可再生能源-太陽能熱利用

1、第三章 太陽能熱利用太陽能的特點 優(yōu)點： 清潔、可再生、分布廣、獲取容易 缺點：能流密度低、能量不穩(wěn)定、不連續(xù)太陽能熱利用 將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換成熱能供人類利用?；驹硎抢眉療嵫b置將太陽輻射收集起來，再通過與介質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能而加以直接或間接的利用。3.1 太陽輻射的基本概念組成氣體主要為氫（約80）和氦（約19）太陽的能量來源是太陽內(nèi)部的氫氦熱核反應(yīng)太陽每秒鐘向外發(fā)射的能量約為 3.741026J 太陽構(gòu)造示意圖日地關(guān)系和太陽常數(shù)地球與太陽的位置關(guān)系地球上四季的變化夏至與冬至的太陽光線太陽常數(shù)太陽常數(shù)就是指在平均日地距離，垂直于太陽輻射的大氣外層平面上，單位時間、單位面積上所接收的太

2、陽輻射能，國際上通常取 在大氣層之外，在一年中的某一天單位時間、單位垂直面積上所接收到的太陽輻射能可用下式計算： D：日地距離， D0：日地距離，IC：太陽常數(shù)，n：從元旦算起的天數(shù) 地球接收和發(fā)出的太陽輻射太陽輻射光譜分布太陽輻射是一種電磁輻射，其輻射波是一種電磁波，太陽輻射波既具有波動性也有粒子性。太陽輻射可分為紫外波段、可見波段、紅外波段太陽輻射的能量主要集中在波長區(qū)間 ，屬于一種短波輻射占總能量的 99能量分布的最大值所對應(yīng)的波長 在 左右，屬藍(lán)色光范圍 地球表面的太陽輻射太陽輻射進(jìn)入地球大氣層后，不僅要受到大氣中的空氣分子、水蒸氣和塵埃的反射和散射，還要受到大氣中氧、臭氧、水蒸氣和二

3、氧化碳的吸收。反射和吸收使到達(dá)地球表面的太陽輻射強(qiáng)度顯著減弱，而且還會改變輻射的方向和輻射光譜的分布 。到達(dá)地球表面陸地上的太陽輻射功率大約只有 到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度還受到大氣層厚度的影響。大氣層越厚，到達(dá)地面的太陽輻射量越少。 大氣質(zhì)量與大氣透明度大氣質(zhì)量AM 設(shè)A為地球表面海平面上的一點。當(dāng)太陽在天頂位置S時，太陽垂直入射，太陽輻射穿過大氣層到達(dá)點A的路徑為OA。當(dāng)太陽位于任一位置時，其穿過大氣層到達(dá)點的路徑為 。大氣質(zhì)量的定義為兩者之比，即 太陽高度角 太陽輻射到達(dá)海平面點的入射線和海平面點切線方向的夾角h則有： 地面上任一點太陽輻射強(qiáng)度 單位時間單位面積上所入射的太陽輻射功率 式中，

4、 ：大氣質(zhì)量為AM1時的海平面上的太陽輻射強(qiáng)度 太陽輻射強(qiáng)度除了與大氣質(zhì)量有關(guān)外，大氣中含有的各種氣體和固體塵埃都會影響太陽光的透過量。若定義P為大氣透明度 ,則有下列關(guān)系： 其中，P1：大氣質(zhì)量為1時的大氣透明度，Pm：大氣質(zhì)量為m時的大氣透明度。P值越大，大氣越透明。P值永遠(yuǎn)小于1，一般在之間 在0.30.85之間。 我國太陽能資源分類概況太陽輻射入射角的計算 太陽高度角h ：當(dāng)?shù)氐木暥冉?：時角 n ：一天24小時的時 間數(shù) 太陽光線與地面（a)和集熱面（b)的角度關(guān)系赤緯角 太陽地球連線與地球赤道所夾的圓心角 太陽赤緯角太陽入射角 太陽光線與被照射的平面法線之間的夾角。計算某水平面上逐

5、時的太陽入射角可用 若集熱面朝向正南，與水平面的傾角為 ，則該斜面上太陽輻射的入射角（太陽射線與斜面法線的夾角）由下式計算： 3.2 太陽能集熱器平板型集熱器的基本結(jié)構(gòu)集熱板選擇性吸收涂層透明蓋板隔熱層與外殼集熱板作用 通過吸收太陽輻射收集太陽 能，并把收集到的太陽能轉(zhuǎn) 變?yōu)闊崮?技術(shù)要求 最大限度地吸收太陽輻射； 傳熱性能好 ； 有好的機(jī)械和耐腐蝕性能； 加工簡單，造價低； 選擇性吸收涂層目的：為了提高集熱板吸收太陽輻射的能力，在集熱板上都覆蓋著一層黑色涂層類型： 1）非選擇性吸收涂層涂層（對太陽輻射的吸收特性和輻 射波長無關(guān)） 2）選擇性吸收涂層（涂層的吸收特性隨輻射波長而改變。通常為多層

