新能源转化的原理与技术

新能源转化的原理与技术综述

摘要在全球经济尚未完全摆脱金融危机的困扰、气候变化不断加剧的大背景

下，新能源产业发展受到各国政府的普遍关注，由此驱动了整个新能源产业的发展，并成为全球经济新的增长点。同时，新能源技术进步也极大地推动了新能源产业的快速发展。本文介绍了新能源产业中的太阳能、风能以及地热能的原理及技术，总结了三种技术当前的发展概况。

关键字新能源，太阳能，风能，地热能

引言目前，全球气候变化已经开始全面影响人类社会的生存与发展。按照政府

间气候变化问题小组的预测，到2100 年，全球气温将上升大约1.4～5.8℃。全球平均温度的上升，将导致海平面上升，并给人类带来最严重的环境问题———气候灾害。以我国为例，全国沙化土地正在以年平均3436km2 的速度扩展；水资源短缺加剧，全国668 座城市中有400 多座城市缺水；极端的天气状况增多，提高了自然灾害的发生频率，2010 年上半年由于极端天气的影响，我国西南的川滇黔桂大旱，造成2000 多万人饮水困难。气候变化已成为全球可持续发展面临的最严峻挑战之一。

新能源一般是指建立在新能源技术基础上开发利用的能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能、氢能等。在当今全球经济尚未完全摆脱金融危机的困扰、气候变化不断加剧的大背景下，新能源以其再生、清洁、低碳、可持续利用等特点引起了越来越多国家的重视，许多国家将其作为保护

环境和促进发展的重要途径，在应对金融危机的政策中都增加了新能源元素。截至2009 年底，我国新能源的年利用量总计达到2.58×108t 标准煤(不包括传统方式利用的生物质能)，约占一次能源消费总量的8.34%。其中风电产业率先进入快速规模化发展阶段，目前已具备初步的产业体系轮廓，表现出竞争力不断增强的可喜的发展势头。大型并网风电总装机容量从2000 年的35×104kW 增长到2009 年的1613×104kW，年均增长53%，累计风电总装机容量达到2580×104kW。在太阳能利用领域，我国太阳能光伏电池产品生产能力显著提高，2009 年已达到年产400×104kW光伏电池的能力，成为世界第一大太阳能光伏电池生产国。但是，由于光伏发电成本较高，目前我国太阳能光伏发电市场还很小，太阳能光伏发电仍主要用于解决电网覆盖不到的偏远地区的居民用电问题。2009 年新增装机容量16×104kW，累计装机容量达到30×104kW，并网的光伏发电系统所占比例并不是很高。在太阳能热利用方面，目前应用最广泛的技术是太阳能热水器。2009 年，我国太阳能热水器年生产能力已达到4200×104m2，累计太阳能热水器使用量超过1.45×108m2，占世界太阳能热水器总使用量的60%以上。

1 太阳能利用技术

太阳能是理想的可再生能源. 太阳能热利用技术目前还处于发展时期. 本节对太阳能热利用成熟技术、先进技术等进行了简要的概述. 成熟技术部分介绍了太阳能热水器这一广为人们使用的太阳能热利用技术;先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利用技术--太阳能热发电；在当前研究的中心问题部分,主要论述了解决太阳能热利用的关键技术问题.

1.1 太阳能热水器

太阳能热水器是一种利用太阳辐射能,通过温室效应把水加热的装置,它由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关附件组成. 集热器是吸收太阳辐射能并向工质(水)传递热量的装置,是热水器的核心部件. 根据收集太阳辐射能的形式,集热器可分为平板型集热器和聚光型集热器两种. 早期的集热器为闷晒式,后来发展成为平板式和真空管式. 集器担负着两项主要功能,一是吸收太阳辐射能,二是将热量传递给工质. 集热器上的太阳能吸热材料可分为两类:非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层. 非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层;选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。

太阳辐射可近似地认为是温度6000K的黑体辐射,约90%的太阳辐射能集中在0. 3—2μm波长范围内. 而太阳集热器的吸热体一般为400—1000K,其辐射能主要集中在2—30μm波长范围内.因此既有高的太阳吸收比又有低的发射率的涂层材料,就可以在保证尽可能多地吸收太阳辐射的同时,又减少热量的损失. 集热器主要的吸收涂层材料有氧化铁、氧化铜、黑铬、黑镍、铝、碳等.

