第二章 太陽能

第二章太陽能及其利用技術(shù)

§2.1概述§2.2太陽輻射§2.3太陽能熱利用§2.4太陽能光電轉(zhuǎn)換§2.1概述§2.2太陽輻射2.2.1太陽和地球

2.2.2太陽常數(shù)和輻射波長2.2.3太陽輻射的有關(guān)名詞與符號2.2.4集熱面上太陽入射角的計算2.2.5大氣層外水平面上的太陽輻射§2.3太陽能熱利用2.3.1.平板集熱器2.3.2真空管集熱器2.3.3聚集型集熱器2.3.4太陽能熱利用系統(tǒng)1.太陽能熱水系統(tǒng)2.太陽暖房3.太陽能制冷系統(tǒng)4.太陽能熱發(fā)電5.太陽能海水淡化6.建筑采光照明§2.3太陽能光電轉(zhuǎn)換2.4.1

太陽光伏原理2.4.2太陽能電池

§2.1概述2.1.1太陽能的性質(zhì)（1）永久性；（2)總能量很大

輻射通量為1.7×1014kW，年接受總量為1×1018kWh

（相當于5×1014桶原油，是探明原油儲量的近千倍，是世界年總能耗的一萬余倍。比核能、地?zé)岷鸵δ芸偤痛?000多倍）。其中：約30％被反射回宇宙空間；47％轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，以長波輻射形式返回空間；約23％是蒸發(fā)、凝結(jié)的動力，風(fēng)和波浪的動能；不到0.5％用于植物光合作用。（3）通量密度較低大氣層外為1353W/m2，通過大氣層時衰減。（4）可再生清潔能源，無污染；（5）具有間歇性；受天氣、晝夜及空氣污染等影響，時高時低，時有時無。（6）免費能源，初投資較高；（7）易實現(xiàn)熱能能級的合理匹配，做到熱盡其用。公元前212年，阿基米德用小平面鏡將陽光聚集起來燒毀了羅馬艦隊。17世紀伽利略對太陽進行了認真的研究。不久，有人用太陽能熔化鉆石。18世紀初發(fā)明了用太陽能驅(qū)動的發(fā)動機。20世紀初曾利建立了太陽能蒸餾水廠，埃及成功地運行了灌溉用的太陽能水泵。

2.1.2太陽能利用現(xiàn)狀和展望1、太陽能利用歷史回顧1920～1930年，美國加州用太陽能集熱器為用戶供應(yīng)熱水。1938年麻省理工學(xué)院建成了第一座用太陽能采暖的建筑。到1960年，世界上建成20座試驗性建筑。太陽能電池為衛(wèi)星、宇宙飛船供電成功。建立大型地面太陽能熱電廠。在空間建造太陽能電站，以微波形式發(fā)射到地面，再在地面轉(zhuǎn)換為電能。用陽光產(chǎn)生的微小壓力作為星際飛行器的動力等。1973年的能源危機。1975—1985年10年間，美國花費60億美元研究太陽能，其特點是：（1）國家重視。1978年卡特總統(tǒng)宣布，到2000年美國總能源的20％將由太陽來提供。許多著名的國家實驗室和大學(xué)都承擔(dān)了重要課題。成立了太陽能情報網(wǎng)絡(luò)，并在每個州都設(shè)有專管太陽能的機構(gòu)。（2）對新能源的研究范圍廣：太陽能空間加熱和空調(diào)（被動和主動式）；太陽能熱發(fā)電；太陽能光發(fā)電；太陽能制冷；海洋熱能發(fā)電；波浪和潮汐發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；生物質(zhì)能；地?zé)崮?；殘余物的高溫分解（氣化）?/p>

（3）形成有一定競爭力的太陽能行業(yè)，建立起一批技術(shù)先進、規(guī)模較大的示范系統(tǒng)。我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量:3.3×103～8.4×106kJ/(m2·年)，相當于2.4×104億t標煤。全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2200h，日照量在5×106kJ/(m2·年)以上。西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高原的總輻射量和日照時數(shù)均為全國最高，屬太陽能資源豐富地區(qū)；除四川盆地、貴州省資源稍差外，東部、南部及東北等其它地區(qū)為資源較富和中等地區(qū)。

2、我國太陽能利用的發(fā)展太陽能熱利用中最基本的部件—集熱器，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣范。按每平方集熱器每年節(jié)約標準煤200kg計，全國年節(jié)煤20萬t。1986年全國太陽灶擁有量為10.3萬臺，數(shù)量上已居世界領(lǐng)先地位。

被動式太陽房

是通過合理的建筑設(shè)計，使建筑物本身具有集熱器、儲熱器和散熱器的綜合特性。我國20世紀70年代開始被動太陽能采暖建筑的研究開發(fā)和示范，至今已推廣約1000萬m2(建筑面積)

。

目前被動太陽能房開始由群體建筑向住宅小區(qū)發(fā)展，如甘肅省臨夏市建成占地9.8萬m2、建筑面積9.2萬m2的太陽能小區(qū)；蘭州"陽光計劃"投資4.28億元在郊區(qū)興建73.3萬m2太陽能住宅小區(qū)等。我國被動太陽房采暖節(jié)能60％～70％，平均每m2建筑面積每年可節(jié)約20～40kg標準煤，發(fā)揮著良好的經(jīng)濟和社會效益，但在技術(shù)水平上同國外還有相當大的差距。

