第二章太陽能及其利用技術

§2.1概述§2.2太陽輻射§2.3太陽能熱利用§2.4太陽能光電轉換§2.1概述§2.2太陽輻射2.2.1太陽和地球

2.2.2太陽常數和輻射波長2.2.3太陽輻射的有關名詞與符號2.2.4集熱面上太陽入射角的計算2.2.5大氣層外水平面上的太陽輻射§2.3太陽能熱利用2.3.1.平板集熱器2.3.2真空管集熱器2.3.3聚集型集熱器2.3.4太陽能熱利用系統1.太陽能熱水系統2.太陽暖房3.太陽能制冷系統4.太陽能熱發電5.太陽能海水淡化6.建筑采光照明§2.3太陽能光電轉換2.4.1

太陽光伏原理2.4.2太陽能電池

§2.1概述2.1.1太陽能的性質（1）永久性；（2)總能量很大

輻射通量為1.7×1014kW，年接受總量為1×1018kWh

（相當于5×1014桶原油，是探明原油儲量的近千倍，是世界年總能耗的一萬余倍。比核能、地熱和引力能總和大5000多倍）。其中：約30％被反射回宇宙空間；47％轉變為熱，以長波輻射形式返回空間；約23％是蒸發、凝結的動力，風和波浪的動能；不到0.5％用于植物光合作用。（3）通量密度較低大氣層外為1353W/m2，通過大氣層時衰減。（4）可再生清潔能源，無污染；（5）具有間歇性；受天氣、晝夜及空氣污染等影響，時高時低，時有時無。（6）免費能源，初投資較高；（7）易實現熱能能級的合理匹配，做到熱盡其用。公元前212年，阿基米德用小平面鏡將陽光聚集起來燒毀了羅馬艦隊。17世紀伽利略對太陽進行了認真的研究。不久，有人用太陽能熔化鉆石。18世紀初發明了用太陽能驅動的發動機。20世紀初曾利建立了太陽能蒸餾水廠，埃及成功地運行了灌溉用的太陽能水泵。

2.1.2太陽能利用現狀和展望1、太陽能利用歷史回顧1920～1930年，美國加州用太陽能集熱器為用戶供應熱水。1938年麻省理工學院建成了第一座用太陽能采暖的建筑。到1960年，世界上建成20座試驗性建筑。太陽能電池為衛星、宇宙飛船供電成功。建立大型地面太陽能熱電廠。在空間建造太陽能電站，以微波形式發射到地面，再在地面轉換為電能。用陽光產生的微小壓力作為星際飛行器的動力等。1973年的能源危機。1975—1985年10年間，美國花費60億美元研究太陽能，其特點是：（1）國家重視。1978年卡特總統宣布，到2000年美國總能源的20％將由太陽來提供。許多著名的國家實驗室和大學都承擔了重要課題。成立了太陽能情報網絡，并在每個州都設有專管太陽能的機構。（2）對新能源的研究范圍廣：太陽能空間加熱和空調（被動和主動式）；太陽能熱發電；太陽能光發電；太陽能制冷；海洋熱能發電；波浪和潮汐發電；風力發電；生物質能；地熱能；殘余物的高溫分解（氣化）。

（3）形成有一定競爭力的太陽能行業，建立起一批技術先進、規模較大的示范系統。我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量:3.3×103～8.4×106kJ/(m2·年)，相當于2.4×104億t標煤。全國總面積2/3以上地區年日照時數大于2200h，日照量在5×106kJ/(m2·年)以上。西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內蒙古高原的總輻射量和日照時數均為全國最高，屬太陽能資源豐富地區；除四川盆地、貴州省資源稍差外，東部、南部及東北等其它地區為資源較富和中等地區。

2、我國太陽能利用的發展太陽能熱利用中最基本的部件—集熱器，技術成熟，應用廣范。按每平方集熱器每年節約標準煤200kg計，全國年節煤20萬t。1986年全國太陽灶擁有量為10.3萬臺，數量上已居世界領先地位。

被動式太陽房

是通過合理的建筑設計，使建筑物本身具有集熱器、儲熱器和散熱器的綜合特性。我國20世紀70年代開始被動太陽能采暖建筑的研究開發和示范，至今已推廣約1000萬m2(建筑面積)

。

目前被動太陽能房開始由群體建筑向住宅小區發展，如甘肅省臨夏市建成占地9.8萬m2、建筑面積9.2萬m2的太陽能小區；蘭州"陽光計劃"投資4.28億元在郊區興建73.3萬m2太陽能住宅小區等。我國被動太陽房采暖節能60％～70％，平均每m2建筑面積每年可節約20～40kg標準煤，發揮著良好的經濟和社會效益，但在技術水平上同國外還有相當大的差距。

2010年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到1.5億平方米，加上其它太陽能熱利用，年替代能源量達到3000萬噸標準煤。2020年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到約3億平方米，加上其它太陽能熱利用，年替代能源量達到6000萬噸標準煤。

