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1、太阳能利用技术太阳能利用技术王一平 天津大学化工学院2015-3-191调课建议调课建议l经与教务处协商，在不影响总教学时数经与教务处协商，在不影响总教学时数的情况下，太阳能利用技术课程可以由的情况下，太阳能利用技术课程可以由每次课每次课2 2学时调整为学时调整为3 3学时，提前到第十学时，提前到第十一周结课。同学们意下如何？一周结课。同学们意下如何？2第二章第二章 太阳能热利用太阳能热利用2.1太阳能传热基本理论太阳能传热基本理论2.2太阳能集热器太阳能集热器2.3太阳能热水器太阳能热水器2.4太阳灶和太阳能干燥太阳灶和太阳能干燥32.1太阳能传热基本理论太阳能传热基本理论1.1.传热学基础
2、传热学基础2.2.建筑传热基础建筑传热基础41.1.传热学基础传热学基础5（1）导热）导热6导热基本定律导热基本定律7（2）对流）对流8对流传热基本特点对流传热基本特点9对流换热的基本定律对流换热的基本定律10表面传热系数表面传热系数11（3）辐射换热）辐射换热12电磁波谱电磁波谱13辐射换热基本特点辐射换热基本特点142.2.建筑传热基础建筑传热基础15（1）围护结构传热）围护结构传热 围护结构的热作用过程：无论是通过围护结构的传热传湿还是室内产热产湿，其作用形式包括对流换热（对流质交换）、导热（水蒸汽渗透）和辐射三种形式。对流换热对流换热(对流质交换对流质交换)围护结构传热围护结构传热传湿
3、传湿室内产热产湿室内产热产湿辐射辐射导热导热(水蒸汽渗透水蒸汽渗透)16l 得热(Heat Gain HG)：某时刻在内外扰作用下进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热0，意味着房间失去热量。l 围护结构热过程特点：由于围护结构热惯性的存在，通过围护结构的得热量与外扰之间存在着衰减和延迟的关系。得得得得热热热热潜热潜热潜热潜热显热显热显热显热辐射得热辐射得热辐射得热辐射得热对流得热对流得热对流得热对流得热17l不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表面对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而白色表面可以反射几乎90的可见光。l围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率就越高，反射率越低。 反射反射反
4、射反射吸收吸收吸收吸收18l 将具有低发射率、高红外反射率的金属（铝、铜、银、锡等），使用真空沉积技术，在玻璃表面沉积一层极薄的金属涂层，形成 Low-e 玻璃；l对太阳辐射不同波段有高透和低透不同性能。低透低透低透低透low-e low-e (Low-emissivity)玻璃玻璃玻璃玻璃1920（2）室外空气综合温度）室外空气综合温度太阳直太阳直太阳直太阳直射辐射射辐射射辐射射辐射大气长大气长大气长大气长波辐射波辐射波辐射波辐射太空散太空散太空散太空散射辐射射辐射射辐射射辐射对流对流对流对流换热换热换热换热地面反射辐射地面反射辐射地面反射辐射地面反射辐射环境长波辐射环境长波辐射环境长波辐射
5、环境长波辐射地面地面地面地面长波长波长波长波辐射辐射辐射辐射壁体得热壁体得热壁体得热壁体得热20l考虑了太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相考虑了太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温度值。度值。l如果考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间如果考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射：的长波辐射： l 如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射：的长波辐射： 21（3 3）建筑能耗模拟分析软件）建筑能耗模拟分析软件l GATE，60年代末，美国，稳态计算
6、l 现在 美国：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD 英国：ESP 日本：HASP 中国：DeST22美国（反应系数法）l DOE-2 由美国能源部主持，美国由美国能源部主持，美国 LBNL开发，于开发，于1979年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软件，是目前国际上应用最普遍的建筑热模拟件，是目前国际上应用最普遍的建筑热模拟商用软件，用户数估计达到商用软件，用户数估计达到10002500家。家。其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法。其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法。l EnergyPlus 美国美国LBNL 90年代开发的商用、教学研