2010年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到1.5億平方米，加上其它太陽能熱利用，年替代能源量達到3000萬噸標準煤。2020年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到約3億平方米，加上其它太陽能熱利用，年替代能源量達到6000萬噸標準煤。

（

據(jù)國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃2007.8）太陽能干燥工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、木材、藥材、干果、橡膠和混凝土養(yǎng)護等。太陽能制冷、動力機等屬于小型、試驗階段。太陽電池我國1958年開始研制衛(wèi)星用硅太陽電池，1971用于第二顆衛(wèi)星。太陽電池適用于缺電的邊遠地區(qū)。太陽能在鐵路信號、航標、農(nóng)牧設(shè)備、廣播、電視、通訊、家用電器、計算器、照明和儀器、儀表等行業(yè)已開發(fā)的產(chǎn)品不下100種。太陽能實驗電站1985年在新疆阜康縣建成，發(fā)電能力為5000W的發(fā)電站。云南半導(dǎo)體廠從加拿大引進年產(chǎn)500kW的單晶硅太陽電池生產(chǎn)線。哈爾濱從美國克羅拉公司引進大面積非晶硅太陽電池生產(chǎn)線，芯片面積有304×304mm和304×912mm。年產(chǎn)能力為1000kW。但價格過高。

截至2002年，我國電池和組件的總生產(chǎn)能力約29MW/年。2002年我國太陽能電池和組件的實際生產(chǎn)量達到11MW，其中電池/組件生產(chǎn)6MW(其中2MW為非晶硅)，組件封裝5MW。近10年太陽能電池和組件生產(chǎn)年均增長率25％。電池和組件性能不斷提高，商業(yè)化晶硅電池效率由20世紀80年代的10％～12％提高到16％～18％。

2010年，太陽能發(fā)電總?cè)萘窟_到30萬千瓦，到2020年達到180萬千瓦。

（

據(jù)國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃2007.8）沼氣1983年我國小沼氣池約有500萬個，數(shù)量領(lǐng)先世界，年供能量相當于80萬噸標準煤。大、中型沼氣工程已有1000多處。南陽廠擴建工程年產(chǎn)氣可達1200萬m2，沼氣可供南陽市50％人口使用。稻殼氣化發(fā)電，木材氣化以及城市垃圾的利用成果可喜。風(fēng)能是隨機能源，不穩(wěn)定。我國南方沿海古代就用風(fēng)車、車水。1959年江蘇仍有20萬臺傳統(tǒng)風(fēng)車。我國10m高度處的風(fēng)能總儲量約為1.6×1012W。我國已應(yīng)用百瓦級的小型風(fēng)力發(fā)電機15000多臺，其中內(nèi)蒙有13000多臺，占總數(shù)的90％。潮汐發(fā)電站

法國Brittany潮汐電站有12套240MW的機組一直在運行發(fā)電。我國從1958年就開始潮汐電站的試驗，先后建成十幾個小型電站，其中江廈電站稍大，為3000kW。

截至2002年末，全國已有上千家企業(yè)從事開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和安裝太陽能熱水器業(yè)務(wù)。太陽能熱水器類型主要有3種：平板熱水器以銅－鋁復(fù)合板芯為主，其次是全銅板芯，少數(shù)為耐腐蝕鋁板芯。真空管熱水器以全玻璃管為主，其次是熱管式真空管，后者具有更優(yōu)良的耐高溫性能、抗凍性能及熱性能，熱啟動和工作性能也較好，但價格較貴。悶曬式將水箱與集熱器合為一體，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。2002年太陽能熱水器銷售量達到800萬m2，其中真空管約450萬m2，平板式250萬m2，悶曬式100萬m2

截至2002年底，全國太陽能熱水器的保有量達到

3500萬m2，銷售額約達到100億元，帶來15萬人的就業(yè)機會，并與燃氣熱水器和電熱水器形成三足鼎立的局面。

2010年，我國約14億人口，熱水器戶用比例如達到10％，熱水器總安裝量將達到5億m2以上。亞太銀行專家估計：按2m2/每戶計算，熱水負荷的75

％由太陽能供給，每年可節(jié)約310億kWh電力(相當于1050萬t標準煤)，相當于減少CO2排放3850萬t。

§2.2

太陽射輻2.2.1太陽和地球一、太陽直徑：1.39×106km，由氫和氦組成火球，質(zhì)量：2.2×1027t(比地球重33.2萬倍)體積：比地球大130萬倍；平均密度：約為地球的1/4；離地球平均距離：1.5×108km。核聚變把氫變?yōu)楹?，每秒鐘虧損4.0×106t質(zhì)量，產(chǎn)生360×1021kW功率。到達地球大氣層上界1/（20億），180×1012kW，衰減后為85×1012kW。設(shè)太陽半徑為R：0～0.23R：約8～40×106K，密度為水的80～100倍，占太陽質(zhì)量的40%，占太陽輻射的90%。0.7R處：130000K左右，密度降到70kg/m3。0.7～1R之間：對流層，約5000K，密度

10-5kg/m3。光球：對流區(qū)的外層，即太陽表面。約6000K，10-3kg/m3，厚約500km。電離程度很高，是太陽最大的輻射源。表面有黑子及光斑活動，周期約11年。

