第四章太阳能与地热能

一、太阳能热利用
太阳能热利用可分为低温、中 温和高温热利用。
低温热利用：地膜、塑料大棚
以及干燥器、蒸馏、供暖、太 阳能热水系统
中温热利用：空调制冷、制盐 以及其它工业用热 高温热利用：聚焦形太阳灶、 焊接机和高温炉
1、太阳能集热器
把太阳的辐射能转变为热能利用的核心装置 聚光和非聚光两大类 （1）平板集热器： 不聚光，吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面 积相等，并能利用太阳的直射成分和漫射成分。 它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等， 能利用太阳的直射和漫射辐射。
补给水箱 上升水管 自来水管 下降水管
集热器
热水管
直 流 式 热 水 系 统
水箱
供热水管
真空管式
平板式
太阳能热水器
3、太阳能采暖
主动式：利用太阳能集热器和相应蓄热装置作为热源 被动式：依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来采暖
太阳能建筑
被动式太阳房： 白天依靠太阳辐射，多余热量作 为 蓄热吸收，夜间通过自然对流放热。 阳光由涂黑的南墙吸收、蓄 热， 夹层中通气孔，热空气流通以采暖 采用双层玻璃防止散热； 主动式太阳房：备有辅助能源，可以进行主动调节， 采暖系统比较完备。 具有水泵、集热回路中是热水
新能源种类
风能
核 能
太阳能 生物能
海洋能 地热能
太 阳 能
太阳能是太阳内部核 聚变反应产生的能量。辐 射到地球的能量仅为其总 辐射能（3.75×1023kW） 的22亿分之一，高达 1.73×1014kW，即太阳每 秒钟照射到地球上的能量 相当于500万吨煤。
太阳能发电厂
优点:
一、是人类可以利用的最丰富能源，取之不尽，用之不 竭。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳仅消耗了它 本身能量的2%。 二、到处都有太阳能，可就地开发利用，无运输问题。 三、是洁净能源，无废渣、废水、废气等污染和公害。
太阳能热利用
聚光器：汇聚阳光的光学部件
成像聚光器；在聚光器上形成太阳像。要求跟踪太阳， 精度要求高 非成像聚光器：在吸收器上不产生太阳像，来自太阳 的辐射分布在吸收器上的各个部分 面积聚光比：
在聚光器面积（Aa）一定时，提高聚光比，有利 于改善热性能
Aa C Ar
接受器 吸收太阳辐射并转换为别种能量的部件
漫射：被大气反射和散射后方向发生变化的那部分 太阳辐射。
到达地面的太阳辐射主要受大气层的影响， 大气的状况和大气质量对到达地面的太阳辐射也有 影响。太阳辐射穿过大气层的路程长短与太阳辐射 的方向有关。
太阳光谱图
辐射到地球的太阳能
太阳是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体
Resource Characteristics ——地面附近太阳辐射光谱图
吸收器：
圆板、园柱：直径 = 太阳像尺寸；
长度 = 聚光器长
反射器固定，吸收器跟踪太阳，始终与太阳
光平行，太阳光聚集在一直线上
盖层
绝热结构
2、太阳能热水器
• 太阳热水器于20年代流行于美国的西南部地区。
• 在美国北部，每平方公尺的太阳能热接收器，每6个 月可节省30.5公升的热气用的汽油，或是215kW•h的 电力。
集热器型：集热器与干燥室分开。空气集热器把空气 加热到一定温度后送入干燥室。
集热器-温室型：集热器与温室联成一体。
7、太阳能制冷空调
1960年，世界上第一套太阳能氨一水吸收式空调 系统在美国建成。 70年代以后，我国也开始进行太阳能制冷和空调 研究，研制成几台小型实验性制冰机。 太阳能制冷可分为两大类：
目前人类所能够使用的能源形式
Solar resource——我国太阳能资源分布
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太阳能利用技术
太阳内部的高温核聚变反应是氢转变为氦的过程， 所释放的能量为辐射能。 太阳向宇宙空间发射的辐射功率约3.8×1023kw。 对于太阳照射到地球陆地的能量，按照现有的技术 仅仅开发利用其中的不足千分之一。 人们直接利用太阳能主要体现在三大技术领域；光 热转换、光电转换、光化学转换。
太阳能集热器工作原理图
用途： – 生活用水 – 工业生产过程用水 – 低温热动力装置的热源 太阳能热水系统： – 集热器 – 蓄热装置 – 循环管路 – 控制设备 – 辅助能源及工质循环泵
按水的流动方式分类： 循环式：
– 自然循环式：热虹吸原理、在回路中循环 – 强制循环式：借助水泵压头使水循环加热
分散型：将抛物面聚光器配置成很多组，然后把集热 器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。