6、膜結(jié)構(gòu)，包括紅外反射底層、吸收層和上部的減反射層等 。涂層可以用噴涂，化學(xué)、電化學(xué)、真空鍍膜、磁控濺射等方法來制備 。 透明蓋板主要功能透過太陽輻射、保護(hù)集熱板不受外界灰塵和雨雪侵蝕、形成溫室效應(yīng) 。材料要求太陽輻射的透射率高、紅外輻射的透射率低、導(dǎo)熱性差和耐蝕耐沖擊性能好 。目前常用蓋板材料 平板玻璃、玻璃剛、陽光板等。透明蜂窩透明蜂窩既能透過太陽輻射又具有優(yōu)良的隔熱性能蜂窩在太陽輻射入射角為時的總透過率T() ： ：蜂窩壁材料的透射率f：蜂窩壁的橫截面積與蜂窩孔的橫截面積之比t：蜂窩壁厚度D：蜂窩孔的水力直徑R：光線透過蜂窩壁的次數(shù) ：蜂窩的高寬比 透明蜂窩的基本結(jié)構(gòu)太陽光通過透明蜂窩的透

7、射一種帶透明蜂窩的改進(jìn)型太陽能平板集熱器a)集熱器剖面圖 b)幾種類型集熱器熱效率的比較平板型集熱器的能量方程 太陽輻射為I，環(huán)境溫度ta。假定沿集熱板方向的導(dǎo)熱可以忽略不計，材料的導(dǎo)熱系數(shù)k和與環(huán)境的換熱系數(shù)為常數(shù)。集熱板厚度為，兩相鄰冷卻流體管道之間的距離為2W，流體通道直徑為D，集熱板溫度為tp。集熱板傳熱模型沿x方向單位長度微元體的能量平衡為： 代入邊界條件求解方程得到板面的溫度分布 ：集熱板單側(cè)肋片傳遞給冷卻流體的熱流密度為 冷卻流體從肋片得到的熱流密度為 式中： 肋片效率： 肋片效率及平板集熱器的熱網(wǎng)絡(luò)圖肋片效率隨集熱管幾何參數(shù)的變化平板集熱器的熱路圖根據(jù)能量守恒定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下

8、，集熱器單位時間輸出的熱量 應(yīng)等于單位時間內(nèi)集熱板吸收的太陽輻射能 減去集熱器向環(huán)境散失的熱量 則 其中： ：集熱器的有效面積， ：太陽輻射強(qiáng)度 ：透明蓋板的透射率和集熱板吸收率乘積的有效值 ：工作介質(zhì)的質(zhì)量流量 ：工作介質(zhì)比熱容 ：分別為工作介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度 3.2.3平板型集熱器的效率集熱器效率:在穩(wěn)定工況下，集熱器工作介質(zhì)在單位時間內(nèi)輸出的熱量和單位時間入射到集熱器的太陽輻射能之比 ，即 = 集熱器啟動過程的不穩(wěn)定傳熱集熱器啟動時的不穩(wěn)定傳熱過程對于分析集熱器的運(yùn)行特性有重要的作用。假定不考慮集熱器底部的熱損失，集熱器中流體不發(fā)生流動，則集熱板啟動加熱過程的能量平衡為：集熱板的溫度方程

9、為：集熱板的溫度隨時間的變化為： 3.3真空管集熱器定義 為了減少平板集熱器對環(huán)境的熱損失，將集熱板與蓋板、側(cè)壁與底板之間抽成真空，同時在結(jié)構(gòu)上將集熱板做成圓管形狀，就變成了真空管集熱器 。按材料來分類 1）全玻璃真空管集熱器 2）金屬真空管集熱器熱管式真空集熱管工作原理 太陽輻射穿過玻璃外管后投射在有涂層的金屬集熱管上。集熱管將熱量傳給與其緊密結(jié)合的熱管蒸發(fā)段，供蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)汽化。工質(zhì)蒸汽流向熱管冷凝段被凝結(jié)，凝結(jié)放出的熱量加熱集熱器的工作介質(zhì)。凝結(jié)后的液體工質(zhì)在重力的作用下回流到熱管蒸發(fā)段循環(huán)工作 。太陽能熱水器典型的全玻璃真空管熱水器外形圖一種采用透明蜂窩的整體式太陽能集熱器太陽能熱水

