太阳能知识

太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率位 3。8X 10A23kW

的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。 到达地球大气层的太阳能， 30%被大气层反射，23%

被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为 8X 10A13kW

20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。化石能

源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。 从

资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。

在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。

一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。 太阳幅射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的

作用，故能够直接到达地表的太阳幅射能仅存三分之一， 又其中70%是照射在海洋上， 于是仅

剩下约1 .5X10 A17千瓦.小时，数值约为美国1 9 7 8年所消费能6 0 0 0倍。未被吸收 或散射而能够直达地表的太阳幅射能称为「直接」幅射能；而被散射的幅射能，则称为「漫射」

（diffuse）幅射能，地表上各点的总太阳幅射能即为直接和漫射幅射能二者的总和。

太阳能热利用

（一） 太阳能集热器

太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬 天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需 。

太阳能集热器（solar collector） 在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装

置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器 .按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。

另外还有一种真空集热器 一个好的太阳能集热器应该能用 20-30年。自从大约1980年

以来所制作的集热器更应维持 40-50年且很少进行维修。

（二） 太阳能热水系统

早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热， 现今全世界已有数百万太阳能热水装置。 太阳能

热水系统主要元件包括收集器、 储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如

电热器等）以供应无日照时使用， 另外尚可能有强制循环用的水， 以控制水位或控制电动部份或

温度的装置以及接到负载的管路等。 因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形， 才强制循环

式

1. 太阳能热水器

太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。 1998 年世 界太阳能热 水器的总保有量约 5400 万平方米。 按照人均使用太阳能热水器面积， 塞浦路斯和以 色列居世界一、二位，分别为 1平方米/人和 0. 7平方米/人。日本有20%的家庭使用太阳能

热水器，以色列有 80％的家庭使用太阳能热水器。

20 多年来， 太阳能热水器在我国得到了快速发展和推广应用。 70年代后期开始开发家用热水器。 目前全国有 500多个热水器生产厂家， 1998 年的产量约 400 万平方米，总安装量约 1400 万平方

米，产量占世界第一位。我国太阳能热水器平均每平方米每年可节约 100 150公斤标准煤。

80年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。清华大学开发的全玻璃真空管集热器结构

简单， 类似拉长的暖水瓶， 内管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。 全玻璃真空管集热器已

经实现了产业化，目前全国有 60多个全玻璃真空管集热器生产厂，年产 300 多万只真空管。 80

年代后期至90年代初，北京市太 阳能研究所相继在我国政府、 UNDP支持下，并与德国合作研

制成功热管式真空管集热器， 1996年与德国DASA公司合资建立了热管式真空管集热器生产厂，

实现了规模化生产， 1998 年生产了 11 万只真空管，产品销往国内外。

目前在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。 平板型太阳能热水器国

内市场份额约 65%；真空管热水器分全玻璃和热管式两种，国内市场份额约 35%。目前太阳能

热水器主要用于家庭，其次是厂矿、机关、公共场所等。

我国的太阳能热水器工业逐步走向成熟，除了技术不断改进、 产品质量不断提高外，几种热水

器的国家标准已经颁布并开始实施。 如《平板热水器热性能评价实验方法) (GB4271-84 )、《平

板热水器产品技术指标)( GB6424--86 )、《家用热水器热性能实验方法)( GB12915 一 91)、

全玻璃真空管集热器) (GB/T17049--1997 )等。但同时应当看到，我国太阳能热水器市场还远

没有开发出来，热水器的户用比例只有 3%，与日本的 20%和以色列的 80%相比相差甚远，因 此中国的市场容量还非常巨大。

2．太阳能空调降温。

就世界范围而言， 太阳能制冷及在空调降温上应用还处在示范阶段， 其商业化程度远不如热水器

那样高， 主要问题是成本高。但对于缺电和无电地区，同建筑结合起来考虑，市场潜力还是很 大的。 我国 "九五 "期间， 太阳能空调降温示范工程列入国家技术攻关项目， 广州能源所和北京市

太阳能研究所分别进行平板集热器和真空管集热器的示范工程。 西北工业大学对除潮降温系统进

行了基础性的研究工作， 研究工作重点是寻找高效吸收和蒸发材料， 优化系统热特性， 建立数学 模型和计算机程序，研究新型制冷循环等。实验室建立了除潮系统的样机和使用条件。

3．太阳能热发电 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能 转换成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。80年代以来美、欧、澳等国相继建立起不同型式的示范装置，促进了热发 电技术的发展。 世界现有的太阳能热发电系统大致有三类： 槽式线聚焦系统、 塔式系统和碟式系 统。

