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太阳能热利用技术 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量 虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍 但太阳能的能量密度低 而且它因地而异 因时而变 这是开发利用太阳能面临的主要问题 太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制 人类对太阳能的利用有着悠久的历史 在远古时 人类已开始利用太阳的热能来晒干衣服 食物以及谷物 中国在西汉时已懂得利用凹面的金属镜将太阳光聚焦来生火 在西方更有阿基米德利用聚焦的太阳光作为军事武器摧毁一个舰队的传说 发展到现代 太阳能的利用已日益广泛 它包括太阳能的光热利用 太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等 在欧美一些先进国家 目前正在广泛开展应用 光电玻璃幕墙制品 这是一种将太阳能转换硅片密封在 尤如夹层玻璃 双层钢化玻璃中 安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材 美国的 光伏建筑计划 欧洲的 百万屋顶光伏计划 日本的 朝日计划 以及我国已开展的 光明工程 将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮 极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用 玻璃幕墙采用光电材料 俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展 一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合 给太阳池附设冰槽等设施 设计出了适用于农家的新式太阳池 按这种设计 一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池 便可满足其100平方米住房全年的用电需要 另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想 即利用热泵 热管等技术将太阳能和地热 居室废热等综合利用起来 使太阳池发电的成本大大下降 在北高加索地区能与火电站竞争 并且一年四季都可用 夏天可用于空调 冬天可用于采暖 有些干旱地区的盐湖 水面平静 水中的盐度也处于相对稳定状态 就像静静的水中浮着几层密度不同的玻璃 当太阳光透射到黑沉沉的湖底 立即转换成热能 但水中稳定地盐水层都隔绝了热能向外传递的通道 热的对流被阻 湖底的水温越来越高 于是就形成了自然的蓄热池 人们称之为太阳池 太阳池发电 太阳池电站将蓄热池的热能转换成电能第一步 发电所用的热水来自水池蓄热层 当热水达到一定温度时 用水泵从蓄热层上部将热水抽至池外 第二步 热水被送进蒸发器的螺旋管里 热水的热能将环绕蒸发器的低沸点的有机液体加热变成气体 这种气体驱动气轮机转动 就可以带动发电机发电 第三步 从气轮机中出来的气体 经过冷凝器部分凝缩成液体 又被送回蒸发器 而通过蒸发器降温后的热水 被用管道送回蓄热层的底部 整个过程设计非常科学 非常节约 从上面的介绍可以看出 与太阳能热发电 太阳光发电等相比 太阳池发电构造简单 生产成本较低 而且可将大量的热能贮存起来 可常年不断地利用阳光发电 所以太阳池和太阳池发电倍受人们关注 太阳池发电缺点主要是要求天然盐湖或人造盐湖池中要形成稳定的盐浓度分层 这是有一定难度的 解决的办法是要依靠新材料 科学家们正在寻找一种能替代透明盐浓度液层的有机膜 覆盖在普通水池之上 同样达到吸收和贮存太阳能的目的 这就叫 无盐太阳池 对于淡水资源缺乏的国家来说 