太阳能热利用原理与技术
74页1、1.1 能源和太阳能 日常生活和社会生产与发展都离不开能源。所谓能源就是人类生产生活所需要的能量资源。 能源主要有如下几种形式:矿物燃料(化石能源)、水能、风能、太阳能、生物质能、海洋能和地热能等。 从广义的角度看,几乎所有的自然能源都来自太阳能。 现代社会的发展主要依靠:煤、石油、天然气、水力能和原子能等。,第一章: 绪 论,热能利用的历史就是一部人类的发展史:,我国目前的各种用能的比例见下图:,美国目前的各种用能的比例见下图:,开发可再生能源的必要性,但化石能源是短时间不可再生的,叫做一次性能源。这些能源的藏量有限,很快就会枯竭,而且在使用时带来严重的环境污染。因此,探索使用可再生的能源是十分必要的,太阳能、生物质能、风能等是可再生能源的主体,特别是太阳能:取之不尽,用之不竭,清洁可靠、免费供应、人人均等。,世界上最丰富的永久性能源是太阳能。地球截取的太阳辐射能通量为:1.71014kW。其中:约30%被直接反射回宇宙空间;47%转变为热,以长波辐射形式再次返回太空;约23%是水蒸发、凝结的动力和风与波浪的动能;植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。,太阳能的一般情况,地球每年接
2、收的太阳能总量为11018kWh,相当于51014桶原油,是探明原油储量的几百倍,是世界年耗能总量的一万余倍。,但太阳能与有严重的缺陷:,1 总量虽然巨大,但通量密度低,大气层外为1353W/m2,在地面上1000 W/m2。 2有季节、昼夜和晴雨等间歇性变化。,一历史的回顾 我国西汉时即有“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则生“火”的说法; 西周时代:我们的祖先已经掌握了“阳燧”取火的技术,“阳燧”实际上是一种凹面镜,这是我国太阳能利用的最早记录。,1.2 太阳能热利用的历史、现状和未来,在国外,第一个大规模应用太阳能的人,是希腊的著名科学家阿基米德。公元前212年,他用许多平面镜将阳光聚集起来,烧毁了攻击西西里岛西拉修斯港的罗马舰队。 15世纪一名阿拉伯炼丹术士就使用了大马士革镜进行了太阳能蒸馏。实现了人工的海水淡化过程。 18世纪初发明了第一架用太阳能驱动的发动机;1874年在智利北部Las Salinas建造了第一个大型(4700m2)的太阳能蒸馏水厂;埃及成功地运行了灌溉用的太阳能水泵。,到了近代和现代:,19201930年,美国加州地区开始用太阳能集热器为用户供应热水。 1
3、938年美国麻省理工学院建成了第一座太阳能采暖建筑。 1973年爆发能源危机,进一步促进了新能源的研究与发展,许多国家把重视太阳能的开发利用放在了战略地位上考虑。一大批太阳能利用示范工程被建立。,美国建立了首座5000kW的塔式热发电厂; 美国建立了首座大型太阳能热泵采暖系统(供暖面积27870 m2 ,平板集热器面积3344 m2) 1984的太阳能光电池的定单量已达18.5MW,二我国近年太阳能利用的发展,我国能源从总体上相当丰富,水力资源含量居世界第1位,煤碳居第3位,石油居第8位,天然气居第16位。但我国人口众多,按人均分配看,却是一个真正能源缺口大国,人均拥有的能量储量仅有美国的十七分之一。因此我国在太阳能利用方面有强烈的愿望和需求。,二我国近年太阳能利用的发展,目前,我国已经成为世界上最大的太阳能利用大国,但不是强国。我国上规模的厂家有120多家,小厂家一起,超过5000家,年产值400多亿元。这些成绩的取得都是与我国科学工作者和太阳能专家分不开的。,第二章 太阳辐射,一太阳太阳是离地球最近的一颗恒星。它是一个巨大而炽热的等离子体,主要成份为氢和氦元素。太阳几乎为球形,直径
4、为1.392109m,是地球直径的109倍,体积比地球大130万倍。日地平均距离为1.5108km,从太阳发出的光线到达地球需要8分钟。,太阳的内部结构,太阳内部正经历着剧烈的核反应4个氢原子核1H合成1个氦原子核4He 在这种核反应中,质量亏损为:按照爱因斯坦质量能量关系释放出的能量为,太阳发出的能量及寿命,在太阳中心区有0.1 R的氢燃烧就能释放能量 ,这可以供给太阳辐射(光度L)寿命t达: t=E/L=1.281044J/3.8451026W=3.321017s11010年,太阳的辐射区,辐射区的范围约从0.25 R到0.8 R,密度和温度都很快向外减小,核反应区产生的能量经此区以辐射转移的方式向外传输,从核反应区出来的是高能射线光子,经辐射区物质接连地吸收并再辐射出较低能量的光子,自内向外依次变为X射线、远紫外、紫外、可见光光子,最后以可见光光子及其他形式辐射出来。,地球与太阳的相对大小,太阳发出巨大能量向宇宙辐射,到达地球大气层上界的太阳能量只占太阳总功率的1/20亿,即1801012kW。到达地球外表高层的太阳能中,30%被大气层反射,23%被吸收,47%左右可到达地面。尽
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