太阳能利用及构造

第十七章：

太阳能利用

王川20112024

历史与现状典型实例被动式太阳能技术利用主动式太阳能技术利用太阳能光电技术人类利用太阳能已有3000多年的历史。传说阿基米德曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。历史

近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。

在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。第一阶段（1900-1920）起步第二阶段（1920-1945）低潮第三阶段（1945-1965）发展第四阶段（1965-1973）停滞不前第五阶段（1973-1980）大发展第六阶段（1980-1992）再次停滞第七阶段（1992-至今）走出低谷20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段，下面分别予以介绍。第一阶段(1900-1920)

在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。

1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率7.36kW。1902-1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质。1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2

第二阶段（1920-1945）

在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。第三阶段（1945-1965）

在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。

在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：

1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件

1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。

1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。

1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。

在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。第四阶段(1965-1973）

这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

第五阶段（1973-1980）自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素。1973年10月爆发中东战争引起“石油危机”.

这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热.这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：

、各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。、研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。、各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。、太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想第六阶段（1980-1992）

格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发

70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。原因：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。第七阶段（1992-至今）

由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。现状

七十年代以来，特别是进入九十年代，迫于能源与环保的双重压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会发前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到本世纪中叶可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上。未来世界能源结构变化与预测

光伏产业市场将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界发电量的15%-20%。光伏工业发展的特点是：产量增加，转换效率提高，成本降低，应用领域不断扩大。目前，世界太阳能电池年产量已超过150MW，太阳能电池的平均效率为15%，最高已接近30%。光伏系统电价成本已接近11美分/千瓦时。

太阳能光伏技术发展现状：生产量MW安装量/KW太阳能光热技术发展现状：太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。1998年世界太阳能热水器的总保有量约5400万平方米。按照人均使用太阳能热水器面积，塞浦路斯和以色列居世界一、二位，分别为1平方米／人和O．7平方米／人。日本有2O％的家庭使用太阳能热水器，以色列有80％的家庭使用太阳能热水器。20多年来，太阳能热水器在我国得到了快速发展和推广应用。7O年代后期开始开发家用热水器。目前全国有5OO多个热水器生产厂家，1998年的产量约400万平方米，总安装量约1400万平方米，产量及销量均占世界第一位。

德国的太阳能建筑(乡村或别墅利用）32户,3826m2,连接到区域热网外围护结构:0.11KW/(m2);

三层玻璃

0.83KW/(m2)机械通风热回收>80%区域供热

15kWh/(m2a)国内外太阳利用的典型案例太阳能建筑在瑞典20户2400m2，纬度57.4oN维护结构:48cm(0.1KW/m2)，地板25cm.三层玻璃

0.85KW/m25m2

太阳能集热通风热回收80%区域供热

900Welec.与风力发电厂相连

国内外太阳利用的典型案例太阳能建筑-西班牙巴塞罗那3000m2，自然采光，围护结构

0.45KW/m2

10kWp

光电利用,24m2

光热利用自然通风溴化锂除湿天花板/内墙辐射制冷雨水收集国内外太阳利用的典型案例国内外太阳利用的典型案例中德合作太阳能建筑——建筑技术与建筑艺术的结合集热管镶嵌在波浪型的屋顶飘板上遮阳功能的太阳能电池板可旋转的太阳能电池板中-荷合作太阳能建筑—综合解决方案TheSolarInternationalCommunicationCenter太阳能国际交流中心国内外太阳利用的典型案例上海世博会中华馆国内外太阳利用的典型案例中国馆的60.6米观景平台四周挑檐的中央部位采用双面透光中空双玻单晶硅组件，每边88块，共352块，铺设面积约1000平方米，使太阳电池组件成为整体建筑中不可分割的建筑构件和建筑材料。上海世博会光伏发电项目并网中国馆312KWP主题馆2825KWP城市未来馆520KWP世博中心1004KWP合计4661KWP离网：日本、比利时、瑞士、伦敦零碳馆、马德里馆、阿尔萨斯馆、汉堡馆、通信馆、沪上生态家等。国内外太阳利用的典型案例上海世博会主题馆国内外太阳利用的典型案例主题馆将主要反映当今世界快速城市化和城市人口加速增长背景下的地球、城市、人三者之间的关联和互动。该建筑291米×220米的巨大屋面为太阳能光伏发电系统的规模化应用提供了天然的场址条件。工程采用光伏建筑一体化设计，结合菱形屋面造型结构，建设太阳能光伏发电系统，将重点展示太阳能光伏发电系统的规模化应用和建筑一体化的设计理念。上海世博会城市未来馆国内外太阳利用的典型案例上海世博会国内外太阳利用的典型案例上海世博会太阳能利用样板房国内外太阳利用的典型案例上海世博会光热利用世博中心：太阳能热水系统世博村：分体式间接换热热水器上海企业联合馆：低温热水发电系统中国过馆：中高温聚光型集热器马德里馆：太阳能吸收式空调系统国内外太阳利用的典型案例被动式太阳能是指不借助风扇、泵和复杂的控制系统而对太阳能进行收集、储藏和再分配的系统。这种功能建立在对建筑设计的综合研究之上，那些建筑的基本要素，如窗、墙、楼板等都尽可能地负担着各种不同的功能。例如，墙不仅起支撑屋顶和围护的作用，还负担着热能的储存和释放作用。每一个被动式太阳能采暖系统至少要有两个构成要素：朝南的玻璃采集器和通常由砌块、岩石或水等保温材料组成的能量储存构件。根据这两个要素之间的关系，被动式太阳能系统主要的几种形式有：直接获取系统、图洛姆(Trombe)保温墙、太阳室、屋顶水池、现代园艺温室等。

