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全球變暖與我們?nèi)祟惿钕⑾⑾嚓P(guān)。自1880年以來，全球年平均地表溫度每十年平均上升0.13華氏度。1981年以后這一比例翻了一倍多，近年來更是日益嚴(yán)重。此現(xiàn)象帶來的后果極為嚴(yán)重，冰川消融海平面上升，自然生態(tài)系統(tǒng)被破壞，既危害自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，更威脅人類的食物供應(yīng)和居住環(huán)境。因此越來越多的國家開始專注于探究全球變暖的原因和控制方式。其中溫室氣體(能夠吸收地面反射的長波輻射并重新發(fā)射輻射的氣體)是造成全球變暖的主要因素，而溫室氣體中以二氧化碳占比最高，可達(dá)74.4%(數(shù)據(jù)源于Climate Watch)。30年來，全球的年碳排放量已增加了近75%(如圖1所示)，因此緩解全球氣候危機(jī)的主要途徑就是減少二氧化碳的排放量，即碳減排。
圖1 1990-2020年全球能源相關(guān)二氧化碳排放變化(數(shù)據(jù)來源于IEA)
一、發(fā)展太陽能實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整
在未來發(fā)電能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃中，傳統(tǒng)煤電技術(shù)由于伴隨著大量廢渣和二氧化碳的排放，占比逐年下降(可低于20%)，而非化石能源在發(fā)電中的占比會(huì)逐漸升高，故研究利用太陽能發(fā)電對(duì)未來發(fā)電能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及碳減排的實(shí)現(xiàn)具有舉足輕重的作用。
圖2 未來發(fā)電能源結(jié)構(gòu)變化趨勢(數(shù)據(jù)參考來源： 國家發(fā)展改革委、國家能源局《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016-2030)》、《能源發(fā)展十三五規(guī)劃》、《電力發(fā)展十三五規(guī)劃》、《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》)
二、太陽能利用方式
可再生能源既不排放污染物、也不排放溫室氣體，是天然的綠色能源。大力推進(jìn)可再生能源利用，不斷優(yōu)化和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)是建設(shè)清潔低碳社會(huì)、實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。
在眾多可再生能源中，太陽能因其普遍性高、非常清潔、總量大、可利用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，而成為了目前的研究重點(diǎn)。其主要利用方式包括光-熱轉(zhuǎn)換、光-電轉(zhuǎn)換和光-化學(xué)轉(zhuǎn)換等三種，其中光熱轉(zhuǎn)換通過簡單的集熱器即可將光能轉(zhuǎn)化為與人類生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)的熱能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電、房屋供暖、生活熱水、工業(yè)生產(chǎn)等，對(duì)碳減排具有重要意義。
基于此，本文主要以太陽能發(fā)電和太陽能供暖為例，簡單介紹太陽能光熱轉(zhuǎn)換和利用系統(tǒng)中熱利用原理及其對(duì)碳減排的意義。
1、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)
圖3： 塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理
塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽光經(jīng)定日鏡聚光后，可對(duì)吸熱器中的換熱流體進(jìn)行加熱，加熱后的熱流體流經(jīng)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫蒸汽，進(jìn)而推動(dòng)汽輪機(jī)做功實(shí)現(xiàn)發(fā)電。此種發(fā)電系統(tǒng)由于容易達(dá)到較高的工作溫度、方法簡捷有效、具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，因此具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
2、槽式太陽能供暖(制冷)系統(tǒng)
圖4：槽式供暖(制冷)系統(tǒng)原理
槽式供暖(制冷)系統(tǒng)中，太陽能經(jīng)槽式集熱器轉(zhuǎn)變熱能，之后通過導(dǎo)熱油與水的換熱作用將熱能儲(chǔ)存于儲(chǔ)熱水箱中。在寒冷季節(jié)，儲(chǔ)熱水箱中的熱水流經(jīng)地板輻射供暖系統(tǒng)，將熱量釋放后回到儲(chǔ)熱水箱，實(shí)現(xiàn)房屋供暖。在炎熱季節(jié)，儲(chǔ)熱水箱中的熱水將用于驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組工作，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。根據(jù)IEA提供數(shù)據(jù)，全球總用熱量中建筑用熱占比例約為46%，因此開發(fā)清潔的太陽能供暖(制冷)系統(tǒng)將有助于減少建筑用熱的直接碳排放，為碳減排的實(shí)現(xiàn)提供助力。
總之，在助力碳減排的各類技術(shù)中，太陽能光熱轉(zhuǎn)換和利用技術(shù)意義非凡。另外也倡議大家從身邊的小事做起，如隨手關(guān)燈、綠色出行等，為促進(jìn)碳減排貢獻(xiàn)一份力量。
作者：中北大學(xué)教授 劉漢濤
原標(biāo)題：劉漢濤：太陽能光熱利用原理及其碳減排意義