（

據國家可再生能源中長期發展規劃2007.8）太陽能干燥工農業產品、木材、藥材、干果、橡膠和混凝土養護等。太陽能制冷、動力機等屬于小型、試驗階段。太陽電池我國1958年開始研制衛星用硅太陽電池，1971用于第二顆衛星。太陽電池適用于缺電的邊遠地區。太陽能在鐵路信號、航標、農牧設備、廣播、電視、通訊、家用電器、計算器、照明和儀器、儀表等行業已開發的產品不下100種。太陽能實驗電站1985年在新疆阜康縣建成，發電能力為5000W的發電站。云南半導體廠從加拿大引進年產500kW的單晶硅太陽電池生產線。哈爾濱從美國克羅拉公司引進大面積非晶硅太陽電池生產線，芯片面積有304×304mm和304×912mm。年產能力為1000kW。但價格過高。

截至2002年，我國電池和組件的總生產能力約29MW/年。2002年我國太陽能電池和組件的實際生產量達到11MW，其中電池/組件生產6MW(其中2MW為非晶硅)，組件封裝5MW。近10年太陽能電池和組件生產年均增長率25％。電池和組件性能不斷提高，商業化晶硅電池效率由20世紀80年代的10％～12％提高到16％～18％。

2010年，太陽能發電總容量達到30萬千瓦，到2020年達到180萬千瓦。

（

據國家可再生能源中長期發展規劃2007.8）沼氣1983年我國小沼氣池約有500萬個，數量領先世界，年供能量相當于80萬噸標準煤。大、中型沼氣工程已有1000多處。南陽廠擴建工程年產氣可達1200萬m2，沼氣可供南陽市50％人口使用。稻殼氣化發電，木材氣化以及城市垃圾的利用成果可喜。風能是隨機能源，不穩定。我國南方沿海古代就用風車、車水。1959年江蘇仍有20萬臺傳統風車。我國10m高度處的風能總儲量約為1.6×1012W。我國已應用百瓦級的小型風力發電機15000多臺，其中內蒙有13000多臺，占總數的90％。潮汐發電站

法國Brittany潮汐電站有12套240MW的機組一直在運行發電。我國從1958年就開始潮汐電站的試驗，先后建成十幾個小型電站，其中江廈電站稍大，為3000kW。

截至2002年末，全國已有上千家企業從事開發、生產、銷售和安裝太陽能熱水器業務。太陽能熱水器類型主要有3種：平板熱水器以銅－鋁復合板芯為主，其次是全銅板芯，少數為耐腐蝕鋁板芯。真空管熱水器以全玻璃管為主，其次是熱管式真空管，后者具有更優良的耐高溫性能、抗凍性能及熱性能，熱啟動和工作性能也較好，但價格較貴。悶曬式將水箱與集熱器合為一體，結構簡單，成本低。2002年太陽能熱水器銷售量達到800萬m2，其中真空管約450萬m2，平板式250萬m2，悶曬式100萬m2

截至2002年底，全國太陽能熱水器的保有量達到

3500萬m2，銷售額約達到100億元，帶來15萬人的就業機會，并與燃氣熱水器和電熱水器形成三足鼎立的局面。

2010年，我國約14億人口，熱水器戶用比例如達到10％，熱水器總安裝量將達到5億m2以上。亞太銀行專家估計：按2m2/每戶計算，熱水負荷的75

％由太陽能供給，每年可節約310億kWh電力(相當于1050萬t標準煤)，相當于減少CO2排放3850萬t。

§2.2

太陽射輻2.2.1太陽和地球一、太陽直徑：1.39×106km，由氫和氦組成火球，質量：2.2×1027t(比地球重33.2萬倍)體積：比地球大130萬倍；平均密度：約為地球的1/4；離地球平均距離：1.5×108km。核聚變把氫變為氦，每秒鐘虧損4.0×106t質量，產生360×1021kW功率。到達地球大氣層上界1/（20億），180×1012kW，衰減后為85×1012kW。設太陽半徑為R：0～0.23R：約8～40×106K，密度為水的80～100倍，占太陽質量的40%，占太陽輻射的90%。0.7R處：130000K左右，密度降到70kg/m3。0.7～1R之間：對流層，約5000K，密度

10-5kg/m3。光球：對流區的外層，即太陽表面。約6000K，10-3kg/m3，厚約500km。電離程度很高，是太陽最大的輻射源。表面有黑子及光斑活動，周期約11年。

