太陽能熱電技術和裝備

太陽能熱電技術和裝備鄭州大學化工與能源學院過程裝備與控制工程2013級1班杜彥忠摘要：本文主要介紹太陽能熱電技術的發(fā)展現狀、原理，以及它在建筑、加熱、采暖、發(fā)電中的應用和對其未來發(fā)展的展望。近幾年，隨著科技的發(fā)展，能源消耗越來越嚴重，傳統的方式獲得的能源越來越不能滿足現代的需要，同時，傳統進行發(fā)電的方法一般為火力發(fā)電，而火力發(fā)電會產生比較嚴重的污染，不僅僅是對江河湖海的水污染，還會加重溫室效應！其他諸如風力發(fā)電，水利發(fā)電盡管已經投入使用，也確實減緩了電力的壓力，但是這些方法對自然條件的限制比較大，所以大幅度地投入使用的可能性不大，因此，我們急需找到一種既清潔又能大范圍使用的能源來轉化為電能。近幾年，通過科學家的努力，太陽能作為一種全新的高效的清潔能源逐漸開始進入人們的日常生活，譬如我們用的最多的太陽能熱水器，就是以太陽能來轉化為熱能的裝置。而今，人們正在思考，能否將太陽能轉化為電能，解決越來越嚴重的能源短缺問題。一、太陽能熱電技術原理的介紹：太陽能(SolarEnergy)，一般是指太陽光的輻射能量，在現代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用(光熱轉換)和光電轉換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風能、化學能、水的勢能等等。太陽能是由內部氫原子發(fā)生聚變釋放出巨大核能而產生的能，來自太陽的輻射能量。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳，并把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代演變形成的。此外，水能、風能等也都是由太陽能轉換來的。地球本身蘊藏的能量通常指與地球內部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的能源。與原子核反應有關的能源正是核能。原子核的結構發(fā)生變化時能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡稱核能，俗稱原子能。它則來自于地殼中儲存的鈾、钚等發(fā)生裂變反應時的核裂變能資源，以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發(fā)生聚變反應時的核聚變能資源。這些物質在發(fā)生原子核反應時釋放出能量。目前核能最大的用途是發(fā)電。此外，還可以用作其它類型的動力源、熱源等?，F代的太陽熱能科技將陽光聚合，并運用其能量產生熱水、蒸氣和電力。除了運用適當的科技來收集太陽能外，建筑物亦可利用太陽的光和熱能，方法是在設計時加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建筑材料。二、下面我著重介紹一下有關太陽能熱電技術的利用：建筑中太陽能熱電技術的應用當今,隨著人口的增長以及人民生活水平的提高，建筑的能耗也正在大幅攀升，尤其在北方的低溫地區(qū)。據估算，僅在北京建筑采暖能耗就占全部總能耗的10%以上,有些低溫地區(qū)最高采暖能耗可以占到總能耗的一半以上。目前,在世界范圍內，煤、石油、天然氣等一次性能源的儲量正在迅速下降，按已探明儲量和消耗速度計算,全球主要能源——石油將在四五十年內枯竭，能源危機已成為困擾全球的大問題。與此同時，社會的可持續(xù)發(fā)展要求能源開發(fā)同環(huán)境保護、生態(tài)平衡統籌安排。因此，節(jié)約能源和積極開發(fā)清潔可再生的新能源是許多國家正在積極研究的課題。其中，經過多年的研究與實踐，太陽能在建筑中的應用已取得可喜的進步。太陽能技術在建筑中應用的主要方式是被動式太陽房，被動式太陽房是目前國內外太陽能建筑中應用最多的類型之一。