太陽能利用技術(shù)與應(yīng)用

第六章太陽能熱利用技術(shù)與應(yīng)用第一節(jié)太陽能利用的歷史與現(xiàn)狀第二節(jié)太陽能熱水器第三節(jié)太陽能溫室第四節(jié)其它太陽能熱利用技術(shù)第一節(jié)太陽能利用的歷史與現(xiàn)狀一、歷史二、開展階段三、利用太陽能主要形式1、太陽能利用的歷史人類利用太陽能已有3000多年的歷史。傳說阿基米德曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽光，燒毀了來犯的敵艦。將太陽能作為一種能源和動力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源〞，“未來能源結(jié)構(gòu)的根底〞，那么是近來的事。阿基米德與太陽能國外認(rèn)為阿基米德是利用太陽能最早的人之一。約在公元前215～210年間，古羅馬帝國的艦隊侵占了西西里島，派了一支艦隊攻打希庫扎港。阿基米德讓每個士兵用擦亮的銅盾，排列在城堡上，把太陽光聚集反射到入侵的羅馬艦船上，使艦船起火，敵人倉惶逃跑。木船起火在1973年，希臘的一位科學(xué)家薩克斯博士，雇了50多名水手，各持一塊長方形銅鏡，聚焦一只木船，結(jié)果木船起火。可證明阿基米德用銅盾燒敵艦是可能的。美國麻省理工學(xué)院的一群師生制作了一個船頭模型,準(zhǔn)備了127面鏡子,他們準(zhǔn)備模擬一次"死光"實驗.

陽燧取火3000多年前的西周時代〔公元前11世紀(jì)〕，就已有了“陽燧取火〞技術(shù)的記載，所謂“陽隧〞，就是形似凹面鏡的金屬圓盤，對著太陽聚光，在聚光點點燃艾絨等易燃物，取得火種。是一種最古老的太陽能聚光器。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上創(chuàng)造第一臺太陽能驅(qū)動的發(fā)動機算起。是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹作功而抽水的機器。在1615年～1900年之間，世界上又研制成多臺太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。這些動力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發(fā)動機功率不大，工質(zhì)主要是水蒸汽，價格昂貴，實用價值不大。大局部為太陽能愛好者個人研究制造。二、開展階段〔一〕第一階段〔1900-1920〕起步〔二〕第二階段〔1920-1945〕低潮〔三〕第三階段〔1945-1965〕開展〔四〕第四階段〔1965-1973〕停滯不前〔五〕第五階段〔1973-1980〕大開展〔六〕第六階段〔1980-1992〕再次停滯〔七〕第七階段〔1992-至今〕走出低谷〔一〕第一階段〔1900-1920〕起步在這一階段，世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器和低沸點工質(zhì)，裝置逐漸擴大，最大輸出功率達73.64kW。實用目的比較明確，造價仍然很高?！捕车诙A段〔1920-1945〕低潮原因與礦物燃料的大量開發(fā)利用和發(fā)生第二次世界大戰(zhàn)〔1935-1945〕有關(guān)。太陽能又不能解決當(dāng)時對能源的急需，因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落?！踩车谌A段〔1945-1965〕開展在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的20年中，一些有遠見的人士注意到石油和天然氣資源正在迅速減少。呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復(fù)和開展，成立太陽能學(xué)術(shù)組織，舉辦學(xué)術(shù)交流和展覽會。1955年，以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學(xué)會議上提出選擇性涂層的根底理論，研制實用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的開展創(chuàng)造了條件。1954年，美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了根底。〔四〕第四階段〔1965-1973〕停滯不前處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。〔五〕第五階段〔1973-1980〕大開展1973年10月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭引起“石油危機〞。現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。具體做法1973年，美國制定了政府級陽光發(fā)電方案，太陽能研究經(jīng)費大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽光方案〞，其中太陽能的研究開發(fā)工程有：太陽房、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電池生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。成果與問題各國加強了太陽能研究工作的方案性，不少國家制定了近期和遠期陽光方案。取得一批較大成果，如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池、光解水制氫、太陽能熱發(fā)電等。太陽熱水器等產(chǎn)品開始實現(xiàn)商業(yè)化，太陽能產(chǎn)業(yè)初步建立，但規(guī)模較小，經(jīng)濟效益不理想。普遍存在要求過高、過急問題，對實施過程中的困難估計缺乏。空間太陽能電站美國曾方案在1985年建造一座小型太陽能示范衛(wèi)星電站，1995年建成一座500萬kW空間太陽能電站。方案調(diào)整后，至今空間太陽能電站還未升空?！擦车诹A段〔1980-1992〕再次停滯世界石油價格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低本錢的目標(biāo)沒有實現(xiàn)，動搖開發(fā)利用太陽能的信心；核電開展較快，對太陽能的開展起到了一定的抑制作用?！财摺车谄唠A段〔1992-至今〕走出低谷1992年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與開展大會〞，會議通過了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與開展宣言》，《21世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，確立了可持續(xù)開展的模式。加強了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護結(jié)合在一起。三、利用太陽能主要形式人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。太陽光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品最多。例如熱水器、開水器、枯燥器、采暖和制冷、溫室與太陽房、太陽灶和高溫爐、海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具。光熱轉(zhuǎn)換即利用太陽輻射能加熱集熱器，把吸收的熱能直接加以利用。如果集熱器匹配不同用途也就有不同名稱，如太陽能熱水器、太陽灶、太陽能枯燥器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調(diào)等。太陽能熱利用熱水器第一代為悶曬式熱水器。這是集熱與貯熱與貯熱合二為一的整體熱水器，一般由二至三個涂黑的圓管構(gòu)成，由黑色涂層吸收熱能把水加熱，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價較低；缺點是散熱快，熱水不能過夜使用，在冬季及陰雨天也不能使用，這種產(chǎn)品只在某些遙遠農(nóng)村才使用，現(xiàn)已根本被淘汰。太陽能熱利用熱水器第2代為平板式太陽能熱水器。它由平板集熱水箱組成，一般采用自然循環(huán)運行方式。平板信熱器由吸熱體、透明蓋層、背部與側(cè)面保溫層和框架構(gòu)成。

