太阳能热利用(汉文)

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•集热管内流动的是高温导热油
•集热管拥有真空夹层以减少散热量 •主要投资集中于反射镜、集热管、框架结构
•定期镜面清洗对电站运行效率的提高大有益 处
未来空间太阳能热动力发电系统中的聚 光型太阳集热器
碟式聚光系统+微波能量输送
槽道式聚光系统 激光能量输送
太阳能熔炼炉的聚光型太阳集热器
法国Odeillo太阳能熔炼炉
•塑料
良好的可见光透射率但是有的塑料对于红外线的 透射率也高 机械性能好 低导热系数 低耐久性
PC——Polycarbonate
2.2.2.3 透明度
3mm 低铁平板玻璃的透射率一般高于 87%. 其中:
• 对于垂直照射的光线,5~8% 的损失来自反射 。( 当斜射时上述损失还要加大)
• 4~6% 的损失来自玻璃对光线的吸收。
管板式
滴流式
翅片管
网式
扁盒
蛇形管
翅片板
2.2.3.3 吸热板的吸热层
吸热层
非选择性
选择性
选择性吸收层
• 喷涂吸热层 (金属氧化物:吸收率90-92%,发射率 0.3~0.5) • 化学吸收层 (铝的阳极氧化:吸收率90%ε 0.2~0.3)
• 电镀吸收层 (黑镍、黑铬:吸收率95%,发射率0.08~0.1)
成像式(需要跟踪太阳)
非汇聚型
非成像式
2.1.3 根据工作温度
• 低温集热器 ( Ts<100℃) • 中温集热器 (100 ℃<Ts<200 ℃) • 高温集热器 (Ts>200 ℃)
2.2 平板太阳集热器
2.2.1 平板太阳集热器的结构
• 框架 • 透明盖板 • 吸热板 • 保温层
为了增加透明度: • 减反射薄膜 •低铁玻璃
2.2.2.4 保温
• 多层 (usually <3) • 蜂窝
• 气体夹层 (氩气)
• 真空层
2.2.3 吸热板 2.2.3.1 吸热板应当具备的特性
• 对阳光的高吸收率 • 对红外线的低发射率 • 高导热系数 • 抗腐蚀性 • 易于制造
2.2.3.2 吸热板的结构
效率曲线
η
Δt
• 集热器效率不是常数
η
• A 为集热器最高效率 • B 为集热器可以达到的最高温度 • T*----无量纲化温差
A B
T*
2.5 聚光型集热器
2.5.1 聚光率
Ac C A0
A0 Ac 这种集热器由于吸热板面积的 减小,散热量也大大减少,因 此易于获得高的集热温度。但 是这种集热器只适合于利用太 阳的直射辐射,对于散射辐射 无效。
2.2.2 透明盖板 2.2.2.1 透明盖板的功能
• 透射阳光
• 保温
• 保护吸热板
2.2.2.2 透明盖板的材料 • 玻璃 光学性能优越
玻璃允许阳光透射, 同时阻止红外线的向 外辐射
透射率
不过玻璃里的 Fe2O3 含量对玻璃的光学性 能具有巨大的影响
波长
机械性能有限 玻璃的硬度很大,这使得它耐磨性很好,但是 玻璃很脆,易于破碎。 钢化玻璃可以在一定程度上克服普通玻璃的不 足,但是也会导致成本的增加 属于阻燃材料,有利于建筑应用 相对高的导热系数 约0.77W/ m2K
2.3.2 金属板真空管集热器
2.3.2 真空管盖板集热器
2.4 集热器效率
Eloss 1 Ein
Eloss:集热器能量损失
集热器的主要热损失来自透明盖板的对外散热。该损失 (W/m2.℃) 可根据 Klein 公式计算:
N---层数
εg---发射率
公式的误差不超过 0.2 W/m2.℃,只要满足下列条件:
215 B.C. 阿基米德
动力: 1000 B.C. 埃及人就发明了使用太阳能从尼罗河抽水 的方法。 1615,Corks的太阳能水泵
1833, Ericsson太阳能引擎