反變層：光球外數百公里厚的較冷氣層。由極稀薄的氣體組成，能吸收某些可見光譜的輻射。色球：反變層外，厚約1×104～1.5×104km，由低壓氫和氦組成，約5000K，10-5kg/m3。有時出現日焰，輻射量猛增，形成太陽風，在地球產生磁暴或極光。色球外伸—銀白色的日冕。太陽是各層發射和吸收各種波長的綜合輻射體?？梢暈?000K，波長0.3～3μm的黑體輻射。圖2-1太陽的結構1.地球公轉與赤緯角地軸：貫穿地球中心與南、北極相連的線。自轉、公轉(周期一年)。橢圓的偏心率不大，近日點時，日地147.1×106km；遠日點，152.1×106km，兩者相差約為3%。黃道平面：地球公轉的橢圓軌道平面。二、地球的運行地球自轉軸與黃道平面夾角66°33′，方向不變，赤道平面與黃道平面的夾角23°27′。赤緯角：地心與太陽中心的連線與地球赤道平面的夾角。一年變化范圍±23°27′，形成四季。圖2-2地球繞太陽運行圖對北半球：夏至23°27′

（正射北回歸線，南半球冬至）冬至-23°27′（正射南回歸線）春分0°（正射赤道，南北半球日夜相等）秋分0°

回歸線：地球上赤道兩側，南北回歸線之間為熱帶，回歸線的緯度為

23°27′

n—所求日期在一年中的日子數（表2-1）

（2-1）

（2-2）------制定標準時間采用的標準經度，（0）-------當地經度，（0）

當地太陽時：中午太陽光通過當地子午線，即在空中最高點處，定為太陽午時。與日常使用的標準時間不一致。（2-3）（2-4）E—時差修正值。太陽時角w：用角度表示的太陽時。每晝夜變化±1800，每小時相當于150中午太陽通過當地子午線時，取w=00；上午w取負值，下午取正值；例如：上午10點相當于-300，下午3點相當于450

（2-5）—一年中第n天在大氣層外平面上測得的輻照度。2.2.2太陽常數和輻射光譜太陽常數:在大氣層外、平均日地距離處，垂直于輻射傳播方向上單位面積、單位時間內測得的太陽輻照度為1353W/m2，稱為太陽常數，以Gsc表示。圖2-3太陽-地球幾何關系2.2.3太陽輻射的有關名詞與符號

輻射按方向分：直射輻射(直達輻射或束輻射)——接受到的、直接來自太陽而不改變方向的輻射。散射輻射(擴散輻射或天空輻射)——接受到的、受大氣層散射影響而改變方向的太陽輻射太陽總輻射——接受到的太陽輻射總和，等于直射輻射加散射輻射。測量儀器：直射輻射儀—如Eppley直射輻射儀。總輻射儀—測量半球空間太陽總輻射。若用遮光環擋住直射輻射，就可測散射輻射。輻射按波長分：短波和長波太陽輻射(短波輻射)——由太陽產生的輻射，波長范圍由0.3～3.0μm，包含直射和散射輻射長波輻射——溫度高于絕對零度的任何物體，都會發射輻射能。當物體溫度接近環境溫度時，發出的輻射波長一般都大于3μm。輻射量的單位名稱不統一。輻射能：J；輻射能密度

(輻照量)：J/m2；輻射能通量

(輻射功率)：W；輻射能通量密度

(輻照度，輻射能流率)：

W/m2

常用輻照度G(W/m2)、輻照量H或I(J/m2)H—全天的輻照量，J/m2或MJ/m2；I—1小時的輻照量，J/m2或MJ/m2。H上面可加一橫表示月平均值。

G，H，I加下角標有：o——大氣層外b——直射輻射；d——散射輻射；T——傾斜平面；n——法向平面。下角標中不出現T和n就代表水平面，不出現b和d就代表總輻射。

2.2.4集熱面上太陽入射角的計算

一、角度的定義太陽入射角θ:太陽光線與集熱器表面法線間的夾角。可分為兩個分量，一個垂直、一個平行于集熱器表面，只有垂直分量能被截取，故θ越小越好。太陽高度角α：從地面某點向太陽中心作一條射線，該射線與其在地面上的投影線的夾角即α

。太陽天頂角θz：射線與地面法線的夾角。

θz+α=90°集熱器水平放置，其法線與地面法線重合，則：

θ=θz，θ+α=90°圖2-4有關幾何角度太陽方位角γs：太陽光在地面上投影線與正南方的夾角。規定正南方為0°，西為正，東為負。變化范圍-180°～+180°。集熱器方位角γ：與太陽方位角γs類似，集熱器表面法線在地平面上的投影，與正南的夾角為γ。集熱器傾斜角β：集熱器平面（法線）與水平面（法線）的夾角。

（2-6）

（2-7）

—地球緯度方位角γ=0時（集熱器朝向正南）：任何季節、地理位置、集熱器擺放位置和角度、任何時候，太陽入射角θ：二、角度間的關系和公式圖2-5傾斜面上入射角與φ、β角的關系

（2-8）

（2-9）（2-10）（2-11）

（2-12）若β=

則：若β=0，則：每天日出日落時刻，太陽處于地平面上，太陽高度角α

=0，則日出日落時角：白晝長對于垂直表面：2.2.5大氣層外水平面上的太陽輻射

大氣層外、水平面上的太陽輻照度Go（W/m2）:Go=Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]cosθz(2-23)Gsc—太陽常數，1353W/m2

