新能源技术太阳能简介

太阳能简介1.太阳能技术：指人为地采用某些由器件、组件、机构等组成的系统或装置，直接把太阳的辐射收集、转换、贮存，供用户所需。2.太阳能的主要缺点：一是能流密度低，二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。克服太阳能缺点的方法：聚焦1.聚焦——提高太阳辐射的密度通常聚焦的方式有反射式和透射式。但不论采用哪种方法，其轴线都必须时时刻刻与太阳光线平行，可以采用自动跟踪系统或复合抛物面保持轴线与太阳光线的平行。克服太阳能缺点的方法：贮能2.贮能——变间断为连续、不稳定为稳定目前唯一可能的解决办法就是尽量把在夏季和白天收集到的太阳辐射能贮存起来，通过调节和控制系统，使其满足连续稳定供能的要求。太阳能可以转换成机械能、热能、电能、化学能和生物质能等多种形式贮存起来。克服太阳能缺点的方法：贮能机械能贮存：利用太阳能作为原动力来驱动惯性很大的圆盘，在圆盘上悬挂一个重物等方法，但不能大量地贮存太阳能。热能贮存：通常又可以分为显热贮存和潜热贮存等两种。显热贮存是利用材料吸收热量后温度升高来贮存太阳能，是一种技术比较成熟、效率比较高、成本也相对比较低的贮能方法。显热贮存的缺点是需要数量较大的材料，贮热材料的温度变化也比较大。潜热贮存是利用材料相变时吸收热量来贮存太阳能的方法。利用潜热贮能所需材料相对较少，而且温度基本恒定，但技术上仍需解决相变材料过冷和老化等问题，同时这些材料的价格通常都比较贵。克服太阳能缺点的方法：贮能克服太阳能缺点的方法：贮能电能贮存：太阳能利用光电转换把贮存在蓄电池中。这种方法效率较高，可工业化生产，而且贮存容量可以调节，可根据需要随时供电。化学能贮存：现在有若干种利用太阳能制氢的设想和试验，但仍需取得突破性的进展。从长远来说，利用太阳能制氢作为贮存手段是比较可取的。太阳能基本概念1.太阳角地球上某处所接收到的太阳辐射能量的多少与太阳相对于地球的位置有关。计算太阳在天球中对地球上某点的相对位置，可以用地球纬度、太阳赤纬、太阳高度角、太阳方位角、时角等太阳角进行定位。太阳能基本概念地球中心和太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角成为太阳赤纬。太阳赤纬与一年中的日期序号有关。单位时间地球自转的角度定义为时角。规定正午时角为0度，上午时角为负，下午时角为正。地球自转一周为360度。太阳能基本概念太阳高度角是地球表面上某点和太阳的连线与地平线之间的夹角。太阳方位角是太阳至地面上某点的连线在地面上的投影与南向（当地子午线）的夹角。它代表太阳光线的水平投影离正南的角度。太阳能基本概念不同时间的不同地区对应着不同纬度、不同高度角及方位角。安装太阳能集热器的时候要参考当地的高度角和方位角。2.太阳能常数地球在围绕太阳运转的过程中，与太阳间的距离变化不大，到达地球大气层上界的太阳辐射强度几乎是一个常数，用太阳常数来表示。太阳能基本概念太阳常数是指平均日地距离时，地球大气层上界垂直太阳光线的单位面积表面、单位时间内所接受的太阳能。太阳常数也存在不同时间尺度的波动，并有一定的周期性变化，变化幅度通常在3-4%左右。多数文献上采用1365W/m2。地球所接受的能量取决于它所接受的太阳辐射的面积。太阳能利用方式太阳辐射能的利用，基本上有三种方式：太阳能转换成热能，太阳能转换成电能以及太阳能转换成化学能。其中应用最广的是光热转换技术。光-热转换：是将太阳辐射能转换成热能的技术。基本原理是利用吸收太阳辐射能后温度升高的吸热体与其他物质（传热工质）进行热传递。太阳能利用方式光-电转换：未来太阳能的大规模利用主要是用于发电。太阳能发电可分为光-热-电和光-电直接转换方式。前者目前主要小规模地应用于电力网不能到达的特殊场所。后者的造价较高，目前大规模应用还受到经济上的限制。光-化学转换：利用太阳辐射能分解水制氢。目前这种方法效率很低，成本较高而未大规模推广。太阳能光-热利用太阳能热利用主要分为以下几个方面：1.