新能源系统- 课件 第二章 太阳能光热利用

第二章 太阳能光热利用大纲□2.1太阳能资源□2.2太阳能光热转换基本原理□2.3太阳能集热器□2.4聚焦型太阳能集热器□2.5太阳能热水系统□2.6太阳能热能系统□2.7太阳能空调制冷□2.8太阳能热发电技术□2.9太阳能空气取水与海水淡化太阳能资源2.12.1太阳能资源太阳能热利用：采用集热装置将太阳辐射收集起来并转换成热能，再通过介质的传递，直接或间接地供人类使用。√太阳能是一种清洁的可再生能源√太阳能是万物生长之源，取之不尽，用之不竭□能流密度低（~1

kW/m2）□能量随时间和天气呈现不稳定性和不连续性Comparing

finite

and

renewable

planetary

energy

reserves(Terawatt-years)12.1.1太阳概貌能量来源：氢聚变成氦的聚合反应太阳产生能量约：3.9×1026

W到达地球能量约为：1.73×1017

W可将太阳近似为温度5762

K，波长0.3~3μm的黑色辐射体日地距离：1.49597892×108

km表面有效温度：5762

K中心区温度：8×106

~

40×106

K内部压力：约3400亿bar22.1.2太阳能资源计算1）太阳辐射到地球的能量损失3直射和散射示意图2.1.2太阳能资源计算2）大气质量（AM）

太阳光在其到达地球大气外的平均距离处的自由空间中的辐射强度被定义为太阳能常数，取值为1353

W/m2。4

大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量。在太阳光入射光线与地面法线间的夹角为θ时，大气质量为

AM=1/cos

θ。2.1.3坐标系简介地理坐标地球是一个近似椭圆形的球体，地球上任意点的位置都使用地理坐标的经度和纬度来表示PP’：自转轴HMH’：纬度圈φ：地理纬度QmgQ’：赤道过PP’的大圆：经度圈/子午线52.1.3坐标系简介2）天球坐标系：人们站在地球表面上，仰望天空，在平视四周时看到的这个假想球面。(a)赤道坐标系：以赤道为基本圈，以天赤道和天子午圈的交点Q为原点的天球坐标系。Sθ：太阳位置ω：时角时角从天子午圈上的点算起，即从太阳时的正午算起，顺时针方向为正，逆时针方向为负。数值等于离正午的时间（小时）乘以15o。δ：赤纬赤纬从天赤道起算。对于太阳来说，向北天极由春分、秋分日的0°变化到夏至的正23o27′；向南天极由春分和秋分日的0o变化到冬至日的负23o27′。Cooper方程n是一年中的日期序号，如春分n

=81。62.1.3坐标系简介

真地平：通过球心O与ZZ’相垂直的平面在天球上所截出的大圆通过天球球心O作一直线和观测点铅垂线平行，并与天球相交于Z和Z’。Sθ：太阳位置θz：天顶角αs：中心角sγ

：方位角(b)地平坐标系：地平坐标系就是以真地平为基本圆，以南点S为原点的天体坐标系。(天顶)(天底)Z7PZ’P’2.1.4太阳角的计算1）太阳高度角αs：太阳S与地平面的夹角φ

纬度；δ

赤纬；ω

时角3）日出日没角ωθ负值表示日出时角，正值表示日没时角。4）日照时间N82.1.5地球的自转和公转日期距离（公里）日期距离（公里）１月１日147,001,000（最小）７月１日152,003,000（最大）４月１日149,501,00010月１日149,501,000地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成23o27′夹角，且自地球公的同时自转轴的方向始终保持不变。地球公转轨道是椭圆形轨道，故地球与太阳之间的距离在一年内是变化的。9102.1.6太阳常数与太阳辐射的电磁波

太阳常数：在平均日地距离时，在地球大气层外，垂直于太阳辐射的表面上，在单位面积上和单位时间内所接受到的太阳辐射能，（~1353

W/m2）2.1.7大气层对太阳辐射的吸收11太阳辐射通过大气层时，其中一部分辐射能被云层反射到宇宙空间，一部分短波辐射受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射，使得天空呈现蓝色。以及大气透明度。某城市晴天条件下大气透明度的变化到达地面的太阳辐射照度大小取决于地球对太阳的相对位置（太阳高度角和路径）2.1.8太阳能资源综述13主要特点：

高值中心和低值中心都处在北纬22o～35o，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量西部高于东部，除西藏和新疆外南部低于北部；

由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30o～40o地区，太阳能随着纬度的增加反而增长。太阳能光热转换基本原理2.22.2.1热辐射简介表面对入射辐射的响应当一束辐射打到物体表面，其中一部分被反射，一部分被物体吸收，还有一部分通过

