新能源技术明廷臻课件

新能源技术工程热物理系RenewableEnergyTechnology11/27/20221新能源技术RenewableEnergyTechnolo标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相点击此处输入前言点击此处输入标题添加点现代科学技术的四大支柱信息科学材料科学生命科学能源科学11/27/20223现代科学技术的四大支柱信息科学11/26/20223能源科学能源技术：研究各种能源的开发、生产、转换、储存和综合利用。研究目的：1.提高现有能源的利用效率2.寻找新的能源及其利用方式研究再生能源技术的目标：寻找实现能量的高效率低成本的转换技术11/27/20224能源科学能源技术：研究各种能源的开发、生产、转换、储存和综合本课程主要内容风能利用技术核能利用技术氢能利用技术太阳能利用技术海洋能利用技术地热能利用技术生物质能利用技术11/27/20225本课程主要内容风能利用技术11/26/20225学时安排核能利用技术（2学时）氢能利用技术（2学时）太阳能利用技术（6学时）海洋能利用技术（2学时）应用与前沿举例（2学时）11/27/20226学时安排核能利用技术（2学时）11/26/20226补充基础知识：传热学、流体力学、热力学、半导体物理、电化学反应基础相关专业：能源、电气、材料、交通、物理、化学、建筑、光电、……11/27/20227补充基础知识：传热学、流体力学、热力学、半导体物理、电化学反§1.太阳能基础知识§2.太阳能的热利用§3.太阳能的热发电§4.太阳能光伏发电§5.太阳能热气流发电太阳能利用技术

TechnologyofSolarEnergyUtilization11/27/20228§1.太阳能基础知识太阳能利用技术

Technology§1.太阳能基础知识§1-1.热辐射的基本概念§1-2.太阳能的基本概念11/27/20229§1.太阳能基础知识§1-1.热辐射的基本概念11/26太阳基本参数日地距离约：1.5×108km。从地球上望：太阳的张角0.0093弧度。太阳直径：1.4×106km(地球的109倍)太阳体积：地球体积的1302500倍太阳质量：1.99×1030kg(地球的33万倍)平均密度：1.4×103kg/m3(地球的0.25倍)太阳温度:5770℃(表面)1560万℃(核心)总辐射功率:3.83×1026J/s太阳年龄:约50亿年§1-2.太阳能的基本概念11/27/202210太阳基本参数日地距离约：1.5×108km。§1-2.太阳太阳能太阳能是一种清洁的可再生能源。从广义上讲：太阳能不仅包括直接投射到地球表面的辐射能，还包括像生物质能、水能、风能、海浪能等同样起源于太阳辐射的间接的太阳能量；而且像现在广泛使用的石油、天然气和煤炭等化石能源，也都是古代太阳能资源的产物。从狭义上讲：太阳能指的是直接投射到地球表面的太阳辐射能。可再生能源技术领域讲述的太阳能指的是狭义的太阳能。太阳能两个主要缺点：一是能流密度低；二是能流波动大。11/27/202211太阳能太阳能是一种清洁的可再生能源。11/26/202211太阳构造内部大气内核中介层对流层光球层色球层日冕层0~0.23R，T=4×107K，P=3×1014Pa，=1×105kg/m3，物质处于等离子体状态，热核反应，产生能量占太阳产生能量的90%。0.23R~0.7R，辐射输能区，T=1.3×105K，=79kg/m3。0.7R~1R，T=6000K，=1kg/m3。肉眼所见太阳表面，T=6000K，=10-3kg/m3，厚度500km，由强烈电离的气体组成，能吸收和发射连续的辐射光谱，太阳能的绝大部分能量由此辐射到天空。厚度约1×104~1.5×104km，大部分由氢和氦组成。温度为5000K，=10-5kg/m3。有时出现极猛烈的日焰，此时太阳辐射量最大，有些太阳上的电子流到太空，形成太阳风，打击到地球大气层上缘，产生磁暴和极光。伸入太空的银白色日冕，温度1×106K，高度达几十个太阳半径11/27/202212太阳构造内部大气内核中介层对流层光球层色球层日冕层0~0.2太阳辐射能太阳物质组成：氢占78.4%，氦占19.8%，金属和其他元素占1.8%。两种热核反应：质子-质子循环，碳-氦循环。太阳辐射功率：3.74×1026W，相当于每秒钟燃烧1.28×1015吨标煤放出的能量。太阳辐射波长范围：自0.1nm以下的宇宙射线~无线电波。太阳辐射具有波动性和粒子性。11/27/202213太阳辐射能太阳物质组成：氢占78.4%，氦占19.8%，金属太阳常数太阳本身的活动会引起太阳辐射强度发生波动。观测表明，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射量大2.5%。在一般的太阳辐射计算中，可近似认为太阳辐射稳定，在地球大气层外的太阳辐射强度为一个常数。太阳常数：指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气外层平面上，单位时间、单位面积上所接受的太阳辐射能，单位为W/m2。太阳常数取值：1357W/m2。具有平均值意义11/27/202214太阳常数太阳本身的活动会引起太阳辐射强度发生波动。11/26大气层外太阳辐射强度计算大气层外，单位时间、单位垂直面积上所接受到的太阳辐射能I随地球与太阳的距离而变化。计算方法：D为日地距离；D0为日地平均距离；Ic为太阳常数；n为从元旦算起的天数。11/27/202215大气层外太阳辐射强度计算大气层外，单位时间、单位垂直面积上所大气质量设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A点的路径OA。当太阳位于任一位置S’时，其穿过大气层到达A点的路径为OA’。大气质量定义为两者之比：设定在1atm和0℃，海平面上太阳垂直入射，此时大气质量AM=1，简称AM1。11/27/202216大气质量设A为地球表面海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳高度角太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h，则有：当h=90°时，AM=1；当h=30°时，AM=2。11/27/202217太阳高度角太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和太阳辐射强度太阳辐射强度I：定义为单位时间地球表面上单位面积上所入射的太阳辐射功率，单位为W/m2。I0为大气质量为AM1的海平面上的太阳辐射强度。结论：到达地球表面任意一点的太阳辐射强度与该点的大气质量成反比。大气质量越大，到达该点的太阳辐射强度越小。11/27/202218太阳辐射强度太阳辐射强度I：定义为单位时间地球表面上单位面积大气透明度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。定义P为大气透明度。当大气质量AM=m时，太阳直接辐射强度可表示为：P1为大气质量为1时的大气透明度，Pm为大气质量为m时的大气透明度。P值越大，大气越透明。P永远小于1，一般为0.3~0.85。0.85相当于大气最清净时的透明程度。最好的晴天，P1=0.85；一般的晴天，P1=0.65；较差的晴天P1=0.532。海拔越高，P1大，反之则越小。11/27/202219大气透明度太阳辐射强度除了与大气质量有关外，大气中含有的各种太阳高度角h的计算太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h。Ψ为当地的纬度角；ω为时角，每小时的时角为15°，即地球每小时自转15°。δ为赤纬角。11/27/202220太阳高度角h的计算太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的赤纬角δ赤纬角δ的变化范围：δ为赤纬角，定义为正午时太阳-地球连线与地球赤道平面所夹的圆心角。当太阳垂直照射在地球赤道上时，赤纬角为0°，从赤道向北δ取正值，向南则δ取负值。太阳赤纬角δ的计算：n表示一年从元旦算起的第几天。冬至日11/27/202221赤纬角δ赤纬角δ的变化范围：δ为赤纬角，定义为正午时太阳-地太阳入射角太阳入射角：定义为太阳光线与被照射的平面法线之间的夹角。对于倾斜平面，该平面上太阳辐射能与太阳入射角之间的计算关系：若已知Ψ为纬度角；δ为赤纬角；ω为时角，则：11/27/202222太阳入射角太阳入射角：定义为太阳光线与被照射的平面法线之间的经验：为了接受更多的太阳能，在北半球实际太阳能集热面都是朝南倾斜的，在春天和秋天，如果集热面倾角等于地球纬度角，则太阳辐射正好与集热面垂直。一般来说，在夏天集热面要更水平一些，在冬季要更垂直一些，这样可接受更多的太阳辐射。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计算：正午时刻，ω=0，太阳入射角为：11/27/202223经验：为了接受更多的太阳能，在北半球实际太阳能集热面都是朝南我国太阳能资源分布类型地区年日照时数（h/a）年辐射总量（kWh/m2•a）