7、究用年代开发的商用、教学研究用的建筑热模拟软件。采用的是传递函数法的建筑热模拟软件。采用的是传递函数法（反应系数法）。（反应系数法）。http:/23欧洲（有限差分法）l ESP 由英国由英国Strathclyde大学的能量系统研究组开发大学的能量系统研究组开发的建筑与设备系统能耗动态模拟软件。采用的的建筑与设备系统能耗动态模拟软件。采用的是有限差分法传热过程，可模拟具有非线性部是有限差分法传热过程，可模拟具有非线性部件的建筑的热过程，如有特朗伯墙件的建筑的热过程，如有特朗伯墙(Trombe wall) 或相变材料等变物性材料的建筑。采用或相变材料等变物性材料的建筑。采用的时间步长通常以分钟为
8、单位。该软件对计算的时间步长通常以分钟为单位。该软件对计算机的速度和内存有较高要求。机的速度和内存有较高要求。24中国（状态空间法）l DeST 90年代清华大学开发的建筑与年代清华大学开发的建筑与HVAC系统分析和辅助设系统分析和辅助设计软件。负荷模拟部分采用状态空间法，把建筑物的热计软件。负荷模拟部分采用状态空间法，把建筑物的热过程模型表示成：过程模型表示成：状态空间法的求解是在空间上进行离散，在时间上保持状态空间法的求解是在空间上进行离散，在时间上保持连续。连续。其解的稳定性及误差与时间步长无关，因此求解过程所其解的稳定性及误差与时间步长无关，因此求解过程所取时间步长可大至取时间步长可大
9、至1小时，小至数秒钟。但状态空间法小时，小至数秒钟。但状态空间法与反应系数法相同之处是均要求系统线性化，不能处理与反应系数法相同之处是均要求系统线性化，不能处理相变墙体材料、变表面换热系数、变物性等非线性问题。相变墙体材料、变表面换热系数、变物性等非线性问题。http:/ 252.2太阳能集热器太阳能集热器26主要内容主要内容1.1.太阳能集热器的分类太阳能集热器的分类2.2.平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器3.3.真空管型太阳能集热器真空管型太阳能集热器4.4.不同类型太阳能集热器比较不同类型太阳能集热器比较27l太阳能热利用就是直接将太阳的辐射能转化为热能的应用；l主要包括太阳热水器、
10、太阳房、太阳灶、太阳能干燥、太阳能海水淡化及其它工农业应用。28l2014年我国太阳能热水器保有量达到4.14亿平方米，增长10.4%。l2014年，我国主被动式太阳房超过2500万；l太阳灶235万台，其中出口到非洲等国家和地区有70万台左右。 l据不完全统计，我国已建各种类型的太阳能干燥装置200多座，总采光面积近20000平方米。l太阳能海水淡化等技术还处于应用示范阶段。291.1.太阳能集热器的分类太阳能集热器的分类定义：定义：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房，还是太阳能干燥、太阳
11、能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。 30(1)按集热器的传热工质类型分类u液体集热器u空气集热器31(2)按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类 u聚光集热器u非聚光集热器32(3)按是否跟踪太阳分类u跟踪集热器u非跟踪集热器33(4)按集热器的工作温度分类-低温集热器 工作温度在100以下-中温集热器 工作温度在100一200-高温集热器 工作温度在200以上34(5)按隔热方式分类u平板集热器u真空集热器352.2.平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器平板太阳集热器构造示意图l吸热体吸热体吸收太阳辐射能，将吸收太阳辐射能，将其转换为热能，并向工
12、质传递热其转换为热能，并向工质传递热量的部件。材料种类很多，有铜、量的部件。材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。锌钢、塑料、橡胶等。l透明盖板透明盖板覆盖吸热板，由透覆盖吸热板，由透明或半透明材料组成。明或半透明材料组成。目前材料目前材料主要有两大类：平板玻璃（专门主要有两大类：平板玻璃（专门用于太阳能集热器的低铁平板玻用于太阳能集热器的低铁平板玻璃）和玻璃钢板。璃）和玻璃钢板。(1) 构成构成36l隔热层隔热层抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。用于隔热层的材料有：岩棉、矿棉、聚氨酯、聚件。用
