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文檔簡介
1、太陽能的綜合利用 摘要:目前太陽能的利用技術(shù)已是當今世界各國索取新能源和利用新能源,進行節(jié)能、環(huán)保的重要研究項目之一。本文介紹了國內(nèi)外的節(jié)能政策和法規(guī),總結(jié)了太陽能在建筑內(nèi)的利用和在其他方面的嘗試,對今后太陽能的利用和發(fā)展提出了一些建議。 關(guān)鍵詞:太陽能 節(jié)能政策 太陽能熱水器 太陽能熱泵 建筑一體化 1 引言 自1973年世界性的石油危機爆發(fā)以來,能源危機給人們敲響了警鐘,大家開始關(guān)注占國家全部能源消耗的3
2、0-40%的建筑能耗的問題。1996年,聯(lián)合國在津巴布韋召開了“世界太陽能高峰會議”,會后發(fā)表了哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言,國際太陽能公約,世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃等重要文件,進一步表明了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅定決心,要求全球共同行動,廣泛利用太陽能。 2 國內(nèi)外的節(jié)能政策與法規(guī)1 2.1 我國的節(jié)能政策與法規(guī) 從我國的國情來看,建筑節(jié)能是社會經(jīng)濟發(fā)展的需要,是減輕大氣污染的需要,是改善建筑熱環(huán)境的需要,還是發(fā)展建筑業(yè)的需要。我國從80年代中期開始推行建
3、筑節(jié)能,當時確定的第一個建筑節(jié)能設(shè)計標準,即民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(采暖居住建筑部分)(JGJ26-86),用于采暖居住建筑,節(jié)能率為在19801981年當?shù)赝ㄓ迷O(shè)計能耗標準水平的基礎(chǔ)上節(jié)能30%。1995年12月建設(shè)部發(fā)布了第二個標準JGJ26-95,以取代第一個標準。1996年9月,建設(shè)部在北京發(fā)布了建設(shè)部建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)劃以及建筑節(jié)能技術(shù)政策文件。1997年2月18日建設(shè)部、國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委、國家稅務(wù)局發(fā)文推行節(jié)能50%的JGJ26-95,由建設(shè)部批準的采暖居住建筑節(jié)能檢驗標準(JGJ132-2001)于2001年6月1日起實施。1998年1月1日施行的中華人民共和國
4、節(jié)約能源法是指導(dǎo)全國節(jié)能的大法,也是中國建筑節(jié)能工作的立法依據(jù)。 2.2 國外的節(jié)能政策與法規(guī) 各發(fā)達國家都把對建筑節(jié)能的要求體現(xiàn)在建筑規(guī)范和標準中,他們每過幾年就修訂一次建筑標準。近20多年來,每次修訂標準都將節(jié)能要求提高一步,從而推動節(jié)能工作逐步發(fā)展。例如美國,據(jù)有關(guān)資料顯示,美國在70年代就制定了一系列的建筑節(jié)能法規(guī),如新建建筑節(jié)能暫行標準、新建筑節(jié)能設(shè)計及評價標準。1978年制定了五項法律:公益事業(yè)管理政策法(PURPA)、電力工業(yè)燃料使用法(PIFUA)、能源稅法(ETA)、天然氣政策法(NG
5、PA)、國家節(jié)能政策法(NECPA),統(tǒng)稱國家能源法。1986年美國制定的節(jié)能新標準中的主要措施是普遍降低室內(nèi)溫濕度的標準,改善維護結(jié)構(gòu)的隔熱、保溫性能。1989年ASHRAE制定的除低層住宅以外的新建建筑物的節(jié)能設(shè)計標準(ASHRAE/IESNA 90.1-1989)以及新建低層住宅建筑節(jié)能設(shè)計標準(ASHRAE 90.2-1993),全國性的節(jié)能標準還有由美國建筑官員理事會制訂的簡明能源規(guī)范(Model Energy Code 1993)。 3 太陽能在建筑內(nèi)的利用 一般說來,太陽能在建筑中的利用
6、主要是在建筑中采取一定措施利用太陽能進行冬季采暖或夏季制冷。趙敬源,邱永亮等人2、高芳葳3、陸維德4等分別研究了太陽能在建筑中的應(yīng)用。 3.1 主動式太陽能建筑 主動式太陽能建筑是通過高效集熱裝置來收集獲取太陽能,然后由熱媒將熱量送入建筑物內(nèi)的建筑形式。它對太陽能的利用效率高,不僅可以供暖、供熱水,還可以供冷,而且室內(nèi)溫度穩(wěn)定舒適,日波動小,在發(fā)達國家應(yīng)用非常廣泛。但因為它存在著設(shè)備復(fù)雜、先期投資偏高,陰天有云期間集熱效率嚴重下降等缺點,在我國長期未能得到推廣。
