第三章太陽能熱利用

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

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

3、大值所對應的波長 在 左右，屬藍色光范圍 m0 . 33 . 0m475.0地球表面的太陽輻射u太陽輻射進入地球大氣層后，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。反射和吸收使到達地球表面的太陽輻射強度顯著減弱，而且還會改變輻射的方向和輻射光譜的分布 。u到達地球表面陸地上的太陽輻射功率大約只有 u到達地面的太陽輻射強度還受到大氣層厚度的影響。大氣層越厚，到達地面的太陽輻射量越少。 W16107 . 1大氣質量與大氣透明度u大氣質量AMAM 設A為地球表面海平面上的一點。當太陽在天頂位置S時，太陽垂直入射，太陽輻射穿過大氣層到達點A的

4、路徑為OA。當太陽位于任一位置時，其穿過大氣層到達點的路徑為 。大氣質量的定義為兩者之比，即 OAAOAMAOu太陽高度角 太陽輻射到達海平面點的入射線和海平面點切線方向的夾角h h則有： u地面上任一點太陽輻射強度 單位時間單位面積上所入射的太陽輻射功率 式中， ：大氣質量為AM1時的海平面上的太陽輻射強度 1sinhAM00II sinhI /AM 0Iu太陽輻射強度除了與大氣質量有關外，大氣中含有的各種氣體和固體塵埃都會影響太陽光的透過量。若定義P為大氣透明度 ,則有下列關系： 其中，P1：大氣質量為1時的大氣透明度，Pm：大氣質量為m時的大氣透明度。P值越大，大氣越透明。P值永遠小于1

5、，一般在之間 在0.30.85之間。 m0m01II PI P我國太陽能資源分類概況我國太陽能資源分類概況太陽輻射入射角的計算u 太陽高度角h ：當地的緯度角 ：時角 n ：一天24小時的時 間數 太陽光線與地面（a)和集熱面（b)的角度關系coscoscossinsinsinh1215nu赤緯角 太陽地球連線與地球赤道所夾的圓心角 365284360sin45.23D太陽赤緯角太陽赤緯角u太陽入射角太陽入射角 太陽光線與被照射的平面法線之間的夾角。計算某水平面上逐時的太陽入射角可用 若集熱面朝向正南，與水平面的傾角為 ，則該斜面上太陽輻射的入射角（太陽射線與斜面法線的夾角）由下式計算： co

6、scoscossinsincoscoscos)cos(sin)sin(cos3.2 太陽能集熱器平板型集熱器的基本結構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 通過吸收太陽輻射收集太陽 能，并把收集到的太陽能轉 變?yōu)闊崮?n技術要求技術要求 最大限度地吸收太陽輻射； 傳熱性能好 ； 有好的機械和耐腐蝕性能； 加工簡單，造價低；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（對太陽輻射的吸收特性和輻 射波長無關） 2）選擇性吸收涂層（涂層的吸收特性隨輻射波長而改變。

7、通常為多層膜結構，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、電化學、真空鍍膜、磁控濺射等方法來制備 。u 透明蓋板透明蓋板n主要功能主要功能透過太陽輻射、保護集熱板不受外界灰塵和雨雪侵蝕、形成溫室效應 。n材料要求材料要求太陽輻射的透射率高、紅外輻射的透射率低、導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、陽光板等。u透明蜂窩透明蜂窩n透明蜂窩既能透過太陽輻射又具有優(yōu)良的隔熱性能n蜂窩在太陽輻射入射角為時的總透過率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：光線透過蜂窩壁的次數 ：蜂窩的高寬比 透明蜂窩的基本結構透明蜂窩的基本結構太陽光通過透明蜂窩的透射 RfT 1DLtgDLR,一種帶透明蜂窩的改進型太陽能平板集熱器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 太陽輻射為I，環(huán)境溫度ta。假定沿集熱板方向的導熱可以忽略不計，材料的導熱系數k和與環(huán)境的換熱系數為常數。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絡圖肋片效率隨集熱管幾何參數的變化平板集熱器的熱路圖u根據能量守恒定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下，集熱器單位時間輸出的熱量 應等于單位時間內集熱板吸收的太陽輻射能 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， ：太陽輻射強度 ：透明蓋板的透射率和集