1西藏西部、新疆东南部、宁夏北部、青海西部、甘肃北部3200～33001856～2333

2西藏东南部、新疆南部、宁夏南部、青海东部、甘肃中部、内蒙古南部、河北西北部3000～32001626～1856

3新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、江苏北部、安徽北部

2200～3000

5000～5850

4湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部

1400～2200

4200～5000

5四川、贵州1000～14003350～4200我国西部的太阳能非常丰富，多数地区的年日照时数在3000小时以上我国的太阳能资源是风力资源的1400倍、水力资源的3300倍11/27/202224我国太阳能资源分布类型地区年日照时数（h/太阳能的利用历史中国是世界上最早利用太阳能的国家之一。远在3000多年前的西周时代（公元前11世纪），就已有了“阳燧取火”技术的记载，所谓“阳隧”，就是形似凹面镜的金属圆盘，对着太阳聚光，在聚光点点燃艾绒等易燃物，取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位。11/27/202225太阳能的利用历史中国是世界上最早利用太阳能的国家之一。远在3国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。公元前215～210年，古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛，派了一支舰队攻打希库扎港，著名学者阿基米德为了保卫家乡，他让每个士兵用擦亮的铜盾，排列在城堡上，把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上，结果使舰船起火，敌人仓惶逃跑。1973年希腊科学家萨克斯博士，雇了50多名水手，各持一块长方形铜镜，聚焦一只木船，结果木船起火。此可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的。以上说明太阳能利用技术古已存在。但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用，还是起于1615年。法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人。从此，太阳能利用进入了一个新的历史时期。11/27/202226国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。公元前215～21太阳能利用的主要形式人类直接利用太阳能有四大技术领域，即光热转换、光电转换、光化学转换和储能技术。太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。太阳能化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。11/27/202227太阳能利用的主要形式人类直接利用太阳能有四大技术领域，即光热§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存11/27/202228§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器11/26/2§2-1.平板型集热器太阳能集热器的分类按集热方式分类：平板型集热器和聚光型集热器按所能达到的集热温度分类：低温集热器（集热温度<100℃）；中温集热器（集热温度100~500℃）；高温集热器（集热温度>500℃）按结构分类：直晒式平板集热器（温升0~10℃）；透明盖板式集热器（水温升0~50℃）；透明盖板集热器（空气温升0~50℃）；真空管集热器（温升10~150℃）；点聚焦集热器（温升>150℃）；线聚焦集热器（温升50~150℃）11/27/202229§2-1.平板型集热器太阳能集热器的分类按集热方式分类：平聚光集热器(小补充)提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失。聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。工作原理：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与入射太阳辐射总是互相垂直的。11/27/202230聚光集热器(小补充)11/26/20223011/27/20223111/26/202231平板型集热器的基本结构基本结构：(1)集热板(2)选择性吸收涂层(3)透明盖板(4)隔热层和外壳平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。11/27/202232平板型集热器的基本结构基本结构：平板集热器是非聚光类集热器中隔热层透明盖板集热板选择性吸收涂层外壳11/27/202233隔热层透明盖板集热板外壳11/26/202233集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的器件。它包括吸热面板和与吸热面板有良好结合的液体管道或通道。集热板的技术要求：

可以最大限度地吸收太阳辐射；传热性能好，高效传递太阳能给工作介质；好的力学和耐腐蚀性能；加工简单，造价低廉。集热板的材料：铜、铝合金、镀锌铜、铜铝复合板、不锈钢和塑料。其表面涂有选择性或非选择性涂层。(1)集热板11/27/202234集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的器件。它包括吸热集热板结构形式11/27/202235集热板结构形式11/26/202235为提高集热板吸收太阳辐射的能力，在集热板上都覆盖一层黑色涂层，成为太阳能吸收涂层。太阳能吸收涂层分类：选择性；非选择性。选择性涂层的吸收特性随辐射波长而改变。对太阳短波辐射具有高的吸收比，而本身所在温度的长波发射比却很低的一种涂层。这种涂层既可使吸热面板吸收更多的太阳辐射能，又可减少吸热面板向环境的辐射损失。非选择性涂层对太阳辐射的吸收特性和辐射波长无关。在一定温度下，物体的吸收比等于其发射比。一般平板型集热采用非选择性涂层。只有当工质需要较高的温度或环境温度较低时，才采用选择性涂层。(2)选择性吸收涂层11/27/202236为提高集热板吸收太阳辐射的能力，在集热板上都覆盖一层黑色涂层平板集热器的重要部件。主要功能：(1)透过太阳辐射；(2)保护集热板不受外界灰尘和雨雪侵蚀；(3)形成温室效应。技术要求：(1)太阳辐射的透射率较高；(2)红外辐射的透射率低；(3)导热性能差；(4)耐腐蚀耐冲击性能好。常用材料：

平板玻璃：红外辐射透射率低，导热性能差和耐腐蚀性能好，太阳透射率已达0.9~0.91，但耐冲击性能较差。

玻璃钢板：一种玻璃纤维增强型塑料板，太阳透射率高，导热性能差，耐冲击易加工，但耐蚀性能较差。

透明蜂窝：一种新型透明隔热材料，太阳透射率高，隔热性能最好。一般用聚碳酸酯薄膜(PC)，氟化乙丙烯薄膜(FEP)，聚氯乙烯和薄壁玻璃管制成。(3)透明盖板11/27/202237平板集热器的重要部件。(3)透明盖板11/26/20223隔热层：在集热板的底面和侧面充填有保温材料以减少集热板对周围环境的散热损失。技术要求：保温性能好；性能稳定；不易老化和挥发；不产生有害气体，价格低廉。从传热学角度考虑，设计时一般要求底面的散热是上盖板散热的1／10。常用材料：岩棉、矿棉、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯壳体：固定集热器、透明盖板和隔热层，对集热器起保护作用。常用材料：铝合金、不锈钢和玻璃钢等。(4)隔热层和外壳11/27/202238隔热层：在集热板的底面和侧面充填有保温材料以减少集热板对周围平板型集热器的数学模型分析思路：认为管道温度均匀，管与管之间用集热板连接，将集热板的一半以及与之连接的管道抽取出来分析。可将上述模型视为肋片的导热问题。建立肋片的传热数学模型，同时考虑辐射和对流。计算肋片的效率。平板集热器的倾斜度影响集热板表面的对流换热系数。能源专业11/27/202239平板型集热器的数学模型分析思路：能源专业11/26/2022问题描述设玻璃盖板的透过率τ，集热板的吸收率α，太阳辐射强度为I透过玻璃盖板照在翼板表面上，冷却流体通过管道吸收热量，环境温度ta为常数，假定沿集热板方向的导热可以忽略不计，材料的导热系数，集热板与环境的对流换热系数为UL，集热板厚度δ，两相邻冷却流体管道之间的距离为2W（非管道中心距离而是边缘距离），流体通道直径为D，流体管道的温度tb0，求集热板温度tp。11/27/202240问题描述设玻璃盖板的透过率τ，集热板的吸收率α，太阳辐射强度平板集热器的效率集热器效率：定义为在稳定工况下，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。cp