；

n—所求日期在一年中的日子數；

cosθz從式(2-9)求得，代入（2-13）得：

Go=Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*(sinφsinδ+cosφcosδcosω)(2-24)

H0=24×3600Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*(cosφcosδsinωs+2лωssinφsinδ/360°)/л(2-15)ωs—日落時角，度，用式(2-10)求。大氣層外、水平面上每小時太陽的輻照量I0，J/m2：I0=12×3600Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*[cosφcosδ(sinω2-sinω1)+2л(ω2-ω1)sinφsinδ/360°]/л(2-16)大氣層外、水平面上的太陽的全天輻照量H0（J/m2）：§2.3太陽能熱利用

太陽能集熱器：收集太陽能的裝置，是熱利用的關鍵部件，特殊換熱器?；驹恚禾栞椛涞哪芰髅芏鹊?，為了提高被加熱流體的溫度，或提高能流密度低，須將太陽能收集起來，通過與工質（常用水或空氣）換熱，將熱能加以利用。太陽能集熱器工作原理圖

按是否聚光分為：非聚光和聚光集熱器

按流動工質分為：液體和空氣集熱器太陽能集熱器的分類12

非聚光型集熱器：照射到采光面的太陽輻射不改變方向，也不集中射到吸熱體上。聚光集型熱器：

有特殊的鏡發射器或折射聚光器，將陽光會聚在面積較小的吸熱面上，以提高能流密度，獲得較高溫度。只利用直射輻射，需要跟蹤系統—用于高溫集熱，如太陽能熱力發電。按工作溫度范圍可分為三類（1）低溫型（工作溫度﹤100℃）（2）中溫型（工作溫度100℃～200℃）（3）高溫型（工作溫度﹥200℃）2.3.1平板集熱器

17世紀后期發明的。1960年進行深入研究和規模化應用。是世界太陽能市場的主導產品，是低溫熱利用部件。在低溫范圍，經濟性比聚光型好，特點：（1）結構簡單，不需跟蹤；（2）工作可靠，成本較低；（3）可同時接收直射輻射和散射輻射；（4）熱流密度低，加熱后工質溫度較低，運行安全

平板型的應用范圍：（1）供熱水食品加工業、制革、印染、養殖業、種植業等；（2）采暖、空調、制冷；（3）除濕、加溫。2010年9月，常熟錦弘印染廠建成500噸熱水工程，集熱面7500㎡，使用真空管44800支，日供60℃熱水500噸，一年以300天計，年均節約煤炭約2000噸，節省費用近200萬元，減排CO2近3000噸、粉塵2300噸。3年左右收回投資。（一）平板型集熱器的結構圖2-7平板型集熱器結構示意圖

由吸熱體、蓋板、保溫層、外殼組成。圖2-8平板型集熱器結構示意圖1.吸熱板

是吸收太陽能、傳遞熱量的關鍵部件。（1）技術要求吸收率高。熱傳遞性能好。與傳熱工質的相容性好。具有一定的承壓能力。加工簡單，成本低，便于批量生產、應用。（2）主要結構型式管板式將排管與平板以一定的方式連接，構成吸熱板。主要有銅鋁復合式（最早從國外引進）和全銅管板式（我國）。圖2-10吸熱板的幾種結構形式管翼式

即翅片管，利用模子擠壓拉伸工藝，制成金屬管兩側連有翼片的吸熱板，鋁合金為多。主要特點：

熱效率高，鋁材、無結合熱阻；

耐壓能力強，鋁合金可以承受高壓；

水質不易保證，水對鋁合金有腐蝕；

動態特性差，吸熱板有較大的熱容量。主要特點：a.熱效率高，銅材，無結合熱阻；b.水質清潔，水＋銅（無腐蝕）；c.耐壓能力強（高壓空氣吹脹成型）。扁盒式將兩塊金屬板分別模壓成型，再焊接成一體。主要材料：鋁合金、不銹鋼、鍍鋅鋼等。主要特點：熱效率高，無結合熱阻不需要焊接集管，一次模壓成型焊接工藝難度大，焊接穿透和焊接不牢耐壓能力差，焊點不能承受高壓水質不易保證，水對鋁合金有腐蝕吸熱板上的涂層：吸熱板上覆蓋一層深色的涂層（吸收涂層），直接影響吸熱板的熱性能。非選擇性吸收涂層：光學特性（吸收）與輻射波長無關，如普通黑漆b.選擇性吸收涂層：光學特性隨輻射波長不同有顯著變化。要求：高吸收率、低發射率太陽6000K，0.3～2um（波長）——吸收吸熱體400K，2～30um（波長）——發射

