太陽(yáng)能利用原理復(fù)習(xí)課)

1、 1 1、在太陽(yáng)能利用中，、在太陽(yáng)能利用中，可將太陽(yáng)看成是溫度為可將太陽(yáng)看成是溫度為6000K6000K，波，波長(zhǎng)為長(zhǎng)為0.3 0.3 3m3m的黑體輻射的黑體輻射2、黃道：地球沿橢圓形軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，運(yùn)行周期大約一年，該橢圓形軌道稱為黃道。3、赤黃角：地球赤道平面與黃道平面的夾角稱為赤黃角。它是地軸與黃道平面法線間的夾角，在一年中的任何時(shí)刻都保持23.454、赤緯：正午時(shí)的太陽(yáng)光線與地球赤道平面的夾角，稱為太陽(yáng)赤緯角，簡(jiǎn)稱赤緯，用表示；赤緯：取從赤道向北為正向南為負(fù)，赤緯變化范圍在23.4523.45之間；赤緯導(dǎo)致地球表面上太陽(yáng)輻射入射角的變化，使白天的長(zhǎng)短隨季節(jié)有所不同。赤緯是地球繞太陽(yáng)運(yùn)

2、動(dòng)規(guī)律造成的，它使地球上不同的地理位置所接受到的太陽(yáng)入射光線方向不同，從而使地球上一年有四季變化。一年中四個(gè)特殊日期：夏至(6月22日）、冬至(12月22日）、春分(3月21日）和秋分(9月23日）赤緯角計(jì)算公式)n284(365360sin45.23 5、太陽(yáng)時(shí)：、太陽(yáng)時(shí)：太陽(yáng)視圓面中心連續(xù)兩次上中太陽(yáng)視圓面中心連續(xù)兩次上中天天（中午）（中午）的時(shí)間間隔叫做真太陽(yáng)日的時(shí)間間隔叫做真太陽(yáng)日，真太真太陽(yáng)日又分為陽(yáng)日又分為24真太陽(yáng)時(shí)等等。這個(gè)時(shí)間系統(tǒng)真太陽(yáng)時(shí)等等。這個(gè)時(shí)間系統(tǒng)稱為真太陽(yáng)時(shí)稱為真太陽(yáng)時(shí)，簡(jiǎn)稱太陽(yáng)時(shí)，簡(jiǎn)稱太陽(yáng)時(shí)時(shí)差（時(shí)差（E）：）：太陽(yáng)時(shí)和平均太陽(yáng)時(shí)之差。太陽(yáng)時(shí)和平均太陽(yáng)時(shí)之差。標(biāo)準(zhǔn)

3、時(shí)：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)：人們?nèi)粘Ｋ卯?dāng)?shù)貢r(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。人們?nèi)粘Ｋ卯?dāng)?shù)貢r(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。太陽(yáng)時(shí)角（太陽(yáng)時(shí)角（）：）：太陽(yáng)時(shí)以角度來(lái)表示，太太陽(yáng)時(shí)以角度來(lái)表示，太陽(yáng)午時(shí)陽(yáng)午時(shí)=0,上午取負(fù)值，下午取正值，沒(méi)上午取負(fù)值，下午取正值，沒(méi)晝夜為晝夜為180。太陽(yáng)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)關(guān)系：太陽(yáng)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)關(guān)系： (處于東半球取負(fù)號(hào)）處于東半球取負(fù)號(hào)）E-時(shí)差。時(shí)差。364)81(360sin5 . 1cos53. 72sin87. 9nBBBBE式中：式中：)L-4(L E locst 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)太陽(yáng)時(shí)太陽(yáng)時(shí)(處于東半球取負(fù)值）處于東半球取負(fù)值） Lst-制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，國(guó)際上規(guī)定，每隔制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，國(guó)

4、際上規(guī)定，每隔15劃分一個(gè)時(shí)區(qū)，全球可分為劃分一個(gè)時(shí)區(qū)，全球可分為24個(gè)時(shí)區(qū)。以本初子午個(gè)時(shí)區(qū)。以本初子午線為基準(zhǔn)，從西經(jīng)線為基準(zhǔn)，從西經(jīng)7.5至東經(jīng)至東經(jīng)7.5，劃分為中時(shí)區(qū)，或，劃分為中時(shí)區(qū)，或叫零時(shí)區(qū)叫零時(shí)區(qū)每個(gè)時(shí)區(qū)的中央經(jīng)線，叫做該時(shí)區(qū)的每個(gè)時(shí)區(qū)的中央經(jīng)線，叫做該時(shí)區(qū)的“標(biāo)準(zhǔn)子標(biāo)準(zhǔn)子午線午線”)L-4(L E locst 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)太陽(yáng)時(shí)太陽(yáng)時(shí) (處于東半球取負(fù)值）處于東半球取負(fù)值）Lloc-當(dāng)?shù)亟?jīng)度當(dāng)?shù)亟?jīng)度)L-4(L E locst 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)太陽(yáng)時(shí)太陽(yáng)時(shí)6、太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)常數(shù)(Gsc:在平均日地距離處，單位時(shí)間內(nèi)投射到在平均日地距離處，單位時(shí)間內(nèi)投射到地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)

