工程热力学在太阳能方面的应用

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3.9 集热器

对集热器而言，首先对理想集热器，看作一种可逆的热机循环，把 太阳作为高温恒温热源使用，该循环中，封闭体的光圈处在抛物线镜 面的焦点上。这种聚焦的封闭体内充满了均质温度为T的黑体辐射， 这里，T同时也是封闭体内壁的温度（TS≧T≧T0)。将封闭体作为温 度为及之间的卡诺循环热机的稳态加热热源，此时得出和卡诺循环输 出供最大化一样的结果。然后对于对流式冷却集热器单位面积上输出 的最大的功可以表达为：
该式由普朗克提出，对其在全频率区域积分，即可得黑体辐射的比体积能量 6 3 4 u uv dv aT 4 式中 a 7.56510 J m k

0
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因此，充满在空间V里面黑体辐射能量为 U uV aVT 4 结论：黑体辐射的单位容积总能量仅仅是温度的函数。所以光子气体有与理想
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水蒸气形成雨雪 空气、地表吸热 光热转换 空气变热形成风
光化转换 光合作用
食物中的化学能
光电转换
煤炭
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国内太阳能研究方面的相关论文数量：
35000
30000 25000 20000 17452 13965 9191 14618 15000 11252 8719 7906 7027 10000 4832 5602 6484 5000
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太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽 管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为 3.75×1026W）的22亿分之一，但已非常大，太阳每秒钟照射到地 球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差 能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是 地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远 古以来贮存下来的太阳能。太阳能既是一次能源，又是可再生能 源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污 染。
和光子气体所组成的孤立系统系，由于该可逆过程，所以熵增为零， 即
dS0 dS 0
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式中， 为光子气系统的熵增，则光子气体系统
对于黑体辐射有
设定在绝对零度时，熵为零，则体积V内黑体辐射的熵值为 单位体积内黑体辐射的比熵为
由此得出以下结论：正如比体积热力学能(u)一样，黑体辐射的比熵 仅是绝对温度的函数。
太阳能自动跟踪示意图
太阳能自动跟踪示装置 爱国 勤学 务实 奋进
四、太阳能发电系统
太阳能发电分光热发电 和光伏发电。不论产销量、 发展速度和发展前景、光热 发电都赶不上光伏发电。可 能因光伏发电普及较广而接 触光热发电较少，通常民间 所说的太阳能发电往往指的 就是太阳能光伏发电，简称 光电。 下面对太阳能光伏发电 和光热发电做出解释。
现在考虑空间V仅包含温度为T的黑体辐射。这些黑体无限小且处于平衡状 态。空间内单位体积和单位频率段的光子数 可以用普朗克的光子体积密 度公式来计算： 8v 2 c 3
式中k为波尔兹曼常数 空间内与光子体密度
nv
exp(hv
kT
1)
nv 相应的单位体积能量为 uv nv hv,即为
8hv3c 3 uv exp(hv ) 1 kT
理想气体混合物的压力是理想气体个组元的分压力之和，所以这一性质与理 想气体类同。将黑体光子气体与理想气体区别的一种特征式是
p pv dv
0

可见，如果黑体辐射的温度保持恒定，那么不仅其单位体积热力学能，而且 其压力都不变。作为一个热力学系统，黑体辐射完全决定于V和T，或者V和P， 或者V和U。
33207 26203
22265 17244
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历年论文数量
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三、热力学原理
从热力学角度分析传热，首先要明白两个概念的变化。 第一，通常传热研究具有不同温度的两个或更多表面之间净能量的交 换，而经典热力学确是基于热力平衡的概念进行分析的即各表面彼此之 间处于平衡，这种平衡包含这些表面之间辐射的平衡； 第二，一般传热将热辐射作为电磁波处理，热力学则将其作为不连续 粒子（光子），从而定义热辐射的热力学性质，并将热辐射系统的热力 学性质归结为吉布斯基本关式 。 热力学的光子模型中所谓光子气体，就是通过聚集光子的空间场与充 满理想气体的空间场假说的类比而得名。
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3.1 光子
根据相对论，光子的静止质量为零。
能量
h
h p c c
动量
波长
其中

