1、 新能源利用技術 王一平天津大學化工學院 教授 2013.4.24 第二章 太陽能利用 2.1 太陽能熱利用 2.2 太陽能發電 2.3 太陽能建筑 2.4 光化學 太陽能主要利用方式 目 前 主 要 應 用 轉化成電能 光-電 轉化成熱能 光-熱 太陽能光伏發電 太陽能光熱發電 太陽能集熱器 太陽灶、太陽房 太陽能干燥、太陽能空調制冷 太陽能建筑一體化 自然光合作用 轉化成化學能 光-化 人工光合作用 制氫 2.1 太陽能熱利用 ? 太陽能集熱器 ?太陽能熱水器 ?太陽能熱水系統 ?太陽灶 ?太陽能干燥 ? ? ?太陽能熱利用就是直接將太陽的輻射能轉化為熱能的應用。 主要包括太陽熱水器、太陽

2、房、太陽灶、太陽干燥、太陽海水淡化及其它工農業應用。 2012年，我國太陽能熱水器年產量達到 6390萬m2。 2010年，我國太陽灶的保有量約為 205余萬臺。 據不完全統計，我國已建各種類型的太陽能干燥裝置200多座，總采光面積近 20000m2。 一、太陽能集熱器 ? 太陽集熱器定義：太陽加熱系統中，接收太陽輻射并向其傳熱工質傳遞熱量的部件。 ?許多人誤認為太陽集熱器（簡稱集熱器）就是太陽熱水器。集熱器是熱水器的一部分，它是決定熱水器熱性能優劣的一個關鍵部件。 （1）集熱器分類 （a）按工質分類 （b）按是否聚光分類 液體集熱器 聚光集熱器 空氣集熱器 非聚光集熱器 （c）按是否跟蹤太陽

3、分類 （d）按是否有真空空間分類 跟蹤集熱器 平板集熱器 非跟蹤集熱器 真空集熱器 （e）按集熱器的工作溫度分類 ?(1)低溫集熱器 工作溫度在100以下 ?(2)中溫集熱器 工作溫度在100-200 ?(3)高溫集熱器 工作溫度在200以上。 （2）平板集熱器 （ a）吸熱體基本類型）吸熱體基本類型 a 管板式 b 翼管式 c 扁盒式 d 蛇管式 （b）集熱器蓋板）集熱器蓋板 ?無蓋板: 適用夏季游泳池加熱，成本低廉，加熱水溫 低，流量大 ?單層蓋板（普通黑漆）:適用于春夏秋三季生產40-46oC低溫生活熱水 ?單層蓋板（選擇性涂層）:適用于春夏秋三季生產60-70oC低溫生活熱水 ?雙層蓋

4、板（選擇性或非選擇性涂層）:用于環境寒冷地區，但由光學效率降低，影響總體效率 （c）集熱器隔熱材料）集熱器隔熱材料 ?絕熱性能:決定于導熱系數，需考慮溫度、濕度等的 影響 ?耐熱性:其耐熱溫度應高于集熱器的悶曬溫度 ?抗腐蝕性:不得對吸熱體和其它部件產生腐蝕作用 ?機械強度:為增強集熱器機械強度 （3）真空管太陽集熱器 ?真空集熱器：將吸熱體與透明蓋層之間抽成 真空的太陽集熱器。 ?主要特點：減少集熱器的傳導、對流和輻射熱損失。 ?從受力情況和密封角度考慮，通常將真空太陽集熱器基本單元做為圓管形狀，而不是平板。 （a）真空管集熱器分類 ?全玻璃的真空管集熱器吸熱體由玻璃管組成 ?金屬吸熱體真空

5、管集熱吸熱體由金屬材料組成，如U型管式真空管集熱器和熱管式真空管集熱器 （b）全玻璃真空管的結構 1、內玻璃管 2、太陽選擇性吸收涂層 3、真空夾層 4、外玻璃管 5、支承件 6、吸氣劑 7、吸氣膜 （c）真空管選擇性吸收涂層 ?采用選擇性涂層作為吸熱體的光熱轉換材料， 要涂層有高的太陽吸收比，低的發射率，良好 的真空性能，耐熱性能。 ?采用磁控濺射技術的多層（漸變）鋁氮 /鋁選擇性吸收涂層，光吸收率可達 0.93，紅外發 射率約為0.05（80） （d）U型管式真空管 ?結構簡單，就是在真空管內插 一根帶圓筒型鋁翼的U型銅管； ?真空管內無水，遇有真空管破裂，集熱系統照常運行； ?傳熱工質可

