太阳能讲解课件

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1、1,第二章 太阳能（Solar Energy）,2,1. 概论 2. 太阳集热器 3. 太阳热水器 4. 太阳灶 5. 太阳房 6. 太阳能干燥 7. 太阳能温室 8. 太阳能制冷与空调 9. 太阳能热发电系统 10. 太阳能光伏发电系统 11. 太阳能技术发展趋势,内容提要,3,特点：能量密度低并高度分散压；资源丰富可再生；清洁环保；部分能源具有间歇性和随机性；利用技术难度大。,2.1 概论（Introduction）,1998年世界能源消费构成,数据来源：BP Statistical Review of World Energy, 6 2003,4,2.1 概论（Introduction）

2、,2.1.1 新能源与可再生能源,5,太阳常数：在地球大气外面正对着太阳的 1 m2面积上，每分钟接受的太阳的能量，1367 W,相当于全世界一年内消耗的能源总量的0.015%，被用为燃料和食物的仅占0.002%,太阳辐射总能量3.751026 W,到达地球173104 亿KW,大气吸收23%,反射30%,到地球47%，81104亿KW,到达陆地17104亿KW,太阳的能量：,6,第一阶段：1615-1900年，1615年的第一台太阳能抽水泵。价格昂贵 第二阶段：1901-1920年，世界将太阳能作为研究的重点，主攻太阳能动力装置，最大输出功率74 KW 第三阶段：1921-1945年，太阳能

3、开发的低潮，化石燃料大规模应用 第四阶段：1946-1965年，太阳能基础理论和材料的研究 第五阶段：1966-1973年，低潮，投资大，技术不成熟 第六阶段：1973-1980年，中东战争爆发，石油价格上涨，太阳能研究列入各国发展计划 第七阶段：1981-1991年，潮落，石油价格回落，500KW电站20多座 第八阶段：1992-至今，化石能源的环境危害，光伏发电高度发展。,太阳能利用的历史：,7,光热利用：平板式集热器，真空管式集热器，聚焦型集热器 太阳能发电：光-热-电转换，光-电转换 光化作用：将光能转化为化学能，例如将水分解制氢 光生物利用：光能转化为生物质能，速生植物、油料作物、巨

4、型海藻等。,太阳能利用方式：,8,描述太阳能的常用单位：,辐射通量：太阳以辐射形式发射出的功率，亦称辐射功率，单位W 辐照度：投射到单位面积上的辐射通量，单位W/m2 曝辐射量：从单位面积上接收到的辐射能，单位J/m2 太阳常数：,9,太阳能资源带的分类标准：,10,热传导：气体中分子碰撞，绝缘体中分子震动，导体中电子热运动Fourier热传导定律：热传导速率与温度梯度及热流通过的截面积成正比,qk 热传导率W， 导热系数W/(m.K)，A 截面积m2，T 温度 K，X热流方向的距离m,太阳集热器定义：吸收太阳辐射并将产生的 热能传递到传热工质的装置。,它是太阳能热利用系统的关键部件，太阳热水

5、器、太阳灶、太阳房、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电,太阳能热利用中的传热学基础,对流：在液体或气体中流体微团在空间改变自己的位置，实现热能的传递Newton冷却定律：对流的换热速率是跟表面与流体的温度差以及与流体接触的表面积成比例,qc对流传热速率W，hc对流换热系数W/(m2.K)，A 与流体接触的面积m2，Ts，Tf表面温度 和流体温度K,只能在气体或液体中进行,11,qR 辐射功率W， 常数 5.67 10-8W/m2.K4, 发射率，A 表面积 m2，T 表面温度K,镜反射，入射角等于反射角 漫反射，物体表面均均，它对投射的太阳辐射无差别的向所有方向反射 镜漫反射

6、，既有镜反射又有漫反射。,太阳能热利用中的传热学基础,辐射：物体的部分热能转变为电磁波-辐射向外发射。Stefan-Boltzmann定律：物体的辐射功率是跟物体温度的4次方及物体的表面积成比例,反射的类型：,12,按传热工质分：液体和气体集热器 按是否聚光：聚光型和非聚光型 按是否跟踪太阳：跟踪和非跟踪 是否有真空：平板型和真空管 按工作温度：低温200,2.2.3 平板型集热器,结构示意图：,2,3,4,平板型集热器构造示意图,1,1-透明盖板，2-吸热板，3-隔热层，4-外壳，5-流体通道,5,13,吸热板的基本类型,吸热板的类型：,I）管板式，国内外使用较普遍 II）扁盒式，焊接难度大

