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太陽能

(新興的可再生能源)

鎖定
太陽能(solar energy),是一種可再生能源。是指太陽的熱輻射能(參見熱能傳播的三種方式:輻射),主要表現就是常説的太陽光線。在現代一般用作發電或者為熱水器提供能源。
自地球上生命誕生以來,就主要以太陽提供的熱輻射能生存,而自古人類也懂得以陽光曬乾物件,並作為製作食物的方法,如製鹽和曬鹹魚等。在化石燃料日趨減少的情況下,太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分,並不斷得到發展。太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種方式,太陽能發電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能也包括地球上的風能化學能水能等。
中文名
太陽能
外文名
solar energy
類    別
開發中的新型能源
原    理
太陽光的輻射能量
利用方式
光熱轉換,光電轉換
優    點
可再生、能量大、普及

太陽能技術原理

中材聯建太陽能發電系統 中材聯建太陽能發電系統
太陽能是由太陽內部氫原子發生氫氦聚變釋放出巨大核能而產生的,來自太陽的輻射能量。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳,並把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代演變形成的一次能源。地球本身藴藏的能量通常指與地球內部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的能源。
與原子核反應有關的能源正是核能。原子核的結構發生變化時能釋放出大量的能量,稱為原子核能,簡稱核能,俗稱原子能。它則來自於地殼中儲存的鈾、鈈等發生裂變反應時的核裂變能資源,以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發生聚變反應時的核聚變能資源。這些物質在發生原子核反應時釋放出能量。目前核能最大的用途是發電。此外,還可以用作其它類型的動力源、熱源等。
太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1,369w/㎡。地球赤道周長40,076千米,從而可計算出,地球獲得的能量可達173,000TW。在海平面上的標準峯值強度為1kw/m2,地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡,相當於有102,000TW的能量。
儘管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一,但已高達173,000TW,也就是説太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當於500萬噸煤,每秒照射到地球的能量則為1.465×10^14焦。地球上的風能水能海洋温差能波浪能生物質能都是來源於太陽;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然氣等)從根本上説也是遠古以來貯存下來的太陽能,所以廣義的太陽能所包括的範圍非常大,狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。 [1] 

太陽能主要分類

太陽能光伏

光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置,由幾乎全部以半導體物料(例如硅)製成的固體光伏電池組成。簡單的光伏電池可為手錶以及計算機提供能源,較複雜的光伏系統可為房屋提供照明以及交通信號燈和監控系統,併入電網供電。光伏板組件可以製成不同形狀,而組件又可連接,以產生更多電能。天台及建築物表面均可使用光伏板組件,甚至被用作窗户、天窗或遮蔽裝置的一部分,這些光伏設施通常被稱為附設於建築物的光伏系統。
據調研顯示由於產能過剩導致全球5大製造商利潤縮水,2012年光伏組件安裝量將有所減少,這是10餘年來首次出現下降。據彭博6位分析師的平均預測全球家庭與商業機構將安裝24.8GW的光伏組件。這相當於約20座核反應堆的發電量,但與新增27.7GW的光伏裝機量相比下降10%。據彭博新能源財經估計,自1999年以來年均安裝量已增長61%。

太陽能光熱

現代的太陽熱能科技將陽光聚合,並運用其能量產生熱水、蒸氣和電力。除了運用適當的科技來收集太陽能外,建築物亦可利用太陽的光和熱能,方法是在設計時加入合適的裝備,例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建築材料。 [2] 

太陽能基本特點

太陽能優點

太陽能
太陽能(10張)
(1)普遍:太陽光普照大地,沒有地域的限制,無論陸地或海洋,無論高山或島嶼,都處處皆有,可直接開發和利用,便於採集,且無須開採和運輸。
(2)無害:開發利用太陽能不會污染環境,它是最清潔能源之一,在環境污染越來越嚴重的今天,這一點是極其寶貴的。
(3)巨大:每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當於130萬億噸煤,其總量屬現今世界上可以開發的最大能源。
(4)長久:根據太陽產生的核能速率估算,氫的貯量足夠維持上百億年,而地球的壽命也約為幾十億年,從這個意義上講,可以説太陽的能量是用之不竭的。 [3] 

太陽能缺點

(1)分散性:到達地球表面的太陽輻射的總量儘管很大,但是能流密度很低。平均説來,北迴歸線附近,夏季在天氣較為晴朗的情況下,正午時太陽輻射的輻照度最大,在垂直於太陽光方向1平方米麪積上接收到的太陽能平均有1,000W左右;若按全年日夜平均,則只有200W左右。而在冬季大致只有一半,陰天一般只有1/5左右,這樣的能流密度是很低的。因此,在利用太陽能時,想要得到一定的轉換功率,往往需要面積相當大的一套收集和轉換設備,造價較高。
(2)不穩定性:由於受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、雲、雨等隨機因素的影響,所以,到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的,又是極不穩定的,這給太陽能的大規模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續、穩定的能源,從而最終成為能夠與常規能源相競爭的替代能源,就必須很好地解決蓄能問題,即把晴朗白天的太陽輻射能儘量貯存起來,以供夜間或陰雨天使用,但蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環節之一。
(3)效率低和成本高:太陽能利用的發展水平,有些方面在理論上是可行的,技術上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置,因為效率偏低,成本較高,現在的實驗室利用效率也不超過30%,總的來説,經濟性還不能與常規能源相競爭。在今後相當一段時期內,太陽能利用的進一步發展,主要受到經濟性的制約。
(4)太陽能板污染:現階段,太陽能板是有一定壽命的,一般最多3-5年就需要換一次太陽能板,而換下來的太陽能板則非常難被大自然分解,從而造成相當大的污染。