10、器主要組成部件：集熱器、儲熱水箱、循環(huán)水泵和控制系統(tǒng)等分類 1）根據(jù)熱水溫度分：低溫（熱水溫度60） 、 中溫（熱水溫度100）、 高溫?zé)崴鳎崴疁囟?50） 2）根據(jù)熱水流動方向分： 自然循環(huán)式： 依靠集熱器和蓄水箱中水溫不同而產(chǎn)生的 壓力差來推動熱水運(yùn)動 強(qiáng)制循環(huán)式： 水循環(huán)是依靠泵來實現(xiàn)的 直流式： 水的運(yùn)動直接依靠自來水的進(jìn)水壓力 a)b)c)a)自然循環(huán)式熱水器系統(tǒng)圖b)強(qiáng)制循環(huán)式熱水器系統(tǒng)c)直流式熱水器系統(tǒng)3.4 太陽房概念 太陽房是一種直接利用太陽能進(jìn)行采暖和空氣調(diào)節(jié)的環(huán)保型節(jié)能建筑。使建筑物在一定程度上具有冬暖夏涼的功能。利用溫室效應(yīng)原理分類被動式太陽房：僅僅依靠建筑物方位

11、的合理布置，通過窗、墻和屋頂?shù)冉ㄖ?gòu)件的專門設(shè)計以及選用性能優(yōu)良的建筑材料，以自然交換的方式（輻射、對流和傳導(dǎo)）來獲取太陽能的一類建筑。主動式太陽房：除滿足被動式太陽房對建筑結(jié)構(gòu)的需求外，主要是以太陽能集熱器作為熱源的一種環(huán)保型節(jié)能建筑。它以太陽能集熱器替代常規(guī)的鍋爐，通過熱水或熱風(fēng)系統(tǒng)對室內(nèi)進(jìn)行供暖 。a)直接 收益式b)集熱蓄熱式c)蓄熱屋頂式d)溫室蓄熱墻式e)對流蓄熱綜合式特朗伯墻主動式太陽房以空氣為集熱介質(zhì)的太陽房采暖系統(tǒng)圖以水為介質(zhì)的主動式太陽房供暖系統(tǒng)3.5 太陽灶箱式太陽灶拋物面聚光灶結(jié)構(gòu)3.6 太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電 利用工質(zhì)將太陽輻射能先轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后再將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

12、的一種發(fā)電方式 。類型太陽能溫差發(fā)電：利用塞貝克效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)。太陽能熱動力發(fā)電：利用聚光器將太陽能聚焦后加熱某種工質(zhì)使之成為蒸汽，蒸汽再推動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電 。太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)美國加州建造的一個槽式拋物面聚焦系統(tǒng)照片槽式拋物面鏡線聚焦太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖美國研制的太陽1號塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理圖斯特林發(fā)動機(jī)斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理12為定溫壓縮過程23為定容加熱過程34為定溫膨脹過程41為定容放熱過程 循環(huán)的每個過程都有熱量傳遞。對于理想氣體，理想回?zé)幔?）時，定容放熱過程41放出的的熱量正好為定容加熱過程23所吸收。循環(huán)中只有定溫膨脹過程34是從外熱源吸收熱量，定溫壓

13、縮過程12向外界冷源放出熱量 。太陽能 驅(qū)動的斯特林發(fā)電裝置熱聲發(fā)電機(jī)利用熱聲效應(yīng)，即管內(nèi)氣體（氦氣）在溫度梯度作用下發(fā)生振動而獲得聲能輸出的現(xiàn)象，來將熱能轉(zhuǎn)換成聲能，再由聲能驅(qū)動一個線性交流發(fā)電機(jī) 。熱聲熱機(jī)可分為駐波型、行波型、和行波駐波混合型三類。熱聲 熱機(jī)由加熱器、熱聲板疊、諧振管、冷卻器和消聲器等組成。熱聲熱機(jī)的原理圖太陽煙囪原理 空氣在一個很大的玻璃天棚下被加熱，熱空氣在天棚中央的煙囪中上升。上升氣流帶動煙囪底部的空氣透平發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。特點優(yōu)點：不需要太陽跟蹤和聚焦系統(tǒng)；不需要高科技制造技術(shù)；集熱器天棚結(jié)構(gòu)簡單；不需要冷卻水等缺點：占地面積巨大 。太陽煙囪的工作原理圖太陽池發(fā)電