太陽能熱利用熱水器第三代為真空管熱水器。它由多支玻璃真空集熱管直接插入水箱構(gòu)成，一般采用自然對流換熱。每支真空集熱管與水箱孔間放置硅橡膠制成的密封圈。

太陽能工程產(chǎn)品

如何

能夠找到一種清潔、廉價又方便實用的能源來替代這些被取締的鍋爐是政府和人們都在思考的一個問題。太陽能的出現(xiàn)解決了這個難題。

光電轉(zhuǎn)換太陽光電轉(zhuǎn)換，主要是各種規(guī)格類型的太陽電池板和供電系統(tǒng)。太陽電池是把太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。太陽電池的光電效率約１０－１４％，其產(chǎn)品類型主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅。國內(nèi)產(chǎn)品〔指光電裝置全部費用〕價格約６０－８０元／峰瓦。太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換太陽電池的應(yīng)用范圍很廣。例如人造衛(wèi)星、無人氣象站、通訊站、電視中繼站、太陽鐘、電圍桿、黑光燈、航標(biāo)燈、鐵路信號燈等。太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換包括：光合作用、光電化學(xué)作用、光敏化學(xué)作用及光分解反響，目前該技術(shù)領(lǐng)域尚處在實驗研究階段。我國的開發(fā)現(xiàn)狀和前景

