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太阳能热利用原理与技术太阳能热利用原理与技术第1页，本讲稿共74页热能利用的历史就是一部人类的发展史：远古时代钻木取火钻木取火（烤食、取暖）原始社会时期古代冶炼、制造金属工具冶炼、制造金属工具（直接利用）封建社会时期近代（1784年）发明蒸汽机发明蒸汽机（间接利用）工业革命资本社会时期现代建立完善的热工理论建立完善的热工理论（间接利用）（产生了飞机、火车、汽车、制冷、原子能）信息社会当今 热传递问题（传热学传热学）如何提高效率如何提高效率 间接利用（工程热力学工程热力学）第2页，本讲稿共74页我国目前的各种用能的比例见下图：第3页，本讲稿共74页美国目前的各种用能的比例见下图：第4页，本讲稿共74页开发可再生能源的必要性n但化石能源是短时间不可再生的，叫做一次性能源。这些能源的藏量有限，很快就会枯竭，而且在使用时带来严重的环境污染。因此，探索使用可再生的能源是十分必要的，太阳能、生物质能、风能等是可再生能源的主体，特别是太阳能：取之不尽，用之不竭，清洁可靠、免费供应、人人均等。第5页，本讲稿共74页世界上最丰富的永久性能源是太阳能。地球截取的太阳辐射能通量为：1.71014kW。其中：约30%被直接反射回宇宙空间；47%转变为热，以长波辐射形式再次返回太空；约23%是水蒸发、凝结的动力和风与波浪的动能；植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。太阳能的一般情况第6页，本讲稿共74页 地球每年接收的太阳能总量为11018kWh，相当于51014桶原油，是探明原油储量的几百倍，是世界年耗能总量的一万余倍。第7页，本讲稿共74页但太阳能与有严重的缺陷：但太阳能与有严重的缺陷：1 总量虽然巨大，但通量密度低，大气层外为1353W/m2，在地面上1000 W/m2。2有季节、昼夜和晴雨等间歇性变化。第8页，本讲稿共74页一历史的回顾我国西汉时即有“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生“火”的说法；西周时代：我们的祖先已经掌握了“阳燧”取火的技术，“阳燧”实际上是一种凹面镜，这是我国太阳能利用的最早记录。1.2 太阳能热利用的历史、现状和未来太阳能热利用的历史、现状和未来 第9页，本讲稿共74页在国外，第一个大规模应用太阳能的人，是希腊的著名科学家阿基米德。公元前212年，他用许多平面镜将阳光聚集起来，烧毁了攻击西西里岛西拉修斯港的罗马舰队。15世纪一名阿拉伯炼丹术士就使用了大马士革镜进行了太阳能蒸馏。实现了人工的海水淡化过程。18世纪初发明了第一架用太阳能驱动的发动机；1874年在智利北部Las Salinas建造了第一个大型（4700m2）的太阳能蒸馏水厂；埃及成功地运行了灌溉用的太阳能水泵。第10页，本讲稿共74页到了近代和现代：19201930年，美国加州地区开始用太阳能集热器为用户供应热水。1938年美国麻省理工学院建成了第一座太阳能采暖建筑。1973年爆发能源危机，进一步促进了新能源的研究与发展，许多国家把重视太阳能的开发利用放在了战略地位上考虑。一大批太阳能利用示范工程被建立。第11页，本讲稿共74页美国建立了首座5000kW的塔式热发电厂；美国建立了首座大型太阳能热泵采暖系统（供暖面积27870 m2，平板集热器面积3344 m2）1984的太阳能光电池的定单量已达18.5MW第12页，本讲稿共74页二我国近年太阳能利用的发展二我国近年太阳能利用的发展 我国能源从总体上相当丰富，水力资源含量居世界第1位，煤碳居第3位，石油居第8位，天然气居第16位。但我国人口众多，按人均分配看，却是一个真正能源缺口大国，人均拥有的能量储量仅有美国的十七分之一。因此我国在太阳能利用方面有强烈的愿望和需求。