表面。定义反射率(ρ)表示被反射的辐射能量份额；吸收率(α)表示被吸收的辐射能量份额；透射率(τ)表示被透射的辐射能量份额。有热辐射波打到物体表面后会发生两种类型的反射：镜反射和漫反射。当表面粗糙度尺寸小于入射辐射波长时，发生镜反射，反射角等于入射角。当表面粗糙度比波长大得多时，形成漫反射，此时反射辐射能均匀地分布在整个方向内。镜反射漫反射15黑体辐射力黑体的单色辐射力与温度和波长的关系由普朗克方程表示：16黑体辐射力17黑体单色辐射力在不同温度下随波长的变化关系在给定波长时，黑体辐射的能量随着物体温度的升高而增大。每条曲线均存在一个峰值，随着温度的升高，这一峰值向较短波长移动。辐射能达到峰值的波长与温度的关系由维恩

位移定律给出：积分后得到斯蒂芬-玻尔兹曼定律的表达式真实表面的辐射性质真实的灰体不存在，但许多物体表面表现出近似灰体的行为。太阳辐射在地球表面看上去近似灰体，其辐射率约为0.6。18辐射换热与角系数对于真实表面，离开表面的辐射能包括发射辐射和反射辐射。离开表面单位面积的总辐射能称为有效辐射J。如果真实表面近似灰体，则有离开表面单位面积的净辐射能力为表面的有效辐射能J和入射辐射能之差，即19辐射换热与角系数202.2.2太阳能辐射计算1）倾斜面上的太阳光线入射角入射角(θr)：太阳射线（观测点O与太阳的连线）和斜面的法线n之间的夹角。S

——倾斜面与水平面的夹角；αS

——太阳高度角；γS

——太阳方位角；γn

——斜面方位角(斜面的法线n在水平面上的投影与当地南北向之间的夹角，顺时针方向（向西）为正，逆时针为负)在纬度φ，具有S倾角的平面上的太阳光入射角θr和在纬度φ-S上的水平面的太阳光入射角是相等的。即对面向赤道的任意倾斜角S的斜面:δ，太阳赤纬；ω，时角。212.2.2太阳能辐射计算2）直射辐射坡度为S的平面上的直射辐射照度水平面上的直射辐射照度垂直面上的直射辐射照度222.2.2太阳能辐射计算不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直射辐射强度232.2.2太阳能辐射计算3）散射辐射：地球大气以及云层的反射和散射作用改变了方向的太阳辐射晴天散射辐射的方向可以近似的认为与直接辐射相同；当天上布满云层时，散射辐射对水平面的入射角可当作60o处理。(a)水平面上的散射辐射：晴天时，到达地表水平面上的散射辐射照度，主要取决于太阳高度和大气透明度，可以用下式表示：Id

——散射辐射照度，W/m2；k

——单位换算系数，k=697.642；αS

——太阳高度角；C1、C2

——经验系数。24透明度P2C1C2C1C2C1C20.6500.2710.2810.550.2750.6750.2480.2590.560.2520.7000.2250.2360.560.2290.7250.2040.500.2150.580.2070.530.7500.1850.1950.570.1880.7750.1650.1750.580.1680.8000.1460.1550.580.14925西夫科夫阿维尔基耶夫2.2.2太阳能辐射计算经验系数C1、C2的值卡斯特罗夫2.2.2太阳能辐射计算(b)倾斜面上的散射辐射：假定天空为各向同性的散射条件下，到达太阳能收集器斜面上单位面积的散射通量为：IT,d

——倾斜面上散射辐射照度；Id

——水平面上散射辐射照度；Asky

——半球天空面积；集热器的倾角为S的平面对天空的角系数为AG

——倾斜面的面积，这里AG=1；Fsky-G、FG-sky

——半球天空与倾斜面AG间的辐射换热角系数。即4）太阳的总辐射：太阳的总辐射是到达集热器平面上的太阳直接和散射辐射的总和262.2.3太阳辐射的吸收和传递271）太阳辐射的吸收集热面受到太阳辐射以后，部分辐射能在集热体内部一个极短的距离内（1~100μm）被物体吸收并立即转变为热能，使物体温度升高。对太阳辐射的反射和透射以及集热面的对外辐射都越少越好。提高集热面太阳辐射吸收能力的方法通常有两种：在集热面上覆盖深色具有高吸收率的吸收涂层。高太阳能辐射吸收率，低的红外发射率的涂层。改变集热面的形状和结构。例如采用V形槽式集热面和透明蜂窝结构的集热面，利用它们的多次反射和吸收特性，减少对太阳辐射的反射，可以大大提高对太阳辐射的吸收效率。2.2.3太阳辐射的吸收和传递282）太阳辐射能的传递

太阳辐射在集热体内转变成热能以后，一般需要通过传热工质以对流和传导的方式将热量传递到用户。

工质在与集热面紧密接触的窄缝空间或管道中，以自然对流或强制对流的方式将热量传递出去。

由于集热器接受的太阳辐射具有瞬态特性且受到外界多重多因素的影响，太阳辐射的吸收和传递过程实际上是一个随时间变化的复杂的非稳态过程。

工程上为了简化计算，可以把时间分隔成一个个短的时段，在每个时段内，温度的变化不大，就可以用稳态传热的公式进行设计和计算，所得结果和实际工况相差不大。习题29简述太阳能资源的特点简述太阳常数和大气质量的概念简述太阳高度角和太阳方位角的定义简述太阳辐射波谱的构成简述斯蒂芬-玻尔兹曼定律及其推导过程简述黑体、灰体和角系数的定义简述反射率、吸收率和透射率的定义及其相互关系谢

