《清潔能源概論》太陽(yáng)能熱利用

太陽(yáng)能的熱利用SolarThermalTechnology 1背景之一國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)開(kāi)展規(guī)劃綱要〔2006━2020年〕中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院2十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域——第一是能源五大優(yōu)先主題——節(jié)能;煤;油氣;新能源;電網(wǎng)可再生能源低本錢(qián)規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備；沿海與陸地風(fēng)電場(chǎng)和西部風(fēng)能資源密集區(qū)建設(shè)技術(shù)與裝備；高性?xún)r(jià)比太陽(yáng)光伏電池及利用技術(shù)；太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)；太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)〔光熱及光伏〕；生物質(zhì)能和地?zé)崮艿乳_(kāi)發(fā)利用技術(shù)。3背景之二可再生能源中長(zhǎng)期開(kāi)展規(guī)劃〔2007年9月〕中華人民共和國(guó)國(guó)家開(kāi)展和改革委員會(huì)4重點(diǎn)開(kāi)展領(lǐng)域：太陽(yáng)能1、太陽(yáng)能發(fā)電

戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)；建筑物一體化的屋頂太陽(yáng)能并網(wǎng)光伏發(fā)電設(shè)施；較大規(guī)模的太陽(yáng)能光伏電站和太陽(yáng)能熱發(fā)電電站。2、太陽(yáng)能熱利用太陽(yáng)能一體化建筑；太陽(yáng)能集中供熱水工程；太陽(yáng)能采暖和制冷示范工程。水電、生物質(zhì)能、風(fēng)電、太陽(yáng)能、其它可再生能源5太陽(yáng)并不是一個(gè)一定溫度的黑體，而是許多層不同波長(zhǎng)發(fā)射和吸收的輻射體。但在應(yīng)用太陽(yáng)能系統(tǒng)時(shí)，通常把它看成是溫度為6000K的黑色輻射體。太陽(yáng)黑體輻射6Representstheentireelectromagneticradiation(visiblelight,infrared,ultraviolet,x-rays,andradiowaves)7到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射能地球在繞太陽(yáng)運(yùn)行過(guò)程中，與太陽(yáng)間的距離變化不大，到達(dá)地球大氣層上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度幾乎是一個(gè)常量，用太陽(yáng)常數(shù)來(lái)表示。太陽(yáng)常數(shù)的數(shù)值是指在平均日地距離時(shí)，地球大氣層上界垂直太陽(yáng)光線的單位面積外表、單位時(shí)間內(nèi)所接受到的太陽(yáng)能。近年來(lái)測(cè)得的太陽(yáng)常數(shù)值A(chǔ)M0=1350W/m2，日地距離的變化造成的影響不超過(guò)±3.4%。AM0，太空常用，1350W/m2AM1.5，地面常用，844W/m28太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣層時(shí)的衰減太陽(yáng)光譜中的x射線及其它波長(zhǎng)更短的輻射，因在電離層被氮、氧及其它大氣分子強(qiáng)烈吸收而不能穿越大氣到達(dá)地表大局部紫外線被臭氧吸收可見(jiàn)光能量減弱，主要是地球大氣強(qiáng)烈散射引起的紅外光譜能量減弱，主要是由于水汽對(duì)太陽(yáng)輻射選擇性吸收的結(jié)果波長(zhǎng)超過(guò)2500μm的輻射，在大氣上界本來(lái)就很低，加上二氧化碳和水對(duì)它的強(qiáng)烈吸收，能到達(dá)地面的能量就更小因此，到達(dá)地面的太陽(yáng)能，只考慮290μm～2500μm的輻射就行了。9ResourceCharacteristics——地面附近太陽(yáng)輻射光譜圖10Solarresource——我國(guó)太陽(yáng)能資源分布

11太陽(yáng)能熱利用的分類(lèi)高溫太陽(yáng)利用系統(tǒng)(350℃以上)Hightemperatureforelectricpowergeneration

中溫太陽(yáng)能利用系統(tǒng)(80－350℃)Heatingforindustrialprocessesand“active”buildingsolarheating(humancomfort)

低溫太陽(yáng)能利用系統(tǒng)(80℃以下)Lowtemperatureforwaterheatingand"passive"buildingsolarheating(humancomport)

