太阳能综合利用

1 引言

自1973年世界性的石油危机爆发以来，能源危机给人们敲响了警钟，大家开始关注占国家全部能源消耗的30-40%的建筑能耗的问题。1996年，联合国在津巴布韦召开了“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件，进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。

2 国内外的节能政策与法规[1]

2.1 我国的节能政策与法规

从我国的国情来看，建筑节能是社会经济发展的需要，是减轻大气污染的需要，是改善建筑热环境的需要，还是发展建筑业的需要。我国从80年代中期开始推行建筑节能，当时确定的第一个建筑节能设计标准，即《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-86)，用于采暖居住建筑，节能率为在1980~1981年当地通用设计能耗标准水平的基础上节能30%。1995年12月建设部发布了第二个标准JGJ26-95，以取代第一个标准。1996年9月，建设部在北京发布了《建设部建筑节能“九五”计划和2010年规划》以及《建筑节能技术政策》文件。1997年2月18日建设部、国家计委、国家经贸委、国家税务局发文推行节能50%的JGJ26-95，由建设部批准的《采暖居住建筑节能检验标准》(JGJ132-2001)于2001年6月1日起实施。1998年1月1日施行的《中华人民共和国节约能源法》是指导全国节能的大法，也是中国建筑节能工作的立法依据。

2.2 国外的节能政策与法规

各发达国家都把对建筑节能的要求体现在建筑规范和标准中，他们每过几年就修订一次建筑标准。近20多年来，每次修订标准都将节能要求提高一步，从而推动节能工作逐步发展。例如美国，据有关资料显示，美国在70年代就制定了一系列的建筑节能法规，如《新建建筑节能暂行标准》、《新建筑节能设计及评价标准》。1978年制定了五项法律：公益事业管理政策法(PURPA)、电力工业燃料使用法(PIFUA)、能源税法(ETA)、天然气政策法(NGPA)、国家节能政策法(NECPA)，统称国家能源法。1986年美国制定的节能新标准中的主要措施是普遍降低室内温湿度的标准，改善维护结构的隔热、保温性能。1989年ASHRAE制定的《除低层住宅以外的新建建筑物的节能设计标准》(ASHRAE/IESNA 90.1-1989)以及《新建低层住宅建筑节能设计标准》(ASHRAE 90.2-1993)，全国性的节能标准还有由美国建筑官员理事会制订的《简明能源规范》(Model Energy Code —1993)。

3 太阳能在建筑内的利用

一般说来，太阳能在建筑中的利用主要是在建筑中采取一定措施利用太阳能进行冬季采暖或夏季制冷。赵敬源，邱永亮等人[2]、高芳葳[3]、陆维德[4]等分别研究了太阳能在建筑中的应用。

3.1 主动式太阳能建筑

主动式太阳能建筑是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由热媒将热量送入建筑物内的建筑形式。它对太阳能的利用效率高，

不仅可以供暖、供热水，还可以供冷，而且室内温度稳定舒适，日波动小，在发达国家应用非常广泛。但因为它存在着设备复杂、先期投资偏高，阴天有云期间集热效率严重下降等缺点，在我国长期未能得到推广。

3.1.1 太阳能热水器系统

由于将太阳能转化为温度不太高的热水，只要用简单的装置即可实现，因而被广泛采用。供应热水可以采取集中的方式，也可以用于单独的住宅中。集中供应热水，需要有一定的场地和基建投资，经济效益较高，适用于人口较集中的城镇。单独供应热水，设备简单，不需要专门的管理人员，在城镇和乡村均可采用。

目前在我国市场上常见的太阳热水器有以下几类：

(1)平板太阳热水器。它由平板集热器与热水箱组成，一般采用自然循环运行方式。

(2)真空管热水器。它由多支玻璃真空集热管直接插入水箱构成，一般采用自然对流换热；每支真空集热管与水箱插孔间放置硅橡胶制成的密封圈。真空集热管的热损系数小，故用它做成的太阳热水器在冬季有较好的热性能，适合在北方地区使用。

(3)闷晒式热水器。它是集热与贮热合二为一的整体式热水器，一般由二至三个涂黑的圆筒组成，以结构简单、造价较低为特色，缺点是夜间散热大，热水不能过夜使用，在冬季也不能用。它在农村有较大的推广面。