19世纪-20世纪40年代
1910: 平板太阳热水器
1901: 聚光形太阳集热器、太阳灶 1947: 3000K 太阳能熔炉 1938: 太阳房 太阳能蓄热系统 (Maria Tolkes)
0.3.1 人类对太阳能的热利用
• 上古-19世纪初
种植:阳畦 居住:朝阳的房间、风水 引火:据考证,早在公元前770~前221年间,中国古人即能利
用凹面镜的聚光焦点向日取火,这是我国和世界上对太阳能的最早利用 。《周礼·秋官司寇》说:“司烜氏掌以夫燧取明火于日”。“遂”即
“阳燧”。《古今注》说:“阳燧,以铜为之,形如镜,照物则 影倒,向日则火生”。阳燧就是我们古代的太阳灶。
发展和完善
传统能源: 技术成熟、应用广泛
0.2
The World Energy Consumption During 20th Century 世界能源形势
Consumption(10e+11 kg standard coal)
250 0.2.1 世界能源需求自 20世纪以来不断增长 200 150 100 7.75 1900 15.65 1925 23.64 1950 Year 1975
I I 0 Pm
对于所有波长有
m I I 0 Pm d I 0 P 0
I P I0 如果m=1 I P I0 P 被定义为大气透明系数
m
P=0.85 P=0.80
万里无云 阳光明媚
P=0.65 P=0.53
有云 有乌云
1.3 直接辐射和间接辐射
1.3.1 直接辐射 •太阳赤纬
本课程只研究狭义太阳能 0.2.2 太阳能的特点
优点:

供应总量巨大
每年到达地球的太阳辐射能约合 1300000亿吨标 准煤 , 相当于全世界年能耗的 2×104 倍。

阳光普照 太阳辐射可以到达地球表面任何地区;

对人类而言用之不竭 太阳能可以使用几十亿年 ,这对于人类而言几 乎可以认为用之不竭;
聚光塔式锌熔炼炉
太阳灶
本章完
第三章 太阳能热水系统
3.1 太阳能热水系统
3.1.1 太阳热水系统的定义
太阳能热水系统是利用太阳能集热器,收集太阳辐射能把 水加热的一种装置。
3.1.2 太阳热水系统的分类
自然循环式 强制循环式 储箱式
3.1.3 太阳热水系统的构成
集热器
储水箱
管路系统 监测控制系统
太阳能热利用
教师:陈宁 副教授
0 绪论
0.1 新能源
0.1.1 能源的分类
基于能源生成方式分类: •一次能源 (自然形成的能源)
•二次能源 (人工形成的能源)
能源

一次能源

来自百度文库可再生能源
不可再生能源
二次能源
依据对能源的利用情况分类:
能源
新能源: 应用有限,技术上需要进一步
1.1.2 地球的自转与公转 自转 由于地球自转, 大约每小时转过 15 度
公转
太阳赤道面
地球的自转轴与太阳 赤道面成 23°27’ 的夹 角
1.1.3 太阳常数 (I0)
地球大气层外与太阳垂直表面单位面积上获得的辐射 能: I0 = 1.37 kW / m² . 在外层空间太阳辐射确实是一个定值。但是在地球表 面太阳辐射却随着月、日、时、天气、纬度的不同而 不同。通常地球表面的最大太阳辐射值为 0.8 and 1.0 kW / m² .
• 磁控溅射吸收层 (Al-N-Al, Al-C-O-Al: 0.04~0.09)
2.2.4 保温层
石棉
矿物棉
聚氨酯 聚苯乙烯
2.3 真空管集热器
真空管集热器 金属吸热板
全玻璃
2.3.1 全玻璃真空管集热器
• 玻璃——硼硅玻璃
• 真空度——<5×10-2 Pa
• 选择性吸收层 • 吸气剂
1.1.4 太阳光谱
外层空间太阳辐射波长 主要分布在 0.15-4μm的 区间。 峰值辐射波长在 0.48 μm.
海平面太阳辐射波长 主要分布在 0.29-2.5μm
外层空间太阳辐射
43% 的辐射能被 反射回太空
14% 的辐射能被大气吸 收 16% 属于散射辐射
大气层
27% 属于直射辐射
地球
1.1.5 太阳高度角

太阳能利用系统的高成本和低效率
0.2.3 太阳能热利用的形式
• 光热转换 (太阳能热利用)
太阳集热器
vacuum tube collector
flat collector

