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第五章太阳能存储技术2010-06-11能源动力与机械工程学院2第五章太阳能存储技术5.0太阳能资源5.1太阳能的特点及利用方式5.2太阳能热储存5.3太阳能蓄热加热系统5.4太阳能空调系统2010-06-11能源动力与机械工程学院3一、太阳辐射¾太阳的构造：太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39×106km，质量约为2.2×1019亿吨，为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的l／4。其主要组成气体为氢（约80%）和氦（约19%）。2010-06-11能源动力与机械工程学院4¾由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。¾由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.0072g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持100亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。2010-06-11能源动力与机械工程学院5太阳内部的“里三层”¾核反应区：0.23R，40%质量，15%体积，温度8MK~40MK，80~100倍水密度，产能90%，是太阳热能产生的基地；¾辐射区：0.23R~0.7R;温度0.13MK，密度0.079g/cm3;¾对流区：0.7R~1.0R，温度5000K，密度10-8g/cm3；太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。2010-06-11能源动力与机械工程学院6太阳结构示意图2010-06-11能源动力与机械工程学院7太阳外部的“外三层”¾光球层：厚约500km，温度为5762K，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的；¾色球层：10000~15000km，T=5000K;¾日冕层：太阳大气的最外层稀薄部分,由太阳表面伸展出数百万公里,包含着铁、镍和其他气体的极高度电离的原子。2010-06-11能源动力与机械工程学院8¾从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中，通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.3～3μm的黑体。¾某一点的辐射强度与距辐射源距离的平方成反比，故地球大气上方的太阳辐射强度随每天日地间距离不同而异。2010-06-11能源动力与机械工程学院9太阳常数¾由于日地间距离太大（平均1.5亿公里），地球大气外的太阳辐射强度几乎是个常数。¾太阳常数：平均日地间距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能，标准值为1367W/m2.¾一年中由于日地间距离变化引起的太阳辐射强度变化不超过±3.4%。2010-06-11能源动力与机械工程学院10到达地面的太阳辐射¾太阳辐射穿过大气层到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，使太阳辐射强度减弱，并且改变辐射的方向和光谱分布。¾实际到达地面的太阳辐射包括直射和漫射：直射：直接来自太阳，辐射方向未发生改变的辐射；漫射：被大气层反射和散射后方向发生改变的太阳辐射。2010-06-11能源动力与机械工程学院11到达地面的太阳辐射¾到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响，大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。¾大气质量和大气状况对到达地面的太阳辐射也有影响。¾大气质量：太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向的垂直入射时的路径之比，符号m。¾地球上不同地区、季节和气象条件下到达地面的太阳辐射强度不同。2010-06-11能源动力与机械工程学院12¾地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。¾太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，属于洁净能源。2010-06-11能源动力与机械工程学院13世界太阳能资源能源动力与机械工程学院14能源动力与机械工程学院15我国太阳能资源¾我国的太阳能资源分为四类地区：一类资源丰富区：太阳辐照量大于6700MJ/m2·年。二类资源较富区：太阳辐照量在5400～6700MJ/m2·年。三类资源一般区：太阳辐照量在4200～5400MJ/m2·年。四类资源贫乏区：太阳辐照量在小于4200MJ/m2·年。¾全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2·a，中值为586kJ／cm2·a。2010-06-11能源动力与机械工程学院16¾从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。2010-06-11能源动力与机械工程学院17¾尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。¾全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。