太阳能热利用基础

太阳能热利用设计师培训教材太阳能热利用基础（一）讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用的重要性能源消费伴随着经济发展而持续快速增长，2004～2010年中国能源消费总量增长速度大于2020年GDP翻两番、能源翻一番的规划速度，这对我国能源发展造成很大压力，加快可再生能源发展势在必行。中国能源消费总量（亿吨标准煤）年度20062007200820092010消费量24.5726.5528.530.732.5增长率9.3%7.8%4.0%5.2%5.9%讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材环境形势十分严峻中国是世界SO2排放最严重的国家，因而也是酸雨污染最严重的国家，下表给出了中国燃煤发电所排放的SO2的数量。2007年，除中国SO2排放持续为世界第一外，中国CO2排放也超过美国，成为世界第一(CO2排放美国59.1亿吨，我国60.2亿吨。这给中国节能减排、改善能源结构以及能源可持续发展带来了巨大压力。年2005200620072009燃煤火电年排放SO21300135013351069全国SO2年排量2549258924682320讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材2006世界实际能耗14.5TW(1012kW)2050世界预测能耗30TW2100世界预测能耗46TW未开发水力0.5TW生物质能3TW地热能12TW可利用风力2TW全球总太阳能120,000TW（600TW）太阳能在未来能源中的地位讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材世界可再生能源能源结构数据来源：IEA-SHC，SolarHeatWorldwide2011讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用的意义利用过程中没有温室气体CO2的排放。与煤相比，使用时可以减少SO2、NOX和烟尘等污染物排放，有利于环境质量改善。替代化石燃料，可节约资源。实现能源使用的本地化，减少燃料供应的交通负担及相应的大气污染。讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材分类太阳辐照[MJ//(m2a)]日照小时(h/a)Ⅰ67003200—3300Ⅱ5400—67003000—3200Ⅲ4200—54001400—3000Ⅳ42001000—1400太阳能热利用设计师培训教材太阳能热利用一、太阳能供热制冷（100℃,100~250℃）太阳能热水器、泳池加热太阳能供暖、太阳房、太阳能空调太阳能温室、海水淡化工业加热、太阳灶二、太阳能热发电（400℃）讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能基础知识讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用历史西汉，我们祖先已掌握“阳燧取火”西周，有文字记载“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生火”公元212年，希腊阿基米德以多面镜聚光，烧毁罗马舰队15世纪，阿拉伯人开展太阳能蒸馏，实现海水淡化1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动1767年，瑞士科学家贺瑞斯发明了第一台太阳能集热器1891年，美国马里州的肯普发明了世界上第一台闷晒式太阳热水器，被他命名为“顶峰”热水器讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用历史1936年，美国天体物理学家CharlesGreeleyAbbott发明了太阳能开水器1955年，以色列泰伯等提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层1958年，天津大学建设12.6平米的太阳能浴室1987年，北太所从加拿大引进铜铝复合（SUNSTRIP）生产线1975年，美国欧文斯-依利诺伊（Owens-Illinois）公司研制全玻璃真空管1979年，清华大学发明多层铝-氮/铝(Al-N/Al)选择性吸收涂层1994年，北太所研制玻璃金属热压封接的热管真空管讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳辐射(solarradiation)太阳辐射是指太阳以电磁波的形式发射的辐射能。太阳辐射的波长区域主要是0.25m～3.0m（占99%）。太阳的表面温度约为6000℃，地球大气表层接受的能源是其中的22分之一，每秒约为1.76×1017J，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年。太阳能的不足之处：1）能量密度低，大气层外为1367W/m22)有季节、昼夜和晴雨等能量供应不稳定性讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材地球表面的太阳辐射太阳辐射通常由直射辐射和散射辐射两部分组成。讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材•太阳常数(solarconstant)大气层外日地平均距离处的法向直射太阳辐照度称为太阳常数，数值为1367W/m2。。•太阳光谱(solarspectrum)太阳光谱是指太阳辐射分解为单色成分后，按波长顺序作出的分布。波长，m大气层外所占能量比例地面所占能量玻璃紫外辐射0.25～0.387%5%可见辐射0.38～0.7847.29%45%近红外辐射0.78～3.045.71%50%讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳光谱小于0.29m紫外线被大气层上层臭氧吸收；水蒸气在1.0、1.4和1.8m有强烈吸收带；大于2.3m的辐射大部分被水蒸气和二氧化碳吸收讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材大气质量大气质量：太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶方向时的路径之比值。讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材直接辐射和和散射辐射我国大多数台站只记录太阳总辐射。根据太阳辐射观测资料分析，发现水平面上散射辐射与太阳总辐射日总量月平均值的比值与地平面总辐射与大气上界的日总量月平均值具有较好的关联关系。