建筑能源应用技术-课件 第3、4章 地热能利用技术、太阳能利用技术

第3章

地热能利用技术本章核心本章重点介绍地热能在能源领域中的利用技术0102学习目标1了解地热能的基础知识；2熟悉地源热泵的工作原理；3掌握土壤源热泵机组和水源热泵机组在建筑中的应用原理和形式。第3章地热能利用技术03本章主要内容•3.1地热能及其分类：认识地温变化与五类地热资源。•3.2地热能的梯级利用：理解按温度品位逐级利用的原理和形式。•3.3地源热泵供热空调系统：分别学习土壤源和水源热泵的原理、形式、勘察与运行。•3.4地热发电：比较蒸汽地热发电与地热水发电。第3章地热能利用技术04什么是地热能•地热能是来自地球内部的热能。它以地下热水、蒸汽、热岩体等形式存在，可用于供热、供冷、发电以及其他生产生活过程。•在建筑能源应用中，地热能既可以直接作为热源，也可以作为热泵系统的低位热源或低位热汇。•选择利用方式时，应先识别资源类型和温度品位，再考虑换热条件、建筑负荷与运行需求。第3章地热能利用技术05地热能利用的基本特点•地热能不直接受昼夜和短期天气变化影响，具有相对稳定的供能条件。•地热资源分布具有地域性，不同地区的温度、埋深、储量和介质条件不同。•开发利用涉及地下换热、取水回灌、设备运行与环境影响等工程问题，不能只比较能源温度。•本章从资源分类进入，逐步过渡到建筑供热空调系统和地热发电。课堂提示：稳定性是优势，资源条件与工程约束决定可用方式。第3章地热能利用技术063.1地热能及其分类本节先认识地温变化，再按照地热流体或热储特征区分蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型地热资源。分类的目的，是为后续梯级利用和系统选型建立基础。本节学习路径：地温变化规律→资源类型→建筑利用关注点第3章地热能利用技术073.1.1地温纵向变化规律•本节以纬度和地表温度差异说明地温背景：不同纬度地区接受太阳辐射和地表热交换条件不同，地表温度存在差别。•工程判断地热条件时，还需要关注地下温度随深度的变化以及当地地质条件。第3章地热能利用技术08影响地温背景的条件：•纬度变化会影响太阳辐射条件和地表平均温度，从而形成不同地区的地温背景。•地表覆盖、气候和地下介质条件会影响热量向地下传递的过程。•在地源热泵工程中，不能用单一地区的经验温度代替项目所在地的实测或调查数据。3.1.1地温纵向变化规律第3章地热能利用技术09地热资源的五种类型蒸汽型地热资源：地下以蒸汽为主要热载体热水型地热资源：地下热水储存并携带热量地压型地热资源：热水处于较高压力条件干热岩型地热资源：热量主要储存在高温岩体中岩浆型地热资源：与高温熔融岩浆有关提示：蒸汽型和热水型通常合称水热型地热资源。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术10蒸汽型地热资源•蒸汽型地热资源以地下蒸汽为主要介质，温度品位较高。•蒸汽经井口采出后，可直接或经处理后用于驱动汽轮机发电。•该类资源对地质储层、蒸汽品质、采出条件及环境控制要求较高。•建筑能源应用中通常把它作为高温资源认识，而不是常规浅层热泵的直接对象。提示：蒸汽型资源的主要利用方向是高温利用和发电。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术11热水型地热资源•热水型地热资源以地下热水为热载体，可根据温度用于发电、供热、洗浴、农业等。•热水型资源按温度分级，并以不同温度对应不同利用方式。•利用地下热水时，应同时考虑水量、水温、水质、取水与回灌条件。•建筑供热可采用直接利用或通过换热器间接利用。地热田按照储热温度的高低可以分为：“高温（＞150℃）、中温（90～150℃）、低温＜（90℃）”。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术12地压型地热资源•地压型地热资源中的热水处于高压条件，可能同时含有热能、压力能和溶解气体。•开发时不仅要评价温度，还要评价压力、流体成分、储层条件和安全控制要求。•其利用过程通常比一般热水型资源复杂，需要与具体地质条件相匹配。课堂提示：资源评价必须同时关注热、压、流体与储层。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术13干热岩型地热资源•干热岩型资源的热量主要储存在高温、低渗透岩体中。•利用思路是通过人工形成或利用已有裂隙，使循环流体与热岩体换热，再把热量带到地面。•工程可行性取决于岩体温度、埋深、裂隙条件、循环流体和长期换热能力。课堂提示：干热岩利用的关键是建立可控、可持续的地下换热通道。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术14岩浆型地热资源•岩浆型地热资源与地下高温熔融岩浆有关，温度极高。•其热能品位高，但受埋深、地质活动和工程可达性限制。课堂提示：高温并不等于易开发，工程可达性是基本约束。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术15水热型与岩体型资源的认识重点水热型•蒸汽或热水既是热源，也是热量输运介质。•重点评价温度、流量、压力、水质与回灌。•蒸汽型和热水型可统称水热型资源。岩体型•热量主要储存在干热岩或岩浆相关高温岩体中。•重点评价埋深、温度、裂隙及工程可达性。•通常需要建立人工或天然换热通道。课堂提示：资源类型不同，地面系统与地下工程条件也不同。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术163.2地热能的梯级利用不同温度的地热资源具有不同做功能力。梯级利用就是让高品位热能先承担高温需求，再把剩余热量依次用于较低温度需求，以减少能量品位损失。本节学习路径：温度品位→梯级原理→利用形式第3章地热能利用技术17梯级利用的含义•梯级利用依据能量温度品位安排用途，使高温资源优先用于发电、工业等高温需求。•高温利用后的余热仍可用于供暖、生活热水、农业和其他低温过程。•同一地热资源通过多级换热和分级用户，可以提高综合利用程度。•系统设计需要协调各级温度、流量、负荷和运行时间。课堂提示：梯级利用的核心不是“多用一次”，而是“按品位有序使用”。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术18地热能的梯级利用范围图3.1地热能梯级利用范围•图中按地热温度划分利用层级，高温端可用于发电、烘干和采暖。•温度逐步降低后，可继续用于医疗、洗浴、温室、养殖、农灌以及制冷、供热等。•箭头表示能量由高品位向低品位逐级利用。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术19高温地热能：150℃以上•150℃以上为高温利用层级。•该温度范围可优先用于发电等高品位需求，随后再利用排出热量。•是否能够发电还取决于介质状态、流量、压力以及发电系统形式。课堂提示：温度是重要依据，但不是判断发电可行性的唯一条件。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术20中温地热能：70～150℃•70～150℃为中温利用层级。•该温度范围可用于工业用热、供暖，也可结合具体条件选择发电或其他利用方式。•设计时应把供水温度与用户所需温度匹配，并保留后续低温利用空间。课堂提示：先满足温度要求较高的用户，再连接低温用户。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术21浅层低温地热能：20～70℃•20～70℃地热能可直接或通过换热用于供暖、生活热水、医疗、洗浴和农业。•当资源温度不足以直接满足末端要求时，可与热泵或辅助热源结合。