反變層：光球外數(shù)百公里厚的較冷氣層。由極稀薄的氣體組成，能吸收某些可見光譜的輻射。色球：反變層外，厚約1×104～1.5×104km，由低壓氫和氦組成，約5000K，10-5kg/m3。有時出現(xiàn)日焰，輻射量猛增，形成太陽風(fēng)，在地球產(chǎn)生磁暴或極光。色球外伸—銀白色的日冕。太陽是各層發(fā)射和吸收各種波長的綜合輻射體?？梢暈?000K，波長0.3～3μm的黑體輻射。圖2-1太陽的結(jié)構(gòu)1.地球公轉(zhuǎn)與赤緯角地軸：貫穿地球中心與南、北極相連的線。自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)(周期一年)。橢圓的偏心率不大，近日點時，日地147.1×106km；遠日點，152.1×106km，兩者相差約為3%。黃道平面：地球公轉(zhuǎn)的橢圓軌道平面。二、地球的運行地球自轉(zhuǎn)軸與黃道平面夾角66°33′，方向不變，赤道平面與黃道平面的夾角23°27′。赤緯角：地心與太陽中心的連線與地球赤道平面的夾角。一年變化范圍±23°27′，形成四季。圖2-2地球繞太陽運行圖對北半球：夏至23°27′

（正射北回歸線，南半球冬至）冬至-23°27′（正射南回歸線）春分0°（正射赤道，南北半球日夜相等）秋分0°

回歸線：地球上赤道兩側(cè)，南北回歸線之間為熱帶，回歸線的緯度為

23°27′

n—所求日期在一年中的日子數(shù)（表2-1）

（2-1）

（2-2）------制定標準時間采用的標準經(jīng)度，（0）-------當?shù)亟?jīng)度，（0）

當?shù)靥枙r：中午太陽光通過當?shù)刈游缇€，即在空中最高點處，定為太陽午時。與日常使用的標準時間不一致。（2-3）（2-4）E—時差修正值。太陽時角w：用角度表示的太陽時。每晝夜變化±1800，每小時相當于150中午太陽通過當?shù)刈游缇€時，取w=00；上午w取負值，下午取正值；例如：上午10點相當于-300，下午3點相當于450

（2-5）—一年中第n天在大氣層外平面上測得的輻照度。2.2.2太陽常數(shù)和輻射光譜太陽常數(shù):在大氣層外、平均日地距離處，垂直于輻射傳播方向上單位面積、單位時間內(nèi)測得的太陽輻照度為1353W/m2，稱為太陽常數(shù)，以Gsc表示。圖2-3太陽-地球幾何關(guān)系2.2.3太陽輻射的有關(guān)名詞與符號

輻射按方向分：直射輻射(直達輻射或束輻射)——接受到的、直接來自太陽而不改變方向的輻射。散射輻射(擴散輻射或天空輻射)——接受到的、受大氣層散射影響而改變方向的太陽輻射太陽總輻射——接受到的太陽輻射總和，等于直射輻射加散射輻射。測量儀器：直射輻射儀—如Eppley直射輻射儀。總輻射儀—測量半球空間太陽總輻射。若用遮光環(huán)擋住直射輻射，就可測散射輻射。輻射按波長分：短波和長波太陽輻射(短波輻射)——由太陽產(chǎn)生的輻射，波長范圍由0.3～3.0μm，包含直射和散射輻射長波輻射——溫度高于絕對零度的任何物體，都會發(fā)射輻射能。當物體溫度接近環(huán)境溫度時，發(fā)出的輻射波長一般都大于3μm。輻射量的單位名稱不統(tǒng)一。輻射能：J；輻射能密度

(輻照量)：J/m2；輻射能通量

(輻射功率)：W；輻射能通量密度

(輻照度，輻射能流率)：

W/m2

常用輻照度G(W/m2)、輻照量H或I(J/m2)H—全天的輻照量，J/m2或MJ/m2；I—1小時的輻照量，J/m2或MJ/m2。H上面可加一橫表示月平均值。

G，H，I加下角標有：o——大氣層外b——直射輻射；d——散射輻射；T——傾斜平面；n——法向平面。下角標中不出現(xiàn)T和n就代表水平面，不出現(xiàn)b和d就代表總輻射。

2.2.4集熱面上太陽入射角的計算

一、角度的定義太陽入射角θ:太陽光線與集熱器表面法線間的夾角?？煞譃閮蓚€分量，一個垂直、一個平行于集熱器表面，只有垂直分量能被截取，故θ越小越好。太陽高度角α：從地面某點向太陽中心作一條射線，該射線與其在地面上的投影線的夾角即α

。太陽天頂角θz：射線與地面法線的夾角。

θz+α=90°集熱器水平放置，其法線與地面法線重合，則：

θ=θz，θ+α=90°圖2-4有關(guān)幾何角度太陽方位角γs：太陽光在地面上投影線與正南方的夾角。規(guī)定正南方為0°，西為正，東為負。變化范圍-180°～+180°。集熱器方位角γ：與太陽方位角γs類似，集熱器表面法線在地平面上的投影，與正南的夾角為γ。集熱器傾斜角β：集熱器平面（法線）與水平面（法線）的夾角。

（2-6）

（2-7）

—地球緯度方位角γ=0時（集熱器朝向正南）：任何季節(jié)、地理位置、集熱器擺放位置和角度、任何時候，太陽入射角θ：二、角度間的關(guān)系和公式圖2-5傾斜面上入射角與φ、β角的關(guān)系