太陽能開發歷史

據記載,人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動力加以利用,只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”,“未來能源結構的基礎”,則是近年的事。20世紀70年代以來,太陽能科技突飛猛進,太陽能利用日新月異。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發明第一台太陽能驅動的發動機算起。該發明是一台利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機器。
在1615年-1900年之間,世界上又研製成多台太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。這些動力裝置幾乎全部採用聚光方式採集陽光,發動機功率不大,工質主要是水蒸汽,價格昂貴,實用價值不大,大部分為太陽能愛好者個人研究製造。20世紀的100年間,太陽能科技發展歷史大體可分為七個階段。 [4] 

太陽能第一階段

第一階段(1900~1920年),清立新能源在這一階段,世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置,但採用的聚光方式多樣化,且開始採用平板集熱器低沸點工質,裝置逐漸擴大,最大輸出功率達73.64kW,實用目的比較明確,造價仍然很高。建造的典型裝置有:1901年,在美國加州建成一台太陽能抽水裝置,採用截頭圓錐聚光器,功率:7.36kW;1902~1908年,在美國建造了五套雙循環太陽能發動機,採用平板集熱器和低沸點工質;1913年,在埃及開羅以南建成一台由5個拋物槽鏡組成的太陽能水泵,每個長62.5m,寬4m,總採光面積達1250m2。

太陽能第二階段

第二階段(1920~1945年),在這20多年中,太陽能研究工作處於低潮,參加研究工作的人數和研究項目大為減少,其原因與礦物燃料的大量開發利用和發生第二次世界大戰(1935~1945年)有關,而太陽能又不能解決當時對能源的急需,因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落。

太陽能第三階段

太陽能利用示意圖 太陽能利用示意圖
第三階段(1945~1965年),在第二次世界大戰結束後的20年中,一些有遠見的人士已經注意到石油和天然氣資源正在迅速減少,呼籲人們重視這一問題,從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復和開展,並且成立太陽能學術組織,舉辦學術交流和展覽會,再次興起太陽能研究熱潮。在這一階段,太陽能研究工作取得一些重大進展,比較突出的有:1953-1954期間,美國貝爾實驗室研製成實用型硅太陽電池,為光伏發電大規模應用奠定了基礎;1955年,以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學會議上提出選擇性塗層的基礎理論,並研製成實用的黑鎳等選擇性塗層,為高效集熱器的發展創造了條件。
此外,在這一階段裏還有其它一些重要成果,比較突出的有:1952年,法國國家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽爐。1960年,在美國佛羅里達建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨——水吸收式空調系統,製冷能力為5冷噸。1961年,一台帶有石英窗的斯特林發動機問世。在這一階段裏,加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究,取得了如太陽選擇性塗層和硅太陽電池等技術上的重大突破。平板集熱器有了很大的發展,技術上逐漸成熟。太陽能吸收式空調的研究取得進展,建成一批實驗性太陽房。對難度較大的斯特林發動機和塔式太陽能熱發電技術進行了初步研究。

太陽能第四階段

第四階段(1965~1973年),這一階段,太陽能的研究工作停滯不前,主要原因是太陽能利用技術處於成長階段,尚不成熟,並且投資大,效果不理想,難以與常規能源競爭,因而得不到公眾、企業和政府的重視和支持。

太陽能第五階段

第五階段(1973~1980年),自從石油在世界能源結構中擔當主角之後,石油就成了左右經濟和決定一個國家生死存亡、發展和衰退的關鍵因素,1973年10月爆發中東戰爭石油輸出國組織採取石油減產、提價等辦法,支持中東人民的鬥爭,維護該國的利益。其結果是使那些依靠從中東地區大量進口廉價石油的國家,在經濟上遭到沉重打擊。於是,西方一些人驚呼:世界發生了“能源危機”(有的稱“石油危機”)。這次“危機”在客觀上使人們認識到:現有的能源結構必須徹底改變,應加速向未來能源結構過渡。從而使許多國家,尤其是工業發達國家,重新加強了對太陽能及其它可再生能源技術發展的支持,在世界上再次興起了開發利用太陽能熱潮。1973年,美國製定了政府級陽光發電計劃,太陽能研究經費大幅度增長,並且成立太陽能開發銀行,促進太陽能產品的商業化。日本在1974年公佈了政府制定的“陽光計劃”,其中太陽能的研究開發項目有:太陽房、工業太陽能系統、太陽熱發電、太陽電池生產系統、分散型和大型光伏發電系統等。為實施這一計劃,日本政府投入了大量人力、物力和財力。
70年代初世界上出現的開發利用太陽能熱潮,對中國也產生了巨大影響。一些有遠見的科技人員,紛紛投身太陽能事業,積極向政府有關部門提建議,出書辦刊,介紹國際上太陽能利用動態;在農村推廣應用太陽灶,在城市研製開發太陽能熱水器,空間用的太陽電池開始在地面應用……。1975年,在河南安陽召開“全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會”,進一步推動了中國太陽能事業的發展。這次會議之後,太陽能研究和推廣工作納入了中國政府計劃,獲得了專項經費和物資支持。一些大學和科研院所,紛紛設立太陽能課題組和研究室,有的地方開始籌建太陽能研究所。當時,中國也興起了開發利用太陽能的熱潮。這一時期,太陽能開發利用工作處於前所未有的大發展時期,具有以下特點:
各國加強了太陽能研究工作的計劃性,不少國家制定了近期和遠期陽光計劃。開發利用太陽能成為政府行為,支持力度大大加強。國際間的合作十分活躍,一些第三世界國家開始積極參與太陽能開發利用工作。
研究領域不斷擴大,研究工作日益深入,取得一批較大成果,如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池光解水制氫太陽能熱發電等。
各國制定的太陽能發展計劃,普遍存在要求過高、過急問題,對實施過程中的困難估計不足,希望在較短的時間內取代礦物能源,實現大規模利用太陽能。例如,美國曾計劃在1985年建造一座小型太陽能示範衞星電站,1995年建成一座500萬kW空間太陽能電站。事實上,這一計劃後來進行了調整,至今空間太陽能電站還未升空。
太陽熱水器太陽電池等產品開始實現商業化,太陽能產業初步建立,但規模較小,經濟效益尚不理想。這主要受制於技術運用及科研水平。