5、輻射的單位面積上的太陽(yáng)輻地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)輻射的單位面積上的太陽(yáng)輻射能。射能。根據(jù)根據(jù)1981年年10月在墨西哥召開(kāi)的世界氣象組織儀月在墨西哥召開(kāi)的世界氣象組織儀器和觀測(cè)方法委員會(huì)第八次會(huì)議通過(guò)的最新數(shù)字是：器和觀測(cè)方法委員會(huì)第八次會(huì)議通過(guò)的最新數(shù)字是：13677W/m27、太陽(yáng)能集熱器所截取的太陽(yáng)直射輻射能量，主要取、太陽(yáng)能集熱器所截取的太陽(yáng)直射輻射能量，主要取決于太陽(yáng)入射角決于太陽(yáng)入射角)62(sinsinsincoscoscossinsincoscoscoscoscoscossincossincossinsincos可以看出可以看出 與太陽(yáng)赤緯角與太陽(yáng)赤緯角、地理緯度、地理緯度、集

6、熱器傾角、集熱器傾角、方位角方位角及太陽(yáng)時(shí)角及太陽(yáng)時(shí)角有關(guān)有關(guān)8、太陽(yáng)入射角（、太陽(yáng)入射角（ ）：太陽(yáng)光線與太陽(yáng)集熱器表面法）：太陽(yáng)光線與太陽(yáng)集熱器表面法線之間的夾角；線之間的夾角；9、太陽(yáng)方位角（、太陽(yáng)方位角（）：太陽(yáng)光線在水平面上投影與正）：太陽(yáng)光線在水平面上投影與正南方向夾角，向西為正南方向夾角，向西為正10、太陽(yáng)高度角（、太陽(yáng)高度角（）：太陽(yáng)光線與水平面間夾角）：太陽(yáng)光線與水平面間夾角一些特殊情況下太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：一些特殊情況下太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：（1）集熱器方位角）集熱器方位角=0，公式變?yōu)椋?，公式變?yōu)椋?72(coscos)cos()sin(sincos一些特殊情況下太陽(yáng)能

7、入射角簡(jiǎn)化公式：一些特殊情況下太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：（2）集熱器方位角）集熱器方位角=0，且傾角與緯度相同，公式變?yōu)椋?，且傾角與緯度相同，公式變?yōu)椋?82(coscoscos11、太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：、太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：一些特殊情況下太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：一些特殊情況下太陽(yáng)能入射角簡(jiǎn)化公式：（3）集熱器傾角）集熱器傾角=0，公式變?yōu)椋?，公式變?yōu)椋?92(coscoscossinsincos（4）每天日出日落，）每天日出日落， =0，2-9公式變?yōu)椋汗阶優(yōu)椋豪迷摴娇汕蟪鋈魏蔚貐^(qū)、任何一天日出日落時(shí)角利用該公式可求出任何地區(qū)、任何一天日出日落時(shí)角)102(tantancos再利用公式再

8、利用公式2-11可算出白晝長(zhǎng)：可算出白晝長(zhǎng)：利用該公式可求出任何地區(qū)、任何一天日出日落時(shí)角利用該公式可求出任何地區(qū)、任何一天日出日落時(shí)角)112()tantanarccos(152152N12、任何地區(qū)、任何白天內(nèi)的任何時(shí)刻，大氣層外水、任何地區(qū)、任何白天內(nèi)的任何時(shí)刻，大氣層外水平面上的太陽(yáng)輻照度（平面上的太陽(yáng)輻照度（W/m2)可由下式計(jì)算：可由下式計(jì)算：)242)(coscossin)365360cos(033. 010cossinnGGsc（或或13、一天內(nèi)大氣層外太陽(yáng)輻照量（、一天內(nèi)大氣層外太陽(yáng)輻照量（J/m2)H0可由下式計(jì)可由下式計(jì)算：算：)252(sinsin3602sincosc

