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中国经济高速发展能源资源约束日益突出。
这种情况下大力发展可再生能源是缓解能源瓶颈、促进中国经济发展的必然选择。
新能源不仅取之不尽而且间接价值也十分可观。
据专家推算每利用相当于1吨标准煤的可再生资源可以节约原生资源120吨少产生垃圾废水10吨增加产值约3000元人民币产生利润500元。
利用可再生资源进行生产不仅可以节约资源遏制废弃物泛滥而且比利用原生资源进行生产具有消耗低、污染物排放少的优点。
专家指出开发可再生能源与提高能源使用效率相结合不仅对中国经济的可持续发展具有重大意义还可以降低对煤炭的过分依赖保障能源供应安全同时还能减少废气排放为改善环境质量作出贡献。
此外如果新能源产业能够得到健康快速发展可以带动大批相关产业的发展并为城市创造大量就业岗位。
二、云南省新能源储备储备情况
云南省位于中国的东南部处于与老挝、越南、缅甸接壤的重要地理位置处低纬度高原地理位置特殊地形地貌复杂所以气候也很复杂。
主要受南孟加拉高压气流影响形成的高原季风气候全省大部分地区冬暖夏凉四季如春的气候特征。
全省气候类型丰富多样有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带和高原气候区共7个气候类型。
自然资源丰富具有“有色金属王国”之称风能、太阳能、地热能等新能源丰富为新能源产业的发展提供了有力的条件下面我们主要就下面几种新能源的技术需求供给进行分析并提出一定的对策和建议。
几种新能源的技术现状分析。
技术创新弥补可再生能源的不足。
在分析我省能源方面时可以看到这些清洁能源有一些弱点克服这些弱点成为技术难题组织人力物力攻破清洁能源的弱点是实现能源结构转型的突破点。
美国学者莱斯特R布朗认为通过更少的自然资源消耗和更少的环境污染获得更多的经济产出是创造更高的生活标准和更好的生活质量的途径和机会也为发展应用和输出先进技术创造了机会,中国学者庄贵阳认为新能源产业实质是高能源效率和清洁能源结构问题核心是能源技术创新和制度创新。
发展与气候和环境友善的新能源产业经济有利于我省乃至全国转变经济增长方式和环境保护。
2.1太阳能
太阳是一个巨大、久远、无尽的能源同时也是许多能源的来源。
尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约3.75×
1026W)的22亿分之一但已高达173,000TW也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。
地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。
太阳能既是一次能源又是可再生能源。
它的资源丰富既可免费使用又无需运输对环境没有任何污染。
太阳能的有效开发能解决化石能源短缺与环境污染问题实现低碳经济是理想的替代能源。
太阳能具有广泛的应用性但目前的开发利用尚未成熟因为太阳能的一些弱点人们尚未克服不能实现常年的不间断利用发展主要有两方面的缺点:
一是能流密度低二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。
这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。
云南地形极为复杂大体上西北部是高山深谷的横断山区东部和南部是云贵高原。
平均海拔2000米左右。
主要是波状起伏的低山和浑圆丘陵发育着各种类型的岩溶地貌云南西部为横断山脉纵谷区高山与峡谷相间云南地势雄奇险峻。
目前云南太阳能热利用技术较为成熟这一方面可以减少大量化石燃料或生物质燃料的使用如果大力推行太阳能热利用不但可以节约大量的资源同时对环境也大有好处这一点在太阳能资源丰富、又是冶金等重工业聚集的云南省更重要对减排目标的实现将起到巨大的推动作用。
在新能源中太阳能是最理想的可再生能源。
目前国际上对太阳能的开发十分重视。
到2003年底我国已安装光伏电池约5万千瓦太阳能热水器使用量和生产量均居世界前列2003年使用量为5200万平方米约占世界40%年产量达1200万平方米。
据测算中国拥有可开发太阳能达1700亿吨标准煤。
太阳能产业是指围绕太阳能利用技术而发展起来的各个相关产业的总称。
目前太阳能利用方式有:
(1)光热转换。
光热转换是太阳能利用的最基本形式.它直接将太阳光转换成热能,将水加热并向建筑输送.这些热水可以用来取暖、饮食和洗浴,它也可以直接收集太阳的辐射能并转换成热能。