h 6.6261034 J s 是普朗克常数，为频率，c为光速。
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当能量以辐射的形式从表面稳定的发射时，光子流的每一个光子的发射都 导致固体中一个原子的能量水平下降。另一方面，光子的吸收伴随着能量传 递到该表面，同时固体材料的原子经历了 向更高能量态的跃迁。
其中 R是热交换器外部与内部传热速率的比值，即 太阳能集热器中管道压力降而造成的不可逆性、集热交换器的传 热不可逆性等热力学分析和考虑每天日射循环所引起的随时间变化的 状况以获得在一定时间范围内获得输出功的最大化问题等是我们所关 心的重点。
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太 阳 能 的 利 用 方 式
光能 光能 光能 光能
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提高太阳能装置的能量转换率
在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口层、梯度界面层、μC-SiC p层 等，明显改善了电池的短波光谱响应.这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生 成主要在i层，入射光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的.而a-SiC
和μC-SiC材料比p型a-Si具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到
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提高太阳能的接收效率
使用太阳光线自动跟踪装置,快速准确的搜索太阳位置并能够根据 太阳的移动进行跟踪,使太阳光始终垂直照射在接收面上,增加接收面 上的太阳辐射能量,有效提高太阳利用率。 太阳跟踪的方法很多,但主要可以分为两种方式:光电跟踪和根据视 日运动轨迹跟踪。目前，我国国内的跟踪器基本有两大类:一类是纯机 械式的跟踪器:一类是机电一体化的跟踪器。
1 1 从而得出分光子其压力 pv nv hv uv 这里 ，pv的单位为 pa s 3 3
单色辐射占据，有 v
N
V
nv ,m
c2 因
hv,Vavg c
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在黑体辐射情况下，同理得到总压力 1 1 p nhv u p 由黑体辐射施加的压力是所有分压力 v之和: 3 3
气体类比的特点，即
u u (T )
3.4 压力
设闭口系统镜面壁面能像在无摩擦的缸套重的活塞一样运动，如前图，而外界 有净压力作用与活塞。该活塞有所有光子与避免碰撞的平均效果而向外运动， 辐射光子气对封闭面试加了压力，可用单个原子的经典动量理论来估算，即 1N 2 p mV avg 3V 其中，N是占据容积V的光子总数，m和 分别是单个分子的质量和平均速度。 如果该空间是由频率
3.2 温度

