第三章太阳能热利用

1、第三章 太阳能热利用u太阳能的特点太阳能的特点 优点： 清洁、可再生、分布广、获取容易 缺点：能流密度低、能量不稳定、不连续u太阳能热利用太阳能热利用 将太阳辐射直接转换成热能供人类利用。基本原理是利用集热装置将太阳辐射收集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能而加以直接或间接的利用。3.1 太阳辐射的基本概念u组成气体主要为氢（约80）和氦（约19）u太阳的能量来源是太阳内部的氢氦热核反应u太阳每秒钟向外发射的能量约为 3.741026J 太阳构造示意图日地关系和太阳常数地球与太阳的位置关系地球上四季的变化夏至与冬至的太阳光线太阳常数u太阳常数就是指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气外层平

2、面上，单位时间、单位面积上所接收的太阳辐射能，国际上通常取 u在大气层之外，在一年中的某一天单位时间、单位垂直面积上所接收到的太阳辐射能可用下式计算： D：日地距离， D0：日地距离，IC：太阳常数，n：从元旦算起的天数 21357mW220CCD360 nIII10.034cosW /mD365.25（） 地球接收和发出的太阳辐射地球接收和发出的太阳辐射太阳辐射光谱分布太阳辐射光谱分布u太阳辐射是一种电磁辐射，其辐射波是一种电磁波，太阳辐射波既具有波动性也有粒子性。u太阳辐射可分为紫外波段、可见波段、红外波段u太阳辐射的能量主要集中在波长区间 ，属于一种短波辐射占总能量的 99u能量分布的最

3、大值所对应的波长 在 左右，属蓝色光范围 m0 . 33 . 0m475.0地球表面的太阳辐射u太阳辐射进入地球大气层后，不仅要受到大气中的空气分子、水蒸气和尘埃的反射和散射，还要受到大气中氧、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。反射和吸收使到达地球表面的太阳辐射强度显著减弱，而且还会改变辐射的方向和辐射光谱的分布 。u到达地球表面陆地上的太阳辐射功率大约只有 u到达地面的太阳辐射强度还受到大气层厚度的影响。大气层越厚，到达地面的太阳辐射量越少。 W16107 . 1大气质量与大气透明度u大气质量AMAM 设A为地球表面海平面上的一点。当太阳在天顶位置S时，太阳垂直入射，太阳辐射穿过大气层到达点A的

4、路径为OA。当太阳位于任一位置时，其穿过大气层到达点的路径为 。大气质量的定义为两者之比，即 OAAOAMAOu太阳高度角 太阳辐射到达海平面点的入射线和海平面点切线方向的夹角h h则有： u地面上任一点太阳辐射强度 单位时间单位面积上所入射的太阳辐射功率 式中， ：大气质量为AM1时的海平面上的太阳辐射强度 1sinhAM00II sinhI /AM 0Iu太阳辐射强度除了与大气质量有关外，大气中含有的各种气体和固体尘埃都会影响太阳光的透过量。若定义P为大气透明度 ,则有下列关系： 其中，P1：大气质量为1时的大气透明度，Pm：大气质量为m时的大气透明度。P值越大，大气越透明。P值永远小于1

5、，一般在之间 在0.30.85之间。 m0m01II PI P我国太阳能资源分类概况我国太阳能资源分类概况太阳辐射入射角的计算u 太阳高度角h ：当地的纬度角 ：时角 n ：一天24小时的时 间数 太阳光线与地面（a)和集热面（b)的角度关系coscoscossinsinsinh1215nu赤纬角 太阳地球连线与地球赤道所夹的圆心角 365284360sin45.23D太阳赤纬角太阳赤纬角u太阳入射角太阳入射角 太阳光线与被照射的平面法线之间的夹角。计算某水平面上逐时的太阳入射角可用 若集热面朝向正南，与水平面的倾角为 ，则该斜面上太阳辐射的入射角（太阳射线与斜面法线的夹角）由下式计算： co