（2-8）

（2-9）（2-10）（2-11）

（2-12）若β=

則：若β=0，則：每天日出日落時刻，太陽處于地平面上，太陽高度角α

=0，則日出日落時角：白晝長對于垂直表面：2.2.5大氣層外水平面上的太陽輻射

大氣層外、水平面上的太陽輻照度Go（W/m2）:Go=Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]cosθz(2-23)Gsc—太陽常數(shù)，1353W/m2

；

n—所求日期在一年中的日子數(shù)；

cosθz從式(2-9)求得，代入（2-13）得：

Go=Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*(sinφsinδ+cosφcosδcosω)(2-24)

H0=24×3600Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*(cosφcosδsinωs+2лωssinφsinδ/360°)/л(2-15)ωs—日落時角，度，用式(2-10)求。大氣層外、水平面上每小時太陽的輻照量I0，J/m2：I0=12×3600Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*[cosφcosδ(sinω2-sinω1)+2л(ω2-ω1)sinφsinδ/360°]/л(2-16)大氣層外、水平面上的太陽的全天輻照量H0（J/m2）：§2.3太陽能熱利用

太陽能集熱器：收集太陽能的裝置，是熱利用的關(guān)鍵部件，特殊換熱器?；驹恚禾栞椛涞哪芰髅芏鹊?，為了提高被加熱流體的溫度，或提高能流密度低，須將太陽能收集起來，通過與工質(zhì)（常用水或空氣）換熱，將熱能加以利用。太陽能集熱器工作原理圖

按是否聚光分為：非聚光和聚光集熱器

按流動工質(zhì)分為：液體和空氣集熱器太陽能集熱器的分類12

非聚光型集熱器：照射到采光面的太陽輻射不改變方向，也不集中射到吸熱體上。聚光集型熱器：

有特殊的鏡發(fā)射器或折射聚光器，將陽光會聚在面積較小的吸熱面上，以提高能流密度，獲得較高溫度。只利用直射輻射，需要跟蹤系統(tǒng)—用于高溫集熱，如太陽能熱力發(fā)電。按工作溫度范圍可分為三類（1）低溫型（工作溫度﹤100℃）（2）中溫型（工作溫度100℃～200℃）（3）高溫型（工作溫度﹥200℃）2.3.1平板集熱器

17世紀后期發(fā)明的。1960年進行深入研究和規(guī)模化應(yīng)用。是世界太陽能市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，是低溫?zé)崂貌考Ｔ诘蜏胤秶?，?jīng)濟性比聚光型好，特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，不需跟蹤；（2）工作可靠，成本較低；（3）可同時接收直射輻射和散射輻射；（4）熱流密度低，加熱后工質(zhì)溫度較低，運行安全

平板型的應(yīng)用范圍：（1）供熱水食品加工業(yè)、制革、印染、養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)等；（2）采暖、空調(diào)、制冷；（3）除濕、加溫。2010年9月，常熟錦弘印染廠建成500噸熱水工程，集熱面7500㎡，使用真空管44800支，日供60℃熱水500噸，一年以300天計，年均節(jié)約煤炭約2000噸，節(jié)省費用近200萬元，減排CO2近3000噸、粉塵2300噸。3年左右收回投資。（一）平板型集熱器的結(jié)構(gòu)圖2-7平板型集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

由吸熱體、蓋板、保溫層、外殼組成。圖2-8平板型集熱器結(jié)構(gòu)示意圖1.吸熱板

是吸收太陽能、傳遞熱量的關(guān)鍵部件。（1）技術(shù)要求吸收率高。熱傳遞性能好。與傳熱工質(zhì)的相容性好。具有一定的承壓能力。加工簡單，成本低，便于批量生產(chǎn)、應(yīng)用。（2）主要結(jié)構(gòu)型式管板式將排管與平板以一定的方式連接，構(gòu)成吸熱板。主要有銅鋁復(fù)合式（最早從國外引進）和全銅管板式（我國）。圖2-10吸熱板的幾種結(jié)構(gòu)形式管翼式

即翅片管，利用模子擠壓拉伸工藝，制成金屬管兩側(cè)連有翼片的吸熱板，鋁合金為多。主要特點：

熱效率高，鋁材、無結(jié)合熱阻；

耐壓能力強，鋁合金可以承受高壓；

水質(zhì)不易保證，水對鋁合金有腐蝕；

動態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量。主要特點：a.熱效率高，銅材，無結(jié)合熱阻；b.水質(zhì)清潔，水＋銅（無腐蝕）；c.耐壓能力強（高壓空氣吹脹成型）。扁盒式將兩塊金屬板分別模壓成型，再焊接成一體。主要材料：鋁合金、不銹鋼、鍍鋅鋼等。主要特點：熱效率高，無結(jié)合熱阻不需要焊接集管，一次模壓成型焊接工藝難度大，焊接穿透和焊接不牢耐壓能力差，焊點不能承受高壓水質(zhì)不易保證，水對鋁合金有腐蝕吸熱板上的涂層：吸熱板上覆蓋一層深色的涂層（吸收涂層），直接影響吸熱板的熱性能。非選擇性吸收涂層：光學(xué)特性（吸收）與輻射波長無關(guān)，如普通黑漆b.選擇性吸收涂層：光學(xué)特性隨輻射波長不同有顯著變化。要求：高吸收率、低發(fā)射率太陽6000K，0.3～2um（波長）——吸收吸熱體400K，2～30um（波長）——發(fā)射