：流体的比热容：流体进口温度：流体质量流量：流体出口温度A：集热板面积I：太阳辐射强度11/27/202241平板集热器的效率集热器效率：定义为在稳定工况下，集热器工作介§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存11/27/202242§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器11/26/2§2-2.真空管集热器平板集热器的缺点散热损失太大；热效率不高，集热温度不高将集热板与盖板、侧壁与地板之间抽真空；将集热板做成圆管形状。由此形成了真空管集热器真空管集热器按材料分类：全玻璃真空管集热器金属真空管集热器改进方法11/27/202243§2-2.真空管集热器平板集热器的缺点散热损失太大；热效率全玻璃真空管集热器的结构集热管由内外两同心圆玻璃管制成。两玻璃管之间的夹层抽成高度真空，在内管外壁沉积有选择性吸收膜，外管为透明玻璃。两管尾部之间用不锈钢弹簧卡子将内管自由端支撑，卡子顶部带有消气剂，消气剂的作用是吸收集热管在长期使用中产生的气体，以维持夹层内的真空度。11/27/202244全玻璃真空管集热器的结构集热管由内外两同心圆玻璃管制成。两玻热损失计算以单支真空管集热器为例：qL为单位面积上真空集热管的散热热流密度；UL为热损失系数，Tr为真空集热管温度，Ta为环境温度。UL的计算方法：(注意，有些专著描述有误)UL为从内管外壁面到外部环境流体这个散热损失过程的传热系数。11/27/202245热损失计算以单支真空管集热器为例：qL为单位面积上真空集热管散热损失过程的三个热阻环节1.集热管对保护套管（外层玻璃管）的辐射热阻r1；2.外层玻璃管的导热热阻r2；3.外层玻璃管与环境之间的辐射和对流复合热阻r3。下标r表示集热管参数；下标e表示外管参数，eo表示外管外壁面，ei表示外管内壁面；a表示环境；R表示半径。11/27/202246散热损失过程的三个热阻环节1.集热管对保护套管（外层玻璃管真空集热管实际得到的热流密度：若令qu=0，则集热器开始运行的最小太阳辐射：11/27/202247真空集热管实际得到的热流密度：若令qu=0，则集热器开始运行热管式真空集热管热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种，它由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分构成，其中热管又包括蒸发段和冷凝段两部分。11/27/202248热管式真空集热管热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种热管式真空集热管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4上，集热管将热量传给与其紧密结合的热管蒸发段5，供蒸发段内的工质汽化。工质蒸汽流向热管冷凝段1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作用下回流到热管蒸发段循环工作。11/27/202249热管式真空集热管工作原理太阳辐射穿过玻璃外管后，投射在有涂层热管采用热管技术是热管式真空管换热器的最大特点。热管是利用汽化潜热高效传递热能的强化传热元件。在热管式真空集热管中使用的热管一般都是重力热管，也称为热虹吸管。重力热管的特点是管内没有吸液芯，冷凝后的液态工质依靠其自身的重力流回到蒸发段，因而结构简单，制造方便，工作可靠，传热性能优良。目前国内大都使用铜-水热管，国外也有使用有机物质作为热管工质的，但必须满足工质与热管材料的相容性。11/27/202250热管采用热管技术是热管式真空管换热器的最大特点。目前国内大都热管式真空集热管的优点1.真空集热管内没有水，因而耐冰冻，即使在零下40℃的环境温度下也不冻坏;2.热管工质的热容量小，因而真空集热管启动快;3.热二极管效应：热量只能从下部传递到上部而不能从上部传递到下部，因而真空集热管保温好。注意事项：由于热管的液态工质是依靠其自身的重力流回到蒸发段，所以在安装时要求热管式真空集热管与地面保持一定的倾角。11/27/202251热管式真空集热管的优点1.真空集热管内没有水，因而耐冰冻玻璃-金属封接采用金属吸热板是热管式真空管集热器第二大特点。由于金属和玻璃的热膨胀系数差别很大，所以存在玻璃与金属之间如何实现气密封接的技术难题。玻璃-金属封接技术大体可分为两种:一种是熔封，也称为火封，它是借助一种热膨胀系数介于金属和玻璃之间的过渡材料，利用火焰将玻璃熔化后封接在一起;第二种是热压封，也称为固态封接，它是利用一种塑性较好的金属作为焊料，在加热加压的条件下将金属封盖和玻璃管封接在一起。11/27/202252玻璃-金属封接采用金属吸热板是热管式真空管集热器第二大特点目前国内玻璃-金属封接大都采用热压封技术，热压封使用的焊料有铅、铝等。与传统的火封技术相比，热压封技术具有以下几个优点:①封接温度低，封接是在玻璃的应变温度以下进行，封接后不需要经过退火;②封接速度快，封接过程在几分钟内完成，明显提高了生产效率;

③封接材料匹配要求低，对金属封盖和玻璃管之间热膨胀系数的差别要求降低，比较容易找到替代材料。11/27/202253目前国内玻璃-金属封接大都采用热压封技术，热压封使用的焊料有真空度与消气剂由于热管式真空集热管采用金属吸热板，因而在制造过程中的真空排气工艺不同于全玻璃真空集热管，有其自身独特的真空排气规律。为了使真空集热管长期保持良好的真空性能，热管式真空集热管内一般应同时放置蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂两种。蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的内表面上，像镜面一样，其主要作用是提高真空集热管的初始真空度;非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂，其主要作用是吸收管内各部件工作时释放的残余气体，保持真空集热管的长期真空度。11/27/202254真空度与消气剂由于热管式真空集热管采用金属吸热板，因而在制§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存11/27/202255§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器11/26/2§2-3.太阳能热水器

SolarcollectorforheatingwaterAhomeinCaliforniain190611/27/202256§2-3.太阳能热水器SolarcollectorfPopularapplicationsintheUnitedStatesincludefacilitiesthatuseagreatdealofhotwater,suchasthisarmylaundryinMassachusetts.ThesolarwaterheaterontheroofofthishouseinIsraelistypicalofthesystemsusedinmanypartsoftheworld.Itconsistsofasolarpanelthatheatsthewaterandatankthatstoresit.11/27/202257PopularapplicationsintheUnSimplesolarwaterheatersarealsoverycommoninChina.NotethatthestoragetankismountedhorizontallyontheroofofthishomeinBeijing.Twenty-fourrooftopsolarcollectorsprovideabout45percentofthehotwaterusedbythisfast-foodrestaurantinAustralia.11/27/202258Simplesolarwaterheatersare太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：

