太阳能利用科学-PPT课件(共8单元)第四章太阳能光热转换和热存储技术

第四章 太阳能光热转换和热储存技术2目录1 太阳太阳热辐射射传热过程程2太阳能集太阳能集热器表面涂器表面涂层材料材料发展展3太阳能太阳能热能能储能能4显热储存存5相相变储热（潜（潜热储存）存）6化学化学储热7太阳能太阳能热储存的存的经济性性31.太阳热辐射传热过程太阳热辐射传热过程1.热辐射规律热辐射规律4太阳辐射：一种电磁波传递能量的现象。热辐射（thermal radiation）：由于热的原因而产生的电磁波辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。只要物体的温度高于绝对温度零度（0 K），物体会不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时亦不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射传热：指物体之间相互辐射与吸收的总效果。当物体与周围环境处于热平衡时，其净辐射传热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。1.热辐射规律热辐射规律5 由于辐射是通过电磁波传递的，它存在区别于导热、对流的两个特点：（1）热辐射可以在真空中传递，而且在真空中传递效率最高；（2）在辐射与吸收过程中伴随着能量形式的转变，即辐射时从热能转换为辐射能，被吸收时又从辐射能转换为热能。热辐射一般遵从四个重要规律：基尔霍夫辐射定律 普朗克辐射分布定律 斯蒂藩-玻尔兹曼定律 维恩位移定律这四个定律统称为热辐射定律。2.热辐射特性热辐射特性61.传播速度在真空中，热辐射的传播速度与光速相同（光速c0=2.9981010cm/s），而在介质中的传播速度c小于c0。为描述在介质中辐射的传播特性，由频率及在介质中的光速c，可知它们之间的关系为：(4-1)2.吸收、反射和透射当热辐射的能量投射到一个物体表面上时，与可见光一样，也会发生吸收、反射和透射现象。设物体所吸收、反射和透过的辐射在投射辐射中所占的份额分别为、和，则根据能量守恒定律，有：(4-2)式中，、分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和透射比。2.热辐射特性热辐射特性7当辐射能进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就被吸收完了。对于金属导体，这一距离只有1 m的数量级；对于大多数非导电体材料，这一距离亦小于1 mm。实际中工程材料的厚度一般都大于此数值，故可认为固体和液体不允许热辐射穿透，即=0，此时则有：(4-3)因而，就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射能力就小。反之，吸收能力小的物体其反射能力就大。2.热辐射特性热辐射特性8 当辐射能投射到气体上时，此时与投射到固体和液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为反射比=0，则有：(4-4)显然，吸收能力大的气体，其透射能力就小。综上所述，固体和液体对投入辐射所呈现的吸收和反射特性都是在物体表面上进行的，而不涉及物体内部。因而物体表面的状况对这些辐射特性的影响是至关重要的。对气体而言，表面状况则无关紧要，因为辐射和吸收是在整个气体容积中进行的。3.物体表面的反射辐射能投射到物体表面后的反射现象和可见光一样，有以下四种不同的类型，见图4-1：2.热辐射特性热辐射特性9图4-1 物体表面的反射及透射性能示意图2.热辐射特性热辐射特性10 （1）镜反射物体表面非常平整光洁，当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时反射角等于入射角，如图4-1（a）所示。（2）镜漫反射当物体表面以镜反射为主，但围绕镜反射的还有部分漫反射时，称为镜漫反射，如图4-1（b）所示。（3）漫反射物体表面非常均匀，当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射，如图4-1（c）所示。