10、熱板吸收率乘積的有效值 ：工作介質的質量流量 ：工作介質比熱容 ：分別為工作介質的進、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，集熱器工作介質在單位時間內輸出的熱量和單位時間入射到集熱器的太陽輻射能之比 ，即 = IAttCmIAQeifU)(IAttUAIAapLe)()(IttUapLe)()(集熱器啟動過程的不穩(wěn)定傳熱u集熱器啟動時的不穩(wěn)定傳熱過程對于分析集熱器的運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，則集熱板

11、啟動加熱過程的能量平衡為：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環(huán)境的熱損失，將集熱板與蓋板、側壁與底板之間抽成真空，同時在結構上將集熱板做成圓管形狀，就變成了真空管集熱器 。u按材料來分類按材料來分類 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 太陽輻射穿過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、給與其緊密結合的熱管蒸發(fā)段，供蒸發(fā)段內的工質汽化。工質蒸汽流向熱管冷凝段被凝結，凝結放出的熱量加熱集熱器的工作介質。凝結后的液體工質在重力的作用下回流到熱管蒸發(fā)段循環(huán)工作 。太陽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能集熱器太陽能熱水器u主要組成部件主要組成部件：集熱器、儲熱水箱、循環(huán)水泵和控制系統(tǒng)等u分類分類 1）根據熱水溫度分：低溫（熱水溫度60） 、 中溫（熱水溫度100）、 高溫熱水器（熱水溫度150） 2）根據熱水流動方向分：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生的 壓力差來推動熱水運動 n 強制循環(huán)式強制循環(huán)式： 水循環(huán)是依靠泵來

13、實現的 n 直流式直流式： 水的運動直接依靠自來水的進水壓力 a)b)c)a)自然循環(huán)式熱水器系統(tǒng)圖b)強制循環(huán)式熱水器系統(tǒng)c)直流式熱水器系統(tǒng)3.4 太陽房u概念概念 太陽房是一種直接利用太陽能進行采暖和空氣調節(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利用溫室效應原理利用溫室效應原理u分類分類n被動式太陽房：僅僅依靠建筑物方位的合理布置，通過窗、墻和屋頂等建筑構件的專門設計以及選用性能優(yōu)良的建筑材料，以自然交換的方式（輻射、對流和傳導）來獲取太陽能的一類建筑。n主動式太陽房：除滿足被動式太陽房對建筑結構的需求外，主要是以太陽能集熱器作為熱源的一種環(huán)保型節(jié)能建筑。它以太陽能

14、集熱器替代常規(guī)的鍋爐，通過熱水或熱風系統(tǒng)對室內進行供暖 。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)對流蓄熱綜合式特朗伯墻主動式太陽房以空氣為集熱介質的太陽房采暖系統(tǒng)圖以水為介質的主動式太陽房供暖系統(tǒng)3.5 太陽灶箱式太陽灶拋物面聚光灶結構3.6 太陽能熱發(fā)電u太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電 利用工質將太陽輻射能先轉變?yōu)闊崮?，然后再將熱能轉變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式 。u類型類型n太陽能溫差發(fā)電：利用塞貝克效應直接轉換的技術。n太陽能熱動力發(fā)電：利用聚光器將太陽能聚焦后加熱某種工質使之成為蒸汽，蒸汽再推動汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電 。太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)美國加州建造的一個槽式拋物面聚焦系

15、統(tǒng)照片槽式拋物面鏡線聚焦太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖美國研制的太陽1號塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理圖斯特林發(fā)動機斯特林發(fā)動機的工作原理斯特林發(fā)動機的工作原理n12為定溫壓縮過程n23為定容加熱過程n34為定溫膨脹過程n41為定容放熱過程 循環(huán)的每個過程都有熱量傳遞。對于理想氣體，理想回熱（ ）時，定容放熱過程41放出的的熱量正好為定容加熱過程23所吸收。循環(huán)中只有定溫膨脹過程34是從外熱源吸收熱量，定溫壓縮過程12向外界冷源放出熱量 。1太陽能 驅動的斯特林發(fā)電裝置熱聲發(fā)電機u利用熱聲效應，即管內氣體（氦氣）在溫度梯度作用下發(fā)生振動而獲得聲能輸出的現象，來將熱能轉換成聲能，再由聲能驅動一個線性交