6、scoscossinsincoscoscos)cos(sin)sin(cos3.2 太阳能集热器平板型集热器的基本结构u集热板u选择性吸收涂层u透明盖板u隔热层与外壳u集热板集热板n作用作用 通过吸收太阳辐射收集太阳 能，并把收集到的太阳能转 变为热能 n技术要求技术要求 最大限度地吸收太阳辐射； 传热性能好 ； 有好的机械和耐腐蚀性能； 加工简单，造价低；u 选择性吸收涂层选择性吸收涂层n目的目的：为了提高集热板吸收太阳辐射的能力，在集热板上都覆盖着一层黑色涂层n类型类型： 1）非选择性吸收涂层涂层（对太阳辐射的吸收特性和辐 射波长无关） 2）选择性吸收涂层（涂层的吸收特性随辐射波长而改变。

7、通常为多层膜结构，包括红外反射底层、吸收层和上部的减反射层等 。涂层可以用喷涂，化学、电化学、真空镀膜、磁控溅射等方法来制备 。u 透明盖板透明盖板n主要功能主要功能透过太阳辐射、保护集热板不受外界灰尘和雨雪侵蚀、形成温室效应 。n材料要求材料要求太阳辐射的透射率高、红外辐射的透射率低、导热性差和耐蚀耐冲击性能好 。n目前常用盖板材料目前常用盖板材料 平板玻璃、玻璃刚、阳光板等。u透明蜂窝透明蜂窝n透明蜂窝既能透过太阳辐射又具有优良的隔热性能n蜂窝在太阳辐射入射角为时的总透过率T() ： ：蜂窝壁材料的透射率f f：蜂窝壁的横截面积与蜂窝孔的横截面积之比t t：蜂窝壁厚度D D：蜂窝孔的水力直

8、径R R：光线透过蜂窝壁的次数 ：蜂窝的高宽比 透明蜂窝的基本结构透明蜂窝的基本结构太阳光通过透明蜂窝的透射 RfT 1DLtgDLR,一种带透明蜂窝的改进型太阳能平板集热器a)集热器剖面图 b)几种类型集热器热效率的比较平板型集热器的能量方程 太阳辐射为I，环境温度ta。假定沿集热板方向的导热可以忽略不计，材料的导热系数k和与环境的换热系数为常数。集热板厚度为，两相邻冷却流体管道之间的距离为2W，流体通道直径为D，集热板温度为tp。集热板传热模型沿x方向单位长度微元体的能量平衡为： 代入边界条件求解方程得到板面的温度分布 ：集热板单侧肋片传递给冷却流体的热流密度为 冷却流体从肋片得到的热流密

9、度为 式中： 肋片效率： 00ppLpaey,xy dy,xdtdtIdy Uttdykk0dydy 2LmU /kmwmyUIttUIttLeabLeapcoshcosh0peLb0ay wdt1qkIUtttanh mwdym 肋abLefabLettUIwmwmwttUIwqq002tanh22肋mwmwftanh肋片效率及平板集热器的热网络图肋片效率随集热管几何参数的变化平板集热器的热路图u根据能量守恒定律，在稳定状态下，集热器单位时间输出的热量 应等于单位时间内集热板吸收的太阳辐射能 减去集热器向环境散失的热量 则 其中： ：集热器的有效面积， ：太阳辐射强度 ：透明盖板的透射率和集

10、热板吸收率乘积的有效值 ：工作介质的质量流量 ：工作介质比热容 ：分别为工作介质的进、出口温度 eAaAIQ)()(eifLAuttCmQQQskg /mfCeitt ,)(apLLttAUQAQuQLQAIea)(3.2.3平板型集热器的效率u集热器效率:在稳定工况下，集热器工作介质在单位时间内输出的热量和单位时间入射到集热器的太阳辐射能之比 ，即 = IAttCmIAQeifU)(IAttUAIAapLe)()(IttUapLe)()(集热器启动过程的不稳定传热u集热器启动时的不稳定传热过程对于分析集热器的运行特性有重要的作用。假定不考虑集热器底部的热损失，集热器中流体不发生流动，则集热板

