太陽(yáng)能光熱應(yīng)用技術(shù)第一章

太陽(yáng)能光熱應(yīng)用技術(shù)第一章第一頁(yè)，共52頁(yè)。1.1能源概述什么是能源？《科學(xué)技術(shù)百科全書》中說(shuō)：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源?！洞笥倏迫珪分姓f(shuō)：“能源是一個(gè)包括所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量?！蔽覈?guó)的《能源百科全書》中說(shuō)：“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源?！钡诙?yè)，共52頁(yè)。能源亦稱能量資源或能源資源，是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機(jī)械能等）或可做功的物質(zhì)的統(tǒng)稱，是指能夠直接取得或者通過(guò)加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源，包括煤炭、原油、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等一次能源和電力、熱力、成品油等二次能源以及其他新能源和可再生能源。第三頁(yè)，共52頁(yè)。1.1能源利用的幾個(gè)時(shí)期如果從人類利用能源的變遷角度觀察其發(fā)展歷史，大致可以劃分為三個(gè)時(shí)期，即天然能源時(shí)期、礦物能源時(shí)期（該時(shí)期又可細(xì)分為：煤炭時(shí)期和石油時(shí)期）和可再生能源時(shí)期。第四頁(yè)，共52頁(yè)。1．天然能源時(shí)期人類主要以樹枝、雜草等植物當(dāng)燃料，用于煮食和取暖，靠人力、畜力和一些簡(jiǎn)單風(fēng)力或水力機(jī)械作動(dòng)力從事生產(chǎn)活動(dòng)或滿足一般的生活需要。2．礦物能源時(shí)期18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命導(dǎo)致的工業(yè)大發(fā)展，開始大量地使用煤炭。第五頁(yè)，共52頁(yè)。3．可再生能源時(shí)期可再生能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)力能、水能、生物能、海洋能、地?zé)崮?、氫能。其中太?yáng)能約占可再生能源總量的99%，因此，也可以說(shuō)太陽(yáng)能就是可再生能源的主體。第六頁(yè)，共52頁(yè)。圖1-1世界能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)（資料來(lái)源：歐盟聯(lián)合研究中心，2004年）第七頁(yè)，共52頁(yè)。1.1.2太陽(yáng)能利用的意義太陽(yáng)能是可再生能源的一種。開發(fā)利用太陽(yáng)能，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境、緩解氣候變化等，都具有極其重大的意義。1．可以節(jié)約大量使用的化石能源2．可以保護(hù)人類賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境3．可以解決無(wú)電人口和特殊用途供電問題第八頁(yè)，共52頁(yè)。1.1.3太陽(yáng)能利用的途徑1．光－熱轉(zhuǎn)換它的基本原理是將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，通過(guò)與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用。這種方式最為古老，但技術(shù)水平相當(dāng)成熟、成本低廉、普及性廣、工業(yè)化程度較高。目前使用最多的太陽(yáng)能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦集熱器3種。通常根據(jù)所能達(dá)到的溫度和用途的不同，而把太陽(yáng)能光熱利用分為低溫利用（小于200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（大于800℃）。目前低溫利用主要有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能蒸餾器、太陽(yáng)房、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能空調(diào)制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽(yáng)爐等。第九頁(yè)，共52頁(yè)。2．太陽(yáng)能發(fā)電電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽(yáng)能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國(guó)都十分重視，其轉(zhuǎn)換途徑很多，有光電直接轉(zhuǎn)換、光熱電間接轉(zhuǎn)換等。①光—熱—電轉(zhuǎn)換，即利用太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。前一過(guò)程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過(guò)程為熱—電轉(zhuǎn)換。②光—電轉(zhuǎn)換，其基本原理是利用光生伏打效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它的基本裝置是太陽(yáng)能電池。第十頁(yè)，共52頁(yè)。3．