2第二章21太阳能热利用技术

1、 新能源利用技术 王一平天津大学化工学院 教授 2013.4.24 第二章 太阳能利用 2.1 太阳能热利用 2.2 太阳能发电 2.3 太阳能建筑 2.4 光化学 太阳能主要利用方式 目 前 主 要 应 用 转化成电能 光-电 转化成热能 光-热 太阳能光伏发电 太阳能光热发电 太阳能集热器 太阳灶、太阳房 太阳能干燥、太阳能空调制冷 太阳能建筑一体化 自然光合作用 转化成化学能 光-化 人工光合作用 制氢 2.1 太阳能热利用 ? 太阳能集热器 ?太阳能热水器 ?太阳能热水系统 ?太阳灶 ?太阳能干燥 ? ? ?太阳能热利用就是直接将太阳的辐射能转化为热能的应用。 主要包括太阳热水器、太阳

2、房、太阳灶、太阳干燥、太阳海水淡化及其它工农业应用。 2012年，我国太阳能热水器年产量达到 6390万m2。 2010年，我国太阳灶的保有量约为 205余万台。 据不完全统计，我国已建各种类型的太阳能干燥装置200多座，总采光面积近 20000m2。 一、太阳能集热器 ? 太阳集热器定义：太阳加热系统中，接收太阳辐射并向其传热工质传递热量的部件。 ?许多人误认为太阳集热器（简称集热器）就是太阳热水器。集热器是热水器的一部分，它是决定热水器热性能优劣的一个关键部件。 （1）集热器分类 （a）按工质分类 （b）按是否聚光分类 液体集热器 聚光集热器 空气集热器 非聚光集热器 （c）按是否跟踪太阳

3、分类 （d）按是否有真空空间分类 跟踪集热器 平板集热器 非跟踪集热器 真空集热器 （e）按集热器的工作温度分类 ?(1)低温集热器 工作温度在100以下 ?(2)中温集热器 工作温度在100-200 ?(3)高温集热器 工作温度在200以上。 （2）平板集热器 （ a）吸热体基本类型）吸热体基本类型 a 管板式 b 翼管式 c 扁盒式 d 蛇管式 （b）集热器盖板）集热器盖板 ?无盖板: 适用夏季游泳池加热，成本低廉，加热水温 低，流量大 ?单层盖板（普通黑漆）:适用于春夏秋三季生产40-46oC低温生活热水 ?单层盖板（选择性涂层）:适用于春夏秋三季生产60-70oC低温生活热水 ?双层盖

4、板（选择性或非选择性涂层）:用于环境寒冷地区，但由光学效率降低，影响总体效率 （c）集热器隔热材料）集热器隔热材料 ?绝热性能:决定于导热系数，需考虑温度、湿度等的 影响 ?耐热性:其耐热温度应高于集热器的闷晒温度 ?抗腐蚀性:不得对吸热体和其它部件产生腐蚀作用 ?机械强度:为增强集热器机械强度 （3）真空管太阳集热器 ?真空集热器：将吸热体与透明盖层之间抽成 真空的太阳集热器。 ?主要特点：减少集热器的传导、对流和辐射热损失。 ?从受力情况和密封角度考虑，通常将真空太阳集热器基本单元做为圆管形状，而不是平板。 （a）真空管集热器分类 ?全玻璃的真空管集热器吸热体由玻璃管组成 ?金属吸热体真空

5、管集热吸热体由金属材料组成，如U型管式真空管集热器和热管式真空管集热器 （b）全玻璃真空管的结构 1、内玻璃管 2、太阳选择性吸收涂层 3、真空夹层 4、外玻璃管 5、支承件 6、吸气剂 7、吸气膜 （c）真空管选择性吸收涂层 ?采用选择性涂层作为吸热体的光热转换材料， 要涂层有高的太阳吸收比，低的发射率，良好 的真空性能，耐热性能。 ?采用磁控溅射技术的多层（渐变）铝氮 /铝选择性吸收涂层，光吸收率可达 0.93，红外发 射率约为0.05（80） （d）U型管式真空管 ?结构简单，就是在真空管内插 一根带圆筒型铝翼的U型铜管； ?真空管内无水，遇有真空管破裂，集热系统照常运行； ?传热工质可

6、选用防冻液，特别适于高寒地区四季使用； ?集热器间可并联或串联安装，可以承压运行； ?集热管放置不受方向限制，系统安装、维修简便。 （e）热管式真空管集热器 ?管子的一端为蒸发段，吸收热量，另一端为冷凝段释放热量。 ?当管子的蒸发段被加热时 ，液体在网中气化，蒸发的蒸汽从管心流向冷凝段，蒸汽向外部释放热量，重新凝结为液体，再流回蒸发段。 热管式真空管的特点 ?热效率高：最高运行温度可达 100.最高闷晒温度可达250.工作温度为70-120 ?热启动快：在阳光下2分钟即可输出热量。 ?特殊的防冻技术：即使在-50的严寒下仍能正常工作而无冻损之忧。 ? 高真空度，不结垢，承压能力大 全天候运行：

