太阳能热利用技术发展趋势浅析 李忠义 （微电子工业区总公司摘要：能源危机、环境污染呼唤新能源。人类生活、 生产都要消耗大量能源，没有充足的能源供应，人类无法 生存。迄今为止，人类所使用的一次能源——煤，石油、天 天津３００３８５） １．３．５集热器大都与供暖、供冷机组相联，除供应生活热水外，还部 分解决了采暖、制冷能源需求，综合效益很高。 １．４太阳能热利用技术的发展趋势 当前国际、国内太阳能热利用技术和产品的发展趋势有以下 几点： １．４．１集热器建材化——开发和研制商陛能的、可建材化的平板集 热器，是太阳能集热器技术的发展方向。预计未来国内集热器市 场中８０％以上为平板集热器。 １．４．２功能多样化——建筑能耗的主体是供暖、供冷能源消耗，国 外的集热器涂层技术已经可以适应太阳中高温应用领域，使得太 阳能热利用技术必然从单一的热水供应，转向“供暖、供伶和热水 供应”的“三联供”系统，实现真正意义的“低能耗建筑”。 能效果 １．４．３系统大型化——太阳能热利用系统的经济性与综合效率，与 系统的规模成正比，即系统越大，经济性越好，综合效率越高；加 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。 之为满足供暖、供冷负荷，集热器安装面积很大。因此，太阳能热 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使 利用系统的规模呈现越来越大的趋势。 用，又无需运输，对环境无任何污染。尽管太阳辐射到地球大气层 此外，当前发达国家太阳能热利用已经不仅仅局限］ 供应生 的能量仅为其总辐射能量（约为３．７５×ｌ０ ｗ）的２２亿分之一，但 活用热水，而已经发展到与供暖、制冷系统相连，解决部分采暖、 已高达１７３，０００ＴＷ，相当于５００万ｔ煤，比目前人类年消耗的全部 制冷能源需要，并且集热器已发展为建材式，部分或全部替代传 能量还多几万倍，是人类取之不尽，用之不竭的新能源。 统建筑材料，寿命低、无法建材化的玻璃真空管式集热器已不能 我们所称的太阳能利用，即指太阳辐射能的光热、光电和光 适应这些需要，应运而生的是平板式集热器。 化学的直接转换，其中技术最成熟、与常规能源对比经济效益最 ２适用于平板集热器的磁控溅射太阳能选择性吸收涂层 好的是光热利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的 属于太阳能热利用技术。 ２．１太阳选择性吸收涂层 为了更有效地利用太阳热能，采用在集热器表面涂覆某种涂 １太阳能热利用技术的国内现状 层的方法来提高太阳能集热器吸收热能的效率。 １．１产量规模大但人均量低 我们知道，太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热； 中国是最大的太阳能生产和使用国，集热器的年产量是全世 而有温度的物体同时又以热发射的方式散失热量。所以单一的涂 界的７６％，但人均量比较低。在世界太阳能热利用领域的排名中， 层（如黑柒），在提高物体对太阳光线吸收能力，将更多光能转换 中国排第七。按照现在的规划，到２０２０年时，以中国的集热器的 为热能的同时，也由于热辐射的提高加大了该物体热能的散失， 保有量是２．７亿ｍｚ、人口按１５亿计算，集热器面积可以达到 因此不能有效地提高太阳能集热器的热效率， １８０ｍ９１０００人。而发达国家已经达到了６０８ｍ２／１０００人。