太陽能第六階段

第六階段(1980~1992年),70年代興起的開發利用太陽能熱潮,進入80年代後不久開始落潮,逐漸進入低谷。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經費,其中美國最為突出。導致這種現象的主要原因是:世界石油價格大幅度回落,而太陽能產品價格居高不下,缺乏競爭力;太陽能技術沒有重大突破,提高效率和降低成本的目標沒有實現,以致動搖了一些人開發利用太陽能的信心;核電發展較快,對太陽能的發展起到了一定的抑制作用。受80年代國際上太陽能低落的影響,中國太陽能研究工作也受到一定程度的削弱,有人甚至提出:太陽能利用投資大、效果差、貯能難、佔地廣,認為太陽能是未來能源,主張外國研究成功後中國引進技術。雖然,持這種觀點的人是少數,但十分有害,對中國太陽能事業的發展造成不良影響。這一階段,雖然太陽能開發研究經費大幅度削減,但研究工作並未中斷,有的項目還進展較大,而且促使人們認真地去審視以往的計劃和制定的目標,調整研究工作重點,爭取以較少的投入取得較大的成果。

太陽能第七階段

第七階段(1992年~至今),由於大量燃燒礦物能源,造成了全球性的環境污染和生態破壞,對人類的生存和發展構成威脅。在這樣背景下,1992年聯合國在巴西召開“世界環境與發展大會”,會議通過了《里約熱內盧環境與發展宣言》,《21世紀議程》和《聯合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件,把環境與發展納入統一的框架,確立了可持續發展的模式。這次會議之後,世界各國加強了清潔能源技術的開發,將利用太陽能與環境保護結合在一起,使太陽能利用工作走出低谷,逐漸得到加強。世界環發大會之後,中國政府對環境與發展十分重視,提出10條對策和措施,明確要“因地制宜地開發和推廣太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等清潔能源”,制定了《中國21世紀議程》,進一步明確了太陽能重點發展項目。
1995年國家計委、國家科委和國家經貿委制定了《新能源和可再生能源發展綱要》在(1996~2010年)製出,明確提出中國在1996-2010年新能源和可再生能源的發展目標、任務以及相應的對策和措施。這些文件的制定和實施,對進一步推動中國太陽能事業發揮了重要作用。1996年,聯合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峯會議”,會後發表了《哈拉雷太陽能與持續發展宣言》,會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》(1996~2005年),《國際太陽能公約》,《世界太陽能戰略規劃》等重要文件。這次會議進一步表明了聯合國和世界各國對開發太陽能的堅定決心,要求全球共同行動,廣泛利用太陽能。
太陽能污水廠 太陽能污水廠
1992年以後,世界太陽能利用又進入一個發展期,其特點是:太陽能利用與世界可持續發展和環境保護緊密結合,全球共同行動,為實現世界太陽能發展戰略而努力;太陽能發展目標明確,重點突出,措施得力,有利於克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端,保證太陽能事業的長期發展;在加大太陽能研究開發力度的同時,注意科技成果轉化為生產力,發展太陽能產業,加速商業化進程,擴大太陽能利用領域和規模,經濟效益逐漸提高;國際太陽能領域的合作空前活躍,規模擴大,效果明顯。通過以上回顧可知,在本世紀100年間太陽能發展道路並不平坦,一般每次高潮期後都會出現低潮期,處於低潮的時間大約有45年。太陽能利用的發展歷程與煤、石油、核能完全不同,人們對其認識差別大,反覆多,發展時間長。這一方面説明太陽能開發難度大,短時間內很難實現大規模利用;另一方面也説明太陽能利用還受礦物能源供應,政治和戰爭等因素的影響,發展道路比較曲折。儘管如此,從總體來看,20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都快。太陽能如今是人們生活中不可缺少的一部分。

太陽能第八階段

全世界光伏板併網,貯能難的問題就有改善。
開發經濟問題
第一,世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應該是一個既能滿足社會需要,而又不危及後代人前途的社會。因此,儘可能多地用潔淨能源代替高含碳量的礦物能源,是能源建設應該遵循的原則。隨着能源形式的變化,常規能源的貯量日益下降,其價格必然上漲,而控制環境污染也必須增大投資。
第二,中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國,煤炭約佔商品能源消費結構的76%,已成為中國大氣污染的主要來源。大力開發新能源和可再生能源的利用技術將成為減少環境污染的重要措施。能源問題是世界性的,向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看,太陽能利用技術和裝置的大量應用,也必然可以制約礦物能源價格的上漲。

太陽能應用領域

太陽能的利用目前還不是很普及,利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題,但是太陽能電池在為人造衞星提供能源方面得到了應用。
清立太陽能工程圖 清立太陽能工程圖
人類依賴這些能量維持生存,其中包括所有其他形式的可再生能源(地熱能資源除外),雖然太陽能資源總量相當於人類所利用的能源的一萬多倍,但太陽能的能量密度低,而且它因地而異,因時而變,這是開發利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。
太陽能既是一次能源,又是可再生能源。它資源豐富,既可免費使用,又無需運輸,對環境無任何污染。為人類創造了一種新的生活形態,使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。
建設太空太陽能發電站的設想早在1968年就有人提出,但直到最近人類才開始真正將之付諸行動。日本可謂此項目的先驅者之一,該項目預計耗資210億美金,發電量能達到十億瓦特,能供29.4萬個家庭使用。在太空建太陽能發電站,無論氣候如何,均可利用太陽能發電,這與在地球上建立太陽能發電站的情況不同。