谢！Thank

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Attention!第二章 太阳能光热利用大纲□2.1太阳能资源□2.2太阳能光热转换基本原理□2.3太阳能集热器□2.4聚焦型太阳能集热器□2.5太阳能热水系统□2.6太阳能热能系统□2.7太阳能空调制冷□2.8太阳能热发电技术□2.9太阳能空气取水与海水淡化太阳能集热器2.32.3.1平板型太阳能集热器1太阳能集热器：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置分类：非聚焦式（平板、真空管和太阳能空气集热器）和聚焦型太阳能集热器平板集热器：集热器吸收太阳辐射能的面积与其采光窗口面积相等

特点：应用最广泛、采光面积大、结构简单、不需要跟踪、工作可靠、成本较低、运行安全、免维护、使用寿命长；但热流密度较低、工质温度较低工作温度一般限于100

oC以下平板型集热器常见的结构形式结构形式

结构特点

成型方式

主要材料及特点图例管板式排管与平板连接构成吸热条带捆扎，铆接，胶粘，锡焊等热碾压吹胀，高频焊接，超声焊接等铜铝复合太阳条/全铜吸热板翼管式金属管两侧连有翼片的吸热条带。铝合金模型整体积压拉伸工艺。管壁翼片有较大厚度，动态性差，吸热板有较大热容。扁盒式吸热表面本身是压合成载热流体通道两块金属板模压成型，焊接一体不锈钢，铝合金，镀锌钢。蛇管式形如管板式结构铜焊接工艺，高频焊或超声焊接涓流式液体传热工质不封闭，在吸热表面流下，用于太阳蒸馏。22.3.1平板型太阳能集热器平板型集热器的热性能平板型集热器能量平衡示意图3在单位时间内，集热器吸收的太阳辐射能(QA)等于同一时间内集热器损失的能量(QL)，集热器输出的有用的能量(QU)和集热器本身热容变化量(QS)之和:当集热器在稳定工况时，集热器本身不吸热也不放热QS

=0；当集热器在非稳定的状态下工作时QS

>0或QS

<0。在稳态或准稳态下：平板集热器的瞬时效率：工质所获得的有用能量与入射到集热器上的太阳总辐射之比I，太阳辐照度；Aa，集热器采光面积平板型集热器的热性能集热器的效率可以用下式表示4集热器效率因子F’：集热器实际输出的能量与假定整个吸热板处于介质平均温度时输出的能量之比。F’与吸热板的翅片效率、管板结合工艺、管内传热介质换热系数、吸热板结构尺寸等有关。5平板型集热器的热性能用集热器进口温度表示：几种太阳集热器的瞬时效率曲线2.3.2真空管太阳能集热器6

在平板太阳能集热器的吸热板与透明盖层之间的空气夹层中，空气对流的热损失是平板型集热器热损失的主要部分。

减少这部分热损失的最有效措施是将集热器的集热板与盖层之间抽成真空，但1

m2的盖板要承受1吨的压力。

为此，人们研制了内管与外管间抽真空的全玻璃真空管，大大地减少集热器的对流、辐射和热传导造成的热损失。

真空管太阳能集热器有玻璃吸热体真空管(或称全玻璃真空管)和金属吸热体真空管(或称玻璃—金属真空管)两大类。全玻璃真空集热器金属吸热体真空管集热器热管式真空管同心套管式真空管U型管式真空管贮热式真空管直通式真空管内聚光式真空管7金属吸热体真空管集热器8真空管集热器的效率计算真空管集热器横断面图真空管集热器的效率为9D

——吸收管外径；B

——集热管中心线间距；Idθ

——集热器板单位面积的直射辐射量，W/m2；

IDθ

——集热器板单位面积的散射辐射量，W/m2；

FR

——集热器热转移因子；Ieff

——集热管吸收的热量，W/m2；

UL

——集热器总热损系数W/m2·K；

Tf,i

——集热器流体进口温度，oC；

Ta

——环境空气温度，oC。真空管集热器的效率计算集热器吸收的总热量Ieff由以下四部分的辐射量构成(a)集热器正面照射到集热管的直射辐射量ID,1集热管南北放置时θ，集热器漫反射板与水平面的夹角；φ、δ、ω

