太阳能热利用原理与技术

二．地球绕太阳的运行规律
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。
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%。
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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。
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
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。
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。
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
E mc2 0.0481024 (31010 )2 erg 0.000 043 erg 4.31012 J
太阳发出的能量及寿命
• 在太阳中心区有0.1 R⊙的氢燃烧就能释 放能量 E 1.28 1044 J ，这可以供给太 阳辐射（光度L⊙）寿命t达： • t=E/L⊙=1.28×1044J/3.845×1026W=3.32 ×1017s≈1×1010年
• 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。
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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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美国建立了首座5000kW的塔式热发电厂；
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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。