这不但表 所幸的是太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射波长不 明了我国太阳能热利用领域的巨大开发前景，也显露出我国和世 重叠。因此要实现最佳的太阳能热利用，所采用的材料必须满足 界其他重视可持续发展的国家的巨大差距。 以下两个条件：①在太阳光谱内吸收光线程度高，即有尽量高的 １．２技术含量高的企业少。水平参差不齐 吸收率ａ；②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即有尽 现在全国从事太阳能热水器研究、开发、生产的企业４０００多 可能低的发射率￡。 家，年生产安装太阳能热水器超过１００万『ｎ２，产值１００亿元以上， 般来说，同一材料对同一波长而言，吸收率和发射率有同 居世界第一位。但是４０００多家企业里，真正掌握技术的企业屈指 样的数值，即吸收率高则相应的发射率也高。对于不透明材料来 可数，低水平模仿的产品较多，侵犯知识产权的现象很严重，太阳 说其吸收率ａ与反射率Ｙ满足如下关系：ａ＋Ｙ＝１。因此，最有效 能热利用技术还仅是以全玻璃真空管热水器等低端家庭用产品 的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内（即 ＜２．５ ｍ）， 为主。与德国、奥地利等国家相比，我国集热器产品的技术含量普 吸收率有ａ １而反射率Ｙ ０；而在热辐射波长范围内（即 ＞ 遍不高。 ２ ｍ），有吸收率ａ一０而反射率Ｙ ｌ。一般将具备这一特性的涂 １．３太阳能热利用技术的国外现状 层材料称为选择性吸收材料，通过特殊工艺将这些在基体表面生 发达国家里重视社会可持续发展的、利用可再生能源的国家非 成的金属陶瓷膜，一般称之为选择性涂层。 常重视太阳能热利用技术的研发和应用，尤其以色列、奥地利等太阳 ２．２适用于平板集热器的磁控溅射太阳选择性吸收涂层技术与设备 能技术先进国家。其普遍应用的技术和产品有以下几个特 ： 磁控溅射是在真空室中，使氩原子变成氩正离子及一个自由 １．３．１集热器９５％以上是平板式，另有少量的金属流道一真空管 电子，氩正离子轰击阴极的金属靶材，溅射出金属粒子沉积到基 集热器，已基本淘汰了全玻璃真空管集热器； 体上。同时阴极还发出二次电子，其加入电子运动形成了自持的 １．３．２集热器安装多采用镶嵌式、建材式，部分或全部替代传统建 辉光放电。磁控溅射技术通过调节辉光放电的电压与电流易于控 筑材料； 制薄膜的沉积速率，从而实现在大面积上沉积厚度均匀的薄膜． １．３．３平板集热器生产线基本实现了机械化和半自动化； 太阳能选择性吸收涂层，是由红外高反射金属层、视需要的 １．３．４大型和超大型工程系统较多； 隔离层、吸收层与减反层组成的。吸收层是金属与介质的复合材 一然气，大部分都是从地下采挖得来。但上述能源储量有限。 根据有关的统计数据，从现在开始，地球中储存的石油和 天然气只够３０年的开采，煤也只能使用２００年。此外．常 规能源均为化石燃料．使用中必然排放大量温室气体（如 二氧化碳）和有害气体（如造成酸雨的二氧化硫）。全球温 室效应带来的种种自然灾害．大气的严重污染．人类生存 环境和地球生态环境的急剧恶化都为人类敲响了警钟 还 世界以蓝天碧水已经成为世界各国共同的意愿 关键词：太阳能；热利用产品；磁控溅射：吸收涂层；节 《资源节约与环保》２０１４年第８期 料薄膜，该复合材料薄膜是使用在空气中化学稳定性良好的金属 或合金作为阴极，通过磁控反应溅射形成金属与介质复合材料薄 膜。