分别表示纬度、赤纬和时角。集热管东西放置时10真空管集热器的效率计算集热器吸收的总热量Ieff由以下四部分的辐射量构成(b)集热器正面的直射辐射穿过管间隙照在漫反射板上，再反射到集热管上的辐射量ID,11真空管集热器的效率计算集热器吸收的总热量Ieff由以下四部分的辐射量构成(c)集热管直接拦截的散射辐射Id,1(d)集热器正面来的散射辐射穿过集热管间隙照在反射板上又反射到集热管的辐射量Id,集热器吸收的总热量Ieff可表示为122.3.3太阳能空气集热器13太阳能空气集热器也可叫做太阳能空气加热器，是利用太阳能加热空气的装置。与热水器相比，太阳能空气集热器主要优点如下：不存在冬季的结冰问题微小的漏损不会严重影响空气加热器的工作和性能加热器承受的压力很小，可以利用较薄的金属板制造不必考虑材料的防腐问题经过加热的空气可以直接用于干燥或者房间取暖，不需增加中间热交换器空气集热器也有不足之处：□在相同的条件下，空气集热器的效率要比普通平板集热器的效率低□需要消耗较大的送风功率□需要使用石块或鹅卵石等贮热堆太阳能空气集热器的分类太阳能空气集热器根据集热板结构的不同，主要分为两大类：(a)无孔集热板型；(b)多孔集热板型。(a)无孔集热板型无孔集热板是指在空气集热器中，空气流不能穿过集热板，而在集热板的上面和背面流动，并和太阳能进行热交换。无孔集热板型的空气集热器的优点是结构简单、造价便宜。缺点是空气流和集热板之间的热交换不能充分，因此集热效率难以有很大的改进。14太阳能空气集热器的分类多孔集热板型

针对上述无孔集热板型空气集热器的缺点提出了多孔集热板型空气集热器。

包括多层重叠的金属网、发泡蜂窝结构、玫瑰管结构、重叠玻璃板式等

太阳辐射在多孔集热板中能够更深地射透。同时网孔增加了集热板和气流之间的接触传热面积，可能进行更为有效的传热。

多孔集热板型的压力损失比在背后流动的无孔集热板型小。152.4聚焦型太阳能集热器2.4聚焦型太阳能集热器16平板型集热器获得的热能量虽然很大，但是品质却不高；聚焦型集热器：聚光器以反射或折射的方式将太阳光集中到接收器上形成焦面，将光能转换为热能后由介质带走（高温热能）。锥形集热器抛物面集热器复合抛物面集热器(CPC)SRTA集热器半圆柱形集热器塔式集热器反射式菲涅尔集热器透镜聚焦集热器折射式菲涅尔集热器2.4.1聚焦型太阳能集热器的分类17集

热

器

型

式

聚光比范围最高运行温度℃三元集热器SRTA菲涅尔透镜抛物面塔式50～150100～1000500～30001000～3000300～500300～1000500～2000500～2000CPC（季节调整）3～10100～150菲涅尔透镜6～30100～200抛物面15～50200～300二元集热器

按聚焦程度的不同，也可把集热器分为将太阳光聚集成“点状”焦斑的三元集热器以及将太阳光聚焦成“线状”焦斑的二元集热器。2.4.2复合抛物面（CPC）太阳能集热器复合抛物面（CPC）聚光器是一种非成像低聚焦度的聚光器，它根据边缘光线原理设计，可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上。由于它有较大的接收角，故在运行时不需要连续跟踪太阳，只须根据接收角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次就可有效地工作。18CPC与接收器的组合形式平板状接收器竖板式接收器楔板式接收器管式接收器19应用最多广泛2.4.3抛物面聚焦型集热器的热性能

复合抛物面聚光器集热器的热损失比较小，适用于采暖与制冷；曲线越平表示集热器的高温性能越好。热损失的计算必须针对具体的接收器形状。对于吸热管外套有透明真空夹层套管的接收器，其单位长度的热损失qL可以表示为：202.4.3抛物面聚焦型集热器的热性能对于没有套管的裸露接收器的热损失，只

考虑表面辐射和对流损失，qL可以表示为：对于接收器为裸圆管的抛物柱面集热器，假设沿周向没有温差，圆管外侧的热损失为辐射和对流损失，热损失系数UL为：聚焦系统中的热流可能很高，必要时应考虑管壁热阻。这样从周围环境到流体的总传热系数U0（以管外表面积为基准）为：单位长度的集热器的有用收益qu为：η0

——集热器的光学效率；H

——投射在任何方位的单位水平表面上的直射或散射辐射，W/m2；R

——直射或漫射辐射转换到集热器平面上的转换因子。有用收益用流体得到的能量表示为：212.5太阳能热水系统2.5太阳能热水系统利用太阳能提供50

~

60

oC生活热水；结构简单，成本不高，是太阳能热利用中最基本、最有效、最成功的系统。2.5.1自然循环太阳能热水系统依靠集热器和贮水箱中的温差形成系统的热虹吸压头，使水在系统中循环；结构简单，运行可靠，无需动力，成本较低；为了维持必要的虹吸压头，贮水箱必须置于集热器的上方，这有时会给建筑布置、结构承重和系统安装等带来一些麻烦。222.5.2强制循环太阳能热水系统强制循环太阳能热水系统：在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵，作为系统中水的循环动力；集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在贮水箱内；系统运行过程中，循环泵的启动和关闭必须要有控制，否则既浪费电能又损失热能；两种取热水的方法：顶水法和落水法；强制循环系统可适用于大、中、小型各种规模的太阳能热水系统。232.5.3直流式太阳能热水系统直流式太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱、补给水箱和管道等组成；运行时，水不断地从补给水箱流入集热器，经加热器加热后汇集到贮水箱中，这种系统并不循环，所以称为直流式；为使从集热器出来的水具有足够大的温升，水的流量应较小；直流式太阳能热水装置的优点是：(1)贮水箱不必高于集热器之上，它可以置于室内，水箱保温容易；(2)贮水箱的热水已具有足够的温度，箱中热水可随时取用。如果用户是连续取水，则贮水箱可做得很小，热损失也能进一步减少242.5.4整体式太阳能热水系统整体式（闷晒式）太阳能热水系统是人类最早使用的一种太阳能热水器；它的特点是集热器与贮水箱合二为一，实际上就是一个外壁涂黑、充当吸热体的容器；依靠容器壁吸收太阳辐射能加热，水在容器中以自然对流方式流动，经过一整天，容器中的水被加热到一定温度，然后便可取用；闷晒式太阳能热水器的优点是结构简单，成本低廉；缺点是保温性能差，热水必须在当天夜晚及时用完，所以应用范围受到很大限制。252.5.5太阳能热水系统的性能分析(1)热水器内水温随时间上升的特性设集热器及其所属水箱和连接管内的水量为G[kg]，这个水量利用太阳辐射和热损耗的热量之差来加热。设dt时间内水的温度上升为dT