32108.3531.5027.4390.1TTTtddKKKHHK0HHKtT水平面上散射辐射的日总量月平均值dHtH水平面上总辐射的日总量月平均值0H大气上界总辐射的日总量月平均值（月平均晴空指数）讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材倾斜面上太阳辐射投射到倾斜面上总辐射辐照度由三部分组成：1）太阳直接辐射辐照度；2）太阳散射辐射辐照度；3）地面反射辐射辐照度。达到倾斜面上总辐射日总量月平均值可表示为。水平面上散射辐射的日总量月平均值dHTH水平面上总辐射的日总量月平均值bH水平面上直接辐射的日总量月平均值2)cos1()(2cos1SHHSHRHHdbdbbTbR倾斜面与水平面上直接辐射的日总量月平均值的比值，该参数与安装地的纬度、赤纬、倾斜面倾角和方位角有关S倾斜表面倾角地面的反射率。一般取值0.20，有雪覆盖地面时取0.70讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能资源等级太阳能条件水平面上年太阳辐照量（MJ/m2·a）年日照时数（h）地区Ⅰ资源极富区＞67003200～3300宁夏北、甘肃西、新疆东南、青海西、西藏西Ⅱ资源丰富区5400～67003000～3200冀西北、京、津、晋北、内蒙古及宁夏南、甘肃中东、青海东、西藏南、新疆南Ⅲ资源较富区5000～54002200～3000鲁、豫、冀东南、晋南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕北、甘肃东南、粤南4200～50001400～2200湘、桂、赣、江、浙、沪、皖、鄂、闽北、粤北、陕南、黑龙江Ⅳ资源一般区＜42001000～1400川、黔、渝讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材与太阳能利用有关传热问题讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材传热学传热是由于温差引起的能量转移——有温差就有传热传热主要形成热传导：依靠物体质点的直接接触来传递能量对流换热：流体(液体或气体)与另一物体表面相接触时，两者间的换热过程辐射换热：物体的部分热能转变成电磁波——辐射能向外发射，当它碰到其它物体时，又部分地被后者吸收而重新转变成热能讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材热传导热传导是不透明固体材料中热能传递的唯一方式傅里叶（Fourier）热传导定律：l，导热系数。导热系数越大，材料的导热能力越大。各种物质的导热系数均可由试验测定，通常工程上常把导热系数小于0.2W/(m•K)的材料称为绝热（隔热）材料。常见隔热材料有岩棉、玻璃纤维、聚氨酯、橡塑材料等，一般多具有多孔结构。dxdTFQl讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材热传导•导热系数与材料种类有关。•对同一材料来说，还与其结构、密度、成分、湿度、压力（对于液体和气体）和温度有关。在一定的温度范围大多数工程材料的热导率可近似地认为是温度的直线函数。气体、建筑材料和隔热材料，导热系数随温度的升高而增大。在工程计算中，当温度变化范围不大时，可以把导热系数当作常数。•由于水的导热系数远高于空气导热系数，对多孔性材料（如建筑材料、隔热材料）来说，材料的含水率对材料导热系数影响较大，因此隔热材料应适当采取防潮措施。•各向异性材料也随方向不同而有很大的差异。讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材对流换热对流换热主要是研究运动着的流体与同它相接触的固定表面之间的换热根据引起流动的原因，可分为自然对流和强迫对流对流换热的牛顿公式：从对流传热的机理来说，流体的传导及质量传输（流体的质点和微团的运动）都起着作用。如果流速很小，则导热具有一定的影响；若流速很大以及冷、热流体二间的掺混对能量传递的贡献很大，则流体本身导热的作用将很小。tFQ讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材对流换热影响因素流动的起因：分自然对流和强制对流。自然对流传热是由流体中因密度不同而产生浮升力所引起的换热现象；强迫对流换热是流体在外界压差的作用下，流过换热面；1）自然对流：2）强制对流:nuGrCNPr)(mnuCNPrRe自然对流状况下的换热强度主要取决于流体的受热情况，流体内部的温度差越大，对流运动越激烈,用格拉晓夫数Gr数来表征。强迫对流的换热系数主要取决于外力所引起的流速的大小，一般用雷诺数Re数来表征，雷诺数大小表征了流动状态。讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材对流换热影响因素•流动的速度：速度愈大，对流换热增强•流动有无相变：凝结和沸腾可显著增强对流换热•换热面的几何形状、大小、冷热面位置•流体的热物理性质由于影响对流换热的因素很多，并具有复杂关联性，因此只有简单对流换热有理论解，很难推广应用；（理论解）分析对流换热，一般根据影响相互关系，利用无量纲数，减少变量个数，并通过实验，得到准则方程；（实验法）可利用传热学的基本方程，采用计算机模拟计算换热过程。（数值模拟）讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材对流换热计算采用量•常见无量纲式有雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）、格拉晓夫数（Gr）和怒谢尔特数（Nu）等。fVLRefLNulffpClPr23212)(fTLTTgGr雷诺数：反映流体惯性力和粘性力的比值Nu数：导热热阻与对流热阻的比值Pr数：由流体物性参数组成，表征分子动量和热扩散系数之比Gr数：流体浮升力与粘性力之比讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用对流换热公式管道内层流流动当（ReD•Pr•D/L）10，许多太阳能集热器中流体的流速很低，由浮力引起的自然对流也会影响对流换热，这种换热情况称为混合对流。如果Gr/Re2在1与10之间及L/D5014.03/1)(PrRe86.1wbDfDLDDNul14.03/13/43/1)()PrRe(12.0PrRe75.1wbHDDDDLDGrLDNu讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用对流换热公式管道内的湍流换热流体Pr数值在0.7~700之间，并满足Re＞6000和L/D＞60，一个大气压下空气通过一个很长的风道的湍流流动，在300K及380K温度范围内流体是在螺旋管中流动，则按直管中流动算得的对流换热系统乘以系数e进行修正（气体）（液体）3/18.0PrRe023.0DfDDNul2.08.05.3DVcRD77.113)(3.101cRD讲师：朱敦智太阳能热利用设计师培训教材太阳能利用对流换热公式绕掠单管的受迫对流换热真空管在有风条件下换