太陽能熱利用原理與技術(shù)

太陽能熱利用原理與技術(shù)第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱能利用的歷史就是一部人類的發(fā)展史：

遠(yuǎn)古時代鉆木取火（烤食、取暖）原始社會時期古代冶煉、制造金屬工具（直接利用）封建社會時期近代（1784年）發(fā)明蒸汽機(jī)（間接利用）工業(yè)革命資本社會時期現(xiàn)代建立完善的熱工理論（間接利用）（產(chǎn)生了飛機(jī)、火車、汽車、制冷、原子能）信息社會當(dāng)今熱傳遞問題（傳熱學(xué)）

如何提高效率間接利用（工程熱力學(xué)）第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日我國目前的各種用能的比例見下圖：第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日美國目前的各種用能的比例見下圖：第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日開發(fā)可再生能源的必要性但化石能源是短時間不可再生的，叫做一次性能源。這些能源的藏量有限，很快就會枯竭，而且在使用時帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，探索使用可再生的能源是十分必要的，太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等是可再生能源的主體，特別是太陽能：取之不盡，用之不竭，清潔可靠、免費供應(yīng)、人人均等。第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日世界上最豐富的永久性能源是太陽能。地球截取的太陽輻射能通量為：1.7×1014kW。其中：約30%被直接反射回宇宙空間；47%轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，以長波輻射形式再次返回太空；約23%是水蒸發(fā)、凝結(jié)的動力和風(fēng)與波浪的動能；植物通過光合作用吸收的能量不到0.5%。

太陽能的一般情況第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日地球每年接收的太陽能總量為1×1018kW·h，相當(dāng)于5×1014桶原油，是探明原油儲量的幾百倍，是世界年耗能總量的一萬余倍。第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日但太陽能與有嚴(yán)重的缺陷：1．總量雖然巨大，但通量密度低，大氣層外為1353W/m2，在地面上≤1000W/m2。2．有季節(jié)、晝夜和晴雨等間歇性變化。第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日一．歷史的回顧我國西漢時即有“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則生“火”的說法；西周時代：我們的祖先已經(jīng)掌握了“陽燧”取火的技術(shù)，“陽燧”實際上是一種凹面鏡，這是我國太陽能利用的最早記錄。1.2太陽能熱利用的歷史、現(xiàn)狀和未來

第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日在國外，第一個大規(guī)模應(yīng)用太陽能的人，是希臘的著名科學(xué)家阿基米德。公元前212年，他用許多平面鏡將陽光聚集起來，燒毀了攻擊西西里島西拉修斯港的羅馬艦隊。15世紀(jì)一名阿拉伯煉丹術(shù)士就使用了大馬士革鏡進(jìn)行了太陽能蒸餾。實現(xiàn)了人工的海水淡化過程。18世紀(jì)初發(fā)明了第一架用太陽能驅(qū)動的發(fā)動機(jī)；1874年在智利北部LasSalinas建造了第一個大型（4700m2）的太陽能蒸餾水廠；埃及成功地運行了灌溉用的太陽能水泵。第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日到了近代和現(xiàn)代：1920～1930年，美國加州地區(qū)開始用太陽能集熱器為用戶供應(yīng)熱水。1938年美國麻省理工學(xué)院建成了第一座太陽能采暖建筑。1973年爆發(fā)能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了新能源的研究與發(fā)展，許多國家把重視太陽能的開發(fā)利用放在了戰(zhàn)略地位上考慮。一大批太陽能利用示范工程被建立。第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日美國建立了首座5000kW的塔式熱發(fā)電廠；美國建立了首座大型太陽能熱泵采暖系統(tǒng)（供暖面積27870m2，平板集熱器面積3344m2）1984的太陽能光電池的定單量已達(dá)18.5MW第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日二．我國近年太陽能利用的發(fā)展