7、天气多变的南方和寒冷的北方全年运行 使用寿命长：使用寿命可长达12年 二、太阳能热水器 ?定义：利用温室原理，将太阳的能量转变为热能，并 向水传递热量，从而获得热水的装置。 ?按照GB/T18713和NY/T513，储热水箱的容水量在0.6t以下为家用太阳热水器，大于0.6t则称为太阳热水系统或太阳热水工程。 （1）家用闷晒型太阳热水器 ?优点：结构简单，使用可靠 ?特点：集热器与水箱合二为 一，冷热水的循环和流动在水箱内部进行 ?缺点：保温效果差，热量损失大。 塑料袋式热水器塑料袋式热水器 池式热水器池式热水器 筒式热水器筒式热水器 （2）家用平板型太阳热水器 ?集热器采用平板型； ?集热器

8、与水箱结合紧密，上下循环管很短，不仅省料，而且减少了管道的热损失； ?水箱前侧板对太阳光还起到反射作用，增强射入盖板的太阳辐射量； ?水箱容水量取决于集热采光面积，常规产品是2 （3）家用紧凑式全玻璃真空管式 ?集热器采用全玻璃真空管。 ?真空管集热下方分有反射板和无反射板两种。 ?集热管与水箱内胆连接用硅橡胶密封圈，以防水的渗漏。 ?集热管与水箱外壳连接则采用抗老化橡胶或塑料密封圈，防止或减少对流散热。 ?使用寿命应在10年以上。 （4）家用紧凑式热管真空管型 ? 集热器采用热管真空管； ?管内不走水，不结垢，可随时上水； ?寿命主要取决于热管的长期稳定工作。 （5）平板与真空管热水器对比分

9、析 产品类型产品类型 平板型（普通）平板型（普通） 玻璃真空管玻璃真空管 日产水量日产水量/kgm-2 80110 70100 产水温度产水温度/ 4060 4060 效率效率/% 45 45 价格价格 较低较低 偏高偏高 抗腐蚀性抗腐蚀性 一般一般 好好 安装维修安装维修 方便方便 不便不便 防冻防冻 差差 好好 结垢情况结垢情况 有有 有有 三、太阳能热水系统 ? 热水系统的分类 ?自然循环系统 ?强制循环系统 ?直流式循环系统 （1）太阳能热水系统类型 （a）按系统运行方式分类： 1 自然循环系统 2 强制循环系统 3 直流式系统 （ c ）按集热与供热水范围分类： 集中供热水系统集中供

10、热水系统 集中分散供热水系统集中分散供热水系统 分散供热水系统分散供热水系统 （ d ）按辅助能源加热设备安装位置分类： 1 内置加热系统 辅助能源加热设备安装在太阳热水系统的贮水箱内； 2 外置加热系统 辅助能源加热设备不是安装在贮水箱内，而是安装在太阳热水系统的供热水管路上或贮水箱旁。 （ e）按辅助能源启动方式分类： 1 全日自动启动系统 始终自动启动辅助能源加热设备，确保可以全天24小时供应热水； 2 定时自动启动系统 定时自动启动辅助能源加热设备，从而可以定时供应热水； 3 按需手动启动系统根据用户需要，随时手动启动辅助能源加热设备。 太阳热水系统设计选用表 （2）自然循环系统 ?系

11、统依靠集热器与蓄水箱的水温不同产生的密度差进行循环，水箱中的水经过集热器被不断加热。 ?优点：结构简单，运行安全可靠，不需要循环水泵等。 ?缺点：为了防止系统中热水倒流和维持热虹吸压头，蓄水箱必须置于集热器的上方。 （3）强制循环系统）强制循环系统直接加热系统直接加热系统 ?在集热器和贮水箱之 间管路上设置水泵，作系统中的水循环动力。 ?系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间水的温差控制水泵运转。 ?在水泵入口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。 强制循环系统强制循环系统间接加热系统间接加热系统 ?在大型强制循环式太阳热水系统中，为了防冻有时采用设置换热器的双回路系统。

12、 ?这种系统由于换热器存在传热温差，使系统效率降低。 （4）直流式系统 ?直流式，指水一次通过集热器就被加热到所需的温度，所以又称一次式。 ?它是一种开式太阳热水系统 . ?分为热虹吸式和定温放水式两种。 直流式系统-热虹吸式 ? 集热器受到阳光照射， 水温升高，在系统中形成热虹吸压力。 ?早晨太阳升起一段时间以后，在贮水箱中便可收集到热水。 ?这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节。 直流式系统-定温放水型 ?系统在集热器出口处安装 测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的电动阀的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定

13、。 ?这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性，同样决定于电动阀和控制器的工作质量。 直流式系统的优点 由于系统的补冷水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力，因此系统中不需设置水泵。 贮水箱可以因地制宜地放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于贮水箱保温，减少热损失。 完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混。 可以取消补给水箱。 阴天只要有一段见晴的时刻热水 .就可得到一定量的适用便于实现冬季夜间系统放空防冻。 可用热水时间比自然循环式要早。 ? 四、太阳灶 ? 定义：利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方 式获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置