7、60; 由于將太陽能轉(zhuǎn)化為溫度不太高的熱水,只要用簡單的裝置即可實現(xiàn),因而被廣泛采用。供應(yīng)熱水可以采取集中的方式,也可以用于單獨的住宅中。集中供應(yīng)熱水,需要有一定的場地和基建投資,經(jīng)濟效益較高,適用于人口較集中的城鎮(zhèn)。單獨供應(yīng)熱水,設(shè)備簡單,不需要專門的管理人員,在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村均可采用。 目前在我國市場上常見的太陽熱水器有以下幾類: (1)平板太陽熱水器。它由平板集熱器與熱水箱組成,一般采用自然循環(huán)運行方式。 (2
8、)真空管熱水器。它由多支玻璃真空集熱管直接插入水箱構(gòu)成,一般采用自然對流換熱;每支真空集熱管與水箱插孔間放置硅橡膠制成的密封圈。真空集熱管的熱損系數(shù)小,故用它做成的太陽熱水器在冬季有較好的熱性能,適合在北方地區(qū)使用。 (3)悶曬式熱水器。它是集熱與貯熱合二為一的整體式熱水器,一般由二至三個涂黑的圓筒組成,以結(jié)構(gòu)簡單、造價較低為特色,缺點是夜間散熱大,熱水不能過夜使用,在冬季也不能用。它在農(nóng)村有較大的推廣面。 平板集熱器、玻璃真空管和家用太陽熱水器的技術(shù)條件均有國家標準。
9、; 平板太陽集熱器熱性能試驗方法GB/T4271-2000(為原標準GB/T4271-84的修訂版) 平板太陽集熱器產(chǎn)品技術(shù)條件GB/T6424-1997(為原標準GB/T6424-86的修訂版) 全玻璃真空集熱管GB/17049-1997 全玻璃真空管太陽集熱器GB/T17683-1999 家用太陽熱水器的熱性能試驗方法GB12915-1991
10、; 太陽能熱泵采暖系統(tǒng)是利用集熱器進行太陽能低溫集熱,然后通過熱泵,將熱量傳遞到溫度為35-50的采暖熱媒中去。冬季太陽輻射量較小,環(huán)境溫度很低,使用熱泵則可以直接收集太陽能進行采暖。將太陽能集熱器作為熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器,換熱器作為冷凝器,這樣就可以得到較高溫度的采暖熱媒。 太陽能熱泵采暖系統(tǒng)主要特點是花費少量電能就可以得到幾倍于電能的熱量,同時可以有效地利用低溫熱源,減少集熱面積,這是太陽能采暖的一種有效手段。若與夏季制冷相結(jié)合,應(yīng)用于空調(diào),它的優(yōu)點更為突出。
11、60; 3.2 被動式太陽能建筑 被動式太陽能建筑是指太陽能向室內(nèi)的傳遞不借助于機械動力,完全由自然的方式,即蓄熱體進行的建筑形式。所謂蓄熱體一般指可以儲存熱量的集熱體,蓄熱體相對于建筑物構(gòu)造體有附屬于或不附屬于兩種存在方式。若屬于構(gòu)造一部分,則一方面支撐建筑物,另一方面具有儲熱體的功能。不為構(gòu)造體的蓄熱體能很簡單地設(shè)置于建筑物中,可靈活增減,配合季節(jié)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。 用于蓄熱體的材料很簡單,可以是液態(tài)的水、鹽水、油等液體,也可以是固體的磚瓦、預(yù)制混凝土、沙、粘土、石塊
12、等。蓄熱體設(shè)置在太陽能接收式冷暖系統(tǒng)的建筑物的任何位置都會發(fā)揮功用,但為能發(fā)揮最大限度的功能,必須選擇理想的位置。3.3 太陽能在制冷方面的開發(fā)和設(shè)計 目前,太陽能制冷技術(shù)在研究和開發(fā)方面已做了大量的工作,日趨完善。一般來說,太陽能制冷有兩種方式:一是通過太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能,驅(qū)動吸附式或吸收式制冷機;二是將太陽能由光電池轉(zhuǎn)換成電能,驅(qū)動常規(guī)電冰箱制冷。比較以上兩種方式,利用熱能制冷具有造價低、系統(tǒng)運行費用低和結(jié)構(gòu)簡單的特點,特別適合發(fā)展中國家和偏遠農(nóng)村采用。該類系統(tǒng)的研究和利用得到了國際上極大的關(guān)注。
13、 太陽能吸附式系統(tǒng)通常包括太陽能集熱器、吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器,整個系統(tǒng)一般工作在負壓狀態(tài)下。通常將太陽能集熱器和吸附床合二為一。從前期的研究和使用情況來看,這樣的系統(tǒng)在使用一段時間后,制冷性能會變壞,最終會停止工作。據(jù)推測,這可能是由于活性炭、甲醇與銅在一定條件下發(fā)生了化學反應(yīng),或者是系統(tǒng)中有二甲基、甲醇的存在,使系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生了一些雜質(zhì)氣體,導(dǎo)致系統(tǒng)真空度下降,致使系統(tǒng)性能下降。 為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,李云蒼等人5提出用化學性能穩(wěn)定的玻璃做吸附床和太陽能集熱器(真空管集熱器)。為了驗證該種系統(tǒng)的可行性,他們建立了一個試驗系統(tǒng)。試驗