1.2 太阳能热发电

太阳能发电有两种方式:一种是利用半导体光伏效应而制成的太阳能电池来发电的方式;另一种是太阳能热发电. 本文主要论述太阳能热发电方式.太阳能热发电作为一种太阳能高温热利用技术,美国、西班牙、以色列、意大利、澳大利亚、日本、俄罗斯等国家都投入了大量资金和人力进行研究,取得了大量科研成果,先后建立了几十座太阳能热发电系统. 太阳能热发电大致有三类:槽式线聚焦系统、碟式系统和塔式系统. 研究成果表明,太阳能塔式热发电是最可能引起能源革命、实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一,将完全有可能给紧张的能源问题带来革命性的解决方案,目前已经处于商业化应用前期和工业化应用初期。

1.3 太阳能热利用的关键技术问题

1.3.1 跟踪聚焦技术

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,与常规能源有很大的区别,这就对太阳能的收集和利用提出更高的要求. 目前得到广泛应用的太阳热水器,一般只能满足人们的洗浴要求,属于太能的低温热利用,无法提供工业应用上的高温热水及蒸汽等. 为了满足人们对太阳能利用更高的要求,使太阳能集热器更有效地吸收太阳辐射能和获得高温热能,集热器须采用聚焦、跟踪等技术.使用太阳跟踪系统,可以使太阳光始终垂直照射在接收面,接收到的太阳辐射将大大增加. 例如,对于完全相同的平板,与太阳辐射方向垂直的表面和朝南铅直方向的固定表面,一天中两者接收到的太阳辐射的比值大约是3: 1. 相同条件下,自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,成本下降25% ,因此在太阳能利用中,进行跟踪是很有必要的. 目前,已有多种太阳跟踪装置,但大多造价高、结构复杂,而未能广泛应用. 结构简单、成本低、跟踪过程不必人工干预,而且在天气变化比较复杂的情况下,系统也能正常工作的太阳能跟踪系统是未来研究的重点.

1.3.2 辐射吸收材料

太阳辐射吸收材料是太阳能热利用中的关键部分,它承担着太阳辐射能的吸收和热传导双重任务.当前,人类太阳能热利用的多数研究成果仅限于低温应用( < 100℃) ,特别是国内更是如此. 随着能源短缺问题的日益突出,人类已开始把目光转向更好品位的太阳能的热利用上———太阳能中高温利用,通过聚焦装置,

使太阳能热利用温度达到200℃以上,甚至上千度. 中高温吸热材料的研究是太阳能中高温热利用所要解决的关键问题. 光学性能稳定、耐候性强(受气候影响小) 、制备工艺简单、对环境无污染、成本低廉、能适合中高温度使用的新型太阳选择性吸收涂层成为当今太阳能热利用研究的重要目标和发展方向.

1.3.3 传热技术

如何高效率地将吸收的太阳辐射能以热的形式传至用户使用是太阳能热利用的关键问题之一. 太阳辐射能转换成热能利用的能量传递过程如图1所示.

图1 太阳辐射能转换成热能利用的能量传递过程

辐射吸收材料即选择性吸收涂层一般沉积在导热性能良好的金属材料上,比如铜、铝、不锈钢等. 太阳辐射能所转换成的热能一般通过中间工质传输至用户端,比如太阳热发电一般采用导热油、熔盐、空气等工质吸收并传输热能给水和水蒸气,水蒸气推动汽轮机并带动发电机发电,将热能转换成电能. 中间热传输工质的选择对太阳热利用效率具有重要的影响.