6、選用防凍液，特別適于高寒地區四季使用； ?集熱器間可并聯或串聯安裝，可以承壓運行； ?集熱管放置不受方向限制，系統安裝、維修簡便。 （e）熱管式真空管集熱器 ?管子的一端為蒸發段，吸收熱量，另一端為冷凝段釋放熱量。 ?當管子的蒸發段被加熱時 ，液體在網中氣化，蒸發的蒸汽從管心流向冷凝段，蒸汽向外部釋放熱量，重新凝結為液體，再流回蒸發段。 熱管式真空管的特點 ?熱效率高：最高運行溫度可達 100.最高悶曬溫度可達250.工作溫度為70-120 ?熱啟動快：在陽光下2分鐘即可輸出熱量。 ?特殊的防凍技術：即使在-50的嚴寒下仍能正常工作而無凍損之憂。 ? 高真空度，不結垢，承壓能力大 全天候運行：

7、天氣多變的南方和寒冷的北方全年運行 使用壽命長：使用壽命可長達12年 二、太陽能熱水器 ?定義：利用溫室原理，將太陽的能量轉變為熱能，并 向水傳遞熱量，從而獲得熱水的裝置。 ?按照GB/T18713和NY/T513，儲熱水箱的容水量在0.6t以下為家用太陽熱水器，大于0.6t則稱為太陽熱水系統或太陽熱水工程。 （1）家用悶曬型太陽熱水器 ?優點：結構簡單，使用可靠 ?特點：集熱器與水箱合二為 一，冷熱水的循環和流動在水箱內部進行 ?缺點：保溫效果差，熱量損失大。 塑料袋式熱水器塑料袋式熱水器 池式熱水器池式熱水器 筒式熱水器筒式熱水器 （2）家用平板型太陽熱水器 ?集熱器采用平板型； ?集熱器

8、與水箱結合緊密，上下循環管很短，不僅省料，而且減少了管道的熱損失； ?水箱前側板對太陽光還起到反射作用，增強射入蓋板的太陽輻射量； ?水箱容水量取決于集熱采光面積，常規產品是2 （3）家用緊湊式全玻璃真空管式 ?集熱器采用全玻璃真空管。 ?真空管集熱下方分有反射板和無反射板兩種。 ?集熱管與水箱內膽連接用硅橡膠密封圈，以防水的滲漏。 ?集熱管與水箱外殼連接則采用抗老化橡膠或塑料密封圈，防止或減少對流散熱。 ?使用壽命應在10年以上。 （4）家用緊湊式熱管真空管型 ? 集熱器采用熱管真空管； ?管內不走水，不結垢，可隨時上水； ?壽命主要取決于熱管的長期穩定工作。 （5）平板與真空管熱水器對比分

9、析 產品類型產品類型 平板型（普通）平板型（普通） 玻璃真空管玻璃真空管 日產水量日產水量/kgm-2 80110 70100 產水溫度產水溫度/ 4060 4060 效率效率/% 45 45 價格價格 較低較低 偏高偏高 抗腐蝕性抗腐蝕性 一般一般 好好 安裝維修安裝維修 方便方便 不便不便 防凍防凍 差差 好好 結垢情況結垢情況 有有 有有 三、太陽能熱水系統 ? 熱水系統的分類 ?自然循環系統 ?強制循環系統 ?直流式循環系統 （1）太陽能熱水系統類型 （a）按系統運行方式分類： 1 自然循環系統 2 強制循環系統 3 直流式系統 （ c ）按集熱與供熱水范圍分類： 集中供熱水系統集中供

