镜将太阳能聚焦在集热管上，即线聚焦原理，通过太阳能对集热管的不断加热使集热管内的传热工质升温，从而将水蒸发为水蒸气，以此产生能量来使常规的汽轮机发电。槽式太阳能发电系统的特点之一即聚光比高，聚光性能强。其聚光系统的聚光比通常情况下在10~100之间徘徊；若借助其他导热流体来提高槽式太阳能聚光系统的性能，则其聚光比会大大提高，如以油为工质，这时槽式太阳能聚光的热度最高可达到400℃，若将导热流体换为混合硝酸盐，这时槽式太阳能聚光热度最高可达550℃。很显然，以混合硝酸盐作为集热管内的工质发电效率较高。槽式太阳能发电系统主要是以太阳能为发电的原动力的，这就决定了发电源动力的不确定性。因此，除一般的发电装置以外，还要有必要的蓄热系统或者可替代的燃料，以保证发电系统的正常运行。槽式太阳能系统的高聚光比性能，使得其不仅仅应用在发电系统中，在非电空调应用中，其作用也有所体现。利用槽式太阳能集热系统加热热水，与吸收式制冷机组结合应用，相比常规用电制冷机组而言，对节约能源、缓解电力有一定的好处。

2 塔式太阳能系统

塔式太阳能系统不同于槽式太阳能系统的工作原理，是以点聚焦为核心思想运行的。塔式太阳能系统主要由五个结构构成，分别是主控系统、接收器、发电系统、定日镜群（可跟随太阳随时调整角度的球面镜群）及蓄热槽。塔式太阳能系统最显著的特点即接收器设立在高塔之上，而高塔的位置由设立在地面的定日镜群所决定。地面上的定日镜群可将太阳光集中并射向高塔上的接收器，在使接收器中的传热介质达到一定的温度后，通过与地面相连的管道将热能传送至地面上的蒸汽发生器，从而产生大量蒸汽，为发电提供动力。塔式太阳能系统的聚光比通常是在300~1500，发电蒸汽运行温度为500℃左右，其运行温度更是高达1000℃~2000℃，相较于槽式太阳能聚光比更高，聚光性能更好。在塔式太阳能系统中，高塔之上的接收器起到了一个中枢的作用，因此接收器对于整个系统来说是至关重要的。

3 其他系统

太阳能光热发电系统即将太阳能转化为热能，并利用热能来发电。除了槽式太阳能系统和塔式太阳能系统外，还有碟式太阳能系统、线性菲涅耳反射器系统及平板太阳能集热系统。

（1）碟式（盘式）太阳能系统属于太阳能系统的始祖，被人类最先开发使用。碟式太阳能系统外形是由无数小镜子构成的抛物面，由此形成一个巨大的反光镜，将太阳光反射至焦点处，这样的聚光方式会聚集很强的太阳能，从而使聚光比高达3000以上，焦点处的温度亦是高达1000℃，此时碟式太阳能系统的运行温度通常在500℃~1500℃。因此，碟式太阳能系统具有非常高的热机效率。碟式太阳能系统在不断地发展中将方向转向了开发单位功率质量比更小的空间电源上。碟式太阳能系统与众多光伏发电系统比较而言，具有设备运费低、发射质量小及气动阻力小等优势。碟式太阳能系统虽与槽式太阳能系统有些相似，但是两者的热点转化装置不同。碟式太阳能系统热点转化装置一般都采用斯特林机作为原动机。斯特林机是由动力活塞与配器活塞组成的活塞式外燃机。将配气活塞上下室的旁路连接在气缸侧壁位置，内部的工质在配器活塞中上下交替时则会充分利用这个旁路进行工作。

（2）最近随着太阳能系统的不断发展，线性菲涅尔反射器系统开始被人们越来越多的关注，逐渐发展起来。线性菲涅尔反射器系统是由早期的槽式发电系统不断改进而来的，主要包括三部分，分别是反射镜场、跟踪装置及接收装置。其主反射场即是由无数平面镜组成的平面镜群，根据位置的不同排列成平面镜阵列，平面镜自身的转动轴处在同一水平面中，跟踪装置可以将平面镜群设定为绕着镜轴转动，以达到随时紧跟太阳光的效果。平面镜群将太阳光聚集，并向接收器投去，接收器在受到反射的光之后会对钢管流动工质加热，从而将光能转化为热能。线性菲涅尔反射器系统的工作原理是摒弃传统的抛物面镜，利用菲涅尔结构的聚光镜来达到效果，该系统的集热管可以将光二次反射，因此，此系统的聚光效率是一般系统的三倍以上，这可将不必要的建造费用省化，将建造成本直降50%。线性菲涅尔反射技术出现在20世纪60年代，距今已半个多世纪的发展历程。虽然这项技术流传已久，但并没有引起人们对它的关注，在近十年左右才得以发展。菲涅尔聚焦方式发电图如图1所示。

（3）平板太阳能集热系统是目前我国太阳能集热器中使用最广泛的技术，平板型太阳能集热器的功能则是系统中吸收太阳辐射并将热量传递给导热工质。该系统的工作原理是：太阳能将光线通过玻璃挡板照射在集热板上，集热板再将太阳能转化为热能传递给管道中的工质，以此实现太阳能到热能的转化。系统中置有保温材料，可将热能损耗降低到最小。