[℃]，则：或若将I写成I(t)，则左式变成标准线性一阶微分方程：式中26上式的通解可写为：如果已知I(t)，将它代入上式积分，可求出T随时间t的特性。2.5.5太阳能热水系统的性能分析(2)热水器的日集热量及平均集热效率设热水器每小时收集的净集热量Q

，集热器内G

(kg)水的温升为ΔT，则：设集热器单位面积的集热功率q，则有：取dt

＝1小时：假定该热器在一天之内仅工作Z小时，并取d该时间的集热量为q

，则：Id

——每天受热面的太阳辐射量，W/m2；φ

——有效太阳辐射量比(定义为集热时间区间的太阳辐射量与全天太阳辐射量之比)；Tm

——在集热时间内集热器中水温平均值，℃；Tam

——环境温度平均值，℃。qd表示热水器一天的单位面积上集热量，是热水器一个重要特性值。热水器内水温随时间的变化情况可用下式近似：T1

——开始集热时热水器内之水温，℃；T2

——集热结束时热水器内之水温，℃；ΔTm

——集热板的温度和集热器内水温的平均值之差在集热时间内的平均值(℃)。对于闷晒式取＝0，对自然循环可由实验决定。272.5.5太阳能热水系统的性能分析qd

可用下式表示集热时间区间内温度的变化整理得这个集热量与每天的受热面太阳辐射量Id之比是集热时间内的平均集热效率若设282.5.5太阳能热水系统的性能分析则K值必须通过实验确定。令则29风速对传热系数K的影响也较大，风速越大，K值越小。考虑到风速的影响，则：式中C1

、C2和R均为待定系数。有了平均集热效率后，不难求出每台集热器一天的集热量Qd为：2.5.5太阳能热水系统的性能分析确定K值的方法：先假定一个K值，并就不同情况计算a值和b值。若将此时ηd的效率画成下图的曲线，得出这条曲线的倾角θ，根据tg

θ=K

便可确定K值，该直线与纵坐标交点的坐标应与a值相等。如果，用这种方法求得的K值与开始假定的K值不同，则应重新假定K值，并多次重复这过程，直到两个K值大体上一致。302.5.6太阳能热水系统的防冻措施（1）自动补热在平板集热器的下联箱内，装一根绝缘良好的电热丝，并设置温度敏感元件。当水温降到0℃时，敏感元件发出信号，通过放大器合上电热丝电路上的开关，使它对水加热。这根电阻丝的功率可很小，只要能保证集热器中的水不结冰即可。对于一平方米的集热器，在-15℃的环境温度下保持不结冰，所需功率仅为1.2

W。当水温超过1℃或

2℃时，温控装置便发出讯号，切断电源。这种方法要消耗少量电能，一般适于气温不太低的地区。312.5.6太阳能热水系统的防冻措施（2）落水式强制循环系统这种系统将集热器放在贮水箱上方，贮水箱有通大气的开口，系统最高点设有通气阀。由温度差起动器控制系统中的循环水泵的运行及通气阀的动作。当水箱底部和集热板

间的温差超过规定的上限位时，通气阀闭合，水泵起动，当温差低于规定的下限值时，水泵停止，通气阀打开，集热器中的水靠重力作用全部迅速返回水箱，一般的大型太

阳能热水器系统常常采用这种方式防冻。322.5.6太阳能热水系统的防冻措施（3）采用防冻液的复合回路系统这种系统有两个回路，一个回路由集热器和换热器所组成，此回路中使用不冻结的传

热介质，它可将集热器收集到的太阳能通过换热器传递给水箱中的水。这一回路一般

采用强制循环，对于一些小型系统，也采用自然循环方式。另一个回路是供热水回路。通过这样达到防冻目的。33太阳能热能系统2.62.6太阳能热能系统342.6.1太阳能工业热水系统