•利用方式应同步考虑水质、换热器、管网和回灌。课堂提示：建筑供热要同时匹配资源温度、末端温度和运行方式。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术22超低温地热能：0～20℃•0～20℃地热能温度品位较低，通常不能直接满足建筑供热温度要求。•它可作为热泵系统的低位热源，冬季从土壤或水体取热，夏季向环境放热。•这一温度层级是后续地源热泵供热空调系统的主要学习对象。课堂提示：低温资源通过热泵提升温度后进入建筑供热系统。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术23梯级利用原理•地热流体先进入温度要求最高的利用环节，完成换热后温度下降。•降温后的流体继续进入下一温度等级的用户，形成串联或分级供能。•每一级的出口温度应满足下一级入口要求，同时保证流量和运行稳定性。•末端余热利用后，流体按工程要求处理或回灌。课堂提示：设计主线是入口温度—用户需求—出口温度的连续匹配。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术24从高品位到低品位的梯级利用：•高温段优先承担发电或工业过程，使能量的高品位部分得到利用。•中温段可承担建筑供暖、生活热水或农业生产。•低温段仍可通过热泵继续提取热量，降低排放温度。•分级利用能够扩大同一资源的服务对象，但也增加系统协调要求。课堂提示：每一级都应说明“谁用、需要多高温度、用后还剩多少”。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术25地热能梯级利用示意图3.2地热能梯级利用示意•图示把地热资源与不同温度需求的用户串联起来。•地热流体经过一级用户后仍保有热量，可继续为下一级用户供能。•热泵等设备可在低温段提升可用温度，延伸利用链。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术26多能互补与梯级利用•当地热能不能独立满足全年负荷时，可与其他能源或辅助设备共同供能。•辅助能源用于补充峰值负荷、提高供水温度或保障异常工况。•多能互补不改变梯级原则，各能源仍应按温度与负荷特征合理分工。课堂提示：辅助能源承担补峰与保障，地热资源承担适宜的基础负荷。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术27系统设计与运行控制•设计阶段应核对资源温度、可利用流量、各级负荷和末端温度。•运行阶段应根据实际负荷调节流量和设备启停，避免高温资源直接用于低温需求。•各级用户运行时间不同，需要设置旁通、调节和必要的蓄能或辅助措施。•监测进出口温度和流量，才能判断梯级利用是否按设计运行。课堂提示：梯级系统既是换热网络，也是需要协调的运行系统。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术283.2.2梯级利用的主要形式•地热发电：利用高温蒸汽或地热水转换为电能。•工业利用：为烘干、加工等过程提供热量。•供热与制冷：直接换热或结合热泵服务建筑。•农业及其他利用：温室、养殖、农灌、医疗、洗浴等。课堂提示：同一资源可以连接多种用途，关键是温度顺序和负荷衔接。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术29地热发电•高温地热资源可用于驱动发电装置，把地热能转换为机械能和电能。•发电后的排汽或地热水仍可能具有较高温度，可继续用于供热等。•因此，发电常位于梯级利用链的上游。课堂提示：发电后的余热不是废热，可进入后续利用层级。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术30工业利用•工业用户通常具有明确的工艺温度要求。•地热流体可直接或通过换热器向烘干、加工等过程供热。•采用间接换热可以隔离地热流体与工艺介质，便于控制水质和腐蚀。课堂提示：工业利用必须先满足工艺温度和介质安全要求。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术31供热与制冷•中低温地热能可为建筑供暖、生活热水和部分制冷过程提供能源。•资源温度足够时可直接换热供热；温度较低时可通过热泵提升。•夏季地源热泵可把建筑热量转移到土壤或水体，实现供冷。课堂提示：直接利用与热泵利用的区别在于是否需要温度提升。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术32农业及其他利用•农业利用包括温室、养殖和农灌等，通常位于较低温度层级。•医疗、洗浴和矿泉饮用等用途还需满足相应的水质和卫生要求。•梯级利用末端仍应考虑流体处理、环境影响与回灌。课堂提示：低温用途扩大了资源利用范围，但不能忽略水质与环境约束。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术333.3地源热泵供热空调系统地源热泵以土壤、地表水或地下水作为低位热源或热汇，通过热泵循环向建筑供热或供冷。本节分别讲授土壤源热泵和水源热泵。本节学习路径：系统原理→影响因素→系统形式→工程勘察→运行方式第3章地热能利用技术34地源热泵的作用与类型•冬季，热泵从土壤或水体吸收低位热量，并把温度提升后向建筑供热。•夏季，系统从建筑吸热，并把热量排向土壤或水体。•按换热对象可分为土壤源热泵和水源热泵；水源又可包括地表水和地下水。•系统性能取决于热泵机组、地下或水侧换热条件以及建筑负荷。课堂提示：地源并不直接等于供热温度，热泵完成温度提升。3.3地源热泵供热空调系统第3章地热能利用技术353.3.1土壤源热泵系统供冷供热•土壤源热泵通过埋地换热器与土壤交换热量。•换热器内循环介质与土壤不直接混合，形成封闭循环。•夏季土壤作为热汇，冬季土壤作为热源。•埋管形式、土壤热物性和长期冷热平衡共同影响系统运行。课堂提示：理解土壤源热泵，要沿着“建筑—热泵—埋管—土壤”追踪热量。第3章地热能利用技术36夏季供冷原理图3.3土壤源热泵系统夏季供冷原理•热泵从建筑侧吸收热量，使室内或空调水系统降温。•压缩机驱动制冷剂循环，把吸收的热量提升到可向土壤释放的温度水平。•埋地换热器把冷凝侧热量传给土壤。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术37冬季供热原理图3.4土壤源热泵系统冬季供热原理•埋地换热器从土壤吸收低位热量。•制冷剂经蒸发、压缩、冷凝和节流完成热泵循环。•冷凝侧把提升后的热量传给建筑供热系统。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术38夏季供冷与冬季供热的热量路径夏季供冷•建筑是热源，土壤是热汇。•热量由建筑经热泵排向土壤。•关注土壤散热能力和冷凝温度。冬季供热•土壤是低位热源，建筑是用热端。•热量由土壤经热泵送入建筑。•关注土壤取热能力和蒸发温度。课堂提示：季节切换改变热量方向，热泵仍负责在两个温度水平之间搬运热量。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术39影响性能：土壤温度与含水率•土壤温度决定埋管周围可利用的温差，是换热能力的重要基础。•含水率会影响土壤的热传导和热容量，湿润土壤通常具有不同于干燥土壤的换热特性。•地下水运动也可能改变热量扩散过程。•项目设计应采用场地调查和测试结果。课堂提示：土壤不是恒温热库，其状态会随季节和运行累积而变化。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术40影响性能：导热系数与建筑负荷•土壤导热系数影响热量从埋管向远处扩散的能力。•建筑冷热负荷决定系统每小时和每个季节需要交换的热量。