太阳能技术

2.太阳能技术能源与机械工程学院李传统2.太阳能2.1概述2.2太阳能热利用2.3太阳能光电转换2.4其他形式的太阳能转换2.5影响太阳能利用的因素2.1概述2.1.1太阳能特点太阳能形式：太阳表面高温（约6000K）辐射电磁波，电磁波携带的电磁能量到达地面以后转变成热能太阳能的特点：数量大、能量密度低、因地而异、因时而变2.1.2太阳能资源总量：总量约为3.75×1026W到达地球表面的太阳能：为其总能量的22亿分之一，每秒相当于500万吨标准煤的热值量。我国的太阳能资源：陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国太阳年辐射总量为(3.35～8.37)×106kJ／m2，平均值为5.86×106kJ／m2。全球太阳能资源分布2.1.3我国的太阳能资源分布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大。青藏高原最大，平均海拔高度在4000m以上，世界著名的日光城－拉萨，年平均日照时间为3005.7h，年太阳总辐射为8.16×106kJ／m2。四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，素有“雾都”之称的成都，年平均日照时数仅为1152.2h。我国的太阳能资源分布分布的主要特点为：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。我国的太阳能资源分区一类地区全年日照时数为3200～3300小时，年辐射量在（6.70～8.37)×106kJ／m2。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地，是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。特别是西藏，地势高，太阳光的透明度也好，太阳年辐射总量最高值达9.21×106kJ／m2，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位。我国的太阳能资源分布二类地区全年日照时数为3000～3200小时，年辐射量在（5.86～6.70)×106kJ／m2，主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地，为我国太阳能资源较丰富区。我国的太阳能资源分布三类地区全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在(5.02～5.86)×106kJ／m2，主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。我国的太阳能资源分布四类地区全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在(4.19～5.02))×106kJ／m2。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，太阳能资源少，秋冬季太阳能资源还可以。我国的太阳能资源分布五类地区全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在(3.35～4.19)×106kJ／m2。主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区。总结：一、二、三类地区，年日照时数大于2000小时，辐射总量高于5.86×106kJ／m2，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值2.2太阳能热利用2.2.1太阳能的利用方式太阳能－热能转换：热水器、空调系统、热力发电太阳能－电能转换：太阳能电池目前最大转换效率可达24％以上太阳能氢能转换：电解水制氢、分解水制氢、热化学循环制氢、化学分解水制氢、太阳能－生物质能转换：光合作用2.2.2太阳能的热利用一、太阳能采集太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装置（集热器），对太阳能进行采集。集热器按是否聚光，可分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。非聚光集热器（平板集热器，真空管集热器）能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射，集热温度较低；聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。二、平板集热器平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。按工质划分有空气集热器和液体集热器，目前大量使用的是液体集热器；按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器，还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等；按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。三、真空管集热器为减少平板集热器热损，提高集热温度，国际上20世纪70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管，玻璃-U型管真空集热管，玻璃。金属热管真空集热管，直通式真空集热管和贮热式真空集热管。最近，我国还研制成全玻璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集热管。我国现拥有全部知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。目前，直通式真空集热管产品已投放市场。四、聚光集热器聚光集热器由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。为满足太阳能利用的要求，简化跟踪机构，提高可靠性，降低成本，研制开发的聚光集热器品种很多，但推广应用的数量远比平板集热器少，商业化程度也低。