第二章 太阳能

26 吨 208 吨
11% 4% 70%
意义： 新能源和可再生能源是人类社会未来能源的基石，使化石能源的 替代能源。 新能源和可再生能源清洁环保，是与地球的生态环境相和谐的。 新能源和可再生能源是不发达国家约20亿无电人口能源供应的现 实能源。
5
新能源
University of Science and Technology Beijing
2.1 概论（Introduction）
2.1.1 新能源与可再生能源
基本含义：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生资源得到现代化 开发利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有 限、对环境有污染的化石能源。包括：太阳能、风能、生物质能、 海洋能、地热能和氢能等。（1981年肯尼亚联合国会议） 特点：能量密度低并高度分散；资源丰富可再生；清洁环保； 部分能源具有间歇性和随机性；利用技术难度大。
空气变热形成风
水蒸气形成雨雪
食物中的化学能
空气、地表吸热
直接利用太阳能
University of Science and Technology Beijing
光合作用
煤炭
7
2.1 概论（Introduction）
2.1.2 太阳和太阳能
University of Science and Technology Beijing
太阳能是人类能源的宝库
8
2.1 概论（Introduction）
2.1.2 太阳和太阳能
太阳结构： 光球层、色球层、日冕层
University of Science and Technology Beijing
9
2.1 概论（Introduction）
2.1.2 太阳和太阳能
University of Science and Technology Beijing
热管式工质热容小，启动快，干性连接，易安装
20
2.2太阳集热器 2.2.5 太阳池 定义：是一种盐的浓度随深度增加而增加的盐水池，更确切地说，是具有
盐度梯度的水池。由于浓度较大的盐水密度也较大，因此只要池内盐水 的浓度梯度足够大，即使在下部温度高于上部温度时，池水也不会发生 对流，所以太阳池也称为无对流的盐水池。
10
2.1 概论（Introduction）
2.1.2 太阳和太阳能
University of Science and Technology Beijing
太阳能利用的历史：
第一阶段：1615-1900年，1615年的第一台太阳能抽水泵，价格昂贵 第二阶段：1901-1920年，世界将太阳能作为研究的重点，主攻太阳能动 力装置，最大输出功率74 KW 第三阶段：1921-1945年，太阳能开发的低潮，化石燃料大规模应用 第四阶段：1946-1965年，太阳能基础理论和材料的研究 第五阶段：1966-1973年，低潮，投资大，技术不成熟 第六阶段：1973-1980年，中东战争爆发，石油价格上涨，太阳能研究列 入各国发展计划 第七阶段：1981-1991年，潮落，石油价格回落，500KW电站20多座 第八阶段：1992-至今，化石能源的环境危害，光伏发电高度发展。
13
University of Science and Technology Beijing
影响地球表面太阳辐射能的因素：
2.1 概论（Introduction）
2.1.4 我国太阳能的分布
University of Science and Technology Beijing
镜反射，入射角等于反射角 漫反射，物体表面均均，它对投射的太阳辐射无差别的向所有方向反射 镜漫反射，既有镜反射又有漫反射。
16
2.2 太阳集热器
2.2.2 太阳集热器的类型
按传热工质分：液体和气体集热器 按是否聚光：聚光型和非聚光型 按是否跟踪太阳：跟踪和非跟踪 是否有真空：平板型和真空管 按工作温度：低温<100℃,中温100-200℃，高温>200℃ 2.2.3 平板型集热器 结构示意图：
1 2 5 3 4
University of Science and Technology Beijing
1-透过太阳辐射，使其投射到吸热板上；保 护吸热板，使其不受灰尘及雨雪的侵蚀；形 成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过 对流和辐射向周围环境散热。 2-吸收太阳光减少反射率 3---抑制吸热板通过传导向环境散热
石油 天然气 煤炭 水能 1427亿吨（3.4%） 155.8E4亿立方米（1.3% ） 9844.5亿吨（58.8%）
36.5%
世界能源人均占有量状况
世界人均占有量 我国占比例
University of Science and Technology Beijing