我國能源從總體上相當(dāng)豐富，水力資源含量居世界第1位，煤碳居第3位，石油居第8位，天然氣居第16位。但我國人口眾多，按人均分配看，卻是一個真正能源缺口大國，人均擁有的能量儲量僅有美國的十七分之一。因此我國在太陽能利用方面有強(qiáng)烈的愿望和需求。第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日二．我國近年太陽能利用的發(fā)展目前，我國已經(jīng)成為世界上最大的太陽能利用大國，但不是強(qiáng)國。我國上規(guī)模的廠家有120多家，小廠家一起，超過5000家，年產(chǎn)值400多億元。這些成績的取得都是與我國科學(xué)工作者和太陽能專家分不開的。第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二章太陽輻射一．太陽太陽是離地球最近的一顆恒星。它是一個巨大而熾熱的等離子體，主要成份為氫和氦元素。太陽幾乎為球形，直徑為1.392×109m，是地球直徑的109倍，體積比地球大130萬倍。日地平均距離為1.5×108km，從太陽發(fā)出的光線到達(dá)地球需要8分鐘。第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)太陽內(nèi)部正經(jīng)歷著劇烈的核反應(yīng)4個氫原子核1H合成1個氦原子核4He

在這種核反應(yīng)中，質(zhì)量虧損為：按照愛因斯坦質(zhì)量－能量關(guān)系釋放出的能量為

第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽的輻射區(qū)輻射區(qū)的范圍約從0.25R⊙到0.8R⊙，密度和溫度都很快向外減小，核反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的能量經(jīng)此區(qū)以輻射轉(zhuǎn)移的方式向外傳輸，從核反應(yīng)區(qū)出來的是高能γ射線光子，經(jīng)輻射區(qū)物質(zhì)接連地吸收并再輻射出較低能量的光子，自內(nèi)向外依次變?yōu)閄射線、遠(yuǎn)紫外、紫外、可見光光子，最后以可見光光子及其他形式輻射出來。

第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日地球與太陽的相對大小直徑1.27×107m直徑1.39×109m太陽地球32°1.495×1011m(±1.7%)太陽常數(shù)G=1353W/m2第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽發(fā)出巨大能量向宇宙輻射，到達(dá)地球大氣層上界的太陽能量只占太陽總功率的1/20億，即180×1012kW。到達(dá)地球外表高層的太陽能中，30%被大氣層反射，23%被吸收，47%左右可到達(dá)地面。盡管只有47%到達(dá)地面，其功率已達(dá)85×1012kW。相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬倍。太陽表面的溫度是變化的，在一般的太陽能熱利用中，可將太陽表面溫度看成固定溫度6000K(5700K)。太陽光中有各種波長的光線，一般取0.3～3μm。已占太陽光的98%以上。第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日二．地球繞太陽的運行規(guī)律1．地球的公轉(zhuǎn)與赤緯角貫穿地球中心與南、北兩極相連的線稱為地軸。地球除了繞地軸自轉(zhuǎn)外（自轉(zhuǎn)一周約24小時），還在橢圓形軌道上圍繞太陽公轉(zhuǎn)，運行一周為1年，約365天。地球自轉(zhuǎn)軸與橢圓軌道平面（稱黃道平面）的夾角為66°33′。地軸在空間的方位始終不變，因而赤道平面與黃道平面的夾角為23°27′。這就造成了太陽光線垂直照射在地球表面的位置一年中在±23°27′緯度之間變化，這就是地球上形成四季的原因。

第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日地球在一年中相對太陽的位置6月22日夏至12月23日冬至9月23日秋分3月21日春分第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日在北半球春分及秋分時，太陽光線正射（垂直照射）在赤道上，赤緯角都為零，晝夜時間相等。夏至（6月22日），太陽光線正射在北回歸線上，δ=23°27′。冬至（12月22日），太陽光線正射在南回歸線上，δ=－23°27′。第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

一年中某日的赤緯可由下式計算：

n是所求當(dāng)日在一年中的日子數(shù)（從一月一日算起）。

第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日2．地球的自轉(zhuǎn)與太陽時

地球自轉(zhuǎn)一周360°，所需時間24小時；因此相當(dāng)于每小時轉(zhuǎn)15°。由于各地所采用的時間標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以我們生活中的時間并不是真正太陽升起降落的時間（稱為太陽時）。太陽時的午時（中午12時）太陽光線正好通過當(dāng)?shù)氐淖游缇€。（或簡單地說，正好在南北方向上）第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽時與各地使用的標(biāo)準(zhǔn)時間并不一致，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