太阳能的收集：平板型和聚焦型集热器2.太阳能-热能转换3.太阳能的贮存：热贮存、电贮存太阳能集热器：平板集热器太阳能集热器是把太阳辐射能转换为热能的装置，是太阳能利用的核心设备。常见的太阳能集热器有平板型、聚光型两大类。平板型太阳能集热器平板型集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。1345平板型集热器构造示意图1.吸热板顶部的透明盖板2.与吸热表面有良好热结合的流体通道或管道3.黑色吸热表面，通常为金属板或黑色非金属材料4.吸热板背面和侧面的保温材料5.密封式盒体2太阳能集热器：平板集热器平板型太阳能集热器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，并且不需要太阳跟踪装置，结构简单，性能可靠，维护管理简便。太阳能集热器其他类型太阳能集热器真空管平板集热器热管型集热器黑流体平板型集热器太阳能集热器：真空管平板集热器普通的平板式集热器，在吸收太阳辐射能并将其转换成热能的过程中存在着较大的热损失，其中包括：导热损失：通过背部保温材料的导热损失，它与吸热板温度和环境温度之差成正比。太阳能集热器：真空管平板集热器对流换热损失：吸热板和透明盖板间存在自然对流热损，并通过透明盖板向外界空气散热，这些对流热损失不仅与温度差成正比，还与外界风速有关。辐射热损失：与吸热板的热发射率成正比。真空平板集热器就是针对上述缺点而设计的。太阳能集热器：真空管平板集热器真空集热管采用双层玻璃制成，两玻璃之间的夹层抽成真空，避免了对流与传导的热损失；在内管外壁使用选择性吸收膜，降低辐射散热。但是由于内管内水容量大，启动比较慢；各管间相互连通，如果有一根管子破裂会影响整个集热器的正常运行。太阳能集热器：热管集热器热管是一种新型的换热器，能通过一个很小的表面积传递大量的热能。它是一根两端封闭的管子，管内充有一定量的传热工质。当热管一端受热，一端冷凝时，工质在热端蒸发，促使蒸汽流到冷端凝结，凝结液在毛细力或重力作用下流回热端，形成循环流动。太阳能集热器：热管集热器太阳能集热器：热管集热器热管型集热器有热管型管板集热器和真空热管型两种。后者应用较为广泛。真空热管集热器热容小，启动快，传热性能好；充装低凝固点工质的真空热管具有防冻功能，可在严寒地区应用；重力热管具有热二极管的热性，可自动防止系统夜间热水倒流散热；个别管子的更换，不影响系统的整体运行。太阳能集热器：聚焦集热器聚光型太阳能集热器投射到地球表面上的能量密度是很低的，平板型集热器所能达到的温度受到很大的限制，而且平板型集热器越大，其热损失越多、效率越低，对于适宜在高温条件下运行的太阳能热发电站应采用能增大能量密度的聚光型集热器。太阳能集热器：聚焦集热器聚光型集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是，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。太阳能集热器：聚焦集热器太阳能集热器：聚焦集热器太阳能集热器：聚焦集热器根据光学原理跟踪系统可以分为反射式和折射式两大类；根据居官的结构和性能可以分为二维和三维：二维聚光器聚焦在一条线上，采用管状吸收器，结构比较简单，运行时可以只沿着一个轴向（高度）跟踪太阳或进行定时跟踪；三维聚光器聚焦在一个点上，采用小面积吸收器，需要同时跟踪两个轴向（高度和方位），聚光比相对较高。太阳能集热器：聚焦集热器太阳能集热器：聚焦集热器太阳能集热器：太阳池太阳池大多数太阳能利用设备都是人工装置，具有盐度梯度的太阳池却可以利用自然现象，即自然界中存在的一些具有盐度梯度的湖泊。太阳池是一种盐的浓度随深度增加而增加的盐水池，更确切地说，是具有盐度梯度的水池。图1-2太阳池的结构上层对流区无对流区下层对流区太阳能集热器：太阳池在太阳池的设计和建造过程中，首先应当对当地的太阳辐射资源、盐资源（盐价）、气候和水文、地质条件以及土方施工的费用等进行调查研究。