中國能源研究會理事長黃毅誠近日提出，應(yīng)加速開發(fā)無污染、可再生的太陽能資源，力爭到２０２０年建成５００萬千瓦的太陽能發(fā)電容量，使太陽能成為我國最大的可再生能源。北京太陽能研究所研究員趙玉文用“近有實效，前有遠景〞來形容太陽能資源在我國的開發(fā)現(xiàn)狀和前景。我國的開發(fā)現(xiàn)狀我國目前具有１．５萬千瓦的太陽能發(fā)電容量，雖然光電本錢仍然高于煤電，但在遙遠地區(qū)，與拉設(shè)電網(wǎng)相比，小型太陽能發(fā)電設(shè)施仍然相對廉價適用，在西藏地區(qū)已經(jīng)有７個縣靠太陽能解決了用電困難。另外，太陽能熱水器已經(jīng)成為國內(nèi)太陽能利用中應(yīng)用最為廣泛、產(chǎn)業(yè)化開展最迅速的領(lǐng)域，１９９８年我國的熱水器產(chǎn)量就已占據(jù)世界第一位，去年這個產(chǎn)業(yè)的總銷售額到達３５億元。光熱利用系統(tǒng)就是采用專門設(shè)備采集太陽能，并將之轉(zhuǎn)換成所需熱能，供給給工業(yè)企業(yè)及公共和民用建筑等其它行業(yè)用熱的應(yīng)用系統(tǒng)。工業(yè)方面：主要用于枯燥〔烘干〕、去濕、空氣調(diào)節(jié)、或工序產(chǎn)品預(yù)熱等；農(nóng)產(chǎn)品加工：水果、種子、糧食、中藥材儲存前的去濕、烘干，木材枯燥，產(chǎn)品枯燥等；農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)：太陽能溫室、太陽房等養(yǎng)殖、育苗、蔬菜大棚等。光熱利用系統(tǒng)公共建筑：學(xué)校、醫(yī)院、體育館、影劇院、游泳池等空調(diào)、采暖、熱水供給等;民用建筑：住宅、小區(qū)商品房供熱、空調(diào)、采暖等其它:賓館、酒店、工廠員工宿舍、學(xué)生宿舍、部隊營房等空調(diào)、采暖及熱水供給系統(tǒng)等；采暖地區(qū)廠房、車間、辦公樓等的采暖等；第二節(jié)太陽能熱水系統(tǒng)一、太陽能熱水系統(tǒng)主要部件二、家用和集中太陽能熱水系統(tǒng)三、太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合一、太陽能熱水系統(tǒng)主要部件1、系統(tǒng)組成太陽能熱水器通常是由集熱器、儲熱水箱、循環(huán)管路、閥門及其控制元件等主要元部件所組成。根據(jù)需要還可以加配輔助能源〔如電熱器〕，以供沒有日照時使用。假設(shè)系統(tǒng)采用強迫循環(huán)，還得有水泵等配置部件。太陽能熱水器是太陽能熱利用中用得最多、最廣泛的裝置。太陽能熱水系統(tǒng)集熱器貯水箱管路控制器輔助能源系統(tǒng)組成太陽能熱水系統(tǒng)主要部件單機入戶的分體式太陽能熱水器(1)按供熱水范圍分為以下三種：①集中供熱水系統(tǒng)采用集中的太陽能集熱器和集中的貯水箱供給一幢或幾幢建筑物所需熱水的系統(tǒng)。②集中-分散供熱水系統(tǒng)采用集中的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給一幢建筑物所需熱水的系統(tǒng)。③分散供熱水系統(tǒng)采用分散的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給各個用戶所需熱水的小型系統(tǒng)。2、系統(tǒng)分類(2)按系統(tǒng)運行方式分為以下三種：①自然循環(huán)系統(tǒng)僅利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的密度變化來實現(xiàn)集熱器與貯水箱之間或集熱器與換熱器之間進行循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)。②強制循環(huán)系統(tǒng)利用泵迫使傳熱工質(zhì)通過集熱器(或換熱器)進行循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)。③直流式系統(tǒng)傳熱工質(zhì)一次流過集熱器加熱后，進入貯水箱或用熱水處的非循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)。(3)按生活熱水與集熱器內(nèi)傳熱工質(zhì)的關(guān)系分為以下兩種：①直接系統(tǒng)在太陽能集熱器中直接加熱水給用戶的太陽能熱水系統(tǒng)。②間接系統(tǒng)在太陽能集熱器中加熱某種傳熱工質(zhì)，再使該傳熱工質(zhì)通過換熱器加熱水給用戶的太陽能熱水系統(tǒng)。光熱轉(zhuǎn)化－－儲熱－－傳輸－－用戶集熱器－－水箱－－管路－－淋浴器〔水龍頭〕3、運行原理·系統(tǒng)初投資較分戶承壓型低·系統(tǒng)運行較穩(wěn)定，初投資較少·集熱局部承壓運行，系統(tǒng)閉式循環(huán)可防止因水質(zhì)引起管路和集熱器結(jié)垢，將熱水儲存于每戶中，這樣可以減少水箱占用屋面面積整個系統(tǒng)的管路在建筑中也不影響建筑美觀·集熱系統(tǒng)為開式，便于安裝、維護·配品、配件較為普及，便于維護1、分戶儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢二、家用和集中太陽能熱水系統(tǒng)·系統(tǒng)運行較穩(wěn)定，運行本錢低·系統(tǒng)施工周期短··技術(shù)成熟，系統(tǒng)故障率低?！そY(jié)構(gòu)清楚，便于組織安裝及售后效勞··配品、配件較為普及，便于維護·對于住宅小區(qū)，集中式系統(tǒng)相對分戶系統(tǒng)有初期投資少、集成化程度高的優(yōu)勢，模塊化的集熱器與建筑結(jié)合也比較美觀2、集中儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢

