太阳能的热利用

1、太阳能的热利用传热学研究报告主题：太阳能集热系统分析组员及分工：颜俏11223056 查阅资料及撰写论文戴俏波11223064查阅资料及撰写论文11223088查阅资料及制作ppt太阳能的热利用太阳能集热系统颜俏(11223056)戴俏波( 11223064)张激峻( 11223088)摘要：人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。太阳能热利用是指将太阳辐射直接转换为热能供人类使用， 它是目前在理论和实践研究中比较成熟， 应用最广的一种太阳 能利用模式。文章主要分为两大部分， 一是对现阶段研究较成熟、 应用较广的太阳能的热利 用技术进行介绍，二是介绍一种高效能的太阳能集热及多级加热系统。

2、关键词：太阳能；热利用；集热系统；多级加热0引言 TOC o 1-5 h z 能源是发展科学技术、工业、农业、国 防和提高人民生活水平的重要物质基础，也是发展经济的首要问题。开发和利用能源， 对社会发展和国民经济有着很重要的意义。世界消耗的能量大多来自化石能源燃料，但化石能源资源非常有限，只能维持几十年。此外，燃烧石能源燃料时会产生大量的C02,引起温室效应，对生态环境造成严重的破坏。在环境保护和可持续发展的倡导下，国际社会正在积极探索新能源的开发利用。太阳能集热器吸收太阳辐射同时将产生的热量传 递给传热工质。它的效率决定了太阳能热利 用的效率，是组成太阳能热利用系统的主要 部分，在整个太阳能

3、热利用系统中起到关键 作用。目前常用的太阳集热器有平板集热器、 真空管集热器、槽式集热器和碟式集热器。1太阳能太阳能一般是指太阳光的辐射能量，在 现代一般用作发电。自地球形成生物就主要 以太阳提供的热和光生存， 而自古人类也懂 得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法, 如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下， 才有意把太阳能进一步发展。 太阳能的利用 有被动式利用(光热转换)和光电转换两种 方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。2太阳能利用技术太阳能热水器阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热太阳能的热利用量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只

4、能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热， 加热的水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶，桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充，如此不断循环，使保温储水桶内的水不断加热，从而达到热水的目的，如图 1所示。图1太阳能热水器平板集热器结构平板型太阳能一般由吸热板、玻璃盖板、保温层和外壳四部分组成，具体结卞如图2示。图2平板太阳能集热器的基本结构吸热板吸热板式吸收太阳辐射能量并向集热 器工作介质传递热量的重要部件。可以采用铜材、铝合金、钢材、镀锌板和不锈钢材料 作为吸热板的材料。吸热板的结构主要有管 板式、扁合式、翼管式。太阳能吸收涂层可 分为两大类：非选择性吸收涂层和选择性吸 收涂

5、层。非选择性涂料：非选择性涂料有黑银、 黑铭和黑漆等，一般多用于常年环境温度较 高的华南地区。选择性涂料：选择性吸收涂层可以用多种方法来制备，如喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸镀方法、磁控 溅射方法等。玻璃盖板玻璃盖板的作用是减小热损失。用于透 明盖板的材料主要有两大类，平板玻璃和玻璃钢板，目前国内外使用更广泛的还是平板 玻璃。保温层保温层的作用是减少集热器向四周散 热，以提高集热器的热效率。这就要求保温 层的材料保温性能好，即导热率小，不吸水。 一般保温层的厚度在 35cm厚，四周的厚度 为保温层的一半。 常用保温材料有岩棉、矿 棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。外壳外壳是集热器中保护及固定吸热

6、板、透明盖板和隔热层的部件。 一般材料有铝合金 板、不锈钢板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。为了提高外壳的密封性，有的产品已采用铝 合金板一次模压成型工艺。工作原理太阳能的热利用平板太阳能集热器的基本工作原理概 括地说，阳光透过透明盖板照射到表面涂有 吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能 为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体 通道中的工质。这样，从集热器底部入口的 冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温 度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的 热能从集热器的上端出口， 蓄入贮水箱中待 用，如图3所示。图3太阳能平板集热器工作原理真空管型集热器全玻璃真空管的基本结构全玻璃真空管由外玻璃管、内玻璃管

7、、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部分组成，其形状如图 4所示。其工作原理是太阳光透过外玻璃管照射到内管外表面吸热体上转换为热能，然后加热内玻璃管内的传热介质，由于夹层之间被抽成真空，有效降低了向周围环境散失的 热损失，使集热效率得以提高。组成和特点全玻璃真空管型太阳能集热器的组成：真空管、联箱、尾座、支架组成。分横管和 竖管两种。玻璃真空管集热器的特点：真空管内直 接对水进行加热，吸热效率最高；寿命长； 成本最低；适用范围广， 可以在零下三十度 的环境下正常运行。目前市面上的太阳能集 中供水工程80灿用该系列产品。该系列产 品对系统的设计、安装施工要求很高，如设 计不当或安装不良会出现爆管