第13页，本讲稿共74页二我国近年太阳能利用的发展二我国近年太阳能利用的发展目前，我国已经成为世界上最大的太阳能利用大国，但不是强国但不是强国。我国上规模的厂家有120多家，小厂家一起，超过5000家，年产值400多亿元。这些成绩的取得都是与我国科学工作者和太阳能专家分不开的。第14页，本讲稿共74页第二章第二章 太阳辐射太阳辐射一太阳一太阳 太阳是离地球最近的一颗恒星。它是一个巨大而炽热的等离子体，主要成份为氢和氦元素。太阳几乎为球形，直径为1.392109m，是地球直径的109倍，体积比地球大130万倍。日地平均距离为1.5108km，从太阳发出的光线到达地球需要8分钟。第15页，本讲稿共74页太阳的内部结构太阳内部正经历着剧烈的核反应4个氢原子核1H合成1个氦原子核4He 在这种核反应中，质量亏损为：按照爱因斯坦质量能量关系释放出的能量为 第16页，本讲稿共74页太阳的辐射区 辐射区的范围约从0.25 R到0.8 R，密度和温度都很快向外减小，核反应区产生的能量经此区以辐射转移的方式向外传输，从核反应区出来的是高能射线光子，经辐射区物质接连地吸收并再辐射出较低能量的光子，自内向外依次变为X射线、远紫外、紫外、可见光光子，最后以可见光光子及其他形式辐射出来。第17页，本讲稿共74页地球与太阳的相对大小直径1.27107m直径1.39109m太阳地球321.4951011m(1.7%)太阳常数G=1353W/m2第18页，本讲稿共74页太阳发出巨大能量向宇宙辐射，到达地球大气层上界的太阳能量只占太阳总功率的1/20亿，即1801012kW。到达地球外表高层的太阳能中，30%被大气层反射，23%被吸收，47%左右可到达地面。尽管只有47%到达地面，其功率已达851012kW。相当于全世界发电量的几十万倍。太阳表面的温度是变化的，在一般的太阳能热利用中，可将太阳表面温度看成固定温度6000K(5700K)。太阳光中有各种波长的光线，一般取0.33m。已占太阳光的98%以上。第19页，本讲稿共74页二地球绕太阳的运行规律1地球的公转与赤纬角 贯穿地球中心与南、北两极相连的线称为地轴。地球除了绕地轴自转外（自转一周约24小时），还在椭圆形轨道上围绕太阳公转，运行一周为1年，约365天。地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄道平面）的夹角为6633。地轴在空间的方位始终不变，因而赤道平面与黄道平面的夹角为2327。这就造成了太阳光线垂直照射在地球表面的位置一年中在 2327 纬度之间变化，这就是地球上形成四季的原因。第20页，本讲稿共74页地球在一年中相对太阳的位置地球在一年中相对太阳的位置6月22日夏至 12月23日冬至 9月23日秋分 3月21日春分 第21页，本讲稿共74页第22页，本讲稿共74页在北半球 春分及秋分时，太阳光线正射（垂直照射）在赤道上，赤纬角都为零，昼夜时间相等。夏至（6月22日），太阳光线正射在北回归线上，=2327。冬至（12月22日），太阳光线正射在南回归线上，=2327。第23页，本讲稿共74页一年中某日的赤纬可由下式计算：n是所求当日在一年中的日子数（从一月一日算起）。第24页，本讲稿共74页2地球的自转与太阳时 地球自转一周360，所需时间24小时；因此相当于每小时转15。由于各地所采用的时间标准不一样，所以我们生活中的时间并不是真正太阳升起降落的时间（称为太阳时）。太阳时的午时（中午12时）太阳光线正好通过当地的子午线。（或简单地说，正好在南北方向上）第25页，本讲稿共74页太阳时与各地使用的标准时间并不一致，转换关系为：太阳时=标准时间+E 4（L标准L当地）L标准标准时间采用的标准经度，（）；L当地当地的经度，（）。E为时差公式中东半球为负号，西半球取正号。第26页，本讲稿共74页我国取东经120为标准时间（即北京时间），所以太阳时=北京时间+E 4（120L当地）(单位为分钟)E为时差，以分为单位。n是所求日期在一年中的日子数（从一月一日算起）。