9、os)365360cos(033. 013600240ssscnGH每小時(shí)內(nèi)太陽(yáng)輻照量（每小時(shí)內(nèi)太陽(yáng)輻照量（J/m2)I0可由下式計(jì)算：可由下式計(jì)算：)262(sinsin360)(2)sin(sincoscos)365360cos(033. 0136001212120nGIsc 14、為計(jì)算簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通常用兩個(gè)參數(shù)描述大氣層對(duì)、為計(jì)算簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通常用兩個(gè)參數(shù)描述大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響：大氣質(zhì)量（太陽(yáng)輻射的影響：大氣質(zhì)量（m）和大氣透明度（）和大氣透明度（ ）15、大氣透明度（、大氣透明度（ ）直射輻射大氣透明度：直射輻射大氣透明度：)282(cos/10zkbeaa2.6 大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的

10、影響)282(cos/10zkbeaa氣的物理常數(shù)氣的物理常數(shù)能見(jiàn)度的標(biāo)準(zhǔn)晴空大能見(jiàn)度的標(biāo)準(zhǔn)晴空大是具有是具有和和、式中：式中：23kmkaa10kaakkraaraarkaakm*k*，最后求出最后求出，再考慮氣候類型修正數(shù)再考慮氣候類型修正數(shù)，和和、時(shí)，可先計(jì)算時(shí)，可先計(jì)算當(dāng)海拔高度小于當(dāng)海拔高度小于10111000105 . 2)292(600821. 04237. 0a20）（A-*計(jì)算公式分別為：計(jì)算公式分別為：和和、*kaa10)302(5 . 600595. 05055. 0a21）（A-*)312(5 . 201858. 02711. 0k2*）（A-散射輻射大氣透明度：散射輻

11、射大氣透明度：)322(2939. 02710. 0bd-16、標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上太陽(yáng)輻照量的計(jì)算：、標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上太陽(yáng)輻照量的計(jì)算：)342(,bnobncGG水平面上的太陽(yáng)輻照度：水平面上的太陽(yáng)輻照度：)352(cos,zbnobcGG水平面上的直射太陽(yáng)輻照度：水平面上的直射太陽(yáng)輻照度：)362(3600,bcbcGI一小時(shí)內(nèi)，水平面上的直射太陽(yáng)輻照量：一小時(shí)內(nèi)，水平面上的直射太陽(yáng)輻照量：相應(yīng)散射輻射計(jì)算式：相應(yīng)散射輻射計(jì)算式：)382(3600,dcdcGI)372(cos,zdnodcGG)392(,bcdccIII一小時(shí)內(nèi)，水平面上的太陽(yáng)總輻照量：一小時(shí)內(nèi)，水平面上的太陽(yáng)總輻照量：2

12、.7 太陽(yáng)輻射量的計(jì)算例例2-2 求麥迪遜（求麥迪遜（=43，海拔高度為，海拔高度為270m）8月月22日上午日上午11:30（=-7.5 ）標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣透明度）標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣透明度（ b和和d），以及上午），以及上午11:00到到12:00之間，水平面上晴空條件之間，水平面上晴空條件下的小時(shí)總輻射量下的小時(shí)總輻射量Ic2.7 太陽(yáng)輻射量的計(jì)算解：解：)282(cos/10zkbeaa)92(coscoscossinsincosz) 12()n284(365360sin45.232.7 太陽(yáng)輻射量的計(jì)算解：解：)282(cos/10zkbeaa*kr,rrk1100kaaaa10，)292(60

13、0821. 04237. 020）（A-a*)302(5 . 600595. 05055. 021）（A-a*)312(5 . 201858. 02711. 02*）（A-k低緯度：低緯度：0 -30 中緯度：中緯度：30 -60 高緯度：高緯度：60 -90 )282(cos/10zkbeaa42rk10-r ,r見(jiàn)表見(jiàn)表和和，)GG(3600d , cd , cb , cd , ccIII)352(cosGzbn ,ob , cG)372(cosGzdn ,od , cG)52()365n360cos(033. 01GGscn ,o)322(2939. 02710. 0bd-17、直射輻射

14、水平面與傾斜面輻射量轉(zhuǎn)換公式：、直射輻射水平面與傾斜面輻射量轉(zhuǎn)換公式：zbt ,coscosGbbGR可用修正因子可用修正因子Rb表示：表示：若集熱器方位角為若集熱器方位角為 =0：)532(sinsincoscoscossin)sin(coscos)cos(bR可用總修正因子可用總修正因子R表示：表示：)2cos1()2cos1(IIRIIIdbbTIR 稱為地面反射率，普通地面取稱為地面反射率，普通地面取0.2，積雪時(shí)取，積雪時(shí)取0.718、按流動(dòng)工質(zhì)分為液體集熱器和空氣集熱器、按流動(dòng)工質(zhì)分為液體集熱器和空氣集熱器19、按照集熱器的工作溫度范圍，太陽(yáng)集熱器可分、按照集熱器的工作溫度范圍，太

