新能源技术明廷臻课件.ppt

1、12/13/20221 1新能源技术工程热物理系标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容12/13/20223现代科学技术的四大支柱 信息科学 材料科学 生命科学 能源科学12/13/20224能源科学能源技术：研究各种能源的开发、生产、转换、储存和综合利用。研究目的：1.提高现有能源的利用效率 2.寻找新的能源及其利用方式研究再生能源技术的目标：寻找实现能量的高效率低成本的转换技术12/13/20225本课程主要内容v风能利用技术v核能利用技术v氢能利用技术v太阳能利用技术v海洋能利用技术v地热能利用技术v生物质能利

2、用技术12/13/20226学时安排v核能利用技术（2学时）v氢能利用技术（2学时）v太阳能利用技术（6学时）v海洋能利用技术（2学时）v应用与前沿举例（2学时）12/13/20227补充v基础知识：传热学、流体力学、热力学、半导体物理、电化学反应基础v相关专业：能源、电气、材料、交通、物理、化学、建筑、光电、12/13/202281.太阳能基础知识2.太阳能的热利用3.太阳能的热发电4.太阳能光伏发电5.太阳能热气流发电太阳能利用技术Technology of Solar Energy Utilization12/13/202291.太阳能基础知识1-1.热辐射的基本概念1-2.太阳能的基本

3、概念12/13/202210太阳基本参数v日地距离约：1.5108km。v从地球上望：太阳的张角0.0093弧度。v太阳直径：1.4106km(地球的109倍)v太阳体积：地球体积的1 302 500倍v太阳质量：1.991030kg(地球的33万倍)v平均密度：1.4103kg/m3(地球的0.25倍)v太阳温度:5770(表面)1560万(核心)v总辐射功率:3.831026 J/sv太阳年龄:约50亿年 1-2.太阳能的基本概念12/13/202211太阳能v太阳能是一种清洁的可再生能源。v从广义上讲：太阳能不仅包括直接投射到地球表面的辐射能，还包括像生物质能、水能、风能、海浪能等同样起

4、源于太阳辐射的间接的太阳能量；而且像现在广泛使用的石油、天然气和煤炭等化石能源，也都是古代太阳能资源的产物。v从狭义上讲：太阳能指的是直接投射到地球表面的太阳辐射能。v可再生能源技术领域讲述的太阳能指的是狭义的太阳能。v太阳能两个主要缺点：一是能流密度低；二是能流波动大。12/13/202212太阳构造内部大气内核中介层对流层光球层色球层日冕层00.23R，T=4107K，P=31014Pa，=1105kg/m3，物质处于等离子体状态，热核反应，产生能量占太阳产生能量的90%。0.23R0.7R，辐射输能区，T=1.3105K，=79kg/m3。0.7R1R，T=6000K，=1kg/m3。肉

5、眼所见太阳表面，T=6000K，=10-3kg/m3，厚度500 km，由强烈电离的气体组成，能吸收和发射连续的辐射光谱，太阳能的绝大部分能量由此辐射到天空。厚度约11041.5104km，大部分由氢和氦组成。温度为5000K，=10-5kg/m3。有时出现极猛烈的日焰，此时太阳辐射量最大，有些太阳上的电子流到太空，形成太阳风，打击到地球大气层上缘，产生磁暴和极光。伸入太空的银白色日冕，温度1106K，高度达几十个太阳半径12/13/202213太阳辐射能v太阳物质组成：氢占78.4%，氦占19.8%，金属和其他元素占1.8%。v两种热核反应：质子-质子循环，碳-氦循环。v太阳辐射功率：3.7

6、41026W，相当于每秒钟燃烧1.281015吨标煤放出的能量。v太阳辐射波长范围：自0.1nm以下的宇宙射线无线电波。v太阳辐射具有波动性和粒子性。12/13/202214太阳常数v太阳本身的活动会引起太阳辐射强度发生波动。v观测表明，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射量大2.5%。v在一般的太阳辐射计算中，可近似认为太阳辐射稳定，在地球大气层外的太阳辐射强度为一个常数。v太阳常数：指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气外层平面上，单位时间、单位面积上所接受的太阳辐射能，单位为W/m2。v太阳常数取值：1357 W/m2。具有平均值意义12/13/202215大气层外太阳辐射强度计算v大气

