太阳能热利用：通过集热和储热系统驾驭太阳热能

太阳能热利用技术为驾驭太阳能提供了一条强大而多功能的途径。与将太阳光直接转化为电能的光伏（PV）系统不同，太阳能热利用系统捕获太阳的热量来产生热水、热空气或蒸汽。这种热能可以直接用于供暖和制冷，或通过蒸汽轮机发电。此外，太阳能热利用的一个关键优势是其能够与热能储存（TES）系统集成，允许在没有阳光时储存和使用能量，从而解决了其他可再生能源面临的间歇性挑战。

了解太阳能集热

任何太阳能热利用系统的核心是集热器，它负责吸收太阳辐射并将其转化为可用的热量。存在不同类型的集热器，每种都适用于特定的应用和温度范围。

太阳能集热器的类型

• 平板集热器：这是最常见的太阳能热利用集热器类型，通常用于家用热水和空间供暖。它们由一个深色吸热板（通常附有管道或通道）和一个透明盖板组成。吸热板吸收太阳辐射，将热量传递给在管道中循环的流体（水或防冻液）。平板集热器设计相对简单，成本效益高，适用于较低温度的应用（最高可达80°C）。
• 真空管集热器：这类集热器比平板集热器效率更高，尤其是在寒冷气候和较高温度下。它们由包含真空的独立玻璃管组成。真空最大限度地减少了对流和传导造成的热损失，从而允许更高的工作温度。真空管集热器常用于家用热水、空间供暖和工业过程热应用。
• 聚光太阳能集热器（CSP）：这类集热器使用镜子或透镜将阳光聚焦到一个较小的接收器上，从而集中太阳能并达到更高的温度。CSP技术通常用于发电和工业过程热。CSP技术的例子包括：
  • 槽式抛物面集热器：这类集热器使用曲面镜将阳光聚焦到位于槽焦线上的接收管。传热流体（HTF），如油或熔盐，在接收管中循环，吸收集中的太阳能。槽式抛物面系统广泛用于发电。
  • 塔式太阳能热发电：这些系统使用一个镜场（定日镜）将阳光反射到位于塔顶的中央接收器上。集中的太阳能加热接收器中的工作流体（水、熔盐或空气），然后用于发电。
  • 碟式/引擎系统：这些系统使用抛物面碟式反射器将阳光聚焦到接收器上，接收器直接与热机（如斯特林发动机）耦合。热机将热能转化为机械能，然后用于发电。

影响集热器性能的因素

有几个因素会影响太阳能热利用集热器的性能，包括：

• 太阳辐照度：照射到集热器表面的太阳辐射量直接影响吸收的热量。
• 环境温度：较高的环境温度会降低集热器的效率，因为集热器与环境之间的温差减小。
• 集热器朝向和倾角：集热器相对于太阳位置的角度和朝向显著影响截获的太阳辐射量。最佳的朝向和倾角因纬度和一年中的时间而异。
• 集热器效率：集热器的效率决定了入射的太阳辐射中有多少被转化为可用的热量。
• 天气条件：多云或阴天条件会减少太阳辐照度，对集热器性能产生负面影响。

热能储存（TES）系统

热能储存（TES）是许多太阳能热利用系统中的关键组成部分，能够储存热量以备后用。这使得即使在没有阳光的情况下（如夜间或阴天），也能利用太阳能。TES可以显著提高太阳能热利用的可靠性和可调度性，使其成为比化石燃料更可行的替代方案。

热能储存的类型

• 显热储存：这是最常见的TES类型，通过提高储存介质（如水、油、岩石或混凝土）的温度来储存热能。储存的能量取决于储存材料的比热容、其质量和温度变化。显热储存相对简单且成本效益高，但可能需要较大的储存体积。
• 潜热储存：这种TES类型利用材料在相变（如熔化或凝固）过程中吸收或释放的热量。相变材料（PCM）每单位体积可以储存比显热储存材料多得多的能量。常见的PCM包括石蜡、盐水合物和有机化合物。与显热储存相比，潜热储存提供更高的能量密度，但PCM可能更昂贵，并需要精心设计以确保高效的热传递。
• 热化学储存：这种TES类型通过可逆化学反应来储存能量。当施加热量时，化学反应吸收能量；当反应逆转时，能量被释放。热化学储存具有实现非常高的能量密度和长期储存的潜力，但它是一项更复杂的技术，目前仍处于开发阶段。

影响TES性能的因素

有几个因素会影响热能储存系统的性能，包括：

• 储存容量：储存系统可以容纳的热能量。
• 储存效率：可以回收的已储存能量的百分比。
• 充放电速率：能量可以被储存和释放的速率。
• 储存时长：能量可以储存而无显著损失的时间长度。
• 储能材料特性：储存材料的热导率、比热容和其他特性。

太阳能热利用技术的应用

太阳能热利用技术应用广泛，涵盖住宅、商业、工业和公用事业规模等领域。

住宅和商业应用

• 太阳能热水：这是太阳能热利用技术最常见的应用，用于为家庭和企业加热生活热水。太阳能热水系统可以显著减少能源消耗并降低水电费。例如，在以色列和塞浦路斯等国家广泛使用的太阳能热水器。
• 太阳能空间供暖：太阳能热利用系统也可以直接用于建筑物供暖，使用太阳能空气加热器或通过散热器或地暖系统循环热水。
• 太阳能制冷：太阳能热能可用于驱动吸收式制冷机或干燥剂冷却系统，为建筑物提供空调。这在太阳辐射充足的炎热气候中尤其具有吸引力。例如，中东一些大学的太阳能冷却系统。
• 太阳能泳池加热：太阳能集热器可用于加热游泳池，延长游泳季节并降低能源成本。