12太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù) 太陽(yáng)能供暖技術(shù) 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng) 太陽(yáng)能制冷技術(shù) 其它太陽(yáng)能的熱利用技術(shù) 太陽(yáng)能熱利用的分類(lèi)131太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)1.1太陽(yáng)能熱發(fā)電的類(lèi)型和特點(diǎn)太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電，利用反射鏡或集熱器將陽(yáng)光聚集起來(lái)，加熱水或其它介質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽或熱氣流以推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電；利用熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，將聚集的太陽(yáng)光和熱直接發(fā)電。例如溫差發(fā)電、熱離子發(fā)電和磁流體發(fā)電等。目前太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)主要為熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。14太陽(yáng)能高溫利用例如——集中熱動(dòng)力發(fā)電151.1太陽(yáng)能熱發(fā)電的類(lèi)型和特點(diǎn)太陽(yáng)能是一種能流密度很低的能源，假設(shè)要提高經(jīng)濟(jì)效益，就必須提高熱機(jī)效率和規(guī)模大型化。太陽(yáng)輻射能很容易以極高的效率轉(zhuǎn)換為熱能，但把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ敲词艿较拗?。熱力學(xué)第二定律和卡諾定律闡述了熱轉(zhuǎn)換為功的條件和最大轉(zhuǎn)換效率，提高熱機(jī)效率的主要途徑是提高熱源溫度。161.2太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)塔式電站碟式電站槽式電站太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)17PowertowerinBarstow,California

18PowertowerinBarstow,California

19(1)塔式電站PowerTowers塔式電站用一個(gè)中心吸收器取代火力發(fā)電站的鍋爐。吸收器利用由許多反射鏡聚集的陽(yáng)光把其中的介質(zhì)(如水)加熱，并產(chǎn)生溫度和壓力都相當(dāng)高的蒸汽。蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。塔式電站的聚光倍數(shù)高(1000～3000)，其介質(zhì)工作溫度通常大于350℃，因此通常被稱(chēng)為高溫太陽(yáng)能熱發(fā)電。塔式電站的優(yōu)點(diǎn)是聚光倍數(shù)高，容易到達(dá)較高的工作溫度；能量集中過(guò)程由反射光一次完成，方法簡(jiǎn)捷有效；吸收器散熱器面積相對(duì)較小，光熱轉(zhuǎn)換效率高。但塔式電站建設(shè)費(fèi)用高，其中反射鏡的費(fèi)用占50%以上。太陽(yáng)能塔式電站的總體效率可以到達(dá)20%。20目前世界上較大的太陽(yáng)能塔式電站功率已到達(dá)104kW，太陽(yáng)能輻射通過(guò)多個(gè)反射鏡聚集到放置在高塔頂?shù)闹行奈掌魃稀Ｓ?jì)算機(jī)控制每塊反射鏡都能獨(dú)立的根據(jù)太陽(yáng)的位置來(lái)調(diào)整各自的方位和傾角，這保障了每塊反射鏡都能隨時(shí)把太陽(yáng)能反射到吸收器上，但這無(wú)疑增加了本錢(qián)。塔式電站的致命缺點(diǎn)是太陽(yáng)能電站規(guī)模越大，反射鏡陣列的占的面積越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一個(gè)方案中的1MW的塔式電站，要用2.93萬(wàn)塊反射鏡，單鏡面積為30m2。這些反射鏡布置在3km2的場(chǎng)地上，塔的高度為305m。21100m2定日鏡heliostat2223Currentheliostatprices$125to$159m-2

24(2)碟式電站Dishtechnology采用碟狀(也稱(chēng)盤(pán)狀)拋物鏡作集熱器。

Smallscaledistributedapplications

25Becausetheyworkbestunderdirectsunlight,parabolicdishesmustbesteeredthroughoutthedayinthedirectionofthesun.Shadingandlanduseconsiderations

26碟式電站缺點(diǎn)——系統(tǒng)復(fù)雜拋物鏡如建立一個(gè)100MW的碟狀拋物鏡集熱器分散布置的太陽(yáng)能電站，約需要1～2萬(wàn)個(gè)直徑為6m的拋物鏡。高溫接收器管路及絕熱材料跟蹤控制系統(tǒng)27(3)槽式電站