闷晒式、直流式和循环式。11/27/202259太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。11/太阳能游泳池闷晒式：水在集热器中不流动，闷在其中受热升温。11/27/202260太阳能游泳池闷晒式：水在集热器中不流动，闷在其中受热升温。1由集热器、蓄热水箱和管道组成。水在这种系统中不循环。当屋顶上集热器的水温高于屋内的储罐水温时，电子控制装置接通水泵向储罐供水。直流式直流式太阳能集热器11/27/202261由集热器、蓄热水箱和管道组成。直流式直流式太阳能集热器11/循环式：又分为自然循环型和强迫循环型两种形式。(1)自然循环热水系统自然循环太阳能热水系统的储水箱置于集热器上方，水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度升高，形成集热器及储水箱中水温不同。由于密度差而引起浮升力，产生热虹吸现象，使水在储水箱及集热器中作自然流动。11/27/202262循环式：又分为自然循环型和强迫循环型两种形式。11/26/211/27/20226311/26/20226311/27/20226411/26/202264(2)强迫循环热水系统这种系统利用水泵迫使水在集热器与储水箱之间循环。当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。水泵入口处装有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，产生热损失。有数学模型和分析，可自学11/27/202265(2)强迫循环热水系统这种系统利用水泵迫使水在集热器与储水全玻璃真空管太阳能热水器的优点真空管热水器一年四季均可使用，其采用高真空双层玻璃管结构，热损失小，保温性能好。集热管为圆形，集热能力受一天中太阳位置变化的影响较小，因而集热时间长。水质清洁，可做生活用水。耐冷热冲击性能好，并可抗冰雹。11/27/202266全玻璃真空管太阳能热水器的优点真空管热水器一年四季均可使用，§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存11/27/202267§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器11/26/2太阳房§2-4.太阳房太阳灶

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，它能使建筑物在一定程度上具有冬暖夏凉的功能。1931年美国麻省理工学院建成了世界上第一座太阳能采暖房。太阳房获取太阳能的基本原理是温室效应。太阳房可分为主动式太阳房和被动式太阳房两类。11/27/202268太阳房§2-4.太阳房太阳灶太阳房是一种直接利用太阳能补充：温室效应温室效应是指由于玻璃和透明材料对不同波长的电磁波具有选择性吸收和透过能力所导致的热量蓄积的现象。玻璃和透明材料可以让波长较短的太阳辐射透过，而阻挡波长较长的热辐射。这样，用玻璃和透明材料为顶做成的温室，可以让太阳辐射进入温室内部，而室内的长波热辐射则被玻璃阻挡住。进入温室内的能量就大于从温室向外散发的能量，温室内的温度就会逐渐升高而大于环境温度。11/27/202269补充：温室效应温室效应是指由于玻璃和透明材料对不同波长的电磁大气层温室效应大气层温室效应是指大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体对于短波辐射是透明的，但可以显著地吸收长波辐射（红外线）。而太阳辐射的能量主要集中在可见光和波长更短的辐射，所以大气中的二氧化碳并不显著影响太阳对地球的辐射。而地球表面温度较低，它向太空的辐射几乎全部是红外辐射。大气中的二氧化碳可以吸收地球向太空的红外辐射，大气被加热，其中部分热量又重新辐射回地面，从而产生了地面的保温作用。近两百年以来，研究发现大气中的二氧化碳由于人类活动的影响而异乎寻常的增加，而地面温度也急剧上升，为此人们正在急迫寻找采取措施控制大气层的温室效应。11/27/202270大气层温室效应大气层温室效应是指大气中的二氧化碳、甲烷等温室主动式太阳房与常规能源采暖的区别：以太阳集热器作为热源代替以煤、石油、天然气等常规能源作为燃料的锅炉。主要设备：太阳集热器、储热水箱、辅助热源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等。原理：太阳集热器获取太阳能，通过配热系统送至室内。过剩热量储存于水箱内，当收集的太阳能小于采暖负荷时，由储存的热量来补充，热量不足时由备用的辅助热源提供。或称主动太阳能采暖系统11/27/202271主动式太阳房与常规能源采暖的区别：以太阳集热器作为热源代替以日本多层太阳能住宅日本在主动式太阳房的研究应用领域处于世界前列。从上世纪70年代开始，日本便按计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直稳步发展，并已应用于大型建筑物上。11/27/202272日本多层太阳能住宅日本在主动式太阳房的研究应用领域处于世界主动式太阳房的特点区别：用太阳集热器代替采暖系统中的锅炉（与常规采暖不同之处）。但是，由于地表面上每平方米能够接收到的太阳能量有限，故集热器的面积就要足够大。一般要求太阳能利用率在60%以上，集热采光面积占采暖建筑面积的10~30%，（该比例数大小与当地太阳能资源、建筑物的保温性能、采暖方式、集热器热性能等因素有关）。