7、层外，单位时间、单位垂直面积上所接受到的太阳辐射能 I 随地球与太阳的距离而变化。v计算方法：36010.034cos365.25CnIvD为日地距离；D0为日地平均距离；vIc为太阳常数；n为从元旦算起的天数。20CDIID12/13/202216大气质量v设A为地球表面海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳垂直入射，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径OA。当太阳位于任一位置S时，其穿过大气层到达A点的路径为OA。大气质量定义为两者之比：O AAMOA设定在1atm和0，海平面上太阳垂直入射，此时大气质量AM=1，简称AM1。12/13/202217太阳高度角v太阳高度角：定义为太阳辐射到

8、达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h，则有：1sinhAM当h=90时，AM=1；当h=30时，AM=2。12/13/202218太阳辐射强度v太阳辐射强度I：定义为单位时间地球表面上单位面积上所入射的太阳辐射功率，单位为W/m2。00sinhIIIAMI0为大气质量为AM1的海平面上的太阳辐射强度。结论：到达地球表面任意一点的太阳辐射强度与该点的大气质量成反比。大气质量越大，到达该点的太阳辐射强度越小。12/13/202219大气透明度v太阳辐射强度除了与大气质量有关外，大气中含有的各种气体和固体尘埃都会影响太阳光的透过量。v定义P为大气透明度。当大气质量AM=m时，太阳直接辐射

9、强度可表示为：001mmII PI PP1为大气质量为1时的大气透明度，Pm为大气质量为m时的大气透明度。P值越大，大气越透明。P永远小于1，一般为0.30.85。0.85相当于大气最清净时的透明程度。最好的晴天，P1=0.85；一般的晴天，P1=0.65；较差的晴天P1=0.532。海拔越高，P1大，反之则越小。12/13/202220太阳高度角h的计算sinhsinsincoscoscosv太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h。v为当地的纬度角；为时角，每小时的时角为15，即地球每小时自转15。v为赤纬角。12/13/202221赤纬角v赤纬角的变化

10、范围：v为赤纬角，定义为正午时太阳-地球连线与地球赤道平面所夹的圆心角。v当太阳垂直照射在地球赤道上时，赤纬角为0，从赤道向北 取正值，向南则取负值。0023 2723 27 v太阳赤纬角的计算：028423.45sin 360365nvn表示一年从元旦算起的第几天。冬至日12/13/202222太阳入射角v太阳入射角：定义为太阳光线与被照射的平面法线之间的夹角。0cosII00sinhIIIAMv对于倾斜平面，该平面上太阳辐射能与太阳入射角之间的计算关系：cossinsincoscoscosv若已知为纬度角；为赤纬角；为时角，则：12/13/202223v经验：为了接受更多的太阳能，在北半球

11、实际太阳能集热面都是朝南倾斜的，在春天和秋天，如果集热面倾角等于地球纬度角，则太阳辐射正好与集热面垂直。v一般来说，在夏天集热面要更水平一些，在冬季要更垂直一些，这样可接受更多的太阳辐射。v若集热面朝向正南，与水平面的倾角为，则该斜面上太阳辐射的入射角计算：cossinsincoscoscosv正午时刻，=0，太阳入射角为：12/13/202224我国太阳能资源分布类型地 区年日照时数（h/a）年辐射总量（kWh/m2a）1西藏西部、新疆东南部、宁夏北部、青海西部、甘肃北部32003200330033001856185623332333 2西藏东南部、新疆南部、宁夏南部、青海东部、甘肃中部、内

12、蒙古南部、河北西北部30003000320032001626162618561856 3新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、江苏北部、安徽北部220022003000300050005000585058504湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部140014002200220042004200500050005四川、贵州10001000140014003350335042004200我国西部的太阳能非常丰富，多数地区的年日照时数在30003000小时以上我国的太阳能资源是风力资源的14001400

13、倍、水力资源的33003300倍12/13/202225太阳能的利用历史v中国是世界上最早利用太阳能的国家之一。远在3000多年前的西周时代（公元前11世纪），就已有了“阳燧取火”技术的记载，所谓“阳隧”，就是形似凹面镜的金属圆盘，对着太阳聚光，在聚光点点燃艾绒等易燃物，取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。v1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位。12/13/20222

