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1、太阳能热利用的基本知识一、关于太阳的一些小常识 太阳发出的总功率为3.81026W，它的能源以光、热、各种射线及太阳风向广阔无垠的宇宙散发，我们地球上一切能源都直接、间接来自太阳太阳的表面温度达到5762K（即5489） 太阳半径为6.95105km，它的质量占到太阳系（包括九大行星）总质量的97% 太阳到地球的平均距离为1.495108km 太阳投射到地球大气层上界的功率为1.7251017W，这一能源相当于100亿亿度电，等于二十世纪末地球上总发电量的几十万倍，这些能量的去向有30%返回宇宙，47%被大气层地球表面吸收，23%变为风、水的原动力，0.02%进入生物世界。 太阳发出巨大功率是
2、靠它的每时每刻不断进行的热核聚变，在这一过程中，氢的同位素不断聚变为氦，同时放出能量。 太阳已诞生了几十亿年，这样的热核聚变也进行了几十亿年，太阳还将燃烧几十亿年。人类的历史只有几百万年，和太阳的历史相比是非常短暂的，因此，对于我们人类来说，太阳能是取之不竭，用之不尽的能源。二、地球上主要的能源形式中，人们利用最多的都是直接或间接地来自太阳。 矿产能源如煤、油，都是亿万年前光合作用产物的遗骸形成的。 地表的水力能、风能、潮汐能归根结底还是来自太阳。 没有阳光，没有光合作用就没有柴薪禾秸和其它生物能源，更没有人类和一切动物。三、太阳能到达地球表面最主要的形式是光能，光能可以直接转变为热能和电能以
3、供人类享用。 太阳能的光-电利用形式很多，如在偏僻分散居住地，人们用它来作照明及提水的动力，在卫星、飞船上，用阳光电池板生产的电作为它们工作的主要能源，在美国的亚利桑那州，已经有功率达到上万kw的大型矩阵式阳光电站，当然，它还只是一个实验工程。 太阳能的光-热利用形式就更多、更早，技术更成熟，因而也就更普及，规模更大。最简单的，用阳光晒谷物古来有之，阳光温室为农作物的增产手段使用也很多。特别是二十世纪后二十年，全世界包括中国，大规模、广泛地应用了太阳能热水器的技术四、太阳能热水器用一个桶或盆，盛上水，放在太阳下晒一段时间，可以得到一定温度的热水，这其实就是最原始的太阳能热水器，当然它的热效率非
4、常低。上世纪后期，随着世界性的能源短缺、污染严重，人们开始寻找碳氢矿物燃料的替代品，而太阳能是人们的首选，特别是人们生活需要的热水，水温不太高，投资不大，一次投资长期受益，生活水平提高了，热水需要量也越来越大，所以太阳能在这一领域内应用广泛，数量大。太阳能热水器主要有这样几种类型：1、闷晒式，如桶式、袋式，装满水，只要外表涂上黑色，阳光充足时使用效果就不错，它的优点是价格低廉，使用场地不限，制造容易，早期较多，现仍有少量使用，它的热效率低，不能全年使用。 2、平板式，顾名思义，它的受热面是一个平板，在这个板式装置涂了黑色物质，以加强吸热效果，通过水的循环将热量传递到水箱中。这种热水器曾经占据太
5、阳能热水器市场的主导地位，它的优点是价格相对较低，工艺简单容易制造安装，缺点是在阳光偏照时热效率低，在北方不能过冬，使用寿命短。至今我国南方广大地区仍在大量使用。3、真空管式，这种热水器在上世纪八十年代诞生，目前是我国大部分地区市场的当家产品。它以涂有黑色镀膜的真空玻璃管为集热元件，集热效率高，热损失小，可以一年四季使用，随着生产规模扩大，这种热水器的价格已经降至城乡广大用户接受，使用的人越来越多。 4、真空管-热管式，这种热水器的技术含量更高，它在普通真空管的基础上加装了一种超导传热元件，通常用铜管制作，人们称它为热管。它的真空管内无水，避免了水垢的严重影响，也不会因真空管冻裂炸裂造成大量漏
6、水，热效率明显高于普通真空管式热水器。它的成本稍高于真空管式热水器。但是它的上述特征使得这种热水器更适用于大面积热水系统工程，尤其是宾馆、洗浴行业、部队、学校和企事业单位。 热管技术简介一、什么是热管？热管，顾名思义，是用来传导热量的一种管子。叫它为管，只是最初试制出的形状为管状，使用较多的形式也是管状，实际上，利用热管的工作原理可以将这类导热元件做成各种形状，例如还可以做成板式，管式也可以按使用要求做成各种异形管。热管技术最初由美国人发明，上世纪五六十年代传入中国，此后在热力、化工、冶金等行业都有相当广泛的使用。二、热管的工作原理：在小学自然课或中学物理课中，我们知道，热量的传导有三种基本形
7、式，即传导、对流和辐射。这里举三个常见例子说明。找一根铁棒，一端放在火上烤，另一端握在手中，过一会儿手上也会感到铁棒热起来，这是因为热量从铁棒一端传导至我们手握的这一端。冬天如果我们用柜式空调机向室内供暖，柜机吹出热风一定时间后，整个屋子的温度都会升高，室温的升高靠的是柜机吹风使空气对流，从而达到传热的目的。太阳远距地球1.5亿千米，这中间隔着遥远的真空空间，它的热量却可直达地球，这种热量传导方式我们称它为辐射。实际人们的生活中或工业技术上利用热能时，往往是三种传热方式在一起发生作用，有时这种为主，有时那种为主。而热管能传热也是三种方式的综合体，但它同时又利用了物质的另外一种物理特性，这种特性
8、就是相变原理。所谓相变就是物质的气液固的三态变化。典型的，如水，在常压下，水在温度降至0时会结为冰，0100时是液体。100以上时又会变为气体。在这个变化过程中，水升温会吸热，水降温会放热。比如，1千克水从0升至1，它所吸收的热是1大卡（4.186k焦尔），但是当人们对水的蒸发过程进行测试时，却发现1千克100的水完全变成100的蒸汽时，所需要的热量是536大卡（2244k焦尔）。反过来，水从气态变为液态时，放出的热量也是相同的。热管之所以具有导热快、传热效率高的优势，就是因为它利用了热管内工质快速地发生气-液液-气转变的特性，在一端快速高效吸热，另一端快速高效放热，工质不断在热管内往复循环，