太陽能光熱利用

它的基本原理是將太陽輻射能收集起來,通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。目前使用最多的太陽能收集裝置,主要有平板型集熱器、真空管集熱器、陶瓷太陽能集熱器和聚焦集熱器(槽式、碟式和塔式)等4種。通常根據所能達到的温度和用途的不同,而把太陽能光熱利用分為低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。目前低温利用主要有太陽能熱水器太陽能幹燥器、太陽能蒸餾器、太陽能採暖(太陽房)、太陽能温室太陽能空調製冷系統等,中温利用主要有太陽灶、太陽能熱發電聚光集熱裝置等,高温利用主要有高温太陽爐等。

太陽能發電利用

清立新能源未來太陽能的大規模利用是用來發電。利用太陽能發電的方式有多種。已實用的主要有以下兩種。
1、光—熱—電轉換。即利用太陽輻射所產生的熱能發電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換為工質的蒸汽,然後由蒸汽驅動氣輪機帶動發電機發電。前一過程為光—熱轉換,後一過程為熱—電轉換。
2、光—電轉換。其基本原理是利用光生伏特效應將太陽輻射能直接轉換為電能,它的基本裝置是太陽能電池
太陽能電池
【材料要求】耐紫外光線的輻射,透光率不下降。鋼化玻璃做成的組件可以承受直徑25毫米的冰球以23米/秒的速度撞擊。
【裝用的EVA膠膜固化後的性能要求】透光率大於90%;交聯度大於65%-85%;剝離強度(N/cm),玻璃/膠膜大於30;TPT/膠膜大於15;耐温性:高温85℃、低温-40℃;太陽電池的背面,耐老化、耐腐蝕、耐紫外線輻射、不透氣等。
【用途】太陽能發電廣泛用於太陽能路燈、太陽能殺蟲燈、太陽能便攜式系統,太陽能移動電源,太陽能應用產品,通訊電源,太陽能燈具,太陽能建築等領域。
太陽能在2050年前可能將成為電力的主要來源,受助於發電設備成本大跌。IEA報告表示,2050年前太陽能光伏(PV)系統將最多為全球貢獻16%的電力,來自太陽能發電廠的太陽能熱力發電(STE)將提供11%的電力。 [5] 

太陽能光化利用

這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學轉換方式。它包括光合作用、光電化學作用、光敏化學作用及光分解反應
光化轉換就是因吸收光輻射導致化學反應而轉換為化學能的過程。其基本形式有植物的光合作用和利用物質化學變化貯存太陽能的光化反應。
植物靠葉綠素把光能轉化成化學能,實現自身的生長與繁衍,若能揭示光化轉換的奧秘,便可實現人造葉綠素發電。太陽能光化轉換正在積極探索、研究中。
通過植物的光合作用來實現將太陽能轉換成為生物質的過程。巨型海藻

太陽能燃油利用

歐盟從2011年6月開始,利用太陽光線提供的高温能量,以水和二氧化碳作為原材料,致力於“太陽能”燃油的研製生產。截至目前,研發團隊已在世界上首次成功實現實驗室規模的可再生燃油全過程生產,其產品完全符合歐盟的飛機和汽車燃油標準,無需對飛機和汽車發動機進行任何調整改動。 [6] 
研製設計的“太陽能”燃油原型機,主要由兩大技術部分組成:第一部分利用集中式太陽光線聚集產生的高温能量,輔之ETH Zürich 自主知識產權的金屬氧化物材料添加劑,在自行設計開發的太陽能高温反應器內將水和二氧化碳轉化成合成氣(Syngas),合成氣的主要成分為氫氣和一氧化碳;第二部分根據費-託原理(Fischer-Tropsch Principe),將餘熱的高温合成氣轉化成可商業化應用於市場的“太陽能”燃油成品。 [6] 

太陽能衍生產品

就人類直接利用太陽能還處於初級階段,主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統、太陽能暖房、太陽能發電、太陽能無線監控等方式。

太陽能無線監控

隨着現代化企業制度在我國的普及和深化發展,企業的信息化建設不斷深入,利用數字視頻技術對企業進行安全防範工作已是大勢所趨,結合太陽能技術的發展,推出真正的Winncam零布線無線監控解決方案。(太陽能無線監控安裝效果圖)
在現代化工業園中,實施視頻監控系統,安全保衞部門可以實現在工業園區門口、主要道路、辦公樓、周界圍牆等地點進行實時全天候視頻監控;相關部門可以瞭解現場情況,加強園區安全保衞管理,提高工作效率;相關管理部門可以實時瞭解各個監控點的情況;企業領導在辦公室利用桌面微機,可以隨時瞭解各主各個監控點實時狀況,處理突發事件,亦可以記錄多天前的情況,進行追蹤分析,除本地建立網絡監控系統外,還可對分支機構進行集中遠程視頻監控.隨時考察員工的實際生產勞動紀律眾誠天合公司案根據園區的實際需求,有些點取電困難,我們採用太陽能供電,參照有關國際標準和國家標準,並結合我公司對工業園區監控所積累的經驗,編制出這套零布線太陽能無線監控技術方案。
整體解決思路
通過對現場的分析我們得出結論,整套系統我們採用Winncam無線網橋2.4和5.8的無線網橋混合組網,通過點對點和點對多點的組網方式,組建三級無線傳輸網絡,使得音視頻能流暢的在網絡中穿行;設備的前端我們建議採用紅外網絡攝像機,後端接受可以用電腦,也可用DVR;但是DVR需要用解碼功能。最後我們在後端可以隨時查看和管理整套系統。