8、现象。槽式集热器槽式聚焦太阳能集热器作为中高温集热器的一种，能够获得较高的集热温度，可 用于发电、制冷空调、采暖、海水淡化等生 产和生活领域。传统槽式太阳能集热装置吸 收器采用真空玻璃管结构，即内管采用金属 管，管内走加热介质，金属管外涂覆选择性 吸收涂层，再外面为玻璃管，玻璃管与金属 管间抽真空以抑制对流和传导热损失。由于玻璃和金属封接膨胀系数不同，这种结构的图4全玻璃真空管结构示意图2.3.2工作原理太阳能的热利用吸收器目前成本高，使用寿命较短，可靠性受到影响，如图5所示。2.5碟式集热器图5槽式集热器现阶段利用槽式太阳能集热装置进行 发电的技术应用比较广泛。 槽式太阳能发电 的高温是通过

9、聚光实现的。 槽式太阳能热发 电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热 发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器 经过串并联的排列，聚焦太阳直射光，加热真空集热管里面的工质，产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。 采用菲涅尔凸透镜技 术可以对数百面反射镜进行同时跟踪，将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部 件上，采用菲涅尔线焦透镜系统，改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成 本的局面，使其在整个工程造价中只占很小 的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材 料，以及太阳能中高温直通管采取国产化市 场化生产，降低了成本， 并且在运输安装费 用上降低大量费用。太阳

10、能碟式集热器是采用盘状抛物面聚光的一种集热器，其结构从外形上看类似 于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜 是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数 百到数千倍，因而可产生非常高的温度。太 阳能碟式集热器主要应用于小型发电设备中。碟式系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为1025kw,聚光镜直径约1015m;也可用于较大的用电户， 把数台至数十台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。太阳能碟式发电尚处于中试和示范阶段，但商业化前景看好， 它和塔式以及槽式 系统，即可单纯应用太阳能运行， 也可安装 成为与常规燃料联合运行的混合发电系统。3太阳能的热利用主要技术介质传热技术辐射吸收

11、材料即选择性吸收涂层一般沉积在导热性能良好的金属材料上，比如铜、铝、不锈钢等。太阳辐射能所转换成的热能一般通过中间工质传输用户端，比如太阳热发电一般采用导热油、 熔盐、空气等工质吸 收并传输热能给水和水蒸气，水蒸气推动汽 轮机并带动发电机发电， 将热能转换成电能。太阳能的热利用中间热传输工质的选择对太阳热利用效率具有重要的影响。在太阳热发电系统中，传热的循环工质水、 空气、油、熔盐等由于水、油作为高温吸热 载体的热机效率很低，而钠遇空气和水容易 着火，空气的热容小，故目前常用的高温吸 热载体主要是熔盐。但是通常熔盐的熔点较 高，其工作温度范围很窄，为了防止熔盐凝 固需要浪费很大的常规能源，而且

12、熔盐的传 热系数较小，热效率不理想。所以寻求性能 更加优越的高温吸热、 传热载体成为太阳能 热发电研究的重要内容和方向。集热器跟踪聚焦技术太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区 别，这就对太阳能的收集和利用提出更高的 要求。为了满足人们对太阳能利用更高的要 求，使太阳能集热器更有效地吸收太阳辐射 能和获得高温热能，集热器须采用聚焦、跟 踪等技术。使用太阳跟踪系统，可以使太阳 光始终垂直照射在接收面， 接收到的太阳辐 射将大大增加。使用太阳能聚焦装置可以增 加单位面积的太阳辐射强度，节省吸热材料, 提高热利用效率。太阳能聚焦技术广泛应用 于太阳能空凋、太阳能光伏

13、发电、太阳能热发电、光电化学、太阳能制氢等领域，是未 来中高温太阳能利用研究的重要方向。辐射吸收集热材料太阳辐射吸收材料是太阳能热利用中的关键部分，它承担着太阳辐射能的吸收和 热传导双重任务。随着能源短缺问题的日益 突出，人类已开始把目光转向更好品位的太阳能的热利用上一一太阳能中高温利用，通过聚焦装置，使太阳能热利用温度达到200以上，甚至上千度。中高温吸热材料的研究是太阳能中高温热利用所要解决的关键问题。光学性能稳定、耐候性强、制备工艺简单、对环境无污染、成本低廉、能适合中高温度使用的新型太阳选择性吸收涂层成为当今太阳能热利用研究的重要目标和发展方向。4.太阳能多级加热系统原理和结构加热系统