太阳池还有另一项不可多得的好处 据专家测算 在近海浅水区建一个面积2163平方千米 深1 2米的太阳池 可为10吉瓦 1吉瓦 1000兆瓦 的发电机组供热 并可每年产淡水2立方千米 在发展中国家 各国也在积极发展利用太阳能 如菲律宾早在九九年 政府已批出了首个太阳能计划 在澳洲政府 海外援助计划 的协助下 在全国263个社区安装1000个太阳能系统 目前菲律宾政府正在推行全球最大太阳能应用计划 整个计划耗资4800万美元 是目前为止世界上最庞大的太阳能计划 太阳能发电计划共分两期 受惠的除了民居外 还包括25个灌溉系统 97个净水及分配系统 68间学校和社区中心 及35间诊所 太阳能热利用 太阳能低温热利用 Solarlow temperatureheatutilization T 120 太阳能中温热利用 solarmid temperatureheatutilization 120 T 400 太阳能高温热利用 solarhigh temperatureheatutilization T 400 太阳能低温热利用 T 120 太阳能沼气系统solarfiredampsystem太阳能集热器solarcollcetor太阳房 阳光房 沼气是有机物经微生物厌氧发酵而产生的可燃气体 由于这种气体首先在沼泽地被发现 故名沼气 沼气是一种混合气体 一般含甲烷50 70 其余为二氧化碳和少量的氮 氢和硫化氢等 其特性与天燃气相似 太阳能沼气系统 沼气细菌分解有机物 产生沼气的过程 叫沼气发酵 根据沼气发酵过程中各类细菌的作用 沼气细菌可以分为两大类 第一类细菌叫做分解菌 它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳 CO2 等 第二类细菌叫含甲烷细菌 通常叫甲烷菌 它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷 太阳沼气池主要是靠收集太阳光的热量 来提高沼气池发酵温度 从而更好实现产气 太阳能沼气系统Solarfiredampsystem 太阳能集热器 太阳能采暖 烘干 太阳能集热器 在太阳能加热系统中接受太阳辐射并向其传热介质传递内能的装置 1 按传热介质分类 可分为液体集热器和空气集热器两大类 其中以液体为传热介质的大多用水作介质 即构成各种太阳能热水器 以空气为传热介质的 则构成多种太阳能干燥器或取暖器 2 按采光方式分类 可分为聚光型集热器和非聚光型集热器两大类 非聚光式集热器是利用热箱原理 也称温室效应 将太阳能转变为内能的设备 聚光型集热器利用聚焦原理 即利用光线的反射和折射原理 采用反射器或折射器使阳光改变方向 把太阳光聚集集中照射在吸热体较小的面积上 增大单位面积的辐射强度 从而使集热器获得更高的温度 集热器升温原理 太阳辐射的波长在0 15 4微米之间 包括了8 7 的紫外线 43 的可见光和48 3 的红外线 一切物体都在辐射红外线 物体温度不同 红外线的波长和强度也不同 如下图所示 波长 10 6m 1 01 42 03 04 05 06 07 0温度 1650115070040030019015090 太阳光谱中主要是可见光和近红外线 辐射能量绝大部分集中在波长0 29 3 0微米之间 而这些光波穿透玻璃的能力很强 几乎全部可以穿透玻璃 但是当这种光线被箱内吸收材料吸收后转变为热时 这些吸收材料也能向外辐射能量 但由于它温度较低 主要是远红外辐射 波长大于3 0微米 恰好玻璃能阻止这些波长的辐射通过 由于阳光进得来 而热辐射出不去 慢慢箱内的温度积累得越来越高 这种现象叫 温室效应 太阳能集热器就是利用了这种原理 把光能转化成内能 波长 10 6m 1 01 42 03 04 05 06 07 0温度 1650115070040030019015090 利用阳光加热空气或其他气体 供干燥用途 也可以应用于太阳能采暖系统 没有漏水之忧 太阳能空气集热器 太阳能空气集热器 