光化學(xué)利用光化學(xué)利用基于光化反應(yīng)，其本質(zhì)是物質(zhì)中的分子、原子吸收太陽(yáng)光子的能量后變成“受激原子”，受激原子中的某些電子的能態(tài)發(fā)生改變，使某些原子的價(jià)鏈發(fā)生改變，當(dāng)受激原子重新恢復(fù)到穩(wěn)定態(tài)時(shí)，即產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。光化反應(yīng)包括光解反應(yīng)、光合反應(yīng)、光敏反應(yīng)，有時(shí)也包括由太陽(yáng)能提供化學(xué)反應(yīng)所需要的熱量。通過(guò)光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫也是利用太陽(yáng)能的一條途徑。二三十年前曾有不少人在這方面做了很多研究工作，目前仍處于可研階段。第十一頁(yè)，共52頁(yè)。4．光生物利用通過(guò)光合作用收集與儲(chǔ)存太陽(yáng)能。地球上的一切生物都是直接或間接地依賴光合作用獲取太陽(yáng)能，以維持其生存所需要的能量。所謂光合作用，就是綠色植物利用光能，將空氣中的CO2和H2O合成有機(jī)物與O2的過(guò)程。光合作用的理論值可達(dá)5%，實(shí)際上小于1%。近年來(lái)在這方面的研究有所增加，人們期盼著出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。第十二頁(yè)，共52頁(yè)。1.1.4太陽(yáng)能利用的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1．儲(chǔ)量的“無(wú)限性”太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽(yáng)每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW，其中到達(dá)地球的能量高達(dá)8×1013kW，相當(dāng)于6×109噸標(biāo)準(zhǔn)煤。按此計(jì)算，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892×1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬(wàn)倍。太陽(yáng)的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)可源源不斷供給地球能源的時(shí)間可以說(shuō)是無(wú)限的。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。第十三頁(yè)，共52頁(yè)。2．存在的普遍性雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽(yáng)能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。3．利用的清潔性太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無(wú)限性，是人類理想的替代能源。第十四頁(yè)，共52頁(yè)。4．利用的經(jīng)濟(jì)性可以從兩個(gè)方面看太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽(yáng)能利用已具經(jīng)濟(jì)性，如太陽(yáng)能熱水器雖然一次性投入較高，但其使用過(guò)程不耗能，而電熱水器和燃?xì)鉄崴髟谑褂脮r(shí)仍需耗費(fèi)資金。第十五頁(yè)，共52頁(yè)。缺點(diǎn)1．分散性到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說(shuō)來(lái)，北回歸線附近，在夏季天氣較為晴朗的情況下，正午時(shí)太陽(yáng)輻射的輻照度最大，在垂直于太陽(yáng)光方向1m2面積上接收到的太陽(yáng)能平均有1000W左右，若按全年日夜平均，則只有200W左右，而在冬季大致只有一半，陰天一般只有1/5左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽(yáng)能時(shí)，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價(jià)較高。第十六頁(yè)，共52頁(yè)。2．不穩(wěn)定性由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，到達(dá)某一地面的太陽(yáng)輻照度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽(yáng)能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽(yáng)輻射能盡量貯存起來(lái)以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽(yáng)能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。第十七頁(yè)，共52頁(yè)。3．效率低和成本高目前太陽(yáng)能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽(yáng)能利用裝置，因?yàn)樾势?、成本較高，總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，太陽(yáng)能利用的進(jìn)一步發(fā)展，將主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。第十八頁(yè)，共52頁(yè)。1.2認(rèn)識(shí)太陽(yáng)1.2.1太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)也像地球那樣有大氣層，其大氣層由光球、色球和日冕三層合起來(lái)構(gòu)成。