2 风能技术

风能技术是一项高新技术, 它涉及到气象学空气动力学、结构力学计算机技术电子控制技术材料学化学机电工程电气工程环境科学等十几个学科和专业,因此是一项系统技术, 其难度毫不逊色于航天技术。风能利用主要有3 种方式: 风力提水机、小型风力发电机和大型风力发电机组。我国已掌握了风力提水机和小型风力发电机的生产技术, 在改善单户农民的生活、生产条件方面, 产生了明显的社会效益。小型离网风力发电机除满足我国需求外, 还有少量出口。2005 年我国有18 万台小型风力发电机在运行, 装机17.2 MW, 使10 余万户农牧民受益。图2为风电机组的构成图示。

图2 风电机组构成

2.1 风机叶片技术

随着风电机组的大型化, 一些新的技术问题凸现出来。首先, 由于风轮叶片长度增加, 叶片变得更加柔性, 这时叶片除了在挥舞方向和摆振方向发生振动外, 还可能在扭转方向发生振动, 当叶片挥舞和扭转振动耦合时, 就会出现颤振,导致叶片的损坏。其次, 风电机组功率增大, 其动态特性变得更为复杂。叶片材料

是叶片大型化的另一个研究热点。不管从性能方面, 还是从重量方面衡量, 碳纤维热塑性复合材料都优于现阶段广泛使用的玻璃纤维复合材料, 它更能满足风电叶片的超大型化、轻量化和长寿化[5]。我国目前只是个别研究单位在做这方面的研究, 还未到产业化开发阶段。

2.2 控制系统

风电机组控制技术是一项关键技术。与一般的工业控制过程不同, 风电机组控制系统是一个综合性的控制系统, 它要完成的工作有: ①实现风机对风能的最大捕获; ②实现风电机组的平稳并网; ③在风电场中运行的风力发电机组具备远程通讯的功能。以上工作为控制系统的研制带来很大的挑战, 也是我国风机生产研制的薄弱环节。目前我国一些大学、研究单位对此进行了研究。

2.3 风机其他组件

风电机组的其他主要零部件———齿轮箱、发电机、偏航装置和塔架等, 国内企业已具备了一定的生产能力。我国目前已能批量生产750 kW 以下机组的相关部件, 并且正在研制开发1～2 MW 风电机组的配套部件。东方汽轮机厂率先研制出MW 级机组轮彀, 并掌握了齿轮箱的铸造技术。2005 年11 月, 中国北车集团永济电机厂研制成功国内首台功率最大的1.5 MW 双馈水冷风力异步发电机, 2006 年上半年完成了首台1.5 MW 空气冷却双馈风力发电机的组装, 可望为MW 级大型风电机组的整机研制提供技术支持。

3 地热能的利用

地热能是地球内部贮存的热能, 它包括地球深层由地球本身放射性元素衰变产生的热能及地球浅层由接收太阳能而产生的热能。前者以地下热水和水蒸气的形式出现, 温度较高, 主要用于发电、供暖等生产生活目的, 其技术已基本成熟, 欧美国家有很多用于发电, 我国则

多用来直接供热, 这种地热能品位较高, 但受地理环境及开采技术与成本的影响因而受限较大; 后者由太阳能转换而来, 蕴藏在地球表面浅层的土壤中, 温度较低, 但开采成本和技术相对也低, 且不受地理环境的影响, 特别适合于建筑物的供暖与制冷, 因而受到了暖通空调及节能行业越来越多的关注。浅层地热能利用通常需借助于热泵, 它是一项新兴绿色节能技术。在冬天它以大地为低温位热源, 从大地中提取热量, 经过地面上热泵的转换, 提高温位向房屋供暖; 在夏天则以大地为高温位热源, 将房屋内的热量输送到大地土壤中。由于地下温度十分稳定且很接近房屋居住所需的温度, 因此, 相对于以大气环境为热源的热泵和燃煤、燃油的供暖供冷系统, 以大地为提取热量或排放热量的热源的热泵效率大大提高, 同时还减少了燃烧产物的排放和制冷剂的用量, 对环保十分有利。