普通黑漆的太陽吸收率與長波發射率相等，可用于低溫集熱器。中、高溫集熱器（集熱溫度﹥環境溫度30℃以上）應采用選擇性涂料。

目前，較理想的涂料吸收率為0.92-0.94。2.透明面蓋

蓋板的作用是讓可見光透過（0.3－3μm)，而不讓吸熱板產生的遠紅外線透過(＞3.0μm），使集熱器內獲得較高的溫升——溫室效應。蓋板材料：

玻璃、透明玻璃鋼、抗老化透明塑料板等。常用——普通玻璃。出口或高檔產品——鋼化玻璃板。北方——用雙層蓋板時，是玻璃+聚碳酸酯薄膜。蓋板層數——由氣候和工作溫度定，一般為單層。在氣溫較低或工作溫度較高時才用雙層蓋板。有條件使用透明蜂窩材料，效果非常好。

蓋板與吸熱板的距離應＞25mm。距離太小會降低集熱效率。3.保溫層

作用：↓集熱器向環境散熱，↑工作效率。

技術要求：（1）保溫性好，導熱系數λ↓，一般λ

≤

0.55W/(m2.℃)（2）不易變形、揮發，不產生毒氣，不吸水。

材料：巖棉、礦棉、聚苯乙烯、硅酸鋁纖維、聚氨酯發泡塑料等。

厚度：一般在15～30mm，也可用下面經驗公式來計算：

λ100——保溫材料在100℃時的導熱系數，W/(mK)。4.外殼（箱體）

作用：將吸熱板、蓋板、保溫層的材料組成一個整體，便于安裝。

技術要求：有一定的強度和剛度，耐候性好，易加工、外觀美。

材料：鋼板、彩鋼板、鋁型材、不銹鋼板、塑料和玻璃鋼等。（二）平板集熱器的性能參數1.基本能量平衡方程單位時間內，集熱器吸收的太陽能Qa=能量損失

QL+有效利用能量QU+本身熱容的變化量QS

平板集熱器能量平衡示意圖能量平衡關系用數學方程表示：（2-17）集熱器在穩定工況下，不吸熱、不放熱QS=0集熱器在非穩定工況下，QS＞0或QS＜0Qa=QL+QU+QS（4-1）AC——集熱器面積，m2；UL——總傳熱系數，W/m2·℃；Tp,m——吸熱板平均溫度，℃；Ta——環境溫度，℃；S——吸熱面吸收的太陽輻射量，W/m2

Qu——集熱器有效利用能量，W。2.平板型集熱器的瞬時效率即：工質獲得的有用能與入射到集熱器上的太陽總輻射量之比。（2-18）

圖2-12幾種太陽集熱器的瞬時效率曲線下圖中,6種不同材料、結構的集熱器的效率曲線，可以根據使用地區的氣溫、使用季節和用水溫度等情況來選擇集熱器的狀態。2.3.2真空管集熱器平板型集熱器的熱損失：導熱熱損失——底部和側面絕熱層通過導熱散向環境的損失；對流熱損失——吸熱板與透明蓋板之間的空氣通過對流換熱向環境的散熱損失；輻射熱損失——吸熱板與透明蓋板之間、透明蓋板與天空之間通過輻射換熱向環境的散熱損失。為↓對流和輻射熱損失→真空管集熱器。圖2-13全玻璃真空集熱管研制出內管與外管間抽真空的全玻璃真空管吸收真空管運行時產生的氣體，保持管內真空度Al-N/Al(鋁-氮/鋁）選擇性吸收涂層

將單根真空管裝配在復合拋物面反射鏡的底面，兼有平板和固定式聚光的特點，它能吸收太陽光的直射+80%的散射。

圖2-14真空管式太陽能熱水器外觀圖1.