14、6v国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。公元前215210年，古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛，派了一支舰队攻打希库扎港，著名学者阿基米德为了保卫家乡，他让每个士兵用擦亮的铜盾，排列在城堡上，把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上，结果使舰船起火，敌人仓惶逃跑。v1973年希腊科学家萨克斯博士，雇了50多名水手，各持一块长方形铜镜，聚焦一只木船，结果木船起火。此可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的。v以上说明太阳能利用技术古已存在。但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用，还是起于1615年。法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人。从此，太阳能利用进入了一个新的历史时期。12/13/202

15、227太阳能利用的主要形式v人类直接利用太阳能有四大技术领域，即光热转换、光电转换、光化学转换和储能技术。v太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。v太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。v太阳能化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。12/13/2022282.太阳能的热利用2-1.平板型集热器2

16、-2.真空管集热器2-3.太阳能热水器2-4.太阳房太阳灶2-5.太阳能干燥2-6.太阳能储存12/13/2022292-1.平板型集热器v太阳能集热器的分类按集热方式分类：平板型集热器和聚光型集热器按所能达到的集热温度分类：低温集热器（集热温度500）按结构分类：直晒式平板集热器（温升010 ）；透明盖板式集热器（水温升050 ）；透明盖板集热器（空气温升050 ）；真空管集热器（温升10150 ）；点聚焦集热器（温升150 ）；线聚焦集热器（温升50150 ）12/13/202230v聚光集热器(小补充)v提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损

17、失。v聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。v工作原理：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与入射太阳辐射总是互相垂直的。12/13/20223112/13/202232v平板型集热器的基本结构基本结构：(1)集热板(2)选择性吸收涂层(3)透明盖板(4)隔热层和外壳平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。12/13/202233隔热层透明盖板集热板选择性吸收涂层外壳12/13/202234v集热器内

18、吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的器件。它包括吸热面板和与吸热面板有良好结合的液体管道或通道。v集热板的技术要求：可以最大限度地吸收太阳辐射；传热性能好，高效传递太阳能给工作介质；好的力学和耐腐蚀性能；加工简单，造价低廉。v集热板的材料：铜、铝合金、镀锌铜、铜铝复合板、不锈钢和塑料。其表面涂有选择性或非选择性涂层。(1)集热板12/13/202235集热板结构形式12/13/202236v为提高集热板吸收太阳辐射的能力，在集热板上都覆盖一层黑色涂层，成为太阳能吸收涂层。v太阳能吸收涂层分类：选择性；非选择性。v选择性涂层的吸收特性随辐射波长而改变。对太阳短波辐射具有高的吸收比，而本身所在温度

19、的长波发射比却很低的一种涂层。这种涂层既可使吸热面板吸收更多的太阳辐射能，又可减少吸热面板向环境的辐射损失。v非选择性涂层对太阳辐射的吸收特性和辐射波长无关。在一定温度下，物体的吸收比等于其发射比。v一般平板型集热采用非选择性涂层。v只有当工质需要较高的温度或环境温度较低时，才采用选择性涂层。(2)选择性吸收涂层12/13/202237v平板集热器的重要部件。v主要功能：(1)透过太阳辐射；(2)保护集热板不受外界灰尘和雨雪侵蚀；(3)形成温室效应。v技术要求：(1)太阳辐射的透射率较高；(2)红外辐射的透射率低；(3)导热性能差；(4)耐腐蚀耐冲击性能好。v常用材料：平板玻璃：红外辐射透射率

20、低，导热性能差和耐腐蚀性能好，太阳透射率已达0.90.91，但耐冲击性能较差。玻璃钢板：一种玻璃纤维增强型塑料板，太阳透射率高，导热性能差，耐冲击易加工，但耐蚀性能较差。透明蜂窝：一种新型透明隔热材料，太阳透射率高，隔热性能最好。一般用聚碳酸酯薄膜(PC)，氟化乙丙烯薄膜(FEP)，聚氯乙烯和薄壁玻璃管制成。(3)透明盖板12/13/202238v隔热层：在集热板的底面和侧面充填有保温材料以减少集热板对周围环境的散热损失。v技术要求：保温性能好；性能稳定；不易老化和挥发；不产生有害气体，价格低廉。v从传热学角度考虑，设计时一般要求底面的散热是上盖板散热的110。v常用材料：岩棉、矿棉、聚氨酯泡

