第三章太陽(yáng)能熱利用

1、第三章 太陽(yáng)能熱利用u太陽(yáng)能的特點(diǎn)太陽(yáng)能的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 清潔、可再生、分布廣、獲取容易 缺點(diǎn)：能流密度低、能量不穩(wěn)定、不連續(xù)u太陽(yáng)能熱利用太陽(yáng)能熱利用 將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換成熱能供人類利用?；驹硎抢眉療嵫b置將太陽(yáng)輻射收集起來(lái)，再通過(guò)與介質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能而加以直接或間接的利用。3.1 太陽(yáng)輻射的基本概念u組成氣體主要為氫（約80）和氦（約19）u太陽(yáng)的能量來(lái)源是太陽(yáng)內(nèi)部的氫氦熱核反應(yīng)u太陽(yáng)每秒鐘向外發(fā)射的能量約為 3.741026J 太陽(yáng)構(gòu)造示意圖日地關(guān)系和太陽(yáng)常數(shù)地球與太陽(yáng)的位置關(guān)系地球上四季的變化夏至與冬至的太陽(yáng)光線太陽(yáng)常數(shù)u太陽(yáng)常數(shù)就是指在平均日地距離，垂直于太陽(yáng)輻射的大氣外層平

2、面上，單位時(shí)間、單位面積上所接收的太陽(yáng)輻射能，國(guó)際上通常取 u在大氣層之外，在一年中的某一天單位時(shí)間、單位垂直面積上所接收到的太陽(yáng)輻射能可用下式計(jì)算： D：日地距離， D0：日地距離，IC：太陽(yáng)常數(shù)，n：從元旦算起的天數(shù) 21357mW220CCD360 nIII10.034cosW /mD365.25（） 地球接收和發(fā)出的太陽(yáng)輻射地球接收和發(fā)出的太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射光譜分布太陽(yáng)輻射光譜分布u太陽(yáng)輻射是一種電磁輻射，其輻射波是一種電磁波，太陽(yáng)輻射波既具有波動(dòng)性也有粒子性。u太陽(yáng)輻射可分為紫外波段、可見波段、紅外波段u太陽(yáng)輻射的能量主要集中在波長(zhǎng)區(qū)間 ，屬于一種短波輻射占總能量的 99u能量分布的最

3、大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 在 左右，屬藍(lán)色光范圍 m0 . 33 . 0m475.0地球表面的太陽(yáng)輻射u太陽(yáng)輻射進(jìn)入地球大氣層后，不僅要受到大氣中的空氣分子、水蒸氣和塵埃的反射和散射，還要受到大氣中氧、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。反射和吸收使到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度顯著減弱，而且還會(huì)改變輻射的方向和輻射光譜的分布 。u到達(dá)地球表面陸地上的太陽(yáng)輻射功率大約只有 u到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度還受到大氣層厚度的影響。大氣層越厚，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量越少。 W16107 . 1大氣質(zhì)量與大氣透明度u大氣質(zhì)量AMAM 設(shè)A為地球表面海平面上的一點(diǎn)。當(dāng)太陽(yáng)在天頂位置S時(shí)，太陽(yáng)垂直入射，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)點(diǎn)A的

4、路徑為OA。當(dāng)太陽(yáng)位于任一位置時(shí)，其穿過(guò)大氣層到達(dá)點(diǎn)的路徑為 。大氣質(zhì)量的定義為兩者之比，即 OAAOAMAOu太陽(yáng)高度角 太陽(yáng)輻射到達(dá)海平面點(diǎn)的入射線和海平面點(diǎn)切線方向的夾角h h則有： u地面上任一點(diǎn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 單位時(shí)間單位面積上所入射的太陽(yáng)輻射功率 式中， ：大氣質(zhì)量為AM1時(shí)的海平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 1sinhAM00II sinhI /AM 0Iu太陽(yáng)輻射強(qiáng)度除了與大氣質(zhì)量有關(guān)外，大氣中含有的各種氣體和固體塵埃都會(huì)影響太陽(yáng)光的透過(guò)量。若定義P為大氣透明度 ,則有下列關(guān)系： 其中，P1：大氣質(zhì)量為1時(shí)的大氣透明度，Pm：大氣質(zhì)量為m時(shí)的大氣透明度。P值越大，大氣越透明。P值永遠(yuǎn)小于1