建在清华大学奥运零能示范楼上Solaraircollector builtontheroofof BeijingOlympiczeroenergybuilding locatedatTsinghuaUniversity 太阳能空气集热器平面布置图 单位 mm 1 渗透型平板集热器 2 非渗透型平板集热器 3 真空管集热器 非渗透型集热器 1 透明盖板 采用透明复合材料 2 波纹集热板 由0 3mm厚镀锌铁皮压制而成 表面喷涂选择性吸收涂料 3 保护层 由铁丝网 水泥砂浆 石灰 防水涂料等构成 4 保温层 5cm厚泡沫塑料层 底部支撑层 由钢筋 竹片等构成 真空管集热器单元由50支全玻璃真空管并联在内外集管上组成 外集管为冷风管 内集管为热风管 其结构如图3和图4所示 冷风从外集管左端进入 此处装有法兰 以便与前面管子联接 其右端是封闭的 热风从内集管右端引出 此处装有法兰 以便与后面管子相接 其左端是封闭的 外集管中间压有100mm宽的平面 在上面开有50个 50mm圆孔 以便安装密封圈和真空管 内集管开有50个 20mm的圆孔 每个圆孔上焊有一根长800mm的细管 安装时使其伸入真空管中 真空管集热器单元内 外集管结构图 单位mm 1 外集管 2 内集管 3 外集管法兰 4 内集管法兰 5 外集管上 50mm圆孔 6 内集管上 19mm圆孔 真空管集热器安装截面图 单位 mm 1 真空集热管 2 细管 3 铝反射板 4 外集管前盖 5 外集管后盖 6 内集管 太阳能空气集热器中空气流动过程是 经平板集热器预热的空气从真空管集热器外集管左端流入 然后依次通过各真空集热管细管外部进行加热 再经细管流到内集管 最后热空气从内集管右端流出 太阳能热水器 太阳能热水器为什么能使水变热 利用太阳能的热水器主要由集热器 循环管道和水箱等组成 当集热器吸收太阳光以后 集热器内的温度上升 水温也随之升高 水温升高后 便由上升水管进入循环水箱的上部 而循环水箱下部的冷水就由水箱下部流到集热器下方 在集热器内受热后又上升 这样不断地对流循环 水温逐渐升高 太阳能热水器的发展 第1代为闷晒式热水器 这是集热与贮热合二为一的整体热水器 一般由二至三个涂黑的圆管构成 由黑色涂层吸收热能把水加热 优点是结构简单 造价较低 缺点是散热快 热水不能过夜使用 在冬季及阴雨天也不能使用 这种产品只在某些边远农村才使用 现已基本被淘汰 第2代为平板式太阳能热水器 它由平板集热水箱组成 一般采用自然循环运行方式 平板热水器由吸热体 透明盖层 背部与侧面保温层和框架构成 第3代为真空管热水器 它由多支玻璃真空集热管直接插入水箱构成 一般采用自然对流换热 每支真空集热管与水箱孔间放置硅橡胶制成的密封圈 一般太阳能热水器由集热器 储热水箱 循环水泵和控制系统等主要部件组成 按热水流动方式 太阳能热水器可以分为自然循环式热水器 强制循环式热水器和直流式热水器三类 下面以强制循环式热水器系统为例说明其原理 太阳能双源热泵Solarhybridheatpump 太阳房利用的物理原理是温室效应 太阳房 阳光房 温室效应就是波长较短的太阳辐射能顺利透过而波长较长的热辐射被阻挡或吸收的现象 玻璃和某些透明材料以及二氧化碳 甲烷等气体就具有这种效应 因此我们可以用玻璃等透明材料为顶作成温室 让属于短波辐射的太阳光透过而阻挡室内的长波辐射 这样进入室内的能量就大于向室外散发的能量 室内温度也就大于室外温度 太阳房一般分为被动式太阳房和主动式太阳房 被动式太阳房不需要安装复杂的太阳能集热器 更不用循环动力设备 完全依靠建筑结构造成的吸热 隔热 保温 通风等特性来达到冬暖夏凉的目的 按太阳能的采集方式不同可分为直接受益式 集热蓄热墙式 蓄热屋顶式 温室蓄热墙式和对流蓄热综合式五种基本类型 对流蓄热式太阳房 主动式太阳房是在被动式太阳房的基础上以太阳能集热器代替常规锅炉作为热源的一种环保型节能建筑 太阳能中高温热利用 T 120 CPC太阳能蒸饭系统CPCsolarheatsupplysystem太阳灶太阳能热发电系统solarthermalpowersystem 