20年 49年 115年 石油 天然气 煤炭
University of Science and Technology Beijing
太阳池可以利用自然现象， 即自然界中存在的一 些具有盐度梯度的湖 泊。是一种特殊形式 的自然集热器。 太阳池的构成
Newton冷却定律：对流的换热速率是跟表面与流体的温度差以及与流体接触的表面积成比例
q c = hc Α(Ts − T f )
qc对流传热速率W，hc对流换热系数W/(m2.K)， A 与流体接触的面积m2，Ts，Tf表面温度 和流体温度K
15
只能在气体或液体中进行
2.2 太阳集热器
2.2.1 概论
太阳能资源带的分类标准：
我国太阳能资源带的年曝辐射量 资源带号 Ⅰ（红） Ⅱ（黄） Ⅲ（褐） Ⅳ（绿） 资源带分类 年曝辐射量 /(MJ/m2) 资源丰富带 资源较丰富 资源一般带 资源缺乏带 ≧6700 5400-6700 4200-5400 <4200
新疆、内蒙、甘肃、 北京、云南 西藏 河南、山西、两 重庆 湖、两广、 福建、上海 黑吉辽
平板型集热器构造示意图
1-透明盖板，2-吸热板，3-隔热层，4-外壳，5-流体通道 17
2.2 太阳集热器
2.2.3平板型集热器
吸热板的类型： University of Science and Technology Beijing
I）管板式 II）扁盒式 Ⅳ）蛇管式
III）翼管式
吸热板的基本类型
石油 40年
石油 天然气 煤炭 1427亿吨 155.8E4亿立方米 9844.5亿吨
天然气 61 年
40年 61年 204年
煤碳 204年
世界能源存量及可开采年限
数据来源：BP Statistical Review of World Energy, 6 2003
2.1 概论（Introduction） 2.1.1 新能源与可再生能源 我国能源存量、剩余可开采存量结构 及可开采年限
太阳的能量：
太阳辐射总能量 3.75×1026 W
到达地球173×104 亿 KW ， 1/22 亿
大气吸收23%
反射30%
到地球47%，81×104亿KW
到 达 陆 地 17×104 亿 KW ， 占到达地球总量的10%
相当全世界一年内消耗的能源总能量的3.5万多倍 被植物吸用中的传热学基础 • 辐射：物体的部分热能转变为电磁波-辐射向外发射。
Stefan-Boltzmann定律：物体的辐射功率是跟物体温度的4次方及物体的表面积成比例
University of Science and Technology Beijing
q R = εσΑT 4
反射的类型：
qR 辐射功率W，σ 常数 5.67× 10-8W/m2.K4, ε 发射率，A 表面积 m2，T 表面温度K
第二章 太阳能（Solar Energy）
北京科技大学热能工程系 Thermal Energy Engineering Department, University of Science and Technology Beijing
University of Science and Technology Beijing
University of Science and Technology Beijing 1
全玻璃真空管集热器 2 3 4 5 6 1
热管式真空管集热器 2 3 4 8 5 6 7
1-内玻璃管，2-外玻璃管，3-选择 性吸收涂层， 4- 真空， 5- 弹 簧支架，6-消气剂
1- 热管冷凝段， 2- 金属封盖， 3- 玻璃管， 4-金属吸热板，5-热管蒸发段，6弹簧支架，7-蒸散型消气剂，8-非 蒸散型消气剂
11
2.1 概论（Introduction）
2.1.2 太阳和太阳能
太阳能利用方式： •光热利用：平板式集热器，真空管式集热器，聚焦型集热器 •太阳能发电：光-热-电转换，光-电转换 •光化作用：将光能转化为化学能，例如将水分解制氢 •光生物利用：光能转化为生物质能，速生植物、油料作物、巨型海藻等。
太阳能热利用中的传热学基础 • 热传导：气体中分子碰撞，绝缘体中分子震动，导体中电子热运动
Fourier热传导定律：热传导速率与温度梯度及热流通过的截面积成正比
qk = −λΑ
dT dX
qk 热传导率W，λ 导热系数W/(m.K)，A 截面积 m2，T 温度 K，X热流方向的距离m
•
对流：在液体或气体中流体微团在空间改变自己的位置，实现热能的传递
University of Science and Technology Beijing
平板型集热器的缺点：
热传导-底部和侧面隔热层 对流传热-吸热板与透明盖板之间的空气 辐射传热-吸热板与透明盖板之间；透明盖板与天空之间
19
2.2 太阳集热器 2.2.4 真空管太阳集热器
将吸热体与透明盖板之间的空间抽成真空