（4）混合型反射物体表面既有漫反射，又有镜反射时，称为混合型反射，如图4-1（d）所示。跟反射的情况相类似，物体表面对辐射的透射也有四种不同的类型，它们分别是“镜透射”、“漫透射”、“镜漫透射”和“混合型透射”，分别如图4.1（e）、（g）、（f）和（h）所示。3.黑体辐射规律黑体辐射规律11 1.黑体的概念 不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同而千差万别，这给热辐射的研究带来很大的困难。因而，我们从理想物体入手进行研究，吸收比=1的物体叫做绝对黑体（简称黑体）；反射比=1的物体叫做镜体（当为漫反射时称做绝对白体）；透射比=1的物体叫做绝对透明体（简称透明体）。作为一个理想的辐射吸收体，黑体能全部吸收投射在其上的辐射，且它的这种吸收能力对所有波长及投射方向的辐射都相同。黑体可作为标准体来衡量实际物体对辐射的吸收能力，其所发射的辐射能最大，所以它也是衡量实际物体辐射能力大小的标准体。3.黑体辐射规律黑体辐射规律12自然界中并不存在真正的黑体。炭黑、铂黑、金黑等物质对某些波段辐射的吸收能力接近于黑体。黑体的名称来自一个对可见光具有强烈吸收能力的物体给人的视觉效果是呈黑色的。但是，人眼几乎无法探测热辐射中主要波段（0.8 m）的辐射。例如，白漆是室温下发出远红外辐射非常好的吸收体，即白漆对远红外辐射的吸收能力十分接近于黑体。3.黑体辐射规律黑体辐射规律13设有一个温度均匀一致的腔体，并设腔壁是黑体。如将一个黑体放入腔内，则经过一段时间后，腔体和黑体将达到某一平衡温度。由于黑体对来自腔壁的辐射能全部吸收，因此，为保持热平衡，它发出的辐射能也必将最大。若腔体内放一个吸收能力比黑体弱的一般物体，经过一段时间后，同样会达到平衡状态。但这个物体不可能全部吸收来自腔壁的辐射，为保持热平衡，它所发射的辐射能也必将小于黑体。由于周围特性对黑体的发射不产生影响，故黑体发射辐射能的特性只是温度的函数。3.黑体辐射规律黑体辐射规律142.黑体热辐射的基本定律黑体在热辐射分析中有其特殊的重要性，在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。关于黑体热辐射有三个基本定律，它们分别从不同的角度揭示了在一定的温度下，单位表面黑体辐射能得的多少及其随空间方向与随波长分布的规律。（1）普朗克定律：黑体的光谱辐射力与绝对温度T和波长之间的函数关系，其数学表达式为：(4-5)3.黑体辐射规律黑体辐射规律15（2）斯蒂藩-玻尔兹曼定律若对式（4-5）式在波长为0 的范围内积分，有：式中，b(T)为温度为T时单位面积黑体的辐射功率，W/m2；为斯蒂藩-玻尔兹曼常数，其数值为：(4-6)(4-7)式（4-6）即为斯蒂藩-玻尔兹曼定律，它表明单位面积黑体在所有方向及全部波长范围内发射的辐射能与绝对温度的四次方成比例。3.黑体辐射规律黑体辐射规律16（3）维恩位移定律维恩定律给出了黑体的单色辐射密度为最大值时的波长m的函数关系，此关系式可由求,b(,T)对 的一阶导数并使之为零得到。其表达式为：维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。若认为太阳表面是6000 K,m=0.48 m时太阳表面的单色辐射密度最大。(4-8)3.黑体辐射规律黑体辐射规律173.物体表面间的辐射换热（1）辐射强度由物体表面发出的辐射是向所有方向传播的；同样，投射在物体表面的辐射也来自所有方向。为研究物体表面间的辐射换热，首先要了解离开物体表面的辐射及投射在物体表面的辐射在空间随方向的变化情况。为此，引入辐射强度的概念。在图4-2中，设A1是所论的面元，为其法线，所论方向与法线方向之间的夹角为,是围绕所论方向的一个立体角，中包含的辐射都通过与所论方向相垂直的面元dAn。设单位时间内由面元dA1发出的包含在d内的辐射流为d2q，则面元dA1在所论方向的“辐射强度I”定义为：(4-9)3.黑体辐射规律黑体辐射规律18所以，辐射强度是物体表面在与所论方向相垂直的平面上的单位投影面积、单位立体角内的辐射流。图4-2 辐射强度的定义3.黑体辐射规律黑体辐射规律19虽然辐射强度的定义式（4-9）是基于由表面dA1所发出的辐射流得到的，但它同样适用于投射辐射。