太阳能集热器：太阳池为了把太阳池中已经收集的热能加以利用，可以在池底布置热交换器，工质在泵的作用下进入热交换器，从太阳池底部吸收能量，温度提高后流出；另一种办法是利用池内的密度梯度实现分层流动，从下层对流区的一端抽取热的池水，在池外的热交换器中放出热能，温度降低后再从另一侧返回池的底部。太阳能集热器：太阳池太阳池有效地工作取决于是否有一个相对固定的盐度梯度。正是这个盐度梯度使太阳池得以维持上低下高的温度分布。盐度梯度的建立是和最初向太阳池充液同时完成的。太阳能贮存为了使太阳能成为连续、均匀、稳定的能源，贮存是必不可少的。一般的贮热过程，可分为显热贮热、潜热贮热、显热-潜热混合贮存及可逆化学反应热贮热等方法。太阳能集热器蓄热器热负荷热交换热交换太阳能贮存太阳能的电贮存一般分为直接和间接两大类。太阳能可以通过光伏、光电、光磁、光生电流等直接转换成电能并贮存起来，原则上不受卡诺循环的限制，因而可能会有相对较高的功率；太阳能通过热能或化学能间接转换成电能并贮存。太阳能热利用目前世界上较为常见的太阳能的热利用方式有太阳能热水器、太阳房、太阳能干燥、太阳能蒸馏（海水淡化）、太阳炉、太阳灶、太阳能制冷、太阳能制氢及太阳能热动力发电等，下面我们将一一加以介绍。太阳能热利用1.太阳能热水器：太阳能热水器是利用太阳能辐射把水加热的装置。它是太阳能热利用中历史最悠久，应用的最广泛的。太阳能热水器通常由集热器、蓄热水箱和连接管道组成。根据流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分为闷晒式、直流式和循环式的三大类。太阳能热利用闷晒式：水在集热器中不流动，闷在其中受热升温，故称闷晒式。这种热水器结构十分简单，当集热器中的水温升高到一定值时即可放水使用。直流式：直流式是由集热器、蓄热水箱、补给水箱和连接管道组成的开式热虹吸系统，如图1-3a)所示。为得到符合使用要求的热水，常采用图1-3b)所示定温放水型直流式热水系统。太阳能热利用循环型热水器：循环型太阳能热水器是应用最广的热水器。按照水循环的动力又可分为自然循环型和强迫循环型。最简单的自然循环型热水器（图1-4），这种系统结构简单，运行可靠，不消耗其他能源。缺点是大的循环水箱需高架于集热器之上，造成建筑物或构架的重负；集热效率随水温升高而下降，适用于小型热水系统。自然循环定温放太阳能热利用水系统如图1-5所示，定温放水的控制设备需要辅助能源，还降低了系统的可靠性，增加了管理与维修量；此外，电磁阀要靠水箱内的水造成一定压力才能关闭严密，所以蓄水箱要位于循环水箱以下一定距离，而用水又需要一定压头，使蓄水箱的位置高低受到很大限制，也限制了该热水系统的使用。太阳能热利用因为自然循环压头低，对于大型太阳能热水系统通常就需要采用强迫循环，由泵提供水循环的动力。这种系统具有的优点是：笨重的水箱可以放置在低于集热器的位置，使得安装方便；由于水循环速度增加，提高了集热效率。缺点是需要消耗大量的电能驱动水泵及控制系统，如停电则系统不能工作。太阳能热利用2.太阳房（太阳能取暖系统）：直接利用太阳能进行采暖、供热水、供冷与空调的住宅广义上统称为太阳房。根据太阳房的工作方式可以分为被动式太阳房和主动式太阳房两大类。被动式太阳房结构简单，管理运行简便，易于推广，采热量少，室温不高，且波动大。太阳能热利用被动式太阳房按集热与供暖的形式不同，可分为以下几种基本类型：直接受益式、集热墙式、附加阳光间式、屋顶集热蓄热式和自然对流回路式（见图1-6）等。以上几种被动式太阳房各有其特点和不足，实际的做法是往往把两种或两种以上的基本形式的太阳房采暖方式结合，形成混合式系统，收到较好效果。太阳能热利用主动式太阳房结构形式很多。它利用集热器产生的热水采暖，结构简单，可由室内地板供暖，不占用室内居住面积。主动式太阳采暖系统常常配有自动控制系统，用以控制贮热系统和辅助能源，使室内能保持适宜的温度。太阳能热利用3.太阳能干燥：太阳能干燥具有节省燃料、缩短干燥周期、提高干燥物品的质量等优点。太阳能干燥器（室）主要有温室型、对流型和兼