14、的結(jié)果及討論是:整個系統(tǒng)在模擬自然環(huán)境中工作正常,證明該系統(tǒng)的構(gòu)想是可行的。同時發(fā)現(xiàn),隨著試驗次數(shù)的增加,解附出來的甲醇溶液的數(shù)量有所減少,系統(tǒng)的工作壓力(無光照時)變化不大,但系統(tǒng)的性能下降。系統(tǒng)重新抽真空后,整個性能得到恢復(fù)和改善,但沒有完全恢復(fù)到以前的水平。估計是重新抽真空時,在抽出雜質(zhì)氣體的同時也將一些甲醇氣體抽走,使系統(tǒng)的性能下降。因此,對系統(tǒng)補充了300mL甲醇,試驗看出,整個系統(tǒng)的性能幾乎得到了恢復(fù)。當系統(tǒng)處于制冷狀態(tài)時,吸附床的散熱狀態(tài)直接影響其制冷速率的大小,散熱狀態(tài)越好,制冷速率越快。 張學軍等人6研究了太陽能吸附制冷系統(tǒng)的CO
15、P和制冷量的問題,他們提出應(yīng)該構(gòu)建更合理的吸附循環(huán)和吸附床結(jié)構(gòu)?;趯腆w吸附制冷系統(tǒng)的大量實驗和理論研究,提出了一種新型的太陽能驅(qū)動連續(xù)型固體吸附制冷及供熱復(fù)合機的設(shè)計方案。該復(fù)合機與間歇式的太陽能固體吸附制冷系統(tǒng)相比,有以下一些優(yōu)點:日照時能實現(xiàn)連續(xù)制冷;既制冷又供熱;系統(tǒng)中能量利用率較高。 陳光明等人7也研究了如何提高系統(tǒng)的COP問題,他們提出了一個新的循環(huán)。與傳統(tǒng)吸收循環(huán)比較,新循環(huán)較傳統(tǒng)循環(huán)多了一個壓縮機。通過用熱力學第一、二定律對循環(huán)進行分析,COP比傳統(tǒng)循環(huán)明顯提高。 3.4 家庭太陽能發(fā)
16、電系統(tǒng)8 家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)的不同之處是引進了一個與傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)相連接的測量系統(tǒng),我們稱之為計量箱。計量箱包括一個將太陽能模塊發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電再與電網(wǎng)聯(lián)接的逆變器。測量裝置測出太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量,電力部門從用戶消耗的總電量中扣除太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量,電力部門也可以買進用戶未用完的多余電量。 4 太陽能在通訊中的利用 岳靜等人9提出了將太陽能用于黃河通訊網(wǎng)中,并且取得了預(yù)期的效果。1993年,鄭州濟南數(shù)字微波通信工程中,個別中繼站供電
17、采用農(nóng)用電供電,供電極不正常,經(jīng)常停電,造成微波干線中斷。為了解決個別站點的供電問題,他們在河南境內(nèi)的渠村站實驗安裝了太陽能供電系統(tǒng)。根據(jù)該站的環(huán)境條件和微波設(shè)備耗電情況,考慮到渠村也不是完全沒有市電供電,因此在設(shè)計時供電以太陽能電池為主,市電為輔。該系統(tǒng)具有防反充、防過充、過放告警、輸出電壓自動調(diào)節(jié)以及自動切換功能等特點。 5 太陽能在其他方面的應(yīng)用 流金10曾提到利用太陽能,黑夜變白晝、烈日造冰。 俄羅斯科學家使北極的黑夜變得陽光燦爛的試驗過程是:利用一
18、艘叫“進步號”的無人駕駛小飛船從已處于太空的“和平號”空間站上脫離,并以每秒鐘570度的速度旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生離心力,使上面的一把折疊傘式的太陽反射鏡展開成形。折疊的反射鏡完全張開后,小飛船的旋轉(zhuǎn)速度降低到每秒84度,這個速度足夠使反射陽光的傘處于繃緊狀態(tài)。這時,反射鏡把陽光反射到北極,照亮了處于黑暗之中的地面。 這次試驗成功后,俄羅斯的空間科學家開始制定規(guī)模更大的計劃,準備在圍繞地球的15505530千米的高空中,布置100個這樣的太陽反射鏡。它們既可以使地球的黑夜變白晝,還能把陽光聚焦成光束,射到飛船的太陽能電池帆板上作為能源來投進飛船,或者用光束的熱能燒毀留在空間的各種太空垃圾,以保證正在運行中的宇宙飛船的安全。 法國一家船舶公司的科學家研制出了太陽能冰箱,這種太陽能自動制冰機,外形就像一個恒溫箱,僅靠一個太陽能接收器。在接收器里裝活性炭顆粒,向這些活性炭的孔中“灌進”甲醇。夜晚因氣溫下降,活性炭粒吸進液態(tài)的甲醇,白天太陽一曬,活性炭粒中的甲醇氣化。氣化后的甲醇流到制冰箱的冷凝器變成液體,夜晚時又被活性碳吸進小孔內(nèi),每天就這樣日夜循環(huán)制冰。這種制冰機有一
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