(2)光电转换。
光电转换是利用光生伏特效应来发电。
所谓光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或者半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
当太阳光照射到太阳能电池上时其中一部分被表面反射掉其余部分被吸收或透过。
被吸收的光一部分光子变成热另一部分光子则同组成半导体的原子价电子碰撞产生电子。
这样光能就以产生电子形式转变为电能。
(3)光化学转换。
光化学转换目前还处于实验室阶段。
其中包括利用半导体电极催化分解水,产生氢气这将是未来燃料电池发展的关键技术。
主要集中在两个方面太阳能光伏发电产业和太阳能热利用产业。
表1我国太阳能资源分布
地区分类
辐射年总量(MJom-2on-2)
日照百分
率r(%)
全年日照
时数(h)
代表地区
丰富区
6700--8370
r>
75
3200-3300
日照百分率>
75%宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏等
较丰富区
5860--6700
70≤r≤75
3000-3200
河北北部、山西北部、内蒙和宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆西部
良好区
5020---5860
65≤r<70
2200-3000
北京、山东、河南、河北东部、山西南部、新疆北部、云南、陕西、广东及福建南部
可用区
4190---5020
60≤r<65
1400-2200
湖南、湖北、江西、浙江、广西、广东北部、江苏和安徽南部、黑龙江等
贫乏区
3350--4190
r<60
1000-1400
四川、贵州、江西及广西部分地区等
2.2我国太阳能产业技术发展现状
1954年第一个具有实用价值的太阳能电池在Bell实验室诞生一个太阳光——电转换的新时代从此开始了。
20世纪后半叶太阳能技术取得了巨大的进步从空间飞行器、发电站到电子手表、家电,太阳能元器件在众多的领域得到广泛应用。
将太阳能技术应用于节能建筑的建设中是降低建筑能耗的重要途径,这是建筑技术和太阳能技术相结合的新领域。
太阳能集热和光伏工程同时得到广泛关注,在向建筑提供热的同时可持续地产生电能。
中国蕴藏着丰富的太阳能资源太阳能利用前景广阔。
中国太阳能利用进入大规模实用阶段的条件已经成熟。
中国已经成为世界上产量最大的太阳能消费品生产国,形成了广阔的农村太阳能产品消费市场。
2002-2008年间,太阳能热产业迅猛发展已经成为世界太阳能产业和市场发展最快的国家之一。
2007年,我国光伏电池产量首次超过德国和日本居世界第一位。
在可再生能源产业中太阳能热水器已成为拥有自主知识产权、生产规模全球最大、普及面最广的绿色朝阳产业。
太阳能热水器产业经过近三十年的发展,基本形成较为完整的产业化体系、市场开发体系和服务体系。
2008年太阳能热水器产量已经达到3100万平方米占世界总产量的76%总保有量12300万平方米占世界总保有量的56%;
我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国也拥有最大的太阳能热水器消费市场。
我国已成为全球第三大光伏产品制造基地。
在其关键环节——太阳能电池制造上我国已基本具备生产设备整线装备能力。
在目前国产设备及进口设备的主流建设方案中,国产设备在数量上已占多数。
总体来说我国太阳能资源总量丰富分布相对集中属于太阳能资源较丰富区。
大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上云南地区日辐射量最高达每平方米9千瓦时为云南省太阳能产业提供了充足的资源。
1、我国太阳能利用现状
(1)太阳能光伏发电产业
太阳能光伏发电产业在我国起步较晚技术落后但具有广阔的发展前景。
据中国能源协会资料预计到2030年光伏装机容量将达1亿千瓦年发电量可达1300亿千瓦时相当于少建30多个大型煤电厂。
不过尽管我国太阳能光伏发电潜力巨大但真正并网型的太阳能光伏市场远未形成。
直到2006年年底中国光伏发电的总装机量还不到100兆瓦2006年一年增加的装机量是10到15兆瓦发展速度非常缓慢。
