太阳能热利用原理与技术1

太阳光谱曲线
2400 2000 1600 1200 800 400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 波长 λ/µm 图 2-6 太阳辐射光谱 [1 5 ] (NASA,1971 年 ) 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6
卫星的测量表明，太阳光的波长分布非常宽广， 从0.24～50μm，但大致可分为三个部分：紫外 线，可见光和红外线。
二．我国近年太阳能利用的发展
• 目前，我国已经成为世界上最大的太阳 能利用大国，但不是强国。我国上规模 的厂家有120多家，小厂家一起，超过 5000家，年产值400多亿元。这些成绩 的取得都是与我国科学工作者和太阳能 专家分不开的。
第二章 太阳辐射
一．太阳
太阳是离地球最近的一颗恒星。它是一 个巨大而炽热的等离子体，主要成份为 氢和氦元素。太阳几乎为球形，直径为 1.392×109m，是地球直径的109倍，体 积比地球大130万倍。日地平均距离为 1.5×108km，从太阳发出的光线到达地 球需要8分钟。
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6 7 8 月份/月 图 2-3 时差曲线
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一年中时差变化曲线
太阳时角
• 用角度表示的太阳时叫太阳时角，以ω 表示。太阳午时ω=0°，上午取负值， 下午取正值。每昼夜变化为±180°，每 小时15°。例如上午10点钟时
ω=－30°；下午3点钟时，ω=45°。
三．太阳辐射光谱
• 在平均日地距离处，大气层外垂直于辐 射传播方向上单位面积上的太阳辐射照 度为1353W/m2，称为太阳常数，用G表 示：即 G=1353W/m2 • 太阳常数是太阳光中所包含的总能量， 但太阳光中各种波长的辐射都有，描述 各种波长的光在总能量中的比重关系称 为光谱。
一年中某日的赤纬可由下式计算：
284 n 23.45sin(3 60 ) 365
o
n是所求当日在一年中的日子数 （从一月一日算起）。
2．地球的自转与太阳时
• 地球自转一周360°，所需时间24小时； 因此相当于每小时转15°。由于各地所 采用的时间标准不一样，所以我们生活 中的时间并不是真正太阳升起降落的时 间（称为太阳时）。太阳时的午时（中 午12时）太阳光线正好通过当地的子午 线。（或简单地说，正好在南北方向上）
测量辐射量一般有：
• 直射辐射仪、散射辐射仪、长波辐 射仪、总辐射仪。 • G —— 太阳辐照度，W/m2 • H —— 一天的辐照量，J/m2· d • I —— —小时的辐照量，J/m2· h
五．集热表面太阳入射角的计算
• 太阳集热器所截取的太阳直射辐射能量， 主要取决于太阳入射角θ。 • 而入射角θ与太阳赤纬角δ、地理纬度 、 集热器倾角β和方位角γ以及太阳时角ω有 关。
太阳辐射光谱
各种颜色的光都有相应的波长范围。红色光的 波长为700nm，光谱范围为640～750 nm；橙 色光的波长为620 nm，光谱范围为600～640 nm；黄色光的波长为580 nm，光谱范围为 550～600 nm；绿色光的波长为510 nm，光谱 范围为480～550 nm；蓝色光的波长为470 nm， 光谱范围为450～480 nm；紫色光的波长为420 nm，光谱范围为400～450 nm。通常人们把太 阳光的各色光按频率或波长大小的次序排列成 的光带图，叫做太阳光谱。
地球在一年中相对太阳的位置
3月21日 春分
6月22日 夏至 9月23日 秋分
12月23日 冬至
在北半球
春分及秋分时，太阳光线正射（垂直照 射）在赤道上，赤纬角都为零，昼夜时 间相等。 • 夏至（6月22日），太阳光线正射在北回 归线上，δ= 23°27′。 • 冬至（12月22日），太阳光线正射在南 回归线上，δ= －23°27′。
θ
β
