发布机构: 发布日期: 2021-06-11 12:23:24

刘汉涛:太阳能光热利用原理及其碳减排意义

全球变暖与我们人类生活息息相关。自1880年以来,全球年平均地表温度每十年平均上升0.13华氏度。1981年以后这一比例翻了一倍多,近年来更是日益严重。此现象带来的后果极为严重,冰川消融海平面上升,自然生态系统被破坏,既危害自然生态系统的平衡,更威胁人类的食物供应和居住环境。因此越来越多的国家开始专注于探究全球变暖的原因和控制方式。其中温室气体(能够吸收地面反射的长波辐射并重新发射辐射的气体)是造成全球变暖的主要因素,而温室气体中以二氧化碳占比最高,可达74.4%(数据源于Climate Watch)。30年来,全球的年碳排放量已增加了近75%(如图1所示),因此缓解全球气候危机的主要途径就是减少二氧化碳的排放量,即碳减排。

 

图1  1990-2020年全球能源相关二氧化碳排放变化(数据来源于IEA)

一、发展太阳能实现能源结构调整

在未来发电能源结构规划中,传统煤电技术由于伴随着大量废渣和二氧化碳的排放,占比逐年下降(可低于20%),而非化石能源在发电中的占比会逐渐升高,故研究利用太阳能发电对未来发电能源结构的调整以及碳减排的实现具有举足轻重的作用。

 

图2 未来发电能源结构变化趋势(数据参考来源: 国家发展改革委、国家能源局《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》、《能源发展十三五规划》、《电力发展十三五规划》、《国民经济和社会发展统计公报》、《全国电力工业统计数据》)

二、太阳能利用方式

可再生能源既不排放污染物、也不排放温室气体,是天然的绿色能源。大力推进可再生能源利用,不断优化和调整能源结构是建设清洁低碳社会、实现能源可持续发展的必然选择。

在众多可再生能源中,太阳能因其普遍性高、非常清洁、总量大、可利用时间长等优点,而成为了目前的研究重点。其主要利用方式包括光-热转换、光-电转换和光-化学转换等三种,其中光热转换通过简单的集热器即可将光能转化为与人类生产活动息息相关的热能,进而实现发电、房屋供暖、生活热水、工业生产等,对碳减排具有重要意义。

基于此,本文主要以太阳能发电和太阳能供暖为例,简单介绍太阳能光热转换和利用系统中热利用原理及其对碳减排的意义。

1、塔式太阳能发电系统

 

图3: 塔式太阳能发电系统原理

塔式太阳能发电系统中,太阳光经定日镜聚光后,可对吸热器中的换热流体进行加热,加热后的热流体流经蒸汽发生器产生高温蒸汽,进而推动汽轮机做功实现发电。此种发电系统由于容易达到较高的工作温度、方法简捷有效、具有较高的光热转换效率,因此具有巨大的发展潜力。

2、槽式太阳能供暖(制冷)系统

 

图4:槽式供暖(制冷)系统原理

槽式供暖(制冷)系统中,太阳能经槽式集热器转变热能,之后通过导热油与水的换热作用将热能储存于储热水箱中。在寒冷季节,储热水箱中的热水流经地板辐射供暖系统,将热量释放后回到储热水箱,实现房屋供暖。在炎热季节,储热水箱中的热水将用于驱动溴化锂制冷机组工作,实现室内温度调节。根据IEA提供数据,全球总用热量中建筑用热占比例约为46%,因此开发清洁的太阳能供暖(制冷)系统将有助于减少建筑用热的直接碳排放,为碳减排的实现提供助力。

总之,在助力碳减排的各类技术中,太阳能光热转换和利用技术意义非凡。另外也倡议大家从身边的小事做起,如随手关灯、绿色出行等,为促进碳减排贡献一份力量。

 

供稿人:中北大学教授 刘汉涛

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