平板集热器、玻璃真空管和家用太阳热水器的技术条件均有国家标准。

?平板太阳集热器热性能试验方法GB/T4271-2000(为原标准

GB/T4271-84的修订版)

?平板太阳集热器产品技术条件GB/T6424-1997(为原标准

GB/T6424-86的修订版)

?全玻璃真空集热管GB/17049-1997

?全玻璃真空管太阳集热器GB/T17683-1999

?家用太阳热水器的热性能试验方法GB12915-1991

3.1.2 太阳能热泵采暖系统

太阳能热泵采暖系统是利用集热器进行太阳能低温集热，然后通过热泵，将热量传递到温度为35-50℃的采暖热媒中去。冬季太阳辐射量较小，环境温度很低，使用热泵则可以直接收集太阳能进行采暖。将太阳能集热器作为热泵系统中的蒸发器，换热器作为冷凝器，这样就可以得到较高温度的采暖热媒。

太阳能热泵采暖系统主要特点是花费少量电能就可以得到几倍于电能的热量，同时可以有效地利用低温热源，减少集热面积，这是太阳能采暖的一种有效手段。若与夏季制冷相结合，应用于空调，它的优点更为突出。

3.2 被动式太阳能建筑

被动式太阳能建筑是指太阳能向室内的传递不借助于机械动力，完全由自然的方式，即蓄热体进行的建筑形式。所谓蓄热体一般指可以储存热量的集热体，蓄热体相对于建筑物构造体有附属于或不附属于两种存在方式。若属于构造一部分，则一方面支撑建筑物，另一方面具有储热体的功能。不为构造体的蓄热体能很简单地设置于建筑物中，可灵活增减，配合季节调节室内温度。

用于蓄热体的材料很简单，可以是液态的水、盐水、油等液体，也可以是固体的砖瓦、预制混凝土、沙、粘土、石块等。蓄热体设置在太阳能接收式冷暖系统的建筑物的任何位置都会发挥功用，但为能发挥最大限度的功能，必须选择理想的位置。

3.3 太阳能在制冷方面的开发和设计

目前，太阳能制冷技术在研究和开发方面已做了大量的工作，日趋完善。一般来说，太阳能制冷有两种方式：一是通过太阳能集热器将太阳能转换成热能，驱动吸附式或吸收式制冷机；二是将太阳能由光电池转换成电能，驱动常规电冰箱制冷。比较以上两种方式，利用热能制冷具有造价低、系统运行费用低和结构简单的特点，特别适合发展中国家和偏远农村采用。该类系统的研究和利用得到了国际上极大的关注。

太阳能吸附式系统通常包括太阳能集热器、吸附床、冷凝器和蒸发器，整个系统一般工作在负压状态下。通常将太阳能集热器和吸附床合二为一。从前期的研究和使用情况来看，这样的系统在使用一段时间后，制冷性能会变坏，最终会停止工作。据推测，这可能是由于

活性炭、甲醇与铜在一定条件下发生了化学反应，或者是系统中有二甲基、甲醇的存在，使系统在工作中产生了一些杂质气体，导致系统真空度下降，致使系统性能下降。

为了避免这种现象的发生，李云苍等人[5]提出用化学性能稳定的玻璃做吸附床和太阳能集热器(真空管集热器)。为了验证该种系统的可行性，他们建立了一个试验系统。试验的结果及讨论是：整个系统在模拟自然环境中工作正常，证明该系统的构想是可行的。同时发现，随着试验次数的增加，解附出来的甲醇溶液的数量有所减少，系统的工作压力(无光照时)变化不大，但系统的性能下降。系统重新抽真空后，整个性能得到恢复和改善，但没有完全恢复到以前的水平。估计是重新抽真空时，在抽出杂质气体的同时也将一些甲醇气体抽走，使系统的性能下降。因此，对系统补充了300mL甲醇，试验看出，整个系统的性能几乎得到了恢复。当系统处于制冷状态时，吸附床的散热状态直接影响其制冷速率的大小，散热状态越好，制冷速率越快。

张学军等人[6]研究了太阳能吸附制冷系统的COP和制冷量的问题，他们提出应该构建更合理的吸附循环和吸附床结构。基于对固体吸附制冷系统的大量实验和理论研究，提出了一种新型的太阳能驱动连续型固体吸附制冷及供热复合机的设计方案。该复合机与间歇式的太阳能固体吸附制冷系统相比，有以下一些优点：日照时能实现连续制冷；既制冷又供热；系统中能量利用率较高。