1 CPC镜阵2 膨胀箱3 储油罐4 滤油阀5 高温齿轮油泵6 高压蒸锅7 流量计8 油过滤器9 高温齿轮油泵1 CPCcollector 2 surgetank 3thermalstoragetank 4 filter 5 pump 6 pressurecooker 7 flowmeter 8 filter 9 pump 泵 流 滤 滤 泵 1 3 4 2 5 7 8 9 6 太阳灶 通常按收集太阳能的方法将太阳灶分为热箱式 聚光式和综合型三大类 太阳灶是利用太阳能辐射 通过聚光获取热量 进行炊事烹饪食物的一种装置 它不烧任何燃料 没有任何污染 正常使用时比蜂窝煤炉还要快 和煤气灶速度一致 箱式太阳灶根据黑色物体吸收太阳辐射较好的原理研制而成 它是一只典型的箱子 朝阳面是一层或二层平板玻璃盖板 安装在一个托盖条上 其目的是为了让太阳辐射尽可能多地进入箱内 并尽量减少向箱外环境的辐射和对流散热 里面放了一个挂条来挂放锅及食物 箱内表面喷刷黑色涂料 以提高吸收太阳辐射的能力 箱的四周和底部采用隔热保温层 箱的外表面可用金属或非金属 主要是为了抗老化和形状美观 整个箱子包括盖板与灶体之间用橡胶或密封胶堵严缝隙 使用时 盖板朝阳 温度可以达到100 C以上 能够满足蒸 煮食物的要求 热箱式太阳灶结构极为简单 可以手工制作 且不需要跟踪装置 能够吸收太阳的直射和散射能量 所以产品价格比较低 但由于箱内温度较低 不能满足所有的炊事要求 推广应用受到很大限制 聚光式太阳灶则是将收集的太阳辐射密集后 再进行光热转换 直接或通过炊具将热能提供给食物 进而完成炊事作业 这种太阳灶的关键部件是聚光镜 不仅有镜面材料的选择 还有几何形状的设计 最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜 也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等 综合型太阳灶 综合型太阳灶是利用箱式太阳灶和聚光太阳灶所具有的优点加以综合 并吸收真空集热管技术 热管技术研发的不同类型的太阳灶 热管真空管太阳灶 储热太阳灶 聚光双回路太阳灶 抛物柱面聚光箱式灶 热管真空集热管太阳灶1一散热片 2一蓄热材料3一绝热箱 4一热管真空集热管 利用平板集热器和箱式太阳灶的箱体结合起来就形成了热管真空集热管太阳灶 平板集热器可以应用全玻璃真空管 它们均可以达到100 C以上 产生蒸汽或高温液体 将热量传入箱内进行烹调 这种类型的太阳灶只能用于蒸煮或烧开水 大量推广应用也受到很大限制 太阳光通过聚光器1 将光线聚集照射到热管蒸发段2 热量通过热管迅速传导到热管冷凝端5 通过散热板4再将它传给换热器6中的硝酸盐7 再用高温泵9和开关10使其管内传热介质把硝酸盐获得的热量传给炉盘11 利用炉盘所达到的高温进行炊事操作 储热太阳灶 这类太阳灶实际上是一种室内太阳灶 比室外太阳灶有了很大改进 但技术难度在于研制一种可靠的高温热管以及管道中高温介质的安全输送和循环 而且对工作可靠性要求很高 目前尚无成熟的产品上市 聚光器2将太阳光聚集到吸热管1 吸热管所获得的热量能将第一回路3中的传热介质 棉籽油 加热到500 C 通过盘管换热器把热量传给锡 锡熔融后再把热量传给第二回路中的棉籽油 使其达到300 C左右 最后通过炉盘9来加热食物 这种太阳灶循环系统比较复杂 制作工艺要求高 生产成本也比较高 暂时难于推广和应用 聚光双回路太阳灶 抛物柱面聚光箱式灶 阳光分别由箱盖窗口直接人射 和由箱体下面两侧的抛物柱面镜聚光后射入箱内 以提高箱内功率和温度 此类太阳灶优点是功率较大 能量集中 散热损失小 升温快 灶温高达200 C以上 长条形箱内装有柱架 每次可放12个饭盒 比一般箱式灶容量大1倍 若在挂架上放置筒形水箱 则可用来烧开水 每小时可烧3kg左右开水 概念 