5、，一般在之間 在0.30.85之間。 m0m01II PI P我國(guó)太陽(yáng)能資源分類概況我國(guó)太陽(yáng)能資源分類概況太陽(yáng)輻射入射角的計(jì)算u 太陽(yáng)高度角h ：當(dāng)?shù)氐木暥冉?：時(shí)角 n ：一天24小時(shí)的時(shí) 間數(shù) 太陽(yáng)光線與地面（a)和集熱面（b)的角度關(guān)系coscoscossinsinsinh1215nu赤緯角 太陽(yáng)地球連線與地球赤道所夾的圓心角 365284360sin45.23D太陽(yáng)赤緯角太陽(yáng)赤緯角u太陽(yáng)入射角太陽(yáng)入射角 太陽(yáng)光線與被照射的平面法線之間的夾角。計(jì)算某水平面上逐時(shí)的太陽(yáng)入射角可用 若集熱面朝向正南，與水平面的傾角為 ，則該斜面上太陽(yáng)輻射的入射角（太陽(yáng)射線與斜面法線的夾角）由下式計(jì)算： co

6、scoscossinsincoscoscos)cos(sin)sin(cos3.2 太陽(yáng)能集熱器平板型集熱器的基本結(jié)構(gòu)u集熱板u選擇性吸收涂層u透明蓋板u隔熱層與外殼u集熱板集熱板n作用作用 通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射收集太陽(yáng) 能，并把收集到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn) 變?yōu)闊崮?n技術(shù)要求技術(shù)要求 最大限度地吸收太陽(yáng)輻射； 傳熱性能好 ； 有好的機(jī)械和耐腐蝕性能； 加工簡(jiǎn)單，造價(jià)低；u 選擇性吸收涂層選擇性吸收涂層n目的目的：為了提高集熱板吸收太陽(yáng)輻射的能力，在集熱板上都覆蓋著一層黑色涂層n類型類型： 1）非選擇性吸收涂層涂層（對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收特性和輻 射波長(zhǎng)無(wú)關(guān)） 2）選擇性吸收涂層（涂層的吸收特性隨輻射波長(zhǎng)而改變。

7、通常為多層膜結(jié)構(gòu)，包括紅外反射底層、吸收層和上部的減反射層等 。涂層可以用噴涂，化學(xué)、電化學(xué)、真空鍍膜、磁控濺射等方法來(lái)制備 。u 透明蓋板透明蓋板n主要功能主要功能透過(guò)太陽(yáng)輻射、保護(hù)集熱板不受外界灰塵和雨雪侵蝕、形成溫室效應(yīng) 。n材料要求材料要求太陽(yáng)輻射的透射率高、紅外輻射的透射率低、導(dǎo)熱性差和耐蝕耐沖擊性能好 。n目前常用蓋板材料目前常用蓋板材料 平板玻璃、玻璃剛、陽(yáng)光板等。u透明蜂窩透明蜂窩n透明蜂窩既能透過(guò)太陽(yáng)輻射又具有優(yōu)良的隔熱性能n蜂窩在太陽(yáng)輻射入射角為時(shí)的總透過(guò)率T() ： ：蜂窩壁材料的透射率f f：蜂窩壁的橫截面積與蜂窩孔的橫截面積之比t t：蜂窩壁厚度D D：蜂窩孔的水力直

8、徑R R：光線透過(guò)蜂窩壁的次數(shù) ：蜂窩的高寬比 透明蜂窩的基本結(jié)構(gòu)透明蜂窩的基本結(jié)構(gòu)太陽(yáng)光通過(guò)透明蜂窩的透射 RfT 1DLtgDLR,一種帶透明蜂窩的改進(jìn)型太陽(yáng)能平板集熱器a)集熱器剖面圖 b)幾種類型集熱器熱效率的比較平板型集熱器的能量方程 太陽(yáng)輻射為I，環(huán)境溫度ta。假定沿集熱板方向的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)k和與環(huán)境的換熱系數(shù)為常數(shù)。集熱板厚度為，兩相鄰冷卻流體管道之間的距離為2W，流體通道直徑為D，集熱板溫度為tp。集熱板傳熱模型沿x方向單位長(zhǎng)度微元體的能量平衡為： 代入邊界條件求解方程得到板面的溫度分布 ：集熱板單側(cè)肋片傳遞給冷卻流體的熱流密度為 冷卻流體從肋片得到的熱流密