14、分为三级，如图6所示，具体结构为:1）第一级采用真空管集热器，它可将输送过来的水加热到80100C,加热过的 水经过第二级加热系统，这样可以有效地提 高二级加热器的效率。2）第二级太阳能集热器采用线聚焦型集热器，它应用的是直通式真空管。直通式 真空管主要由两部分组成：吸热管和玻璃管。太阳能的热利用有高温选择性吸收涂层覆盖在吸热管表面。传热介质由吸热管的端进入，从另一端流出，经太阳辐射加热后流体介质被加热。借助于波纹管过渡，用于解决金属吸热管和 玻璃管之间的两端需要封装的问题，补偿金属管的热胀冷缩。金属吸热管可用铜作材料。3）第三级采用点聚焦型集热器，它包括旋转抛物面型太阳能聚光器与太阳能接 收

15、器，由于通过一、 二级集热器的水己变成 水蒸气，经加压泵加压，水蒸气再过第三级 的时候，就能被加热到更高的温度，其温度 范围为4002000 C。这一级主要结构是旋 转抛物面型太阳能聚光器与太阳能接收器， 通过设计，太阳能聚光器可以有很大的聚光比，收集大量的太阳能。加热系统原理：水蒸气通过太阳能接收器吸收太阳能，太阳能接收器内设有足够长的弯曲的管道，水蒸气经过时就能够吸收足够多的热量，由此面临的问题是接收器内管道要有足够大 的承压能力。高温高压蒸汽再经过熔融盐蓄 热材料，把热量存储起来，储存的热量可用 来冬季供热、供热水、烹饪等日常生活需要。高压蒸汽末端形式如上图所示，接入供暖系 统，在蒸汽冷

16、凝后进入回路。 这样可以有效 地提高集热器的集I。网阀IL散热器21受七隼集火岸12一宝力强，H比式*钳*箝接自来水6.代号小泉7朴木第一太昂第多盘加热系跳”安至水抖n匕久咨3 A印图6太阳能多级加热系统系统中设置了旁通管路，这样可以使得热效率。系统在其中某一级发生故障时仍能继续运系统工作流程：8124 5 611行，使系统功能得到优化。17-14 -8太阳能的热利用加热系统的热力平衡1）加热子系统属于直接蒸汽产生系统，管路中的水直接由液态变为气态， 在相变点 会有剧烈的温度和压力变化， 因此，要合理 布置子系统的三级集热器和管路系统， 使其 满足这种温度、上匪力变化的要求。2）三级集热器分别

17、为：真空管式太阳能集热器、线聚焦型太阳能集热器与点聚焦型太阳能集热器。3）三级加热系统的连接形式如图8所示，3种集热器首尾顺序连接，集热温度逐步从 低温过度到高温，在进行热力计算时， 外部 管路水力损失不计，计算得出最后的温度和热流量，判断能否满足供暖、供热水、烹饪 等日常生活需要做出分析。图7加热系统的热力平衡真空管热力计算计算采用的真空管为12根，每根长1.6m, 管内径为0.06m, Ic以北京地区日平均太阳 辐射照度为例，来进行真空管集热器的热力 计算：产0. 80;集热面积的计算公式：Av=L（）内n；式中：A为采光面积；L为集热器长度；4内为真空管内径；下标以示真空管集热器。得：A

18、v = 1.6x0.06x12 = 1.152 m 2由公式Qv=IcAvy1 v得真空管集热器收集 的热量：Q = 0.583x1.152x0.8= 0.537 kJ/s由假定流速法，假设水流经真空管集热 器时的流速为：Vv=1.0m/s ,管内径 dv =32mm 由 G =（兀 /4）Vv d v2 得：G =（tt/4）1.OxO.032 2 =0.0008m3/s即 G=0. 8kg /s式中：G为体积流量；G为质量流量。已知水的定压比热Cp水=4.18kJ/（kg K）取t1=20 C,则0.8kg的水经过真空管后 的温度为t2。由Q=Cmk t 得：A2=0.537/（4.18x

19、0.8）=0.161C/s0.8kg的水经过真空管用时，2=U/Vv=1.4/1=1.4S式中：U为集热器宽度；At12 = Ti2 At12=1.4x0.16l=0.225 C假设真空管集热器的集热效率：Y即 t2=20.225 C太阳能的热利用计算得出，真空管集热器出口处的温度为20.225 C,温度较小的原因是水流经真空管的路程短，只有1. 4s线聚焦型集热器热力计算设计采用的线聚焦型集热器长6m,在集热器的轴心上有管路通过，经过管路中的水 发生相变过程，同样对于一定集热面积的线 聚焦型集热器，在北京地区日平均太阳辐射 照度下，线聚焦型集热器的热力计算过程如 下：线聚焦型集热器对光线有聚

