太陽能熱利用基礎(chǔ)

太陽能熱利用基礎(chǔ)第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用的重要性

能源消費(fèi)伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而持續(xù)快速增長，2004～2010年中國能源消費(fèi)總量增長速度大于2020年GDP翻兩番、能源翻一番的規(guī)劃速度，這對我國能源發(fā)展造成很大壓力，加快可再生能源發(fā)展勢在必行。

中國能源消費(fèi)總量（億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）年度20062007200820092010消費(fèi)量24.5726.5528.530.732.5增長率9.3%7.8%4.0%5.2%5.9%講師：

朱敦智第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二環(huán)境形勢十分嚴(yán)峻中國是世界SO2排放最嚴(yán)重的國家，因而也是酸雨污染最嚴(yán)重的國家，下表給出了中國燃煤發(fā)電所排放的SO2

的數(shù)量。2007年，除中國SO2

排放持續(xù)為世界第一外，中國CO2

排放也超過美國，成為世界第一(CO2排放美國59.1億噸，我國60.2億噸。這給中國節(jié)能減排、改善能源結(jié)構(gòu)以及能源可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力。年2005200620072009燃煤火電年排放SO21300135013351069全國SO2

年排量2549258924682320講師：

朱敦智第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二2006世界實(shí)際能耗14.5TW(1012kW)2050世界預(yù)測能耗30TW2100世界預(yù)測能耗46TW未開發(fā)水力<0.5TW生物質(zhì)能3TW地?zé)崮?2TW可利用風(fēng)力2TW全球總太陽能120,000TW（600TW）太陽能在未來能源中的地位講師：

朱敦智第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二世界可再生能源能源結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來源：IEA-SHC，SolarHeatWorldwide2011講師：

朱敦智第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用的意義利用過程中沒有溫室氣體CO2的排放。與煤相比，使用時(shí)可以減少SO2、NOX和煙塵等污染物排放，有利于環(huán)境質(zhì)量改善。替代化石燃料，可節(jié)約資源。實(shí)現(xiàn)能源使用的本地化，減少燃料供應(yīng)的交通負(fù)擔(dān)及相應(yīng)的大氣污染。講師：

朱敦智第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二

分類

太陽輻照[MJ//(m2a)]日照小時(shí)(h/a)

Ⅰ

>67003200—3300

Ⅱ

5400—67003000—3200Ⅲ

4200—54001400—3000Ⅳ

<42001000—1400第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能熱利用一、太陽能供熱制冷（<100℃,100~250℃）太陽能熱水器、泳池加熱太陽能供暖、太陽房、太陽能空調(diào)太陽能溫室、海水淡化工業(yè)加熱、太陽灶二、太陽能熱發(fā)電（>400℃）講師：

朱敦智第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能基礎(chǔ)知識(shí)講師：

朱敦智第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用歷史

西漢，我們祖先已掌握“陽燧取火”西周，有文字記載“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則生火”公元212年，希臘阿基米德以多面鏡聚光，燒毀羅馬艦隊(duì)15世紀(jì)，阿拉伯人開展太陽能蒸餾，實(shí)現(xiàn)海水淡化1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)1767年，瑞士科學(xué)家賀瑞斯發(fā)明了第一臺(tái)太陽能集熱器1891年，美國馬里州的肯普發(fā)明了世界上第一臺(tái)悶曬式太陽熱水器，被他命名為“頂峰”熱水器講師：

朱敦智第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用歷史1936年，美國天體物理學(xué)家CharlesGreeleyAbbott發(fā)明了太陽能開水器1955年，以色列泰伯等提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論，并研制成實(shí)用的黑鎳等選擇性涂層1958年，天津大學(xué)建設(shè)12.6平米的太陽能浴室1987年，北太所從加拿大引進(jìn)銅鋁復(fù)合（SUNSTRIP）生產(chǎn)線1975年，美國歐文斯-依利諾伊（Owens-Illinois）公司研制全玻璃真空管1979年，清華大學(xué)發(fā)明多層鋁-氮/鋁(Al-N/Al)選擇性吸收涂層1994年，北太所研制玻璃金屬熱壓封接的熱管真空管講師：

朱敦智第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽輻射(solarradiation)

太陽輻射是指太陽以電磁波的形式發(fā)射的輻射能。太陽輻射的波長區(qū)域主要是0.25m～3.0m（占99%）。太陽的表面溫度約為6000℃，地球大氣表層接受的能源是其中的22分之一，每秒約為1.76×1017J，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年。

太陽能的不足之處：1）能量密度低，大氣層外為1367W/m22)有季節(jié)、晝夜和晴雨等能量供應(yīng)不穩(wěn)定性

講師：

朱敦智第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二地球表面的太陽輻射

太陽輻射通常由直射輻射和散射輻射兩部分組成。講師：

朱敦智第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽常數(shù)(solarconstant)

大氣層外日地平均距離處的法向直射太陽輻照度稱為太陽常數(shù)，數(shù)值為1367W/m2。。太陽光譜(solarspectrum)