7、 III）翼管式，材料用量大，工艺较复杂 ）蛇管式，流体阻力大,）蛇管式,14,最大限度地吸收太阳辐射并能将其转化成热能，呈现深色。分选择性和非选择性吸收涂层。,吸热板上的涂层（关键）：,平板型集热器的缺点：,热传导-底部和侧面隔热层 对流传热-吸热板与透明盖板之间的空气 辐射传热-吸热板与透明盖板之间；透明盖板与天空之间,15,热管式工质热容小，启动快，干性连接，易安装,全玻璃真空管集热器,将吸热体与透明盖板之间的空间抽成真空,热管式真空管集热器,1-内玻璃管，2-外玻璃管，3-选择性吸收涂层，4-真空，5-弹簧支架，6-消气剂,1-热管冷凝段，2-金属封盖，3-玻璃管，4-金属吸热板，5-

8、热管蒸发段，6-弹簧支架，7-蒸散型消气剂，8-非蒸散型消气剂,16,定义：是一种盐的浓度随深度增加而增加的盐水池，更确切地说，是具有盐度梯度的水池。由于浓度较大的盐水密度也较大，因此只要池内盐水的浓度梯度足够大，即使在下部温度高于上部温度时，池水也不会发生对流，所以太阳池也称为无对流的盐水池。,太阳池可以利用自然现象，即自然界中存在的一些具有盐度梯度的湖泊。是一种特殊形式的自然集热器。,17,人工太阳池的制备方法,自下向上分层充液的方法，先充浓度大的液体，再充浓度小的液体，即越往上其溶液浓度越低。 先充浓度低的溶液，然后从底部注入浓度较高的溶液。 对于大型太阳池，先理论计算需要盐量，再将盐一

9、次倒入池中，并加以适量的淡水，用水泵搅动池内的水，将盐溶解制成饱和溶液，在制备好的饱和溶液上方，再加淡水直到预定的太阳池液面。此时太阳池分为上、下两层，如果由上、层同时抽水，经过一个三通再从两层之间注水入池，这样，太阳池就形成了三层。此后，可以在任何相邻两层之间重复这一过程，直到形成所需要的层数为止。,维持池内盐度的方法：经常向池底补充盐分，同时清洗表面等。,18,太阳池的能量利用办法：,在池底布置热交换器，工质在泵的作用下进入热交换器，从太阳池底部吸收能量，温度提高后流出。,利用池内的密度梯度实现分层流动，从下层对流区的一端抽取热的池水，在池外的热交换器中放出热能，温度降低后再从另一侧返回池

10、的底部。,太阳池的应用形式，供暖、盐水淡化、制盐及太阳能热发电等方面。,19,根据集热温度和结构：低温集热（+10-20）；中温集热（+20-40 ）；中高温集热（+40-70）；高温集热（+70-120, -室外温度）。,太阳能热水器的分类多种多样，不必拘泥于一种形式,太阳热水器由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关部件等组成。,集热器与储水箱结合方式：一体的为闷晒热水器；紧密结合为整体热水器；分离的为分离热水器。,根据集热工质循环特点：自然循环热水器；强迫循环热水器；直流热水器。,根据工质循环次数：低一次循环热水器（单回路循环）；二次循环热水器（双回路循环）。,根据集热温

11、度的材料：金属；玻璃；塑料,根据热水使用时间：季节性、全年性、全天候热水器,20,太阳热水器的储热水的量在0.6 t以下为家用太阳热水器，0.6 t以上则为太阳热水系统或太阳热水工程。,1891年美国马兰里州的肯普发明第一台太阳能热水器,2.3.3 太阳热水系统,闷晒式： 特点是水在集热器中不流动，闷在其中受热升温，故称闷晒式。这种热水器结构十分简单，当集热器中的水温升高到一定值时即可放水使用。,直流式：直流式是由集热器、蓄热水箱、补给水箱和连接管道组成的开式热虹吸系统,热吸虹型直流式热水系统,热虹吸型直流式热水系统的补给水位由浮球阀控制，使之与集热器出口热水管（上升管）的最高位置一致。,21