10、熱水系統 集中分散供熱水系統集中分散供熱水系統 分散供熱水系統分散供熱水系統 （ d ）按輔助能源加熱設備安裝位置分類： 1 內置加熱系統 輔助能源加熱設備安裝在太陽熱水系統的貯水箱內； 2 外置加熱系統 輔助能源加熱設備不是安裝在貯水箱內，而是安裝在太陽熱水系統的供熱水管路上或貯水箱旁。 （ e）按輔助能源啟動方式分類： 1 全日自動啟動系統 始終自動啟動輔助能源加熱設備，確保可以全天24小時供應熱水； 2 定時自動啟動系統 定時自動啟動輔助能源加熱設備，從而可以定時供應熱水； 3 按需手動啟動系統根據用戶需要，隨時手動啟動輔助能源加熱設備。 太陽熱水系統設計選用表 （2）自然循環系統 ?系

11、統依靠集熱器與蓄水箱的水溫不同產生的密度差進行循環，水箱中的水經過集熱器被不斷加熱。 ?優點：結構簡單，運行安全可靠，不需要循環水泵等。 ?缺點：為了防止系統中熱水倒流和維持熱虹吸壓頭，蓄水箱必須置于集熱器的上方。 （3）強制循環系統）強制循環系統直接加熱系統直接加熱系統 ?在集熱器和貯水箱之 間管路上設置水泵，作系統中的水循環動力。 ?系統中設有控制裝置，根據集熱器出口與貯水箱之間水的溫差控制水泵運轉。 ?在水泵入口處，裝止回閥，防止夜間系統中發生水倒流而引起熱損失。 強制循環系統強制循環系統間接加熱系統間接加熱系統 ?在大型強制循環式太陽熱水系統中，為了防凍有時采用設置換熱器的雙回路系統。

12、 ?這種系統由于換熱器存在傳熱溫差，使系統效率降低。 （4）直流式系統 ?直流式，指水一次通過集熱器就被加熱到所需的溫度，所以又稱一次式。 ?它是一種開式太陽熱水系統 . ?分為熱虹吸式和定溫放水式兩種。 直流式系統-熱虹吸式 ? 集熱器受到陽光照射， 水溫升高，在系統中形成熱虹吸壓力。 ?早晨太陽升起一段時間以后，在貯水箱中便可收集到熱水。 ?這種虹吸型直流式太陽熱水系統的流量具有自動調節功能，但供水溫度不能按用戶要求自行調節。 直流式系統-定溫放水型 ?系統在集熱器出口處安裝 測溫元件，通過溫度控制器，控制安裝在集熱器入口管道上的電動閥的開度，達到根據溫度調節水流量，使出口水溫始終保持恒定

13、。 ?這種系統不用補給水箱，補給水管直接與自來水管連接。系統運行的可靠性，同樣決定于電動閥和控制器的工作質量。 直流式系統的優點 由于系統的補冷水由自來水直接供給，自來水具有一定的壓頭，保證了系統的水循環動力，因此系統中不需設置水泵。 貯水箱可以因地制宜地放在室內，既減輕了屋頂載荷，也有利于貯水箱保溫，減少熱損失。 完全避免了熱水與集熱器入口冷水的摻混。 可以取消補給水箱。 陰天只要有一段見晴的時刻熱水 .就可得到一定量的適用便于實現冬季夜間系統放空防凍。 可用熱水時間比自然循環式要早。 ? 四、太陽灶 ? 定義：利用太陽輻射能，通過聚光、傳熱、儲熱等方 式獲取熱量，進行炊事烹飪食物的一種裝置

14、。 ?正常使用時比蜂窩煤爐還要快；和煤氣灶速度一致。 ?太陽灶是較成熟的產品。 ?近二、三十年來，世界各國都先后研制生產了各種不同類型的太陽灶。 ?尤其是發展中的國家，太陽灶受到了廣大用戶的好評，并得到了較好的推廣和應用。 ?太陽灶在廣大農村，特別是在燃料缺乏地區，具有很 大的實用價值。 太陽灶的結構類型 ? 箱式太陽灶：利用黑體吸收太陽輻射能的原理制造的。 ?聚光太陽灶：利用旋轉拋物面反光匯聚太陽直射輻射能進行炊事工作的裝置。 ?綜合太陽灶：將箱式太陽灶和聚光太陽灶具有的優點加以綜合，并結合真空集熱管技術、熱管技術研究的不同類型的太陽灶。 （a）箱式太陽灶 ?優點： 能夠吸收太陽的直射和散射