21、沫、聚苯乙烯v壳体：固定集热器、透明盖板和隔热层，对集热器起保护作用。v常用材料：铝合金、不锈钢和玻璃钢等。(4)隔热层和外壳12/13/202239平板型集热器的数学模型v分析思路：v认为管道温度均匀，管与管之间用集热板连接，将集热板的一半以及与之连接的管道抽取出来分析。v可将上述模型视为肋片的导热问题。v建立肋片的传热数学模型，同时考虑辐射和对流。计算肋片的效率。v平板集热器的倾斜度影响集热板表面的对流换热系数。能源专业12/13/202240问题描述v设玻璃盖板的透过率，集热板的吸收率，太阳辐射强度为I透过玻璃盖板照在翼板表面上，冷却流体通过管道吸收热量，环境温度ta为常数，假定沿集热板

22、方向的导热可以忽略不计，材料的导热系数，集热板与环境的对流换热系数为UL，集热板厚度，两相邻冷却流体管道之间的距离为2W（非管道中心距离而是边缘距离），流体通道直径为D，流体管道的温度tb0，求集热板温度tp。12/13/202241平板集热器的效率v集热器效率：定义为在稳定工况下，集热器工作介质在单位时间内输出的热量和单位时间入射到集热器的太阳辐射能之比。poutinumcttQA IA I：m outtA：集热板面积 I：太阳辐射强度int12/13/2022422.太阳能的热利用2-1.平板型集热器2-2.真空管集热器2-3.太阳能热水器2-4.太阳房太阳灶2-5.太阳能干燥2-6.太阳

23、能储存12/13/2022432-2.真空管集热器v平板集热器的缺点散热损失太大；热效率不高，集热温度不高将集热板与盖板、侧壁与地板之间抽真空；将集热板做成圆管形状。由此形成了真空管集热器真空管集热器按材料分类：全玻璃真空管集热器 金属真空管集热器v改进方法12/13/202244全玻璃真空管集热器的结构v集热管由内外两同心圆玻璃管制成。两玻璃管之间的夹层抽成高度真空，在内管外壁沉积有选择性吸收膜，外管为透明玻璃。v两管尾部之间用不锈钢弹簧卡子将内管自由端支撑，卡子顶部带有消气剂，消气剂的作用是吸收集热管在长期使用中产生的气体，以维持夹层内的真空度。12/13/202245热损失计算v以单支真

24、空管集热器为例：()LLraqU TTqL为单位面积上真空集热管的散热热流密度；UL为热损失系数，Tr为真空集热管温度，Ta为环境温度。vUL的计算方法：(注意，有些专著描述有误)vUL为从内管外壁面到外部环境流体这个散热损失过程的传热系数。12/13/202246散热损失过程的三个热阻环节v1.集热管对保护套管（外层玻璃管）的辐射热阻r1；v2.外层玻璃管的导热热阻r2；v3.外层玻璃管与环境之间的辐射和对流复合热阻r3。221()()111reireireTTTTr2lnln2eoeiRRr3221()()eoaeeoaeoarrRhTTTTR 12/13/202247真空集热管实际得到的

25、热流密度：若令qu=0，则集热器开始运行的最小太阳辐射：()uLLraeeqIqIUTT()0LraeIUTT()LraeUTTI12/13/202248热管式真空集热管v热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种，它由热管、金属吸热 板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分构 成，其中热管又包括蒸发段和冷凝段两部分。12/13/202249热管式真空集热管工作原理v太阳辐射穿过玻璃外管后，投射在有涂层的金属集热管4上，集热管将热量传给与其紧密结合的热管蒸发段5，供蒸发段内的工质汽化。v工质蒸汽流向热管冷凝段1凝结，凝结放出的热量加热集热器的工作介质。凝结后的液体工

26、质在重力作用下回流到热管蒸发段循环工作。12/13/202250热管v采用热管技术是热管式真空管换热器的最大特点。v热管是利用汽化潜热高效传递热能的强化传热元件。在热管式真空集热管中使用的热管一般都是重力热管，也称为热虹吸管。v重力热管的特点是管内没 有吸液芯，冷凝后的液态工质依靠其自身的重力流回到蒸发段，因而结构简 单，制造方便，工作可靠，传热性能优良。v目前国内大都使用铜-水热管，国外也有使用有机物质作为热管工质的，但必须满足工质与热管材料的相容性。12/13/202251热管式真空集热管的优点v1.真空集热 管内没有水，因而耐冰冻，即使在零下40的环境温度下也不冻坏;v2.热管工质的热容