基体金属选择为锏，制一铝复合金属或其它金属。最表面为减 反层薄膜，以增加整个吸收涂层对太阳光的吸收能力，而对发射 比影响很小，不仅具有良好的光学性能参数，耐温与抗氧化性能 优良，还具有很高的溅射沉积率，降低生产成本。 ２．３磁控溅射太阳能选择性吸收涂层技术发展 十年前，适用于平板集热器的磁控溅射太阳能选择性涂层技 术，世界上仅德国、奥地利、瑞典等国家少数企业所掌握，在我国 属空白，我国生产平板式集热器所需相关产品完全需要依赖高价 进口，成为制约我国高温太阳能集热板发展的瓶颈问题。 近年来，该技术在国内研制成功。国内平板太阳能选择性吸 收涂层是运用多腔单靶磁控溅射技术制备，其总厚度约头发丝的 ｌ／２００，吸收太阳辐射能约９６％，转换为热能，而自身向外发射约 ５％（１００℃状况）。其技术特点是采用一个靶，既制备底层又制备 吸收层，使磁控溅射设备大为简化，靶材料利用率约提高一倍；同 时采用多腔进行溅射，若干次层的吸收层和红外高反射的底层制 备，连续完成，提高了涂层稳定性；并且生产工艺无污染。． 由于这一太阳选择性涂层的吸收层是由不同的金属成分组 成的若干层膜，可针对太阳不同波长的光谱选择不同的金属成分 的选择忭涂层材料进行膜系设计，因此，可根据需要通过调整金 属成分实现较高的吸收比率和尽可能低的幅射比率，使集热器的 效率达剑最佳。 磁控溅射选择性涂料产品与传统产品比较 Ｊ ¨：】ｌｊ｜Ｉ Ｉ １ｘｑ’１ ０贵溺 ，一 ｔ１３． ， ｌ －。Ｉ ｊ 铬 小产 Ａ （ １ｆ ｔ ） 收ＬＥ ０．５４ ｏ．８ （）．９６ 曼１． （ｅ卜 ） 目 Ｌ匕 ｏ．２ｏ ｏ．Ｚｏ ０．０５ 千Ｉ散｝ 热 ’社 ３，１％ ６０％ ９０‘％ ｌ蚵～日匿－Ｔ，－Ｕ）“ ｆ氐 址＆， ：城泺（２５ｏ℃） －Ｉ，－ ℃） ～ 。Ｉ・ ＿ｒ“ ） （：｛ｏ０ ５００ １０ 卜 ：｛０ ● （３００ ５００℃５ｏ Ｉ Ｉ． Ｊ ｛ｊ辞命ｄ进筑 ｆ｝ ‘ｊ： （ ・Ｙ・ 也 Ｉ、 １ 龇１０ 、 、 ； 技 １ ☆单： 简０Ｔ‘ 舟址 ・ 拙定§ 』圭 苇 定 ｌ ～ －ｒ｜ ”４、 、、』＾ 火— ，Ｉｉ Ｊ ｔ卡 俺Ｕ ，‘ ，１ ，一 — 蹴 Ｅ¨丁； Ｊ Ｆ７ ‘，— ｊ ： ¨ｌ】 粉，Ｉ ｌ、｜ 一Ｃ仆ｔ｝ｔ 价槲 １．｛０ ／ｍ‘ Ｉ２０ Ｊ ／ｍ ４结语 磁控溅射选择性涂料产品的应用，可解决建材型太阳能集热 板高技术产业化的关键技术瓶颈，对促使我国太阳能集热器产品 的升级换代有重大作用，并能改变我国太阳能利用规模大但技术 含量低的现状，对我国太阳能热利用行业具有非常积极的拉动效 应。它可以用于建筑用低辐射玻璃的镀膜，高精度医疗器械（如心 脏起搏器等）表面处理，太阳能电池薄膜的制备、电子产品的处理 等，颇具有推广意义，对促进这些行业的技术升级、产品换代具有 积极意义。 作者简介 李忠义，男，天津，本科，研究方向：热能利用。 ３与传统产品比较 （上接第３１页） ４．４．２回流比 污水处理系统回流比很重要，通过实验得出结论，当系统回流 比控制在１００％时，系统对氨氮和总氮的去除效率为８０％和５５％， 当处理系统的同流比增加到２００％，氨氮和总氮的去除率可达 ９２％和７５％。当系统稳定正常运行情况下，随着回流比这项参数的 增长，氨氮的去除效率会上升，但出水硝酸盐浓度会小幅增加。虽 然回流比对化工废水处理效果影响较大，但对化学需氧量这项指 标的影响不明显，当回流比增加一倍时，化学需氧量去除率仅增 加５个百分点。