蓄热装置：太阳辐射受季节、昼夜、天气的影响。因此，太阳能不能成为连续、稳定的独立能源，要满足连续采暖的需求，系统中必须有贮存热量的设备和辅助热源装置。储热设备通常按可维持2~3天的能量来计算。储热设备一种是贮热水箱，另一种是用卵石槽（工质为空气）。结构简单：太阳房所采用的集热器要求构造简单、性能可靠、价格便宜。由于集热器的集热效率随集热温度升高而降低，因此尽可能降低集热温度，如采用太阳能天棚或地板辐射采暖的集热温度在30~40℃之间就可以了，而采用散热器采暖集热温度必须达到60℃以上。11/27/202273主动式太阳房的特点区别：用太阳集热器代替采暖系统中的锅炉（与被动式太阳房被动式太阳房的特点是不需要专门的集热器、热交换器、水泵（或风机）等主动式太阳能采暖系统中所必需的部件，只是依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶等建筑物本身构造和材料的热工性能，以自然交换的方式（辐射、对流、传导）使建筑物在冬季尽可能多吸收和储存热量，以达到采暖的目的。简而言之，被动式太阳房就是根据当地的气象条件，在基本上不添置附加设备的条件下，只在建筑构造和材料性能上下工夫，使房屋达到一定采暖效果的一种方法。因此，这种太阳能采暖系统构造简单、造价便宜。11/27/202274被动式太阳房被动式太阳房的特点是不需要专门的集热器、热交换器被动式太阳房的分类直接受益式：利用南窗直接照射的太阳能集热蓄热墙式：利用南墙进行集热蓄热综合式：温室和前两种相结合的方式屋顶集热蓄热式：利用屋顶进行集热蓄热自然循环式：利用热虹吸作用进行加热循环11/27/202275被动式太阳房的分类直接受益式：利用南窗直接照射的太阳能11/11/27/20227611/26/202276直接受益式这是被动式太阳房中最简单的一种形式。就是把房间朝南的窗扩大，或做成落地式大玻璃墙，让阳光直接进到室内加热房间。在冬季晴朗的白天，阳光通过南向的（墙）透过玻璃直接照射到室内的墙壁、地板和家具上，使它们的温度升高，并被用来储存热量，夜间，在窗（墙）上加保温窗帘，当室外和房间温度都下降时、墙和地贮存的热能，通过辐射、对流和传导被释放出来，使室温维持在一定的水平。11/27/202277直接受益式这是被动式太阳房中最简单的一种形式。就是把房间朝南11/27/20227811/26/20227811/27/20227911/26/202279集热—蓄热墙式1集热蓄热墙是间接受益太阳能采暖系统的一种。太阳光照射到南向、外面有玻璃的深黑色蓄热墙体上，蓄热墙吸收太阳的辐射热后、通过传导把热量传到墙内一侧，再以对流和热辐射方式向室内供热。另外，在玻璃和墙体的夹层中，被加热的空气上升，由墙上部的通气孔向室内送热，而室内的冷空气则由墙下部的通气孔进入夹层，如此形成向室内输送热风的对流循环。以上是冬天工作的情况。夏天，关闭墙上部的通风孔，室内热空气随设在墙外上端的排气孔排出，使室内得到通风，达到降温的效果。11/27/202280集热—蓄热墙式1集热蓄热墙是间接受益太阳能采暖系统的一种。太11/27/20228111/26/202281集热—蓄热墙式2第二种形式是在玻璃后面设置一道“水墙”。特点是墙上不需要开进气口与排气口。“水墙”的表面吸收热量后，由于对流作用，吸收的热量很快地在整个“水墙”内部传播。然后由“水墙”内壁通过辐射和对流，把墙中的热量传到室内。“水墙”内充满水，具有加热快、贮热能力强及均匀的优点。“水墙”也可以用塑料或金属制作，有些设计采用充满水的塑料或金属容器堆积而成，使建筑别具一格。11/27/202282集热—蓄热墙式2第二种形式是在玻璃后面设置一道“水墙”。特点11/27/20228311/26/202283综合（阳光间）式“综合式被动太阳房”是指附加在房屋南面的温室，既可用于新建的太阳房，又可在改建的旧房上附加上去。实际它是直接受益式（南向的温室部分）和集热—蓄热墙式（后面有集热墙的房间）两种形式的综合。由于温室效应，使室内有效获热量增加，同时减小室温波动。温室可做生活间，也可作为阳光走廊或门斗，温室中种植蔬菜和花草、美化环境增加经济收益，缩短回收年限。附加温室外观立面增加了建筑的造型美、热效率略高于集蓄热墙式，但是温室造价较高，在温室内种植物，湿度大，有气味，使温室的利用受到限制。11/27/202284综合（阳光间）式“综合式被动太阳房”是指附加在房屋南面的温室11/27/20228511/26/202285屋顶蓄热集热式屋顶做成一个浅池（或将水装入密封的塑料袋内）式集热器，在这种设计中，屋顶不设保温层，只起承重和围护作用，池顶装一个能推拉开关的保温盖板。该系统在冬季取暖，夏季降温。冬季白天打开保温板，让水（或水袋）充分吸收太阳的辐射热；晚间关上保温板，水的热容大，可以储存较多的热量。水中的热量大部分从屋顶辐射到房间内，少量从顶棚到下面房间进行对流散热以满足晚上室内采暖的需要。夏季白天把屋顶保温板盖好，以隔断阳光的直射，由前一天暴露在夜间、较凉爽的水（或水袋）吸收下面室内的热量，使室温下降；晚间打开保温盖板，借助自然对流和向凉爽的夜空进行辐射，冷却了池（水袋）内的水，又为次日白天吸收下面室内的热量做好了准备。该系统适合于武汉夏季较热、冬天又十分寒冷的地区，为一年冬夏两个季节提供冷、热源。11/27/202286屋顶蓄热集热式屋顶做成一个浅池（或将水装入密封的塑料袋内）式用屋顶作集热和贮热的方法，不受结构和方位的限制。用屋顶作室内散热面，能使室温均匀，也不影响室内的布置。11/27/202287用屋顶作集热和贮热的方法，不受结构和方位的限制。用屋顶作室内自然循环（热虹吸）式自然循环被动太阳房的集热器、贮热器是和建筑物分开独立设置的，它适用于建在山坡上的房屋。集热器低于房屋地面，贮热器设在集热器上面，形成高差，利用流体的热对流循环。白天太阳集热器中的空气（或水）被加热后，借助温差产生的热虹吸作用，通过风道（用水时为水管），上升到它的上部岩石贮热层，热空气被岩石堆吸收热量而变冷，再流回集热器的底部，进行下一次循环。夜间岩石贮热器通过送风口向采暖房间以对流方式采暖。该类型太阳房有气体采暖和液体采暖两种，由于其结构复杂，应用受到一定的限制。11/27/202288自然循环（热虹吸）式自然循环被动太阳房的集热器、贮热器是和建11/27/20228911/26/202289太阳灶11/27/202290太阳灶11/26/202290太阳灶的基本概念太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，从而进行炊事烹饪食物的一种装置，应能满足烧开水、煮饭及煎、炒、蒸、炸的功能。