被动式太阳能水墙

水的比热是4.18X103J/(kg·K)，其他一般建筑材料如砖，混凝土，土坯，木材等比热都在水的比热的1/5左右，故用同质量的水贮热比其他材料贮存的热量多，反过来要贮存一定的热量，所用水比其他材料重量轻，这就是引起人们研究，发展水墙的主要原因。发展水墙的原因何在？水墙太阳能房示意图如图是早在20世纪70年代美国stevebear住房试验的水墙太阳能房。水盛于钢桶内，外表有黑色吸热层，放在向阳单层玻璃窗后。玻璃窗外设有隔热盖板，冬季白天放平可作为反射板，将太阳辐射能反射到钢桶水墙上去，增加吸收热，冬夜则关上，减少热损失。夏季则相反，白天关上以减少进热，晚上打开，以便向外辐射降温。关于水墙的尺寸，颜色及材料的选择：

1.尺寸：一般水墙的容积可按太阳房的窗的玻璃面积乘以30cm左右来进行估算。

2.颜色：水墙容器表面的颜色以黑色最好，蓝色和红色容器的吸热能力比黑色容器分别少5%---9%。

3.材料一般可用金属和玻璃钢制成。容器表面常做成螺纹的圆柱体，以增加刚度。水幕太阳能墙:摆脱对空调的依赖

画面左侧为设置了循环流水系统的玻璃外墙，右侧为太阳能外墙，墙上铺满鲜花和绿植

世博园阿尔萨斯案例馆的水幕玻璃

位于浦西世博园“城市最佳实践区”一角的阿尔萨斯案例馆，被青枝绿叶覆盖着，但这栋建筑最新奇的不是绿墙，而是“水幕太阳能墙”。“墙体”包括三个层面，外层为太阳能电板和第一层玻璃，中间层为密闭舱，第三层为水幕玻璃。水幕太阳能墙向世人展示了一种建筑本身具有的气候调节机制，尤其适用于冬冷夏热的地区。阿尔萨斯案例的原型是法国阿尔萨斯布克斯韦尔中学的太阳墙，在当地主要应用于冬季供暖。但考虑到上海夏季高温潮湿的气候特点，这一走进“城市最佳实践区”的案例又增添了夏季功能。太阳能水幕墙夏天运行时，密闭舱会打开。密闭舱中的空气和沿着立面往下流的水幕相连，加上太阳能墙产生的阴影，起到给建筑降温的效果。利用太阳能水幕墙的原理，可以在夏季有效降低室内温度，在冬季补充室内温度，极大地降低对空调的依赖。常规空调是不是不够绿色环保？能否让建筑具有自动调温功能？在2010年上海世博会上，来自法国阿尔萨斯的案例给出了一个肯定的答案。充水墙前面讲的水墙是用钢桶或钢管或塑料管盛水作为储热物质，与现砌特朗伯墙比，其优点是，第一次投资减少，体积一定时储热容量较多，同时，采用较大的体积可能提高太阳能对年需热量供应的百分比。缺点是维修费较高，向墙内侧传热的延迟性较小，这是由于水有对流的缘故，致使室内温度较实心墙体时波动更大。为了获取实心墙与冲水墙两者的优点，研究人员进行了大量试验。最终确定采用总尺寸为1200mm×2400mm×250mm的混凝土水箱，箱壁厚为50mm，水盛在箱内密封塑料袋内，这种水墙称为特朗伯墙。有的设计者认为，将来这种墙应再厚些增大储热量，以便在长时阴云天气时保持墙体温度。能适合这种设想的一种做法是，采用预制混凝土空心板作为载水墙，水就盛在装于板空腔内的薄塑料管里。有一种空腔直径250mm，厚300mm的板，差不多占墙体积的一般都是水，与实心混凝土墙比，储热容量增加了约50%，比用混凝土墙空腔造价要少，又由于断面50%是混凝土，故比金属管冲水墙传热过墙的时间延迟较长，墙内侧温度波动较小。由于储热容量增大，就能从太阳能获取更多需要的热量。这种设想还需从技术和经济两方面进一步研究，混凝土技术方面可能存在的问题是，外侧表面与其相邻的混凝土——水内表面之间会产生较陡的温度梯度，最大温度可能达到33度。总之这种设想很值得进一步研究。附加阳光间