•若长期排热与取热不平衡，土壤温度可能逐年偏移，影响机组效率。•因此埋管规模不能只按机组容量确定，还要结合全年负荷。课堂提示：设计对象是全年热量平衡，而不只是某一时刻的峰值。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术41土壤源热泵系统形式图3.5土壤源热泵系统形式•按埋管布置将系统分为水平式和垂直式。•水平式埋管埋深较浅、占地较大；垂直式通过钻孔向地下布置换热管。•选择形式时应比较场地、地质、施工和换热需求。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术42水平式土壤源热泵•水平埋管通常在较浅土层中展开，可采用不同的管道排列形式。•其施工相对直观，但需要较大的可开挖场地。•浅层土温更容易受地表气候和覆盖条件影响。•设计时应保护管道、控制埋深并避免与其他地下设施冲突。课堂提示：水平式的主要约束是场地面积与浅层土温波动。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术43水平式的优势与限制•优势：钻孔需求较少，适合有足够室外场地的项目。•限制：占地较大，土方工程和地表恢复工作量明显。•运行效果受土壤条件、埋深、管间距和地表环境影响。•不能仅凭“施工简单”判断其适用性。课堂提示：场地可用面积是水平式方案的先决条件。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术44垂直式土壤源热泵图3.6垂直式土壤源热泵系统•垂直埋管通过钻孔进入较深土层，在有限地面面积上获得较大换热长度。•钻孔内换热管与回填材料共同形成地下换热通道。•设计需确定钻孔深度、间距、数量和连接方式。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术45垂直式的优势与限制•优势：占地较小，深层土温相对稳定，适合场地受限的建筑项目。•限制：钻孔和回填质量要求高，初投资及地质风险需要评估。•钻孔间距不足会造成热干扰，影响长期换热能力。•施工完成后地下部分难以检修，因此前期勘察和质量控制非常重要。课堂提示：垂直式以钻孔质量换取场地效率。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术46工程勘察的目的•工程勘察用于了解场地土层、地下水条件、岩土热物性和施工条件。•勘察结果为埋管形式、钻孔深度、间距和数量提供依据。•对于规模较大的项目，可进行岩土热响应试验，获得场地实测换热参数。•勘察不是附加工作，而是系统设计的输入条件。没有可靠场地参数，埋管规模和长期性能都难以判断。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术47岩土热响应试验图3.7岩土热响应测试仪•测试仪向试验钻孔施加稳定热量，并记录循环介质进出口温度、流量等数据。•通过测试数据可分析岩土综合导热能力和钻孔换热特征。•这些参数用于校核埋管设计。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术48取样与实验室分析•首先根据场地条件布置勘察点或试验孔，并获取具有代表性的岩土样品。•实验室分析可了解样品的组成、含水状态和相关热物性。•现场记录与样品分析应相互对应，避免用孤立样品代表整个场地。课堂提示：取样解决“地下是什么”，测试解决“实际怎样换热”。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术49数据分析与换热能力评价•整理试验期间的加热功率、流量和进出口温度变化。•分析岩土综合导热能力以及钻孔内换热过程。•结合建筑全年负荷，评估场地可交换与可储存的热量。•评价结果用于确定埋管长度、孔数和运行边界。课堂提示：试验参数只有与建筑负荷结合，才能转化为设计结论。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术50从勘察结果到系统设计•依据实测参数计算单孔或单位管长的换热能力。•根据峰值负荷和全年冷热量确定总换热规模。•校核钻孔间热干扰、长期土温变化和可施工空间。•必要时设置辅助热源、冷却塔或其他调节措施。课堂提示：勘察—计算—校核—辅助措施构成完整设计链。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术51土壤源热泵系统运行图3.8土壤源热泵系统运行示意•运行管理应根据建筑负荷调节热泵机组和埋管回路。•监测土壤侧进出口温度，可以判断换热条件和长期温度变化。•当排热或取热能力不足时，可启用辅助设备。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术52辅助冷却塔的作用•当夏季向土壤排热过多时，可设置冷却塔分担部分排热负荷。•辅助冷却塔可以降低土壤侧温度上升速度，改善机组冷凝条件。•启停应依据负荷、土壤侧温度和运行经济性。•辅助设备不是替代埋管，而是调节全年冷热不平衡。课堂提示：辅助冷却塔主要解决夏季排热偏大的冷热不平衡。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术53间歇运行与分区运行•间歇运行可在建筑低负荷或无人时段减少设备运行。•分区运行使系统只服务有需求的区域，避免全部末端同时开启。•两种方式都需要保证重新启动后的室内环境和设备安全。•控制策略应与建筑使用时间和负荷变化相适应。课堂提示：运行节能来自负荷匹配，而不是简单减少开机时间。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术54负荷跟踪、错峰与优化•机组台数和出力应随实际负荷变化，减少低效运行。•在电网低谷时段运行可实现错峰，但需要建筑蓄热、蓄冷或系统惯性配合。•优化控制应同时考虑室内需求、机组效率、土壤侧温度和电价。•长期运行数据可用于修正控制策略。课堂提示：系统优化是建筑侧、机组侧和地源侧的协同。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术55水源热泵系统•水源热泵以地表水或地下水作为低位热源或热汇。•水体通过直接进入机组或经换热器间接换热，与热泵循环交换热量。•水温相对稳定有利于热泵运行，但水量、水质和取排水条件必须满足要求。•系统形式应结合水源类型和环境管理要求选择。课堂提示：理解水源热泵，要同时追踪水侧流程和制冷剂循环。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术56水源热泵供冷供热原理图3.9水源热泵供冷供热原理•冬季从水体吸热，经热泵提升温度后向建筑供热。•夏季从建筑吸热，再把热量排向水体。•水侧可采用开式取水，也可通过换热器形成间接系统。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术57影响水源热泵性能的因素•水温：决定蒸发或冷凝侧的温差条件。•水量：决定可持续交换的热量规模。•水质：影响结垢、腐蚀、堵塞和设备寿命。•建筑负荷与环境条件：决定系统容量、运行时段及取排水影响。课堂提示：水源稳定并不只指温度稳定，还包括流量和水质可控。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术58水温与水量•适宜且稳定的水温有助于提高热泵运行效率。•可利用流量必须覆盖设计换热需求，并考虑季节变化。•取水温度和回水温度共同决定水侧换热量。•水量不足会导致温差和设备工况偏离设计。课堂提示：水温决定单位流量能交换多少热，水量决定总交换能力。