工业应用

• 太阳能工艺加热：太阳能热利用系统可以为各种工业应用提供工艺热，例如食品加工、纺织制造和化学生产。这可以减少对化石燃料的依赖并降低温室气体排放。聚光太阳能发电（CSP）正越来越多地用于为工业产生高温工艺热。
• 太阳能海水淡化：太阳能热能可用于驱动海水淡化厂，为干旱和缺水地区提供淡水。例如，澳大利亚和中东的太阳能海水淡化项目。

公用事业规模应用

• 聚光太阳能发电（CSP）厂：CSP电厂使用大型镜阵将阳光集中到接收器上，产生用于通过蒸汽轮机发电的高温热量。CSP电厂可以集成热能储存（TES）以在没有阳光时也能提供电力。例如，摩洛哥的努尔·瓦尔扎扎特太阳能发电站和美国的伊万帕太阳能发电系统。
• 太阳能辅助区域供暖：太阳能热利用系统可以与区域供暖网络集成，为社区中的多个建筑物提供供暖和生活热水。例如，丹麦和德国的区域供暖系统就采用了太阳能热能。

太阳能热利用技术的优势

太阳能热利用技术具有众多优势，使其成为可持续能源未来的一个引人注目的解决方案：

• 可再生和可持续：太阳能热能是一种可再生和可持续的能源，减少了对化石燃料的依赖并减缓了气候变化。
• 能源效率：太阳能热利用系统可以非常节能，将大部分太阳辐射转化为可用的热量。
• 减少碳排放：与基于化石燃料的能源系统相比，太阳能热利用技术显著减少了碳排放。
• 能源安全：太阳能热利用系统可以通过减少对进口化石燃料的依赖来增强能源安全。
• 创造就业：太阳能热利用产业在制造、安装、维护以及研发领域创造了就业机会。
• 电网稳定性：带有热能储存（TES）的太阳能热电厂可以提供可调度的电力，有助于电网的稳定性和可靠性。
• 成本效益：近年来，太阳能热利用技术的成本已大幅下降，使其与基于化石燃料的能源越来越具有竞争力。

太阳能热利用技术的挑战

尽管有许多优势，太阳能热利用技术也面临一些挑战：

• 间歇性：太阳能是间歇性的，意味着其可用性取决于天气条件和一天中的时间。热能储存（TES）可以帮助缓解这一挑战，但它增加了系统的成本和复杂性。
• 土地使用：聚光太阳能发电（CSP）厂需要大面积的土地，这在某些地区可能是一个问题。
• 水消耗：一些CSP电厂使用水进行冷却，这在干旱地区可能是一个问题。干式冷却技术可以减少水消耗，但也会增加成本。
• 高昂的初始成本：太阳能热利用系统的初始投资成本可能高于传统能源系统，尽管这一成本正在迅速下降。
• 维护：太阳能热利用系统需要定期维护以确保最佳性能。

太阳能热利用技术的未来

太阳能热利用技术的未来是光明的，持续的研发工作致力于提高效率、降低成本和扩大应用。关键的创新领域包括：

• 先进的集热器设计：开发更高效、更具成本效益的太阳能集热器。
• 改进的热能储存：开发具有更高能量密度和更长储存时间的先进TES材料和系统。
• 聚光太阳能发电（CSP）的进步：提高CSP电厂的效率并降低其成本。
• 与其他可再生能源的整合：将太阳能热能与风能和地热能等其他可再生能源相结合，创建混合能源系统。
• 智能电网集成：将太阳能热能集成到智能电网中，以优化能源分配和管理。
• 新颖应用：探索太阳能热利用技术的新应用，如太阳能燃料生产和太阳能驱动的工业过程。

全球案例与倡议

在全球范围内，各国和组织都在积极推广和实施太阳能热利用技术。以下是一些例子：

• 摩洛哥的努尔·瓦尔扎扎特太阳能发电站：这座聚光太阳能发电（CSP）厂是世界上最大的电厂之一，利用热能储存即使在日落后也能提供电力。它代表了摩洛哥在可再生能源方面的重大投资。
• 丹麦的区域供暖系统：丹麦是区域供暖的领导者，其许多系统都集成了太阳能热能，为家庭和企业提供热水。这帮助丹麦减少了对化石燃料的依赖并降低了碳排放。
• 澳大利亚的太阳能海水淡化项目：由于其干旱的气候，澳大利亚投资了太阳能海水淡化项目，为社区提供淡水。这些项目利用太阳能热能为海水淡化厂提供动力，减少了水生产对环境的影响。
• 印度的国家太阳能任务：印度的国家太阳能任务旨在全国推广包括太阳能热利用在内的太阳能技术。该任务包括太阳能热水、太阳能工艺加热和聚光太阳能发电（CSP）的目标。
• 欧盟的太阳能热利用路线图：欧盟制定了一份太阳能热利用路线图，概述了在整个欧洲增加太阳能热利用技术部署的战略。该路线图包括太阳能热水、太阳能空间供暖和太阳能区域供暖的目标。

结论

太阳能热利用技术为驾驭太阳能提供了一条成熟且多功能的途径，可用于广泛的应用。通过捕获和储存太阳热能，这些系统可以为家庭、企业和工业提供可靠和可持续的能源。随着技术的不断进步和成本的下降，太阳能热利用有望在全球向清洁能源未来的转型中扮演越来越重要的角色。热能储存（TES）的整合对于解决间歇性问题和增强太阳能热利用的可调度性至关重要，进一步巩固了其作为多元化和可持续能源组合中关键组成部分的地位。