27、量小，因而真空集热管启动快;v3.热二极管效应：热量只能从下部传递到上部而不能从上部传递到下部，因而真空集热管保温好。v注意事项：由于热管的液态工质是依靠其自身的重力流回到蒸发段，所以在安装时要求热管式真空集热管与地面保持一定的倾角。12/13/202252玻璃-金属封接 v采用金属吸热板是热管式真空管集热器第二大特点。v由于金属和玻璃的热膨胀系数差别很大，所以存在玻璃与金属之间如何实现气密封接的技术难题。v玻璃-金属封接技术大体可分为两种:v一种是熔封，也称为火封，它是借 助一种热膨胀系数介于金属和玻璃之间的过渡材料，利用火焰将玻璃熔化后封 接在一起;v第二种是热压封，也称为固态封接，它是利

28、用一种塑性较好的金属作为焊料，在加热加压的条件下将金属封盖和玻璃管封接在一起。12/13/202253v目前国内玻璃-金属封接大都采用热压封技术，热压封使用的焊料有铅、铝等。与传统的火封技术相比，热压封技术具有以下几个优点:v 封接温度低，封接是在玻璃的应变温度以下进行，封接后不需要经过退火;v 封接速度快，封接过程在几分钟内完成，明显提高了生产效率;封接材料匹配要求低，对金属封盖和玻璃管之间热膨胀系数的差别要求降低，比较容易找到替代材料。12/13/202254真空度与消气剂 v由于热管式真空集热管采用金属吸热板，因而在制造过程中的真空排气工艺不同于全玻璃真空集热管，有其自身独特的真空排气规

29、律。v为了使真空集热管长期保持良好的真空性能，热管式真空集热管内一般应同时放置蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂两种。v蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的内表面上，像镜面一样，其主要作用是提高真空集热管的初始真空度;v非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂，其主要作用是吸收管内各部件工作时释放的残余气体，保持真空集热管的长期真空度。12/13/2022552.太阳能的热利用2-1.平板型集热器2-2.真空管集热器2-3.太阳能热水器2-4.太阳房太阳灶2-5.太阳能干燥2-6.太阳能储存12/13/2022562-3.太阳能热水器 Solar collector forheating wat

30、erA home in California in 190612/13/202257Popular applications in the United States include facilities that use a great deal of hot water,such as this army laundry in Massachusetts.The solar water heater on the roof of this house in Israel is typical of the systems used in many parts of the world.It

31、 consists of a solar panel that heats the water and a tank that stores it.12/13/202258Simple solar water heaters are also very common in China.Note that the storage tank is mounted horizontally on the roof of this home in Beijing.Twenty-four rooftop solar collectors provide about 45 percent of the h

32、ot water used by this fast-food restaurantin Australia.12/13/202259v太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。v按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直流式和循环式。12/13/202260太阳能游泳池闷晒式：水在集热器中不流动，闷在其中受热升温。12/13/202261由集热器、蓄热水箱和管道组成。水在这种系统中不循环。当屋顶上集热器的水温高于屋内的储罐水温时，电子控制装置接通水泵向储罐供水。直流式直流式太阳能集热器12/13/202262v循环式：又分为自然循环型和强迫循环型两种形式。v(

33、1)自然循环热水系统v自然循环太阳能热水系统的储水箱置于集热器上方，水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度升高，形成集热器及储水箱中水温不同。由于密度差而引起浮升力，产生热虹吸现象，使水在储水箱及集热器中作自然流动。12/13/20226312/13/20226412/13/202265(2)强迫循环热水系统v这种系统利用水泵迫使水在集热器与储水箱之间循环。v当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。v水泵入口处装有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，产生热损失。12/13/202266全玻璃真空管太阳能热水器的优点v真空管热水器一年四季均可使用，其采用高真空双层玻璃

34、管结构，热损失小，保温性能好。v集热管为圆形，集热能力受一天中太阳位置变化的影响较小，因而集热时间长。水质清洁，可做生活用水。v耐冷热冲击性能好，并可抗冰雹。12/13/2022672.太阳能的热利用2-1.平板型集热器2-2.真空管集热器2-3.太阳能热水器2-4.太阳房太阳灶2-5.太阳能干燥2-6.太阳能储存12/13/202268v太阳房 2-4.太阳房太阳灶 v太阳房是一种直接利用太阳能进行采暖和空气调节的环保型节能建筑，它能使建筑物在一定程度上具有冬暖夏凉的功能。v1931年美国麻省理工学院建成了世界上第一座太阳能采暖房。v太阳房获取太阳能的基本原理是温室效应。v太阳房可分为主动式