在反射式聚光集热器中，应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器（点聚焦）和槽形抛物面镜聚光集热器（线聚焦）。前者可以获得高温，但要进行二维跟踪；后者可以获得中温，只要进行一维跟踪。因造价高，限制了它们的广泛应用。五、太阳灶－闷晒式闷晒式太阳灶：其的工作原理是把太阳的辐射能，即阳光，主要是可见光和近红外线，几乎能够全部透过平板玻璃（如果玻璃的透光率很高）。当阳光透过玻璃进入保温箱体后，遇到黑色的吸收体，光即转变为热。温度可达150度，箱体尺寸一般为100厘米×70厘米×30厘米，做一次米饭要用3个小时，仅适合农村用。六、聚光式太阳灶聚光式太阳灶是将较大面积的阳光聚焦到锅底，使温度越到较高的程度，以满足炊事要求。关键部件是聚光镜，不仅有镜面材料的选择和几何形状的设计。最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜，也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。设计一个500～700W的聚光式太阳灶，通常采光面积约为1.5～2.0m2。七、热管式太阳灶分为两个部分：（1）室外收集太阳能的集热器，即自动跟踪的聚光式太阳灶。（2）热管。热管是一种高效传热件，它把热量从管的一端传到另一端。热管的受热端于聚光太阳灶的焦点处，而把释热端置于散热处或蓄热器中。把太阳的热能从户外引入室内，使用较为方便。有的将蓄热器置于地下，利用大地作绝热保温器，其中填以硝酸钠、硝酸钾和亚硝酸钠的混合物作蓄热材料。当热管传给的热量熔化了这些盐类，盐熔液就把蛇形管内的载热介质加热，载热介质流经炉盘，炉盘受热即可作炊事用。全国各种太阳能灶超过15万个，主要集中在青海和西藏。八、太阳能热水器闷晒式热水器管板式热水器聚光式热水器真空管式热水器热管式热水器FlatPlateCollectorsEvacuatedTubeCollectorsViessmanVitosol300,Cut-awayViewEvacuatedTubeCollectorsHighTemperature(ConcentratingSystems),IndustrialPowerGeneration,HotWater,ProcessHeat九、太阳能干燥器干燥过程分为两个阶段：1、对空气加热；2、热空气把待干燥物中的水分带走。加热空气有两种办法：1、直接加热空气，即把待干燥物放在干燥室内，直接受阳光辐射；2、间接加热空气，利用空气集热器把空气的温度提高，并降低待干燥物的相对湿度。分类：从结构上说，太阳能干燥器分高温型和低温型两大类。高温太阳能干燥器为聚焦型，常采用抛物柱面聚光器，对太阳进行自动跟踪，待干燥物多为颗粒状，如粮食之类，用螺旋输送机把物料赶到线状聚焦面，边行进边干燥，效率较高。但是，这种干燥装置比较复杂、庞大，造价也高，实际推广有困难。低温太阳能干燥器，一般要求温度40～65℃，常用空气集热器或隧道温室作干燥器的主体，它特别适合果品干燥和农副产品加工需要，目前国内外研制的多属低温型干燥器。十、太阳能温室屋脊型棚圆拱型大棚大型塑料棚管架大棚十一、太阳房太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。人们的生活能耗中，用于采暖和降温的能源占有相当大的比重。特别对于气候寒冷或炎热的地区，采暖和降温的能耗就更大。太阳房既可采暖，也能降温，最简便的一种太阳房叫被动式太阳房，建造容易，不需要安装特殊的动力设备。比较复杂一点，使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房。更为讲究高级的一种太阳房，则为空调制冷式太阳房。太阳能与民用建筑的结合十二、太阳能制冷太阳能制冷与一般电制冷原理相同，只是所用能源不同，带来一些结构上的变化。目前太阳能制冷方法有压缩式致冷、蒸汽喷射式致冷、吸收式致冷等。压缩式致冷要求集热温度高，除采用真空管集热器或聚焦型集热器外，一般太阳能集热方式不易实现，所以造价较高；蒸汽喷射式致冷不仅要求集热温度高，而且制冷效率也很低；吸收式致冷系统所需集热温度较低，大约70～90℃即可，使用平板式集热器也可满足其要求，而且热利用较好，制作容易，所以采用较多；缺点是设备庞大，影响推广。十三、太阳能蒸馏—海水淡化太阳能蒸馏器有两种，一种叫顶棚式（或热箱式），另一种是聚光式。顶棚式是以水泥浅池为基础，上面盖以玻璃顶棚，顶棚分单斜坡和双斜坡。其工作原理是：太阳光透过玻璃顶棚照射到涂有黑色的水泥池底，光线经黑体吸收，变为热能传递给水。由于池子四周密封，实为一个热箱，水温逐渐升高，使水不断蒸发。从结构上看，类似于浅池式太阳热水器。但蒸馏器的水层要求更浅，以使水分的大量蒸发。同时，盖面玻璃是斜坡式，当上升的水蒸气遇到较凉的玻璃顶棚时，立即冷凝成水珠，并受重力影响水珠下移，汇聚成较大水珠，逐渐流入玻璃板下沿的集水槽，于是得到淡水。这种淡水实为蒸馏水，如要饮用，还应矿化处理。。聚光式蒸馏器是利用聚光器获得高温，再把咸水烧成蒸汽，然后经过冷凝成淡水。这种装置是强化蒸馏，效率虽然较高，但装置的造价昂贵。十四、太阳能发电太阳能发电是利用集热器把太阳辐射能转变成热能，然后通过汽轮机、发电机来发电。根据集热的温度不同，太阳热发电可分为高温热发电和低温热发电两大类。按太阳能采集方式划分，太阳能热发电站主要有塔式、槽式和盘式三类。SchottSolarPowerPlantHighTemperature(ConcentratingSystems),IndustrialPowerGeneration,HotWater,ProcessHeat十五、太阳能热力机太阳能热力机是一种以太阳辐射热作动力的机械。它的种类很多，用途也可以各不相同，有的直接提供动力，有的用作太阳泵，也有的作小型发电设备。但是，它们的基本原理不外乎朗肯循环和斯特林发动机。不过，近年来也还出现了直接的太阳气压泵、太阳隔膜泵和太阳氢气发动机等。斯特林发动机是一种用外部加热使活塞往复运动的外燃机，1916年由苏格兰人罗伯特·斯特林发明而命名。这种发动机可以利用各种能源，特别是因为它是外燃式，使用聚光太阳能更为方便。其