同时我国太阳能光伏产业呈现典型的“两头在外”的窘境即光伏产业的主要销售市场以及核心技术和原材料都主要来自国际市场绝大多数中国生产的光伏产品都出口到国外市场如欧洲、美国、日本等。
在整个光伏产业市场尚未快速发展的同时中国的太阳能电池产业的发展却相当快在太阳能光伏电池业内中国已诞生一大批著名企业但国内企业主要集中在电池片、电池组件和应用系统等产业链中下游环节由于光伏产业链上游产品利润率远高于中下游因此我国大部分光伏企业产品附加值低竞争力弱。
太阳能发电的分类
太阳能热发电的优势在于其优良的储能性。
众所周知,太阳能光伏发电是将光能直接转化为电能而若想直接将发出的电能大量储存难度很大,成本也是相当惊人的,但太阳能热发电是先将光能转化为热能,再将热能转化为电能。
热能的储存较电能来说是非常容易且廉价的,所以太阳能热发电优良的储能性将会有很大的发展空间和潜力。
太阳能发电
太阳能直接光发电(太阳能光伏发电、太阳能光感应发电)
太阳能间接光发电(太阳能光化学发电、太阳能光生物发电、太阳能光感应发电(塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、盘式太阳能热发电))
太阳能光伏技术
太阳光伏发电是指将光能直接转变为电能的发电方式。
它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。
建筑上主要使用的是光伏发电系统。
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳能转换为电能的发电系统其工作原理主要是半导体的光电效应太阳能光电板捕获太阳能并生成直流电(DC)逆变器(电力调节器)将直流电(DC)转换成交流电(AC)可直接和城市电网相连接用以运行许多常用电器和设备。
在太阳能电力充足的情况下向城市电网送电否则由城市电网补充电力的不足。
如果不能直接和城市电网相连接的时候则需要蓄电池储存电力。
太阳能光伏系统有着自身应用的条件如光电板设置的角度、朝向以及选择材料都对太阳能光伏板光电的转换效率产生直接的影响太阳能光电板安置在建筑表面可以最大接收太阳能这对建筑设计提出了一定技术要求。
1.1光电池
光电池是由可直接将光能转化为电光电池是由可直接将光能转化为电能的晶片制成有时也称光电元件或太阳能电池。
单晶元件的效率最高但是价格也最贵。
为了降低造价多晶硅元件和薄膜光电元件被研制出来。
薄膜光电元件是由非晶硅、二硒化铜铟或碲化钙制成。
虽然这些元件的光电转化效率(约8%)只是单晶硅元件的一半。
更多的研究致力于提高它们的光电转化率。
在实验室中目前转化率最高可达33%。
因为光电元件很小很易碎而且只产生少量的电能人们把它们组合成组件。
这些组件有很多规格组件可以被组装成排板也可以更进一步被组装成阵板。
太阳能热发电
(2)太阳能热利用产业
与太阳能光伏发电技术不同,太阳能热利用技术在我国已有成熟的工业生产体系,并且拥有核心技术。
2001年我国太阳能热利用产业产值100亿元,总保有量达3200万㎡,2006年产值250亿元,总保有量为9000万㎡。
表1预测到2020年我国太阳能热利用发展总体情况
年代
年产量
(万㎡)
累计量
我国人口数
(亿)
每千人占
有量(㎡)
2010
2600-3000
11000-12800
13.71
80-93
2015
4000-5000
27000-35000
14.00
192-250
2020
7000-10000
﹥40000
14.27
﹥280
资料来源:
摘自2020年中国能源科学和技术发展研究.
2、低碳时代我国太阳能产业发展技术路线图
基于太阳能利用的两个方向、太阳能光伏产业和太阳能热利用产业的产业链情况,并依据相关技术资料初步做出两个方向的技术路线图。
1、太阳能产业链
从太阳能利用的两条途径出发可以得出两条产业链。
一般认为对于太阳能光伏产业来说,产业链包括上游的原材料制备及电池制造,中游的电池组件封装设计制造及蓄电池等配套部件生产,下游是光伏系统的集成及应用。
可以表示为:
原材料——硅片——电池片生产——电池组件生产——光伏发电系统,其中太阳能电池是最重要的生产环节。
太阳能电池按材料分主要有:
单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、化合物电池、有机电池和染料敏化电池等。
以硅为原材料的电池是最重要的成员,单晶硅电池技术成熟,性价比好,是目前最受重视的太阳能电池;
多晶硅电池价格较低廉但是转换效率不高,适合于建设光伏电站,也可作光伏建筑材料;
