太阳能光热应用技术第一章

太阳能光热应用技术

第一章1.1能源概述什么是能源？《科学技术百科全书》中说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。《大英百科全书》中说：“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。”我国的《能源百科全书》中说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”能源亦称能量资源或能源资源，是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可做功的物质的统称，是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源以及其他新能源和可再生能源。1.1能源利用的几个时期如果从人类利用能源的变迁角度观察其发展历史，大致可以划分为三个时期，即天然能源时期、矿物能源时期（该时期又可细分为：煤炭时期和石油时期）和可再生能源时期。1．天然能源时期人类主要以树枝、杂草等植物当燃料，用于煮食和取暖，靠人力、畜力和一些简单风力或水力机械作动力从事生产活动或满足一般的生活需要。2．矿物能源时期18世纪产业革命导致的工业大发展，开始大量地使用煤炭。3．可再生能源时期可再生能源包括太阳能、风力能、水能、生物能、海洋能、地热能、氢能。其中太阳能约占可再生能源总量的99%，因此，也可以说太阳能就是可再生能源的主体。图1-1世界能源结构预测（资料来源：欧盟联合研究中心，2004年）1.1.2太阳能利用的意义太阳能是可再生能源的一种。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、缓解气候变化等，都具有极其重大的意义。1．可以节约大量使用的化石能源2．可以保护人类赖以生存的自然生态环境3．可以解决无电人口和特殊用途供电问题1.1.3太阳能利用的途径1．光－热转换它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能并加以利用。这种方式最为古老，但技术水平相当成熟、成本低廉、普及性广、工业化程度较高。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（小于200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（大于800℃）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。2．太阳能发电电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十分重视，其转换途径很多，有光电直接转换、光热电间接转换等。①光—热—电转换，即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。②光—电转换，其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。3．光化学利用光化学利用基于光化反应，其本质是物质中的分子、原子吸收太阳光子的能量后变成“受激原子”，受激原子中的某些电子的能态发生改变，使某些原子的价链发生改变，当受激原子重新恢复到稳定态时，即产生光化学反应。光化反应包括光解反应、光合反应、光敏反应，有时也包括由太阳能提供化学反应所需要的热量。通过光化学作用转换成电能或制氢也是利用太阳能的一条途径。二三十年前曾有不少人在这方面做了很多研究工作，目前仍处于可研阶段。4．光生物利用通过光合作用收集与储存太阳能。地球上的一切生物都是直接或间接地依赖光合作用获取太阳能，以维持其生存所需要的能量。所谓光合作用，就是绿色植物利用光能，将空气中的CO2和H2O合成有机物与O2的过程。光合作用的理论值可达5%，实际上小于1%。近年来在这方面的研究有所增加，人们期盼着出现突破性的进展。1.1.4太阳能利用的特点优点1．储量的“无限性”太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109吨标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。2．存在的普遍性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。3．利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。4．利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性，如太阳能热水器虽然一次性投入较高，但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在使用时仍需耗费资金。缺点1．分散性到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，在夏季天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1m2面积上接收到的太阳能平均有1000W左右，若按全年日夜平均，则只有200W左右，而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。2．不稳定性由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。3．效率低和成本高目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低、成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当长一段时期内，太阳能利用的进一步发展，将主要受到经济性的制约。1.2认识太阳1.2.1太阳的结构太阳也像地球那样有大气层，其大气层由光球、色球和日冕三层合起来构成。1.2.2地球的自转与公转地球的赤道平面与黄道平面的夹角称为赤黄角。它就是地轴与黄道平面法线间的夹角，在一年中的任一时刻都保持为23°27′1.3天球坐标观察者站在地球表面，仰望天空，平视四周所看到的叫做假象球面。以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布着所有天体的球面叫做天球。通过天球的中心（即观察者的眼睛）与铅直线相垂直的平面称为地平面。天球上有两个不动点，叫做南天极和北天极，连接两个天极的直线称为天轴。1.3.1赤道坐标系赤道坐标系是以天赤道QQ’为基本圈，以天子午圈的交点Q为端点的天球坐标系，PP’分别为北天极和南天级。