• 赤纬角δ——太阳光线垂直照射在地球表面处 的地理纬度。 • 太阳时角ω——用角度表示太阳时，叫太阳时 角，15°/h，上午取负，下午取正。 • 太阳入射角θ——太阳光线与集热器表面法线 之间的夹角。 • 实际使用时应使入射角θ越小越好。（不是光 线与集热器平面的夹角）。 • 集热器的倾角β——集热器平面与地平面的夹 角。
热能利用的历史就是一部人类的发展史：
远古时代 钻木取火 （烤食、取暖） 原始社会时期 古代 冶炼、制造金属工具 （直接利用） 封建社会时期 近代（1784年） 发明蒸汽机 （间接利用） 工业革命 资本社会时期
现代 建立完善的热工理论 （间接利用） （产生了飞机、火车、 汽车、制冷、原子能） 信息社会
•
美国建立了首座5000kW的塔式热发电厂；
• •
美国建立了首座大型太阳能热泵采暖系统（供 暖面积27870 m2 ，平板集热器面积3344 m2） 1984的太阳能光电池的定单量已达18.5MW
二．我国近年太阳能利用的发展
• 我国能源从总体上相当丰富，水力资源含 量居世界第1位，煤碳居第3位，石油居第 8位，天然气居第16位。但我国人口众多， 按人均分配看，却是一个真正能源缺口大 国，人均拥有的能量储量仅有美国的十七 分之一。因此我国在太阳能利用方面有强 烈的愿望和需求。
当今 热传递问题（传热学）
如何提高效率
间接利用（工程热力学）
我国目前的各种用能的比例见下图：
美国目前的各种用能的比例见下图：
开发可再生能源的必要性

但化石能源是短时间不可再生的，叫做一次 性能源。这些能源的藏量有限，很快就会枯 竭，而且在使用时带来严重的环境污染。因 此，探索使用可再生的能源是十分必要的， 太阳能、生物质能、风能等是可再生能源的 主体，特别是太阳能：取之不尽，用之不竭， 清洁可靠、免费供应、人人均等。
E mc2 0.0481024 (31010 )2 erg 0.000 043 erg 4.31012 J
太阳的辐射区
• 辐射区的范围约从0.25 R⊙到0.8 R⊙，密 度和温度都很快向外减小，核反应区产 生的能量经此区以辐射转移的方式向外 传输，从核反应区出来的是高能γ射线光 子，经辐射区物质接连地吸收并再辐射 出较低能量的光子，自内向外依次变为X 射线、远紫外、紫外、可见光光子，最 后以可见光光子及其他形式辐射出来。
• 在国外，第一个大规模应用太阳能的人，是希 腊的著名科学家阿基米德。公元前212年，他 用许多平面镜将阳光聚集起来，烧毁了攻击西 西里岛西拉修斯港的罗马舰队。 • 15世纪一名阿拉伯炼丹术士就使用了大马士革 镜进行了太阳能蒸馏。实现了人工的海水淡化 过程。 • 18世纪初发明了第一架用太阳能驱动的发动机； 1874年在智利北部Las Salinas建造了第一个大 型（4700m2）的太阳能蒸馏水厂；埃及成功地 运行了灌溉用的太阳能水泵。
太阳能的一般情况
世界上最丰富的永久性能源是太阳能。地 球截取的太阳辐射能通量为：1.7×1014kW。 其中：约30%被直接反射回宇宙空间；47% 转变为热，以长波辐射形式再次返回太空； 约23%是水蒸发、凝结的动力和风与波浪 的动能；植物通过光合作用吸收的能量不 到0.5%。
s
地球每年接收的太阳能总量为 1×1018kW· h，相当于5×1014桶原油， 是探明原油储量的几百倍，是世界 年耗能总量的一万余倍。
到了近代和现代：
• 1920～1930年，美国加州地区开始用太阳能集 热器为用户供应热水。 • 1938年美国麻省理工学院建成了第一座太阳能 采暖建筑。 • 1973年爆发能源危机，进一步促进了新能源的 研究与发展，许多国家把重视太阳能的开发利 用放在了战略地位上考虑。一大批太阳能利用 示范工程被建立。
• 集热器方位角γ——集热器表面法线在地平面 上的投影与正南方的夹角。 • 太阳高度角α——太阳光线与其在地平面上的 投影线组成的夹角。（亦即太阳光线与地平面 的夹角）。 • 太阳方位角γs——太阳光线在地上的投影线与 正南方向线的夹角。正南方为0°，向西为正， 向东为负。（－180°＜γs＜180°） • 太阳天顶角θz——太阳光线与地平面法线之间 的夹角，与α互为余角，即θz+α=90°
