新能源节能技术

第二部分新能源技术-太阳能,主要内容,1、太阳能相关角度和辐射量计算2、太阳能热利用太阳能能热水器太阳能光热发电3、太阳能热利用设计计算4、太阳能光伏发电基本原理,1、太阳赤纬角：太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角。是表征不同季节的一个数值。从赤道面算起，向北为正，向南为负。如图阳光直射地球的范围。,一、相关角度和辐射量计算,赤纬角的日变化,n为一年中从1月1日算起的天数,太阳赤纬角的日变化,注意，这里的角度单位是度，计算程序往往要求是弧度作为单位,比如，计算第180天的赤纬角，在程序中如何实现？,2、太阳高度角h定义：太阳光线与水平面的夹角,正午时刻h的计算公式,h正午90-+,3、太阳方位角（As）,定义,太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。,计算公式,式中A值：正南：A=0正南以西：A0正南以东：A0,4、日出日落时角与日照时间日出和日落时角定义：令太阳高度角等于0时的日出和日落时角。,一天的日照时间（昼长）,例题计算北纬345。东经110。(华山)处，5月10日正午时太阳的高度角和方位角，以及该日的日出和日落的时间和方位角。解：由已知条件n=130根据赤纬角计算公式,根据太阳高度角计算公式，中午时时角等于0,中午时太阳方位角为0,日出和日落时角,日出时间：5点10分，日落时间18点50分,5、太阳辐射强度和太阳常数,太阳辐射强度（太阳辐射通量密度）,太阳辐射强度及单位,定义：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。,单位：Wm-2,太阳常数（Isc）,太阳常数及变化范围,定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496108km)，在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度。,变化范围：1325Wm-21457Wm-2我国采用的太阳常数值为1382Wm-2。1981年国际标准1367Wm-2。,到达地球大气层上的太阳辐射能H0。,平均太阳辐射的估算太阳能利用系统的设计中，太阳辐射量是重要参数。在大部分利用太阳能的地区并没有实测的数据可用。,大连：a=0.36，b=0.23陕北：a=0.54，b=0.20陕南：a=0.21,b=0.56,二、太阳能热利用,平板型太阳能集热器,太阳能热水器,太阳房,太阳能干燥,太阳能海水淡化,太阳能制冷空调,盐梯度太阳池,太阳能热力发电,直接利用太阳能,光合作用,煤炭,食物中的化学能,空气变热形成风,水蒸气形成雨雪,空气、地表吸热,一、平板型太阳能集热器,聚光型和非聚光型,1、吸热体,作用：热交换器,组成,材料,选择性涂层，管板,管板的结合方式,涂层：无光黑漆。尽量薄，减小热量传递阻力,选择性涂层（小于2微米）：电镀二氧化铬等,（一）、组成,2、透明盖板,对吸热体基本要求,1上下水管要粗，压力降是总压的10%左右,2选择性涂层太阳辐射吸收率必须大于0.95，热发射率小于0.2,1cm,2-4cm,最佳距离：2cm时，只有导热和辐射换热；4cm时，热阻更大但是存在对流换。,材料：,一般是玻璃，缺点是重量大，易碎,蓝玻璃，白玻璃,钢化玻璃，安全,专门为集热器开发的材料,抗老化(待别是抗紫外线老化)。抗化学腐蚀和拉裂，特别是在遭受雨淋、遇到大气污染物、打扫透光而；鸟类、接触到密封材料和涂料等情况时。容忍高温和低温变化，如一20一100)而不碎、不老化和不蠕变。抗冲击，具有坚固的表面以防止偶然的或人为的破坏以及在清洗表面时的损害。用于表面授盖时必须有一定的防火能力。,塑料,只有薄膜的透过率高于玻璃，但缺点是容易积尘，松垂。,透明盖板的面积选择：受风雪等自然条件，盖板的厚度，材料等影响。在北欧天气条件下倾角450的以玻璃为透光层的集热器的最大采光面积是0.6m2(4mm厚)和1.4m2(6mm厚)钢化破璃的采光面积可以适当增大一些；我国的实践表明上述数据可以更大一些，例如许多产品中5mm厚玻璃的面积达到1.2m2。,3、隔热层一般要求，隔热层的热流量在0.5-1.0W/m2,相当于40-80mm厚玻璃纤维隔热层。