20、集作用，设 其聚光比CR=20线聚焦型集热器的集热效 率 Y t=0.8 O式中：下标t表示线聚焦集热器；集热面积 At=27 l Lt ; At=12 兀 m2 由公式Qt=IcAt r t得：线聚焦型集热器收集的集热量：Qt=0.583x12 7tx0.8=17.574 kJ/sQ t = CRQt =20 x17.574=351.480 kJ/s水在100 c时汽化，取汽化点 MA t2m=tm-t2=100-20.225=79.775 C再由 Q2m=CpA 12m得：k= Q2m/Q t =266.768 / 351.480=0.759OM=KL2=0.759x6=4.554 mMP

21、=(1-K)L2 = 0.241x6=1.446m由连续性方程得：Vt=GMA T=0.000 8 / (兀/4)x0.0254 2=1.568 m/s水经过线聚焦型集热器用时：TM=MP/Vt=1.446/1.568=0.922sC水蒸气=1.381 Kj/(kg K)Qm3=Cp蒸气 mA tm3A tm3= Qm3/Cp水蒸气 m=84.712/(l.38lxO.8)=76. 676 C/sAtm3 = Atm3Tm3=0. 922X 76.676=70.695 Ct3=170.695 C经过二级集热器的水已经变成水蒸气， 即在这一级集热器中，水由液态变为气态， 剧烈的温度与压力变化在此

22、发生，因此通过线聚焦型集热器的管路要求有较高的刚度，此时的出口温度约为170.7 C。Q2m=4.18x0.8x79.775=266.768 kJ/s太阳能的热利用点聚焦型集热器热力计算设计采用的点聚焦型集热器的集热面积为5吊，在集热器的轴心上有接收器，在接 收器中设盘管，盘管管长由计算决定，在盘管中的水全部处于气体状态，同样对于一定集热面积的点聚焦型集热器，在北京地区日 平均太阳辐射照度下，点聚焦型集热器的热 力计算过程如下：点聚焦型集热器对光线的聚集作用强于线聚焦型集热器，设其聚光比CR=100点聚焦型集热器的集热效率刀d-0. 75（下标d表示点聚焦型集热器）。集热面积Ad-5 m2 由

23、Qd-IcAd刀d得：点聚焦型集热器收集的集热量：Qd-0.583x5x0.75-2.186 kJ/s ;Qd-CRQd-100 x2.186-218.6 kJ/s ;再由Qd-Cp水蒸气nnA t34得：At34-Qd/Cp 水蒸气 m-8218.6/（1.381X 0.8）-197.86 C/s；假设 A t34 - A t34T34-230 C水经过点聚焦型集热器用时为：T34- A t34 / At34-230/197.86-1.162 s点聚焦型集热器的接收器内采用盘管进行换热，设盘管直径d3-20mmh连续性方程得：Vd-Gv/A d-0.0008/（兀/4）x0.022-2.54

24、8 m /s接收器中盘管的管长：L d-VdT34-2.548x1.162-3.000m由此可知 t4-t3+ At34-170.695+230-400.695 CQ总-Qv+Q t+Q d-0.537+351.480+281.6-570.617kJ/s经计算接收器中的盘管长度为3m出口温度名勺为400.7 C,三级集热器总共收集的 热量为570.6 KJ 。综上可知：最后求得的温度和热流量能 够满足中高温范畴。通过将真空管集热器、 线聚焦型集热器和点聚焦型集热器组合起 来使用，可以得到较高的温度和热流量，便 于将热量储存起来，满足采暖、热水供应、 烹饪等日常需要，也可以用于工业。本文设 计了

25、太阳能多级加热系统，独创性地把真空 管太阳能集热器、线聚焦型太阳能集热器和 点聚焦型太阳能集热器组合起来，产生高温蒸汽。这是我们在太阳能中高温热利用方面 的一个尝试，旨在有效解决人口非密集地区 的能源供给问题。多级加热系统有以下优点：1）集热效率高多级加热系统中，介质在各级加热装置 内依次提高温度，各级间为一加热断点，而 不是在单级系统中连续被加热。由于不同的加热装置对介质的加热效果有所不同，例如真空管式太阳能集热器， 进入介质的温度为太阳能的热利用常温下的温度，出口处的最高温度不高于120 C,如果介质入口温度为100C,真空管 式集热器的集热效率就几乎为零。而线聚焦 型太阳能集热器可以在 300-400 C的高温