因此，如果已知dA1上的投射辐射在方向上的辐射强度为I，则式（4-9）中的d2q就是dA1所接收的包含在d内的投射辐射流。下面，我们仅讨论辐射和反射性能都是朗伯表面（如果物体表面的辐射强度在所有方向都相同，即I为常数，这种表面称为朗伯表面）的物体间的辐射换热，并且对热辐射来说，物体间的介质都是透明的。（2）角系数物体之间的辐射换热不仅与其热辐射性质（发射率、吸收比、反射比等）和温度有关，还与其几何形状及其在空间的相关位置有关。3.黑体辐射规律黑体辐射规律20物体本身的几何形状及其相对位置对辐射换热的影响，可用“角系数”来表示。表面1对表面2的角系数F1-2，是指来自表面1的投射在表面2上的辐射流和离开表面1的全部辐射流的比例。角系数有下述几个重要性质：1）互换关系，即：式中，Ai和 Aj为表面积。2）对于由N块表面组成的封闭腔，根据能量守恒定律有：(4-10)(4-11)3.黑体辐射规律黑体辐射规律213）对于平面和凸面，有：4）对于凹面，有：计算形状复杂的物体间的角系数相当麻烦。常用的角系数计算，可查阅有关的专著和手册。(4-12)(4-13)3.黑体辐射规律黑体辐射规律22本身辐射、投射辐射和有效辐射本身辐射、投射辐射和有效辐射“本身辐射”是指物体自身发出的辐射。设想一个观察者位于物体内部，则可以“看到”本身辐射是穿过物体表面而向外的辐射。定义由物体单位表面积发出的辐射功率，称为本身辐射密度，用e表示，其数值跟物体的发射率和温度有关。根据发射率的定义及斯蒂藩-玻尔兹曼定律，可知本身辐射密度e为：(4-14)3.黑体辐射规律黑体辐射规律23“投射辐射”是指由外界投射在物体表面的辐射。物体单位表面积所接受到的投射辐射流，称为投射辐射密度，用G表示。“有效辐射”是指物体的本身辐射与物体对投射辐射的反射辐射之总和。显然，有效辐射是位于外界的观察者所“看到”的离开物体表面的全部辐射。物体单位表面积的有效辐射，称为有效辐射密度，用J表示。根据定义，有：(4-15)3.黑体辐射规律黑体辐射规律24两块平板之间的辐射换热两块平板之间的辐射换热设有两块靠得很近的平行放置的平板，不仅都是灰体，而且都是“朗伯表面”，如图4-3。图4-3 两块平板之间的辐射换热示意图计算这两块平板之间的辐射换热，可用“射线跟踪法”，也可用“差额法”（或称为净流法）。现采用差额法来讨论。3.黑体辐射规律黑体辐射规律25在图4-3中，J1和J2分别为从表面1和表面2离开的有效辐射密度，并可表示为：式中，eb1为与表面1同温度的黑体的辐射密度；b2为与表面2同温度的黑体的辐射密度1、G2分别为表面1和表面2的投射辐射密度，1、2分别为表面1和表面2的反射比。由于两块平板的面积很大，而且靠得很近，故角系数可以认为是1，即离开一块平板表面的辐射流将全部投射在另一块平板表面上。所以有：(4-16)(4-17)(4-18)(4-19)3.黑体辐射规律黑体辐射规律26利用式（4-18）和式（4-19）对式（4-16）和式（4-17）求解，可得：对于不能透过热辐射的物体，1=1-1，2=1-2；又因为假定两块平板都是灰体，故1=1，2=2。将这些关系式代入式（4-20）和式（4-21），可得：(4-20)(4-21)(4-22)(4-23)3.黑体辐射规律黑体辐射规律27物体的“净辐射换热密度”qnet是有效辐射密度与投射辐射密度之差，即：显然，平板表面1的净辐射换热密度qnet,1为：根据式（4-19），由于J2=G1，所以，将式（4-22）和式（4-23）代入式（4-26），可得：(4-24)(4-25)(4-26)(4-27)3.黑体辐射规律黑体辐射规律28对于两块平板之间的辐射换热，平板表面1和平板表面2的净辐射换热密度的绝对值应该式相同的。所以，平板表面2的净辐射换热密度qnet,2应为：若每块平板的面积为A，其温度分别为T1和T2，则它们之间总的净辐射换热量为：式中，为所论辐射换热系统的有效发射率：(4-28)(4-29)(4-30)3.黑体辐射规律黑体辐射规律29由式（4-29）可知，辐射换热量与温差之间的关系不是线性的。如果平板温度不是很高，且温差也比较小，则可将式（4-29）线性化。这样就与导热热阻及对流热阻一样，可