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电 是太阳能热利用的重要方面 分类 根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同 该系统可以分为分散型和集中型两大类 太阳能热发电概念和分类 分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组 然后把这些集热器串联和并联起来 以满足所需的供热温度 集中型发电系统也称为塔式接受器系统 它由平面镜 跟踪机构 支架等组成定日镜阵列 这些定日镜始终对准太阳 把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上 碟式发电系统 碟式系统发电特性Solarpowercharacteristics 太阳能热发电系统的组成 典型太阳能热发电系统由以下4部分组成 聚光集热子系统 蓄热子系统 辅助能源子系统和汽轮发电子系统 1 聚光集热子系统聚光集热子系统包括聚光器 接收器和跟踪装置 聚光器 聚光器用于收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上 以提高单位面积上的太阳辐照度 从而提高被加热工质的工作温度 最常用的聚光方式有两种 即平面反射镜和曲面反射镜 接收器 接收器是通过接收经过聚焦的阳光 将太阳辐射能转变为热能 并传递给工质的部件 在这里 工质被太阳辐射能加热 变成过热蒸汽 再经管道送往汽轮机 跟踪装置 为了使一天中所有时到的太阳辐射都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上 反射镜必须设置跟踪机构 太阳聚光器的跟踪方式有两种 即单轴跟踪和双轴跟踪 从实现跟踪的方式上讲 有程序控制方式和传感器控制方式两种 2 蓄热子系统 蓄热系统在集热器和汽轮发电机组之间提供一个缓冲环节 蓄热和放热作用 保证机组稳定运行 因为太阳能热发电系统在早晚和白天云逛间歇的时间内 都必须依靠储存的太阳能来维持正常运行 至于夜间和阴雨天 一般考虑采用常规燃料作辅助能源 目前 可采用的蓄热方式有3种 显热蓄热 潜热蓄热和化学储能 对不同的蓄热方式 应选用相应不同的蓄热材料 3 辅助能源子系统 太阳能热发电系统除要配置蓄热于系统外 还需配置辅助能源于系以维持电站能够一直持续运行 太阳能系统要求的蓄热子系统容量太大 以致投资巨大 所以 在太阳能热发电系统中采用常规燃料作辅助能源 是个极为可取的方案 4 汽轮发电子系统 太阳能热发电系统用的动力发电装置 可选用的有以下几种 现代汽轮机 燃气轮机 低沸点工质汽轮机 斯特林发动机 槽式太阳能热发电系统的构成 槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统 SEGS 简称槽式太阳能热发电系统 也称分散型太阳能热发电系统 整个系统由4部分组成 聚光集热装置 辅助能源装置 蓄热装置 汽轮发电装置 槽式聚光器Parabolictroughconcentrator 塔式太阳能热发电系统 集中型太阳能热发电系统 整个系统由4部分构成 聚光装置 集热装置 蓄热装置 汽轮发电装置 塔式太阳能热动力发电的示意图 塔式太阳能热发电的定日镜群 定日镜的各组成部件 反射镜镜架及基座跟踪传动机构控制系统 镜表面形状由于定日镜距位于接收塔顶部的太阳能接受器较远 要求 1 使阳光经定日镜反射后不致产生过大的散焦 能把95 以上的反射阳光聚集到集热器内2 克服由于太阳运动而产生的象差 反射镜 镜面材料要求 质量轻 耐风沙 机械强度高 陈氏曲面镜其表面是高次曲面 采用了聚光与跟踪的设计思路 比传统几何镜面 球面或抛物面等 的聚光倍数大幅提高 缺点为加工技术和成本较高 大型化难度较大 因此主要用于小型碟式太阳能热发电站 张力金属膜反射镜由于镜面是用0 2 0 5mm厚的不锈钢等金属材料制作而成 可以仅仅通过调节定日镜的内部压力