第一章太阳能光热系统设计

太阳能光热系统设计陈洪涛课程概况•课程名称：太阳能光热系统设计•课程性质：专业限选课程•学时：30+6•教材：无考核办法•课程的成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分组成：•1.平时成绩包含考勤和实验，考勤占总成绩的20%，无故缺课一次扣4分，扣完为止。实验占总成绩30%，视完成情况酌情给分。•2.期末考试，占总成绩的50%。•注意：1.考勤缺席总课时三分之一者，取消考试资格。•2.实验不及格者，取消考试资格。•3.作业缺三分之一者，取消考试资格。•第一章绪论太阳能热利用（产品）发展初级和推广应用阶段发展时代应用特点代表产品示例产品特点1891-1945年初级阶段闷晒式自觉利用太阳能的初级阶段；受世界范围石油类资源开发影响发展缓慢，年销售量1000台左右1891年美国肯普发明第一台“顶峰”热水器到1913年贝利改进的防冻功能热水器，产水温度40℃左右，效率低、隔热性能差。1945-2000年推广应用阶段代表产品（一）平板型太阳能集热器世界能源危机促使日美欧国家重视太阳能开发应用，70年代末世界销量300万台；90年代日美法德以色列等均有上千万套住宅使用；表面吸收涂层从非选择性涂层到选择性吸收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等。透明盖板从普通平板玻璃到钢化玻璃。性能也随之不断提高。我国90年代引进加拿大铜铝复合条带吸热体生产线，开始广泛应用至今；太阳吸收率92%左右、红外发射率10%—20%。推广应用阶段（一）发展时代应用特点代表产品示例产品特点1975年-至今推广应用阶段代表产品（二）全玻璃真空管太阳能集热器美国欧文斯-伊利诺依（Owens-Illinois)公司发明并于1975年率先推向市场；清华大学于1979年初开始研制，1993年起开始实施规模生产，在我国家用太阳能热水器行业得到了广泛应用。吸收率90—92%，发射率8%左右。主要分布在我国；家用一体机占90%市场份额，适用广大农村市场；热损较小，具有一定抗冻性，国内标准化配套厂多，价格低廉，热容量大。易结垢，安全可靠性差，寿命短；工程化应用不能承压，抗热应力能力差、维护量大，寿命短不足十年，不易与建筑结合。推广应用阶段（二）发展时代应用特点代表产品示例产品特点2000年-至今推广应用阶段代表产品（二）真空管改进中产品：U型管式真空管、热管式真空管、直流管式真空管普通真空管内设置U型导管、导热翅片或真空管与热管结合，以使真空管集热模块能承压运行的集热器；两种产品均不能有效解决过热、热应力破坏、效率低等技术问题，未能从实验室走向市场可承压运行，管内不走水，可产中高温热水，热损较小，能与建筑结合；造价高、抗热应力变形能力差、效率较低、安全可靠性差；U型管式真空管闷晒会使翅片氧化破坏，热管式真空管存在结垢、换热不足、过热爆管等问题；直流管式真空管存在漏气、翅片氧化破坏等缺点；整体技术不够成熟，安全可靠性差、寿命短、造价高；工程应用少。广泛应用阶段发展时代应用特点代表产品示例产品特点2000年-至今广泛应用阶段高效平板型太阳能集热器进入2000年以来，世界范围内的能源危机、环境污染日趋严重，以德国为代表的欧洲国家在平板太阳能应用开发、研究方面已赶超美日。德国技术的蓝膜涂层--磁控溅射金属陶瓷涂层，吸收率达95%以上，发射率小于5%，涂层50年衰减率不大于10%，稳定性、可靠性达到了几近完美的程度。磁控溅射金属陶瓷涂层，吸收率95%以上，发射率3%-5%，既可作为家用产品配套成一体机、也可量身打造各种分体组合；可设置于建筑斜屋面、建筑外墙、阳台等；工程化应用方面，为公共建筑、居住建筑提供满足不同地域气候特点的中央热水系统；产品高效、安全、可靠，运行维护简单，寿命长，全世界90%以上的国家广泛应用，是能源部重点推荐发展的节能产品。全球太阳能热水器统计数据（一）按集热器的类型，全球太阳能热水器产品可分为：真空管型太阳能热水器、平板型太阳能热水器、其它类型太阳能热水器。这几种产品在全球太阳能热水器总保有量中的比例分别是47%、33%和20%。年安装量运行保有量总量/MWth总量/(×104㎡)比例﹪总量/MWt总量/(×104㎡)比例﹪世界合计18260260812780018255真空管太阳能热水器11548165063.359892855646.9平板型太阳能热水器510773028.042238603433.1其它类型太阳能热水器16022298.83597366420中国合计126001800630009000真空管太阳能热水器11340162090平板型太阳能热水器126018010全球太阳能热水器统计数据（二）全球太阳能热水器产品中，真空管太阳能热水器主要分布在我国(占全球总量的97％)，平板型太阳能热水器广泛地分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。各国不同类型太阳能热水器所占市场份额（100%）10%81%90%91%92%96%100%100%0102030405060708090100中国冰岛法国/丹麦德国日本西班牙以色列印度平板型太阳能热水器真空管型太阳能热水器我国1998～2009年太阳能热水器年生产量、保有量和增长率年份总产量比上年增长（%）保有量比上年增长（%）万㎡MWth万㎡MWth19983502450-150010500-1999500350043200014000332000640448028260018200302001820574028320022400232002100070002240002800025200312008400205000350002520041350945012.562004340024200515001050011.17500525002120061800126002090006300020200723001610030108007560020200831002170025.8125008750015.7200942002940035.5145001015001620105200～540036400～3780024～3317100～17300119700～12110017.9～19.3我国2001～2009年三种热水器市场占有率在太阳能热水器、电热水器和燃气热水器三种产品的比较中，太阳能热水器经济、节能、安全、环保，随着减排、低碳时代主题的推进，太阳能热水器的市场份额逐年提升，至2008年已经超过电热水器、燃气热水器的总和，成为热水器的主体。