其優(yōu)點是構造簡單、造價低廉、施工方便。在北部低溫地區(qū)，煤炭資源短缺,但太陽能資源豐富,氣候條件優(yōu)越，特別是采暖季節(jié)，陰雨天少,天氣干燥。使被動式太陽房得以廣泛的應用。被動式太陽房的核心部件是房屋南側的集熱墻，也叫“特隆布”（Trombe）墻,由透光玻璃、集熱板、集熱墻體（磚墻）組成。在集熱墻體上、下部適當位置設置風口。其工作原理是:陽光透過玻璃照射到集熱板上,集熱板被加熱，并有一部分熱量蓄積在集熱墻體內。當上下風口打開時，房間的冷空氣由下風口進入集熱板和墻體間的空腔，在空腔中受熱上升，再由上風口回到房間。這種周而復始的熱循環(huán)過程使室內溫度得以提高。天熱時，可以通過控制風口閘門啟閉，來調節(jié)室內溫度，使室內溫度不致過高。而房屋的兩側面、背面及屋頂和底層地板則按照保溫節(jié)能要求進行設計。它是一種以太陽能集熱器與風機、泵、散熱器等組成的太陽能采暖系統或者與吸收式制冷機組成的太陽能空調及供熱系統的建筑。太陽集熱器是主動太陽能系統的關鍵部件。根據不同的需要，可用太陽集熱器組成不同的系統，既可為民用或公用建筑提供熱水，也可為這些建筑提供采暖或空調。因此,太陽集熱器的應用對于建筑節(jié)能具有極其重要的意義。太陽集熱器可分為平板型集熱器和真空管集熱器兩大類。目前，平板型集熱器和真空管集熱器都已廣泛應用于太陽能熱水系統;真空管集熱器已開始用于建筑的太陽能采暖和太陽能空調系統。太陽能熱水系統太陽能熱水系統一般包括太陽集熱器組、儲水箱、循環(huán)泵、光敏探頭、電控柜和管道。太陽能熱水系統按照其運行方式，可分為自然循環(huán)式、強迫循環(huán)式和直流定溫放水式等幾種。目前在我國家用太陽熱水器和小型太陽能熱水系統多用自然循環(huán)式,而大中型太陽能熱水系統多用強迫循環(huán)式或直流定溫放水式；另外,無論家用太陽熱水器或公用太陽能熱水系統,絕大多數都采用單循環(huán)，即集熱器內被加熱的水直接進入儲水箱提供使用。然而應當指出,單循環(huán)雖然可以降低熱水器的成本，但對于硬水質的地區(qū)來說，由于水在集熱器流道內結垢,不僅降低熱水器的熱性能，嚴重時還會堵塞流道;在冬季寒冷的北方低溫地區(qū)，還難以避免集熱器內的水結冰，導致吸熱體凍裂。太陽能采暖系統在低溫建筑中冬季需要采暖，太陽能采暖系統是太陽能熱水系統的進一步發(fā)展。實際上，太陽能采暖系統通?？梢愿柲軣崴到y聯合使用。在此情況下，一方面要適當增加太陽集熱器的的采光面積:另一方面由于采暖是在寒冷季節(jié)才需要，因而要使用防凍或抗凍的真空管集熱器。目前在十分重視環(huán)境保護的歐美國家已經建成大批集太陽能熱水和太陽能采暖于一體的太陽能綜合系統。另一種太陽能采暖系統是把太陽集熱器與水一一水熱泵結合起來，即由太陽集熱器為熱泵提供低溫熱源，再由熱泵為建筑物提供采暖所需要的熱水。若對太陽集熱器的采暖系統及太陽集熱器與水一一水熱泵相結合的采暖系統進行比較，后者比前者能達到較大的采暖建筑面積與集熱器采光面積比，且可采用較低的集熱器運行溫度;但后者比前者要消耗更多的電能用于驅動熱泵。因此，后者適用于電力比較充裕的地區(qū)。4、太陽能熱氣流發(fā)電太陽能熱氣流發(fā)電系統是利用太陽輻射產生的熱空氣向上流動轉化為動能的原理，并通過適當的機械轉化成電能的一種自然驅動的發(fā)電裝置。太陽能熱氣流發(fā)電系統主要由太陽能集熱棚、導流煙囪和渦輪發(fā)電機組三部分構成。太陽能集熱棚建在一塊太陽輻照強、絕熱性能比較好的土地上；集熱棚和地面有一定間隙，可以讓周圍空氣進入系統；集熱棚中間離地面一定距離處裝著煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機。