普通黑漆的太陽吸收率與長波發(fā)射率相等，可用于低溫集熱器。中、高溫集熱器（集熱溫度﹥環(huán)境溫度30℃以上）應(yīng)采用選擇性涂料。

目前，較理想的涂料吸收率為0.92-0.94。2.透明面蓋

蓋板的作用是讓可見光透過（0.3－3μm)，而不讓吸熱板產(chǎn)生的遠紅外線透過(＞3.0μm），使集熱器內(nèi)獲得較高的溫升——溫室效應(yīng)。蓋板材料：

玻璃、透明玻璃鋼、抗老化透明塑料板等。常用——普通玻璃。出口或高檔產(chǎn)品——鋼化玻璃板。北方——用雙層蓋板時，是玻璃+聚碳酸酯薄膜。蓋板層數(shù)——由氣候和工作溫度定，一般為單層。在氣溫較低或工作溫度較高時才用雙層蓋板。有條件使用透明蜂窩材料，效果非常好。

蓋板與吸熱板的距離應(yīng)＞25mm。距離太小會降低集熱效率。3.保溫層

作用：↓集熱器向環(huán)境散熱，↑工作效率。

技術(shù)要求：（1）保溫性好，導(dǎo)熱系數(shù)λ↓，一般λ

≤

0.55W/(m2.℃)（2）不易變形、揮發(fā)，不產(chǎn)生毒氣，不吸水。

材料：巖棉、礦棉、聚苯乙烯、硅酸鋁纖維、聚氨酯發(fā)泡塑料等。

厚度：一般在15～30mm，也可用下面經(jīng)驗公式來計算：

λ100——保溫材料在100℃時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。4.外殼（箱體）

作用：將吸熱板、蓋板、保溫層的材料組成一個整體，便于安裝。

技術(shù)要求：有一定的強度和剛度，耐候性好，易加工、外觀美。

材料：鋼板、彩鋼板、鋁型材、不銹鋼板、塑料和玻璃鋼等。（二）平板集熱器的性能參數(shù)1.基本能量平衡方程單位時間內(nèi)，集熱器吸收的太陽能Qa=能量損失

QL+有效利用能量QU+本身熱容的變化量QS

平板集熱器能量平衡示意圖能量平衡關(guān)系用數(shù)學(xué)方程表示：（2-17）集熱器在穩(wěn)定工況下，不吸熱、不放熱QS=0集熱器在非穩(wěn)定工況下，QS＞0或QS＜0Qa=QL+QU+QS（4-1）AC——集熱器面積，m2；UL——總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Tp,m——吸熱板平均溫度，℃；Ta——環(huán)境溫度，℃；S——吸熱面吸收的太陽輻射量，W/m2

Qu——集熱器有效利用能量，W。2.平板型集熱器的瞬時效率即：工質(zhì)獲得的有用能與入射到集熱器上的太陽總輻射量之比。（2-18）

圖2-12幾種太陽集熱器的瞬時效率曲線下圖中,6種不同材料、結(jié)構(gòu)的集熱器的效率曲線，可以根據(jù)使用地區(qū)的氣溫、使用季節(jié)和用水溫度等情況來選擇集熱器的狀態(tài)。2.3.2真空管集熱器平板型集熱器的熱損失：導(dǎo)熱熱損失——底部和側(cè)面絕熱層通過導(dǎo)熱散向環(huán)境的損失；對流熱損失——吸熱板與透明蓋板之間的空氣通過對流換熱向環(huán)境的散熱損失；輻射熱損失——吸熱板與透明蓋板之間、透明蓋板與天空之間通過輻射換熱向環(huán)境的散熱損失。為↓對流和輻射熱損失→真空管集熱器。圖2-13全玻璃真空集熱管研制出內(nèi)管與外管間抽真空的全玻璃真空管吸收真空管運行時產(chǎn)生的氣體，保持管內(nèi)真空度Al-N/Al(鋁-氮/鋁）選擇性吸收涂層

將單根真空管裝配在復(fù)合拋物面反射鏡的底面，兼有平板和固定式聚光的特點，它能吸收太陽光的直射+80%的散射。

圖2-14真空管式太陽能熱水器外觀圖1.