太陽能無線連接

太陽能無線監控 太陽能無線監控
太陽能無線連接拓撲圖:

太陽能集熱器

太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要熱交換器和膨脹槽以及發電裝置以備電廠不能供電之需。太陽能集熱器(solar collector)在太陽能集熱系統中,接受太陽輻射並向傳熱工質傳遞熱量的裝置。按傳熱工質可分為液體集熱器和空氣集熱器。按採光方式可分為聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種。另外還有一種真空集熱器:一個好的太陽能集熱器應該能用20~30年。自從大約1980年以來所製作的集熱器更應維持40~50年且很少進行維修。

太陽能熱水系統

早期最廣泛的太陽能應用即用於將水加熱,現今全世界已有數百萬太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統主要元件包括收集器、儲存裝置及循環管路三部分。此外,可能還有輔助的能源裝置(如電熱器等)以供應無日照時使用,另外尚可能有強制循環用的水,以控制水位或控制電動部分或温度的裝置以及接到負載的管路等。依循環方式太陽能熱水系統可分兩種:
1.自然循環式:
此種型式的儲存箱置於收集器上方。水在收集器中接受太陽輻射的加熱,温度上升,造成收集器及儲水箱中水温不同而產生密度差,因此引起浮力,此一熱虹吸現象,促使水在儲水箱及收集器中自然流動。由於密度差的關係,水流量於收集器的太陽能吸收量成正比。此種型式因不需循環水,維護甚為簡單,故已被廣泛採用。
2.強制循環式:
熱水系統用水使水在收集器與儲水箱之間循環。當收集器頂端水温高於儲水箱底部水温若干度時,控制裝置將啓動水使水流動。水入口處設有止回閥以防止夜間水由收集器逆流,引起熱損失。由此種型式的熱水系統的流量可得知(因來自水的流量可知),容易預測性能,亦可推算於若干時間內的加熱水量。如在同樣設計條件下,其較自然循環方式具有可以獲得較高水温的長處,但因其必須利用水,故有水電力、維護(如漏水等)以及控制裝置時動時停,容易損壞水等問題存在。因此,除大型熱水系統或需要較高水温的情形,才選擇強制循環式,一般大多用自然循環式熱水器。 [7] 

太陽能發電系統

太陽能發電系統由太陽能電池組太陽能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。
太陽能發電系統分為離網發電系統與併網發電系統:
1、離網發電系統。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成,若要為交流負載供電,還需要配置交流逆變器
2、併網發電系統就是太陽能組件產生的直流電經過併網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電這後直接接入公共電網。併網發電系統有集中式大型併網電站一般都是國家級電站,主要特點是將所發電能直接輸送到電網,由電網統一調配向用户供電。但這種電站投資大、建設週期長、佔地面積大,還沒有太大發展。而分散式小型併網發電系統,特別是光伏建築一體化發電系統,由於投資小、建設快、佔地面積小、政策支持力度大等優點,是目前併網發電的主流。
太陽能板
太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分,太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉化為電能後,輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是太陽能發電系統中最重要的部件之一,其轉換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素。組件設計:按國際電工委員會IEC:1215:1993標準要求進行設計,採用36片或72片多晶硅太陽能電池進行串聯以形成12V和24V各種類型的組件。該組件可用於各種户用光伏系統、獨立光伏電站和併網光伏電站等。
太陽能組件原材料特點
電池片:採用高效率(16.5%以上)的單晶硅太陽能片封裝,保證太陽能電池板發電功率充足。
玻璃:採用低鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃),厚度3.2mm,在太陽電池光譜響應的波長範圍內(320-1100nm)透光率達91%以上,對於大於1200nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時能耐太陽紫外光線的輻射,透光率不下降。
EVA:採用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為0.78mm的優質EVA膜層作為太陽電池的密封劑和與玻璃、TPT之間的連接劑。具有較高的透光率和抗老化能力。
TPT:太陽電池的背面覆蓋物—氟塑料膜為白色,對陽光起反射作用,因此對組件的效率略有提高,並因其具有較高的紅外發射率,還可降低組件的工作温度,也有利於提高組件的效率。當然,此氟塑料膜首先具有太陽電池封裝材料所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要求。
邊框:所採用的鋁合金邊框具有高強度,抗機械衝擊能力強。也是太陽能發電系統中價值最高的部分。
太陽能控制器
太陽能控制器是由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關功率管等組成。
主要特點:
1、使用了單片機和專用軟件,實現了智能控制;
2、利用蓄電池放電率特性修正的準確放電控制。放電終了電壓是由放電率曲線修正的控制點,消除了單純的電壓控制過放的不準確性,符合蓄電池固有的特性,即不同的放電率具有不同的終了電壓。
3、具有過充、過放、電子短路、過載保護、獨特的防反接保護等全自動控制;以上保護均不損壞任何部件,不燒保險;
4、採用了串聯式PWM充電主電路,使充電迴路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半,充電效率較非PWM高3%-6%,增加了用電時間;過放恢復的提升充電,正常的直充,浮充自動控制方式使系統由更長的使用壽命;同時具有高精度温度補償;
5、直觀的LED發光管指示當前蓄電池狀態,讓用户瞭解使用狀況;
6、所有控制全部採用工業級芯片(僅對帶I工業級控制器),能在寒冷、高温、潮濕環境運行自如。同時使用了晶振定時控制,定時控制精確。
7、取消了電位器調整控制設定點,而利用了E方存儲器記錄各工作控制點,使設置數字化,消除了因電位器震動偏位、温漂等使控制點出現誤差降低準確性、可靠性的因素;
8、使用了數字LED顯示及設置,一鍵式操作即可完成所有設置,使用極其方便直觀的作用是控制整個系統的工作狀態,並對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在温差較大的地方,合格的控制器還應具備温度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項;