系統(tǒng)組成部分集熱系統(tǒng)集熱器一四管道五控制系統(tǒng)儲熱水箱二水泵三六分戶水箱太陽能與建筑結(jié)合現(xiàn)狀現(xiàn)在的太陽能熱水器與建筑結(jié)合，常被比作“貼膏藥〞并沒有給建筑增色，太陽能熱水器無法滿足建筑的多樣化要求。三、太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合太陽能與建筑一體化用太陽能全方位地解決建筑內(nèi)熱水、采暖、空調(diào)和照明用能，這將是最理想的方案。太陽能與建筑一體化，就是將太陽能熱水系統(tǒng)作為建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系進入建筑領(lǐng)域，實現(xiàn)與建筑的同步設(shè)計、同步施工、同步驗收、同步后期管理，從而實現(xiàn)二者的完美結(jié)合，以到達建筑節(jié)能和增強建筑美觀的雙重效果。實現(xiàn)太陽能與建筑結(jié)合的方法必須太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計與建筑設(shè)計同步進行，充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的特點，做到太陽能熱水系統(tǒng)與建筑的完美結(jié)合。集熱器采用優(yōu)質(zhì)平板集熱器等〔其中平板更易與建筑結(jié)合〕，高溫高效；通過微電腦智能控制器實現(xiàn)全自動運行，滿足不同用戶熱水需求。居住建筑應(yīng)用例如圖片解決實例---亞運城太陽能工程廣州亞運城太陽能系統(tǒng)12000㎡－主媒體中心平板太陽能廣州亞運城太陽能系統(tǒng)12000㎡－主媒體中心平板太陽能亞運城太陽能工程廣州亞運城太陽能系統(tǒng)12000㎡－技術(shù)官員村直流管太陽能德州?多層公寓第三節(jié)太陽能溫室開展概況工作原理和結(jié)構(gòu)太陽能溫室的應(yīng)用第四節(jié)其它太陽能熱利用技術(shù)太陽房太陽能枯燥太陽能蒸餾太陽灶一、太陽能枯燥技術(shù)〔一〕太陽能枯燥的根底知識〔二〕太陽能枯燥裝置的分類〔三〕太陽能枯燥技術(shù)的應(yīng)用概況與開展前景枯燥的根本概念從機理上說，枯燥過程就是利用熱能使固體物料中的水分汽化并擴散到空氣中去的過程。按照傳熱和加熱方式的不同，枯燥方式主要分為四種：傳導(dǎo)枯燥、枯燥、輻射枯燥和介電加熱枯燥?！惨弧程柲芸菰锏母字R物料中所含的水分游離水分〔易于除去〕物化結(jié)合水分〔較難除去〕化學(xué)結(jié)合水分〔一般枯燥過程中不必考慮〕非結(jié)合水分〔也稱自由水分，比較易于除去〕結(jié)合水分〔比較難于除去〕物料的枯燥特性曲線預(yù)熱枯燥階段〔A-B〕恒速枯燥階段〔B-C〕降速枯燥階段〔C-D-E〕太陽能枯燥的根本原理對流太陽能枯燥就是使被枯燥的物料，或者直接吸收太陽能并將它轉(zhuǎn)換為熱能，或者通過太陽能集熱器所加熱的空氣進行對流換熱而獲得熱能，繼而再經(jīng)過物料外表與物料內(nèi)部之間的傳熱、傳質(zhì)過程，使物料中的水分逐步汽化并擴散到空氣中去，最終到達枯燥的目的。太陽能枯燥器的分類直接受熱式太陽能枯燥器〔亦稱為輻射式太陽能枯燥器〕間接受熱式太陽能枯燥器〔亦稱為對流式太陽能枯燥器〕主動式太陽能枯燥器〔需要加外力一般指風(fēng)機進行驅(qū)動運行〕被動式太陽能枯燥器〔不需要外力〕〔二〕太陽能枯燥裝置的分類溫室型太陽能枯燥器這種太陽能枯燥裝置實際上是具有排濕能力的太陽能溫室，枯燥室的東、西、南墻及傾斜屋頂均采用玻璃或塑料薄膜等透光材料，一般將墻體外表涂上黑色涂料以提高對太陽能的吸收率。