非晶硅则尚未大量应用。
薄膜电池材料是当前国际上主要研发方向之一,可以得到很高的转换效率;
而聚光电池则突破了普通太阳能电池高成本制约。
对于太阳能热利用产业主要产品集中在各类太阳能集热器热水器上。
产业链条可以分为:
原材料——产品开发设计——真空集热管等部件生产——整机制造——工程设计安装——营销服务等。
2.太阳能产业技术路线图
(1)太阳能光伏产业技术路线图
根据太阳能光伏产业链情况,并结合生产工艺技术及市场情况,初步绘制的光伏产业技术路线图如图4
石英砂——冶金级硅原料——多晶单晶硅料——硅锭、硅片——电池片——电池组件生产——光伏发电系统——高伏光网发电系统、并网光伏发电系统
当前我国太阳能光伏产业已逐步拓展步入蓬勃发展时期,而多晶硅属于典型的高能耗产业。
从生产工业硅到太阳能电池全过程综合电耗达220万千瓦时/兆瓦,多晶硅电费占生产成本的35%~40%,为避免产业过度竞争和实现节能减排,国家将多晶硅列为产能过剩的行业。
专家认为多晶硅原料环节是利润率最高的环节,毛利率高达45%;
电池片环节毛利率则降至25%,而应用系统和电池组件环节则低于20%。
但受制于我国太阳能电池原材料生产技术较低,且太阳能电池原材料属于光伏产业链的基础,在整个产业链中起基础性作用,因此现阶段我国发展光伏产业与世界上先进国家还有相当差距。
国家应在政策和技术研究、资金层面上予以支持如提供融资支持,由政府牵头开发聚光太阳能电池技术等前沿技术,并推出一整套有利于光伏产业发展的政策,否则我国在光伏产业上与其他国家的差距将越来越大。
(2)太阳能热利用产业技术路线图
根据太阳能热利用产业链情况并结合生产工艺技术及市场情况初步绘制的太阳能热利用产业技术路线图如图2
石英砂——高档硅玻管——产品开发设计——真空集热管等部件——整机制造(紧凑式太阳能热水系统、分体式热水系统)——工程设计安装(被动式太阳能加热系统、主动式太阳能加热系统)——营销及售后服务。
3.我国太阳能产业相关政策
我国于2006年1月1日开始实施的《中华人民共和国可再生能源法》,其中对太阳能产业做出了相关规定:
国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统,以法律的形式普及推广和应用太阳能。
2007年8月31日,国家发展改革委发布了《可再生能源中长期发展规划》。
其中提到:
到2020年太阳能光伏发电达到180万千瓦;
到2020年全国太阳能热水器总集热面积达到约3亿平方米,加上其他太阳能热利用,年替代能源量达到6000万吨标准煤。
4.健康住宅中可应用的太阳能技术
4.1太阳能通风结构
太阳能通风结构是将太阳能空气集热器与建筑围护结构有机结合,从而使建筑围护结构与通风、被动式采暖以及被动式冷却相结合,在改善室内热环境方而起到积极的作用。
其工作原理是利用太阳辐射能量产生热压,诱导空气流动,将热能转化为空气运动的动能。
太阳能通风结构的主要形式包括:
太阳能集热墙体以及太阳能集热屋面。
在太阳辐射的作用下,将会诱导热压作用下的自然通风,从而实现房间的被动式采暖与降温。
4.2太阳能热水系统
太阳能热水系统一般包括太阳能集热器、储水箱、循环泵、电控柜和管道等。
太阳能热水系统按照其运行方式可分为四种基本形式:
自然循环式、自然循环定温放水式、直流式和强制循环式。
目前在我国家用太阳能热水器和小型太阳能热水系统多采用自然循环式,而大中型太阳能热水系统多采用强制循环式或定温放水式。
太阳能热水与地板采暖复合系统已进入实验测试阶段,特别值得注意的是,地板采暖要求的水温为40度~45度,这种形式采暖不仅保证了房间气候的热舒适性,而且其单位面积能耗大大下降。
通常1m2太阳能集热器可以配置3m2~5m2采暖面积。
4.3太阳能采暖系统
太阳能采暖包括以空气为介质的系统和以水为介质的系统。
太阳能空气采暖系统由空气集热器、蓄热装置、风机、辅助热源以及风道等组成,与后者相比,它可以避免集热器的冻结以及腐蚀等问题,其缺点是风机电耗较高、蓄热装置的体积较大、空气渗漏较严重,集热效率较低。
以水为介质的太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展,它的集热效率比太阳能空气采暖系统高,通过适当增加太阳能集热器的采光面积,太阳能采暖系统可以和太阳能热水系统联合使用。
目前,在十分重视环境保护的欧美国家,己经建成大批集太阳能热水和采暖于一体的复合系统。
4.4太阳能空调系统
实现太阳能空调有两条途径:
(1)太阳能光电转换,利用电力制冷;
(2)太阳能光热转换,以热能制冷。
前一种方法成本高,以目前太阳电池的价格来算,在相同制冷功率情况下,造价约为后者的4~5倍。
国际上太阳能空调的应用主要是后一种方法。
利用光热转换技术的太阳能空调一般通过太阳能集热器与除湿装置、热泵、吸收式或吸附式制冷机组相结合来实现。
4.5太阳光照明系统
发达国家的建筑能耗占总能耗的30%~50%,其中照明能耗又占商业建筑能耗的30%~60%,我国发达地区的建筑能耗平均占总能耗的20%~30%,其中照明占建筑能耗的30%左右。
太阳能采光照明系统包括采光、传光和照明三部分。
采光系统分为聚光和非聚光两种:
非聚光采光照明系统通常用平面反光镜或曲面镜等光学系统采光,传光方式多数采用空中传光;
聚光采光照明系统用透镜或定日镜等光学系统采光,传光方式采用导光管或光纤。
目前已有全自动跟踪太阳的采光装置主要由采光器、自动跟踪系统、传光光纤三大部分组成。
其中自动跟踪系统主要包括太阳光跟踪传感器、跟踪控制电路、机械传动机构和驱动电机。
太阳光跟踪传感器探测太阳位置传递信号至跟踪控制电路,控制电路输出驱动信号驱动相应电机,通过机械传动机构带动采光器转动,从而实现跟踪并对正太阳的功能,工作原理如图6所示。
该装置采用光电传感技术,精密地跟踪太阳,将聚光元件采集到的太阳光经传光光纤传至室内照明,光路传输示意如图7,太阳1发出的光线经过聚光元件2的会聚,经过滤光片3,通过光纤4传至弥散灯头5后输出。
1.4、太阳能电池与储能设备技术的开发。
太阳能电池
太阳能发电系统具有安全、无噪音、无污染、不耗费人力、可长期使用等优点因而成为未来替代传统化石能源的首选。
太阳能发电系统包含:
太阳能电池模板、电力调节器、充放电器与变压器、储能蓄电设备等。
其原理是太阳光照射在太阳能电池模板上电池吸收太阳光且把它转换成电能因此电池的光电能量转换效率越高时所获得的电能也就越多。
太阳能电池所产生的是直流电须经由直流/交流转换器转换成交流电以供家庭及工业使用。
此外白天电池所产生的电能须藉由储能设备储存以提供夜间使用。
因此高效能的太阳能电池与储能蓄电设备是整个发电系统中很重要的组成。
太阳能电池种类很多依材料类别主要有三:
硅太阳能电池、III-V族半导体太阳能电池及有机太阳能电池。
硅太阳能电池:
硅太阳能电池已商业化量产市场占有率达95%以上。
这类电池又可细分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池与非晶硅薄膜太阳能电池。
硅太阳能电池由P型及N型的硅半导体所组成在界面处有一内建电场。
当太阳光照射时因光子的能量够大可使硅半导体内产生电子-电洞对并受内建电场影响而分离电子往负极移动电洞往正极移动经由导线连接就可获得通过负载的电流这就是太阳能电池发电的原理。
单晶硅太阳能电池的材料是由规则排列且高纯度的单晶硅所组成其纯度、良率及稳定性最高使用寿命长且光电转换效率约17%也是硅类太阳能电池中最高的。
但原料价格昂贵因此降低电池价格与提升转换效率仍是目前主要的研发方向。
多晶硅太阳能电池使用品质较低的硅晶原材料其晶粒较大含较多杂质使得光电转换效率略低约14%。
但制程较简单且成本比单晶硅便宜20%因而较易推广主要使用在一些低功率发电系统中如提供路标照明的发电等。
然而近年来硅晶由于市场需求大增导致原料供不应求价格因而持续攀升限制了硅晶太阳能电池产能的提升。
非晶硅太阳能电池也是以硅为原料经镀膜制程而得但硅原子排列不规则制作时可选择玻璃、陶瓷、金属等为基板不需使用昂贵的结晶硅基板因而材料成本较低且无原料缺货问题再加上制程简易可以大面积制作等优点使其颇具竞争力。
市场上已有很多厂商投入但光电转换效率只有约9%发电成本约为每千瓦小时1.5美元。
若效率能提升至12%成本将降为约1.0美元接近市电价格。
III-V族半导体太阳能电池:
III-V族半导体太阳能电池具有目前最高的光电转换效率其材料由砷化镓、锗、磷化铟镓等III-V族半导体组成。
其中单一接面型的量子井结构如砷化镓/锗光电转换效率可达18%以上而多重接面的结构如磷化铟镓/砷化镓/锗效率甚至可达30%以上。
但由于材料价格过于昂贵目前仅局限在太空卫星动力系统的使用尚无法普及至一般民用。
有机太阳能电池:
由于硅晶太阳能电池原料供不应求在普及化上遇到了瓶颈因而加速了次世代太阳能电池的发
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