第27页，本讲稿共74页一年中时差变化曲线第28页，本讲稿共74页太阳时角用角度表示的太阳时叫太阳时角，以表示。太阳午时=0，上午取负值，下午取正值。每昼夜变化为180，每小时15。例如上午10点钟时 =30；下午3点钟时，=45。第29页，本讲稿共74页三太阳辐射光谱在平均日地距离处，大气层外垂直于辐射传播方向上单位面积上的太阳辐射照度为1353W/m2，称为太阳常数，用G表示：即 G=1353W/m2太阳常数是太阳光中所包含的总能量，但太阳光中各种波长的辐射都有，描述各种波长的光在总能量中的比重关系称为光谱。第30页，本讲稿共74页太阳辐射光谱 各种颜色的光都有相应的波长范围。红色光的波长为700nm，光谱范围为640750 nm；橙色光的波长为620 nm，光谱范围为600640 nm；黄色光的波长为580 nm，光谱范围为550600 nm；绿色光的波长为510 nm，光谱范围为480550 nm；蓝色光的波长为470 nm，光谱范围为450480 nm；紫色光的波长为420 nm，光谱范围为400450 nm。通常人们把太阳光的各色光按频率或波长大小的次序排列成的光带图，叫做太阳光谱。第31页，本讲稿共74页太阳辐射光谱太阳不仅发射可见光，同时还有不可见光。整个太阳光谱包括紫外区、可见区和红外区3个部分。但其主要部分，是由0.33.0m的波长所组成的。其中，波长小于0.4m的紫外区和波长大于0.76m的红外区，则是人眼看不见的紫外线和红外线；波长为0.4m0.76m的可见区，就是我们所看到的白光。在到达地面的太阳光辐射中，紫外区的光线占的比例很小，大约为8.03%；主要是可见区和红外区的光线，分别占46.43%和45.54%。第32页，本讲稿共74页太阳光谱曲线第33页，本讲稿共74页卫星的测量表明，太阳光的波长分布非常宽广，从0.2450m，但大致可分为三个部分：紫外线，可见光和红外线。波长范围/m 所占总能量百分率/%相应范围的辐照度/W/m2 紫 外 线 可 见 光 红 外 线 00.38795 0.380.7847.29640 0.7845.71618 第34页，本讲稿共74页四太阳辐射的测量太阳辐射可分为：直射辐射、散射辐射。直射辐射直接来自太阳而没有改变方向的太阳辐射。散射辐射太阳光受大气层散射影响而改变方向的太阳辐射。太阳总辐射接收到的太阳辐射总和，直射辐射+散射辐射。长波辐射任何物体当温度高于绝对零度时，都会发出辐射能，温度不高时，辐射波长一般大于3m。第35页，本讲稿共74页测量辐射量一般有：直射辐射仪、散射辐射仪、长波辐射仪、总辐射仪。G 太阳辐照度，W/m2H 一天的辐照量，J/m2dI 小时的辐照量，J/m2h第36页，本讲稿共74页五集热表面太阳入射角的计算太阳集热器所截取的太阳直射辐射能量，主要取决于太阳入射角。而入射角与太阳赤纬角、地理纬度 、集热器倾角和方位角以及太阳时角有关。第37页，本讲稿共74页赤纬角太阳光线垂直照射在地球表面处的地理纬度。太阳时角用角度表示太阳时，叫太阳时角，15/h，上午取负，下午取正。太阳入射角太阳光线与集热器表面法线之间的夹角。实际使用时应使入射角越小越好。（不是光线与集热器平面的夹角）。集热器的倾角集热器平面与地平面的夹角。第38页，本讲稿共74页集热器方位角集热器表面法线在地平面上的投影与正南方的夹角。太阳高度角太阳光线与其在地平面上的投影线组成的夹角。（亦即太阳光线与地平面的夹角）。太阳方位角s太阳光线在地上的投影线与正南方向线的夹角。正南方为0，向西为正，向东为负。（180s180）太阳天顶角z太阳光线与地平面法线之间的夹角，与互为余角，即z+=90第39页，本讲稿共74页第40页，本讲稿共74页太阳光在集热器表面的入射角由下式计算：这是一个非常重要的公式，但通常可做一些简化。