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术59水质、建筑负荷与环境条件•水中的悬浮物、盐分和化学成分可能造成过滤负担、结垢与腐蚀。•建筑负荷决定取热或排热强度及持续时间。•取水和排水应评估对水体温度与生态环境的影响。•必要时采用间接换热，把天然水体与机组水系统隔离。课堂提示：水源热泵设计必须把设备效率与水环境保护同时考虑。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术60水源热泵的系统形式•地表水源热泵利用江、河、湖、海等水体作为热源或热汇。•地下水源热泵通过取水井取水，经换热后再回灌。•地热水直接供热利用水体本身的温度；间接供热通过换热器隔离地热水。•不同形式的调查内容和运行管理要求不同。课堂提示：先识别水源类型，再决定取水、换热和回水方式。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术61地表水源热泵系统图3.10地表水源热泵系统•系统从地表水体取热或向水体排热，为建筑侧热泵提供稳定换热条件。•取水口位置、过滤设施和排水口布置会影响运行。•水体容量及季节水温变化是设计依据。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术62地表水源系统的优势与限制•优势：可利用较大水体的热容量，水侧换热条件较稳定。•限制：取水工程、水质处理、季节水位和环境许可均会影响方案。•取水与排水位置不当可能形成短路，降低换热效果。•湖泊等封闭或半封闭水体还需评价可利用容量。课堂提示：水体“看起来很大”不等于可无限取热或排热。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术63地下水源热泵系统图3.11地下水源热泵系统•地下水经取水井送入换热系统，完成换热后通过回灌井回到含水层。•取水井与回灌井的位置应减少水力和热短路。•系统必须保证取水、换热、回灌过程连续可靠。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术64地下水源系统的优势与限制•优势：地下水温相对稳定，可形成较好的热泵运行条件。•限制：需要适宜的含水层、稳定水量和可实施的回灌条件。•水质问题可能导致井、管道和换热器结垢或堵塞。•长期运行必须监测水位、流量、温度和回灌效果。课堂提示：地下水源方案成立的关键是“可取、可换、可回灌”。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术65地热水直接供热图3.12地热水直接供热系统•当地热水温度和水质满足系统要求时，可直接进入供热利用环节。•直接利用减少中间换热温差，但地热水与设备和管网直接接触。•因此必须关注腐蚀、结垢和卫生条件。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术66地热水间接供热图3.13地热水间接供热系统•地热水先通过换热器把热量传给建筑侧循环水。•间接系统把地热水与建筑管网隔离，便于控制水质影响。•换热器会产生温差和阻力，需要在安全性与效率之间权衡。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术67工程勘察：湖泊容量与水文地质•地表水项目应调查水体面积、深度、有效容量、季节水位和水温。•地下水项目应调查含水层分布、渗透性、水位、水量、水质和回灌条件。•勘察结果用于确定取排水方式、换热规模和环境影响边界。•不能用短期单点水温替代完整水源评价。课堂提示：地表水关注水体容量，地下水关注含水层与回灌。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术68地表水取水运行方式图3.14过滤后取水方式图3.15直接取水方式过滤后取水用于减少杂质进入系统；直接取水流程较短，但对水质和设备耐受性要求更高。实际方式应根据水体杂质、过滤维护、换热器形式和环境要求确定。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术69海水源系统的腐蚀控制•海水含盐量高，对金属设备、管道和换热器具有较强腐蚀作用。•设计应选择适宜的耐腐蚀材料，并减少不同金属直接接触引起的电化学腐蚀。•运行中需要检查过滤、污损、泄漏和防腐措施状态。•材料选择、保护措施和维护必须作为整体考虑。课堂提示：海水源系统的可行性取决于长期耐腐蚀与可维护性。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术70地下水回灌•地下水完成换热后应按工程要求回灌到适宜含水层。•回灌可维持地下水系统平衡，并减少地面排放。•回灌能力受含水层、井结构、水质变化和堵塞影响。•运行中应监测回灌压力、流量、水位和水质。课堂提示：地下水源热泵不是“取水后排放”，回灌是系统组成部分。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术713.4地热发电地热发电把地下热能转换为机械能和电能。教材分别介绍蒸汽地热发电和地热水发电，应沿着介质状态、能量转换过程和设备流程进行比较。本节学习路径：蒸汽地热发电→地热水发电→两类流程比较第3章地热能利用技术72蒸汽地热发电的基本过程•地下蒸汽经生产井采出，并送往发电系统。•蒸汽推动汽轮机旋转，汽轮机带动发电机发电。•排汽经冷凝和处理后形成后续流体流程。•系统还需处理蒸汽中的杂质和不凝性气体。课堂提示：能量转换链：地热能—蒸汽能—机械能—电能。3.4地热发电第3章地热能利用技术73蒸汽地热发电流程图3.16地热蒸汽直接发电示意图•生产井把地下蒸汽输送到地面。•蒸汽进入汽轮机做功并驱动发电机。•排汽经冷凝、处理后进入回灌或其他利用环节。3.4地热发电3.4.1蒸汽地热发电第3章地热能利用技术74地热水发电的基本过程•高温地热水采出后，可通过降压使一部分水闪蒸为蒸汽。•产生的蒸汽进入汽轮机做功，剩余地热水仍可具有利用价值。•地热水发电需要处理分离、换热、结垢、腐蚀和回灌问题。课堂提示：地热水需要先形成可用于发电的蒸汽或工作介质。3.4地热发电3.4.2地热水发电第3章地热能利用技术75地热水发电流程图3.17扩容法地热水发电系统•地热水由生产井输送至地面系统。•经降压或相应转换过程获得可驱动汽轮机的蒸汽。•发电后的流体经处理后回灌或进入后续利用。3.4地热发电3.4.2地热水发电第3章地热能利用技术76两类地热发电方式比较蒸汽地热发电•地下介质以蒸汽为主。•蒸汽可直接进入汽轮机流程。•重点处理蒸汽品质和不凝性气体。地热水发电•地下介质以高温热水为主。•需先闪蒸或通过转换过程获得做功介质。•重点处理分离、结垢、腐蚀和回灌。课堂提示：两者最终都把地热能转化为机械能和电能，但地面介质处理流程不同。3.4地热发电第3章地热能利用技术77本章知识主线•资源层：地热资源包括蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。•利用层：按照温度品位进行发电、工业、建筑供热空调、农业及其他梯级利用。•系统层：土壤源和水源热泵都通过热泵搬运热量，但地下换热形式、勘察内容和运行管理不同。•发电层：蒸汽地热发电与地热水发电的主要差别在于地下介质状态和地面转换过程。课堂提示：回答工程问题时，依次说明资源—原理—系统—勘察—运行。第3章地热能利用技术78思考题1什么是浅层地热能？浅层地热能的开发利用技术有哪些？2地热能在热泵系统中承担什么角色？第3章地热能利用技术第4章太阳能利用技术02学习目标1了解太阳能集热器的分类和各种集热器的特点；2熟悉太阳能制冷技术和太阳能发电技术的工作原理；3掌握太阳能生活热水系统和太阳能主动供暖系统的原理和应用。第4章太阳能利用技术