13、于隔热层的材料有：岩棉、矿棉、聚氨酯、聚苯乙烯等，目前使用较多的是岩棉。苯乙烯等，目前使用较多的是岩棉。l壳体壳体保护及固定吸热板、透明高板和隔热层的部保护及固定吸热板、透明高板和隔热层的部件。要求具有一定的强度和刚度，有较好的密封性及件。要求具有一定的强度和刚度，有较好的密封性及耐腐蚀性，有美观的外表。材料有铝合金板、不锈钢耐腐蚀性，有美观的外表。材料有铝合金板、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。37(2) 传热示意图传热示意图38(3) 吸热体基本类型吸热体基本类型a 管板式b 翼管式c 扁盒式d 蛇管式39(a)管板式吸热体管板式吸热体特征：特征：特征：特征：
14、将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带，将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带，然后再与上下集管焊接成吸热体。然后再与上下集管焊接成吸热体。结合方式：结合方式：结合方式：结合方式：热碾压成型，高频焊接，超声焊接等热碾压成型，高频焊接，超声焊接等铜铝复合条铜铝复合条铜铝复合条铜铝复合条( (热碾压成型热碾压成型热碾压成型热碾压成型) )优点：优点：优点：优点：a. a.热效率高：热碾压使铜管和铝板之间达到冶金结合，无热效率高：热碾压使铜管和铝板之间达到冶金结合，无结合热阻；结合热阻；b. b.水质清洁：接触水的部分是铜材，不会被腐蚀；水质清洁：接触水的部分是铜材，不会被腐蚀；c. c
15、.保证质量：生产过程完现机械化；保证质量：生产过程完现机械化；d. d.耐压能力强：用高压空气吹胀成型。耐压能力强：用高压空气吹胀成型。40l目前我国逐步兴起全铜吸热板，是将铜管和铜板通过高频焊接或超声焊接工艺结合在一起。l具有铜铝复合条带的所有优点，铜管可以承受更高的压力。41 (b)翼管式吸热体翼管式吸热体特征：特征：利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有冀片的吸热条带，然后再与上下集管焊接成吸热体。材料一般采用铝合金。优点：优点： a.热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻； b.耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。缺点：缺点： a.水质不易保证，铝台金会被腐蚀； b.材料用量大，工
16、艺要求管壁和翼片都有较大的厚度； c.动态特性差，吸热板有较大的热容量。42(c)扁盒式吸热体扁盒式吸热体特征：特征： 扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热体。材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌钢等。优点：优点：a热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻；b不需要焊接集管，流体通道和集管采用一次模压成型。缺点：缺点：a.焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢；b.耐压能力差，平直部分及焊点不能承受较高的压力；c.动态特性差，流体通道的横截面大，吸热板有较大热容；d. 水质不易保证，铝合金和镀锌钢都会被腐蚀。43(d)蛇管式吸热体蛇管式吸热体特征：特征：蛇管式吸热板是
17、将金属管弯曲成蛇形，然后再与平板焊接构成吸热体。材料一般采用铜，焊接工艺采用高频焊接或超声焊接。优点：优点： a.不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性； b.热效率高，无结合热阻； c.水质清洁，钢管不会被腐蚀； d.保证质量，整个生产过程实现机械化； e.耐压能力强，钢管可以承受较高的压力。缺点：缺点： a.流动阻力大，流体通道不是并联而是串联； b.焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。44(4)集热器盖板集热器盖板无盖板无盖板适用气温较高地区游泳池加热，成本低廉，加热水温低，流量大。单层盖板（单层盖板（+ +吸热板上覆盖非选择性涂层）吸热板上覆盖非选择性涂层）适用于春夏秋三季生产40-46o
