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太陽能熱利用科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析
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http://shiquanmuye.com 發(fā)稿日期:2007-9-17
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這是2007年4月份國際能源機(jī)構(gòu)的一個(gè)報(bào)告。到2006年底世界總保有量166兆平方米,中國占了9000萬平方米,占了53.6%。1990年以后,中國成了最大的集熱器的生產(chǎn)跟使用國。世界其他國家發(fā)展也很快。但是按照國際上的計(jì)算,一千人擁有的太陽能集熱器的面積來算,中國排第十位。這個(gè)表里頭,一個(gè)是黃顏色的,是總裝量。從2004年,IEA國際能源機(jī)構(gòu)和美國澳大利亞他們共同討論一下,把太陽能集熱器的安裝量每平方米有個(gè)折算系數(shù),這樣能把太陽能集熱器和光伏、風(fēng)能進(jìn)行比較。可以看到集熱器安裝量比風(fēng)能發(fā)電安裝量大,但是貢獻(xiàn)沒有風(fēng)力發(fā)電大。第二是地?zé),主要指深層地(zé),不是地表熱供給。光伏分量比較小,光熱發(fā)電分量更小。
我們國家太陽輻射資源。1971年到2000年30年的平均結(jié)果,從國家氣象局一起合作弄到的資料。我們把它分成四個(gè)區(qū)域。這是太陽能的光譜,太陽的輻射能量照到地球上,能量集中在0.3到3微米的波長,可見光一般在0.4到0.7微米,能夠吸收整個(gè)譜的能量。光子波長能量大,波長的電子不能產(chǎn)生電。
我們可以分成四個(gè)區(qū)域。這四個(gè)區(qū)域,豐富區(qū)占了96%,這跟過去的分區(qū)名稱有變化。如果跟歐洲相比,我們國家全部的地區(qū)都是太陽能資源可以利用的,每年太陽能照到960萬平方公里的中國領(lǐng)土上相當(dāng)于1.7億萬噸標(biāo)煤的能量。到一定時(shí)候,水電、風(fēng)電與生物質(zhì)能的資源利用趨于飽和,而太陽輻射的能量很大,而且持久。
太陽能熱水器技術(shù)的發(fā)展
我們國家追溯歷史在1958年,天津大學(xué)有12.6平米的太陽能浴室。到1973年世界能源危機(jī),尋求可再生能源,我國在上世紀(jì)70年代末起,加大研發(fā)與生產(chǎn)太陽能集熱器。1979年前后我國有些單位迎頭研發(fā)全玻璃真空管集熱器。清華大學(xué)運(yùn)用電真空物理的背景,堅(jiān)持了下來。結(jié)構(gòu)就是一個(gè)拉長的暖棚,只不過在內(nèi)玻璃管上有一層選擇性吸收涂層。
清華大學(xué)的發(fā)明專利就是鋁—氮/鋁太陽選擇性吸收涂層,在世界上開創(chuàng)用單個(gè)鋁陰極通過磁控濺射制備紅外低發(fā)射率低層、鋁—氮化鋁吸收太陽光的陶瓷薄膜和淡化鋁減反膜三個(gè)部分。使用真空管的集熱器可在嚴(yán)寒、低太陽輻射下利用,很適合多種氣候。
這是一個(gè)選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu),吸收層每層只有10到30個(gè)納米,低發(fā)射層是到150納米。想要達(dá)到科研的水平產(chǎn)量要減一半。
關(guān)于太陽光熱發(fā)電,這部分我省略,它是將低密度太陽能集中,聚光方法產(chǎn)生高溫介質(zhì),推動傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生電能。
太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
在突破了太陽選擇性吸收涂層的核心技術(shù),通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,生產(chǎn)性能價(jià)格比較好的介質(zhì)。
2001年到2006年太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。2006年銷售額近300億元,提供就業(yè)機(jī)會60多萬個(gè)。中國太陽熱水器2005年安裝量為世界的77%。真空管型約占世界總產(chǎn)量的90%以上,硼硅玻璃3.3年產(chǎn)量約占世界70%,吸氣劑約占世界95%以上,年約1.9億支真空集熱管用,年約0.9億支顯象管用。大量顯象管都在中國生產(chǎn),吸氣劑也在中國生產(chǎn)。有三個(gè)方面我們已經(jīng)走在前面。
形成配套的產(chǎn)業(yè)鏈。3.3的玻璃30萬噸其中用于真空管有28萬噸。真空管鍍膜生產(chǎn)線1000條及配套設(shè)備,生產(chǎn)能力為2億支,裝配約2000萬平方米太陽能熱水器,還有配套設(shè)備。一些骨干企業(yè)做了技術(shù)改造,提高了企業(yè)的裝備水平和條件。
核心技術(shù)與創(chuàng)新的思考