03本章主要内容4.1太阳能集热器：液态工质集热器、空气集热器及选择4.2太阳能生活热水技术：系统构成、典型系统、控制及建筑一体化4.3主动式太阳能供暖4.4太阳能发电4.5太阳能制冷技术第4章太阳能利用技术

04太阳能利用的两条基本路径•太阳能利用的实质是对太阳辐射能的转换与利用。•热利用包括主动式与被动式；本章重点讲集热器、热水、主动供暖和热驱动制冷。•光电利用通过太阳电池把辐射能转换为电能，并可驱动建筑设备。•太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性，系统通常需要蓄能或辅助能源。先明确转换路径，再认识设备与系统。第4章太阳能利用技术

054.1太阳能集热器太阳能集热器吸收太阳辐射，并把产生的热能传递给液体或空气等传热介质，是太阳能热利用系统的关键部件。学习路径：分类→液态工质集热器→空气集热器→选择第4章太阳能利用技术

06太阳能集热器的分类•按传热工质分为液体工质和空气集热器。•按入射太阳辐射是否改变方向分为聚光型与非聚光型。•按是否跟踪太阳分为跟踪型与非跟踪型；按内部是否有真空空间分为平板型与真空管型。•按工作温度分为低温型＜100℃、中温型100～250℃和高温型＞250℃。建筑热水与供暖通常采用低温、非跟踪、非聚光集热器。4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

07液态工质集热器•液态工质集热器以水或其他液体作为传热介质。•平板型结构简单、吸热面积大，易与建筑结合。•真空管型通过减少对流和传导热损失改善保温性能，并形成多种结构。比较集热器时，应同时看得热、承压、安全和建筑适配性。4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

081）平板型太阳能集热器图4.1平板型太阳能集热器•主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳构成。•太阳辐射穿过盖板，被选择性吸收涂层吸收并转化为热量。•热量传给流道内工质，同时存在传导、对流和辐射热损失。4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

09平板型太阳能集热器的特点：•制作简单，吸热面积大，承压性能较高。•使用寿命长、不易损坏，适合与屋面或墙面一体化。•运行温度升高时，向环境散热增加，集热效率下降。集热器有效输出等于吸收辐射减去各类热损失。4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器1）平板型太阳能集热器第4章太阳能利用技术

102）真空型太阳能集热器图4.2全玻璃真空管集热器•内、外玻璃管之间抽成真空，以减少空气对流和传导热损失。•内管外表面设置选择性吸收涂层，消气剂用于维持真空度。•其保温性能较好，但承压和抗破损能力需要重点考虑。4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器(1）全玻璃真空管集热器第4章太阳能利用技术

来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第4章11（2）热管式真空管集热器图4.3热管式真空管集热器结构示意图•吸热板将热量传给热管蒸发段，热管工质汽化上升。•工质在冷凝段放出潜热，把热量传给集热系统工质。•冷凝液在重力作用下回流，形成连续气—液相变循环。2）真空型太阳能集热器4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

12（3）U形管式真空集热器图4.4U形管式真空集热器结构示意图•吸热翼片与U形管焊接，翼片表面设置选择性涂层。•传热工质从U形管入口进入，吸热后由出口流出。•热效率较高，并可水平安装。2）真空型太阳能集热器4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

13（4）储热式真空集热器图4.5储热式真空集热器结构示意图•主要由吸热管、玻璃管和内插管等构成。•吸热与储热过程在真空管结构中结合。•应用时需要结合用水方式、承压要求和维护条件。2）真空型太阳能集热器4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