金屬吸熱體真空管集熱器當吸熱體（板）由金屬材料組成，也稱為：金屬—玻璃真空管集熱器代表性的是熱管式真空管集熱器，又分為：

單玻璃集熱管雙玻璃集熱管蒸發段＋冷凝段蒸發段：工質吸熱蒸發冷凝段：工質冷凝放熱毛細作用力＋自身重力蒸汽壓力80年代起，國內、外對熱管式真空管集熱器進行了深入研究。熱管單玻璃集熱器下圖是帶有平板鍍膜肋片的熱管。熱管的蒸發端封接在單層真空玻璃管內，冷凝端插入導熱塊或直接插入水箱里，冷凝端將所獲得的熱能傳給水箱中的水。圖2-15熱管單玻璃集熱器結構示意圖熱管雙玻璃真空集熱器由清華大學索蘭環能所研制。集熱管的蒸發端以緊配合方式插入雙玻璃真空集熱管內的彈性金屬肋片中，冷凝端通過硅膠圈插入水箱中。圖2-16熱管雙玻璃集熱器結構示意圖其它型式金屬吸熱體真空管集熱器主要包括：同心套管式、U形管式、儲熱式、內聚光式、直通式等。（1）同心套管式由同心套管、金屬吸熱板、玻璃管等組成。太陽光穿過玻璃管，投射在吸熱板上，吸熱板將太陽能轉換為熱能，傳熱介質（常用水）從內管進入真空管，吸熱后，通過外管流出。（2）U形管式主要由U型管、金屬吸熱板、玻璃管等組成工作原理類似于同心套管。（3）儲熱式主要由吸熱管、內插管、玻璃管等組成。吸熱管內儲存水，外表面有選擇性吸收涂層。白天，太陽輻射能被吸熱管轉換為熱，加熱管內的水。用熱水時，冷水通過內插管漸漸注入，將熱水從吸熱管頂出；晚上，真空夾層隔熱，吸熱管內的熱水降溫很慢最大特點：不需要另設水箱（4）內聚光式主要由吸熱體、復合拋物聚光鏡（CPC）、玻璃管等組成。吸熱體通常是熱管，平行的太陽光無論從什么方向穿過玻璃管，都會被CPC反射到位于其焦線處的吸熱體上。特點：a.運行溫度高（100～150℃）b.不需要跟蹤系統（5）直通式通常跟拋物柱面聚光鏡配套使用，組成聚光型太陽集熱器。特點：運行溫度高，拋物面聚光鏡的開口可以做得很大，使得集熱器的聚光比很高，溫度可高達300～400℃。比較易于組裝。圖2-17幾種不同集熱方式的真空管集熱器金屬吸熱體真空管集熱器的特點：（1）運行溫度高。所有集熱器的運行溫度可達70～120℃，有的甚至達300～400℃。（2）承壓能力強。所有真空集熱管及其系統都能承受自來水或循環泵的壓力，多數集熱器還可用于產生106Pa以上的熱水甚至高壓蒸汽。（3）耐熱沖擊性好（抗熱震性能）。承受急劇的冷熱變化。2.3.3聚集型集熱器聚集型集熱器:使入射的太陽能聚集到面積比入射面小得多的吸收面上，提高能量密度及流體溫度。集熱器由：接收器、吸收器兩部分組成。分類：（1）按聚集方法分：反射式、折射式；（2）按聚集的幾何形狀分：

面聚焦（平面鏡），線聚焦（單曲率鏡），

點聚焦（雙曲率鏡），非聚焦型。（3）按跟蹤方法分：

單軸跟蹤，雙軸跟蹤，吸收器跟蹤。圖2-18槽式系統太陽能集熱器復合拋物面型集熱器CPC

WelfordandWinston,1978。是依據邊緣光線原理設計的低聚光度非成像聚光器。與聚焦槽形拋物面集熱器(PTC)相比，優點:接收角較大,可以利用幾乎所有可接收到的太陽輻射,有較高的光效率；不需要太陽跟蹤器；結構簡單，初期投資小,運行維護費用低。圖2-19CPC太陽能集熱器形面示意圖（2－19）（2－20）幾何聚光比：能量密度聚光比：聚光比（集中比）：太陽輻射的聚集程度。A——面積，m2；I—輻照量，J/m2

；a—反射鏡的開口大小，m；L—吸收器的長度，m

；d—吸收器寬度（即太陽影象直徑），m

；c—吸熱器。（2－21）2.3.4太陽能熱利用系統1.太陽能熱水系統有非循環和循環型兩大類:（1）非循環型熱水器開放型圖2-20薄膜型圖2-21密閉型圖2-22，圖2-23（2）循環型熱水器a.自然循環式圖2-24b.自然循環定溫放水系統圖2-25c.直流式系統圖2-26d.強迫循環式圖2-27圖2-20開放型太陽能熱水器

圖2-21薄膜型太陽能熱水器圖2-22不銹鋼管密閉型太陽能熱水器

圖2-23反射式密閉型太陽能熱水器

圖2-24一般自然循環式太陽能熱水器圖2-25自然循環式定溫放水系統

圖2-26直流式定溫放水系統

圖2-27強迫循環式太陽能熱水系統

2.太陽暖房利用太陽能冬季取暖。集熱器收集太陽輻射，將熱傳給工作流體，再供熱到房間。多數使用熱水系統，也有使用熱空氣系統。暖房系統組成：集熱器、熱儲存器、輔助能源系統，及室內暖房風扇系統。最常用的暖房系統為太陽能熱水裝置：將熱水通到儲熱器中（固體，液體或相變的儲熱系統），用風扇將室內或室外空氣驅動至此吸熱，再把熱空氣吹送至室內。采用集熱溫度較低的平板型集熱器，或真空管集熱器。

輔助熱源的主要安置方式：①安在儲熱器內；②裝在房間內；③裝于儲熱器及房間之間。太陽能暖房系統：被動式和主動式。被動式：根據氣候條件，通過建筑設計和采用材料，如墻壁、屋頂的熱工性能，不添置附加設備，使房屋盡可能多地吸收和儲存熱量，達到采暖的目的。