3.1 地热能热泵

地热能热泵的工作原理与通常的热泵相同, 都是由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置组成。通过消耗一部分高品质能源即电能, 吸收低温物体的热能排放给高温物体, 实现供热和制冷的目的, 其热泵示意图如图3所示。只不过, 通常的热泵以大气环境为其吸热或放热的热源, 大气温度的剧烈变化导致常规的热泵效率低下, 不仅消耗大量高质能源, 而且恶化了

周围的环境温度, 使得夏天更热, 冬天更冷。

图3 热泵示意图

与常规热泵不同, 浅层地热能热泵以近地表层土壤为其吸收热量或排放热量的热源。在冬天, 地热能热泵从土壤中吸取热量, 供给热泵的蒸发器, 经压缩机提高温度后, 传到热泵

的冷凝器, 向房屋供热; 在夏天, 地热能热泵通过其蒸发器从房屋内吸收热量, 经压缩机、冷凝器而排放到土壤中。因为土壤温度全年基本维持不变, 热泵系统的操作可以设计得十分精确, 使得工作稳定而高效。

3.2 地热换热器

地热换热器的性能与当地土壤的性能密切相关, 它设计得合理与否直接影响地热利用效率和投资成本, 是地热泵成功应用的前提, 也是当前浅层地热利用技术推广的难点。

浅层地热能热泵所用地热换热器就是在地面下埋设的封闭管道回路, 这些管路通常由高密度聚氯乙烯或聚丁烯塑料管组成, 用泵将换热介质送入这些地下管道与地下土壤进行热量交换, 然后回到地面与热泵进行换热, 换热介质通常为水的盐溶液, 封闭在管路系统, 在地面上的热泵与地下换热器之间循环流动, 完成换热任务。

地下管道埋设方式有水平式和垂直式两种形式。水平埋管式通常浅层埋设, 工程量大而开挖技术要求不高, 初投资低于竖直埋管式; 缺点是占地面积大, 温度稳定性也较差, 现在已很少采用。竖直埋管式工程量小, 占地面积少,恒温效果好, 维护费用少, 适合于用地紧张的城市; 缺点是技术要求较高, 初投资较大。竖直埋管式地热换热器目前应用较多, 发展较快。它是在地面下竖直钻孔, 在孔内埋入换热管, 换热管的形式又有两种: U 型管式( 见图4) 和套管式, 目前以U 型管应用较多。地下钻孔的孔径一般为100～150mm, 孔间距和深度取决于土壤的热性质和气象条件并随地理位置而变。孔深一般为100～300m, 孔间距为4～10m, 钻孔总长度由建筑面积的大小而定, 一般是每平米建筑面积钻孔长度

1m 左右。

图4 竖直埋管式地热换热器

每一竖直钻孔内可放入一组或两组U 型塑料管, 管径25～35mm, 塑料管下端用U 型接头接好, 形成一个U 型封闭管路。然后将钻孔与管道之间的空间填埋夯实, 填埋材料可以采用当地土壤, 也可以选用与当地土壤性质接近的混凝土。各钻孔内, 管道之间的连接方式有串联和并联两种形式。

4 总结

新能源发展顺应了全球能源发展的大趋势，是整个能源产业转型的必然选择。我国新能源技术也已经到了一定的发展阶段，太阳能、风能、地热能等新能源也得到了较大规模的利用，我们应该继续加大投入，保障我国新能源产业的可持续发展。

参考文献

1 任东明.中国新能源产业的发展和制度创新.中外能源，2011.1

2 陈德明，徐刚.太阳能热利用技术概况.太阳能热电池及其应用专题，2007.9

3 杜尚斌.浅谈风电产业中的风能技术.新能源，2009.1

4 董丹丹, 赵黛青, 廖翠萍.我国的风电技术和风电发展.可再生能源，2007.6

5 师晋生.浅层地热能利用技术.化工装备技术2004年第25卷第5期

6 黄素逸. 能源科学导论. 北京: 中国电力出版社, 2002:220～222

7 涂锦华, 赵军, 朱强等. 地源热泵的工程应用与环保节能特性分析. 节能与环保, 2001, 6 ( 30) : 33～35