太阳灶温度要求：如蒸煮或烧开水、要求温度100~150℃；如果需要煎、炒、炸，则需要提供500~600℃的高温。太阳灶功率要求：要根据用户的需求。一般家庭使用的太阳灶，其功率大多为500~1500W之间，截光面积约1~3㎡。太阳灶的热效率：太阳灶提供的有效热能与它接收太阳的能量之比。通过试验和检测，约为50%左右。其他要求：操作方便，如锅灶的高度、它与人体的距离以及便于定时调整角度和方位。耐火性能和抗风载。结构类型：箱式太阳灶、聚光太阳灶和综合型太阳灶。11/27/202291太阳灶的基本概念太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热箱式太阳灶箱式太阳灶的基本结构为一箱体，如图所示。箱体上面有1~3层玻璃（或透明塑料膜）盖板，箱体四周和底部采用保温隔热层，其内表面涂以太阳吸收率比较高（应大于0.9）的黑色涂料，此外还有外壳和支架。11/27/202292箱式太阳灶箱式太阳灶的基本结构为一箱体，如图所示。箱体上面有蒸、煮食物可以放在箱内预制好的木架或铅丝弯成的托架上。使用时，将箱体盖板与太阳光垂直方向放置、预热一定时间后，使箱内温度达到100℃时，放入食物，箱子封严后即开始进行蒸煮食物，使用时要进行几次箱体角度的调整，一般1~2小时后即熟。箱式太阳灶可以蒸馒头、包子、焖米饭、炖肉、熬菜和煮红薯等。此外还可以用它蒸煮医疗器具和消毒灭菌之用。11/27/202293蒸、煮食物可以放在箱内预制好的木架或铅丝弯成的托架上。11/为提高箱式太阳灶的热性能，人们又在箱式太阳灶朝阳玻璃面四周加装平面反射镜1~4块。这样太阳光照射到反射镜后，有很大一部分能量会进入玻璃面，使箱式太阳灶有效能量提高1~2倍。反射式太阳灶11/27/202294为提高箱式太阳灶的热性能，人们又在箱式太阳灶朝阳玻璃面四周加聚光太阳灶聚光太阳灶是利用抛物面聚光的特性，大大提高了太阳灶的功率和聚光度，使锅圈温度可达500℃以上，大大缩短了炊事作业时间。聚光式太阳灶又可以根据聚光方式的不同，分为旋转抛物面太阳灶、球面太阳灶、抛物柱面太阳灶、圆锥面太阳灶和菲涅耳聚光太阳灶等。由于旋转抛物面太阳灶具有较强的聚光特性、能量大，可获得较高的温度，因此使用最广泛。11/27/202295聚光太阳灶聚光太阳灶是利用抛物面聚光的特性，大大提高了太阳提供足够的能量和温度，能烹煮所需种类和数量的食物；坚固耐用，能承受频繁的操作使用以及风和其他外来影响；被社会所接受，适应人们的烹饪和饮食习惯，例如能在蔽荫处做饭，最好在没有太阳时也能烹饪；制造方便，能利用当地的人力和物力；价格应能与其他灶具竞争。聚光太阳灶的设计与制造（略）太阳灶必须具备的条件11/27/202296提供足够的能量和温度，能烹煮所需种类和数量的食物；太阳灶必§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存11/27/202297§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器11/26/2工农业产品的干燥过程耗能量§2-5.太阳能干燥我国总粮产量需耗煤20M吨，相当于20%的农村商品能源，占全国能耗2.4%。我国在收获季节，因灾害性天气的影响，全国农村（包括国营农场）每年粮食霉烂发芽损失5M吨，严重时超过10M吨。11/27/202298工农业产品的干燥过程耗能量§2-5.太阳能干燥我国总粮产量现有干燥方式人工摊晒方法：干燥周期长、晒场占地面积大（谷物干燥晒场面积为农田面积的1~2%），且易受蝇、虫、灰尘污染及阵雨袭击，影响产品质量或造成严重变质。太阳能干燥设备干燥：可以充分利用太阳辐射，有效提高干燥温度，使得干燥时间缩短，同时可解决干燥物料被污染的问题，天气变化也不致使物料变质，因而可得到优等产品。11/27/202299现有干燥方式人工摊晒方法：干燥周期长、晒场占地面积大（谷物干太阳能干燥：以太阳能代替常规能源来加热最常用的干燥介质是空气的干燥过程，通过热空气与湿物料接触并把热量传递给湿物料，使其水分汽化并被带走，从而实现物料的干燥。太阳能干燥是一个传热、传质的过程。太阳能干燥11/27/2022100太阳能干燥：以太阳能代替常规能源来加热最常用的干燥介质是空气太阳能干燥的方式直接干燥：使被干燥的物料直接吸收太阳能或通过太阳能集热器；间接干燥：先让空气吸收太阳能，加热后的空气通过与物料接粗，物料表面获得热能后，再传至物料内部，水分从物料内部，以液态或气态方式扩散，使液态或气态方式扩散，使物料逐步干燥。干燥过程进行的条件：必须使被干燥的物料表面所产生的水汽的压力大于干燥介质中的水汽的分压力，压差愈大，干燥得愈迅速。常用的干燥介质：空气。11/27/2022101太阳能干燥的方式直接干燥：使被干燥的物料直接吸收太阳能或通过太阳能干燥的优点干净卫生，对待干物料和环境无污染；利用太阳能，取之不尽，不存在能源紧张问题；经济幸好，干燥时，仅需少量的动力能，操作费用低；设备相对简单，操作方便，使用寿命长。温升低。完全依靠太阳能，干燥介质的温升低，仅能使空气温度上升到40~70℃，所以一般只能用于低温干燥；间断性和不稳定性。受纬度、季节、天气及昼夜的影响较大。我国只有在夏季或春末秋初才有较强的太阳辐射可利用，阴雨天和夜间不能干燥；分散性大，热值低。单位面积太阳辐射量有限。效率低太阳能干燥的缺点11/27/2022102太阳能干燥的优点干净卫生，对待干物料和环境无污染；温升低。完干燥力学干燥静力学：解决干燥过程中，物料和干燥介质初态和终态的关系，进行物料衡算。干燥动力学：掌握物料含水分的性质和汽化过程的特征，解决干燥速度和干燥效率等。11/27/2022103干燥力学干燥静力学：解决干燥过程中，物料和干燥介质初态和终态干燥静力学物料含水率：湿基含水率，干基含水率11/27/2022104干燥静力学物料含水率：湿基含水率，干基含水率11/26/20干燥过程排水量计算干燥前后物料中的绝干物料量不变：干燥过程排水量m：11/27/2022105干燥过程排水量计算干燥前后物料中的绝干物料量不变：干燥过程排干燥过程空气消耗量计算干燥作业两个目标：一方面使物料中的水分汽化，另一方面用干燥的空气把所汽化的水分带走。根据湿空气的性质可计算出完成预定干燥任务所需要的空气量。单位空气消耗量：从湿物料中排除1kg水分所需要消耗的空气量。11/27/2022106干燥过程空气消耗量计算干燥作业两个目标：一方面使物料中的水分干燥动力学物料含水分的分类：按照各种物料的含水状况分