太陽能能源電源

第一個空間太陽電池載於1958年發射的Vangtuard I,體裝式結構,單晶Si襯底,效率約10%(28℃)。到了1970年代,人們改善了電池結構,採用BSF、光刻技術及更好減反射膜等技術,使電池的效率增加到14%。在70年代和80年代,地面太陽電池大約每5.5年全球產量翻番;而空間太陽電池在空間環境下的性能,如抗輻射性能等得到了較大改善。由於80年代太陽電池的理論得到迅速發展,極大地促進了地面和空間太陽電池性能的改善。到了90年代,薄膜電池和Ⅲ-Ⅴ電池的研究發展很快,而且聚光陣結構也變得更經濟,空間太陽電池市場競爭十分激烈。在繼續研究更高性能的太陽電池,主要有兩種途徑:研究聚光電池和多帶隙電池。
電池效率
由於太陽電池在不同光強或光譜條件下效率一般不同,對於空間太陽電池一般採用AM0光譜(1.367KW/㎡),對於地面應用一般採用AM1.5光譜(即地面中午晴空太陽光,1.000 KWm-2)作為測試電池效率的標準光源。太陽電池在AM0光譜效率一般低於AM1.5光譜效率2~4個百分點,例如一個AM0效率為16%的Si太陽電池AM1.5效率約為19%)。
◎ 25℃,AM0條件下太陽電池效率
電池類型 面積(cm2) 效率(%) 電池結構
一般Si太陽電池 64cm2 14.6 單結太陽電池
先進Si太陽電池 4cm2 20.8 單結太陽電池GaAs太陽電池 4cm2 21.8 單結太陽電池
InP太陽電池 4cm2 19.9 單結太陽電池
GaInP/GaAs 4cm2 26.9 單片疊層雙結太陽電池
GaInP/GaAs/Ge 4cm2 25.5 單片疊層雙結太陽電池
GaInP/GaAs/Ge 4cm2 27.0 單片疊層三結太陽電池
◎ 聚光電池
GaAs太陽電池 0.07 24.6 100X
GaInP/GaAs 0.25 26.4 50X,單片疊層雙結太陽電池
GaAs/GaSb 0.05 30.5 100X,機械堆疊太陽電池
空間太陽電池在大氣層外工作,在近地球軌道太陽平均輻照強度基本不變,通常稱為AM0輻照,其光譜分佈接近5800K黑體輻射光譜,強度1353mW/cm2。因此空間太陽電池多采用AM0光譜設計和測試。
空間太陽電池通常具有較高的效率,以便在空間發射的重量、體積受限制的條件下,能獲得特定的功率輸出。特別在一些特定的發射任務中,如微小衞星(重量在50~100公斤)上應用,要求單位面積或單位重量的比功率更高。
抗輻照性能
空間太陽電池在地球大氣層外工作,必然會受到高能帶電粒子的輻照,引起電池性能的衰減,主要原因是由於電子或質子輻射使少數載流子的擴散長度減小。其光電參數衰減的程度取決於太陽電池的材料和結構。還有反向偏壓、低温和熱效應等因素也是電池性能衰減的重要原因,尤其對疊層太陽電池,由於熱脹係數顯著不同,電池性能衰減可能更嚴重。
空間太陽電池的可靠性
光伏電源的可靠性對整個發射任務的成功起關鍵作用,與地面應用相比,太陽電池/陣的費用高低並不重要,因為空間電源系統的平衡費用更高,可靠性是最重要的。空間太陽電池陣必須經過一系列機械、熱學、電學等苛刻的可靠性檢驗。
Si太陽電池
硅太陽電池是最常用的衞星電源,從1970年代起,由於空間技術的發展,各種飛行器對功率的需求越來越大,在加速發展其他類型電池的同時,世界上空間技術比較發達的美、日和歐空局等國家,都相繼開展了高效硅太陽電池的研究。以日本SHARP公司、美國的SUNPOWER公司以及歐空局為代表,在空間太陽電池的研究發展方面領先。其中,以發展背表面場(BSF)、背表面反射器(BSR)、雙層減反射膜技術為第一代高效硅太陽電池,這種類型的電池典型效率最高可以做到15%左右,目前在軌的許多衞星應用的是這種類型的電池。
到了70年代中期,COMSAT研究所提出了無反射絨面電池(使電池效率進一步提高)。但這種電池的應用受到限制:一是製備過程複雜,避免損壞PN結;二是這樣的表面會吸收所有波長的光,包括那些光子能量不足以產生電子-空穴對的紅外輻射,使太陽電池的温度升高,從而抵消了採用絨面而提高的效率效應;三是電極的製作必須沿着絨面延伸,增加了接觸的難度,使成本升高。
80年代中期,為解決這些問題,高效電池的製作引入了電子器件製作的一些工藝手段,採用了倒金子塔絨面、激光刻槽埋柵、選擇性發射結等製作工藝,這些工藝的採用不但使電池的效率進一步提高,而且還使得電池的應用成為可能。特別在解決了諸如採用帶通濾波器消除温升效應以後,這類電池的應用成了空間電源的主角。
雖然很多工藝技術是由一些研究所提出,但卻是在一些比較大的公司得到了發揚光大,比如倒金子塔絨面、選擇性發射結等工藝是在澳大利亞新南威爾士大學光伏研究中心出現,但日本的SHARP公司和美國的SUNPOWER公司目前的技術水平卻為世界一流,有的技術甚至已經移植到了地面用太陽電池的大批量生產。
為了進一步降低電池背面複合影響,背面結構則採用背面鈍化後開孔形成點接觸,即局部背場。這些高效電池典型結構為PERC、PERL、PERT、PERF[1],其中前種結構的電池已經在空間獲得實用。典型的高效硅太陽電池厚度為100μm,也被稱為NRS/BSF(典型效率為17%)和NRS/LBSF(典型效率為18%),其特徵是正面具有倒金子塔絨面的選擇性發射結構,前後表面均採用鈍化結構來降低表面複合,背面場採用全部或局部背場。實際應用中還發現,雖然採用局部背場工藝的電池要普遍比NRS/BSF的電池效率高一個百分點,但通常局部背場的抗輻照能力比較差。
到了20世紀90年代中期,空間電源工程人員發現,雖然這種類型電池的初期效率比較高,但電池的末期效率比初期效率下降25%左右,限制了電池的進一步應用,空間電源的成本仍然不能很好地降低。
為了改變這種情況,以SHARP為首的研究機構提出了雙邊結電池結構,這種電池的出現有效地提高了電池的末期效率,並在HES、HES-1衞星上獲得了實際應用。
太陽能路燈 太陽能路燈
另外研究人員還發現,衞星對電池陣位置的要求比較苛刻,如果太陽電池陣不對日定向或對日定向差等都會影響到衞星電源的功率,這在一定程度上也限制了衞星整體系統的配置。比如空間站這樣複雜的飛行器,有的電池陣幾乎不能完全保證其充足的太陽角,因而就需要高效電池來滿足要求。雖然目前已經部分應用了常規的高效電池,但電池的高的α吸收係數、有限的空間和重量的需要使其仍然不能滿足空間系統大規模功率的需要。傳統的電池結構仍然受到很大程度的限制。在這種情況下,俄羅斯在研究高效硅電池初期就側重於提高電池的末期效率為主,在結合電池陣研究方面提出了雙面電池的構想並獲得了成功,真正做到了高效長壽命和低成本。
太陽能路燈
太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈,因其具有不受供電影響,不用開溝埋線,不消耗常規電能,只要陽光充足就可以就地安裝等特點,因此受到人們的廣泛關注,又因其不污染環境,而被稱為綠色環保產品。太陽能路燈即可用於城鎮公園、道路、草坪的照明,又可用於人口分佈密度較小,交通不便經濟不發達、缺乏常規燃料,難以用常規能源發電,但太陽能資源豐富的地區,以解決這些地區人們的家用照明問題。