35、太阳房和被动式太阳房两类。12/13/202269补充：温室效应v温室效应是指由于玻璃和透明材料对不同波长的电磁波具有选择性吸收和透过能力所导致的热量蓄积的现象。v玻璃和透明材料可以让波长较短的太阳辐射透过，而阻挡波长较长的热辐射。v这样，用玻璃和透明材料为顶做成的温室，可以让太阳辐射进入温室内部，而室内的长波热辐射则被玻璃阻挡住。v进入温室内的能量就大于从温室向外散发的能量，温室内的温度就会逐渐升高而大于环境温度。12/13/202270大气层温室效应v大气层温室效应是指大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体对于短波辐射是透明的，但可以显著地吸收长波辐射（红外线）。v而太阳辐射的能量主要集中在可见

36、光和波长更短的辐射，所以大气中的二氧化碳并不显著影响太阳对地球的辐射。v而地球表面温度较低，它向太空的辐射几乎全部是红外辐射。大气中的二氧化碳可以吸收地球向太空的红外辐射，大气被加热，其中部分热量又重新辐射回地面，从而产生了地面的保温作用。v近两百年以来，研究发现大气中的二氧化碳由于人类活动的影响而异乎寻常的增加，而地面温度也急剧上升，为此人们正在急迫寻找采取措施控制大气层的温室效应。12/13/202271主动式太阳房v与常规能源采暖的区别：以太阳集热器作为热源代替以煤、石油、天然气等常规能源作为燃料的锅炉。v主要设备：太阳集热器、储热水箱、辅助热源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等。v

37、原理：太阳集热器获取太阳能，通过配热系统送至室内。过剩热量储存于水箱内，当收集的太阳能小于采暖负荷时，由储存的热量来补充，热量不足时由备用的辅助热源提供。v或称主动太阳能采暖系统12/13/202272日本多层太阳能住宅 v日本在主动式太阳房的研究应用领域处于世界前列。从上世纪70年代开始，日本便按计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直稳步发展，并已应用于大型建筑物上。12/13/202273主动式太阳房的特点v区别：用太阳集热器代替采暖系统中的锅炉（与常规采暖不同之处）。但是，由于地表面上每平方米能够接收到的太阳能量有限，故集热器的面积就要足够大。

38、一般要求太阳能利用率在60%以上，集热采光面积占采暖建筑面积的1030%，（该比例数大小与当地太阳能资源、建筑物的保温性能、采暖方式、集热器热性能等因素有关）。v 蓄热装置：太阳辐射受季节、昼夜、天气的影响。因此，太阳能不能成为连续、稳定的独立能源，要满足连续采暖的需求，系统中必须有贮存热量的设备和辅助热源装置。储热设备通常按可维持23天的能量来计算。储热设备一种是贮热水箱，另一种是用卵石槽（工质为空气）。v 结构简单：太阳房所采用的集热器要求构造简单、性能可靠、价格便宜。由于集热器的集热效率随集热温度升高而降低，因此尽可能降低集热温度，如采用太阳能天棚或地板辐射采暖的集热温度在3040之间就

39、可以了，而采用散热器采暖集热温度必须达到60以上。12/13/202274被动式太阳房v被动式太阳房的特点是不需要专门的集热器、热交换器、水泵（或风机）等主动式太阳能采暖系统中所必需的部件，只是依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶等建筑物本身构造和材料的热工性能，以自然交换的方式（辐射、对流、传导）使建筑物在冬季尽可能多吸收和储存热量，以达到采暖的目的。v简而言之，被动式太阳房就是根据当地的气象条件，在基本上不添置附加设备的条件下，只在建筑构造和材料性能上下工夫，使房屋达到一定采暖效果的一种方法。因此，这种太阳能采暖系统构造简单、造价便宜。12/13/202275被动式太阳房的分类v直接受

