太阳能利用技术与应用

第六章太阳能热利用技术与应用第一节太阳能利用的历史与现状第二节太阳能热水器第三节太阳能温室第四节其它太阳能热利用技术第一节太阳能利用的历史与现状一、历史二、开展阶段三、利用太阳能主要形式1、太阳能利用的历史人类利用太阳能已有3000多年的历史。传说阿基米德曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源〞，“未来能源结构的根底〞，那么是近来的事。阿基米德与太阳能国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。约在公元前215～210年间，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。阿基米德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，使舰船起火，敌人仓惶逃跑。木船起火在1973年，希腊的一位科学家萨克斯博士，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。可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的。美国麻省理工學院的一群師生制作了一个船头模型,准备了127面镜子,他们准备模拟一次"死光"实验.

阳燧取火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。是一种最古老的太阳能聚光器。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上创造第一台太阳能驱动的发动机算起。是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大。大局部为太阳能爱好者个人研究制造。二、开展阶段〔一〕第一阶段〔1900-1920〕起步〔二〕第二阶段〔1920-1945〕低潮〔三〕第三阶段〔1945-1965〕开展〔四〕第四阶段〔1965-1973〕停滞不前〔五〕第五阶段〔1973-1980〕大开展〔六〕第六阶段〔1980-1992〕再次停滞〔七〕第七阶段〔1992-至今〕走出低谷〔一〕第一阶段〔1900-1920〕起步在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW。实用目的比较明确，造价仍然很高。〔二〕第二阶段〔1920-1945〕低潮原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战〔1935-1945〕有关。太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。〔三〕第三阶段〔1945-1965〕开展在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士注意到石油和天然气资源正在迅速减少。呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会。1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的根底理论，研制实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的开展创造了条件。1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了根底。〔四〕第四阶段〔1965-1973〕停滞不前处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，得不到公众、企业和政府的重视和支持。〔五〕第五阶段〔1973-1980〕大开展1973年10月爆发中东战争引起“石油危机〞。现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。具体做法1973年，美国制定了政府级阳光发电方案，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光方案〞，其中太阳能的研究开发工程有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。成果与问题各国加强了太阳能研究工作的方案性，不少国家制定了近期和远期阳光方案。取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。太阳热水器等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益不理想。普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计缺乏。空间太阳能电站美国曾方案在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。方案调整后，至今空间太阳能电站还未升空。〔六〕第六阶段〔1980-1992〕再次停滞世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低本钱的目标没有实现，动摇开发利用太阳能的信心；核电开展较快，对太阳能的开展起到了一定的抑制作用。〔七〕第七阶段〔1992-至今〕走出低谷1992年联合国在巴西召开“世界环境与开展大会〞，会议通过了《里约热内卢环境与开展宣言》，《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，确立了可持续开展的模式。加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起。三、利用太阳能主要形式人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、枯燥器、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。光热转换即利用太阳辐射能加热集热器，把吸收的热能直接加以利用。如果集热器匹配不同用途也就有不同名称，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能枯燥器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调等。太阳能热利用热水器第一代为闷晒式热水器。这是集热与贮热与贮热合二为一的整体热水器，一般由二至三个涂黑的圆管构成，由黑色涂层吸收热能把水加热，优点是结构简单、造价较低；缺点是散热快，热水不能过夜使用，在冬季及阴雨天也不能使用，这种产品只在某些遥远农村才使用，现已根本被淘汰。太阳能热利用热水器第2代为平板式太阳能热水器。它由平板集热水箱组成，一般采用自然循环运行方式。平板信热器由吸热体、透明盖层、背部与侧面保温层和框架构成。

太阳能热利用热水器第三代为真空管热水器。它由多支玻璃真空集热管直接插入水箱构成，一般采用自然对流换热。每支真空集热管与水箱孔间放置硅橡胶制成的密封圈。

太阳能工程产品

如何

能够找到一种清洁、廉价又方便实用的能源来替代这些被取缔的锅炉是政府和人们都在思考的一个问题。太阳能的出现解决了这个难题。

光电转换太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池是把太阳光直接转换成电能的一种器件。太阳电池的光电效率约１０－１４％，其产品类型主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。国内产品〔指光电装置全部费用〕价格约６０－８０元／峰瓦。太阳能化学转换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响，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。我国的开发现状和前景