紫外线 波长范围/μm 所占总能量百分率/% 相应范围的辐照度/W/m2 0～0.38 可见光 0.38～0.78 47.29 红外线 0.78～∞ 45.71 618
7 95
640
四．太阳辐射的测量
• 太阳辐射可分为：直射辐射、散射辐射。 • 直射辐射——直接来自太阳而没有改变方向的 太阳辐射。 • 散射辐射——太阳光受大气层散射影响而改变 方向的太阳辐射。 • 太阳总辐射——接收到的太阳辐射总和，直射 辐射+散射辐射。 • 长波辐射——任何物体当温度高于绝对零度时， 都会发出辐射能，温度不高时，辐射波长一般 大于3μm。
太阳的内部结构
• 太阳内部正经历着剧烈的核反应
4 H He E
1 4
• 4个氢原子核1H合成1个氦原子核4He • 在这种核反应中，质量亏损为：
4mH mHe (6.693 1024 6.645 1024 ) g 0.048 1024 g
• 按照爱因斯坦质量－能量关系释放出的能量为
二．地球绕太阳的运行规律
1．地球的公转与赤纬角 • 贯穿地球中心与南、北两极相连的线称为地 轴。地球除了绕地轴自转外（自转一周约24 小时），还在椭圆形轨道上围绕太阳公转， 运行一周为1年，约365天。 • 地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄道平面） 的夹角为66°33′。地轴在空间的方位始终 不变，因而赤道平面与黄道平面的夹角为 23°27′。这就造成了太阳光线垂直照射在 地球表面的位置一年中在± 23°27′ 纬度之 间变化，这就是地球上形成四季的原因。
但太阳能与有严重的缺陷：
1 ．总量虽然巨大，但通量密度低， 大气层外为1353W/m2，在地面上 ≤1000 W/m2。 2．有季节、昼夜和晴雨等间歇性 变化。
1.2 太阳能热利用的历史、现状和未来
一．历史的回顾 • 我国西汉时即有“削冰令圆，举以向日， 以艾承其影，则生“火”的说法； • 西周时代：我们的祖先已经掌握了“阳燧” 取火的技术，“阳燧”实际上是一种凹面 镜，这是我国太阳能利用的最早记录。
地球与太阳的相对大小
太阳 地球
太阳常数 G=1353W/ m2 直 径 9 1.39×10 m
32°
直 径 1.27×107m
1.495×1011m (±1.7%)
• 太阳发出巨大能量向宇宙辐射，到达地球大气 层上界的太阳能量只占太阳总功率的1/20亿， 即180×1012kW。到达地球外表高层的太阳能 中，30%被大气层反射，23%被吸收，47%左 右可到达地面。尽管只有47%到达地面，其功 率已达85×1012kW。相当于全世界发电量的几 十万倍。 • 太阳表面的温度是变化的，在一般的太阳能热 利用中，可将太阳表面温度看成固定温度 6000K(5700K)。 • 太阳光中有各种波长的光线，一般取0.3～3μm。 已占太阳光的98%以上。
太阳辐射光谱
• 太阳不仅发射可见光，同时还有不可见光。整 个太阳光谱包括紫外区、可见区和红外区3个 部分。但其主要部分，是由0.3～3.0μm的波长 所组成的。其中，波长小于0.4μm的紫外区和 波长大于0.76μm的红外区，则是人眼看不见的 紫外线和红外线；波长为0.4μm～0.76μm的可 见区，就是我们所看到的白光。在到达地面的 太阳光辐射中，紫外区的光线占的比例很小， 大约为8.03%；主要是可见区和红外区的光线， 分别占46.43%和45.54%。
E 9.87 sin 2 B 7.53 cos B 1.5 sin B
360 ( n 81) B 364
n是所求日期在一年中的日子数 （从一月一日算起）。
0 15 10 5 0 -5 -10 -15 1
源自文库
30
60
90
日子数/日 120 150 180 210 240 270 300 330 360
太阳时与各地使用的标准时间并 不一致，转换关系为：
• 太阳时 = 标准时间 + E ± 4×（L标准－L当地） • L标准——标准时间采用的标准经度，（°）； • L当地——当地的经度，（°）。 • E为时差 • 公式中东半球为负号，西半球取正号。
我国取东经120°为标准时间（即北京时 间），所以 太阳时 = 北京时间 + E ± 4×（120－L当地） (单位为分钟) • E为时差，以分为单位。