太陽能法律法規

2007年8月,國家發改委發佈了《可再生資源中長期發展規劃》,規劃提出,到2010年中國可再生能源年利用量將達到2.7億噸標準煤。其中,水電達到1.8億千瓦,風電超過500萬千瓦,生物質發電達到550萬千瓦,太陽能發電達到30萬千瓦;燃料乙醇生物柴油年利用量分別達到200萬噸和20萬噸;沼氣年利用量達到190億立方米,太陽能熱水器總集熱面積達到1.5億平方米。從2010年~2020年,中國可再生能源將有更大地發展。其中,水電將達到3億千瓦,風電裝機和生物質發電目標都是3000萬千瓦,太陽能發電達到180萬千瓦;燃料乙醇和生物柴油年生產能力分別達到1000萬噸和200萬噸;沼氣年利用量達到443億立方米,太陽能發電達到180萬千瓦;太陽能熱水器總集熱面積達到3億平方米。根據規劃提出的目標,到2020年,中國一次能源消費結構可再生能源比例將由目前的7%提升到16%。
2005年9月,上海市政府公佈“上海開發利用太陽能行動計劃”。
2006年6月,中國成立風能太陽能資源評估中心。
2009年3月23日,財政部印發《太陽能光電建築應用財政補助資金管理暫行辦法》,擬對太陽能光電建築等大型太陽能工程進行補貼。
2011年《十二五新能源規劃綱要》中。
2012年3月27日,中華人民共和國科學技術部以國科發計〔2012〕198號印發《太陽能發電科技發展“十二五”專項規劃》中。
為促進太陽能發電產業持續健康發展,國家能源局根據《可再生能源發展“十二五”規劃》,組織編制了《太陽能發電發展“十二五”規劃》,現印發你們,並就有關事項通知如下:
一、加強規劃指導,優化建設佈局。各地能源主管部門根據本規劃要求,完善本地區太陽能發電規劃目標、佈局和開發時序,有序推進太陽能發電項目建設。
二、立足就地消納,優先分散利用。太陽能發電項目開發要綜合考慮太陽能資源、承載物(或土地)資源及併網運行條件等,所發電量立足就地消納平衡,優先發展分佈式太陽能發電。
三、加強電網建設,落實消納市場。電網企業要加強配套電網建設,優化電網運行,加強電力需求側管理,建立太陽能發電綜合技術支持體系,提高適應太陽能發電併網運行的系統調節能力,保障太陽能發電併網運行和高效利用。
四、加強建設運行管理,提高技術水平。項目單位要充分發揮項目建設和運行的主體作用,高度重視工程質量,全面加強項目建設運行管理,鼓勵開展多種技術和運營方式的創新。
五、加強規劃評估,適時調整完善。在規劃實施過程中,適時開展太陽能發電規劃評估,根據發展形勢對規劃進行必要的修訂和調整。 [8] 
中國《可再生能源法》的頒佈和實施,為太陽能利用產業的發展提供了政策保障;京都議定書的簽定,環保政策的出台和對國際的承諾,給太陽能利用產業帶來機遇;西部大開發,為太陽能利用產業提供巨大的國內市場;原油價格的上漲,中國能源戰略的調整,使得政府加大對可再生能源發展的支持力度,所有這些都為中國太陽能利用產業的發展帶來極大的機會。