14、蓄熱原理 太陽池是一種鹽水池。沿池深，鹽水自下而上有一定的濃度梯度，下層較濃的鹽水較重，可阻止或削弱由于池中溫度梯度引發(fā)的池內(nèi)液體自然對流，從而使池水穩(wěn)定分層。在太陽輻射下池底的水溫升高，形成溫度高達(dá)90左右的熱水層，而上層清水層則成為一層有效的絕熱層。同時，由于鹽溶液和池周圍土壤的熱容量大，所以太陽池具有很大的儲熱能力 。太陽池發(fā)電原理圖3.7 太陽能制冷與空調(diào)優(yōu)點 具有良好的季節(jié)適應(yīng)性。在夏季空調(diào)負(fù)荷高峰時，正是太陽輻射最強(qiáng)時。因此可以大大緩解夏季電力供應(yīng)的季節(jié)性難題 。類型 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)； 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)； 太陽除濕制冷系統(tǒng)； 太陽能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)太陽能吸收式制冷在高溫

15、熱源加熱下，濃溶液沸騰，溶液中沸點較低的制冷劑汽化和溶液分離，分離出的制冷劑蒸汽經(jīng)冷凝后變成液體。冷凝后的制冷劑液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效應(yīng)。蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收，使稀溶液回復(fù)到初始的濃溶液狀態(tài)，過程重復(fù)進(jìn)行 。常用的吸收式制冷溶液 1)溴化鋰-水溶液，溴化鋰是吸收劑（沸點1265），水是制冷劑； 2) 氨-水溶液，其中氨是制冷劑（沸點是33.40C），水是吸收劑 工作原理發(fā)生器中的溴化鋰溶液由集熱器的集熱介質(zhì)直接加熱，溶液中的水份不斷汽化，溶液濃度提高，濃溶液進(jìn)入吸收器。 水蒸汽在冷凝器中凝結(jié)后變成高壓低溫的液態(tài)水，然后進(jìn)入節(jié)流閥。節(jié)流后的低壓液態(tài)水進(jìn)入蒸發(fā)器吸收冷媒水

16、的熱量而蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。低溫水蒸汽再進(jìn)入吸收器，被吸收器中的溴化鋰濃溶液吸收。溴化鋰稀溶液通過溶液泵返回發(fā)生器，完成整個制冷循環(huán) 。太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)原理圖太陽能吸附式制冷工作過程白天，吸附集熱器吸收太陽輻射能，吸附床溫度升高，制冷劑從吸附劑中被解吸出來。吸附集熱器中制冷劑蒸汽壓力升高，推動制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器和儲熱器。這一階段中，太陽能轉(zhuǎn)化為吸附劑的化學(xué)吸附潛能被儲存起來。當(dāng)夜晚時或太陽輻射不足時，環(huán)境溫度降低，吸附集熱器被冷卻（也可以通過冷卻水冷卻），吸附床溫度降低，制冷劑壓力也相應(yīng)降低，引起蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。蒸發(fā)的制冷劑蒸汽進(jìn)入吸附床，重新被吸附劑吸附。當(dāng)吸附

17、床再次被加熱時，過程重復(fù)進(jìn)行。 太陽能吸附式制冷機(jī)工作原理圖太陽能除濕制冷原理 利用除濕劑吸收空氣中的水蒸汽以降低空氣的濕度，然后利用對空氣加濕來產(chǎn)生制冷效果 。分類 1）固體除濕制冷系統(tǒng) 2）溶液除濕系統(tǒng) 組成太陽能集熱器、轉(zhuǎn)輪除濕器、轉(zhuǎn)輪換熱器、蒸發(fā)冷卻器和再生器等。常用的固體除濕劑硅膠、分子篩、氯化鋰晶體、活性炭和氧化鋁凝膠等。工作過程太陽能固體轉(zhuǎn)輪式除濕制冷系統(tǒng)簡圖組成太陽能集熱器、再生器、除濕器、蒸發(fā)冷卻器、換熱器和溶液泵。工作過程環(huán)境空氣或室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入除濕器與除濕溶液相接觸，除去部分水后變成干燥的熱風(fēng)，然后進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器加濕到所需要的新風(fēng)狀態(tài)后送入室內(nèi)。被水分稀釋的除濕溶液進(jìn)入再生器加熱脫水后再回到除濕器繼續(xù)工作。過程循環(huán)進(jìn)行 。太陽能液體除濕系統(tǒng)簡圖3.7.4 太陽能蒸汽噴射式制冷工作原理由太陽能集熱器產(chǎn)生的高溫?zé)崦剿诎l(fā)生器中產(chǎn)生一定壓力的制冷劑蒸汽（0.40.8Mpa），蒸汽通過噴射器第一級噴嘴，產(chǎn)生高速氣流（8001000m/s），高速氣流抽吸來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸汽進(jìn)入噴射器混合室?；旌险羝?jīng)擴(kuò)壓后壓力升高進(jìn)入冷凝器。經(jīng)冷凝后的液態(tài)制冷劑一部分經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器產(chǎn)生制冷應(yīng)，另一部分返回到發(fā)