太阳能热水系统在太阳能工业应用中占较大的比重，具有较高的经济效益。一种典型的预热系统如右图所示：该系统将太阳能热水系统与传统的锅炉系统结合，利用太阳能集热器对水进行预热，提高锅炉的给水温度，降低锅炉的能耗。系统所产生的蒸汽可用于推动汽轮机做功或其他工业过程。该系统可有效降低传统锅炉系统的能源消耗，减少二氧化碳及其他有害气体的排放，并充分利用了原有设备，保证了系统的可靠性。案例：CPC中温太阳能工业热力系统在集热器内将15℃左右的冷水加热至95℃，再通过锅炉将95℃热水加热成150℃蒸汽以供工业生产。该系统总安装面积8400

m2，采光面积5200

m2，

CPC中温集热器95℃时平均效率约为60%，日均提

供95℃热水138吨，所提供热量约占锅炉所需热量的10%。整个系统每年可节约标煤1156吨，减排二氧化碳3005吨，具有极高的经济效益和社会效益。352.6.2太阳能蒸汽系统中高温蒸汽广泛应用于各类工业生产过程。由于需要获取相对较高的温度，太阳能蒸汽系统通常采用抛物槽式太阳能集热器（PTC）。太阳能蒸汽系统通常可以分为以下三类：

闪蒸蒸汽系统：加压水在集热器中加热，然后使其降压，产生闪蒸蒸汽。

直接蒸发系统：在集热器内允许两相流动，通过集热器加热直接产生蒸汽。

导热油系统：利用太阳能加热导热油使之温度升高，之后将热量传递给换热器内的水以产生蒸汽。闪蒸蒸发系统直接蒸发系统导热油系统36利用领域合成橡胶木材加工公路建设化学工业用途胶合板制备热压纤维板融化沥青化学处理热能形式蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽温度200℃造纸工业食品工业烟草行业牛皮纸漂白干燥

消毒

浓缩

干燥

制丝蒸汽蒸汽

150℃蒸汽蒸汽蒸汽（空气）蒸汽纺织工业染色蒸汽372.6.2太阳能蒸汽系统中高温蒸汽生产应用领域2.6.3太阳能热风系统在工业生产中，很多领域，如纺织、木材和食品等都需要对产品进行干燥；

太阳能热风系统可以满足干燥负荷的要求，是一种行之有效的方法，对节约常规能源、避免环境污染、提高产品质量等方面均能起到积极作用；空气流经太阳能集热器获得热量，温度升高，可用于干燥或其他工业过程；

太阳能热风系统受天气的影响较大，因此，在系统中配置适当的储热装置和辅热装置是必要的。38习题39简述平板型太阳能集热器的基本特点简述集热器效率因子的定义简述真空管太阳能集热器的基本特点简述太阳能空气集热器的基本特点简述聚焦型太阳能集热器的基本特点简述太阳能热水系统的种类及其各自特点简述太阳能热水系统的防冻措施简述太阳能热能系统的种类及应用场景谢

谢！Thank

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Attention!第二章 太阳能光热利用大纲□2.1太阳能资源□2.2太阳能光热转换基本原理□2.3太阳能集热器□2.4聚焦型太阳能集热器□2.5太阳能热水系统□2.6太阳能热能系统□2.7太阳能空调制冷□2.8太阳能热发电技术□2.9太阳能空气取水与海水淡化太阳能空调制冷2.7工质对驱动温度蒸发温度模块化吸附式冷水机组硅胶-水5℃单/双效吸收式冷水机组溴化锂-水5℃吸附式制冷机氯化钙/活性炭-氨1.n效吸收式冷水机组溴化锂-水5℃吸收式制冰机水-氨-30℃2.7太阳能空调制冷1太阳能制冷是一种直接利用热能驱动制冷机的制冷方式。常用的太阳能制冷系统有：太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统和太阳能除湿制冷系统。太阳能空调的优点：

季节适应性好，太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳辐射能量的增加而增大的，这正好与夏季人们对空调的迫切需求相匹配；采用非氟氯烃化合物为工质，对大气层无破坏作用,有利于环境保护；系统无运动部件，运转安静，噪声很低；

可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水三种功能结合起来，做到一机多用，四季常用，从而可以显著地提高太阳能系统的利用率和经济性。常见的几种太阳能制冷系统及其匹配热源温度如下表：2.7.1太阳能吸收式制冷

太阳能吸收式制冷技术：利用太阳能集热器提供吸收式制冷循环所需要的热源，保证吸收式制冷机正常运行达到制冷的目的。太阳能吸收式制冷包括两大部分：太阳能热利用系统及吸收式制冷系统。

整个太阳能吸收式空调系统主要由太阳能集热器、吸收式制冷剂、辅助加热器、水箱和自动控制系统等组成。该系统可提供夏季制冷、冬季采暖以及生活热水。22.7.1太阳能吸收式制冷

吸收式制冷原理：吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来运行的。这两种物质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组分称为吸收剂，低沸点的