ParabolicTroughs槽式電站與碟式電站相似，它把聚焦器分散布置，使載熱介質(zhì)在單個(gè)分散的太陽(yáng)能聚焦集熱器中加熱成蒸汽，再聚集至汽輪機(jī)。如采用雙回路系統(tǒng)，那么加熱后的載熱介質(zhì)不直接送到汽輪機(jī)，而是集中在一個(gè)熱交換器內(nèi)，然后把熱量傳遞給汽輪機(jī)回路中的工質(zhì)。28槽式聚光器Parabolictroughconcentrator29槽式電站集熱器示意圖One-axistrackingparabolictroughwithaxisorientedeast-west30CollectorsinsouthernCA3132塔式電站和碟式拋物鏡集熱器分散布置式電站均為點(diǎn)聚焦，聚光倍數(shù)高達(dá)500以上。但塔式電站的跟蹤代價(jià)高，碟式電站的能量集中代價(jià)大，二者受到了目前技術(shù)水準(zhǔn)的限制，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化尚需時(shí)日。槽式電站是線聚焦，聚光倍數(shù)小于100。但槽式電站跟蹤精度低，導(dǎo)致控制代價(jià)小，同時(shí)采用管狀吸收器，工作介質(zhì)受熱流動(dòng)同時(shí)集中能量。槽式電站的總體代價(jià)相對(duì)小，經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)提高，所以目前槽式電站開(kāi)展迅速。塔式、槽式和碟式三種電站技術(shù)比較：33(4)煙囪發(fā)電Solarthermalchimney太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱棚、太陽(yáng)能煙囪和渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組3個(gè)根本局部所構(gòu)成太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電設(shè)想是由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的J.Schlaich教授于1978年提出34太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)原理簡(jiǎn)圖35太陽(yáng)能集熱棚建在一塊太陽(yáng)輻照強(qiáng)、絕熱性能比較好的土地上。集熱棚和地面有一定間隙，可以讓周?chē)諝膺M(jìn)入系統(tǒng)；集熱棚中間離地面一定距離處安裝煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機(jī)。太陽(yáng)光照射集熱棚，集熱棚下面的土地吸收透過(guò)覆蓋層的太陽(yáng)能輻射能，并加熱土地和集熱棚覆蓋層之間的空氣使集熱棚內(nèi)空氣溫度升高，密度下降，并沿著煙囪上升，集熱棚周?chē)睦淇諝膺M(jìn)入系統(tǒng)，從而形成空氣循環(huán)流動(dòng)。由于集熱棚內(nèi)的空間足夠大，當(dāng)集熱棚內(nèi)的空氣流到達(dá)煙囪底部的時(shí)候，在煙囪內(nèi)將形成強(qiáng)大的氣流，利用這股強(qiáng)大的氣流推動(dòng)裝在煙囪底部的渦輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)原理36太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能幾乎是取之不盡，用之不竭的清潔能源，太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電對(duì)環(huán)境無(wú)污染；太陽(yáng)能熱風(fēng)電廠通過(guò)設(shè)置蓄熱系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行；太陽(yáng)能熱風(fēng)電廠設(shè)備簡(jiǎn)單，透平發(fā)電機(jī)組是唯一的運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)費(fèi)用低；不需冷卻水、不產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，對(duì)緩解全球變暖有積極作用。