陈光明等人[7]也研究了如何提高系统的COP问题，他们提出了一个新的循环。与传统吸收循环比较，新循环较传统循环多了一个压

缩机。通过用热力学第一、二定律对循环进行分析，COP比传统循环明显提高。

3.4 家庭太阳能发电系统[8]

家庭太阳能发电系统与传统的太阳能系统的不同之处是引进了一个与传统太阳能系统相连接的测量系统，我们称之为计量箱。计量箱包括一个将太阳能模块发出的直流电转换为交流电再与电网联接的逆变器。测量装置测出太阳能系统的发电量，电力部门从用户消耗的总电量中扣除太阳能系统的发电量，电力部门也可以买进用户未用完的多余电量。

4 太阳能在通讯中的利用

岳静等人[9]提出了将太阳能用于黄河通讯网中，并且取得了预期的效果。1993年，郑州—济南数字微波通信工程中，个别中继站供电采用农用电供电，供电极不正常，经常停电，造成微波干线中断。为了解决个别站点的供电问题，他们在河南境内的渠村站实验安装了太阳能供电系统。根据该站的环境条件和微波设备耗电情况，考虑到渠村也不是完全没有市电供电，因此在设计时供电以太阳能电池为主，市电为辅。该系统具有防反充、防过充、过放告警、输出电压自动调节以及自动切换功能等特点。

5 太阳能在其他方面的应用

流金[10]曾提到利用太阳能，黑夜变白昼、烈日造冰。

俄罗斯科学家使北极的黑夜变得阳光灿烂的试验过程是：利用一艘叫“进步号”的无人驾驶小飞船从已处于太空的“和平号”空间站上脱离，并以每秒钟570度的速度旋转，产生离心力，使上面的一把折叠伞式的太阳反射镜展开成形。折叠的反射镜完全张开后，小飞船的旋转速度降低到每秒84度，这个速度足够使反射阳光的伞处于绷紧状态。这时，反射镜把阳光反射到北极，照亮了处于黑暗之中的地面。

这次试验成功后，俄罗斯的空间科学家开始制定规模更大的计划，准备在围绕地球的1550~5530千米的高空中，布置100个这样的太阳反射镜。它们既可以使地球的黑夜变白昼，还能把阳光聚焦成光束，射到飞船的太阳能电池帆板上作为能源来投进飞船，或者用光束的热能烧毁留在空间的各种太空垃圾，以保证正在运行中的宇宙飞船的安全。

法国一家船舶公司的科学家研制出了太阳能冰箱，这种太阳能自动制冰机，外形就像一个恒温箱，仅靠一个太阳能接收器。在接收器里装活性炭颗粒，向这些活性炭的孔中“灌进”甲醇。夜晚因气温下降，活性炭粒吸进液态的甲醇，白天太阳一晒，活性炭粒中的甲醇气化。气化后的甲醇流到制冰箱的冷凝器变成液体，夜晚时又被活性碳吸进小孔内，每天就这样日夜循环制冰。这种制冰机有一个缺点，就是在阴天时因活性炭中的甲醇不能气化吸热，不能制造冰块。

《光机电信息》1/2002(No.35)[11]还介绍了太阳能水池的利用。俄罗斯国立敖德萨理工大学的研究人员提了一项新设想，用水池吸收并储备太阳能，然后再加以利用。在一个深水池中，如果没有对流和

层流，那么在阳光照射下，水面和底层之间会存在相当大的温差，有时候会高达数十度。

6 今后太阳能利用的发展前景

现在太阳能的利用已得到世界各国的普遍重视，太阳能的利用也到了一个新的发展阶段，称为建筑一体化设计，即不再采用屋顶上安装一个笨重的装置来收集太阳能，而是用那些能把阳光转换成电能的半导体太阳能电池板直接嵌入到墙壁和屋顶内。这种一体化的设计思想是由美国太阳能协会创始人施蒂文?斯特朗20年前所倡导的，由于当时太阳能电池过于昂贵，无法实施。如今太阳能电池的价格只有80年代的三分之一，所以现在推广的可能性大大增加。

我们在大力提倡使用太阳能的同时，也要强调要在工程设计中建筑的整体美、造型新以及技术的先进性，注意设计中屋顶墙面所用的太阳能电池板的设置位置，面积大小与建筑立面的造型与环境是否协调等多方面的因素。