太陽光譜是指太陽輻射分解為單色成分后，按波長順序作出的分布。波長，m

大氣層外所占能量比例地面所占能量玻璃紫外輻射0.25～0.387%5%可見輻射0.38～0.7847.29%45%近紅外輻射0.78～3.045.71%50%講師：

朱敦智第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽光譜小于0.29m紫外線被大氣層上層臭氧吸收；水蒸氣在1.0、1.4和1.8m有強(qiáng)烈吸收帶；大于2.3m的輻射大部分被水蒸氣和二氧化碳吸收講師：

朱敦智第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量：太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在天頂方向時(shí)的路徑之比值。講師：

朱敦智第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二直接輻射和和散射輻射我國大多數(shù)臺(tái)站只記錄太陽總輻射。根據(jù)太陽輻射觀測資料分析，發(fā)現(xiàn)水平面上散射輻射與太陽總輻射日總量月平均值的比值與地平面總輻射與大氣上界的日總量月平均值具有較好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。水平面上散射輻射的日總量月平均值水平面上總輻射的日總量月平均值大氣上界總輻射的日總量月平均值（月平均晴空指數(shù)）講師：

朱敦智第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二傾斜面上太陽輻射投射到傾斜面上總輻射輻照度由三部分組成：1）太陽直接輻射輻照度；2）太陽散射輻射輻照度；3）地面反射輻射輻照度。達(dá)到傾斜面上總輻射日總量月平均值可表示為。水平面上散射輻射的日總量月平均值水平面上總輻射的日總量月平均值水平面上直接輻射的日總量月平均值傾斜面與水平面上直接輻射的日總量月平均值的比值，該參數(shù)與安裝地的緯度、赤緯、傾斜面傾角和方位角有關(guān)S

傾斜表面傾角地面的反射率。一般取值0.20，有雪覆蓋地面時(shí)取0.70講師：

朱敦智第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能資源等級太陽能條件水平面上年太陽輻照量（MJ/m2·a）年日照時(shí)數(shù)（h）地

區(qū)Ⅰ資源極富區(qū)＞67003200～3300寧夏北、甘肅西、新疆東南、青海西、西藏西Ⅱ資源豐富區(qū)5400～67003000～3200冀西北、京、津、晉北、內(nèi)蒙古及寧夏南、甘肅中東、青海東、西藏南、新疆南Ⅲ資源較富區(qū)5000～54002200～3000魯、豫、冀東南、晉南、新疆北、吉林、遼寧、云南、陜北、甘肅東南、粵南4200～50001400～2200湘、桂、贛、江、浙、滬、皖、鄂、閩北、粵北、陜南、黑龍江Ⅳ資源一般區(qū)＜42001000～1400川、黔、渝講師：

朱敦智第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二與太陽能利用有關(guān)傳熱問題講師：

朱敦智第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二傳熱學(xué)傳熱是由于溫差引起的能量轉(zhuǎn)移——有溫差就有傳熱傳熱主要形成熱傳導(dǎo)：依靠物體質(zhì)點(diǎn)的直接接觸來傳遞能量對流換熱：流體(液體或氣體)與另一物體表面相接觸時(shí)，兩者間的換熱過程輻射換熱：物體的部分熱能轉(zhuǎn)變成電磁波——輻射能向外發(fā)射，當(dāng)它碰到其它物體時(shí)，又部分地被后者吸收而重新轉(zhuǎn)變成熱能

講師：

朱敦智第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是不透明固體材料中熱能傳遞的唯一方式傅里葉（Fourier）熱傳導(dǎo)定律：

l，導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料的導(dǎo)熱能力越大。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均可由試驗(yàn)測定，通常工程上常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/(m?K)的材料稱為絕熱（隔熱）材料。常見隔熱材料有巖棉、玻璃纖維、聚氨酯、橡塑材料等，一般多具有多孔結(jié)構(gòu)。

講師：

朱敦智第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二熱傳導(dǎo)

導(dǎo)熱系數(shù)與材料種類有關(guān)。對同一材料來說，還與其結(jié)構(gòu)、密度、成分、濕度、壓力（對于液體和氣體）和溫度有關(guān)。在一定的溫度范圍大多數(shù)工程材料的熱導(dǎo)率可近似地認(rèn)為是溫度的直線函數(shù)。氣體、建筑材料和隔熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。在工程計(jì)算中，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，可以把導(dǎo)熱系數(shù)當(dāng)作常數(shù)。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣導(dǎo)熱系數(shù)，對多孔性材料（如建筑材料、隔熱材料）來說，材料的含水率對材料導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，因此隔熱材料應(yīng)適當(dāng)采取防潮措施。各向異性材料也隨方向不同而有很大的差異。講師：

朱敦智第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二對流換熱對流換熱主要是研究運(yùn)動(dòng)著的流體與同它相接觸的固定表面之間的換熱根據(jù)引起流動(dòng)的原因，可分為自然對流和強(qiáng)迫對流對流換熱的牛頓公式：從對流傳熱的機(jī)理來說，流體的傳導(dǎo)及質(zhì)量傳輸（流體的質(zhì)點(diǎn)和微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)）都起著作用。如果流速很小，則導(dǎo)熱具有一定的影響；若流速很大以及冷、熱流體二間的摻混對能量傳遞的貢獻(xiàn)很大，則流體本身導(dǎo)熱的作用將很小。