第十九頁(yè)，共52頁(yè)。第二十頁(yè)，共52頁(yè)。1.2.2地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)地球的赤道平面與黃道平面的夾角稱為赤黃角。它就是地軸與黃道平面法線間的夾角，在一年中的任一時(shí)刻都保持為23°27′第二十一頁(yè)，共52頁(yè)。1.3天球坐標(biāo)觀察者站在地球表面，仰望天空，平視四周所看到的叫做假象球面。以觀察者為球心，以任意長(zhǎng)度（無(wú)限長(zhǎng)）為半徑，其上分布著所有天體的球面叫做天球。通過(guò)天球的中心（即觀察者的眼睛）與鉛直線相垂直的平面稱為地平面。天球上有兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，叫做南天極和北天極，連接兩個(gè)天極的直線稱為天軸。第二十二頁(yè)，共52頁(yè)。1.3.1赤道坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系是以天赤道QQ’為基本圈，以天子午圈的交點(diǎn)Q為端點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，PP’分別為北天極和南天級(jí)。由圖1-5可見，通過(guò)PP’的大圓都垂直于天赤道，兩者相交于β點(diǎn)。在赤道坐標(biāo)系中，太陽(yáng)位置Sθ由時(shí)角ω和赤緯角δ兩個(gè)坐標(biāo)決定。第二十三頁(yè)，共52頁(yè)。（1）時(shí)角ω相對(duì)于圓弧QB，從天子午圈上的Q點(diǎn)算起（即從太陽(yáng)的中午算起），順時(shí)針方向?yàn)檎?，通常以ω表示，它的?shù)值等于離正午的時(shí)間（小時(shí)）乘以15°。第二十四頁(yè)，共52頁(yè)。（2）赤緯角δ與赤道平面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。通常將太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度，即太陽(yáng)中心和地心的連線與赤道平面的夾角稱為赤緯角，常以δ表示。第二十五頁(yè)，共52頁(yè)。1.3.2地平坐標(biāo)系以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)負(fù)極的交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做時(shí)角坐標(biāo)系。人在地球上觀看空中的太陽(yáng)相對(duì)于地平面的位置時(shí)，太陽(yáng)相對(duì)地球的位置是相對(duì)于地平面而言的，通常用高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)決定，如圖1-7所示。第二十六頁(yè)，共52頁(yè)。（1）天頂角θs天頂角就是太陽(yáng)光線OP與地平面QP之間的夾角。（2）高度角αs高度角就是太陽(yáng)光線OP與其在地平面上投影線Pg之間的夾角，它表示太陽(yáng)高出水平面的高度。（3）方位角γs方位角就是太陽(yáng)光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角γs，它表示太陽(yáng)光線的水平投影偏離正南方向的角度，取正南防線為起始點(diǎn)（即0）第二十七頁(yè)，共52頁(yè)。1.3.3太陽(yáng)角的計(jì)算（1）庫(kù)珀方程太陽(yáng)赤緯角（δ）在一年當(dāng)中，每天都在變化，但不超過(guò)±2327的范圍。夏天最大變化到夏至日的+2327，冬天最小變化至冬至日的2327。第二十八頁(yè)，共52頁(yè)。（2）太陽(yáng)高度角計(jì)算太陽(yáng)高度角的表達(dá)式為（3）太陽(yáng)方位角太陽(yáng)方位角按下式計(jì)算：第二十九頁(yè)，共52頁(yè)。（4）日照時(shí)間太陽(yáng)在地平線的出沒瞬間，其太陽(yáng)高度角為0°。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，可得出日出、日沒時(shí)角表達(dá)式：第三十頁(yè)，共52頁(yè)。1.4太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜1.4.1輻射度量輻射能Q是以電磁波或粒子形式發(fā)射、傳播或接收的能量。它的單位與其他形式能量的單位相同。在國(guó)際單位制中，輻射能的單位是J或MJ。輻射通量（Φ）是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率，或者說(shuō)是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能，單位是瓦（W），按定義可以寫出：第三十一頁(yè)，共52頁(yè)。太陽(yáng)投射到單位面積上的輻射功率（輻射通量）稱為輻照度（E），單位是瓦/平方米·（W/m2）。按照定義可寫出：在一段時(shí)間內(nèi)（如每小時(shí)、日、月、年等），太陽(yáng)投射到單位面積上的輻射能量稱為輻照量（H），亦稱曝輻量，單位是千瓦時(shí)/（平方米·日（月、年））（kW·h/m2·d（m/y）第三十二頁(yè)，共52頁(yè)。1.4.2太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)Isc的定義為：在平均日地距離時(shí)，地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)光線表面的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽(yáng)輻射能。其參考值為Isc=1367±7W/m2太陽(yáng)常數(shù)既不是從理論推導(dǎo)出來(lái)的，也不是具有嚴(yán)格物理內(nèi)涵的常數(shù)。