14（5）内聚光式真空集热管图4.6内聚光式真空集热管结构示意图•金属镜面反射板位于真空管内部，把大角度入射光汇聚到轴心吸热管。•吸热管可采用热管或同心套管，并设置高温选择性吸收涂层。•其本身属于低聚光的聚焦型集热器。2）真空型太阳能集热器4.1.1太阳能液态工质集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

15太阳能空气集热器：•空气作为传热介质，把集热器吸收的热量输送到使用端。•总体结构与平板型液体集热器类似，包括集热板、透明盖板、隔热层和外壳。•按集热板是否开孔分为无孔集热板型和多孔集热板型。空气不结冻、不腐蚀，但体积热容量较小，需要合理组织气流。4.1.2太阳能空气集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

161）无孔集热板型空气集热器图4.7无孔集热板型太阳能空气集热器•空气可在吸热板正面、背面或两侧流动。•流道可以是单通道或双通道，结构决定空气与吸热板的换热面积。•设计需要平衡换热效果、流动阻力和风机能耗。4.1.2太阳能空气集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

172）多孔集热板型空气集热器图4.8多孔集热板型太阳能空气集热器•多孔网板、蜂窝或多层重叠板首先吸收太阳辐射。•空气穿过孔隙和多层结构，与较大表面积接触并被加热。•增大换热面积的同时，也要控制空气阻力。4.1.2太阳能空气集热器4.1太阳能集热器第4章太阳能利用技术

18（1）集热性能与运行温度：•弱太阳辐射条件下，全玻璃真空管可接收部分散射光，保温优势较明显。•太阳辐射较强时，两层玻璃会增加反射与透射损失。•各类集热器效率均会随运行温度升高而下降。•热管式和U形管式真空管初期效率可达50%～60%。效率数值必须结合测试条件理解。4.1.3太阳能空气集热器的选择4.1太阳能集热器1）太阳能集热器的选择需要考虑的因素第4章太阳能利用技术

19（2）承压能力、寿命与建筑适配•金属管路连接的平板型和金属—玻璃真空管型可用于承压或非承压系统。•全玻璃真空管通常用于非承压系统，并需防止冻裂、空晒后骤然上水炸管。•教材给出平板型使用寿命可达20年，真空管型约15年。•平板型可作为屋面板或墙板，建筑适配性较好。选型不能只比较瞬时效率，还要考虑全寿命和建筑条件。4.1.3太阳能空气集热器的选择4.1太阳能集热器1）太阳能集热器的选择需要考虑的因素第4章太阳能利用技术

20表4.1集热器选型要点平板型•可承压，可靠性高。•中低温热水，适用范围较广。•与建筑适配性好。真空管型•热损失较小，启动较快。•不同结构的承压能力不同。•需关注破管、防冻与维护。综合气候、用水温度、负荷、运行方式、建筑形式与投资成本。4.1.3太阳能空气集热器的选择4.1太阳能集热器1）太阳能集热器的选择第4章太阳能利用技术

214.2太阳能生活热水技术太阳能热水系统把集热器获得的热量送入储水保温水箱，并配置辅助能源和控制系统，向用户提供温度较稳定的生活或生产热水。本节学习路径：构成与分类→典型系统→控制→建筑一体化第4章太阳能利用技术

22•集热器采集太阳热量，循环泵或电磁阀把热量输送到储水箱。•辅助能源在太阳能不足时补充加热，使供水温度满足需求。•系统既可提供热水，也可作为其他太阳能利用形式的热源。太阳能承担可利用部分，辅助能源保障供水质量。4.2太阳能生活热水技术4.2.1太阳能热水系统的构成及分类1）按系统的集热与供热水方式分：•集中-集中供热水系统•集中-分散供热水系统•分散-分散供热水系统第4章太阳能利用技术

23太阳能热水系统组成图4.9太阳能热水系统组成示意图•系统由太阳能集热、供热水、辅助能源、电气与控制等部分组成。•储水箱连接集热侧和用户侧，是热量存储与供水稳定的关键。•控制系统协调循环、补水、辅助加热和安全保护。4.2太阳能生活热水技术4.2.1太阳能热水系统的构成及分类第4章太阳能利用技术

24太阳能热水系统的分类按系统的集热与供热水方式可分为：集中-集中、集中-分散、分散-分散系统按集热系统的运行方式可分为：自然循环系统、强制循环系统、直流式系统按生活热水与集热系统内传热工质的关系可分为：直接系统、间接系统按辅助能源的加热方式可分为：集中辅助加热系统、分散辅助加热系统按集热器类型可分为：平板型太阳能热水系统、真空管型太阳能热水系统真空管型太阳能热水系统又可分为全玻璃真空管型、U形真空管型、热管真空管型按集热器与储水箱的相对位置可分为：分体式系统、紧凑式系统、整体式系统民用建筑中太阳能热水系统的类型选择应结合工程实际情况进行，并符合相关规定。4.2太阳能生活热水技术4.2.1太阳能热水系统的构成及分类第4章太阳能利用技术

251）太阳能自然循环热水系统•集热器受热后，水温升高、密度减小并向上流动。•储水箱中较冷的水下沉进入集热器，形成热虹吸循环。•系统结构简单、运行可靠、无需水泵，但储水箱必须位于集热器上方。课堂提示：自然循环的动力来自温差引起的密度差。4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

26图4.10太阳能自然循环热水系统•热虹吸压头推动水在集热器和储水箱之间循环。•集热器的有用能量不断转移并储存在水箱中。•安装高差和管路阻力会影响循环能力。1）太阳能自然循环热水系统4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

27两种自然循环形式图4.11普通自然循环式系统图4.12自然循环定温放水式系统•普通自然循环依靠集热器与水箱之间的循环储热。•定温放水式在水温达到设定值后，把热水送入供热水箱。•两者均适合家用或中小型热水系统。1）太阳能自然循环热水系统4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

282）太阳能强制循环热水系统•循环泵提供动力，集热器和储水箱的位置布置更灵活。•温差控制器根据集热器出口与水箱底部温差启停循环泵。•可分为直接强制循环和间接强制循环。强制循环用电力换取更灵活的布置与控制。4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