集中型：由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵 列，定日镜始终对准太阳，把入射光反射到为于中心 的塔顶的接受器上。
太阳能热动力发电
就结构而言，与 一般火力发电站 相比，只是把锅 炉换成太阳能集 热器。 集热系统需要获 得较高的温度。 聚光集热器：平面 镜（反射太阳光） Power tower in Barstow, California
二、太阳光利用
太阳能光电转换—通过光电器件将太阳光直 接转换为电能。
利用光电效应将太阳辐射能直接转换为电能 的器件，也称为光电池。 太阳电池1954年诞生于贝尔实验室，1958年 被用作为”先锋1号”人造卫星的电源。
常用电池按材料可分为：
晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电 池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。
太阳能利用
• 太阳能利用主要包括太阳 能热利用和光利用。 太阳能热利用: 太阳能热 水、供暖和制冷；太阳能 干燥农副产品、药材和木 材；太阳能淡化海水；太 阳能热动力发电等。 太阳能光利用：太阳能光 伏发电和太阳能制氢。
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太阳辐射
太阳是一个灼热的气态球体，主要组成 气体:氢(80%)，氦(19%)。 太阳外部是一光球层，温度为5762K。 根据目前太阳产生核能的速率计算，其 氢的储量可维持600亿年。 地球上每年接收的太阳能相当于目前地 球上每年燃烧的固、液、气燃料的3.5万 倍。因此，研究开发和利用太阳能已经 成为人类科学技术永恒的话题。
直流式：水直接流过集热器被加热 整体式（闷晒式）：集热器与储水箱的结合体，是 具有黑色吸热面的储水箱。结构简单、成本低、家 庭型。水在集热器中不流动，受热升温后直接使用。
补给水箱
储水箱
上 循环 管
供热水管 集热器 补给水管
下 循环 管
自 然 循 环 式 热 水 系 统
强 制 循 环 热 水 系 统
–先利用太阳能发电，再利用电能制冷
–利用太阳能集热器提供的热能启动制冷系统 –太阳能吸收式制冷系统一般采用LiBr-H2O或
氨水为工作介质
8、太阳能热动力发电 ——把太阳光辐射能转换为热能
太阳热动力发电：用反射镜把阳光聚集起来加热水或 其他的介质使之产生蒸汽推动涡轮机等热力发动机， 再带动发电机。
我国太阳能资源储量与分布
中国太阳能辐射量区域分布图
我国太阳能资源非常丰富，理论储 量达每年17000 亿吨标准煤。
<2011年中国及海外太阳能光伏产业发展报告>
缺点: 一、能量密度较低： 日照较好时，1平方米地面所接受的能 量只有1千瓦左右，从而使装置占地面积大、 用料多，成本增加。 二、天气影响较大： 到达某一地面的太阳辐射强度，因受 地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响， 推广应用难度大。
聚光式：我国最常用，热效率50%，功率1.0kw
反射镜面材料：镀银玻璃、镀铝聚脂薄膜、竹编粘贴铝箔(印度) 世界上最大的定日镜型太阳炉的聚光器由9500块 45cm*45cm背面镀银的平面键按抛物面形状排列而成
5、太阳能海水淡化装置
在1872年世界上第一座太阳能蒸馏器在智利诞生。
到1974年，世界上建造的大型太阳能蒸馏器已有25 座。
入射的太阳辐射透过盖层到达吸收器，经表面吸收 并传递给通道中流体。
平板集热器 吸热体：吸收太阳能并将内部流体加热 透明盖板：减少集热板与环境之间的散热 保温材料：防止集热器向周围散热 外壳：集热器的骨架 目前主要技术方向：减少集热器热损失、涂层材料改进、 应用真空技术
（2）聚光型集热器 由聚光器和接受器、跟踪系统组成 自然光经聚光器聚集到吸收器上，加热吸收器中集热 介质；跟踪系统根据太阳的方位随时调节聚光器的位 置，以保证聚光器的开口面与入射太阳光垂直。 • 为了更有效地利用太阳能必须提高入射阳光的能量密 度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热 温度，并减少散热损失， 用特殊的镜反射器或折射器把太阳聚集向特定位置的 吸收器表面上，以提高吸收器上的能流密度，可以获 得高温，并减少热损失。
Collectors in southern CA
碟 式 太 阳 能 热 发 电
碟 式 太 阳 能 热 发 电
Because they work best under direct sunlight, parabolic dishes must be steered throughout the day in the direction of the sun.