40、益式：利用南窗直接照射的太阳能v集热蓄热墙式：利用南墙进行集热蓄热v综合式：温室和前两种相结合的方式v屋顶集热蓄热式：利用屋顶进行集热蓄热v自然循环式：利用热虹吸作用进行加热循环12/13/20227612/13/202277直接受益式v这是被动式太阳房中最简单的一种形式。就是把房间朝南的窗扩大，或做成落地式大玻璃墙，让阳光直接进到室内加热房间。v在冬季晴朗的白天，阳光通过南向的（墙）透过玻璃直接照射到室内的墙壁、地板和家具上，使它们的温度升高，并被用来储存热量，夜间，在窗（墙）上加保温窗帘，当室外和房间温度都下降时、墙和地贮存的热能，通过辐射、对流和传导被释放出来，使室温维持在一定的水平。1

41、2/13/20227812/13/20227912/13/202280集热蓄热墙式1v集热蓄热墙是间接受益太阳能采暖系统的一种。太阳光照射到南向、外面有玻璃的深黑色蓄热墙体上，蓄热墙吸收太阳的辐射热后、通过传导把热量传到墙内一侧，再以对流和热辐射方式向室内供热。另外，在玻璃和墙体的夹层中，被加热的空气上升，由墙上部的通气孔向室内送热，而室内的冷空气则由墙下部的通气孔进入夹层，如此形成向室内输送热风的对流循环。以上是冬天工作的情况。夏天，关闭墙上部的通风孔，室内热空气随设在墙外上端的排气孔排出，使室内得到通风，达到降温的效果。12/13/20228112/13/202282集热蓄热墙式2v第二种

42、形式是在玻璃后面设置一道“水墙”。特点是墙上不需要开进气口与排气口。“水墙”的表面吸收热量后，由于对流作用，吸收的热量很快地在整个“水墙”内部传播。然后由“水墙”内壁通过辐射和对流，把墙中的热量传到室内。“水墙”内充满水，具有加热快、贮热能力强及均匀的优点。“水墙”也可以用塑料或金属制作，有些设计采用充满水的塑料或金属容器堆积而成，使建筑别具一格。12/13/20228312/13/202284综合（阳光间）式v“综合式被动太阳房”是指附加在房屋南面的温室，既可用于新建的太阳房，又可在改建的旧房上附加上去。实际它是直接受益式（南向的温室部分）和集热蓄热墙式（后面有集热墙的房间）两种形式的综合。

43、由于温室效应，使室内有效获热量增加，同时减小室温波动。温室可做生活间，也可作为阳光走廊或门斗，温室中种植蔬菜和花草、美化环境增加经济收益，缩短回收年限。附加温室外观立面增加了建筑的造型美、热效率略高于集 蓄热墙式，但是温室造价较高，在温室内种植物，湿度大，有气味，使温室的利用受到限制。12/13/20228512/13/202286屋顶蓄热集热式v屋顶做成一个浅池（或将水装入密封的塑料袋内）式集热器，在这种设计中，屋顶不设保温层，只起承重和围护作用，池顶装一个能推拉开关的保温盖板。该系统在冬季取暖，夏季降温。v冬季白天打开保温板，让水（或水袋）充分吸收太阳的辐射热；晚间关上保温板，水的热容大，

44、可以储存较多的热量。水中的热量大部分从屋顶辐射到房间内，少量从顶棚到下面房间进行对流散热以满足晚上室内采暖的需要。v夏季白天把屋顶保温板盖好，以隔断阳光的直射，由前一天暴露在夜间、较凉爽的水（或水袋）吸收下面室内的热量，使室温下降；晚间打开保温盖板，借助自然对流和向凉爽的夜空进行辐射，冷却了池（水袋）内的水，又为次日白天吸收下面室内的热量做好了准备。v该系统适合于武汉夏季较热、冬天又十分寒冷的地区，为一年冬夏两个季节提供冷、热源。12/13/20228712/13/202288自然循环（热虹吸）式v自然循环被动太阳房的集热器、贮热器是和建筑物分开独立设置的，它适用于建在山坡上的房屋。集热器低于

45、房屋地面，贮热器设在集热器上面，形成高差，利用流体的热对流循环。白天太阳集热器中的空气（或水）被加热后，借助温差产生的热虹吸作用，通过风道（用水时为水管），上升到它的上部岩石贮热层，热空气被岩石堆吸收热量而变冷，再流回集热器的底部，进行下一次循环。夜间岩石贮热器通过送风口向采暖房间以对流方式采暖。该类型太阳房有气体采暖和液体采暖两种，由于其结构复杂，应用受到一定的限制。12/13/20228912/13/202290太阳灶12/13/202291太阳灶的基本概念v太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，从而进行炊事烹饪食物的一种装置，应能满足烧开水、煮饭及煎、炒、蒸、炸的功