14、。 ?正常使用时比蜂窝煤炉还要快；和煤气灶速度一致。 ?太阳灶是较成熟的产品。 ?近二、三十年来，世界各国都先后研制生产了各种不同类型的太阳灶。 ?尤其是发展中的国家，太阳灶受到了广大用户的好评，并得到了较好的推广和应用。 ?太阳灶在广大农村，特别是在燃料缺乏地区，具有很 大的实用价值。 太阳灶的结构类型 ? 箱式太阳灶：利用黑体吸收太阳辐射能的原理制造的。 ?聚光太阳灶：利用旋转抛物面反光汇聚太阳直射辐射能进行炊事工作的装置。 ?综合太阳灶：将箱式太阳灶和聚光太阳灶具有的优点加以综合，并结合真空集热管技术、热管技术研究的不同类型的太阳灶。 （a）箱式太阳灶 ?优点： 能够吸收太阳的直射和散射

15、能量 结构简单，成本低 使用方便，温度可以达到100以上，满足蒸、煮食物的要求。 ?缺点： 聚光度低，功率有限，箱温不高，所需时间较长，不能满足所有的炊事要求。 普 通箱式太阳灶 加反光镜的箱式太阳灶 1.反光镜 2.支架 3.灶体 4.铝板空箱体 5.玻璃盖板 6.炉门 7.支柱 8.底框 （b）聚光太阳灶 ? 利用抛物面的聚光特优点： 性，锅底温度可达500o时间。C，缩短了炊事 ?成本较高，制作复杂。缺点： ?最广泛。抛物面的太阳灶应用 几种聚光太阳灶形式 旋转抛物面聚光太阳灶 偏轴抛物面聚光太阳灶 折叠式聚光太阳灶 （c）综合太阳灶 典型综合型太阳灶 ? 热管真空管式太阳灶 ? 储热式

16、太阳灶 ? 聚光双回路太阳灶 ? 抛物柱面聚光箱式灶 ?热管太阳灶 1.散热片 2.蓄热材料 3.绝热箱 4.热管真空绝热管 ?储热太阳灶 1.聚光器 2.热管蒸发器 3.支 撑管 4.绝热板 5.冷凝端 6.换 热器 7.硝酸盐 8.绝热层 9.热 泵 10.阀门 11.炉盘 12.地面 （d）太阳灶材料 ? 灶体、反光材料、支撑机构、跟踪机构、锅架构成了太阳灶。 ?灶体和反光材料一起构成了太阳灶的核心，灶体成本占整个太阳灶的 1/31/2。 ?灶体材料：金属类（铸铁、铝板冲压）、水泥类、有机类（玻璃钢）。 ?反光材料：普通玻璃镜片、高纯铝阳极氧化反光材料、聚酯薄膜真空镀铝反光材料。 五、太

17、阳能干燥 ?物料直接吸收太阳能并将它转换为热能，或者通过太阳集热器所加热的空气进行对流换热而获得热能。 ?经过物料表面与内部之间的传热、传质过程，使物料中的水分逐步汽化并扩散到空气中去最终到达干燥的目的。 ? 应用范围：食品、农副产品、木材、中药材、工业产品等。 优点： 与常规能源干燥相比：节约常规能源 ，保护自然环境。 与露天自然干燥相比：提高生产效率， 提高产品质量(密闭装置) 太阳能干燥器分类 (a) 方式分类按物料接受太阳能的 (b)型分类按空气流动的动力类 ?直接受热式太阳能干燥器?吸收太阳能。: 干燥物料直接 要由外加动力主动式太阳能干燥器?间接受热式太阳能干运行的太阳能干燥器。(

18、风机)驱动: 需 燥器?集热器加热空气，再: 首先利用太阳通过热空气与物料的不需要由外加动力被动式太阳能干燥器：对流换热进行物料干驱动运行的太阳能干燥器(风机)燥。 主动式主动式 被动式被动式 直接式直接式 间接式间接式 混合式混合式 (c)按结构形式分类 ? 温室型：通常是直接式，被动式。 ?集热器型：通常是间接式，主动式。 ?集热器间接)，主动式。-温室型：通常是混合式 (直接，?整体式：通常是间接和直接式合成，主动式。 ?其他型式：不一定。 特点：集热部件与干燥室结合为一体温室型太阳能干燥器 优点：结构简单，建造容易，成本较低。 缺点：干燥器温升较小，昼夜温差大，干燥速度慢；干燥 室容量少。适用范围：要求干燥温度较低的物料；允许接受阳光曝晒 的物料。 特点：太阳能空气集热器与干燥室两部分组成集热器型太阳能干燥器 优点：由于空气集热器的使用，集热温度可达 由于使用风机，强化空气与物料的对流