11、启动加热过程的能量平衡为：u集热板的温度方程为：u集热板的温度随时间的变化为： pgPepttAUAIddtmc pLppgeLpgdtUmc(mc )IU (tt ) AUd eeLpapaLLLppgIIU Attt0texpUUUmcmcU 3.3真空管集热器u定义定义 为了减少平板集热器对环境的热损失，将集热板与盖板、侧壁与底板之间抽成真空，同时在结构上将集热板做成圆管形状，就变成了真空管集热器 。u按材料来分类按材料来分类 1）全玻璃真空管集热器 2）金属真空管集热器u热管式真空集热管热管式真空集热管u工作原理工作原理 太阳辐射穿过玻璃外管后投射在有涂层的金属集热管上。集热管将热量传

12、给与其紧密结合的热管蒸发段，供蒸发段内的工质汽化。工质蒸汽流向热管冷凝段被凝结，凝结放出的热量加热集热器的工作介质。凝结后的液体工质在重力的作用下回流到热管蒸发段循环工作 。太阳能热水器典型的全玻璃真空管热水器外形图一种采用透明蜂窝的整体式太阳能集热器太阳能热水器u主要组成部件主要组成部件：集热器、储热水箱、循环水泵和控制系统等u分类分类 1）根据热水温度分：低温（热水温度60） 、 中温（热水温度100）、 高温热水器（热水温度150） 2）根据热水流动方向分：n 自然循环式自然循环式： 依靠集热器和蓄水箱中水温不同而产生的 压力差来推动热水运动 n 强制循环式强制循环式： 水循环是依靠泵来

13、实现的 n 直流式直流式： 水的运动直接依靠自来水的进水压力 a)b)c)a)自然循环式热水器系统图b)强制循环式热水器系统c)直流式热水器系统3.4 太阳房u概念概念 太阳房是一种直接利用太阳能进行采暖和空气调节的环保型节能建筑。使建筑物在一定程度上具有冬暖夏凉的功能。u利用温室效应原理利用温室效应原理u分类分类n被动式太阳房：仅仅依靠建筑物方位的合理布置，通过窗、墙和屋顶等建筑构件的专门设计以及选用性能优良的建筑材料，以自然交换的方式（辐射、对流和传导）来获取太阳能的一类建筑。n主动式太阳房：除满足被动式太阳房对建筑结构的需求外，主要是以太阳能集热器作为热源的一种环保型节能建筑。它以太阳能

14、集热器替代常规的锅炉，通过热水或热风系统对室内进行供暖 。a)直接 收益式b)集热蓄热式c)蓄热屋顶式d)温室蓄热墙式e)对流蓄热综合式特朗伯墙主动式太阳房以空气为集热介质的太阳房采暖系统图以水为介质的主动式太阳房供暖系统3.5 太阳灶箱式太阳灶抛物面聚光灶结构3.6 太阳能热发电u太阳能热发电太阳能热发电 利用工质将太阳辐射能先转变为热能，然后再将热能转变为电能的一种发电方式 。u类型类型n太阳能温差发电：利用塞贝克效应直接转换的技术。n太阳能热动力发电：利用聚光器将太阳能聚焦后加热某种工质使之成为蒸汽，蒸汽再推动汽轮发电机组进行发电 。太阳能热动力发电系统美国加州建造的一个槽式抛物面聚焦系

15、统照片槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统工作原理图美国研制的太阳1号塔式太阳能发电系统的工作原理图斯特林发动机斯特林发动机的工作原理斯特林发动机的工作原理n12为定温压缩过程n23为定容加热过程n34为定温膨胀过程n41为定容放热过程 循环的每个过程都有热量传递。对于理想气体，理想回热（ ）时，定容放热过程41放出的的热量正好为定容加热过程23所吸收。循环中只有定温膨胀过程34是从外热源吸收热量，定温压缩过程12向外界冷源放出热量 。1太阳能 驱动的斯特林发电装置热声发电机u利用热声效应，即管内气体（氦气）在温度梯度作用下发生振动而获得声能输出的现象，来将热能转换成声能，再由声能驱动一个线性交