,透明面板：透光率高达90%的太阳能专用强化玻璃。边框：铝材，与建筑物完美结合。密封条：采用强密封、耐高温、抗老化型硅胶条。吸热板芯：铜铝复合板，选择性吸收膜，吸收率大于94%。背板：优质镀铝板，外型美观，耐腐蚀能力强。保温层：特有超细玻璃棉复合保温材料，比普通单层式保温效果更胜一筹。隔热层：反射铝箔纸，将阳光有效进行二次反射，提高热效率。,（二）、平板型太阳能集热器的能量平衡,投射到集热器上的太阳辐射能大体转变为三部分能量，即，有用能量；各种热损失；集热器本身储存的能量。这样整个集热器的能量平衡方程式可以表示为：,进一步：,投射到盖板上的阳光，一部份被盖板透过，一部份被反射和吸收,其中被集热体吸收的系数,（三）全玻璃真空管平板集热器,提出：普通平板集热器，热损失较大，单层6-8W/m2,选择性涂层4-5w/m2,主要热损失来源：夹层中的空气,真空管：切断集热器与透明盖板之间的导热和对流换热热桥。,全玻璃真空管的构造由内玻璃管、太阳选择性吸收涂层、真空夹层、罩玻璃管、支承件（弹簧卡子）、吸气剂等部分组成。,选择性吸收涂层：氧化铜、黑镍、黑铬、黑锌、黑铜等太阳选择性吸收涂料,将涂有选择性涂层的内玻璃管封入罩玻璃内，然后将内外玻璃管之间抽成真空，形成真空度为0.05Pa的真空夹层，以减少由于空气对流和传导而引起的热损失，这与热水瓶的原理相似；,真空管在受热后，原来被吸附在管壁上的微量气体（主要是水蒸气）会释放出来，影响真空度，吸气剂和吸气膜就是用来吸收这些被释放出来的气体，以保持集热管内的高真空。,二、太阳能热水器,（一）太阳能热水器的形式,1闷晒式：集热器和水箱合为一体，简单，便宜,2、全玻璃真空管热水器,特点:热损失低于1W/m2,易结水垢,可以用于寒冷季节和地区.应用:生活热水,除湿,干燥,空调,制冷,暖房种植,养殖和海水淡化等方面.,接受的太阳辐射情况,反射器,材料及尺寸选择,1)玻璃:要求:承压,温差热应力,一般是高硼硅玻璃,中国最早是80年代初期由美籍华人贝聿昆送给一些研究所，然后由沈阳玻璃计器厂试制成功的,2)玻璃管,长度:初期1.2m，现在有1.5-1.8m,内外管间距离:只要内外壁不接触,0.2mm即可,管间距离:不可密排,要留有间隙,真空管集热器热效率,3、热管式真空管热水器,工作原理:热管强化传热,优点:传热效率高,抗冻,无结垢问题,热管式真空管热水器的要求,安装角度要大于10度,日平均热效率50-56%,太阳能热水器的高温控制问题,新型的平板热水器,原理,特点,1)平板热水器更安全,使用寿命长,真空玻璃管容易破裂，存在安全隐患,2)从能源利用角度看，平板远远优于太阳能，在技术成熟的条件下，目前真空管的热效率最高只有45%左右，而平板热效率至少在50%以上，极端条件可达到80%。3)容易结垢,不好清理。4)对水质要求高,腐蚀容易漏水,发展机会,太阳能与建筑一体化的实施，目前国内已有37个城市要求新建12层及以下住宅必须应用太阳能热水系统，而真空管热水器必须放置在屋顶，如果所有住户都使用真空管产品，屋顶面积根本达不到配比量，而平板集热器则兼具屋面和集热双重功能,(二)太阳能热水循环系统,1.自然循环,容积较小的水箱、集热器继电器、电磁阀,2.强迫循环,比自然循环水温更高，水量大但增加了能耗,3.直流式,冷水直接进入集热器，通过控制流量控制水温。,与自然循环的比较,储水箱可以放在屋内，低于集热器。,储水箱放在屋内，减少热损失，对于连续用水，水箱体积可以很小,（三）太阳能热水系统的设计选择,1系统选择,家用一般选用自然循环,对于集体使用，小于50m2的小系统，也多采用自然循环,对于大于50m2的系统，采用强迫循环,对于要求快速得到热水的理发店，宾馆等，可以用直流式,2集热器的选择,南方，最低气温在0度以上，可选用平板集热器,中北部地区，最低气温在-5度以上，选用真空管集热器,北方地区，最低气温在-20度左右，选用热管真空管集热器,3.集热器容量的确定,快速估算方法,工程的日产水量与平板型太阳能热水器面积的比值100kg/m2,相当于1200mm真空管热水器6-9枝,4、如何确定太阳能的安装面积,用户人均用50-60的热水量可以参考以下参数：1家庭用户：花洒喷淋用水50-60kg/人天；2工厂员工、学校捅提式用水：15-20kg/人天；3工厂员工、学校花洒喷淋式用水：30-50kg/人天；4招待所、医院花洒喷淋式用水：50-70kg/人天；5宾馆花洒喷淋用水：80-120kg/人天；6泡浴缸用水：300-400kg/人天。