9、也就源源不断地将真空管内收集到的热量（从阳光转换来）传递到水中。热管技术在太阳能热利用行业中的应用。由于热管可以高效传导热量，因此在太阳能热利用事业中，特别在太阳能热水器和大面积太阳能热水工程中都有广泛应用。这方面的技术主要有两种来源。一是有的企业从德、美等国家引进的热管技术。他们有的采用大直径的玻璃管，管内放置热管，加以肋片导热，将热管与玻璃管密切联接为一体。有的利用现有的玻璃真空管中插入热管（有的厂家不使用热管的名称，以区别国内现有的热管技术，就其工作原理讲实质上就是热管）。二是由清华大学热能系李元哲教授研制成功的不等径紫铜热管。这种热管从工质的配方、加注量、热管的各部位尺寸都作了千百次的
10、优化计算和实际测试，这种热管在上世纪九十年代初研制成功，随即投入产品和工程实际应用。几种热管各有特点，都为世界领先水平，相比而言，李教授研制成功的热管比引进德美等国技术成本要低的多，具有自主知识产权，更适合中国国情。现在，清华索兰环能技术研究所应用热管技术，可以为广大用户、太阳能产品经销商、太阳能热水器及大面积热水系统的生产、安装施工单位提供诸多服务，包括： 生产和供应热管-真空管式家庭太阳能热水器。 承接企事业单位、部队、学校、宾馆、洗浴中心等大面积太阳能热水系统工程，可以采取工程总包方式，也可以采取供应主要设备、元件作出设计，指导用户或代理单位自己施工的方式。 为太阳能产品经销商和太阳能热
11、水器生产厂家大量供应热管。所供热管可以与当今热销的各种规格真空管配套。 转让热管生产技术，建立热管生产线。太 阳 能 热 利 用(一)太阳能集热器：太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器.按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。另外还有一种真空集热器 一个好的太阳能集热器应该能用20-30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40-50年且很少进行维
12、修。 (二)太阳能热水系统：早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：（a）自然循环式 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像（thermosiphon），促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集
13、器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。（b）强制循环式热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀（）以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间內的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处；但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式
14、热水器。(三)、暖房 太阳能暖房系统（）利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室內必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室內暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器內的工作流体将热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置內、直接装设在房间內或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冷暖房
15、的热（）装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室內或室外空气驱动至此储热装置中吸热，在把此热空气传送至室內；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室內，在利用风扇吹送被加热空气至室內，而达到暖房效果前言太阳能热利用技术与设备的发展，使利用太阳能大面积提供热水成为可能。作为一个新型的热水系统，整套系统的可靠性、经济性有赖于正确的设计和施工，其中设计尤为重要。本文结合工程实例，就太阳能热水系统设计中的几个问题，论述系统设计原理。一、设计指导思想太阳能热水系统的最终目的是在寿命期内，稳定提供用户一定温度、一定数量的热水，满足用户热水需要。因此，太阳能热水系统设计应遵循集热装置高效可靠，供给水及循环系统合理适用，辅助能源经济实用的原则。二、太阳能集热装置的选择目前较多采用的集热装置循环系统有自然循环和强迫循环两种。自然循环系统的循环动力来源于温度差而形成的密度差。这种循环推动力相当微弱，按垂直高度差1.5m，上下管水温差10计，则可产生约5.2mm的循环水头，但实际循环水头小于此值，对一个设计安装正确的小型太阳能热水器，这么微小动力仍可以保证热水的循环交换，但对一个集热面积达几十上百m+2的集热系统