若集热器朝正南方，此时=0，则公式变为：第41页，本讲稿共74页 若把集热器倾角置于与当地纬度相同，即=，上式可简化为：若集热器水平放置，则=0第42页，本讲稿共74页 太阳高度角的计算 正午时刻的太阳高度角，此时=0 春分、秋分日正午时刻的太阳高度角，此时=0，=0这说明，太阳高度角随纬度增加而减少。第43页，本讲稿共74页 每天日出及日落时刻。（太阳处于地平面上为日出或日落时刻）此时高度角=0，所以 据此可求出任何地区、任何一天的日出、日落时角。第44页，本讲稿共74页六大气层对太阳辐射的影响大气层厚度约为30km，只有地球直径的1/400，却对太阳辐射的数量和分布有较大影响。主要是：吸收、反射和散射。太阳光线通过大气层的实际距离与大气层的法向（垂直）厚度之比称为大气质量，m。利用太阳高度角和天顶角z，可将大气质量表示为：第45页，本讲稿共74页大气质量几何图m=1地表面大气顶层第46页，本讲稿共74页z=0时，m=1z=60,=30时，m=2太阳高度角越小，m越大，太阳辐射越少。夏至日，北极太阳高度角为=23.5，此时北极的m=2.5。第47页，本讲稿共74页大气对太阳光的减弱作用主要是散射和吸收。紫外线主要被O3吸收，红外线由H2O及CO2吸收。小于0.29m的短波几乎全被大气上层的臭氧吸收，在0.290.35m范围内臭氧的吸收能力降低，但在0.6m处还有一个弱吸收区。水蒸气在1.0、1.4和1.8m处都有强烈吸收带。大于2.3m的辐射大部分被H2O和CO2吸收，到达地面时已不足原来的5%.第48页，本讲稿共74页经过大气层的散射和吸收，到达地面时，紫外线占5%（大气层外为7%）、可见光点45%（大气层外为47.3%）、红外线占50%（大气层外为45.7%）。另一个重要指标：大气透明度，第49页，本讲稿共74页第50页，本讲稿共74页直射辐射的大气透明度b：a0、a1、k是标准晴空大气的物理常数，（23km能见度）。散射辐射的大气透明度为：第51页，本讲稿共74页七太阳辐射量的计算 许多地方没有太阳辐射的数据资料，只能靠计算来估计。(1)水平面上月平均日的太阳辐照量 月平均日，水平面上的辐照量，MJ/m2d；大气层外，月平均日，水平面上的辐照量，MJ/m2d；第52页，本讲稿共74页 月平均日照时数，h；月平均日的最大日照时数（即昼长），h；a，b为常数，各地有参考值，根据气候、植物生长类型来定。第53页，本讲稿共74页(2)标准晴天水平面上辐射量的计算 晴天时水平面上的直射辐照度Go大气层外，垂直于辐射方向的太阳辐照度；b直射辐射透明度。第54页，本讲稿共74页水平面上的散射辐照度b和d都是大气质量的函数。据此可计算出每小时内的直射和散射辐照量，一天的总和即是晴天水平面上的总辐照量Hc.第55页，本讲稿共74页八晴空指数和直射分量的求取衡量天气好坏指标之一是晴空指数。是月平均晴空指数，它是水平面上月平均日辐照与大气层外月平均日辐照之比。KT是日晴空指数，某天的日辐照与同日大气层外日辐照之比。kT小时晴空指数，一小时内辐照量与同时间内大气层外太阳辐照量之比。第56页，本讲稿共74页即有:，H和I是用总辐射表在水平面上实测的辐照量；，Ho和Io可用公式计算，也可查表。第57页，本讲稿共74页晴空指数的意义在于，可以通过它了解在总辐射能中，直射分量所占的比例。这是因为在实际太阳能应用中，掌握直射分量的多少，是确定集热器大小的重要依据。因为：（1）将水平面上的辐射数据转换到斜面上去时，要求对直射和散射分开处理。（2）在聚光型集热器中，只能利用其直射辐射。第58页，本讲稿共74页 通过大量数据统计，就可得到晴空指数与直射百分率的关系，使用时，通过查晴空指数，就可计算直射分量的大小百分数。第59页，本讲稿共74页与 的关系 1.第60页，本讲稿共74页2 与 的关系第61页，本讲稿共74页3 与 的关系第62页，本讲稿共74页九水平面与倾斜面上辐照量的比较如何将已知的水平面上的测量数据转换到倾斜面上去呢？直射分量的转换太阳光在水平面的入射角为z（天顶角）。在斜面上的入射角为，斜面倾角为。