中国能源研究会理事长黄毅诚近日提出，应加速开发无污染、可再生的太阳能资源，力争到２０２０年建成５００万千瓦的太阳能发电容量，使太阳能成为我国最大的可再生能源。北京太阳能研究所研究员赵玉文用“近有实效，前有远景〞来形容太阳能资源在我国的开发现状和前景。我国的开发现状我国目前具有１．５万千瓦的太阳能发电容量，虽然光电本钱仍然高于煤电，但在遥远地区，与拉设电网相比，小型太阳能发电设施仍然相对廉价适用，在西藏地区已经有７个县靠太阳能解决了用电困难。另外，太阳能热水器已经成为国内太阳能利用中应用最为广泛、产业化开展最迅速的领域，１９９８年我国的热水器产量就已占据世界第一位，去年这个产业的总销售额到达３５亿元。光热利用系统就是采用专门设备采集太阳能，并将之转换成所需热能，供给给工业企业及公共和民用建筑等其它行业用热的应用系统。工业方面：主要用于枯燥〔烘干〕、去湿、空气调节、或工序产品预热等；农产品加工：水果、种子、粮食、中药材储存前的去湿、烘干，木材枯燥，产品枯燥等；农牧业生产：太阳能温室、太阳房等养殖、育苗、蔬菜大棚等。光热利用系统公共建筑：学校、医院、体育馆、影剧院、游泳池等空调、采暖、热水供给等;民用建筑：住宅、小区商品房供热、空调、采暖等其它:宾馆、酒店、工厂员工宿舍、学生宿舍、部队营房等空调、采暖及热水供给系统等；采暖地区厂房、车间、办公楼等的采暖等；第二节太阳能热水系统一、太阳能热水系统主要部件二、家用和集中太阳能热水系统三、太阳能热水系统与建筑结合一、太阳能热水系统主要部件1、系统组成太阳能热水器通常是由集热器、储热水箱、循环管路、阀门及其控制元件等主要元部件所组成。根据需要还可以加配辅助能源〔如电热器〕，以供没有日照时使用。假设系统采用强迫循环，还得有水泵等配置部件。太阳能热水器是太阳能热利用中用得最多、最广泛的装置。太阳能热水系统集热器贮水箱管路控制器辅助能源系统组成太阳能热水系统主要部件单机入户的分体式太阳能热水器(1)按供热水范围分为以下三种：①集中供热水系统采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱供给一幢或几幢建筑物所需热水的系统。②集中-分散供热水系统采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱供给一幢建筑物所需热水的系统。③分散供热水系统采用分散的太阳能集热器和分散的贮水箱供给各个用户所需热水的小型系统。2、系统分类(2)按系统运行方式分为以下三种：①自然循环系统仅利用传热工质内部的密度变化来实现集热器与贮水箱之间或集热器与换热器之间进行循环的太阳能热水系统。②强制循环系统利用泵迫使传热工质通过集热器(或换热器)进行循环的太阳能热水系统。③直流式系统传热工质一次流过集热器加热后，进入贮水箱或用热水处的非循环太阳能热水系统。(3)按生活热水与集热器内传热工质的关系分为以下两种：①直接系统在太阳能集热器中直接加热水给用户的太阳能热水系统。②间接系统在太阳能集热器中加热某种传热工质，再使该传热工质通过换热器加热水给用户的太阳能热水系统。光热转化－－储热－－传输－－用户集热器－－水箱－－管路－－淋浴器〔水龙头〕3、运行原理·系统初投资较分户承压型低·系统运行较稳定，初投资较少·集热局部承压运行，系统闭式循环可防止因水质引起管路和集热器结垢，将热水储存于每户中，这样可以减少水箱占用屋面面积整个系统的管路在建筑中也不影响建筑美观·集热系统为开式，便于安装、维护·配品、配件较为普及，便于维护1、分户储热系统结构及其优势二、家用和集中太阳能热水系统·系统运行较稳定，运行本钱低·系统施工周期短··技术成熟，系统故障率低。·结构清楚，便于组织安装及售后效劳··配品、配件较为普及，便于维护·对于住宅小区，集中式系统相对分户系统有初期投资少、集成化程度高的优势，模块化的集热器与建筑结合也比较美观2、集中储热系统结构及其优势