太陽光照射集熱棚，集熱棚下面的土地吸收透過覆蓋層的太陽輻射能，并加熱土地和集熱棚太陽能熱氣流覆蓋層之間的空氣，使集熱棚內空氣溫度升高，密度下降，并沿著煙囪上升，集熱棚周圍的冷空氣進入系統，從而形成空氣循環(huán)流動。由于集熱棚內的空間足夠大，當集熱棚內的空氣流到達煙囪底部的時候，在煙囪內將形成強大的氣流，利用這股強大的氣流推動裝在煙囪底部的渦輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。太陽能熱氣流發(fā)電系統除了進行發(fā)電以外,還可以利用渦輪機旋轉的動能直接抽取地下水，用于干旱地區(qū)農業(yè)灌溉。還可以在太陽能煙囪上安裝風力發(fā)電機,利用風能和太陽能進行互補，提高發(fā)電功率和削減大風對太陽能煙囪裝備的破壞。同時，還可利用太陽能煙囪改善局部空氣擴散，消除局部的大氣污染。但因煙囪入口熱源溫度與環(huán)境溫度只相差只幾十度，決定了其發(fā)電效率不可能很高，一般很難超過1%。而這一系統占地面積又大，30兆瓦的電廠就需用地400萬平方米，因此，比較適合地廣人稀的沙漠地區(qū)。三.總結太陽能作為一種全新的能源方式，他擁有很多其他能源不能比擬的優(yōu)點，盡管這種技術目前還不是很完善，還存在很多問題，但我相信，再經過幾年的發(fā)展，當這種技術完全發(fā)展起來后，他一定會成為新能源領域的新軍！參考文獻：蘇亞欣新能源與可再生能源概論 北京：化學工業(yè)出版社2006.230-31王革華新能源概論北京：化學工業(yè)出版社2006.724-25薛德千太陽能制冷技術 北京：化學工業(yè)出版社2006.731-44袁建麗等太陽能熱發(fā)電系統與分類太陽能-2007.430-33陳德明太陽能熱利用技術概況物理-2007年11期840-847于靜等太陽能發(fā)電技術綜述 世界科技研究與發(fā)展-2008年1期56-59對“過程裝備與控制工程”專業(yè)的認識：過程裝備及控制工程專業(yè)是一個多學科交叉與復合型專業(yè)，目前歸屬機械類。把機械學科、化學工程學科與信息科學學科緊密結合、有機交叉，是21世紀現代過程裝備工程技術的發(fā)展方向。作為過程裝備與控制工程的本科大學生，我們要學習的課程有很多，包括：化學、物理、物理化學、化工計算、化工原理、工程熱力學、流體力學、粉體力學、工程力學、機械設計、計算機應用技術、計算機控制技術、化工裝置設計、控制與管理技術等，金工實習、認識實習、生產實習、機械設計程設計、化工工藝及設備課程設計、畢業(yè)設計（論文）等，流體力學實驗、熱力學實驗、粉體力學實驗、設備強度實驗、微機測量與控制實驗、化工裝置實驗等。作為過程裝備與控制工程的本科大學生，我們要學習的課程有很多，從網上以及培養(yǎng)計劃上初步包括：化學、物理、物理化學、化工計算、化工原理、工程熱力學、流體力學、粉體力學、工程力學、機械設計、計算機應用技術、計算機控制技術、化工裝置設計、控制與管理技術等，金工實習、認識實習、生產實習、機械設計程設計、化工工藝及設備課程設計、畢業(yè)設計（論文）等，流體力學實驗、熱力學實驗、粉體力學實驗、設備強度實驗、微機測量與控制實驗、化工裝置實驗等。而在四年后我們要畢業(yè)，我認為我們必須掌握的知識和能力主要有：掌握化學工程、動力工程及工程熱物理、機械工程、控制工程等學科的基本理論、基本知識；掌握化工單元設備和成套裝備的設計方法與控制技術；3.具有對新裝備、新技術進行開發(fā)研究與創(chuàng)新設計以及對化工裝置項目進行成本評估與投資決策的初步能力；熟悉國家關于化工裝置設計、開發(fā)、研究、環(huán)境保護和安全防災等方面的方針、政策和法規(guī)。了解化工裝備與控制工程的理論前沿，了解新裝置、新技術、新工藝的發(fā)展動態(tài)：掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法，具有一定的科學研究和實際工作能力；具有創(chuàng)新意識和獨立獲取