（1） 槽式线聚焦系统。

该系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上， 并将管内传热工质加热， 在换

热器内产生蒸汽， 推动常规汽轮机发电。 Luz 公司 1980年开始开发此类热发电系统， 5 年后实现 了商业化。 1985 年起先后在美国加州的 Mojave 沙漠上建成 9个发电装置，总容量 354 兆瓦，年 发电总量 10.8 亿千瓦时。 9 个电站都与南加州爱迪生电力公司联网。随着技术不断发展，系统 效率由起初的 11．5％提高到 13．6％。建造费用由 5976 美元／千瓦降低到 3011 美元／千瓦， 发电成本由 26． 3 美分／千瓦时降低到 12 美分／千瓦时。

（2） 塔式系统。

塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜， 将阳光聚集到一个固定在

塔顶部的接收器上，用以产生高温。 80 年代初，美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装 置--Solar 0ne 。起初，太阳塔采用水一蒸汽系统，发电功率为 10兆瓦。 1992 年 Solar 0ne 经

过改装， 用于示范熔盐接收器和储热系统。 由于增加了储热系统， 使太阳塔输送电能的负载因子 可高达65%。熔盐在接收器内由 288C加热到565C，然后用于发电。第二座太阳塔 Solar Two

于1996年开始发电，计划 试运行三年，然后进行评估， Solar Two发电的实践不仅证明熔盐技

术的正确性，而且将进一步加速 30-200兆瓦范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。

以色列Weizmanm科学研究所最近正在对塔式系统进行改进。利用一组独立跟踪太阳的定日镜， 将阳光反射到固定在塔的顶部的初级反射镜 -- 抛物镜上， 然后由初级反射镜将阳光向下反射到位 于它下面的次级反射镜--复合抛物聚光器（CPC），最后由CPC将阳光聚集在其底部的接收器上。 通过接收器的气体被加热到 1200C，推动一台汽轮发电机组，500C左右的排气再用于推动另一

台汽轮发电机组，从而使系统的总发电效率可达到 25%- 28%。由于次级反射镜接收到很强的 反射辐射能，因而 CPC必须进行水冷。目前整个实验仍处于安装、调试阶段。

（ 3）碟式系统。

抛物面反射镜／斯特林系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，

接收器内的传热工质被加热到 75OC左右，驱动发动机进行发电。

美国热发电计划与 Cummins公司合作，1991年开始开发商用的 7千瓦碟式/斯特林发电系统， 5

年投入经费 1800 万美元。 1996 年 Cummins 向电力部门和工业用户交付 7 台碟式发电系统，计 划1997年生产25台以上。Cummins预计10年后年生产超过 1OOO台。该种系统适用于边远地区 独立电站。

美国热发电计划还同时开发 25 千瓦的碟式发电系统。 25 千瓦是经济规模，因此成本更加低廉， 而且适用于更大规模的离网和并网应用。 1996 年在电力部门进行实验， 1997 年开始运行。

由于碟式/斯特林系统光学效率高，启动损失小，效率高达

(4)三种系统性能比较

三种系统目前只有槽式线聚焦系统实现了商业化， 其他两种处在示范阶段，有实现商业化的可能

和前景。三种系统均可单独使用太阳能运行，也可安装成燃料混合系统。

我国太阳能热发电技术的研究开发工作早在 70年代末就开始了，但由于工艺、材料、部件及相

关技术未得到根本性的解决， 加上经费不足， 热发电项目先后停止和下马。 国家“八五"计划安排

了小型部件和材料的攻关项目，带有技术储备性质，目前还没有试验样机，与国外差距很大。

4•太阳房

太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。 把房屋看作一个集热器，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

房屋采暖目的。太阳房概念与建筑结合形成了 “太阳能建筑“技术领域，成为太阳能界和建筑界共

同关心的热点。太阳房可以节约 75%〜90%的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为

各国太阳能利用技术的重要方面。 在太阳房技术和应用方面欧洲处于领先地位， 特别是在玻璃涂

层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。

我国太阳房开发利用自 80年代初开始，截至1997年底，全国已经建起74O万平方米的太阳 房，主要分布在山东、河北、辽宁、内蒙古、甘肃、青海和西藏的农村地区。其中，辽宁省的 400所中小学校建造了被动式太阳房，总面积达 5O万平方米。我国被动式太阳房平均每平方米

建筑面积每年可节约 2C〜4O公斤标准煤。

我国太阳房的发展目前还存在以下问题： 太阳房的设计和建造没有和建筑真正结合起来变成

建筑师的设计思想和概念，没有纳入建筑规范和标准，一定程度上影响快速发展和实现商业化。 其次是相关的透光隔热材料、 带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化，使太阳房的水平受到限

制。

用于蔬菜和花卉种植的太阳能温室在中国北方地区较多采用。全国太阳能温室面积总计约

700万亩，发挥着较好的经济效益。

5•热利用的其他方面。

我国是太阳灶的最大生产国，主要在甘肃、青海、 西藏等西北边远地区和农村应用。 目前大

约有15万台太阳灶在使用中。主要为反射抛物面型。其开口面积在 1. 6〜2. 5平方米。每个太

阳灶每年可节约 300千克标准煤。

太阳能干燥是热利用的一个方面。目前我国已经安装了有 积约2万平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草药于燥等。

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