15.2%22.2%28.23%38.5%50.8%56.7%010203040506070802001年2003年2005年2007年2008年2009年太阳能热水器电热水器、燃气热水器目前主流产品(集热器）太阳能集热器:平板型太阳能集热器真空管型太阳能集热器平板型太阳能集热器黑铬蓝膜特点：1、采用金属吸热板芯加热工质，国内镀膜工艺。2、承压高。3、抗机械冲击能力好。4、低温热效率低，热损大。5、造价低。6、易与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和自然循环式系统。9、安全、可靠、寿命长。10、适宜南方，环境质量好，风小的区域。特点：1、采用金属吸热板芯加热工质，国外镀膜工艺。2、承压高。3、抗机械冲击能力好。4、低温热效率高，热损大。5、造价适中。6、易与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和自然循环式系统。9、安全、可靠、寿命长。10、适宜南方，环境质量好，风小的区域。真空管型太阳能集热器热管式真空管型太阳能集热器U型管式真空管型太阳能集热器全玻璃真空管型太阳能集热器特点：1、在真空管内带有吸收涂层的吸热体传热至热管内相变材料加热工质。2、承压高。3、抗机械冲击性能差。4、高温时集热效率高、热损小。5、造价适中。6、可与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和用水温度较高系统。9、安全、可靠、寿命长。10、应用范围广，不受区域、环境等限制。特点：1、工质在真空管内的金属流道内循环加热。2、承压高。3、抗机械冲击性能差。4、中温时集热效率高，热损小。5、造价适中。6、可与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和用水温度较高系统。9、安全、可靠、寿命长。10、应用范围广，不受区域、环境等限制。特点：1、工质在真空管内直排热。2、非承压，抗机械冲击性能差。3、集热效率低、抗过热能力差。4、热损小。5、造价低。6、不易与建筑结合。7、内外热冲击时，存在炸管泄漏的可能。8、适用于强制循环开式和自然循环式系统。9、可靠性不高，寿命短。10、应用范围广，不受区域、环境等限制。太阳能集热器简介成本低廉、角度任意层数灵活、完全排空防垢优良、除垢容易防尘明显、抗风高超整齐划一真空管集热器(竖置)全玻璃真空管集热器特点：结构简单易于制作、价格相对较低、环境温度低下时效率仍然比较高。材质易碎、不能承压运行、可靠性差。热管集热器热管真空管集热器特点：耐冰冻—热管抗冻启动快—工质热容小保温性能好—热二级管承压能力强—金属流道耐热冲击性能好—金属流道易于安装维修—干式连接价格较高、不宜干晒、需要一定角度我国太阳能利用相关政策2006年，全国人大颁布了《中华人民共和国可再生能源法》。2007年4月，国家发改委下发了《推进全国太阳能热利用工作实施方案》。2007年5月，国家发改委、住建部下发了《关于加快太阳能热水系统推广应用工作的通知》。2008年10月1日国务院颁布的《民用建筑节能条例》开始实施。《条例》第4条规定，有关地方人民政府应当采取有效措施，鼓励和扶持单位、个人安装使用太阳能热水系统……等太阳能利用系统。2009年，财政部、城乡住房建设部组织实施一省三市、一省四县可再生能源示范项目：对于可再生能源应用的城市，鼓励太阳能、热泵等可再生能源与建筑结合，中央财政安排专项补助，每个城市补贴5000万元～8000万元，每个示范城市（地级市）建筑应用面积不低于200万平方米。住房与城乡建设部负责人表示，今后我国每年将选择20个城市作为可再生能源的示范城市。2010年4月1日，《中华人民共和国可再生能源法》修正案施行，新法进一步确定了国家设立可再生能源发展基金等制度。据不完全统计，全国有二十个省市区和八十多座城市出台了太阳能强制安装政策和优惠政策，要求新建12层以下建筑必须安装太阳能热水系统，有些省市如山东，北京等对集中安装太阳能热水系统还直接给予资金补贴。产品/系统试验、测试方法产品标准工程设计、安装、验收规范GB/T14890-1994工作直接日射表的校准方法GB/T19141-2011家用太阳能热水系统技术条件GB/T18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范GB/T15405-1994被动式太阳房技术条件和热性能测试方法GB/T17049-2005全玻璃真空太阳能集热管GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用规范GB/T17683.1-1999太阳能在地面不同接收条件下的太阳光谱辐照度标准第1部分大气质量1.5的法向直接日射辐照度和半球向日射辐照度GB/T19775-2005玻璃-金属封接式热管真空管太阳能集热管GB50495-2009太阳能供热采暖工程技术规程GB/T18708-2002家用太阳能热水系统热性能试验方法GB/T6424-2008平板型太阳能集热器GB26969-2011家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级GB/T20095-2006太阳能热水系统性能评价规范GB/T12936-2007太阳能热利用术语GB/T24798-2009太阳能热水系统用橡胶密封件GB/T4271-2007太阳能集热器热性能试验方法GB/T17581-2007真空管型太阳能集热器GB/T50604-2010民用建筑太阳能热水系统评价标准GB/T21889-2009家用空气源热泵（辅助）型太阳能热水系统技术条件GB/T21888-2009家用太阳能热水系统控制器太阳能热水器国家标准到2013年初，已颁布实施的太阳能热水器国家标准共有20项。太阳能利用气象潮汐能海洋温