系统组成部分集热系统集热器一四管道五控制系统储热水箱二水泵三六分户水箱太阳能与建筑结合现状现在的太阳能热水器与建筑结合，常被比作“贴膏药〞并没有给建筑增色，太阳能热水器无法满足建筑的多样化要求。三、太阳能热水系统与建筑结合太阳能与建筑一体化用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能，这将是最理想的方案。太阳能与建筑一体化，就是将太阳能热水系统作为建筑的标准体系进入建筑领域，实现与建筑的同步设计、同步施工、同步验收、同步后期管理，从而实现二者的完美结合，以到达建筑节能和增强建筑美观的双重效果。实现太阳能与建筑结合的方法必须太阳能热水系统设计与建筑设计同步进行，充分考虑建筑结构的特点，做到太阳能热水系统与建筑的完美结合。集热器采用优质平板集热器等〔其中平板更易与建筑结合〕，高温高效；通过微电脑智能控制器实现全自动运行，满足不同用户热水需求。居住建筑应用例如图片解决实例---亚运城太阳能工程广州亚运城太阳能系统12000㎡－主媒体中心平板太阳能广州亚运城太阳能系统12000㎡－主媒体中心平板太阳能亚运城太阳能工程广州亚运城太阳能系统12000㎡－技术官员村直流管太阳能德州•多层公寓第三节太阳能温室开展概况工作原理和结构太阳能温室的应用第四节其它太阳能热利用技术太阳房太阳能枯燥太阳能蒸馏太阳灶一、太阳能枯燥技术〔一〕太阳能枯燥的根底知识〔二〕太阳能枯燥装置的分类〔三〕太阳能枯燥技术的应用概况与开展前景枯燥的根本概念从机理上说，枯燥过程就是利用热能使固体物料中的水分汽化并扩散到空气中去的过程。按照传热和加热方式的不同，枯燥方式主要分为四种：传导枯燥、枯燥、辐射枯燥和介电加热枯燥。〔一〕太阳能枯燥的根底知识物料中所含的水分游离水分〔易于除去〕物化结合水分〔较难除去〕化学结合水分〔一般枯燥过程中不必考虑〕非结合水分〔也称自由水分，比较易于除去〕结合水分〔比较难于除去〕物料的枯燥特性曲线预热枯燥阶段〔A-B〕恒速枯燥阶段〔B-C〕降速枯燥阶段〔C-D-E〕太阳能枯燥的根本原理对流太阳能枯燥就是使被枯燥的物料，或者直接吸收太阳能并将它转换为热能，或者通过太阳能集热器所加热的空气进行对流换热而获得热能，继而再经过物料外表与物料内部之间的传热、传质过程，使物料中的水分逐步汽化并扩散到空气中去，最终到达枯燥的目的。太阳能枯燥器的分类直接受热式太阳能枯燥器〔亦称为辐射式太阳能枯燥器〕间接受热式太阳能枯燥器〔亦称为对流式太阳能枯燥器〕主动式太阳能枯燥器〔需要加外力一般指风机进行驱动运行〕被动式太阳能枯燥器〔不需要外力〕〔二〕太阳能枯燥装置的分类温室型太阳能枯燥器这种太阳能枯燥装置实际上是具有排湿能力的太阳能温室，枯燥室的东、西、南墙及倾斜屋顶均采用玻璃或塑料薄膜等透光材料，一般将墙体外表涂上黑色涂料以提高对太阳能的吸收率。温室枯燥室一般为自然通风，如有条件也可以装风机实行强制通风。１—太阳光；２—玻璃；３—排气口；４—枯燥室；５—墙体；６—黑色涂层；７—进气口假设在枯燥室顶部加一段烟囱，可以增强通风能力，且烟囱越高，通风能力越强。如下图１—墙体；２—透明盖板；３—物料；４—物料架；５—烟囱；６—活阀；７—空气温室型枯燥室的优缺点结构简单造价低可因地制宜，建造容易操作简单枯燥本钱低枯燥室温升小，昼夜温差大枯燥速度慢枯燥室容量少占地面积比同容量的常规枯燥室大集热器型太阳能枯燥装置这类枯燥装置是利用太阳能空气集热器把空气加热到预热温度后，通入枯燥室进行枯燥作业的。利用太阳能集热器加热空气，一般来说有空气型集热器和热水型集热器两种。前者以空气为载热介质，直接吸收太阳辐射能量；后者是使用太阳能热水器加热水后，通过换热器加热空气。前者的热效率比较高，但工作温度易受太阳能辐射变化影响，波动性大；后者的热效率比较低，本钱高，但可利用储热装置储存热量，系统工作比较稳定。１—空气集热器；２—风管；３—加热器；４—主风管；５—风阀；６—风机集热器-温室太阳能枯燥装置在这种枯燥装置中，空气先经太阳能空气集热器预热，然后再进入枯燥温室，使温室枯燥温度得到提高，以加速物料的枯燥。集热器温室型太阳能枯燥装置整体式太阳能枯燥装置整体式太阳能枯燥装置是将空气集热器与枯燥室两者合并在一起的装置。在这种太阳能枯燥装置中，枯燥室本身就是空气集热器，或者说在空气集热器中放入物料而构成枯燥室。整体式太阳能枯燥装置结构示意无论国内外，早期的太阳能枯燥装置多数为温室型、半温室型或规模较小的集热器型。大型太阳能枯燥装置根本上都是集热器型，而且都与常规能源结合以保持枯燥过程的连续性。据相关资料报道，国外已建成一批采光面积超过500m2的大型太阳能枯燥器，其中美国４座、印度２座、阿根廷１座。这标志着太阳能枯燥在世界上已经进入生产应用阶段。由于全球的能源和环境问题日益突出，太阳能枯燥技术的应用近10年来有较大的开展。三、太阳能枯燥技术的应用概况与开展前景近20年来，我国太阳能枯燥应用研究和其他太阳能热利用一样，经历过一个由浅入深由简单的小试到较完善的生产试验的过程。据不完全统计，到目前为止，已建各种类型的太阳能枯燥装置100多座，总采光面积近２万平方米，广泛地应用于工农业生产的枯燥作业，取得了较好的经济效益和社会效益。影响太阳能推广应用的主要原因太阳能是间歇性能源，能源密度低、不连续、不稳定；