,三、太阳房,主动式,被动式,用泵将太阳能加热过的空气或者水送入室内达到加热的目的。,全靠太阳能采暖不需要其它辅助能源。,1、被动式太阳房,1）直接受益式,昼夜温差较大要求墙体的隔热性能好,2）Trombe墙（集热蓄热墙）,2、太阳房的日照间距,定义：采光面前部一定距离内应没有高大物体存在，这一距离叫做太阳房的日照距离。,三、太阳能干燥,1、太阳能干燥的优点,1）节约燃料2）干净卫生3）提高产品质量,2、太阳能干燥的适用范围,：干燥温度在60度以下，更高温度需要集热器型干燥系统。,3、太阳能干燥系统的基本组成：,1）干燥室2）集热器2）通风设备3）辅助加热设备,3、太阳能干燥的类型,1）温室型太阳能干燥器,例303m2太阳能果脯干燥系统,2）集热器型太阳能干燥器,空气作为传热介质,分为直接型（空气自然对流）和间接型（强迫对流）,2）混合式（温室型与集热器结合）,自然对流：盐梯度太阳池-集热器复合型太阳能干燥系统,强制循环型,三、太阳能海水淡化,1872年世界上第一座太阳能蒸馏器在智利诞生了，利用太阳能进行海水淡化，日产淡水177吨，一直工作到1910年。,1）池式太阳能蒸馏,2）几种太阳能淡化的例子,充气式太阳能蒸馏器,漂流：迷失大海76天,太阳能海水淡化滴灌Experimentalandnumericalanalysisofatube-typenetworkedsolarstillfordeserttechnology，,2006,190.适用:沙漠,盐碱地等淡水资源缺乏地区用于森林滴灌.,太阳能-CDP技术,CDP技术热源？是否可用太阳能？,是否还可用其他形式？,墨尔本皇家理工大学的CDP系统样机,四、太阳能吸收式制冷,吸收式制冷工作原理,利用两种流体的浓度差和温度差产生的饱和蒸汽压差而引起的吸收和蒸发作用。,五、盐梯度太阳池,优点可再生吸收并储存太阳能对环境无污染,缺点对地理条件要求较高用盐量大，温度较低许多技术仍然处于R热分解层和干馏层对可燃气有一定的过滤作用。所以出炉的可燃气中只含有少量灰份。缺点：添料不方便;可燃气中含挥发性物质(如焦油蒸气)较多。,生物质热化学转化,2、下吸式气化炉工作过程：生物质原料由炉顶的加料口投入炉体，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内，炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。优点：空气从敞开无盖的上面均匀进入。焦油含量低，气化强度大。缺点:由于炉内的气体流向是自上而的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较的功率;出炉的可燃气中含有较多灰份;出炉的可燃气温度较高，须用水对其进行冷却。,各种生物质气化技术,生物质热化学转化,工作过程：空气或空气与水蒸气的混合气从位于炉身一定高度处的喷嘴送入炉内，炉生产的燃气经炉栅处被吸到炉外，燃气呈水平流动，故称平吸式。优点：燃料层温度较高，可达到2000。炉子结构紧凑，启动时间短，负荷适应力强。缺点：由于物料在炉内停留时间短，燃气质量不理想;由于炉体心温度高，容易造成结渣;由于炉子的还原层容积很小，使CO2还原成O的机会减少，从而使燃气质量降低。,生物质热化学转化,反应机理-以上吸式为例：生物质气化是指固体物质在高温条件下，与气化剂(空气、氧气和水蒸汽)应得到小分子可燃气体的过程。通常所说的气化，还包括生物质的热解。图7为其气化原理图。原料在上吸式气化炉内大体上分为四个区域(层)：氧化层，还原层，热分层和干燥层。炉内温度自氧化层向上递减。原料从炉顶落入炉内，大型气化原料是连续加入;而小小型气化炉原料是间歇性投入的。空气由下方供给，出的燃气经上方管道输走,生物质热化学转化,循环流化床适合大型的应用比如生物质气化发电,太阳能生物质气化技术,传统方法存在的问题：1）耗能大，外部加热的方式耗化石燃料；内部加热的方法，消耗近40%的生物质原料。,2）需要高温高加热速率，耗能强度大3）采用空气作为气化剂，产出燃气中含有大量氮气，稀释了可燃气，使热值降低。,太阳能聚光生物质气化,家用小型气化炉,原理：实际上是半气化炉,生物质气化技术,1.