光电转换
a: 热动力转换(集热器+热机)
b: 太阳能光伏技术 太阳电池板

光-化学转换
太阳能制氢
0.3 太阳能热利用的发展史
284 n 23.45 sin 360 365
δ——太阳赤纬 n ——天数序号
若φ and ω 分别代表纬度和太阳时角,则
sin h sin sin cos cos cos
那么太阳的直接辐射为:
2n sin h I n 1353 (1 0.033 cos 365 sin h c c——透明度修正系数 (0.33 晴天)

洁净而安全
不足:

能量密度低
尽管太阳能总量巨大,但是地球表面单位面积上 获得的太阳能量却十分有限。夏季晴天正午的 太阳辐射强度约 1kw/m2。到了冬季上述值要下 降一半,而遇到阴天更会下降4/5。

供应不稳定 太阳能的供应量随着昼夜、季节、阴晴而变化,极 不稳定,因此太阳能利用装置往往离不开蓄能装置 ,这会引起系统复杂性和成本的大幅度提高。
207
0.2.2 世界能源结构不断变化
85.7
0.2.3 世界范围的能源危机 50
0
2000
0.2.4 人类对新能源的探索
可控核聚变 太阳能
风能
生物质能
地热能
潮汐能
0.2 太阳能的应用
0.2.1 太阳能的定义
狭义太阳能:指太阳直接辐射到地球表面的热辐射能;
广义太阳能:不仅包括太阳直接辐射到地球表面的热辐 射能,还包括由于太阳辐射引起的间接形式能量,包括 风能、水利能、潮汐能、洋流能以及包括煤炭、石油在 内的生物质能。 事实上,地球上除了地热能和核能以外 的所有能量都属于太阳能。
• 太阳辐射能计算
• 太阳集热器
• 太阳能供暖和制冷 • 太阳能热动力发电 •太阳池 • 太阳能蒸馏
本章结束
1. 太阳辐射能
1.1 基本概念
1.1.1 太阳辐射
E0 T 4 3.8 10 20 MW
若太阳与地球之间距离为 D且地球直径为d,则到 达地球的太阳辐射能(E)为 :
d 2 E E0 1.7 1011 MW 4D 2
h 地球表面
1.1.6 大气质量
L' 1 m L sin h
m 为大气质量
L’ L h 地球 大气层
1.2 大气的影响 1.2.1 大气透明度
m-大气质量 1/sinh
α- 对于某波长的大气透 由Bouguer-Lambert定律,对于特定波 明系数 长的辐射有: I I 0e m
1.3.2 间接辐射 散射辐射
1 Pm I sh 0.5I n sin h 1 1.4 ln P
反射辐射
1.4 中国的太阳辐射资源
本章结束
2. 太阳集热器
2.1 太阳集热器的分类
2.1.1 按照透明盖板的形式分 •平板集热器
•真空管
2.1.2 按照阳光是否被汇聚
太阳集热器
汇聚型
2.5.2 聚光型集热器的不同构型
聚光型集热器大体可以分为两大类: • 3D 聚光集热器
• 2D 聚光集热器
2.5.3 聚光太阳集热器应用实例
太阳能热动力发电 •地面系统 •空间系统 太阳能冶炼
太阳灶
地面太阳能热动力发电系统中的聚光型 太阳集热器
美国的碟式太阳田
美国的太阳塔
美国槽道式太阳电站 •沿东-西周布置的槽式聚光集热器
1950s- 现代
现代太阳集热器 现代太阳房——供暖,空调,蓄热 热动力发电和光伏发电 • 1950s- 1970s

• •
1970s
1980s 1980s-现在
0.3.2 中国近现代太阳能热利用
1970s以前
1958: 天津大学在西藏建设了第一代太阳集热器;
1974: 上海太阳能大会
1970s-1980s
3.2 家用太阳能热水系统
3.2.1 家用太阳能热水系统的要求
• 集热效率较高 • 系统投资成本低 • 冬季防冻能力好
• 保温能力强
• 运行智能化程度高 • 维护简单
自然循环系统(或顶出式系统),极 个别大型系统才采用强制循环系统
1975: 第一届全国太阳能大会
1979: 太阳能协会建立 (CSES) 1980s以后我国太阳能热利用技术正式得到了长足进步 •家用太阳能热水器生产和装机量世界第一; •太阳能热动力技术进步迅猛,内蒙拟建设世界最大 的太阳能电站,装机总容量200万千瓦; •太阳能与建筑一体化技术方兴未艾;
0.4 本课程的主要内容
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