当回流比继续增加时，回流污水的溶解氧破坏了缺 氧条件。缺氧条件下适宜反硝化细菌对亚硝酸盐的反硝化作用， 硝酸盐和亚硝酸盐去除效果好在这种情况下，反硝化菌活性受到 抑制，硝酸盐的去除效率下降，总氮的去除效率也随之下降，因此最 变换废水；酸性气体脱除废水；硫回收废水；氢气回收废水以及其 他工业废水等等 。煤化工生产中的工艺废水必须妥善处理，实现 达标排放 ；与此同时，对于处理后的废水也需要做到“废水零排 放”的预期目标，而通过对煤化工废水的生物处理工艺可以有效 解决由此产生的污染问题。 ６结语 通过在实验室进行的Ａ／０一生物膜系统处理模拟废水的实验 表明，温度、ＤＯ和回流比对整个系统性能发挥的重要作用。最佳 反应条件：温度为３０￣（２，回流比为２００％，溶解氧为４ｍｇ／Ｌ。环境问 题与煤炭的不合理开采和落后的工艺有着密切的关系，大力发展 新型煤化工产业，对煤化工生产过程中产生的废水采取生物废水 佳回流比为２００％。 处理技术可以有效降低废物排放，尤其是提高高含盐废水的处理 ４．４．３溶解氧 能力可以确保煤化工的经济效益和环保效益，从而推动我国煤化 煤化工废水处理系统的运行结果表明，在同一容器内硝化效 工企业走上绿色、环保、节能、高效的可持续发展之路。 果随着ＤＯ增加而提高，但是在ＤＯ抑制反硝化细菌活性。控制系 参考文献 统内溶解氧浓度为２ ｍｇ／ｔ 时，ＮＨ４＋一Ｎ去除率为７０％；当溶解氧浓 【１］赵维电．Ａ／Ｏ一生物膜工艺处理煤化工高氨氮废水的研究【Ｄ】．济 度提高至４ ｍｇＣＬ时，氨氮去除率增长幅度较大，可以达到９２％，同 南：山东大学．２０１２．０５． 时ＴＮ去除率也可以达到８５％；继续提高溶解氧浓度为６ ｍｇ／Ｌ，氨 ［２］Ｍｉｃｈａｅｌ Ｒｏｄｇｅｒｓ，Ｘｉｎ—Ｍｉｎ Ｚｈａｎ．Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｕｓｉｎｇ 氮去除率维持不变，但硝酸盐出水浓度增加，出水ＴＮ反而增加。 ａｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｍｏｖｉｎｇ ｂｉｏｆｉｌｍ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆ［Ｊ］．２００４，３ 分析原因，溶解氧浓度相对较低时，溶解氧渗透力不足，生物膜载 （９３）：３１３－３１９． 体内部的微生物得不到足够的氧气。因此，控制溶解氧浓度为４ 『３赵江冰，３］胡龙兴．移动床生物膜反应器技术研究现状与进展 ｍｇ／Ｌ是生物膜Ａ／０系统的理想选择。 环境科学与技术，２００４．０２． 【４】尉志华，杨克明，王文艳．等．我国煤化工产业开发中的环保问题 ５节能减排是煤化工发展的必然选择 【Ｊ１＿河北化工，２０１１，３４（６）． 随着煤化工技术的发展和国际国内石油需求量的增加，煤化 工产业已经对于我国国民经济的持续快速发展起到重要的保障 作用。煤化工在生产过程中的工艺废水种类较多，主要有：煤气化 灰水槽排除的灰水，其中非溶解性固体和悬浮物浓度特别高，还 含有许多如氨氮、硫化物、氰化物等一些气化生产的特征污染物； ［５】程新源．试论我国煤化工发展中的环境保护问题ｆＪ１．化工设计， ２００９（６）． 作者简介 郑媛（１９７９一），女，汉，硕士，河北枣强人，工程师，主要从事环 境影响评价、节能评估工作。 《资源节约与环保》２０１４年第８期