金屬吸熱體真空管集熱器當吸熱體（板）由金屬材料組成，也稱為：金屬—玻璃真空管集熱器代表性的是熱管式真空管集熱器，又分為：

單玻璃集熱管雙玻璃集熱管蒸發(fā)段＋冷凝段蒸發(fā)段：工質(zhì)吸熱蒸發(fā)冷凝段：工質(zhì)冷凝放熱毛細作用力＋自身重力蒸汽壓力80年代起，國內(nèi)、外對熱管式真空管集熱器進行了深入研究。熱管單玻璃集熱器下圖是帶有平板鍍膜肋片的熱管。熱管的蒸發(fā)端封接在單層真空玻璃管內(nèi)，冷凝端插入導(dǎo)熱塊或直接插入水箱里，冷凝端將所獲得的熱能傳給水箱中的水。圖2-15熱管單玻璃集熱器結(jié)構(gòu)示意圖熱管雙玻璃真空集熱器由清華大學(xué)索蘭環(huán)能所研制。集熱管的蒸發(fā)端以緊配合方式插入雙玻璃真空集熱管內(nèi)的彈性金屬肋片中，冷凝端通過硅膠圈插入水箱中。圖2-16熱管雙玻璃集熱器結(jié)構(gòu)示意圖其它型式金屬吸熱體真空管集熱器主要包括：同心套管式、U形管式、儲熱式、內(nèi)聚光式、直通式等。（1）同心套管式由同心套管、金屬吸熱板、玻璃管等組成。太陽光穿過玻璃管，投射在吸熱板上，吸熱板將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，傳熱介質(zhì)（常用水）從內(nèi)管進入真空管，吸熱后，通過外管流出。（2）U形管式主要由U型管、金屬吸熱板、玻璃管等組成工作原理類似于同心套管。（3）儲熱式主要由吸熱管、內(nèi)插管、玻璃管等組成。吸熱管內(nèi)儲存水，外表面有選擇性吸收涂層。白天，太陽輻射能被吸熱管轉(zhuǎn)換為熱，加熱管內(nèi)的水。用熱水時，冷水通過內(nèi)插管漸漸注入，將熱水從吸熱管頂出；晚上，真空夾層隔熱，吸熱管內(nèi)的熱水降溫很慢最大特點：不需要另設(shè)水箱（4）內(nèi)聚光式主要由吸熱體、復(fù)合拋物聚光鏡（CPC）、玻璃管等組成。吸熱體通常是熱管，平行的太陽光無論從什么方向穿過玻璃管，都會被CPC反射到位于其焦線處的吸熱體上。特點：a.運行溫度高（100～150℃）b.不需要跟蹤系統(tǒng)（5）直通式通常跟拋物柱面聚光鏡配套使用，組成聚光型太陽集熱器。特點：運行溫度高，拋物面聚光鏡的開口可以做得很大，使得集熱器的聚光比很高，溫度可高達300～400℃。比較易于組裝。圖2-17幾種不同集熱方式的真空管集熱器金屬吸熱體真空管集熱器的特點：（1）運行溫度高。所有集熱器的運行溫度可達70～120℃，有的甚至達300～400℃。（2）承壓能力強。所有真空集熱管及其系統(tǒng)都能承受自來水或循環(huán)泵的壓力，多數(shù)集熱器還可用于產(chǎn)生106Pa以上的熱水甚至高壓蒸汽。（3）耐熱沖擊性好（抗熱震性能）。承受急劇的冷熱變化。2.3.3聚集型集熱器聚集型集熱器:使入射的太陽能聚集到面積比入射面小得多的吸收面上，提高能量密度及流體溫度。集熱器由：接收器、吸收器兩部分組成。分類：（1）按聚集方法分：反射式、折射式；（2）按聚集的幾何形狀分：

面聚焦（平面鏡），線聚焦（單曲率鏡），

點聚焦（雙曲率鏡），非聚焦型。（3）按跟蹤方法分：

單軸跟蹤，雙軸跟蹤，吸收器跟蹤。圖2-18槽式系統(tǒng)太陽能集熱器復(fù)合拋物面型集熱器CPC

WelfordandWinston,1978。是依據(jù)邊緣光線原理設(shè)計的低聚光度非成像聚光器。與聚焦槽形拋物面集熱器(PTC)相比，優(yōu)點:接收角較大,可以利用幾乎所有可接收到的太陽輻射,有較高的光效率；不需要太陽跟蹤器；結(jié)構(gòu)簡單，初期投資小,運行維護費用低。圖2-19CPC太陽能集熱器形面示意圖（2－19）（2－20）幾何聚光比：能量密度聚光比：聚光比（集中比）：太陽輻射的聚集程度。A——面積，m2；I—輻照量，J/m2

；a—反射鏡的開口大小，m；L—吸收器的長度，m

；d—吸收器寬度（即太陽影象直徑），m

；c—吸熱器。（2－21）2.3.4太陽能熱利用系統(tǒng)1.太陽能熱水系統(tǒng)有非循環(huán)和循環(huán)型兩大類:（1）非循環(huán)型熱水器開放型圖2-20薄膜型圖2-21密閉型圖2-22，圖2-23（2）循環(huán)型熱水器a.自然循環(huán)式圖2-24b.自然循環(huán)定溫放水系統(tǒng)圖2-25c.直流式系統(tǒng)圖2-26d.強迫循環(huán)式圖2-27圖2-20開放型太陽能熱水器

圖2-21薄膜型太陽能熱水器圖2-22不銹鋼管密閉型太陽能熱水器

圖2-23反射式密閉型太陽能熱水器

圖2-24一般自然循環(huán)式太陽能熱水器圖2-25自然循環(huán)式定溫放水系統(tǒng)

圖2-26直流式定溫放水系統(tǒng)

圖2-27強迫循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)

2.太陽暖房利用太陽能冬季取暖。集熱器收集太陽輻射，將熱傳給工作流體，再供熱到房間。多數(shù)使用熱水系統(tǒng)，也有使用熱空氣系統(tǒng)。暖房系統(tǒng)組成：集熱器、熱儲存器、輔助能源系統(tǒng)，及室內(nèi)暖房風(fēng)扇系統(tǒng)。最常用的暖房系統(tǒng)為太陽能熱水裝置：將熱水通到儲熱器中（固體，液體或相變的儲熱系統(tǒng)），用風(fēng)扇將室內(nèi)或室外空氣驅(qū)動至此吸熱，再把熱空氣吹送至室內(nèi)。采用集熱溫度較低的平板型集熱器，或真空管集熱器。