特點：被動式較簡單，造價低廉。主動式：需采用太陽能集熱器、蓄熱箱、管道、風機及泵等設備收集、儲存和輸配太陽能，系統中各個部分可控制，達到控制室內溫度的目的。3.太陽能制冷系統

太陽能制冷方式:（1）被動式

（輻射冷卻圖2-28及蒸發冷卻）。（2）機械壓縮式

圖2-29。

壓縮、冷凝、膨脹、蒸發過程。（3）蒸汽噴射式制冷

圖2-30（4）吸收式制冷系統圖2-31

（5）干燥除濕制冷系統。圖2-28輻射冷卻原理圖

(1)

被動式太陽能制冷圖2-29理想蒸汽壓縮式制冷循環原理（2）機械壓縮式（3）蒸汽噴射式制冷機

圖2-30太陽能蒸汽噴射式制冷機原理圖1.太陽能集熱器，2.氟里昂鍋爐，3.蒸汽噴射器，4.噴管，5.混合室，

6.擴壓室，7.冷凝器，8.蒸發器，9.膨脹閥，10.氟里昂泵用熱能驅動的制冷機，以工況系數COP作為評價指標。COP—制冷機獲得的制冷量Q0與消耗的熱量Qh之比：（2-22）圖2-31太陽能吸收式制冷原理圖

（4）吸收式制冷原理

1.分子篩

在高溫或相對濕度小的情況下吸附性好，常在絕熱過程中做除濕劑。但再生（脫附）溫度較高（150-170℃），若用集熱器作熱源，很難達到再生溫度。

2.硅膠

在低溫下有很好的吸附性，再生溫度比較低（65—75℃）。但隨著除濕溫度的增加，吸附能力急劇下降。

（5）干燥除濕制冷系統固體干燥劑圖2-32固體干燥劑吸附特性圖2-33再循環式固體干燥制冷系統圖圖2-34通風式固體干燥制冷系統圖主要發電方式：火電、水電、核電蘊藏豐富、不枯竭、安全、干凈、不破壞環境的發電方式：太陽能、燃料電池、風力發電，太陽能最理想。太陽能熱發電——把太陽輻射能轉換為熱能。把太陽光發射并集中加熱，把水轉換成為高溫水蒸氣，進蒸汽渦輪機—發電機組發電。采用拋物面聚光鏡，將太陽光集中，用自控讓聚光鏡追隨太陽轉動，熱效率很高，技術發展的可能性最大。太陽光發電—通過光電器件將太陽光直接轉換為電能。4.太陽能熱發電圖2-35太陽能熱發電示意圖

頂棚式太陽能蒸餾器包括：太陽能蒸餾池、盆式太陽能蒸餾器等。其缺點：（1）海水加熱、蒸發和冷凝在同一密閉容器內進行，難以在提高蒸發溫度的同時又降低冷凝溫度；（2）產水率低、熱效率不高（＜30％），占地面積大。5.太陽能海水淡化圖2-36頂棚式太陽能蒸餾器圖2-37多級芯式多效太陽能蒸餾器圖2-38Arizona大學海水淡化方案（20世紀60年代，露點蒸發技術）圖2-39Lavan海水淡化方案

據國際照明委員會統計：

全世界照明用電約占總發電量的

9%～20%。

我國照明用電占總發電量的

10%～

12%。

照明用電中真正用于發光＜25%，其余以熱能形式散發，造成大量的能源浪費和環境污染。

建筑中如何有效地利用自然太陽光？近年來國內外建筑采光工作者提出了不少方法和設想。

6.建筑采光照明A.導光管法

√B.光導纖維法

√C.平面反光鏡一次反射法

×

用反光鏡一次將太陽光反射到室內需要采光的地方，但光污染較嚴重。用導光管將集光器收集的光線傳送到室內需要的地方，對太陽光基本沒有處理。主要部件：

采光罩防雨裝置導光管漫射器

目前報價：約100元/m2

1.導光管法2.光導纖維法采用太陽跟蹤、透鏡聚焦等技術，濃縮太陽光，再通過光導纖維把濃縮的太陽光傳送到需要的地方。

（地下室、地下停車場、大型倉儲商場、彈藥庫、礦井、油庫、隧道、水中、室內植物栽培等）能大幅攔截紫外線，益于健康，維持生活習慣。國外已開始普及推廣。國內南京春輝科技實業有限公司開發全自動跟蹤太陽采光器（張耀明院士）。

（聚光采光器、自動跟蹤太陽系統、傳光光纖三部分）光導纖維（30~80元/米）攔截紫外線的原理：

凸透鏡聚焦太陽光時，聚焦折射作用使太陽光中不同波長的光線在光軸上形成的焦距不同。紫外線波長較短，焦點靠近透鏡；紅外線波長較長，焦點遠離透鏡。光導纖維入射端定在紫、紅外線之間的可見光焦點上，將紫外線大幅度攔截。對太陽中的X、Y、Φ、β、γ、α等放射性射線也進行了排除。采光、傳送系統原理圖