塔式、槽式和碟式三种电站技术比较：
塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为 点聚焦，聚光倍数高达500以上。 但塔式电站的跟踪代价高，碟式电站的能量集中代 价大，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业 化尚需时日。 槽式电站是线聚焦，聚光倍数小于100。但槽式电 站跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸 收器，工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站 的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前 槽式电站发展迅速。
顶棚式太阳能蒸馏器
利用温室效应：太阳光透过顶层玻璃照射到黑色池底 时，辐射能变为热能，海水蒸发，上升到顶层玻璃时， 冷凝成水珠，沿斜面下移。注入到淡水槽中，海水中 盐分浓集在池底。
倾斜 式带 芯海 水流 动型 蒸馏 器
级 联 蒸 馏 器
6、太阳能干燥器
利用太阳能集热器加热，把物料中的水分蒸发和
排湿，以达到所要求的干燥程度。 70年代以后，世界上建成一批太阳能干燥装置。 1976-1986年，我国各地建成60座左右太阳能干燥器。 温室型：与花卉温室相似，直接接受太阳能的辐射。
分散布置曲面聚焦
（串、并联）。
加利福尼亚:太阳能发电站中的太阳能反射装置
Power tower in Barstow, California
近代太阳塔热发电
槽式太阳能热发电原理图
ห้องสมุดไป่ตู้
槽式聚光器 Parabolic trough concentrator
槽式电站集热器示意图
One-axis tracking parabolic trough with axis oriented east-west
太阳房工作原理示意图
Plastic Green House
Glass Green House
被动式太阳房
主动式太阳房的 集热器外形
能源过剩型主动太阳房
Helitrope， “跟着太阳转”
4.太阳灶
利用聚光系统将太阳辐射集中在一小面积上而获得 高温的设备。因太阳炉无杂质，可获得3500℃的高温。 世界上第一台太阳灶的设计者是法国人穆肖。 我国第一台太阳灶于1956年诞生在上海。 目前全国太阳灶的保有量达到30余万台，成为世界上 推广应用太阳灶最多的国家。
太阳结构示意图
Represents the entire electromagnetic radiation (visible light, infrared, ultraviolet, x-rays, and radio waves)
ξ2 到达地面的太阳辐射
直射：直接来自太阳辐射方向的那部分辐射。
第四章 新能源：太阳能、地热能
——永恒的动力之源 ——揭开远古的奥秘
什么是新能源？
新能源是和长期广泛使用，技术上较 为成熟的常规能源(如煤、石油、天然气等) 对比而言，是一种已经开发但尚未大规模 使用，或正在研究试验，尚需进一步开发 的能源。
为什么要开发新能源？
已经探明的不可再生能源储量是十分有限 的。然而，随着社会的发展、人口的增长、环 境的恶化、资源的减少，却对能源提出越来越 高的需求。所以，只有开发持久、强大和清洁 的新能源，才能保证子孙万代的需要。