12、,定温放水型直流式热水系统,集热器的出口装有感温元件，通过控制器操纵集热器入口管路上的电磁阀或电动阀，使出口水温能始终满足使用要求。,22,循环型热水器：循环型太阳能热水器,自然循环型和强迫循环型,23,循环型热水器,采用定温放水及小的循环水箱加快了热水的循环，提高了热效率，并可多产热水。另一方面用水又需要一定压头，使蓄水箱的位置高低受到很大限制，也限制了该热水系统的使用,24,太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取能量，进行烹饪食物的一种方式。,一台截光面积为2 m2的聚光太阳灶，每年可以节省约1 t的农作物秸秆。,我国目前已经推广应用的太阳灶有30万台。,2.太阳灶的性能和

13、结构类型,具有一定的高温，耐候性能，距离可调性，与人体保持一定的距离。,箱式太阳灶：食物蒸煮、烘烤。 聚光太阳灶：可获得500左右的高温 综合型太阳灶：箱式和聚光型的结合,25,利用太阳能进行采暖和空调的环保型生态建筑，必须具有辅助热源，包括煤、气、油或电能。,2.5.2 太阳房的原理和类型,基本上分为：主动太阳房、被动太阳房和热泵式太阳能采暖系统,主动式太阳房-是在建筑与结构按太阳房技术条例设计与建造基础上通过集热器、贮热器、管道、风机或水泵等设备来收集、贮存及输配太阳能，向建筑供暖。,被动太阳房-是依靠建筑物本身的合理布局，通过窗、墙、屋顶、地面及设置的建筑结构尽量多地吸收和贮存太阳能，以

14、自然的辐射、对流和传导方式传热，它无须专门的集热器、贮热器、管道、风机或泵等设备。,26,a. 直接受益式:它是利用阳光直接透过大面积的玻璃窗进入室内，照射到墙壁、地板及家具上，使其吸热，受热体温度升高，然后通过辐射与对流等换热方式加热室内空气与其他未受太阳辐射的墙、地板与物体等，提高其温度，提供采暖。,被动太阳房的类型,b. 集热墙式:由法国学者特朗勃提出的一种集热取暖方式，故也 称为特朗勃墙式。南面一层或两层玻璃板后面为一道重型结构的集热墙，墙外表面涂有黑色涂料，上下开通风口，并设有可开闭的活门。玻璃板和集热墙之间留有10- 20 cm的间隙，当阳光透过玻璃板照射在集热墙上时，被墙吸收，其

15、外表面温度升高，所吸收的热量，一部分通过玻璃板向室外散失；一部分加热夹层中的空气，从而使 空气与室内空气的密度不同，可通过上下通风口形成自然对流，由上通风口将热空气送入室内，室内的空气由下通风口流入夹层被加热，如此循环对流向室内供暖；剩下部分则通过集热墙体导热传至墙内壁，室内空气通过与之对流换热提高温度。为防止在阴雨天气或晚间无太阳辐射时夹层中的空气倒循环，将上下通风口关闭。,27,被动太阳房的类型,c.附加阳光间式:在居室的南墙外建一玻璃罩着的阳光间。阳光 间与室内空间由墙及窗隔开。其供暖方式是集热墙与直接受益式的结合，这种形式的阳光间可以用来养花或培植植物，但玻璃表面积大散热损失大，因而降

16、低了收集阳光的有效热量。,d.屋顶集热蓄热式:将充满水的黑色塑料袋放在屋顶上。在冬天白天，太阳辐射把水 加热，由于其下的屋顶不设保温层，热量透过屋顶传入室内；在晚上，用保温板遮盖塑料水袋，以减少热水向室外环境散热。水的热容量很大，可以储存较多的能量，以满足晚上室内采暖的需要。,e.自然对流回路式:设计的构思是，设法增加南墙的集热面积，以便提高室内温度。这种太阳房白天直接依靠太阳辐射供暖，多余的热量被热容量大的建筑物本体（如墙、天花板、地基）及由碎石填充的蓄热槽吸收；夜间通过自然对流放热使室内保持一定的温度，达到采暖的目的。,28,29,热泵技术-是反向使用的制冷机，它的热能大部分来自周围环境，只有一少部分是由电能转变而成，将低温环境的热能转移到温度较高的环境中。,1-压缩机，2-蒸发器，3-热输入，4-节流阀，5-高压液体，6-热输出，7-冷凝管,热泵性能好坏衡量指标：,理想循环中，此系数与温度差成反比：,卡诺循环效率,例题：温度从10 的热源给40 的冷源，则得到的性能系数为？（系统各部件总效率为0.5）,