二、主要光热技术经济性比较

在以上五种太阳能光热技术中，如今被应用最广的则为槽式太阳能系统，据有关部门统计，槽式太阳能系统在世界上的应用率高达90%，由此可见其在商业中所占的重要位置。槽式太阳能系统的跟踪机构较其他系统更为简单，且目前槽式太阳能系统的相关技术是最成熟的太阳能光热技术。因此，使用槽式太阳能系统更易实现，且成本更低。随着技术的不断完善和发展，槽式太阳能系统的建筑成本不断下降，有望继续下降，达到历史新低。槽式太阳能系统并不是十全十美的，其在使用的过程中需要使用大量的水来冷却蒸汽，若用空气自然冷却，则会使发电量减少8%，成本增加12%。因此，槽式太阳能系统不适宜那些缺水的地区使用。相较于槽式太阳能系统的需水量，碟式太阳能系统则更适合在干旱沙漠等地区使用。碟式太阳能系统发1kWh电只需1.2L水，与槽式太阳能系统相比更能够适应沙漠干旱地区水资源不足的情况，其光热转化率在四个系统之中亦是属于最高的。虽然碟式太阳能系统优越性非常强，但是其造价成本较高，系统也要相对复杂许多，因此，碟式太阳能系统不是非常适合大规模商业化应用。随着技术的不断发展，塔式太阳能系统的技术也在不断革新改进，有更高的技术支持也就有了大幅度的降价空间，有很大的可能性会被大范围的用于商业应用，塔式太阳能系统的发展潜力巨大。据国际权威组织调查研究表明，在大规模发电方面，塔式太阳能系统将会是世界上所有太阳能光热系统中最低成本的一种体系。并且根据如今塔式太阳能技术的不断发展，在过一段时间后，塔式太阳能发电的成本会更低，那时其竞争力会原来越强。

三、太阳能光热在太阳能空调中的应用实例

太阳能的光热利用始于20世纪70年代，那时的研究方向还是侧重在空调的自动制冷及供暖上，使用的技术是吸收、吸附式制冷。吸收式制冷技术的核心在于“吸收”二字，该技术的核心是吸收剂，利用吸收剂吸收及蒸发特性来实现空调的制冷功能，而吸收剂也各有不同，主要分为溴化锂水吸收式制冷和氨水吸收式制冷。吸附式制冷技术则是以使用固体吸附剂为核心，固体吸附剂对制冷剂有吸附作用，使固体吸附剂吸附制冷剂可实现制冷的效果。最常用的制冷剂有两类：活性炭甲醇吸附式及分子筛水式。应注意的是，这里使用的固体吸附剂不含有氟利昂的成分，亦不会对臭氧层及环境造成破坏，这对空调的发展有着重要的意义。太阳能在空调方面的运用理论上有两种实现方式：一是利用光与电之间的转换，通过电力驱动使用常规压缩式制冷机实现空调的制冷功能；二是利用太阳能，将太阳能转化为热能驱动制冷机进行制冷。就目前我国的太阳能技术发展实际来说，第一种方式属于大功率的太阳能发电技术，其投资昂贵，实用性较低，不利于太阳能空调的普及，因此，利用热能驱动制冷的空调技术成为我国主要使用的太阳能空调技术。本文以中高温太阳能利用与溴化锂制冷机组结合的制冷技术为例，分析中高温太阳能在空调技术中的应用。中高温热源主要是利用槽式太阳能集热系统取得，给溴化锂制冷机组提供热源。其工作原理如下：利用槽式太阳能集热系统9进行加热介质储存在水箱11内，通过热水泵10将中高温的介质传输至溴化锂制冷机组1以驱动机组运行制冷，通过三通阀5的切换，将制冷机组产生的冷水由冷冻水泵3传输至空调末端12，制冷机组通过冷却水泵2和冷却塔4组成的冷却系统进行冷却，其中在溴化锂机组设置单向阀，防止介质回流，在槽式太阳能集热系统及溴化锂机组热源管的进出口设置温度计6和压力计7，监控系统运行参数。中高温太阳能制冷系统循环图如图2所示。

四、未来太阳能光热发展趋势思考

随着人们可持续发展的意识越来越强，人们开始致力于绿色能源及可再生能源的使用。太阳能作为可再生能源的重要组成部分，具有其得天独厚的优势。太阳能的限制小，绿色无污染，能够实现大容量的热能转换。太阳能光热应用能源提供稳定，能源可再生，使用过程绿色无污染，不产生任何有害物质，是人们在未来将大规模使用的能源之一。太阳能光热发展在将来必然朝着大容量、能源稳定、高参数的方向发展，未来的研究工作将主要放在提高热点转换效率、提高聚光比及提高运行温度上。因此，在未来要将科研精力主要放在高密度流下的传热、太阳能热电转换及高精度跟踪控制系统上。从我国近几年的实际情况来看，我国对可再生能源的开发与利用越来越重视，太阳能光热技术也在我国得到了一定的发展，我国的各大理工高校和专家学者已经开始对太阳能的光热进行研究，并且取得了一定的成果。现阶段，我国的专家学者对四种太阳能光热系统已有了较深层次的了解，并且掌握了槽式太阳能系统、塔式系统即碟式系统的部分核心技术，在未来我国将会对太阳能光热应用领域相关技术有更深层次的发现。

结语

就我国目前的发展需要来看，能源是必不可缺的发展动力。研究发展太阳能光热技术给我国的可持续发展道路奠定了基础。本文针对太阳能光热实际应用对太阳能发电及太阳能空调相关技术的发展进行了探究，期望有更多的专家学者关注可持续发展，关注太阳能的使用。

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