輔助熱源的主要安置方式：①安在儲熱器內(nèi)；②裝在房間內(nèi)；③裝于儲熱器及房間之間。太陽能暖房系統(tǒng)：被動式和主動式。被動式：根據(jù)氣候條件，通過建筑設(shè)計和采用材料，如墻壁、屋頂?shù)臒峁ば阅?，不添置附加設(shè)備，使房屋盡可能多地吸收和儲存熱量，達到采暖的目的。

特點：被動式較簡單，造價低廉。主動式：需采用太陽能集熱器、蓄熱箱、管道、風(fēng)機及泵等設(shè)備收集、儲存和輸配太陽能，系統(tǒng)中各個部分可控制，達到控制室內(nèi)溫度的目的。3.太陽能制冷系統(tǒng)

太陽能制冷方式:（1）被動式

（輻射冷卻圖2-28及蒸發(fā)冷卻）。（2）機械壓縮式

圖2-29。

壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)過程。（3）蒸汽噴射式制冷

圖2-30（4）吸收式制冷系統(tǒng)圖2-31

（5）干燥除濕制冷系統(tǒng)。圖2-28輻射冷卻原理圖

(1)

被動式太陽能制冷圖2-29理想蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理（2）機械壓縮式（3）蒸汽噴射式制冷機

圖2-30太陽能蒸汽噴射式制冷機原理圖1.太陽能集熱器，2.氟里昂鍋爐，3.蒸汽噴射器，4.噴管，5.混合室，

6.擴壓室，7.冷凝器，8.蒸發(fā)器，9.膨脹閥，10.氟里昂泵用熱能驅(qū)動的制冷機，以工況系數(shù)COP作為評價指標。COP—制冷機獲得的制冷量Q0與消耗的熱量Qh之比：（2-22）圖2-31太陽能吸收式制冷原理圖

（4）吸收式制冷原理

1.分子篩

在高溫或相對濕度小的情況下吸附性好，常在絕熱過程中做除濕劑。但再生（脫附）溫度較高（150-170℃），若用集熱器作熱源，很難達到再生溫度。

2.硅膠

在低溫下有很好的吸附性，再生溫度比較低（65—75℃）。但隨著除濕溫度的增加，吸附能力急劇下降。

（5）干燥除濕制冷系統(tǒng)固體干燥劑圖2-32固體干燥劑吸附特性圖2-33再循環(huán)式固體干燥制冷系統(tǒng)圖圖2-34通風(fēng)式固體干燥制冷系統(tǒng)圖主要發(fā)電方式：火電、水電、核電蘊藏豐富、不枯竭、安全、干凈、不破壞環(huán)境的發(fā)電方式：太陽能、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電，太陽能最理想。太陽能熱發(fā)電——把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。把太陽光發(fā)射并集中加熱，把水轉(zhuǎn)換成為高溫水蒸氣，進蒸汽渦輪機—發(fā)電機組發(fā)電。采用拋物面聚光鏡，將太陽光集中，用自控讓聚光鏡追隨太陽轉(zhuǎn)動，熱效率很高，技術(shù)發(fā)展的可能性最大。太陽光發(fā)電—通過光電器件將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電能。4.太陽能熱發(fā)電圖2-35太陽能熱發(fā)電示意圖

頂棚式太陽能蒸餾器包括：太陽能蒸餾池、盆式太陽能蒸餾器等。其缺點：（1）海水加熱、蒸發(fā)和冷凝在同一密閉容器內(nèi)進行，難以在提高蒸發(fā)溫度的同時又降低冷凝溫度；（2）產(chǎn)水率低、熱效率不高（＜30％），占地面積大。5.太陽能海水淡化圖2-36頂棚式太陽能蒸餾器圖2-37多級芯式多效太陽能蒸餾器圖2-38Arizona大學(xué)海水淡化方案（20世紀60年代，露點蒸發(fā)技術(shù)）圖2-39Lavan海水淡化方案

據(jù)國際照明委員會統(tǒng)計：

全世界照明用電約占總發(fā)電量的

9%～20%。

我國照明用電占總發(fā)電量的

10%～

12%。

照明用電中真正用于發(fā)光＜25%，其余以熱能形式散發(fā)，造成大量的能源浪費和環(huán)境污染。

建筑中如何有效地利用自然太陽光？近年來國內(nèi)外建筑采光工作者提出了不少方法和設(shè)想。

6.建筑采光照明A.導(dǎo)光管法

√B.光導(dǎo)纖維法

√C.平面反光鏡一次反射法

×

用反光鏡一次將太陽光反射到室內(nèi)需要采光的地方，但光污染較嚴重。用導(dǎo)光管將集光器收集的光線傳送到室內(nèi)需要的地方，對太陽光基本沒有處理。主要部件：

采光罩防雨裝置導(dǎo)光管漫射器

目前報價：約100元/m2

1.導(dǎo)光管法2.光導(dǎo)纖維法采用太陽跟蹤、透鏡聚焦等技術(shù)，濃縮太陽光，再通過光導(dǎo)纖維把濃縮的太陽光傳送到需要的地方。

（地下室、地下停車場、大型倉儲商場、彈藥庫、礦井、油庫、隧道、水中、室內(nèi)植物栽培等）能大幅攔截紫外線，益于健康，維持生活習(xí)慣。國外已開始普及推廣。國內(nèi)南京春輝科技實業(yè)有限公司開發(fā)全自動跟蹤太陽采光器（張耀明院士）。