溫室枯燥室一般為自然通風(fēng)，如有條件也可以裝風(fēng)機實行強制通風(fēng)。１—太陽光；２—玻璃；３—排氣口；４—枯燥室；５—墻體；６—黑色涂層；７—進氣口假設(shè)在枯燥室頂部加一段煙囪，可以增強通風(fēng)能力，且煙囪越高，通風(fēng)能力越強。如下圖１—墻體；２—透明蓋板；３—物料；４—物料架；５—煙囪；６—活閥；７—空氣溫室型枯燥室的優(yōu)缺點結(jié)構(gòu)簡單造價低可因地制宜，建造容易操作簡單枯燥本錢低枯燥室溫升小，晝夜溫差大枯燥速度慢枯燥室容量少占地面積比同容量的常規(guī)枯燥室大集熱器型太陽能枯燥裝置這類枯燥裝置是利用太陽能空氣集熱器把空氣加熱到預(yù)熱溫度后，通入枯燥室進行枯燥作業(yè)的。利用太陽能集熱器加熱空氣，一般來說有空氣型集熱器和熱水型集熱器兩種。前者以空氣為載熱介質(zhì)，直接吸收太陽輻射能量；后者是使用太陽能熱水器加熱水后，通過換熱器加熱空氣。前者的熱效率比較高，但工作溫度易受太陽能輻射變化影響，波動性大；后者的熱效率比較低，本錢高，但可利用儲熱裝置儲存熱量，系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。１—空氣集熱器；２—風(fēng)管；３—加熱器；４—主風(fēng)管；５—風(fēng)閥；６—風(fēng)機集熱器-溫室太陽能枯燥裝置在這種枯燥裝置中，空氣先經(jīng)太陽能空氣集熱器預(yù)熱，然后再進入枯燥溫室，使溫室枯燥溫度得到提高，以加速物料的枯燥。集熱器溫室型太陽能枯燥裝置整體式太陽能枯燥裝置整體式太陽能枯燥裝置是將空氣集熱器與枯燥室兩者合并在一起的裝置。在這種太陽能枯燥裝置中，枯燥室本身就是空氣集熱器，或者說在空氣集熱器中放入物料而構(gòu)成枯燥室。整體式太陽能枯燥裝置結(jié)構(gòu)示意無論國內(nèi)外，早期的太陽能枯燥裝置多數(shù)為溫室型、半溫室型或規(guī)模較小的集熱器型。大型太陽能枯燥裝置根本上都是集熱器型，而且都與常規(guī)能源結(jié)合以保持枯燥過程的連續(xù)性。據(jù)相關(guān)資料報道，國外已建成一批采光面積超過500m2的大型太陽能枯燥器，其中美國４座、印度２座、阿根廷１座。這標(biāo)志著太陽能枯燥在世界上已經(jīng)進入生產(chǎn)應(yīng)用階段。由于全球的能源和環(huán)境問題日益突出，太陽能枯燥技術(shù)的應(yīng)用近10年來有較大的開展。三、太陽能枯燥技術(shù)的應(yīng)用概況與開展前景近20年來，我國太陽能枯燥應(yīng)用研究和其他太陽能熱利用一樣，經(jīng)歷過一個由淺入深由簡單的小試到較完善的生產(chǎn)試驗的過程。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，已建各種類型的太陽能枯燥裝置100多座，總采光面積近２萬平方米，廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的枯燥作業(yè)，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。影響太陽能推廣應(yīng)用的主要原因太陽能是間歇性能源，能源密度低、不連續(xù)、不穩(wěn)定；