29（1）直接强制循环式系统图4.13直接强制循环式系统•用户用水直接在集热器与储水箱之间循环，不设置换热器。•换热链短、温差损失较小，但水质与防冻问题直接作用于集热回路。•部分系统设置排水箱，用于停泵或故障时排空。2）太阳能强制循环热水系统4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

30图4.14间接强制循环式系统•集热器回路中的传热工质经水箱换热盘管加热用户用水。•用户水不参与集热循环，有利于保证生活热水水质；集热回路还可采用防冻液作为传热介质。•换热器增加温差和热损失，但实现了介质隔离。（2）间接强制循环式系统2）太阳能强制循环热水系统4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

31图4.15两种太阳能直流式热水系统•两种直流式系统：热虹吸型和定温放水型。•与强制循环相比可不设水泵，与自然循环相比水箱可布置在室内。•系统需要可靠的变流量电动阀和控制器，多用于大型热水系统。（3）太阳能直流式热水系统2）太阳能强制循环热水系统4.2.2典型太阳能生活热水系统4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

32太阳能热水控制系统的任务•控制循环泵或电磁阀，使太阳能热量有效进入储水箱。•协调太阳能与常规能源的切换，保证供水温度。•实现防冻、过热、缺水和设备故障等安全保护。•教材介绍温差、光电和定时器三类控制方式。课堂提示：控制目标是安全、可靠、灵活，而不是只让设备运转。4.2.3太阳能热水系统的控制4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

331）温差控制图4.16温差控制强制循环热水系统•集热器出口水温与水箱下部水温达到启动温差时，循环泵开启。•温差降至停止设定值时，循环泵关闭。•停止温差一般为3～4℃。4.2.3太阳能热水系统的控制4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

342）光电控制图4.17光电控制强制循环热水系统•太阳光电池板有辐射时产生直流电并启动水泵。•无太阳辐射时光电输出消失，水泵停止。•光电输出与辐射条件相关，控制关系直观。4.2.3太阳能热水系统的控制4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

353）定时器控制图4.18定时器控制强制循环热水系统•系统按预设时间启停循环泵。•定时控制不能直接感知天气和温差，灵活性较低。•防冻、过热和温度控制应尽可能自动化。4.2.3太阳能热水系统的控制4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

36三类控制方式比较：温差控制•直接反映集热器与水箱的可用温差。•适应天气和储水温度变化。•需要可靠温度传感器。光电与定时控制•光电控制随太阳辐射启动。•定时控制结构简单但对天气适应性弱。•均需结合安全保护。实际系统应优先保证温度控制、防冻与过热保护。4.2.3太阳能热水系统的控制4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

4.2.4太阳能热水系统与建筑一体化设计37建筑一体化设计原则:（1）考虑气候和建筑的使用是否适合太阳能热水系统。太阳能热水系统的节能潜力取决于当地可用的太阳辐射强度、系统使用目的和设计的合理性。（2）进行太阳能热水系统的经济可行性分析。对系统运行成本、预期的节能潜力进行全生命周期成本分析，并与非太阳能热水系统进行比较。（3）确定集热器在建筑物上的合理安装位置，确保集热器能够最大限度的接收太阳辐射，尽量缩短从集热器到储热水箱的距离。（4）尽量避免集热器被附近的建筑物或树木遮挡。（5）集热器的选择还要考虑抵御当地气象条件影响的需求。例如，暴雪、冰雹会破坏集热器的玻璃盖板，因此，可选择淬火玻璃或者钢化玻璃。集热器的支架也要经得住各个方向的风载负荷。（6）集热器要便于清洗。一体化设计同时解决能源、建筑、结构和维护问题。4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

38集热器与建筑界面的处理：•屋面布置应处理支架固定、屋面防水和检修通道。•立面布置应协调窗墙、遮阳与建筑构图。•管线尽量短且保温连续，避免破坏防水层和立面完整性。•储水箱位置应校核结构承载和设备运输条件。“装在建筑上”不等于“与建筑一体化”。4.2.4太阳能热水系统与建筑一体化设计4.2太阳能生活热水技术第4章太阳能利用技术

394.3主动式太阳能供暖主动式系统借助泵或风机输送集热介质，并通过蓄热、末端和辅助能源设备向建筑供暖。本节进一步介绍太阳能热泵供暖。本节学习路径：系统组成→空气/液体集热→太阳能热泵第4章太阳能利用技术

40主动式太阳能供暖系统图4.19主动式太阳能供暖系统示意图•系统由集热、蓄热、末端供暖和辅助能源等部分组成。•集热系统获取太阳热量，蓄热系统调节供需时间差。•末端把热量送入建筑，辅助能源保障连续供暖。4.3主动式太阳能供暖第4章太阳能利用技术

412）液态工质集热器太阳能供暖系统空气集热器太阳能供暖系统以空气为传热介质，以空气集热器为主要集热元件，采用鹅卵石结合建筑围护结构蓄热。末端系统多采用热风供暖系统，也可与常规的散热器供暖系统配合使用。系统一般用于供暖，不供应生活热水。两者都需要根据太阳辐射和建筑负荷协调集热、蓄热与辅助加热。4.3主动式太阳能供暖1）空气集热器太阳能供暖系统液态工质集热器太阳能供暖系统以间接方式运行。系统蓄热方式可采用短期蓄热或者跨季节蓄热方式。末端系统可采用低温热水地板辐射供暖系统、水-空气处理设备供暖系统或散热器供暖系统等。系统还可同时供应生活热水第4章太阳能利用技术

423）太阳能热泵供暖太阳能集热器提高热泵蒸发侧热源温度，改善低温条件下的供热性能。直膨式让制冷剂直接在太阳能集热/蒸发器中吸热。非直膨式先由水、空气或防冻液集热，再把热量传给热泵蒸发器。太阳能与热泵结合，用温度提升换取更紧凑的集热和蓄热规模。•将太阳能作为热泵热源的热泵系统称为太阳能热泵供暖系统。它将热泵技术和太阳能集热技术有机结合起来，可同时提高太阳能集热器的效率和热泵系统的性能。4.3主动式太阳能供暖第4章太阳能利用技术