太陽能發展前景

太陽能中國

中國藴藏着豐富的太陽能資源,太陽能利用前景廣闊。目前,中國太陽能產業規模已位居世界第一,是全球太陽能熱水器生產量和使用量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產國。中國比較成熟太陽能產品有兩項:太陽能光伏發電系統和太陽能熱水系統。
2023年2月,《中華人民共和國2022年國民經濟和社會發展統計公報》發佈,2022全年太陽能電池(光伏電池)產量3.4億千瓦,增長46.8%。併網太陽能發電裝機容量39261萬千瓦,增長28.1%。 [11] 
2023年4月4日,中國氣象局發佈《2022年中國風能太陽能資源年景公報》。公報顯示,2022年,全國太陽能資源總體為偏大年景 [12] 

太陽能澳大利亞

2014年12月15日,澳大利亞新南威爾士大學(UNSW)的太陽能研究人員,已經可以將太陽能轉化為電能的效率提高到40%以上,這是至今最高紀錄。 [9] 

太陽能國外

1974年至1997年,美日等發達國家硅半導體光電池發電成本降低了一個數量級:從每瓦50美元降到了5美元。此後世界各國專家大都認為,要使太陽能電站與傳統電站(主要是火電站)相比具有經濟競爭力,還有一段同樣長的路要走——其成本再降低一個數量級才行。目前美國等國家建的利用太陽池發電的項目很多。在死海之畔有一個1979年建的7000平方米的實驗太陽池,為一台150千瓦發電機供熱。美國計劃將其鹽湖的8.3%面積(約8000平方千米)建成太陽池,為600兆瓦的發電機組供熱。今年6月,亞美尼亞無線電物理所的專家宣佈,已在該國山地開始建造其“第一個小型實驗樣板”型工業太陽能電站。該電站使用的渦輪機是使用壽命已屆滿而從直升機上拆下來的渦輪機,裝機容量僅100千瓦,但發電成本僅0.5美分/千瓦小時,效率高達40%—50%。
俄羅斯學者在太陽池研究方面也取得了令人矚目的進展。一家公司將其研製的太陽能噴水式推進器和噴冷式推進器與太陽池工程相結合,給太陽池附設冰槽等設施,設計出了適用於農家的新式太陽池。按這種設計,一個6到8口人的農户建一個70平方米的太陽池,便可滿足其100平方米住房全年的用電需要。
以色列2012年可再生能源裝機容量為:風能6.2兆瓦、水電8兆瓦、生物燃料12兆瓦、大型太陽能光熱電站0兆瓦、中型太陽能光熱電站7兆瓦、小型光伏板發電站218兆瓦。預計至2015年,以大型太陽能光熱電站將增至740兆瓦,中型太陽能電站增至330兆瓦,小型光伏板發電站增至330兆瓦。

太陽能相關謠言與真相

隨着2015年聯合國氣候變化大會的召開,環境問題勢必將成為熱門話題。會議上討論的重點話題之一就是可替代能源。太陽能專家雷娜·拉索,她在推特上創建了關於太陽能的智囊團,還成立了“Women for Solar”組織幫助人們安裝買來的太陽能電池板 [10] 
拉索表示,她在以色列長大,從小被教導要環保,節約能源。這也是她為什麼那麼熱衷於太陽能事業的原因。
謠言一:極端天氣是太陽能電池板的天敵 [10] 
真相:它們看起來精巧脆弱,但是實際上卻很有彈力。説出來你可能不敢相信……但有的時候颶風把部分屋頂都掀翻了,太陽能板卻絲毫未損。
有丙烯酸包裹的太陽能電池板能禁得住速度每小時80英里、直徑5英寸的模擬冰雹(想想就很疼)。亞利桑那州立大學進行了這項模擬實驗,他們有世界上最大的太陽能板試驗裝置之一。
“説實在的,遇到暴風雨、颶風之類的,太陽能電池板其實還能保護你家的屋頂。”拉索説 [10] 
謠言二:太陽能電池板根本產生不了多少能量 [10] 
真相:太陽能以前確實不是一種高效能源,但是時代在變化,科技也在飛速進步呀。拉索表示,在像夏威夷那樣陽光充足的地方,太陽能的效率比化石燃料的高多了。
根據太陽能公司“太陽城”所述,一塊標準的太陽能電池板能產生大約200瓦特的能量。當然,這也取決於①電池板的品質;②電池板的大小;③直接照射到電池板上的陽光量啦 [10] 
謠言三:太陽能很貴 [10] 
真相:太陽能技術在不斷提高,它的花銷自然就降低了。在2012年的夏威夷,一套標準的太陽能裝置只用四年就回本了,並在使用壽命期間創造了四倍於成本的利潤。
拉索説,實際上太陽能每個月可以為一個家庭省下數百美元。很多公司甚至免費給住户安裝太陽能電池板,以此收穫能源,然後轉賣給當地的發電廠。利潤由住户和公司分享。這樣一來,住户省了電費,公司賺到了錢,雙贏。
美國的sunrun公司和英國的伊西斯公司(伊西斯是古埃及太陽女神)都提供這樣的交易。另外,以色列的一家公司還打算在美國拓展市場呢 [10] 
謠言四:太陽能面板很難維護 [10] 
真相:拉索表示,太陽能基本一點都不用維護。
“根本就沒有能動的部件嘛。”
不過呢,一年清理幾次灰塵和碎屑還是有必要的。但基本上用院子裏的橡膠水管就可以解決:在早晨或晚上用水沖沖就好(最好在它們不熱的時候衝,防止電池板破裂)。自動灑水裝置也可以。
謠言五:太陽能只是個備胎選項 [10] 
真相:在一些人的想象裏,太陽能被儲存在某個發電機裏,遇到緊急情況才拿出來用。然而現實中,太陽能與輸電網是相關聯的。太陽能用户既可以從電池板用電,又可以從電網用電。多餘的太陽能被輸送到電網中,過程中經常還能給用户賺點錢 [10] 
參考資料
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