组分称为制冷剂。吸收式制冷就是利用溶液的浓度随其温度和压力变化而变化这一

物理性质，将制冷剂与溶液分离，通过制冷剂的蒸发而制冷，又通过溶液实现对制

冷剂的吸收。由于这种制冷方式利用吸收剂的质量分数变化来完成制冷剂循环，所

以被称为吸收式制冷。常用的吸收剂-制冷剂组合有溴化锂-水和水-氨组合。太阳能吸收式制冷系统的制冷性能系数（亦称热力系数ζ）可表示为：32.7.1太阳能吸收式制冷根据热力学第二定律可知，理想吸收式循环的热力系数ζmax为：4太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统在发生器内受到热媒水的加热后，溶液中的水不断汽化；发生器内的溴化锂水溶液浓度逐步升高，进入吸收器；水蒸气进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水降温后凝结，成为高压低温的液态水；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中

大量吸收蒸发器内的溴化锂浓溶液吸收，溶液浓度逐步降低，再由循环泵送回发5生器，完成整个循环。如此循环不息，连续制取冷量。为了提高整个装置的热效率，在系统中增加一个换热器，让发生器流出的高温浓溶液与吸收器流出的低温稀溶液进行热交换，提高稀溶液进入发生器的温度。太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统(1)太阳能驱动的单效溴化锂吸收式制冷系统6太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统(2)太阳能驱动的两级溴化锂吸收式制冷空调系统多级循环采用的是简单复迭方式，具有各自的发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器的一个吸收式系统迭置于处于不同压力或浓度下另一个或多个吸收式系统上，这种布置方式可以使得系统所需的高温热源温度降低。7太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统(3)太阳能驱动的双效溴化锂吸收式制冷空调系统多效循环则是对于高温热源的热量予以多次利用，使得系统COP有明显的提高。高温热源驱动高压发生器后所解吸出的高压制冷剂气体在冷凝器中释放出的冷凝热用于驱动低压发生器，因而热能被有效地利用了2次。在实际系统中“高压冷凝器”可以布置低压发生器内，系统实际上只有1个冷凝器、1个蒸发器和2个发生器(温度和压力不同)。COP较高（>1）；驱动能源温度较高（>150℃）;主要应用真空管集热器和聚焦型集热器8太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统9多效溴化锂-水吸收式制冷机性能曲线太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统(4)太阳能驱动的变效溴化锂-水吸收式制冷系统10太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统(4)太阳能驱动的变效溴化锂-水吸收式制冷系统主要组成部件：高压发生器HG，高压吸收器HA，高压冷凝器HC，第一低压发生器LG1，第二低压发生器LG2，冷凝器C，低压吸收器LA，蒸发器E和溶液热交换器SHX。11太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统12(4)太阳能驱动的变效溴化锂-水吸收式制冷系统低发生温度

中间发生温度当发生温度较低，只足够单效吸收制冷运行的工况下，可以停止循环中高压吸收器、高压冷凝器、第一低压发生器和第二低压发生器的工作，将高压发生器和冷凝器之间的节流装置打通，使该循环按传统的单效制冷循环工作。当热源温度较高，足够驱动双效吸收制冷运行的工况下，停止高压吸收器和第二低压发生器之间的换热，仍然保持高压冷凝器和第一低压发生器的工作，使循环以传统双效制冷循环的模式工作。当热源温度介于二者之间时，高压吸收器、高压冷凝器、第一低压发生器和第二低压发生器都工作，循环以1.n效制冷模式工作。高发生温度太阳能驱动的氨-水吸收式制冷系统13在氨-水吸收式制冷机中，以氨为制冷剂，以氨水溶液为吸收剂，可以制取冷水供冷却工艺或空气调节过程使用，也可以制取低达-60

C的冷量供冷却或冷冻工艺过程使用。当氨的蒸发温度大于-34

C时，机组的压力保持在大气压力之上。A-吸收器C-冷凝器E-蒸发器F-节流阀G-发生器H-溶液热交换器P-溶液泵PC-预冷器R-精馏器太阳能驱动的氨-水吸收式制冷系统1.太阳能集热器；2.发生器；3.精熘器；4.冷凝器；5.补液装置；6.观察窗7.过冷器；8.膨胀阀；9.蒸发器；10.吸收器；11.溶液泵；12.过滤器；13.溶液热交换器142.7.2太阳能吸附式制冷

吸附式制冷原理：利用固体吸收剂在低温时吸附制冷剂和在高温时解吸制冷剂的原理进行工作的。吸附剂-吸附质（在制冷中称为制冷剂）工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一。常用的吸附剂有硅胶、氯化钙、沸石和活性炭；制冷剂有水、甲醇和氨，与吸附剂配对使用。常用的工作对有沸石-水、活性炭-甲醇、氯化钙-氨和活性炭-乙醇等。吸附式制冷系统的制冷性能系数为：对太阳能吸附式制冷系统，也可用太阳能制冷性能系数来描述系统的整体性能：152.7.2太阳能吸附式制冷(1)基本型吸附式制冷循环太阳能吸附式制冷机主要包含太阳能集热器，吸附器／发生器、冷凝器、蒸发器、阀门、贮液器，其中阀和贮液器对实际系统来说是不必要的。晚上当吸附床被冷却时，蒸发器内制冷剂被吸附而蒸发制冷，待吸附饱和后，白天太阳能加热吸附床，使吸附床解析，然后冷却吸附，如此反复完成循环制冷过程。162.7.2太阳能吸附式制冷(2)连续回热型吸附式制冷循环假定对吸附器A加热，对吸附器B冷却，当吸附器A充分解吸，吸附器B吸附饱和后，使吸附器A冷却，吸附器B加热，吸附器A、B交替运行组