（聚光采光器、自動跟蹤太陽系統(tǒng)、傳光光纖三部分）光導(dǎo)纖維（30~80元/米）攔截紫外線的原理：

凸透鏡聚焦太陽光時，聚焦折射作用使太陽光中不同波長的光線在光軸上形成的焦距不同。紫外線波長較短，焦點靠近透鏡；紅外線波長較長，焦點遠離透鏡。光導(dǎo)纖維入射端定在紫、紅外線之間的可見光焦點上，將紫外線大幅度攔截。對太陽中的X、Y、Φ、β、γ、α等放射性射線也進行了排除。采光、傳送系統(tǒng)原理圖

光導(dǎo)纖維的分類:按材料分：玻璃石英、塑料光導(dǎo)纖維；按纖維結(jié)構(gòu)分：皮芯型、自聚集型；按柔性分：可撓性、不可撓性；按傳遞光的波長分：可見光、紅外線、紫外線、激光等。

用于芯的塑料主要有：

聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、重氫化聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。

采集太陽光的照明系統(tǒng)已是各國競相研究的熱點；本世紀前20年是應(yīng)用推廣和市場培育階段,價格是應(yīng)用的瓶頸；商業(yè)建筑、工礦企業(yè)的需求會↑,特殊及安全場所將占有應(yīng)用優(yōu)勢。干燥過程的能耗占國民生產(chǎn)總能耗的12%-15%。太陽能熱泵干燥技術(shù)，比普通電干燥箱節(jié)電約70%；所需干燥時間是自然通風(fēng)的1/3左右；可使被干燥產(chǎn)品的腐敗率降低20%-30%，同時減少干燥過程中的污染。適用于農(nóng)作物、肉制品、木材、中藥材等的干燥。7.太陽能干燥2.4.1太陽光伏原理太陽能光電轉(zhuǎn)換：指太陽光子通過半導(dǎo)體材料組成的pn結(jié)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程——光生伏特效應(yīng)?！?.4太陽能光電轉(zhuǎn)換陽光照到半導(dǎo)體上反射吸收透過變成熱碰撞價電子→電子-空穴對→電能若半導(dǎo)體內(nèi)存在P-n結(jié)，則在P型和n型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向n區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，在P-n結(jié)附近形成與勢壘電場反向的光生電場。若在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有直流電流通過。將電池元件串聯(lián)或并聯(lián)，就產(chǎn)生一定的電壓、電流、輸出功率。圖2-41太陽電池基本結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電特點：

①沒有機械轉(zhuǎn)動、摩擦和噪聲；

②發(fā)電效率低；

③照射的能量密度小，占地面積大；

④獲得能源與四季、晝夜、氣象條件有關(guān)。2.4.2太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展1954年第一塊實用光伏電池問世。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機、90年代的環(huán)境污染，大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過程如下：1893年法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光伏效應(yīng)”。1876年

亞當斯等在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。1883年制成第一個“硒光電池”，作敏感器件。1930年肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應(yīng)”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。1954年恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。1955年

吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。1957年硅太陽電池效率達8%。1958年太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1959年

多晶硅太陽電池問世，效率達5%。1972年

羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。1975年非晶硅太陽電池問世。同年，帶硅電池效率達6%—10%。1978年美國建成100kWp太陽地面光伏電站。特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多，如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率。只能限于在衛(wèi)星上使用。（1）光伏電池產(chǎn)量份額（2）光伏市場份額亞洲67.38%,歐洲26.57%歐洲70.88％，美國7.1

美國6.65％日本8.14%，其他14.8%2007年主要國家和地區(qū)光伏電池和光伏市場份額

市場集中在實施上網(wǎng)電價法的國家和地區(qū)

產(chǎn)業(yè)集中在亞洲，其次是歐洲和美國◆并網(wǎng)光伏發(fā)電發(fā)展速度最高（Renewables2007GlobalstatusReport[REN21,WWW.]）（資料來源：PhotonConsulting）

4.成本大幅度降低光伏發(fā)電成本30年來降低了2個多數(shù)量級。

2010年太陽能光伏發(fā)電成本下降趨勢德國成為世界最大的光伏市場德國上網(wǎng)電價法實施以來的成果：

2000－2007，PV電站建設(shè)投資：超過150億歐元

2000－2007，光伏生產(chǎn)線建設(shè)投資超過30億歐元

自2000年以來光伏系統(tǒng)成本降低約25％：

自2006年以來降低約10％；

光伏發(fā)電成本目標將于2018年達到于常規(guī)電力水平《中華人民共和國可再生能源法》是促進可再生能源的開發(fā)利用，增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展制定。由中華人民共和國第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次會議于2005年2月28日通過，自2006年1月1日起施行?！稄娭乒夥暇W(wǎng)電價法》

2012年。促進光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，為我國能源、環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。太陽電池類型：

硅太陽電池；帶狀晶體硅電池；硅薄膜電池；

Ⅲ～Ⅴ族化合物半導(dǎo)體太陽電池；

Ⅱ～Ⅵ族化合物太陽電池；其它太陽電池，如無機、有機、光化學(xué)太陽電池。目前主要采用：晶體硅太陽電池（單晶硅和多晶硅），其結(jié)構(gòu)、制造方法不同。太陽電池的研究目標之一：降低成本。薄膜電池是一個發(fā)展方向。2.4.3太陽能電池

單晶硅太陽電池

是當前開發(fā)得最快的一種太陽電池，它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型，已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999％。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)