第63页，本讲稿共74页Gb.nzGbn第64页，本讲稿共74页倾斜面和水平面上接受到的直射辐射之比，称为直射修正因子Rb:若集热器方位角=0（朝南放置）则:第65页，本讲稿共74页同时要考虑到散射辐射和地表反射修正因子:因此得到倾斜面上的太阳辐照量为：为地面反射率，普通地面为0.2，积雪地面取0.7第66页，本讲稿共74页十集热器的最佳倾角和最佳方位集热器的设置应以使用期内收集的太阳能最多为原则:（1）对可跟踪的太阳能集热器，应使太阳光垂直入射为最佳。（2）对一天调节一次的，应以正午太阳光垂直入射为最佳，=90，但考虑是下午或晚上用能，可考虑为朝南偏西1015。（3）对一月调节一次的，应以月平均日太阳能收集量最大为最佳。第67页，本讲稿共74页（4）一年调节一次的或季度调节一次的，根据下面一般原则选择：对全年的：=0，=对于夏半年（春分到秋分）：=0，=（1015）对于冬半年（秋分到第二年春分）：=0，=+（1015）第68页，本讲稿共74页对全年的总能量收入，还可利用如下图进行优选：第69页，本讲稿共74页上面的图是在一定参数条件下得到的，有一定局限性，也可参照一些书中给出表格及下公式，做适当调整。适用范围：20 38，0.35Kd0.6第70页，本讲稿共74页十一我国太阳能资源及区划 我国的领域位于北半球的中纬度区，从南到北，自西至东，距离都在五千km以上，在整个地球上，很少地方象中国这样四季分明，而太阳辐射情况又随着季节十分显著地变化。总的来看，我国是太阳能资源比较丰富的地区，每m2面积上一年内可接受的太阳辐射总能量达6.71068.4106kJ；最少的地区每m2面积上一年内也能接受到3.31064.2106kJ的热量，仍近似于法国巴黎和苏联莫斯科的太阳辐射年总量。第71页，本讲稿共74页根据全国近700个气象台站长期观测积累的数据资料表明，我国各地的太阳辐射年总量大约在3.31068.4106kJ(m2a)之间，平均值为5.9106kJ(m2a)。根据太阳辐射总量的分布状况，通常将我国化分为下列五类地区：一、二、三类地区是我国太阳能资源比较丰富的地区，面积很大，约占全国总面积的23以上。亦即是说，我国有约三分之二的国土太阳辐照总量接近或超过6000MJm2年，尤其是华北、西北的广大地区，日照充足，为利用太阳能提供了良好的条件。四、五类地区虽然条件较差，但如能因地制宜，采用适当的方法和装置，仍具有一定的实用意义。第72页，本讲稿共74页地区分类辐射年总量/MJm2a1全年日照时数/h相当燃烧标准煤/kg代表地区丰富区6700837028003300日照百分率75%230280宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏较丰富区5860670030003200日照百分率70%200230河北北部、山西北部、内蒙和宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆西部良好区5020586022003000日照百分率65%170200北京、山东、河南、河北东部、山西南部、新疆北部、云南、陕西、甘肃、广东可用区4190502014002200日照百分率60%140170湖南、湖北、江西、浙江、广西、广东北部、陕西、江苏和安徽南部、黑龙江贫乏区3350419010001400日照百分率60%110140四川、贵州、江西及广西部分地区 我国太阳能资源区划及特征第73页，本讲稿共74页 世界各地的太阳辐射年总量 地 名太阳辐射年总量*103MJ（m2a）地 名太阳辐射年总量*103MJ（m2a）赫尔辛基斯德哥尔摩莫斯科汉堡波茨坦华沙威尼斯布加勒斯特索菲亚里斯本雅典3.303.553.723.423.763.514.815.145.486.905.81伦敦布拉格巴黎维也纳布达佩斯米兰东京富士山纽约华盛顿新加坡3.633.634.013.893.514.474.224.777.725.235.73第74页，本讲稿共74页