化学结合水：按照一定数量或比例与化合物结合生成带结晶水的化合物中的水分。此种水分与化合物的结合力很强，一般常温干燥难以去除，不予考虑。

物化结合水：以一定物理化学结合力与物料结合起来的水分。如：物料中的吸附水分，结构水分和毛细管水分等。此类水分与物料结合比较稳定，具有较强的结合力，较难去除，此类水分是物料干燥的任务之一。

游离水分：存在于物料孔隙或表面的水分。此部分水分对物料起着均匀浸润作用，水分含量随物料的浸润程度不同而不同。此类水分与物料的结合力较弱，或自由分散于物料表面，在干燥过程中容易去除。11/27/2022107干燥动力学物料含水分的分类：按照各种物料的含水状况分11/2按水分去除的难易分结合水分：包括物料细胞内的水分、物料内毛细管中的水分等。由于这种水分与物料的结合力强，而产生不正常的低气压，其蒸气压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压。在干燥过程中，水汽至空气主体的扩散推动力下降，所以物料内结合水分的去除比纯水难。非结合水分：包括存在于物料表面的吸附水分及空隙中的水分，其主要是以机械方式结合，与物料的结合强度较弱。物料中的非结合水分所产生的蒸汽压等同于同温度下纯水的饱和蒸汽压。非结合水分的去除与水的汽化相同，比结合水分去除容易。11/27/2022108按水分去除的难易分结合水分：包括物料细胞内的水分、物料内毛细湿物料的干燥过程与物料含水量的特征关系极大。砂粒、焦炭、石粉等疏松物料，以含有游离水分为主，比较容易进行干燥。谷物、烟草、棉织品、瓷坯等，虽含有一定的游离水分，但物化结合水分含量较多，干燥过程比较缓慢。肉质干果、橡胶或蚕丝等特殊物料，干燥难度极大，往往需要使用长时间的缓慢干燥或尽量提高干燥温度才能完成。11/27/2022109湿物料的干燥过程与物料含水量的特征关系极大。11/26/20平衡含水量平衡含水量：指一定的物料与参数一定的湿空气长期接触时，物料的最终水分含量。平衡含水率的概念对于研究干燥过程十分重要。因为在任何已知或在已设定的干燥状态下，由平衡含水分的关系，便可决定物料经过干燥后，可能达到的最终水分含量。一定的物料在某特定温度与水分含量下会有相应的水蒸汽压力。如果物料表面由于水分汽化所产生的水蒸气分压力大于此时空气的水蒸气分压力，空气将从物料表面带走水分，物料被干燥；反之，物料将从空气中吸收水分。11/27/2022110平衡含水量平衡含水量：指一定的物料与参数一定的湿空气长期接触举例：温度30℃，湿基含水率16%时，小麦内部的水蒸气压力为3.02kPa，燕麦则为3.25kPa。将这两种物料同时置于温度30℃，相对湿度75%的湿空气中，此时空气的水蒸气分压力3.14kPa。结果：小麦在吸湿，燕麦则被干燥。当物料内部所维持的水蒸气分压力与外界空气的水蒸气分压力相等时，物料的水分含量极为该状态下物料的平衡含水率，物料周围空气的相对湿度则称为平衡相对湿度。11/27/2022111举例：11/26/2022111各种物料的平衡含水率（%湿基）11/27/2022112各种物料的平衡含水率（%湿基）11/26/2022112自由水分总的含水量减去平衡含水量就是自由含水量。对于任何吸水材料，固体的温度、含湿量与结合水分的蒸汽压力之间存在一定的关系。结合水分是相对湿度的精确函数。由图所示为鞣革底皮的含湿量，这种皮子可含有结合水分高达其干重的40%，超过该量的水分为非结合水分。假设鞣革暴露与空气中，该空气相对湿度60%，并且空气温度为同一温度，则其平衡水分为0.2kg/kg干皮。含在皮中的水分超过该量的为自由水分。如果该皮无限长的暴露于同样的空气状态下，则该水分要排出。11/27/2022113自由水分总的含水量减去平衡含水量就是自由含水量。由图所示为鞣例题11/27/2022114例题11/26/2022114干燥过程的汽化热从湿物料中将1kg水分蒸发所需的热量，称为物料干燥过程的汽化热。物料的汽化热与物料的水分含量及干燥温度有关。干燥初期，物料含水较多，物料汽化热与自由水分的汽化热比较接近。随着物料含水率降低，物料汽化热逐渐增加，其原因是物料水分汽化时，除了是水分汽化需要消耗能量之外，还需加上克服水分子与物料表面物化结合力而多消耗的功。温度越低，消耗的汽化热越多。11/27/2022115干燥过程的汽化热从湿物料中将1kg水分蒸发所需的热量，称为物汽化热的计算阿斯玛（Othmor.D.F）导出了物料水分汽化时，蒸汽压力与汽化热之间的关系。用于计算谷物和其他物品在干燥中的汽化热：11/27/2022116汽化热的计算阿斯玛（Othmor.D.F）导出了物料水分汽化干燥动力学物料含水分的分类：按照各种物料的含水状况分化学结合水，

物化结合水，游离水分按照去除的难易分结合水分，非结合水分11/27/2022117干燥动力学物料含水分的分类：11/26/2022117平衡含水量平衡含水量：指一定的物料与参数一定的湿空气长期接触时，物料的最终水分含量。举例：温度30℃，湿基含水率16%时，小麦内部的水蒸气压力为3.02kPa，燕麦则为3.25kPa。将这两种物料同时置于温度30℃，相对湿度75%的湿空气中，此时空气的水蒸气分压力3.14kPa。结果：小麦在吸湿，燕麦则被干燥。11/27/2022118平衡含水量平衡含水量：指一定的物料与参数一定的湿空气长期接触干燥曲线把非常湿润的物料放在具有一定温度、湿度和风速的热风中，物料的温度和水分随着干燥时间而变化。物料含水量随时间变化的曲线称为干燥曲线。物料的干燥分为三个重要阶段：1.预热干燥阶段显热由热风移向物料表面，表面温度上升。水分获得潜热后蒸发，蒸发速度与表面温度下的饱和蒸汽压和热风的水蒸气分压之差成正比，且随表面温度的升高而增加，在显热的转移和蒸发达到平衡时，表面温度即保持一定，该温度为湿球温度。（图中A-B阶段）11/27/2022119干燥曲线把非常湿润的物料放在具有一定温度、湿度和风速的热风中2.恒速干燥阶段达到B点之后，水分由物料内部想表面扩散的速度如超过蒸发速度，加入的热量完全用于水分蒸发。此阶段物料表面温度不变，含水率与干燥时间成比例减少。含水率呈直线下降，干燥速度保持一定值，既保持恒速干燥。（图中B-C）3.减速干燥阶段过点C后，水分的内部扩散速度低于表面的蒸发速度，物料表面的含水率比内部低。随干燥时间的增长，物料的温度增高，蒸发不仅在表面，而且在内部进行，不过速度比较缓慢。加入的热量消耗在蒸发和物料温度而升高方面，这一阶段称为减速干燥的第一阶段。（图中C-D）干燥继续进行，表面蒸发即告结束，物料内部的水分以蒸汽的形式扩散到表面上来，这是减速干燥的第二阶段，此时干燥速度最低，在达到与干燥条件平衡的含水率时，干燥结束。（图中D-E）11/27/20221202.恒速干燥阶段11/26/2022120干燥曲线11/27/2022121干燥曲线11/26/2022121干燥曲线含湿量11/27/2022122干燥曲线含湿量11/26/2022122太阳能干燥按干燥器（或干燥室）获得能量的方式可分为三类：集热器型干燥器温室型干燥器集热器—温室型干燥器太阳能干燥器11/27/2022123太阳能干燥按干燥器（或干燥室）获得能量的方式可分为三类：太阳集热器型干燥器：由集热器和干燥室两部分组成。首先利用太阳能空气集热器把空气加热到预定温度，之后将热空气送入干燥室对物料进行干燥。携带有水蒸气的排气直接排入大气或经排湿后返回集热器循环使用。11/27/2022124集热器型干燥器：由集热器和干燥室两部分组成。11/26/20温室型干燥器：结构同太阳能温室相似。干燥室屋顶用玻璃等透明材料制成，向南倾斜，倾斜度一般比当地纬度大15~20°，以使阳光大致垂直照射屋顶。北墙涂黑以加强温室效应和保温。为了调节室内的温度和湿度，在南墙下方开进气孔，在北墙上方开排气口。被干燥的物料直接摊放于温室中的物料架上，接受太阳的直接辐射。11/27/2022125温室型干燥器：结构同太阳能温室相似。为了调节室内的温度和湿度集热器-温室型干燥器：同时采用集热器和太阳能温室的复合型干燥装置。物料既可直接由太阳光辐射加热，又可以通过热空气的对流加热强化干燥过程，因此其干燥效率和产品的干燥质量最高。为了晚上能连续干燥，可在干燥室增设辅助热源，如地热、加热炉等；也可简单地在下部加设储热室，其中放置卵石、砂石等蓄热材料。在白天，通过太阳能将蓄热材料加热，晚间蓄热材料可以向干燥室提供热风，使干燥过程继续。11/27/2022126集热器-温室型干燥器：同时采用集热器和太阳能温室的复合型干燥我国太阳能干燥研究成果11/27/2022127我国太阳能干燥研究成果11/26/2022127§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存11/27/2022128§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器11/26/2太阳能储存的三个含义：§2-6.太阳能储存将白天接收到的太阳能储存到晚间使用；将晴天接收到的太阳能储存到阴雨天使用；将夏天接收到的太阳能储存到冬天使用。目前的技术发展水平仅限于第一层含义上的储存。太阳能储存的三种方式：显热储存潜热储存化学储存11/27/2022129太阳能储存的三个含义：§2-6.太阳能储存将白天接收到的太利用蓄热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热量的储存或释放的过程。对于一定量的蓄热材料，其比热容越大，温度变化越大，储存的热量越多。蓄热材料液体介质：水、油和各种有机溶剂。水的比热容最大，无毒无臭方便易得，价格便宜。固体介质：卵石、砖块、混凝土、土壤等。显热储存11/27/2022130利用蓄热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热量的储11/27/202213111/26/2022131利用蓄热材料在热作用下发生相变而产生的热量储存过程。由于相变潜热比显热变化大得多，因此，潜热储存具有很高的储热密度。一般材料的相变有三种：固气相变、液气相变、固液相变固液相变最常用，固液相变材料常以英文缩小字母PCM表示（Phasechangematerials）。固液相变储能系统包括三个部分：具有适当相变温度范围的相变材料；装载相变材料的容器；换热器。PCM：要求熔化热大、熔点合适、导热性能好、化学性质稳定、无腐蚀、无毒无污染、不易燃烧、价格低廉、容易获得。常用材料：CaCl2.6H2O、Na2CO.10H2O、Na2SO4.10H2O等。潜热储存11/27/2022132利用蓄热材料在热作用下发生相变而产生的热量储存过程。潜热储存11/27/202213311/26/2022133利用化学反应热的形式来储存热能。化学储能和释能由两个独立的步骤完成：一是通过化学反应（一般在高温下进行），产生含能的反应产物；二是反应产物发生逆向化学反应又恢复到原先的物质而放出热量。化学能比相变潜热大得多，所以化学储能的能量密度最高。用热水做显热储能的储能密度：58W.h/kg冰的溶解热储能密度：93W.h/kg金属氢化物中轻的化学储能密度：600~2500W.h/kg液态氢的化学储能密度：3300W.h/kg利用太阳能聚焦后的高温进行热分解制氢（温度3000K），将太阳能变成化学能储存与氢中，氢气燃烧可释放大量热能。化学储存11/27/2022134利用化学反应热的形式来储存热能。化学储存11/26/2022§1.太阳能基础知识§2.太阳能的热利用§3.太阳能的热发电§4.太阳能光伏发电§5.太阳能热气流发电太阳能利用技术