16、流發(fā)電機 。u熱聲熱機可分為駐波型、行波型、和行波駐波混合型三類。u熱聲 熱機由加熱器、熱聲板疊、諧振管、冷卻器和消聲器等組成。熱聲熱機的原理圖太陽煙囪u原理 空氣在一個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。上升氣流帶動煙囪底部的空氣透平發(fā)電機組產生電能。u特點優(yōu)點：不需要太陽跟蹤和聚焦系統(tǒng)；不需要高科技制造技術；集熱器天棚結構簡單；不需要冷卻水等缺點：占地面積巨大 。太陽煙囪的工作原理圖太陽池發(fā)電u蓄熱原理蓄熱原理 太陽池是一種鹽水池。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)的池內液體自然對流，從而使池水穩(wěn)定分層。在太陽輻射下

17、池底的水溫升高，形成溫度高達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，由于鹽溶液和池周圍土壤的熱容量大，所以太陽池具有很大的儲熱能力 。太陽池發(fā)電原理圖3.7 太陽能制冷與空調u優(yōu)點優(yōu)點 具有良好的季節(jié)適應性。在夏季空調負荷高峰時，正是太陽輻射最強時。因此可以大大緩解夏季電力供應的季節(jié)性難題 。u類型類型 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)； 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)； 太陽除濕制冷系統(tǒng)； 太陽能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)太陽能吸收式制冷u在高溫熱源加熱下，濃溶液沸騰，溶液中沸點較低的制冷劑汽化和溶液分離，分離出的制冷劑蒸汽經冷凝后變成液體。冷凝后的制冷劑液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)產生制冷效應。蒸發(fā)后的制冷劑

18、蒸汽在吸收器中被稀溶液吸收，使稀溶液回復到初始的濃溶液狀態(tài)，過程重復進行 。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1265），水是制冷劑； 2) 氨-水溶液，其中氨是制冷劑（沸點是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直接加熱，溶液中的水份不斷汽化，溶液濃度提高，濃溶液進入吸收器。 水蒸汽在冷凝器中凝結后變成高壓低溫的液態(tài)水，然后進入節(jié)流閥。節(jié)流后的低壓液態(tài)水進入蒸發(fā)器吸收冷媒水的熱量而蒸發(fā)，產生制冷效應。低溫水蒸汽再進入吸收器，被吸收器中的溴化鋰濃溶液吸收。溴化鋰稀溶液通過溶液泵返回發(fā)生器，完成整個制冷循環(huán) 。太陽能溴化

19、鋰吸收式制冷系統(tǒng)原理圖太陽能吸附式制冷u工作過程白天，吸附集熱器吸收太陽輻射能，吸附床溫度升高，制冷劑從吸附劑中被解吸出來。吸附集熱器中制冷劑蒸汽壓力升高，推動制冷劑進入蒸發(fā)器和儲熱器。這一階段中，太陽能轉化為吸附劑的化學吸附潛能被儲存起來。當夜晚時或太陽輻射不足時，環(huán)境溫度降低，吸附集熱器被冷卻（也可以通過冷卻水冷卻），吸附床溫度降低，制冷劑壓力也相應降低，引起蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，產生制冷效應。蒸發(fā)的制冷劑蒸汽進入吸附床，重新被吸附劑吸附。當吸附床再次被加熱時，過程重復進行。 太陽能吸附式制冷機工作原理圖太陽能除濕制冷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，然后利用對空氣加濕來產生制冷效果 。u分類 1）固體除濕制冷系統(tǒng) 2）溶液除濕系統(tǒng) u組成組成太陽能集熱器、轉輪除濕器、轉輪換熱器、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工作過程工作過程太陽