46、能。v太阳灶温度要求：如蒸煮或烧开水、要求温度100150；如果需要煎、炒、炸，则需要提供500600的高温。v太阳灶功率要求：要根据用户的需求。一般家庭使用的太阳灶，其功率大多为5001500W之间，截光面积约13。v太阳灶的热效率：太阳灶提供的有效热能与它接收太阳的能量之比。通过试验和检测，约为50%左右。v其他要求：操作方便，如锅灶的高度、它与人体的距离以及便于定时调整角度和方位。耐火性能和抗风载。v结构类型：箱式太阳灶、聚光太阳灶和综合型太阳灶。12/13/202292箱式太阳灶v箱式太阳灶的基本结构为一箱体，如图所示。箱体上面有13层玻璃（或透明塑料膜）盖板，箱体四周和底部采用保温隔

47、热层，其内表面涂以太阳吸收率比较高（应大于0.9）的黑色涂料，此外还有外壳和支架。12/13/202293v蒸、煮食物可以放在箱内预制好的木架或铅丝弯成的托架上。v使用时，将箱体盖板与太阳光垂直方向放 置、预热一定时间后，使箱内温度达到100时，放入食物，箱子封严后即开始进行蒸煮食物，使用时要进行几次箱体角度的调整，一般12小时后即熟。v箱式太阳灶可以蒸馒头、包子、焖米饭、炖肉、熬菜和煮红薯等。此外还可以用它蒸煮医疗器具和消毒灭菌之用。12/13/202294v为提高箱式太阳灶的热性能，人们又在箱式太阳灶朝阳玻璃面四周加装平面反射镜14块。v这样太阳光照射到反射镜后，有很大一部分能量会进入玻璃

48、面，使箱式太阳灶有效能量提高12倍。反射式太阳灶12/13/202295聚光太阳灶v 聚光太阳灶是利用抛物面聚光的特性，大大提高了太阳灶的功率和聚光度，使锅圈温度可达500以上，大大缩短了炊事作业时间。v聚光式太阳灶又可以根据聚光方式的不同，分为旋转抛物面太阳灶、球面太阳灶、抛物柱面太阳灶、圆锥面太阳灶和菲涅耳聚光太阳灶等。v由于旋转抛物面太阳灶具有较强的聚光特性、能量大，可获得较高的温度，因此使用最广泛。12/13/202296提供足够的能量和温度，能烹煮所需种类和数量的食物；坚固耐用，能承受频繁的操作使用以及风和其他外来影响；被社会所接受，适应人们的烹饪和饮食习惯，例如能在蔽荫处做饭，最好

49、在没有太阳时也能烹饪；制造方便，能利用当地的人力和物力；价格应能与其他灶具竞争。聚光太阳灶的设计与制造（略）太阳灶必须具备的条件12/13/2022972.太阳能的热利用2-1.平板型集热器2-2.真空管集热器2-3.太阳能热水器2-4.太阳房太阳灶2-5.太阳能干燥2-6.太阳能储存12/13/202298v工农业产品的干燥过程耗能量2-5.太阳能干燥我国总粮产量需耗煤20M吨，相当于20%的农村商品能源，占全国能耗2.4%。我国在收获季节，因灾害性天气的影响，全国农村（包括国营农场）每年粮食霉烂发芽损失5M吨，严重时超过10M吨。12/13/202299现有干燥方式v人工摊晒方法：干燥周期

50、长、晒场占地面积大（谷物干燥晒场面积为农田面积的12%），且易受蝇、虫、灰尘污染及阵雨袭击，影响产品质量或造成严重变质。v太阳能干燥设备干燥：可以充分利用太阳辐射，有效提高干燥温度，使得干燥时间缩短，同时可解决干燥物料被污染的问题，天气变化也不致使物料变质，因而可得到优等产品。12/13/2022100v太阳能干燥：以太阳能代替常规能源来加热最常用的干燥介质是空气的干燥过程，通过热空气与湿物料接触并把热量传递给湿物料，使其水分汽化并被带走，从而实现物料的干燥。v太阳能干燥是一个传热、传质的过程。太阳能干燥12/13/2022101太阳能干燥的方式v直接干燥：使被干燥的物料直接吸收太阳能或通过太