TechnologyofSolarEnergyUtilization11/27/2022135§1.太阳能基础知识太阳能利用技术

Technology§3.太阳能的热发电§1-1.太阳能热发电技术概况§1-2.太阳能热电站基本系统§1-3.各种太阳能热发电系统§1-4.太阳能热发电技术前景11/27/2022136§3.太阳能的热发电§1-1.太阳能热发电技术概况11/§1-1.太阳能热发电技术概况太阳能热发电技术：将吸收到的太阳辐射热能转换成电能的发电技术。分类：1.利用太阳热能直接发电。例：半导体或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电、碱金属热电转换、磁流体发电。特点：发电装置本体没有活动部件，但目前发电量小，尚处于原理性试验阶段。2.将太阳能通过热机带动发电机发电。例：塔式发电站、槽式发电站、蝶式发电站，热气流发电站特点：基本组成与常规发电设备类似，所不同的是热能通过太阳能转换而来。11/27/2022137§1-1.太阳能热发电技术概况太阳能热发电技术：将吸收到的太阳能热发电站的发展时期初恋期蜜月期冷落期冰冻期保温期解冻期再热期11/27/2022138太阳能热发电站的发展时期初恋期11/26/2022138初恋期1878年，巴黎建立了一个小型太阳能动力系统，盘式抛物面反射镜将太阳光聚焦到置于其焦点处的蒸汽锅炉，由此产生的蒸汽驱动一个很小的交互式蒸汽机运行。1901年，美国研制成功7350W的太阳能蒸汽机，采用70m2的太阳能聚光集热器，该装置安装在美国加州做实验运行。1907~1913年，美国研制成由太阳能驱动的水泵。1913年，研制成36.8kW太阳能动力机，安装在埃及开罗附近，从尼罗河提水灌溉，该装置采用长的槽型抛物面反射镜将太阳光聚焦到中心管上，聚光比为4.5：1。11/27/2022139初恋期1878年，巴黎建立了一个小型太阳能动力系统，盘式抛物1950年，原苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站小型试验装置，对太阳能热发电技术进行了广泛、基础性的探索和研究。1973年，石油危机。再次兴起太阳能技术研究。20世纪80年代初，以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司。从成立开始，该公司就一刻不停的集中力量研究开发槽式抛物面反射镜热发电系统。1981~1991年，全世界建造了装机容量为MW级的太阳能热发实验电站20余座，最大发电功率为80MW，其中最主要的形式是塔式电站。蜜月期11/27/20221401950年，原苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站小型试11/27/202214111/26/2022141冷落期20世纪80年代，对已建成的太阳能发电站进行大量的实验研究和分析后，发表了很多技术总结报告，得出基本结论：太阳能热发电在技术上虽然可行，但单位容量投资过大，且降低造价十分困难。之后，关于太阳能热发电站逐渐遭到冷落。美国原计划拟在1983~1995年间，分别建50~100MW和100~300MW的太阳能热电站，结果都没有实现。11/27/2022142冷落期20世纪80年代，对已建成的太阳能发电站进行大量的实验冰冻期正当人们开始疑虑太阳能热发电前景时，LUZ公司1985~1991年间，在美国加州沙漠相继建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，并投入并网运行。经过努力，电站的初次投资由1号电站的4490美元/kW降到8号电站的2650美元/kW，发电成本从24美分/kWh降至8美分/kWh。计划到2000年，在加州简称总装机容量800MW的槽式太阳能热发电站，将发电成本降至5~6美分/kWh。美国政府和州政府与1991年限后取消对太阳能电站的投资减免税政策，迫使10号电站停建，同年，LUZ公司宣告破产，所有计划全部终止。11/27/2022143冰冻期正当人们开始疑虑太阳能热发电前景时，LUZ公司1985保温期：星星之火对塔式太阳能热发电的研究开发，人们并未因此完全终止，1980年美国在加州建成的太阳Ⅰ号塔式太阳能热发电站，装机容量10MW，经过一段时间试验运行，及时做了技术总结。在此基础上，邮件称了太阳Ⅱ号，并于1996年1月投入试验运行。1992年，德国一家工程公司开发的一种蝶式斯特林太阳能热发电站的发电功率为9kW，到1995年3月底，累计运行了17000小时，峰值净效率20%，月净效率16%，该公司计划用100台这样的发电系统建成一座1MW的蝶式太阳能热发电示范电站。同时产生了一种新型太阳能热发电站称之为：太阳能热气流发电站。1981年建成，1991~1999年美国、以色列、印度、德国、巴西、加拿大都对其产生了研究兴趣。11/27/