43(1)直膨式太阳能热泵供暖图4.20直膨式太阳能热泵供暖系统•制冷剂直接在太阳能集热/蒸发器中蒸发吸热。•压缩机提升制冷剂压力和温度，冷凝器向供热对象放热。•部件较少，但集热器同时承担蒸发器功能。3）太阳能热泵供暖4.3主动式太阳能供暖第4章太阳能利用技术

44（2）非直膨式太阳能热泵供暖图4.21非直膨式太阳能热泵供暖系统•太阳能集热回路和热泵制冷剂回路通过蒸发器换热。•太阳辐射充足时可直接利用集热循环，条件较差时启动热泵。•系统稳定性较好，但规模、复杂程度和初投资较高。3）太阳能热泵供暖4.3主动式太阳能供暖第4章太阳能利用技术

45直膨式与非直膨式比较：直膨式•制冷剂直接集热并蒸发。•系统较紧凑、换热环节少。•集热器与制冷系统耦合紧密。非直膨式•独立集热介质向蒸发器供热。•运行模式灵活，可直接供热。•管路、防冻、防过热和投资要求更高。选择取决于系统规模、气候、维护与运行模式。3）太阳能热泵供暖4.3主动式太阳能供暖第4章太阳能利用技术

来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第4章464.4太阳能发电太阳能发电包括光伏发电和光热发电。光伏发电直接完成光电转换；光热发电先聚光集热，再通过热力循环带动发电机。本节学习路径：光伏发电→光热发电→槽式/碟式/塔式/菲涅尔式第4章太阳能利用技术

471）太阳能光伏发电原理•太阳电池利用光伏效应把太阳辐射能直接转换为直流电。•独立系统需要蓄电池与控制器，并网系统还需要逆变器和交流配电设备。•系统输出受太阳辐射、组件温度和电气匹配影响。光伏发电的核心转换是光能直接变为电能。4.4.1太阳能光伏发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

482）太阳能光伏发电技术图4.22太阳电池发电系统•独立的光伏发电系统主要由光伏组件、蓄电池组、控制器组成，并网发电系统还需要逆变器和交流配电设备。•光伏组件产生直流电，控制器调节充放电和系统运行。•蓄电池用于独立系统的电能储存。•并网系统通过逆变器把直流电转换为符合电网要求的交流电。4.4.1太阳能光伏发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

49太阳能光伏发电系统的应用形式：•混合发电系统：把光伏与风力等能源结合，提高供电稳定性。•聚光光伏系统：可有效提高太阳能的利用效率。•并网光伏系统：光伏发电系统与电网并联，并在公共电网的协调下提供电能。•独立光伏发电系统：多用于电网难以覆盖的区域。选择形式取决于负荷、电网、储能和建筑条件。2）太阳能光伏发电技术4.4.1太阳能光伏发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

50太阳能光热发电原理：通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热介质（液体或者气体）加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。特点：•反射镜把太阳光汇聚到接收器，提高传热介质温度。•高温介质加热水形成蒸汽，或直接驱动热机。•热机带动发电机发电，储热系统可改善发电连续性。光热发电的核心链条是光—热—机械—电。4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

51四类聚光型光热发电系统：图4.23四种应用较普遍的聚光型太阳能光热发电系统实景图•槽式和菲涅尔式属于线聚焦，碟式和塔式属于点聚焦。•聚光方式决定跟踪方式、温度水平、设备布置和规模。•比较时应关注聚光比、热效率、储热和运维条件。4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电（a）槽式

（b）碟式

（c）塔式

（d）菲涅尔式第4章太阳能利用技术

52表4.2、表4.3的比较框架•教材表4.2和表4.3从技术路线、聚光方式、工作温度、系统规模和特点比较光热发电。•槽式商业化程度较高；碟式适合模块化高温发电。•塔式便于集中高温集热和熔盐储热；菲涅尔式结构相对简单。•表格中的具体数值应结合项目条件使用。4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

531）槽式太阳能光热发电系统图4.24直通式真空集热管结构•中空金属管表面设置选择性吸收涂层，外套同心玻璃管。•金属管与玻璃管之间形成真空层，减少热损失。•传热工质在金属管内流动并被加热。4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电槽式太阳能集热器由跟踪系统、聚光系统和真空集热管三部分组成。直通式真空集热管如图4.24所示：第4章太阳能利用技术

54图4.25槽式太阳能光热发电系统工作原理•槽式反射镜把太阳光聚焦到焦线处的集热管。•跟踪系统使反射镜随太阳位置转动，传热工质可被加热到150～400℃。•高温工质通过换热产生蒸汽并驱动发电机。1）槽式太阳能光热发电系统4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电槽式太阳能光热发电系统由聚光集热子系统、蓄热子系统、换热子系统、发电子系统和辅助能源子系统等五个子系统组成。第4章太阳能利用技术

55图4.27碟式太阳能光热发电电路原理图•旋转抛物面反射镜把太阳光聚集到焦点接收器。•接收器向斯特林机等热机供热并带动发电机。•碟式系统需要高精度太阳跟踪。2）碟式太阳能光热发电系统4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电碟式发电系统由碟式聚光器、接收器、斯特林机和发电机组成。第4章太阳能利用技术

56碟式反射镜形式：图4.28旋转抛物面反射镜•单碟面型由一个大型旋转抛物面反射镜构成。•多碟面型由多个小型反射镜阵列组成，并使焦点一致。•跟踪可采用视日算法或光电传感器控制。（a）单碟面型（b）多碟面型2）碟式太阳能光热发电系统4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

57碟式太阳能发电实例图4.31铜川碟式太阳能示范项目图4.30鄂尔多斯碟式太阳能发电站图4.2910m多碟式太阳能聚光系统实景图2）碟式太阳能光热发电系统4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电第4章太阳能利用技术

583）塔式光热发电系统图4.32典型塔式太阳能光热发电系统示意图定日镜场把太阳光反射到塔顶吸热器。熔盐等介质在吸热器中升温并进入热盐罐储存。高温介质经换热产生蒸汽，驱动汽轮发电系统。塔式系统以大规模定日镜场围绕中央塔布置。4.4.2太阳能光热发电4.4太阳能发电图4.33敦煌塔式项目