其它地区的太阳年辐射总量居中。2010-06-11能源动力与机械工程学院18我国太阳能资源能源动力与机械工程学院192010-06-11能源动力与机械工程学院20太阳能利用¾人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。¾太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。¾太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。2010-06-11能源动力与机械工程学院21=612&page=72010-06-11能源动力与机械工程学院225.1太阳能的特点及利用方式¾太阳能资源：每分钟太阳输出的能量为234.46×1026J。到达地球大气层的能量是其总辐射量的20亿分之1。由于大气层的反射、吸收，到达地球表面的能量大约为17万亿千瓦。太阳能是地球上一切能源的主要来源，是无穷无尽的洁净能源。2010-06-11能源动力与机械工程学院235.1太阳能的特点及利用方式¾太阳能的特点：分散性：单位面积的功率小，是稀薄的能源；间歇性和不稳定性：季节变换、昼夜交替；多云、阴雨天气造成。¾太阳能本身的特点使得其利用，必须将其转换成热能、电能、化学能、机械能等形式储存起来，需求时再直接或转换应用。2010-06-11能源动力与机械工程学院24¾太阳能热存储：效率高、经济性好、安全可靠，技术上已能实现。¾太阳能电存储：蓄电池。¾太阳能化学存储：无热损失，尚不成熟。¾太阳能电磁存储：极低温度的超导体。¾太阳能生物存储：利用植物的光合作用。2010-06-11能源动力与机械工程学院255.2太阳能热储存¾通常热能存储的主要目的是缩小设备容量，削峰填谷，降低运行费用。而太阳能热存储的目的是弥补太阳能的分散性和间歇性。因此，能量储存问题是太阳能利用中的关键环节，也是薄弱环节。¾太阳能热储存原理：太阳能把收集到的太阳辐射能转换成热能，并加热其中的载热介质，经过换热器把热量传给储热器中的储热介质，良好保温；需要时从储热器提取出来，输送给热负荷。2010-06-11能源动力与机械工程学院265.2太阳能热储存¾储取热流程：入射太阳辐射→太阳能集热器→储热器→热负荷。¾太阳能热存储分类：低温蓄热：100℃,采暖、生活热水、干燥;中温蓄热：100-200℃，吸收式制冷、小型太阳电站；高温蓄热：200-1000℃，太阳灶、锅炉、太阳电站；超高温蓄热：1000℃，大功率电站、高温太阳炉。2010-06-11能源动力与机械工程学院275.2太阳能热储存¾太阳能显热存储：水、岩石；¾太阳能潜热存储：十水硫酸钠、六水氯化钙、石蜡¾太阳能地下土壤热存储、地下含水层热存储、地下岩石热存储。2010-06-11能源动力与机械工程学院285.3太阳能蓄热加热系统¾太阳能蓄热加热系统的组成：集热器、储热器、配热系统、辅助加热装置、控制系统。¾太阳能集热器是收集和接收太阳能的设备，是太阳能加热系统的重要部件。其结构和布置对整个系统起决定性作用。供暖应用中主要有平板式和玻璃真空管式集热器两种。2010-06-11能源动力与机械工程学院29太阳能蓄热加热系统2010-06-11能源动力与机械工程学院30太阳能集热器¾平板式集热器结构：吸热系统：吸收太阳入射光并将其热量传给载热剂。一般为表面涂层的金属或非金属。透明面板系统：一层或两层玻璃或塑料的覆盖物，让太阳辐射透过，阻止或减少对外损失。隔热体：用来降低吸热系统吸收的热量通过集热器背面和侧面向外散热。2010-06-11能源动力与机械工程学院31太阳能集热器载热剂系统：载热剂、流道及其分配器。箱体结构：支持面盖、吸热元件、隔热元件。¾平板集热器成本低，集热温度一般不超过100℃，热效率低。¾玻璃真空管集热器：两根玻璃管同心，内管有流体流过，带走热量。内管外壁选择性涂层，内外管间夹层抽真空，减小热损，可达100℃以上。2010-06-11能源动力与机械工程学院32平板集热器结构=3282010-06-11能源动力与机械工程学院33玻璃真空管集热器能源动力与机械工程学院34¾集热器的面积：当太阳能保证率为60%左右时，所需平板型集热器的面积占供暖房间地板面积的50%，甚至更大。¾集热器的布置：专门采暖用时，最佳倾角是所在地区纬度加上15o,最佳方位应是朝正南或稍偏西南（此时工作温度更高些）。垂直放置时日照量减少10%左右。2010-06-11能源动力与机械工程学院35储热装置¾若需存储1-2天的热量，按100m2住宅计算，则需(2~4)×105kJ左右热量。¾若用水储存，温差为10℃，需5~10m3储热水箱。¾若用卵石储热，则需15~30m3。2010-06-11能源动力与机械工程学院36辅助热源¾太阳能保证率：由太阳能供给的热量占供暖房屋总热负荷的的比例。一般60-80%左右。¾辅助热源位置：储热箱内；储热器与辅助热源并联；储热器与辅助热源串联。2010-06-11能源动力与机械工程学院37配热系统¾指设置在采暖房间的散热设备。如暖气片、顶棚辐射板、风机盘管、地面辐射板。¾冬季太阳能的集热温度为40℃左右，采用暖气片需增加其面积。¾地板表面温度一般25℃左右，可用28~30℃左右的热水供暖。2010-06-11能源动力与机械工程学院38配热系统暖气片顶棚辐射板风机盘管地面辐射板2010-06-11能源动力与机械工程学院39控制系统¾在集热器吸热板和储热箱底部出口敷设温度传感器T板和T，当T板-T5℃时集热泵运转。¾在采暖房间和储热箱顶部出口敷设温度传感器TB和Tw，当TB(16±1)℃或Tw(29±1)℃时负载泵运转。¾若TB持续下降，则启动辅助热源。2010-06-11能源动力与机械工程学院40控制系统辅助热源TB房间TwTT板2010-06-11能源动力与机械工程学院41太阳能蓄热加热系统类