附加阳光间属一种多功能的房间，除了可作为一种集热设施外，还可以用来作为休息、娱乐、养花、养鱼等的空间，是寒冬季节让人们有如置身于大自然中的一种室内环境，也是为其毗连的房间供热的一种有效设施。利用附加阳光间获得太阳能附加阳光间除最好能在墙面全部设置玻璃外，还应在毗连主房坡顶部分加设倾斜的玻璃。这样做可以大大增加集热量，但倾斜部分的玻璃擦洗比较困难。另外，当夏季时，如无适当的隔热措施，阳光间内的气温往往将变得过高。当冬季时，由于玻璃墙的保温能力非常差，如无适当的附加保温设施，则日落后的室内气温将会大幅度地下降。以上这些问题，必须在设计之前充分考虑，并应提出解决这些问题的具体措施。附加阳光间有以下优点：①有附加阳光间的年度热损失只相当于无该阳光间的年度热损失的一半；②附加阳光间的管理比特朗伯墙简单；③可以种花卉、果树，成为毗连种植温室，同时还可晒衣物；④开阔视野，舒畅心情；⑤夏季可开创通风，并设窗帘等遮阳物，防止直射热。我们针对北方农村民居使用火炕采暖的传统生活习惯，设计了一种新型太阳炕系统。利用太阳能低温地板辐射采暖技术改造传统火炕。在保持传统火炕风貌的同时，进一步提高了采暖舒适度，消除了传统火炕固有的一些缺陷，赋予了其新的内涵，形成了一套太阳能采暖、热水双联供系统。是一次利用新技术对传统做法进行承扬的新探索。太阳炕系统《人居，生态，旅游》获得技术专项奖。对传统火坑进行了创新的改造，创造了太阳坑这种农村新型采暖方式，受到了专家的一致好评。人居，生态，旅游传统火炕一般将火炕与灶台相连，以植物秸秆，茅草及少量的煤为燃料，通过与炕相连的灶炊事产生的高温烟气引导到烟道中来加热炕体，使炕表面温度升高，以整个炕面作为散热面均匀地向室内辐射热量而达到取暖效果。随后，烟气从设于炕体另一端的烟囱口排出。传统火炕构造简单，施工方便，采暖效果好，深受人们的欢迎，是一种非常符合养生学的生态建筑做法。太阳炕透视图结合现代的地板辐射采暖技术对传统火炕形式进行再创新。太阳能低温地板辐射采暖是一种以可再生能源---------太阳能作为热源，通过敷设于地板中的盘管加热地板，利用辐射和对流对房间进行供暖的新型太阳能采暖系统。因此，传统的火炕建造理念与太阳能低温地板辐射采暖技术结合，由太阳能作为主要能源，辅以沼气等其他辅助能源，在保留传统火炕采暖舒适性好等优点的同时彻底克服了其存在的缺点，并增加了生活热水供应等新的功能，形成了一种新型的采暖系统-----太阳炕系统。太阳炕构造示意图太阳炕是太阳炕系统的核心部件，由于太阳炕与低温地板辐射采暖的设计原理相似，因此我们在低温地板辐射采暖构造的基础上，结合传统火炕的特点，进行太阳炕的构造设计。太阳炕下部架空，可避免传统火炕因下部落地引起大量热量向地面的散失以及地面寒气的上升，同时可以作为储藏空间使用。结构层由传统火炕的土坯改成混凝土预制板，一方面增加了结构层的强度及耐久性，另一方面也大大减少了施工量节约了时间。在混凝土预制板上部，设有聚苯乙烯保温层和锡箔反射层，主要作用是加强太阳炕的保温性能，使热量尽量向炕面方向辐射。太阳炕的发热构件热水盘管敷设在结构层中。结构层采用泡沫水泥植物纤维复合板，该板是一种新型围护结构保温材料，在农村就地取材即可预制，也可现场发泡。因此，安装时可采用现场发泡的方式将太阳能热水管固定结构层中，施工速度快，保温蓄热效果好。主动式太阳能利用太阳能热水系统早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。太阳热水器太阳热水器于1920年代即流行于美国的西南部地区。随着石油和电力价格的上升，更有效率的“太阳能热水器”和“太阳能热暖器”亦随之产生。在澳洲、日本、以色列、和前苏联于1970年代就已是普遍的使用。于美国北部，每平方公尺的太阳能热接收器，每六个月可节省30.5公升的热气用的汽油，或是215千瓦小时的电力。太阳能热水器太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式。其特点是水在集热器中不流动，闷在其中受热升温，结构简单，当水升温到一定值时即可放水使用。直流式。由集热器、蓄热水箱和相应的管道组成。水在其中不循环，一般水的流量比较小。循环式。这是应用最广泛的热水器。又分为自然循环和强迫循环。

太阳能采暖太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，因此它又称为被动式太阳房。

太阳能热水器安装位置最佳朝向是正南，偏差允许在±10度以内，有利于集热器表面上的太阳辐射度。热水设备多安装在屋顶上，不受建筑物和树木遮挡，并尽可能选择避风处或采取防风措施。集热器和建筑物要连接牢固。多排集热器前后布置时，前后间距可按照集热器安装高度0.85倍考虑。安装位置也可在南向阳台或南墙面。这样安装，优点是：维修方便。缺点是：管道远离厨房、卫生间，必须穿越整个居室；集热器大小受限制；集热器易受上层跌落物影响；低层住