成了一个完整的连续制冷循环。为了提高能量的利用率，在两过程切换中，利用高温吸附器冷却时放出的显热和吸附热来加热另一个吸附器，即进行回热。这样可减少系统的能量输入并提高COP。172.7.2太阳能吸附式制冷(2)连续回热型吸附式制冷循环连续回热循环热力图18192.7.2太阳能吸附式制冷(3)回热回质吸附式制冷循环1-热水出口,2-热水进口,3-左吸附床,4-左冷凝器,5-左隔离器,6-甲醇,7-蒸发器,8-冷冻水入口,9-冷却水出口,10-冷却水入口,11-阀门组件,12-回质真空阀,13-机组外壳,14-右吸附床,

15-右冷凝器,16-制冷剂(水),17-右隔离器,18-冷冻水出口,19-冷凝器出口,20-左吸附床入口,21-左吸附床出口,22-右吸附器出口,23-右吸附器出口,24-冷凝器入口回热回质循环：在一个吸附/解吸周期结束且加热/冷却切换尚未进行时，将两床直接连通，使得解吸床内压力降低和吸附床内压力升高，进而导致解吸床的解吸率和吸附床的吸附率

大大提高，实现制冷剂的质量回收，最后提

高系统的循环吸附量和整体性能。与此同时，回质过程中高温制冷剂气体从高温床转移到

低温床，可以回收部分的显热热量。在采用65℃热水驱动时，可以获得6

kW制冷量，对应COP约为0.35；如果采用85℃热水驱动，可以获得10

kW制冷量，COP=0.4。2.7.2太阳能吸附式制冷(3)回热回质吸附式制冷循环

当吸附器1解吸/吸附器2吸附过程临近结束时，回质真空阀打开，吸附器1内的制冷

剂蒸汽就会在较大的压差作用下迅速进入吸附器2，实现二次解吸和吸附，以提高

系统制冷性能。

当两吸附器内的压力接近平衡时，关闭回质真空阀，打开相应阀门进行两个吸附器之间的回热。

吸附器1内的热水进入吸附器2中，将其管路中的冷水排出并对其进行预热，以提高20太阳能热水的利用率。对应图中g3→a1

→a1→e

及a3→g1

→g1→e段。

吸附器1吸附/吸附器2解吸的过程与上述相似。通过两个吸附器的交替吸附和解吸，可实现连续制冷。e→g2及e

→a2段对应吸附器1加热解吸、吸附器2冷却吸附过程，g2→g3及a2→a3段对应从吸附器1到吸附器2的回质过程。回热回质型吸附制冷循环热力图2.7.3太阳能除湿制冷

太阳能除湿制冷系统是利用除湿剂吸收空气中的水蒸气以降低空气的温度，然后利用空气加湿来产生制冷效果。

除湿制冷系统结构简单，是一种节能环保型制冷技术。但它的制冷效率低，制冷量较小，且受到环境空气初始和能达到的湿度的限制。一般只适用于空气干燥的地方除湿制冷系统可分为两大类：固体除湿制冷系统和溶液除湿制冷系统。(1)太阳能固体除湿制冷212.7.3太阳能除湿制冷22(2)太阳能液体除湿制冷液体除湿剂：金属卤盐溶液。例：溴化锂、氯化钙、氯化锂和氯化钙/氯化锂的混合溶液。太阳能热发电技术2.82.8太阳能热发电技术太阳能热发电：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。2.8.1太阳能蒸汽热动力发电太阳能蒸汽热动力发电是利用聚光器将太阳能聚焦后加热某种工质使之成为蒸汽，蒸汽再推动汽轮机发电机组进行发电。根据聚光太阳能集热器的类型，可以将太阳能热发电系统大致分为三大类型：

槽式系统——利用槽形抛物面反射镜，将太阳辐射聚焦到真空管集热器，对传热介质进行加热，然后在换热器内产生蒸汽，推动蒸汽轮机，带动发电机发电。

塔式系统——利用多台平面反射镜，将太阳辐射反射集中到一个高塔顶部的接收器上，转换成热能后传给工质，经过储热装置，再输入热动力机，带动电机发电。

碟式系统——利用盘状抛物面反射镜，将太阳能聚焦到位于焦点出的接收器，直接驱动装置在该处的斯特林发动机，带动发电机发电。2.8.1太阳能蒸汽热动力发电参数规模槽式系统塔式系统碟式系统运行温度/℃390565750年容量因子/%25峰值效率/%202324年净效率/%三种类型太阳能热发电系统主要性能参数2.8.1太阳能蒸汽热动力发电槽式太阳能热发电系统：利用槽形抛物面反射镜，将太阳辐射聚焦到真空管集热器对传热介质进行加热，然后在换热器内产生蒸汽，推动蒸汽轮机，带动发电机发电。聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面反射镜集热器串、并联组成。系统有单