16、流发电机 。u热声热机可分为驻波型、行波型、和行波驻波混合型三类。u热声 热机由加热器、热声板叠、谐振管、冷却器和消声器等组成。热声热机的原理图太阳烟囱u原理 空气在一个很大的玻璃天棚下被加热，热空气在天棚中央的烟囱中上升。上升气流带动烟囱底部的空气透平发电机组产生电能。u特点优点：不需要太阳跟踪和聚焦系统；不需要高科技制造技术；集热器天棚结构简单；不需要冷却水等缺点：占地面积巨大 。太阳烟囱的工作原理图太阳池发电u蓄热原理蓄热原理 太阳池是一种盐水池。沿池深，盐水自下而上有一定的浓度梯度，下层较浓的盐水较重，可阻止或削弱由于池中温度梯度引发的池内液体自然对流，从而使池水稳定分层。在太阳辐射下

17、池底的水温升高，形成温度高达90左右的热水层，而上层清水层则成为一层有效的绝热层。同时，由于盐溶液和池周围土壤的热容量大，所以太阳池具有很大的储热能力 。太阳池发电原理图3.7 太阳能制冷与空调u优点优点 具有良好的季节适应性。在夏季空调负荷高峰时，正是太阳辐射最强时。因此可以大大缓解夏季电力供应的季节性难题 。u类型类型 太阳能吸收式制冷系统； 太阳能吸附式制冷系统； 太阳除湿制冷系统； 太阳能蒸汽喷射式制冷系统太阳能吸收式制冷u在高温热源加热下，浓溶液沸腾，溶液中沸点较低的制冷剂汽化和溶液分离，分离出的制冷剂蒸汽经冷凝后变成液体。冷凝后的制冷剂液体在蒸发器中蒸发产生制冷效应。蒸发后的制冷剂

18、蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收，使稀溶液回复到初始的浓溶液状态，过程重复进行 。u常用的吸收式制冷溶液 1)溴化锂-水溶液，溴化锂是吸收剂（沸点1265），水是制冷剂； 2) 氨-水溶液，其中氨是制冷剂（沸点是33.40C），水是吸收剂 u工作原理工作原理发生器中的溴化锂溶液由集热器的集热介质直接加热，溶液中的水份不断汽化，溶液浓度提高，浓溶液进入吸收器。 水蒸汽在冷凝器中凝结后变成高压低温的液态水，然后进入节流阀。节流后的低压液态水进入蒸发器吸收冷媒水的热量而蒸发，产生制冷效应。低温水蒸汽再进入吸收器，被吸收器中的溴化锂浓溶液吸收。溴化锂稀溶液通过溶液泵返回发生器，完成整个制冷循环 。太阳能溴化

19、锂吸收式制冷系统原理图太阳能吸附式制冷u工作过程白天，吸附集热器吸收太阳辐射能，吸附床温度升高，制冷剂从吸附剂中被解吸出来。吸附集热器中制冷剂蒸汽压力升高，推动制冷剂进入蒸发器和储热器。这一阶段中，太阳能转化为吸附剂的化学吸附潜能被储存起来。当夜晚时或太阳辐射不足时，环境温度降低，吸附集热器被冷却（也可以通过冷却水冷却），吸附床温度降低，制冷剂压力也相应降低，引起蒸发器中液态制冷剂蒸发，产生制冷效应。蒸发的制冷剂蒸汽进入吸附床，重新被吸附剂吸附。当吸附床再次被加热时，过程重复进行。 太阳能吸附式制冷机工作原理图太阳能除湿制冷u原理 利用除湿剂吸收空气中的水蒸汽以降低空气的湿度，然后利用对空气加湿来产生制冷效果 。u分类 1）固体除湿制冷系统 2）溶液除湿系统 u组成组成太阳能集热器、转轮除湿器、转轮换热器、蒸发冷却器和再生器等。u常用的固体除湿剂常用的固体除湿剂硅胶、分子筛、氯化锂晶体、活性炭和氧化铝凝胶等。u工作过程工作过程太阳