气化技术原理：,CO,CO2,H2,CH4,焦油少量烃类。,燃烧准备区,气化区,2.气化过程能量平衡：,气化剂,工况条件,产物,耗用最低的热量,将原料物质的化学能最大限度地转化为气体燃料的化学能.,生物质原料的热值和显热Q1,进入气化炉中干空气的显热Q2,空气中水分的热焓Q3,干生物质气的热值和显热Q4,生物质气中水分的热焓Q5,焦油的热值和显热Q6,水溶性化合物的热值和显热Q7,炉渣的热值和显热Q8,损失到周围环境的热量Q9,3.气化过程化学平衡：,浓度：c1,c2,c3,c4,反应速度：,化学平衡常数,反应速度常数,跟据化学平衡分析：,850,正反应速度增大，1200时，CO2全部被还原为CO,850,正反应速度高于逆反应速度,一般要求温度高于900,制取高发热值气体的重要反应,随温度升高,逆反应速度加快,适宜温度为800.,化学反应动力学,随着温度升高,反应速度加快,气化反应总速度取决于碳粒表面的扩散速度.当反应物温度超过1200,燃料的反应活性趋于平稳,此时气相反应物的消耗主要取决于气流特性、气流速度和碳粒形状。,分析目的,确定工艺过程的热效应，指出强化过程的途径。,5.气化过程基本参数,1）当量比：气化需要空气量与完全燃烧的理论空气量之比,0.2-0.28,2）气体产率单位质量生物质原料生成可燃气体在标况下的体积。m3/kg,3）.气体的热值,Qv-kJ/m3,CnHm-不饱和碳氢化合物,4）.生产强度,气化炉单位时间处理原料量可表示为M=PS式中M每小时处理生物质量,kg/hP气化强度,kg/(m2h)S气化炉总截面积,m2循环流化床气化强度为200kg/(m2h),完全燃烧所需理论空气量为V=1/0.21(1.866wC+5155wH+0.7wS+0.7wO)式中V原料完全燃烧所需的理论空气量,m3/kg生物质原料气化时需空气量为VL=V式中VL空气实际需要量,m3/kg气化试验比,生物质高温热裂解技术,原理,生物质,慢速热裂解,快速热裂解液化,碳化热裂解,常规热裂解,温度一般低于400,温度一般低于600,液体生物油,升温速率100/s，产物停留时间t=0.5-1s,450-650,快速热裂解气化,700-1000,高升温速率,原料的80%转化为气体,生物质热裂解液化技术,生物质快速热裂解液化：原理：生物质快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，相对与传统裂解，它采用超高加热速率（102104K/s），超短产物停留时间及适中的裂解温度，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液体产品。生物油：这种液体产品被称为生物质油(bio-oil)，为棕黑色黏性液体，热值达20MJ/kg左右，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。,生物质热裂解液化技术,生物油的特性：高密度（约1200Kg/m3）；酸性（pH值为2.83.8）；高水分含量（15%30%）；较低的发热量（1420MJ/Kg）。,影响因素,1）温度,350-500是生物质热裂解液化最有意义的温度段，碳产量随温度升高而减少液体产量在该范围达到最大。温度进一步升高，液体分子被分解成更小的气体分子。发生生物油二次反应。,2）升温速率和滞留期,常规热裂解温度较低，升温速率较低，滞留期在数分钟，快速（闪速）热裂解滞留期很短，几秒，甚至几百毫秒。,如果主要产物目标是气体和液体，则采用高升温速率的快速热裂解和闪速热裂解。,达到高的升温速率三条件：,高的操作温度,短的滞留期,细小的颗粒,3）生物质颗粒大小,生物质颗粒的传热传质决定了生物质热裂解过程。,颗粒的大小是影响热裂解速率的决定性因素,粒径小于1mm，动力学速率控制热裂解过程,粒径大于1mm，热裂解过程受动力学和传热传质现象共同控制,植物质压缩成型,1压缩成型的意义,单位容积的热值和密度增加，一般的农林废弃物压缩后，密度可达1.2-1.4t/m3，热值达到16744kJ/kg，体积缩小6-8倍。热性能优于木材，相当于中值烟煤。,2主要工艺方法,加粘结剂成型,加热压缩,黄泥，蘑菇渣，废蜜渣，硅酸钠,成本增加，热值降低,纤维软化粘结成型，110度左右,对干湿度要求高，摩擦生热，产物热值高,预处理发酵,纤维软化,1）部分