9、度為 式中： 肋片效率： 00ppLpaey,xy dy,xdtdtIdy Uttdykk0dydy 2LmU /kmwmyUIttUIttLeabLeapcoshcosh0peLb0ay wdt1qkIUtttanh mwdym 肋abLefabLettUIwmwmwttUIwqq002tanh22肋mwmwftanh肋片效率及平板集熱器的熱網(wǎng)絡(luò)圖肋片效率隨集熱管幾何參數(shù)的變化平板集熱器的熱路圖u根據(jù)能量守恒定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下，集熱器單位時(shí)間輸出的熱量 應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)集熱板吸收的太陽(yáng)輻射能 減去集熱器向環(huán)境散失的熱量 則 其中： ：集熱器的有效面積， ：太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 ：透明蓋板的透射率和集

10、熱板吸收率乘積的有效值 ：工作介質(zhì)的質(zhì)量流量 ：工作介質(zhì)比熱容 ：分別為工作介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度 eAaAIQ)()(eifLAuttCmQQQskg /mfCeitt ,)(apLLttAUQAQuQLQAIea)(3.2.3平板型集熱器的效率u集熱器效率:在穩(wěn)定工況下，集熱器工作介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)輸出的熱量和單位時(shí)間入射到集熱器的太陽(yáng)輻射能之比 ，即 = IAttCmIAQeifU)(IAttUAIAapLe)()(IttUapLe)()(集熱器啟動(dòng)過(guò)程的不穩(wěn)定傳熱u集熱器啟動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定傳熱過(guò)程對(duì)于分析集熱器的運(yùn)行特性有重要的作用。假定不考慮集熱器底部的熱損失，集熱器中流體不發(fā)生流動(dòng)，則集熱板

11、啟動(dòng)加熱過(guò)程的能量平衡為：u集熱板的溫度方程為：u集熱板的溫度隨時(shí)間的變化為： pgPepttAUAIddtmc pLppgeLpgdtUmc(mc )IU (tt ) AUd eeLpapaLLLppgIIU Attt0texpUUUmcmcU 3.3真空管集熱器u定義定義 為了減少平板集熱器對(duì)環(huán)境的熱損失，將集熱板與蓋板、側(cè)壁與底板之間抽成真空，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上將集熱板做成圓管形狀，就變成了真空管集熱器 。u按材料來(lái)分類按材料來(lái)分類 1）全玻璃真空管集熱器 2）金屬真空管集熱器u熱管式真空集熱管熱管式真空集熱管u工作原理工作原理 太陽(yáng)輻射穿過(guò)玻璃外管后投射在有涂層的金屬集熱管上。集熱管將熱量傳

12、給與其緊密結(jié)合的熱管蒸發(fā)段，供蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)汽化。工質(zhì)蒸汽流向熱管冷凝段被凝結(jié)，凝結(jié)放出的熱量加熱集熱器的工作介質(zhì)。凝結(jié)后的液體工質(zhì)在重力的作用下回流到熱管蒸發(fā)段循環(huán)工作 。太陽(yáng)能熱水器典型的全玻璃真空管熱水器外形圖一種采用透明蜂窩的整體式太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能熱水器u主要組成部件主要組成部件：集熱器、儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵和控制系統(tǒng)等u分類分類 1）根據(jù)熱水溫度分：低溫（熱水溫度60） 、 中溫（熱水溫度100）、 高溫?zé)崴鳎崴疁囟?50） 2）根據(jù)熱水流動(dòng)方向分：n 自然循環(huán)式自然循環(huán)式： 依靠集熱器和蓄水箱中水溫不同而產(chǎn)生的 壓力差來(lái)推動(dòng)熱水運(yùn)動(dòng) n 強(qiáng)制循環(huán)式強(qiáng)制循環(huán)式： 水循環(huán)是依靠泵來(lái)