假设空间V最初是被完全抽成真空，考虑在该空间置物体A，其表面具有发 射和吸收频率为 的光子的特性。如果有许多其他光子在封闭空间穿行，物 体A对这些光子是完全透明的。最后空间充斥着频率为 的单色辐射，同时物 体A达到 的平衡温度，这时认为单色辐射具有同样的温度 ，因为它与测 量温度为 的物体达到了平衡。根据热力学第零定律，热辐射温度也能通过测 定与辐射达到平衡时的物体的温度而间接地决定。
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同理，用黑体B代替物体A来重复以上讨论。此时空间V中充斥所有频率的光 子，为使其能够容纳最大波长的辐射，假设空间的直线尺寸足够大，且空间V 与环境完全隔离。经过足够长的时间后，空间系统将达到内部平衡，此时黑 体B的温度，也即是与黑体平衡的辐射，或光子聚集物的最终温度。
3.3 能量
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3.6 热容量
对于在定容加热的黑体辐射，热容量 加，、 有 因 随绝对温度增加而急剧增
在常压下温度变化为零，故定压热容量无限大，即
最后，不管是对单色辐射，还是黑体辐射，光子气体的吉布斯自由焓 为零，即
光子的化学势也是零
N是光子总数。
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3.7 辐射系统的可逆过程和循环
热能 电能 化学能 生物质能
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三、提高太阳能装置能源利用率的途径
太阳能装置,如何最大限度的提高太阳能的利用率,解决这一问 题应从两方面入手：
提高太阳能装置的能量转换率 提高太阳能的接收效率
前者属于能量转换领域还有待研究,而后者利用现有的技术可以 解决，应用不同的太阳跟踪系统可以提高太阳能的接收率，为解 决这一问题提供了可能。
工程热力学在太阳能方面的应用
一
太阳能研究背景及现状 热力学原理 提高太阳能利用的途径 太阳能发电站 太阳能前景及展望
二 三 四 五
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一、太阳能研究背景及现状
能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的 基本条件。在中国实现现代化和全体人民共同富裕的进程中，能源始终 是一个重大战略问题。 中国能源发展面临着诸多挑战。能源资源禀赋不高，煤炭、石油、 天然气人均拥有量较低。能源消耗总量近年来增长过快，保障能源供应 压力增大。化石能源大规模开发利用，对生态环境造成一定程度的影响。 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提 出：到2015年，中国非化石能源占一次能源消费比重达到11.4％，单 位国内生产总值能wk.baidu.com消耗比2010年降低16％，单位国内生产总值二氧 化碳排放比2010年降低17％。
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火电需要燃烧煤 、 石油等化石燃料 。 一方面 化石燃料蕴藏量有限 ；另一方面燃烧燃料将排 出CO 2 和硫的氧化物, 因此会导致温室效应和 酸雨, 恶化地球环境 。 水电要淹没大量土地, 有可能导致生态环 境破坏, 而且大型水库一旦塌崩, 后果将 不堪设想 。 另外, 还要受季节的影响 。 核电在正常情况下固然是干净的, 但万 一发生核泄漏, 后果同样是可怕的。 由于以上原因致使人们不得不去寻找新能源 。而新能源 要同时符合两个条件: ①蕴藏丰富不会枯竭; ②安全 、 干 净, 不会威胁人类和破坏环境 。 目前找到的新能源主要 有 2 种, ①太阳能, ②燃料电池 。 另外, 风力发电也可算 是辅助性的新能源 。 其中, 最理想的新能源是太阳能 。
达i层的光增加；加之梯度界面层的采用，改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电 子的输运特性.
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在增加长波响应方面，采用了绒面TCO膜、绒面多层背反射电极
ZnO/Ag/Al)和多带隙叠层结构.绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射
和透射损失，并增加了光在i层的传播路程，从而增加了光在i层的吸收.多带隙 结构中，i层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小，以便分段吸收太阳光， 达到拓宽光谱响应、提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用 了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载流子收集。
可逆绝热膨胀或压缩
考虑容积从 ，在没有热传递的情况下， ， 过程可以描述为 进一步可化为
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可逆等温膨胀或压缩
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卡诺循环
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3.8 封闭黑体辐射的最大有用功

在太阳能转化为机械能的过程中会经历由高温到低温的不可逆能量 转化过程，从而系统必然伴随熵产的发生。那么对热辐射中可以获取 最大有用功便是一直以来讨论的重点。 对封闭辐射系统的分析表明：最大转换效率ηc涉及到以太阳能作为 高温热源，环境作为低温热元的可逆循环。此时Pelela导出了可变反 射封闭系统达到寂态时，所输出的最大有用功及相应效率为
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3.5 熵
考虑一个无限小的可逆过程。其状态由V，U变化到V+dV，U+dU。
根据热力学第一定律，有 Qrev pdV dU 式中，是系统 对于外界环境所做的可逆微元功，是外界向系统的可逆热 量传递，后者伴随着环境熵减少，有
dS0
Qrev
T
式中，T是系统和环境之间相互进行可逆传热的绝热温度。对于环境