15、能量 結構簡單，成本低 使用方便，溫度可以達到100以上，滿足蒸、煮食物的要求。 ?缺點： 聚光度低，功率有限，箱溫不高，所需時間較長，不能滿足所有的炊事要求。 普 通箱式太陽灶 加反光鏡的箱式太陽灶 1.反光鏡 2.支架 3.灶體 4.鋁板空箱體 5.玻璃蓋板 6.爐門 7.支柱 8.底框 （b）聚光太陽灶 ? 利用拋物面的聚光特優點： 性，鍋底溫度可達500o時間。C，縮短了炊事 ?成本較高，制作復雜。缺點： ?最廣泛。拋物面的太陽灶應用 幾種聚光太陽灶形式 旋轉拋物面聚光太陽灶 偏軸拋物面聚光太陽灶 折疊式聚光太陽灶 （c）綜合太陽灶 典型綜合型太陽灶 ? 熱管真空管式太陽灶 ? 儲熱式

16、太陽灶 ? 聚光雙回路太陽灶 ? 拋物柱面聚光箱式灶 ?熱管太陽灶 1.散熱片 2.蓄熱材料 3.絕熱箱 4.熱管真空絕熱管 ?儲熱太陽灶 1.聚光器 2.熱管蒸發器 3.支 撐管 4.絕熱板 5.冷凝端 6.換 熱器 7.硝酸鹽 8.絕熱層 9.熱 泵 10.閥門 11.爐盤 12.地面 （d）太陽灶材料 ? 灶體、反光材料、支撐機構、跟蹤機構、鍋架構成了太陽灶。 ?灶體和反光材料一起構成了太陽灶的核心，灶體成本占整個太陽灶的 1/31/2。 ?灶體材料：金屬類（鑄鐵、鋁板沖壓）、水泥類、有機類（玻璃鋼）。 ?反光材料：普通玻璃鏡片、高純鋁陽極氧化反光材料、聚酯薄膜真空鍍鋁反光材料。 五、太

17、陽能干燥 ?物料直接吸收太陽能并將它轉換為熱能，或者通過太陽集熱器所加熱的空氣進行對流換熱而獲得熱能。 ?經過物料表面與內部之間的傳熱、傳質過程，使物料中的水分逐步汽化并擴散到空氣中去最終到達干燥的目的。 ? 應用范圍：食品、農副產品、木材、中藥材、工業產品等。 優點： 與常規能源干燥相比：節約常規能源 ，保護自然環境。 與露天自然干燥相比：提高生產效率， 提高產品質量(密閉裝置) 太陽能干燥器分類 (a) 方式分類按物料接受太陽能的 (b)型分類按空氣流動的動力類 ?直接受熱式太陽能干燥器?吸收太陽能。: 干燥物料直接 要由外加動力主動式太陽能干燥器?間接受熱式太陽能干運行的太陽能干燥器。(

18、風機)驅動: 需 燥器?集熱器加熱空氣，再: 首先利用太陽通過熱空氣與物料的不需要由外加動力被動式太陽能干燥器：對流換熱進行物料干驅動運行的太陽能干燥器(風機)燥。 主動式主動式 被動式被動式 直接式直接式 間接式間接式 混合式混合式 (c)按結構形式分類 ? 溫室型：通常是直接式，被動式。 ?集熱器型：通常是間接式，主動式。 ?集熱器間接)，主動式。-溫室型：通常是混合式 (直接，?整體式：通常是間接和直接式合成，主動式。 ?其他型式：不一定。 特點：集熱部件與干燥室結合為一體溫室型太陽能干燥器 優點：結構簡單，建造容易，成本較低。 缺點：干燥器溫升較小，晝夜溫差大，干燥速度慢；干燥 室容量少。適用范圍：要求干燥溫度較低的物料；允許接受陽光曝曬 的物料。 特點：太陽能空氣集熱器與干燥室兩部分組成集熱器型太陽能干燥器 優點：由于空氣集熱器的使用，集熱溫度可達 由于使用風機，強化空氣與物料的對流