13、實(shí)現(xiàn)的 n 直流式直流式： 水的運(yùn)動(dòng)直接依靠自來(lái)水的進(jìn)水壓力 a)b)c)a)自然循環(huán)式熱水器系統(tǒng)圖b)強(qiáng)制循環(huán)式熱水器系統(tǒng)c)直流式熱水器系統(tǒng)3.4 太陽(yáng)房u概念概念 太陽(yáng)房是一種直接利用太陽(yáng)能進(jìn)行采暖和空氣調(diào)節(jié)的環(huán)保型節(jié)能建筑。使建筑物在一定程度上具有冬暖夏涼的功能。u利用溫室效應(yīng)原理利用溫室效應(yīng)原理u分類分類n被動(dòng)式太陽(yáng)房：僅僅依靠建筑物方位的合理布置，通過(guò)窗、墻和屋頂?shù)冉ㄖ?gòu)件的專門設(shè)計(jì)以及選用性能優(yōu)良的建筑材料，以自然交換的方式（輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)）來(lái)獲取太陽(yáng)能的一類建筑。n主動(dòng)式太陽(yáng)房：除滿足被動(dòng)式太陽(yáng)房對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的需求外，主要是以太陽(yáng)能集熱器作為熱源的一種環(huán)保型節(jié)能建筑。它以太陽(yáng)能

14、集熱器替代常規(guī)的鍋爐，通過(guò)熱水或熱風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行供暖 。a)直接 收益式b)集熱蓄熱式c)蓄熱屋頂式d)溫室蓄熱墻式e)對(duì)流蓄熱綜合式特朗伯墻主動(dòng)式太陽(yáng)房以空氣為集熱介質(zhì)的太陽(yáng)房采暖系統(tǒng)圖以水為介質(zhì)的主動(dòng)式太陽(yáng)房供暖系統(tǒng)3.5 太陽(yáng)灶箱式太陽(yáng)灶拋物面聚光灶結(jié)構(gòu)3.6 太陽(yáng)能熱發(fā)電u太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電 利用工質(zhì)將太陽(yáng)輻射能先轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后再將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式 。u類型類型n太陽(yáng)能溫差發(fā)電：利用塞貝克效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)。n太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電：利用聚光器將太陽(yáng)能聚焦后加熱某種工質(zhì)使之成為蒸汽，蒸汽再推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電 。太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)美國(guó)加州建造的一個(gè)槽式拋物面聚焦系

15、統(tǒng)照片槽式拋物面鏡線聚焦太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖美國(guó)研制的太陽(yáng)1號(hào)塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理圖斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理n12為定溫壓縮過(guò)程n23為定容加熱過(guò)程n34為定溫膨脹過(guò)程n41為定容放熱過(guò)程 循環(huán)的每個(gè)過(guò)程都有熱量傳遞。對(duì)于理想氣體，理想回?zé)幔?）時(shí)，定容放熱過(guò)程41放出的的熱量正好為定容加熱過(guò)程23所吸收。循環(huán)中只有定溫膨脹過(guò)程34是從外熱源吸收熱量，定溫壓縮過(guò)程12向外界冷源放出熱量 。1太陽(yáng)能 驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)電裝置熱聲發(fā)電機(jī)u利用熱聲效應(yīng)，即管內(nèi)氣體（氦氣）在溫度梯度作用下發(fā)生振動(dòng)而獲得聲能輸出的現(xiàn)象，來(lái)將熱能轉(zhuǎn)換成聲能，再由聲能驅(qū)動(dòng)一個(gè)線性交

16、流發(fā)電機(jī) 。u熱聲熱機(jī)可分為駐波型、行波型、和行波駐波混合型三類。u熱聲 熱機(jī)由加熱器、熱聲板疊、諧振管、冷卻器和消聲器等組成。熱聲熱機(jī)的原理圖太陽(yáng)煙囪u原理 空氣在一個(gè)很大的玻璃天棚下被加熱，熱空氣在天棚中央的煙囪中上升。上升氣流帶動(dòng)煙囪底部的空氣透平發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。u特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需要太陽(yáng)跟蹤和聚焦系統(tǒng)；不需要高科技制造技術(shù)；集熱器天棚結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；不需要冷卻水等缺點(diǎn)：占地面積巨大 。太陽(yáng)煙囪的工作原理圖太陽(yáng)池發(fā)電u蓄熱原理蓄熱原理 太陽(yáng)池是一種鹽水池。沿池深，鹽水自下而上有一定的濃度梯度，下層較濃的鹽水較重，可阻止或削弱由于池中溫度梯度引發(fā)的池內(nèi)液體自然對(duì)流，從而使池水穩(wěn)定分層。在太陽(yáng)輻射下