光導纖維的分類:按材料分：玻璃石英、塑料光導纖維；按纖維結構分：皮芯型、自聚集型；按柔性分：可撓性、不可撓性；按傳遞光的波長分：可見光、紅外線、紫外線、激光等。

用于芯的塑料主要有：

聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、重氫化聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。

采集太陽光的照明系統已是各國競相研究的熱點；本世紀前20年是應用推廣和市場培育階段,價格是應用的瓶頸；商業建筑、工礦企業的需求會↑,特殊及安全場所將占有應用優勢。干燥過程的能耗占國民生產總能耗的12%-15%。太陽能熱泵干燥技術，比普通電干燥箱節電約70%；所需干燥時間是自然通風的1/3左右；可使被干燥產品的腐敗率降低20%-30%，同時減少干燥過程中的污染。適用于農作物、肉制品、木材、中藥材等的干燥。7.太陽能干燥2.4.1太陽光伏原理太陽能光電轉換：指太陽光子通過半導體材料組成的pn結，轉變為電能的過程——光生伏特效應?！?.4太陽能光電轉換陽光照到半導體上反射吸收透過變成熱碰撞價電子→電子-空穴對→電能若半導體內存在P-n結，則在P型和n型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向n區，空穴驅向P區，在P-n結附近形成與勢壘電場反向的光生電場。若在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有直流電流通過。將電池元件串聯或并聯，就產生一定的電壓、電流、輸出功率。圖2-41太陽電池基本結構光伏發電特點：

①沒有機械轉動、摩擦和噪聲；

②發電效率低；

③照射的能量密度小，占地面積大；

④獲得能源與四季、晝夜、氣象條件有關。2.4.2太陽能光伏發電的發展1954年第一塊實用光伏電池問世。但比計算機和光纖通訊的發展要慢得多。其原因可能是常規能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機、90年代的環境污染，大大促進了太陽光伏發電的發展。其發展過程如下：1893年法國科學家貝克勒爾發現“光伏效應”。1876年

亞當斯等在金屬和硒片上發現固態光伏效應。1883年制成第一個“硒光電池”，作敏感器件。1930年肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。1941年奧爾在硅上發現光伏效應。1954年恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發現了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。1955年

吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉換效率優化設計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。1957年硅太陽電池效率達8%。1958年太陽電池首次在空間應用，裝備美國先鋒1號衛星電源。1959年

多晶硅太陽電池問世，效率達5%。1972年

羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。1975年非晶硅太陽電池問世。同年，帶硅電池效率達6%—10%。1978年美國建成100kWp太陽地面光伏電站。特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多，如美國波音公司開發的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36％，快趕上了燃煤發電的效率。只能限于在衛星上使用。（1）光伏電池產量份額（2）光伏市場份額亞洲67.38%,歐洲26.57%歐洲70.88％，美國7.1

美國6.65％日本8.14%，其他14.8%2007年主要國家和地區光伏電池和光伏市場份額

市場集中在實施上網電價法的國家和地區

產業集中在亞洲，其次是歐洲和美國◆并網光伏發電發展速度最高（Renewables2007GlobalstatusReport[REN21,WWW.]）（資料來源：PhotonConsulting）

4.成本大幅度降低光伏發電成本30年來降低了2個多數量級。

2010年太陽能光伏發電成本下降趨勢德國成為世界最大的光伏市場德國上網電價法實施以來的成果：

2000－2007，PV電站建設投資：超過150億歐元

2000－2007，光伏生產線建設投資超過30億歐元

自2000年以來光伏系統成本降低約25％：

自2006年以來降低約10％；

光伏發電成本目標將于2018年達到于常規電力水平《中華人民共和國可再生能源法》是促進可再生能源的開發利用，增加能源供應，改善能源結構，保障能源安全，保護環境，實現經濟社會的可持續發展制定。由中華人民共和國第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議于2005年2月28日通過，自2006年1月1日起施行?！稄娭乒夥暇W電價法》

2012年。促進光伏產業持續健康發展，為我國能源、環境和社會的可持續發展做出貢獻。太陽電池類型：

硅太陽電池；帶狀晶體硅電池；硅薄膜電池；

Ⅲ～Ⅴ族化合物半導體太陽電池；

Ⅱ～Ⅵ族化合物太陽電池；其它太陽電池，如無機、有機、光化學太陽電池。目前主要采用：晶體硅太陽電池（單晶硅和多晶硅），其結構、制造方法不同。太陽電池的研究目標之一：降低成本。薄膜電池是一個發展方向。2.4.3太陽能電池

單晶硅太陽電池

是當前開發得最快的一種太陽電池，它的構成和生產工藝已定型，已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999％。為了降低生產成本，現在地面應