372太陽(yáng)能供暖技術(shù)太陽(yáng)能采暖技術(shù)直接利用太陽(yáng)輻射能供暖，也稱(chēng)太陽(yáng)房(SolarHouse)?，F(xiàn)代技術(shù)不斷擴(kuò)展和完善太陽(yáng)能的功能，新式太陽(yáng)房具有太陽(yáng)能收集器、熱儲(chǔ)存器、輔助能源系統(tǒng)和室內(nèi)暖房風(fēng)扇系統(tǒng)，可以節(jié)能75－90%。太陽(yáng)房具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，與建筑設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，日益成為太陽(yáng)能利用的重要領(lǐng)域。382.1被動(dòng)式太陽(yáng)房PassiveSolarHouseThesimplestandmosteconomicalapproachNofans,pumps,oractivecirculationofheat39PlasticGreenHouse40GlassGreenHouse4142〔1〕利用溫室效應(yīng)的被動(dòng)式太陽(yáng)房集熱墻，排氣孔,通風(fēng)孔當(dāng)太陽(yáng)照射到集熱墻時(shí)，墻內(nèi)的空氣在被加熱后會(huì)由于冷熱空氣密度不同而產(chǎn)生對(duì)流。由于熱的空氣上升，會(huì)源源不斷進(jìn)入室內(nèi)，而室內(nèi)底層的冷空氣那么被集熱墻吸收，形成循環(huán)對(duì)流后，室內(nèi)的溫度慢慢升高。當(dāng)沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，關(guān)閉集熱墻的通風(fēng)孔，房屋的四壁和頂蓬的保溫性得到保障，室溫可以保持。當(dāng)天氣炎熱時(shí)，將集熱墻上部通向室內(nèi)的通風(fēng)孔關(guān)閉，再翻開(kāi)頂部的排氣孔，如有地下室還可引入冷空氣。這種集熱墻將起抽風(fēng)作用，使室內(nèi)的空氣加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)降溫的目的。43帶集熱墻式的被動(dòng)式太陽(yáng)房44被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)關(guān)鍵：三層玻璃

被動(dòng)式太陽(yáng)房試圖接收盡可能多的陽(yáng)光，房子大多向南，窗戶(hù)面積也盡可能地大，三層隔離窗的設(shè)計(jì)，是為了使室內(nèi)產(chǎn)生的熱量不會(huì)向外流失。隔熱裝置

被動(dòng)式房屋只有依靠高標(biāo)準(zhǔn)的隔熱裝置，才能儲(chǔ)存各種熱量，成為出色的節(jié)能高手。通風(fēng)設(shè)備

被動(dòng)式太陽(yáng)房的核心是自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)。從廢氣中抽取熱量，再使用這個(gè)熱量為吸入的新鮮空氣加熱。45帶熱收集器式的被動(dòng)式太陽(yáng)房46(2)自然式被動(dòng)太陽(yáng)房這種太陽(yáng)房南面墻采用大面積的落地窗，反面那么是較封閉的實(shí)墻。冬天陽(yáng)光通過(guò)落地窗直接進(jìn)入宅內(nèi)，提供熱能。這種太陽(yáng)房的陽(yáng)臺(tái)根據(jù)太陽(yáng)高度角設(shè)計(jì)，夏天陽(yáng)光僅照到陽(yáng)臺(tái)而不進(jìn)室內(nèi)，并且室內(nèi)空氣流通。自然被動(dòng)式太陽(yáng)房的結(jié)構(gòu)示意圖47Solarpathat40°northlatitude

4849冬季日照情況——太陽(yáng)高度角低50夏季日照情況——太陽(yáng)高度角高512.2主動(dòng)式太陽(yáng)房ActiveSolarHouse主動(dòng)式太陽(yáng)房不是自然接受太陽(yáng)能取暖，而是安裝了一套系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)供暖。它通常在建筑物上裝設(shè)一套集熱、蓄熱裝置與輔助能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)主動(dòng)的利用太陽(yáng)能。主動(dòng)式太陽(yáng)房本身就是一個(gè)集熱器，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)把隔熱材料、遮光材料和儲(chǔ)能材料有機(jī)地用于建筑物，實(shí)現(xiàn)房屋吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)能。52空氣-集熱器熱交換示意圖氣流強(qiáng)制循環(huán)示意圖ActiveSolarHouse53主動(dòng)式太陽(yáng)房的集熱器外形54主動(dòng)式太陽(yáng)房的太陽(yáng)能加熱管線55563太陽(yáng)能制冷技術(shù)太陽(yáng)能制冷技術(shù)與常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)的制冷裝置原那么上相似，但太陽(yáng)能屬于低品位和低密度能源，要求太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)有獨(dú)特的性能。太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)從原理上看有兩類(lèi)：①直接以太陽(yáng)輻射熱能為驅(qū)動(dòng)能源，主要有吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷等。②以太陽(yáng)能產(chǎn)生的機(jī)械能為驅(qū)動(dòng)能源，主要有壓縮式制冷、光電式制冷和熱電制冷等。目前常用的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)包括太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)、太陽(yáng)能?chē)娚涫街评湎到y(tǒng)、太陽(yáng)能吸附式制冷和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷系統(tǒng)等。574太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要討論太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)