18、C低温生活热水。单层盖板（单层盖板（+ +吸热板上覆盖选择性涂层）吸热板上覆盖选择性涂层）适用于春夏秋三季生产60-70oC低温生活热水。双层盖板（双层盖板（+ +吸热板上覆盖选择性或非选择性涂层）吸热板上覆盖选择性或非选择性涂层）用于环境寒冷地区，但由光学效率降低，影响总体效率。45l非选择性涂层是指其光学特性与辐射波长无光的吸收涂层；l选择性涂层是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。46(5)集热器隔热材料选择集热器隔热材料选择绝热性能绝热性能决定于导热系数，需考虑温度、湿度等的影响。耐热性耐热性其耐热温度应高于集热器的闷晒温度。抗腐蚀性抗腐蚀性不得对吸热体和其它部件产生腐蚀作
19、用。机械强度机械强度增强集热器机械强度。47(6)集热器效率集热器效率定义：在稳态(或准稳态)条件下，集热器传热工质在规定时段内输出的能量与规定的集热器面积和同一时段内入射在集热器上的太阳辐照量的乘积之比。48集热器面积集热器面积吸热体面积采光面积总面积三种定义 不同定义的集热器面积会影响集热器的效率49(a)吸热体面积吸热体面积吸热板的最大投影面积（图中斜线面积）50(b)采光面积采光面积太阳辐射进入集热器的最大投影面积（图中斜线面积）51(c)总面积总面积整个集热器的最大投影面积（图中斜线面积）52不同辐照度不同辐照度 不同温差下集热器效率不同温差下集热器效率光损失热损失集热器与环境温度之
20、差(oC)集热器效率53集热器效率的特点集热器效率的特点l集热器效率是变数，不是常数，与集热器工作温度、环境温度和太阳辐照度有关； l效率曲线在y轴上的截距表示集热器可获得的最大效率；l效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的大小；l效率曲线在x轴上的交点值表示集热器可达到的最高温度。54（1 1）真空管集热器定义及特点）真空管集热器定义及特点l真空集热器：将吸热体与透明盖层之间抽成真空的太阳集热器。l主要特点：减少集热器的传导、对流和辐射热损失。l从受力情况和密封角度，通常将真空太阳集热器基本单元做为圆管形状，而不是平板。3.3.真空管型太阳集热器真空管型太阳集热器55（2 2）真空管集热器分
21、类）真空管集热器分类l全玻璃真空管集热器全玻璃真空管集热器，吸热体由玻璃管组成；56l玻璃和金属结构真空管集热器玻璃和金属结构真空管集热器，吸热体由金属材料组成，如U型管式真空管集热器和热管式真空管集热器。57（3 3）全玻璃真空管结构）全玻璃真空管结构 全玻璃真空管集热器的结构全玻璃真空管集热器的结构 1、外玻璃管；、外玻璃管；2、内玻璃管；、内玻璃管；3、选择性吸收涂层；、选择性吸收涂层； 4、真空夹层；、真空夹层； 5、弹簧支架；、弹簧支架；6、消气剂；、消气剂； 7、保护帽、保护帽 58l内外玻璃管采用硼硅玻璃3.3（氧化铁含量5%以下；热稳定性好；热膨胀系数低3.310-6/；耐热冲
22、击性好，耐热温差大于200；有较高的机械强度；较好的抗化学腐蚀性能；良好的光学性能，透光率 0.89）。l真空度510-2Pa。59l采用选择性涂层作为吸热体的光热转换材料，要涂层有高的太阳吸收比，低的发射率。l采用磁控溅射技术的多层（渐变）铝氮/铝选择性吸收涂层，光吸收率可达0.93，红外发射率约为0.05（80）。60全玻璃真空管集热器工作原理图全玻璃真空管集热器工作原理图61U U型管式真空管型管式真空管型管式真空管型管式真空管l结构简单，就是在真空管内插一根带圆筒型铝翼的U型铜管； l真空管内无水，遇有真空管破裂，集热系统照常运行；l传热工质可选用防冻液，特别适于高寒地区四季使用；l集
23、热器间可并联或串联安装，可以承压运行；l集热管放置不受方向限制，系统安装、维修简便。63带反光板的真空管集热器带反光板的真空管集热器带反光板的真空管集热器带反光板的真空管集热器l目的：增强光照，提高集热效率lCPC聚光板效果好与平板反光板l存在问题：易积尘积雪，不通风l应结合当地地理气候条件合理选择64（5 5）热管式真空管集热器）热管式真空管集热器一种产品结构形式65工作原理工作原理n管子的一端为蒸发段，吸收热量，另一端为冷凝段释放热量。n当管子的蒸发段被加热时，液体在管中气化，蒸发的蒸汽从管心流向冷凝段，蒸汽向外部释放热量，重新凝结为液体，再流回蒸发段。 66特点特点n热效率高：最高运行温
24、度可达100，最高闷晒温度可达250，工作温度为70120。n热启动快：在阳光下2分钟即可输出热量。n特殊的防冻技术：即使在-50的严寒下仍能正常工作而无冻损之忧。n高真空度，不结垢，承压能力大n全天候运行：天气多变的南方和寒冷的北方全年运行n使用寿命长：使用寿命可长达12年 674.4.不同类型太阳集热器比较不同类型太阳集热器比较68（1 1）不同类型集热器效率）不同类型集热器效率集热器效率(集热器出口温度-环境温度)/太阳辐照度平板真空管无盖板平板空气集热器6970（2 2）不同类型集热器的使用范围）不同类型集热器的使用范围集热器与环境温度之差集热器效率70（3 3）太阳能集热器的综合比较）太阳能集热器的综合比较7172谢谢!73