第一,一個(gè)科學(xué)技術(shù)走到前沿,特別是學(xué)術(shù)帶頭人,如果走不到前沿,就跟打仗一樣,你都不知道前方陣地在什么地方,恐怕你只能在原地兜圈子;仡1979年到1982年,當(dāng)時(shí)清華搞的是電鍍,還是采用化學(xué)的方式。到1979年到1982年搞了第一次產(chǎn)業(yè)化,這種電鍍的方法由于液體對環(huán)境不友好,目前世界上這種工藝正在逐漸減少。1980年到1985年進(jìn)行了真空蒸發(fā)技術(shù),當(dāng)時(shí)美國、加拿大以真空蒸發(fā)為主,在澳大利亞是建設(shè)濺射為主。1983年到現(xiàn)在我們采用的是磁控濺射技術(shù),中間吸收層是鋁—氮/鋁的復(fù)合膜。
這個(gè)創(chuàng)新的過程是這樣的,我很有幸在1982年被邀請到悉尼大學(xué),悉尼大學(xué)有一個(gè)很重要的專利技術(shù),就是銅和不銹鋼。第一步想辦法提高專業(yè)技術(shù)的太陽吸收層,我增加一個(gè)陰極,也就是增加一個(gè)靶,我把它提高到0.95左右。他們用銅做底層,用不銹鋼做吸收層,等于二靶、三靶,做好三個(gè)靶以后寫論文沒有問題,如果要搞產(chǎn)業(yè)化必須降低成本,必須使設(shè)備簡化,如果三個(gè)靶可以看到周圍圓圈是玻璃管,只能接受三分之一材料的利用率。所以最好用一個(gè)靶,做了二十幾種方案,最后用鋁靶。單陰極是最經(jīng)濟(jì)的,因?yàn)榧纫獫M足低層的低發(fā)射,金是老大、銀老二、銅老三,第四是鋁。金、銀不可能產(chǎn)生化合物,銀的氧化物在二三百度就升華了。金是真金不怕火來煉。這不是我當(dāng)初發(fā)明的一種先知先覺,而是后來逐漸感覺到后面沒有。
現(xiàn)在對于一個(gè)大學(xué)的老師來說,困難的是科研搞了以后,要不要走到產(chǎn)業(yè)化去,只要做一個(gè)幾平方米的涂層,做了一些微觀的分析,里頭又有電磁場理論計(jì)算,然后就夠了,準(zhǔn)備新題目,那時(shí)候我是副教授。也包括學(xué)校的力量和我的老師,鼓勵(lì)要往前走,要產(chǎn)業(yè)化。因?yàn)槲覀兏愕氖菓?yīng)用物理,不是搞理論物理。這樣子我們在1985年做了一代磁控濺射鍍膜機(jī)。1991年到了第二代,采用了周期永磁場,這是正交比較強(qiáng)的地方,但是這種陰極做150爐,這個(gè)還不行。再開發(fā)到第三代,利用旋轉(zhuǎn)的磁場,這臺東西可以高達(dá)800爐,整個(gè)又提高了很多。這就是我一直困惑的問題,在這上面花這么大力氣,有的也不是我自己做的。外表面到了第二、第三代就是這種前開門式的。現(xiàn)在發(fā)展走第四代,連續(xù)鍍膜,提高生產(chǎn)力,降低成本,提高質(zhì)量。進(jìn)一步深入機(jī)理的研究,實(shí)際上表層就是納米結(jié)構(gòu),但是我從來不提,因?yàn)槲以谏蟼(gè)世紀(jì)80年代就知道納米結(jié)構(gòu),后來什么都是納米了。只能說表面的顆粒大小是納米級的。另外在2004年有一個(gè)光電子譜很準(zhǔn)確分析下來,我們名義上叫鋁氮鋁,實(shí)際是鋁加上鋁的氮氧化物,這并不是我們故意加的。
剛才說生產(chǎn)上有問題,所以繼續(xù)研究開發(fā)。到2003年,AR有了重大進(jìn)展以后,做出來的膜是0.95。還要研究集熱器的結(jié)構(gòu),這是1987年申請的專利。
我們看到熱水器的應(yīng)用,東邊是北京,西邊是拉薩,北邊到漠河,南邊到海南三亞。三亞現(xiàn)在有兩家五星級酒店,他們應(yīng)用了集熱器。首先是喜來登酒店,晴天獲得150噸熱水,旁邊是萬豪酒店。再就是清華附中。
實(shí)驗(yàn)的硬軟條件,儀器與設(shè)備水平,如果沒有足夠好的儀器和足夠好的設(shè)備是很難做工作的。我在悉尼大學(xué)有這樣的儀器,而且全部開放,全部讓你操作。他把理學(xué)大樓鑰匙給你,實(shí)驗(yàn)室鑰匙給你。人要有理、化基礎(chǔ)與動手能力。我現(xiàn)在在清華大學(xué)研究生也帶、本科生也帶,目前大學(xué)生培養(yǎng)在動手能力不如以前,為什么不如以前呢?我?guī)б粋(gè)學(xué)生,他把圖烘烤烘烤,烘箱斷電了,急得他一天都沒辦成,其實(shí)就是保險(xiǎn)絲斷了。真正的葉片的核心設(shè)計(jì)技術(shù)我們國家還缺,一般玩計(jì)算機(jī)的那都不算數(shù)。
產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。開始原創(chuàng)所花的時(shí)間并不多,我就是做一個(gè)方案,重點(diǎn)突破的時(shí)間也不過幾天時(shí)間,當(dāng)然很興奮。可是實(shí)際上后面就不是幾天,也不是幾年,可能要十年、十五年,而且這是要靠大家來做的,不是一個(gè)人就能做完的;〞r(shí)間要多,還得要團(tuán)結(jié)人,現(xiàn)在我們講的和諧?萍既藛T必須跨出這一步,使得科研成為實(shí)際的第一生產(chǎn)力。
創(chuàng)造制度尚不完善。
我還注了兩點(diǎn)。檢驗(yàn)周期,全生命周期能量效益分析。
太陽能從補(bǔ)充能源過渡到替代能源任重道遠(yuǎn)。
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