15、陽(yáng)集熱器可分為三大類型為三大類型:低溫集熱器低溫集熱器: 工作溫度工作溫度100以下。以下。中溫集熱器中溫集熱器: 工作溫度工作溫度100200。高溫集熱器高溫集熱器: 工作溫度工作溫度200以上。以上。20、按照集熱器內(nèi)是否有真空空間，太陽(yáng)集熱器可、按照集熱器內(nèi)是否有真空空間，太陽(yáng)集熱器可分為兩大類型分為兩大類型:平板型集熱器平板型集熱器真空管型集熱器真空管型集熱器21 平板集熱器基本結(jié)構(gòu)：(1)吸熱體吸熱板是吸熱板是吸收太陽(yáng)輻吸收太陽(yáng)輻射能量并向射能量并向水傳遞熱量水傳遞熱量的關(guān)鍵部件的關(guān)鍵部件(2)透明蓋板（鋼化玻璃）透明蓋板的作透明蓋板的作用是讓太陽(yáng)輻射用是讓太陽(yáng)輻射透過(guò)（透過(guò)（0.3

16、3m)而不讓吸而不讓吸熱板產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅熱板產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外線透過(guò)外線透過(guò)(長(zhǎng)波長(zhǎng)波輻射輻射3.0m以上）以上）使集熱器內(nèi)獲得使集熱器內(nèi)獲得較高的溫升，這較高的溫升，這種作用也稱之為種作用也稱之為溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)。(3)隔熱層隔熱層的作用是減少集熱器向環(huán)境散熱，以提高集熱隔熱層的作用是減少集熱器向環(huán)境散熱，以提高集熱器的工作效率。器的工作效率。(4)外殼（箱體）外殼的作用是將吸熱體、透明蓋板、保溫層的材料組外殼的作用是將吸熱體、透明蓋板、保溫層的材料組成一個(gè)整體，便于安裝。成一個(gè)整體，便于安裝。1）內(nèi)玻璃管用來(lái)作為水的流動(dòng)管道；22、真空管集熱器構(gòu)造 2 2）選擇性吸收涂層：高的太陽(yáng)吸收比低的發(fā)）選

17、擇性吸收涂層：高的太陽(yáng)吸收比低的發(fā)射率。射率。太陽(yáng)太陽(yáng)6000K6000K，0.30.33um3um（波長(zhǎng)）（波長(zhǎng)）吸收；吸收；吸熱體吸熱體400K400K，3 330um30um（波長(zhǎng)）（波長(zhǎng)）發(fā)射。發(fā)射。（3 3）將涂有選擇性涂層的內(nèi)玻璃管封入罩玻璃）將涂有選擇性涂層的內(nèi)玻璃管封入罩玻璃內(nèi)，然后將內(nèi)外玻璃管之間抽成真空，形成真空內(nèi)，然后將內(nèi)外玻璃管之間抽成真空，形成真空度為度為0.05Pa0.05Pa的真空夾層，以減少由于空氣對(duì)流和的真空夾層，以減少由于空氣對(duì)流和傳導(dǎo)而引起的熱損失，這與熱水瓶的原理相似；傳導(dǎo)而引起的熱損失，這與熱水瓶的原理相似；（4 4）采用單端開(kāi)口設(shè)計(jì)，通過(guò)一端內(nèi)、外管

18、環(huán)形熔封起）采用單端開(kāi)口設(shè)計(jì)，通過(guò)一端內(nèi)、外管環(huán)形熔封起來(lái)，其內(nèi)管另一端是密閉半球形圓頭，彈簧卡子就是用來(lái)來(lái)，其內(nèi)管另一端是密閉半球形圓頭，彈簧卡子就是用來(lái)將該圓頭支承在罩玻璃管的內(nèi)部端，使得內(nèi)玻璃管吸收太將該圓頭支承在罩玻璃管的內(nèi)部端，使得內(nèi)玻璃管吸收太陽(yáng)輻射而溫度升高時(shí)，玻璃圓頭形成熱膨脹的自由端，從陽(yáng)輻射而溫度升高時(shí)，玻璃圓頭形成熱膨脹的自由端，從而緩沖了熱水器工作時(shí)引起真空集熱管開(kāi)口端部的熱應(yīng)力；而緩沖了熱水器工作時(shí)引起真空集熱管開(kāi)口端部的熱應(yīng)力；（5 5）真空管在受熱后，原來(lái)被吸附在管壁上的）真空管在受熱后，原來(lái)被吸附在管壁上的微量氣體（主要是水蒸氣）會(huì)釋放出來(lái)，影響真微量氣體（主要