太陽時=標(biāo)準(zhǔn)時間+E±4×（L標(biāo)準(zhǔn)－L當(dāng)?shù)兀㎜標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)時間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，（°）；L當(dāng)?shù)亍?dāng)?shù)氐慕?jīng)度，（°）。E為時差公式中東半球為負(fù)號，西半球取正號。第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日我國取東經(jīng)120°為標(biāo)準(zhǔn)時間（即北京時間），所以

太陽時=北京時間+E±4×（120－L當(dāng)?shù)兀?/p>

(單位為分鐘)

E為時差，以分為單位。n是所求日期在一年中的日子數(shù)（從一月一日算起）。第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日一年中時差變化曲線第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽時角用角度表示的太陽時叫太陽時角，以ω表示。太陽午時ω=0°，上午取負(fù)值，下午取正值。每晝夜變化為±180°，每小時15°。例如上午10點鐘時ω=－30°；下午3點鐘時，ω=45°。第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日三．太陽輻射光譜在平均日地距離處，大氣層外垂直于輻射傳播方向上單位面積上的太陽輻射照度為1353W/m2，稱為太陽常數(shù)，用G表示：即

G=1353W/m2太陽常數(shù)是太陽光中所包含的總能量，但太陽光中各種波長的輻射都有，描述各種波長的光在總能量中的比重關(guān)系稱為光譜。第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽輻射光譜各種顏色的光都有相應(yīng)的波長范圍。紅色光的波長為700nm，光譜范圍為640～750nm；橙色光的波長為620nm，光譜范圍為600～640nm；黃色光的波長為580nm，光譜范圍為550～600nm；綠色光的波長為510nm，光譜范圍為480～550nm；藍(lán)色光的波長為470nm，光譜范圍為450～480nm；紫色光的波長為420nm，光譜范圍為400～450nm。通常人們把太陽光的各色光按頻率或波長大小的次序排列成的光帶圖，叫做太陽光譜。第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽輻射光譜太陽不僅發(fā)射可見光，同時還有不可見光。整個太陽光譜包括紫外區(qū)、可見區(qū)和紅外區(qū)3個部分。但其主要部分，是由0.3～3.0μm的波長所組成的。其中，波長小于0.4μm的紫外區(qū)和波長大于0.76μm的紅外區(qū)，則是人眼看不見的紫外線和紅外線；波長為0.4μm～0.76μm的可見區(qū)，就是我們所看到的白光。在到達(dá)地面的太陽光輻射中，紫外區(qū)的光線占的比例很小，大約為8.03%；主要是可見區(qū)和紅外區(qū)的光線，分別占46.43%和45.54%。

第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽光譜曲線第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日衛(wèi)星的測量表明，太陽光的波長分布非常寬廣，從0.24～50μm，但大致可分為三個部分：紫外線，可見光和紅外線。

波長范圍/μm所占總能量百分率/%相應(yīng)范圍的輻照度/W/m2

紫外線可見光紅外線0～0.387950.38～0.7847.296400.78～∞45.71618第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日四．太陽輻射的測量太陽輻射可分為：直射輻射、散射輻射。直射輻射——直接來自太陽而沒有改變方向的太陽輻射。散射輻射——太陽光受大氣層散射影響而改變方向的太陽輻射。太陽總輻射——接收到的太陽輻射總和，直射輻射+散射輻射。長波輻射——任何物體當(dāng)溫度高于絕對零度時，都會發(fā)出輻射能，溫度不高時，輻射波長一般大于3μm。第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日測量輻射量一般有：直射輻射儀、散射輻射儀、長波輻射儀、總輻射儀。G——太陽輻照度，W/m2H——一天的輻照量，J/m2·dI———小時的輻照量，J/m2·h第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日五．集熱表面太陽入射角的計算太陽集熱器所截取的太陽直射輻射能量，主要取決于太陽入射角θ。而入射角θ與太陽赤緯角δ、地理緯度、集熱器傾角β和方位角γ以及太陽時角ω有關(guān)。