講師：

朱敦智第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二對流換熱影響因素

流動(dòng)的起因：分自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流傳熱是由流體中因密度不同而產(chǎn)生浮升力所引起的換熱現(xiàn)象；強(qiáng)迫對流換熱是流體在外界壓差的作用下，流過換熱面；1）自然對流：2）強(qiáng)制對流:自然對流狀況下的換熱強(qiáng)度主要取決于流體的受熱情況，流體內(nèi)部的溫度差越大，對流運(yùn)動(dòng)越激烈,用格拉曉夫數(shù)Gr數(shù)來表征。強(qiáng)迫對流的換熱系數(shù)主要取決于外力所引起的流速的大小，一般用雷諾數(shù)Re數(shù)來表征，雷諾數(shù)大小表征了流動(dòng)狀態(tài)。講師：

朱敦智第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二對流換熱影響因素

流動(dòng)的速度：速度愈大，對流換熱增強(qiáng)流動(dòng)有無相變：凝結(jié)和沸騰可顯著增強(qiáng)對流換熱換熱面的幾何形狀、大小、冷熱面位置流體的熱物理性質(zhì)由于影響對流換熱的因素很多，并具有復(fù)雜關(guān)聯(lián)性，因此只有簡單對流換熱有理論解，很難推廣應(yīng)用；（理論解）分析對流換熱，一般根據(jù)影響相互關(guān)系，利用無量綱數(shù)，減少變量個(gè)數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)，得到準(zhǔn)則方程；（實(shí)驗(yàn)法）可利用傳熱學(xué)的基本方程，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算換熱過程。（數(shù)值模擬）講師：

朱敦智第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二對流換熱計(jì)算采用量常見無量綱式有雷諾數(shù)（Re）、普朗特?cái)?shù)（Pr）、格拉曉夫數(shù)（Gr）和怒謝爾特?cái)?shù)（Nu）等。雷諾數(shù)：反映流體慣性力和粘性力的比值Nu數(shù)：導(dǎo)熱熱阻與對流熱阻的比值Pr數(shù)：由流體物性參數(shù)組成，表征分子動(dòng)量和熱擴(kuò)散系數(shù)之比Gr數(shù)：流體浮升力與粘性力之比講師：

朱敦智第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用對流換熱公式管道內(nèi)層流流動(dòng)當(dāng)（ReD?Pr?D/L）>10，

許多太陽能集熱器中流體的流速很低，由浮力引起的自然對流也會(huì)影響對流換熱，這種換熱情況稱為混合對流。如果Gr/Re2在1與10之間及L/D>50

講師：

朱敦智第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用對流換熱公式管道內(nèi)的湍流換熱流體Pr數(shù)值在0.7~700之間，并滿足Re＞6000和L/D＞60，

一個(gè)大氣壓下空氣通過一個(gè)很長的風(fēng)道的湍流流動(dòng)，在300K及380K溫度范圍內(nèi)

流體是在螺旋管中流動(dòng)，則按直管中流動(dòng)算得的對流換熱系統(tǒng)乘以系數(shù)e進(jìn)行修正

（氣體）

（液體）

講師：

朱敦智第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用對流換熱公式繞掠單管的受迫對流換熱

真空管在有風(fēng)條件下?lián)Q熱，都屬于繞掠單管的受迫對流換熱，對于ReD＞500下，

一個(gè)大氣壓下空氣通過一個(gè)很長的風(fēng)道的湍流流動(dòng)，在300K及380K溫度范圍內(nèi)平板表面的自然對流換熱：平板集熱器和建筑墻壁當(dāng)10000＜GrL＜109時(shí)，建議用下式

講師：

朱敦智第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二太陽能利用對流換熱公式兩塊平行平板之間的自然對流換熱對于30°＜q＜60°,12＜H/d＜40及1.3*104＜Gr·Pr＜106的情況兩塊平行平板之間的強(qiáng)制對流換熱當(dāng)流體為湍流時(shí)，可以利用下述基于空氣做的實(shí)驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式卵石床中對流換熱

講師：

朱敦智第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二輻射換熱熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱量的現(xiàn)象，其主要特點(diǎn)熱交換不需要物體間直接接觸。熱輻射是指具有熱效應(yīng)的輻射能，即能被物體吸收，又能轉(zhuǎn)換成熱能。熱輻射所包含波長范圍主要位于0.3~50m，即紫外、可見光和紅外三個(gè)波段。在工業(yè)過程中，物體溫度一般在2000K以下，其輻射能在紅外波段內(nèi)，因此可將熱輻射看成紅外線輻射。

講師：

朱敦智第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二輻射的吸收、反射和透射當(dāng)輻射投射到一個(gè)物體（固體、液體或氣體）時(shí)，部分能量被吸收，部分能量被反射或散射，余下的將透過物體，各部分能量與入射輻射能的比值定義為物體的“吸收比”，“反射比”和“透射比”自然界所有物體的吸收比、反射比和