由图1-5可见，通过PP’的大圆都垂直于天赤道，两者相交于β点。在赤道坐标系中，太阳位置Sθ由时角ω和赤纬角δ两个坐标决定。（1）时角ω相对于圆弧QB，从天子午圈上的Q点算起（即从太阳的中午算起），顺时针方向为正，通常以ω表示，它的数值等于离正午的时间（小时）乘以15°。（2）赤纬角δ与赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。通常将太阳直射点的纬度，即太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角称为赤纬角，常以δ表示。1.3.2地平坐标系以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点负极的交点为原点的坐标系叫做时角坐标系。人在地球上观看空中的太阳相对于地平面的位置时，太阳相对地球的位置是相对于地平面而言的，通常用高度角和方位角两个坐标决定，如图1-7所示。（1）天顶角θs天顶角就是太阳光线OP与地平面QP之间的夹角。（2）高度角αs高度角就是太阳光线OP与其在地平面上投影线Pg之间的夹角，它表示太阳高出水平面的高度。（3）方位角γs方位角就是太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方向线之间的夹角γs，它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度，取正南防线为起始点（即0）1.3.3太阳角的计算（1）库珀方程太阳赤纬角（δ）在一年当中，每天都在变化，但不超过±2327的范围。夏天最大变化到夏至日的+2327，冬天最小变化至冬至日的2327。（2）太阳高度角计算太阳高度角的表达式为（3）太阳方位角太阳方位角按下式计算：（4）日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角为0°。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，可得出日出、日没时角表达式：1.4太阳常数和太阳光谱1.4.1辐射度量辐射能Q是以电磁波或粒子形式发射、传播或接收的能量。它的单位与其他形式能量的单位相同。在国际单位制中，辐射能的单位是J或MJ。辐射通量（Φ）是以辐射形式发射、传播或接收的功率，或者说是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，单位是瓦（W），按定义可以写出：太阳投射到单位面积上的辐射功率（辐射通量）称为辐照度（E），单位是瓦/平方米·（W/m2）。按照定义可写出：在一段时间内（如每小时、日、月、年等），太阳投射到单位面积上的辐射能量称为辐照量（H），亦称曝辐量，单位是千瓦时/（平方米·日（月、年））（kW·h/m2·d（m/y）1.4.2太阳常数太阳常数Isc的定义为：在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单位面积上单位时间内所接收到的太阳辐射能。其参考值为Isc=1367±7W/m2太阳常数既不是从理论推导出来的，也不是具有严格物理内涵的常数。太阳常数除太阳自身的变化外，还受测量准确度、标尺本身等影响。即使太阳辐射量为常数，实际上因为日地距离的变化，使得到达地球大气层上的太阳辐射能I0也在变化。太阳辐射能可由式确定。1.4.3太阳光谱太阳是以电磁波的形式向外传播能量。电磁波是由同时存在又相互联系且呈周期变化的电波和磁波构成的。电波和磁波彼此相互垂直，并且它们均垂直于电磁波的传播方向。电磁波一般用波长、频率或波数来表征。太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。太阳光谱的范围几乎涵盖了整个电磁波谱。到达地面的太阳辐射光谱分布是地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳能电池系统应用及其他一些应用是十分重要的。表1-4列出了太阳光谱辐射数据，图1-8直观地表述了太阳光谱的分布。由此可见，太阳辐射波长的范围很宽，不同波长的辐射能力差异很大。地球大气层外太空中的太阳辐射，其辐射能量主要分布在可见光区和红外区，分别为46.43%和45.54%，紫外区只占8.02%。在波长很长和极短的区域中，其能量都非常小，绝大部分辐射的能量集中在0.20～4μm波长之间，约占太阳辐射总能量的99%。因此，常常把太阳辐射称作太阳短波辐射（波长小于3μm的电磁辐射）。1.5地面太阳辐射的理论估算地面太阳辐射包括直接辐射和散射辐射。直接接收到的、不改变方向的太阳辐射称为直接太阳辐射，接收到的被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射称为散射辐射。太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气层中的空气分子、水蒸气及灰尘所散射，而且受到大气中氧、臭氧、水和CO2的吸收，所以经过大气而达到地面的太阳直接辐射显著衰减。由于有关理论比较复杂且工程设计中不方便利用，本节将讨论用一种较简单的方法，来估算太阳直接辐射穿过大气层后的强度。1.5.1大气质量在太阳辐射测定中，计量辐射行程长度的单位不是普通的长度单位，而是采用所谓的大气光学质量。“大气质量”是一个无量纲量，它是太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比，并假定在标准大气压（101325Pa）和气温0℃时，海平面上太阳光线垂直入射的路径为1，即m=1。显然，地球大气上界的大气质量为0。太阳在其他位置时，大气质量都大于1，如m=1.5时，通常写成AM1.5。应当指出，引用大气光学质量这个术语并不十分贴切，因为从科学概念上来讲，它与通常所说的质量无关。由光线方程可知，光的行程受地球曲率和大气折射的影响。在不同的海拔处，大气折射率的数值是不一样的。作为一种近似，忽略不计这种影响，则可根据图1-8直接导出大气光学质量。如图1-9所示，A为地球海平面上一点，O、O′为大气上界的点。太阳在天顶位置S时，太阳光线路程OA为大气质量。太阳位于S′点时，大气质量为1.5.2大气透明度的引入在设计太阳能电池应用系统时，必须掌握到达该地区的太阳辐射能，即掌握该地区太阳辐射的年、月总量。由于太阳辐射观测站很稀疏，靠观测站提供的资料远不能满足需要，所以借助理论计算是十分必要的。有人提出用下式计算太阳辐射通过大气后的强度。大气透明度和大气光学质量密切相关，并随地区、季节和时刻而变化。通常，城市的大气污染要高于农村，所以城市的大气透