17、池底的水溫升高，形成溫度高達(dá)90左右的熱水層，而上層清水層則成為一層有效的絕熱層。同時(shí)，由于鹽溶液和池周圍土壤的熱容量大，所以太陽(yáng)池具有很大的儲(chǔ)熱能力 。太陽(yáng)池發(fā)電原理圖3.7 太陽(yáng)能制冷與空調(diào)u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 具有良好的季節(jié)適應(yīng)性。在夏季空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)，正是太陽(yáng)輻射最強(qiáng)時(shí)。因此可以大大緩解夏季電力供應(yīng)的季節(jié)性難題 。u類型類型 太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)； 太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)； 太陽(yáng)除濕制冷系統(tǒng)； 太陽(yáng)能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)太陽(yáng)能吸收式制冷u在高溫?zé)嵩醇訜嵯?，濃溶液沸騰，溶液中沸點(diǎn)較低的制冷劑汽化和溶液分離，分離出的制冷劑蒸汽經(jīng)冷凝后變成液體。冷凝后的制冷劑液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效應(yīng)。蒸發(fā)后的制冷劑

18、蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收，使稀溶液回復(fù)到初始的濃溶液狀態(tài)，過(guò)程重復(fù)進(jìn)行 。u常用的吸收式制冷溶液 1)溴化鋰-水溶液，溴化鋰是吸收劑（沸點(diǎn)1265），水是制冷劑； 2) 氨-水溶液，其中氨是制冷劑（沸點(diǎn)是33.40C），水是吸收劑 u工作原理工作原理發(fā)生器中的溴化鋰溶液由集熱器的集熱介質(zhì)直接加熱，溶液中的水份不斷汽化，溶液濃度提高，濃溶液進(jìn)入吸收器。 水蒸汽在冷凝器中凝結(jié)后變成高壓低溫的液態(tài)水，然后進(jìn)入節(jié)流閥。節(jié)流后的低壓液態(tài)水進(jìn)入蒸發(fā)器吸收冷媒水的熱量而蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。低溫水蒸汽再進(jìn)入吸收器，被吸收器中的溴化鋰濃溶液吸收。溴化鋰稀溶液通過(guò)溶液泵返回發(fā)生器，完成整個(gè)制冷循環(huán) 。太陽(yáng)能溴化

19、鋰吸收式制冷系統(tǒng)原理圖太陽(yáng)能吸附式制冷u工作過(guò)程白天，吸附集熱器吸收太陽(yáng)輻射能，吸附床溫度升高，制冷劑從吸附劑中被解吸出來(lái)。吸附集熱器中制冷劑蒸汽壓力升高，推動(dòng)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器和儲(chǔ)熱器。這一階段中，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為吸附劑的化學(xué)吸附潛能被儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)夜晚時(shí)或太陽(yáng)輻射不足時(shí)，環(huán)境溫度降低，吸附集熱器被冷卻（也可以通過(guò)冷卻水冷卻），吸附床溫度降低，制冷劑壓力也相應(yīng)降低，引起蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。蒸發(fā)的制冷劑蒸汽進(jìn)入吸附床，重新被吸附劑吸附。當(dāng)吸附床再次被加熱時(shí)，過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。 太陽(yáng)能吸附式制冷機(jī)工作原理圖太陽(yáng)能除濕制冷u原理 利用除濕劑吸收空氣中的水蒸汽以降低空氣的濕度，然后利用對(duì)空氣加濕來(lái)產(chǎn)生制冷效果 。u分類 1）固體除濕制冷系統(tǒng) 2）溶液除濕系統(tǒng) u組成組成太陽(yáng)能集熱器、轉(zhuǎn)輪除濕器、轉(zhuǎn)輪換熱器、蒸發(fā)冷卻器和再生器等。u常用的固體除濕劑常用的固體除濕劑硅膠、分子篩、氯化鋰晶體、活性炭和氧化鋁凝膠等。u工作過(guò)程工作過(guò)程太陽(yáng)