βθ第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日赤緯角δ——太陽光線垂直照射在地球表面處的地理緯度。太陽時角ω——用角度表示太陽時，叫太陽時角，15°/h，上午取負(fù)，下午取正。太陽入射角θ——太陽光線與集熱器表面法線之間的夾角。實際使用時應(yīng)使入射角θ越小越好。（不是光線與集熱器平面的夾角）。集熱器的傾角β——集熱器平面與地平面的夾角。第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日集熱器方位角γ——集熱器表面法線在地平面上的投影與正南方的夾角。太陽高度角α——太陽光線與其在地平面上的投影線組成的夾角。（亦即太陽光線與地平面的夾角）。太陽方位角γs——太陽光線在地上的投影線與正南方向線的夾角。正南方為0°，向西為正，向東為負(fù)。（－180°＜γs＜180°）太陽天頂角θz——太陽光線與地平面法線之間的夾角，與α互為余角，即θz+α=90°第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日太陽光在集熱器表面的入射角由下式計算：

這是一個非常重要的公式，但通?？勺鲆恍┖喕＂偃艏療崞鞒戏?，此時γ=0，則公式變?yōu)椋旱谒氖豁?，共七十四頁?022年，8月28日②若把集熱器傾角置于與當(dāng)?shù)鼐暥认嗤?，即?，上式可簡化為：

③若集熱器水平放置，則β=0°第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日

④太陽高度角的計算

⑤正午時刻的太陽高度角，此時ω=0°⑥春分、秋分日正午時刻的太陽高度角，此時δ=0°，ω=0°這說明，太陽高度角隨緯度增加而減少。第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日⑦每天日出及日落時刻。（太陽處于地平面上為日出或日落時刻）

此時高度角α=0°，所以

據(jù)此可求出任何地區(qū)、任何一天的日出、日落時角。第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日六．大氣層對太陽輻射的影響大氣層厚度約為30km，只有地球直徑的1/400，卻對太陽輻射的數(shù)量和分布有較大影響。主要是：吸收、反射和散射。太陽光線通過大氣層的實際距離與大氣層的法向（垂直）厚度之比稱為大氣質(zhì)量，m。利用太陽高度角α和天頂角θz，可將大氣質(zhì)量表示為：第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日大氣質(zhì)量幾何圖m=1地表面大氣頂層第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日θz=0°時，m=1θz=60°,α=30°時，m=2∴太陽高度角α越小，m越大，太陽輻射越少。夏至日，北極太陽高度角為α=23.5°，此時北極的m=2.5。

第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日大氣對太陽光的減弱作用主要是散射和吸收。紫外線主要被O3吸收，紅外線由H2O及CO2吸收。小于0.29μm的短波幾乎全被大氣上層的臭氧吸收，在0.29～0.35μm范圍內(nèi)臭氧的吸收能力降低，但在0.6μm處還有一個弱吸收區(qū)。水蒸氣在1.0、1.4和1.8μm處都有強(qiáng)烈吸收帶。大于2.3μm的輻射大部分被H2O和CO2吸收，到達(dá)地面時已不足原來的5%.

第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日經(jīng)過大氣層的散射和吸收，到達(dá)地面時，紫外線占5%（大氣層外為7%）、可見光點45%（大氣層外為47.3%）、紅外線占50%（大氣層外為45.7%）。另一個重要指標(biāo)：大氣透明度，τ

第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日直射輻射的大氣透明度τb：a0、a1、k是標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣的物理常數(shù)，（23km能見度）。散射輻射的大氣透明度為：第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日七．太陽輻射量的計算

許多地方?jīng)]有太陽輻射的數(shù)據(jù)資料，只能靠計算來估計。(1)水平面上月平均日的太陽輻照量

——月平均日，水平面上的輻照量，MJ/m2·d；

——大氣層外，月平均日，水平面上的輻照量，MJ/m2·d；第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日

——月平均日照時數(shù)，h；

——月平均日的最大日照時數(shù)（即晝長），h；

a，b為常數(shù)，各地有參考值，根據(jù)氣候、植物生長類型來定。第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日(2)標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上輻射量的計算