太陽(yáng)常數(shù)除太陽(yáng)自身的變化外，還受測(cè)量準(zhǔn)確度、標(biāo)尺本身等影響。即使太陽(yáng)輻射量為常數(shù)，實(shí)際上因?yàn)槿盏鼐嚯x的變化，使得到達(dá)地球大氣層上的太陽(yáng)輻射能I0也在變化。太陽(yáng)輻射能可由式確定。第三十三頁(yè)，共52頁(yè)。1.4.3太陽(yáng)光譜太陽(yáng)是以電磁波的形式向外傳播能量。電磁波是由同時(shí)存在又相互聯(lián)系且呈周期變化的電波和磁波構(gòu)成的。電波和磁波彼此相互垂直，并且它們均垂直于電磁波的傳播方向。電磁波一般用波長(zhǎng)、頻率或波數(shù)來(lái)表征。太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射在大氣頂上隨波長(zhǎng)的分布叫做太陽(yáng)光譜。太陽(yáng)光譜的范圍幾乎涵蓋了整個(gè)電磁波譜。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射光譜分布是地外太陽(yáng)光譜和大氣成分的函數(shù)，它對(duì)于地面太陽(yáng)能電池系統(tǒng)應(yīng)用及其他一些應(yīng)用是十分重要的。表1-4列出了太陽(yáng)光譜輻射數(shù)據(jù)，圖1-8直觀地表述了太陽(yáng)光譜的分布。第三十四頁(yè)，共52頁(yè)。第三十五頁(yè)，共52頁(yè)。第三十六頁(yè)，共52頁(yè)。由此可見，太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)的范圍很寬，不同波長(zhǎng)的輻射能力差異很大。地球大氣層外太空中的太陽(yáng)輻射，其輻射能量主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，分別為46.43%和45.54%，紫外區(qū)只占8.02%。在波長(zhǎng)很長(zhǎng)和極短的區(qū)域中，其能量都非常小，絕大部分輻射的能量集中在0.20～4μm波長(zhǎng)之間，約占太陽(yáng)輻射總能量的99%。因此，常常把太陽(yáng)輻射稱作太陽(yáng)短波輻射（波長(zhǎng)小于3μm的電磁輻射）。第三十七頁(yè)，共52頁(yè)。1.5地面太陽(yáng)輻射的理論估算地面太陽(yáng)輻射包括直接輻射和散射輻射。直接接收到的、不改變方向的太陽(yáng)輻射稱為直接太陽(yáng)輻射，接收到的被大氣層反射和散射后方向改變的太陽(yáng)輻射稱為散射輻射。太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣層時(shí)，不僅受到大氣層中的空氣分子、水蒸氣及灰塵所散射，而且受到大氣中氧、臭氧、水和CO2的吸收，所以經(jīng)過(guò)大氣而達(dá)到地面的太陽(yáng)直接輻射顯著衰減。由于有關(guān)理論比較復(fù)雜且工程設(shè)計(jì)中不方便利用，本節(jié)將討論用一種較簡(jiǎn)單的方法，來(lái)估算太陽(yáng)直接輻射穿過(guò)大氣層后的強(qiáng)度。第三十八頁(yè)，共52頁(yè)。1.5.1大氣質(zhì)量在太陽(yáng)輻射測(cè)定中，計(jì)量輻射行程長(zhǎng)度的單位不是普通的長(zhǎng)度單位，而是采用所謂的大氣光學(xué)質(zhì)量?！按髿赓|(zhì)量”是一個(gè)無(wú)量綱量，它是太陽(yáng)光線穿過(guò)地球大氣的路徑與太陽(yáng)光線在天頂角方向時(shí)穿過(guò)大氣路徑之比，并假定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa）和氣溫0℃時(shí)，海平面上太陽(yáng)光線垂直入射的路徑為1，即m=1。第三十九頁(yè)，共52頁(yè)。顯然，地球大氣上界的大氣質(zhì)量為0。太陽(yáng)在其他位置時(shí)，大氣質(zhì)量都大于1，如m=1.5時(shí)，通常寫成AM1.5。應(yīng)當(dāng)指出，引用大氣光學(xué)質(zhì)量這個(gè)術(shù)語(yǔ)并不十分貼切，因?yàn)閺目茖W(xué)概念上來(lái)講，它與通常所說(shuō)的質(zhì)量無(wú)關(guān)。第四十頁(yè)，共52頁(yè)。由光線方程可知，光的行程受地球曲率和大氣折射的影響。在不同的海拔處，大氣折射率的數(shù)值是不一樣的。作為一種近似，忽略不計(jì)這種影響，則可根據(jù)圖1-8直接導(dǎo)出大氣光學(xué)質(zhì)量。如圖1-9所示，A為地球海平面上一點(diǎn)，O、O′為大氣上界的點(diǎn)。太陽(yáng)在天頂位置S時(shí)，太陽(yáng)光線路程OA為大氣質(zhì)量。太陽(yáng)位于S′點(diǎn)時(shí)，大氣質(zhì)量為第四十一頁(yè)，共52頁(yè)。第四十二頁(yè)，共52頁(yè)。第四十三頁(yè)，共52頁(yè)。1.5.2大氣透明度的引入在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須掌握到達(dá)該地區(qū)的太陽(yáng)輻射能，即掌握該地區(qū)太陽(yáng)輻射的年、月總量。由于太陽(yáng)輻射觀測(cè)站很稀疏，靠觀測(cè)站提供的資料遠(yuǎn)不能滿足需要，所以借助理論計(jì)算是十分必要的。有人提出用下式計(jì)算太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣后的強(qiáng)度。第四十四頁(yè)，共52頁(yè)。大氣透明度和大氣光學(xué)質(zhì)量密切相關(guān)，并隨地區(qū)、季節(jié)和時(shí)刻而變化。通常，城市的大氣污染要高于農(nóng)村，所以城市的大氣透明度比農(nóng)村低。一年中，以夏季的大氣透明度為最低，因?yàn)橄募敬髿庵械臐穸冗h(yuǎn)高于其