19、是水蒸氣）會(huì)釋放出來(lái)，影響真空度，吸氣劑和吸氣膜就是用來(lái)吸收這些被釋放空度，吸氣劑和吸氣膜就是用來(lái)吸收這些被釋放出來(lái)的氣體，以保持集熱管內(nèi)的高真空。出來(lái)的氣體，以保持集熱管內(nèi)的高真空。 目前研究較多的光譜選擇性材料主要有兩大類：目前研究較多的光譜選擇性材料主要有兩大類：一類一類是用作集熱器的透明隔熱層的是用作集熱器的透明隔熱層的選擇性透射材料選擇性透射材料另一類另一類是用作集熱器的吸熱面的是用作集熱器的吸熱面的選擇性吸收材料選擇性吸收材料；23、 太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層 24 24、集熱器總集熱器總傳熱系數(shù)物理意義，傳熱系數(shù)物理意義，平板集熱器總平板集熱器總熱損系數(shù)熱損系數(shù)UL計(jì)算計(jì)算 玻璃

20、層數(shù)玻璃層數(shù)1集熱器寬度集熱器寬度/m10平板發(fā)射率平板發(fā)射率0.95集熱器高度集熱器高度/m3環(huán)境溫度環(huán)境溫度/10集熱器厚度集熱器厚度/m75平均板溫平均板溫/100底部絕熱層厚底部絕熱層厚度度/mm50集熱器傾角集熱器傾角/()45邊緣絕熱層厚邊緣絕熱層厚度度/mm25風(fēng)對(duì)流換熱系數(shù)風(fēng)對(duì)流換熱系數(shù)/W/（m2）10絕熱材料導(dǎo)熱絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)/W/（m）0.045 25 25、平板集熱器的瞬時(shí)效率：、平板集熱器的瞬時(shí)效率：)764()GTT(UF)(FGATaiLReRTcuQi效率：效率：)774(GA)TT(Tciopicm 或：或：2626、根據(jù)運(yùn)行方式不同，可分為、根據(jù)運(yùn)行方

21、式不同，可分為自然循環(huán)方自然循環(huán)方式式、強(qiáng)制循環(huán)方式強(qiáng)制循環(huán)方式和和直流方式直流方式 它是利用它是利用溫差控制器溫差控制器來(lái)控制水泵的開(kāi)關(guān)，當(dāng)集熱器頂部的溫來(lái)控制水泵的開(kāi)關(guān)，當(dāng)集熱器頂部的溫度和水箱下部水溫之差達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，水泵開(kāi)始運(yùn)行，否則水度和水箱下部水溫之差達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，水泵開(kāi)始運(yùn)行，否則水泵關(guān)閉。泵關(guān)閉。逆止閥逆止閥的作用是防止水倒流。的作用是防止水倒流。排氣管排氣管的作用和自然循環(huán)的作用和自然循環(huán)系統(tǒng)的排氣管作用一樣。系統(tǒng)的排氣管作用一樣。2727、強(qiáng)制循環(huán)式太陽(yáng)熱水系統(tǒng)、強(qiáng)制循環(huán)式太陽(yáng)熱水系統(tǒng) 強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)要求：要求：水箱水箱安裝位置無(wú)須高于集安裝位置無(wú)須高于集熱器，可根據(jù)需要安放在熱器，可根據(jù)需要安放在任何地方；該系統(tǒng)的運(yùn)行任何地方；該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性主要取決于可靠性主要取決于控制器控制器和和水泵水泵的可靠性，因此應(yīng)的可靠性，因此應(yīng)選擇高質(zhì)量的產(chǎn)品；這種選擇高質(zhì)量的產(chǎn)品；這種循環(huán)系統(tǒng)需要消耗少量的循環(huán)系統(tǒng)需要消耗少量的電能。電能。溫差控制直接強(qiáng)迫循環(huán)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)溫差控制直接強(qiáng)迫循環(huán)太陽(yáng)熱水系統(tǒng) 首先設(shè)定集熱器上部或下部與水箱的溫度差值。當(dāng)達(dá)到首先設(shè)定集熱器上部或下部與水箱的溫度差值。當(dāng)達(dá)到該溫度差值時(shí)，水泵啟動(dòng)，開(kāi)始循環(huán)，否則水泵關(guān)閉。通過(guò)該溫度差值時(shí)，水泵啟