晴天時水平面上的直射輻照度Go——大氣層外，垂直于輻射方向的太陽輻照度；τb——直射輻射透明度。第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日水平面上的散射輻照度τb和τd都是大氣質(zhì)量的函數(shù)。據(jù)此可計算出每小時內(nèi)的直射和散射輻照量，一天的總和即是晴天水平面上的總輻照量Hc.第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日八．晴空指數(shù)和直射分量的求取衡量天氣好壞指標(biāo)之一是晴空指數(shù)。是月平均晴空指數(shù)，它是水平面上月平均日輻照與大氣層外月平均日輻照之比。KT是日晴空指數(shù)，某天的日輻照與同日大氣層外日輻照之比。kT小時晴空指數(shù)，一小時內(nèi)輻照量與同時間內(nèi)大氣層外太陽輻照量之比。第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日即有:，H和I是用總輻射表在水平面上實測的輻照量；，Ho和Io可用公式計算，也可查表。第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日晴空指數(shù)的意義在于，可以通過它了解在總輻射能中，直射分量所占的比例。這是因為在實際太陽能應(yīng)用中，掌握直射分量的多少，是確定集熱器大小的重要依據(jù)。因為：（1）將水平面上的輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到斜面上去時，要求對直射和散射分開處理。（2）在聚光型集熱器中，只能利用其直射輻射。第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，就可得到晴空指數(shù)與直射百分率的關(guān)系，使用時，通過查晴空指數(shù)，就可計算直射分量的大小百分?jǐn)?shù)。第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日與的關(guān)系1.第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日2．與的關(guān)系第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日3．與的關(guān)系第六十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日九．水平面與傾斜面上輻照量的比較如何將已知的水平面上的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到傾斜面上去呢？①直射分量的轉(zhuǎn)換太陽光在水平面的入射角為θz（天頂角）。在斜面上的入射角為θ，斜面傾角為β。第六十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日Gb.nθzθβGbn第六十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日傾斜面和水平面上接受到的直射輻射之比，稱為直射修正因子Rb:若集熱器方位角γ=0°（朝南放置）則:第六十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日同時要考慮到散射輻射和地表反射修正因子:

因此得到傾斜面上的太陽輻照量為：ρ為地面反射率，普通地面為0.2，積雪地面取0.7第六十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日十．集熱器的最佳傾角和最佳方位集熱器的設(shè)置應(yīng)以使用期內(nèi)收集的太陽能最多為原則:（1）對可跟蹤的太陽能集熱器，應(yīng)使太陽光垂直入射為最佳。（2）對一天調(diào)節(jié)一次的，應(yīng)以正午太陽光垂直入射為最佳，β=90°－α，但考慮是下午或晚上用能，可考慮為朝南偏西10～15°。（3）對一月調(diào)節(jié)一次的，應(yīng)以月平均日太陽能收集量最大為最佳。第六十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日（4）一年調(diào)節(jié)一次的或季度調(diào)節(jié)一次的，根據(jù)下面一般原則選擇：對全年的：γ=0°，β=對于夏半年（春分到秋分）：γ=0°，β=－（10°～15°）對于冬半年（秋分到第二年春分）：γ=0°，β=+（10°～15°）第六十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日對全年的總能量收入，還可利用如下圖進(jìn)行優(yōu)選：第六十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日上面的圖是在一定參數(shù)條件下得到的，有一定局限性，也可參照一些書中給出表格及下公式，做適當(dāng)調(diào)整。

適用范圍：20°＜＜38°，0.35＜Kd＜0.6第七十頁，共七十四頁，2022年，8月28日十一．我國太陽能資源及區(qū)劃

我國的領(lǐng)域位于北半球的中緯度區(qū)，從南到北，自西至東，距離都在五千km以上，在整個地球上，很少地方象中國這樣四季分明，而太陽輻射情況又隨著季節(jié)十分顯著地變化?？偟膩砜矗覈翘柲苜Y源比較豐富的地區(qū)，每m2面積上一年內(nèi)可接受的太陽輻射總能量達(dá)6.7×106—8.4×106kJ；最少的地區(qū)每m2面積上一年內(nèi)也能接受到3.3×106—4.2×106kJ的熱量，仍近似于法國巴黎和蘇聯(lián)莫斯科的太陽輻射年總量。第七十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日根據(jù)全國近700個氣象臺站長期觀測積累的數(shù)據(jù)資料表明，我國各地的太陽輻射年總量大約在3.3×106—8.4