热能与动力工程概论 教学课件 ppt 作者 吕太 第七章 新能源的利用技术

1、第七章 新能源的利用技术,第一节 太阳能利用技术,一、太阳及太阳辐射能 二、到达地球的太阳辐射能 三、太阳能的光热利用技术 四、太阳能的光电利用技术 五、太阳能的光化学利用技术,一、太阳及太阳辐射能,太阳是一个炽热的气态球体，其直径约为1.39106km，质量约为2.21027t，为地球质量的3.32105倍，体积则比地球大1.3106倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约80%）和氦（约19%）。 太阳内部因持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，而不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.0072g。 太阳是离地球最近的恒星，日地间的距离大约为1.5108km。太阳的辐射功率为3.81026W，每秒钟要消耗61011kg氢核燃料，实际质量损失为4.2109kg。太阳上氢的储量极为丰富，按目前的辐射水平，太阳的寿命可达几十亿年。因此，太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的。,一、太阳及太阳辐射能,太阳的能量以电磁波的形式向外辐射，它的辐射波长范围从0.1nm以下

2、的宇宙射线直至无线电波的极大部分，人的肉眼所能感觉到的可见光（波长从400780m），差不多占太阳辐射总能量的一半。因此，人们把太阳辐射称为短波辐射。,太阳及太阳辐射能,太阳辐射能主要集中在波长较短的可见光部分，可见光区差不多占太阳辐射总能量的一半。因此，人们把太阳辐射称为短波辐射。 波长范围：0.154.0微米,二、到达地球的太阳辐射能,太阳的总辐射功率约为3.751026W，但是，在地球范围内，只有1.731017W的辐射功率到达地球大气层上缘。进入地球大气层的太阳能，有47%到达地球表面，其辐射功率为8.11016W。到达地球陆地表面的约为1.71016W，相当于全世界目前一年总能耗的3.5万倍以上。 地球在绕太阳运行过程中，与太阳间的距离变化不大，到达地球大气层上界的太阳辐射强度几乎是一个常量，用太阳常数Isc来表示。太阳常数的数值是指平均日地间距离时，地球大气层上界垂直太阳光线的单位面积表面、单位时间内所接收到的太阳能。近年来测得太阳常数值Isc=1.35103Wm-2，日地距离的变化造成的影响不超过3.4%。,太阳辐射能到达地球表面的衰减过程,太阳辐射穿过大气层时，不仅受到

3、大气层中的空气、水蒸气及灰尘的散射，而且被大气中氧、臭氧、水蒸气和二氧化碳所吸收。具体地讲：太阳光谱中的X射线及其他波长更短的辐射，因在电离层被氮、氧及其他大气分子强烈吸收而不能穿越大气到达地表面，大部分紫外线被臭氧吸收，可见光受地球大气层强烈散射而能量减弱，红外光谱由于水蒸气的选择性吸收而能量减弱，波长超过2500m的辐射，在大气上界本来就很低，加上二氧化碳和水对它的强烈吸收，能达到地面的能量就更小。 可见，到达地面的太阳能，只考虑2902500m的辐射就行了。这部分太阳辐射透过大气层时，由于大气的散射和吸收，能量同样衰减。,到达地球的太阳辐射能,三、太阳能的光热利用技术,1.太阳能的光热利用系统 2.太阳能光热利用系统的主要设备 3.太阳能热水器系统 4.太阳能制冷和空调系统 5.太阳能热动力发电系统,太阳能的光热利用系统,太阳能是所有国家和个人都能够得以分享的能源，为了能够经济有效的利用这一能源，人们从科学技术上着手研究太阳能的收集、转换、贮存以及输送，已经取得显著进展，这无疑对人类的文明具有重大意义。 1.太阳能的光热利用系统 太阳能的光热利用（或太阳能的热转换利用），是指将太

4、阳辐射能通过集热装置转变为高温热能直接利用，或将这种转换来的热能变为机械能，带动机器和发电。 迄今为止，太阳能热利用是太阳能中最成熟的技术，转换效率较高，价格也比较低廉，尤其是中、低温的热利用，由于热源和热负荷二者要求都较低，从能源的有效利用来说，是最为经济和合理的。,太阳能的光热利用系统,太阳能的光热利用系统根据温区不同，又分为低温太阳能利用系统（80以下）；中温太阳能利用系统（80350）；高温太阳能利用系统（350以上）。 1) 低温太阳能热利用系统，包括最简单的地膜、塑料大棚以及热水器、被动式太阳房、太阳能干燥、太阳能制冷等。低温太阳能利用系统中，决定成本和效率的关键部分是平板集热器。 2) 中温太阳能热利用系统，包括空调制冷、制盐以及给企业生产提供中温用热，例如木材的干燥、纺织品的漂白印染、塑料制品的热压成型和化学蒸馏等。中温太阳能利用系统的集热器都需要一定程度的聚光。但聚光集热器的成本大大高于平板集热器。 3) 高温太阳能热利用系统，包括简单的聚焦型太阳灶、焊接机和高温炉以及大型热发电。它的集热系统需建造大型旋转抛物面聚光集热器和定日镜场。这两者（特别是定日镜）的投资耗费非

5、常大。近几年来，集中目标在研究技术先进、成本较低的定日镜。,2.太阳能光热利用系统的主要设备,(1) 平板集热器 (2) 真空管太阳能集热器 (3) 聚焦型太阳能集热器,图7-2 平板型液体热介质集热器结构图,图7-2所示为平板型液体热介质集热器结构图。其由透明玻璃盖板、集热板、绝缘材料、外壳等组成，容易被安装在建筑物上，多用于房屋的供热水、采暖或制冷等方面。,（1）平板集热器,太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能光热利用中的关键设备。 平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。 平板集热器结构简单，使用和维修方便。,平板集热器的优缺点,平板集热器的优点：不必跟踪太阳，就可收集到大量太阳辐射，省去了造价昂贵、机构复杂的跟踪设备；使用、维修简单方便，投资少；吸收辐射范围广，既可接受直接太阳辐射，又可接受天空中的散射辐射和漫射辐射。 平板集热器的缺点：不能提高太阳辐射强度，只能提供中、低温载热介质，多用于供暖、空调行业，由于集热效率不断提高，因此在小型发电装置上也有应用。,（2） 真空管

6、太阳能集热器,为了减少平板太阳能集热器的热损，提高集热温度，国际上于20世纪70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的真空集热管的背部还加装了反光板。,真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管、玻璃U形管真空集热管（见图7-3）、玻璃金属热管真空集热管、直通式真空集热管和储热式真空集热管。,图7-3 U形管式玻璃真空管集热管结构图,自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来，经20多年的努力，我国已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业，用于生产集热管的磁控溅射镀膜机在百台以上，产品质量达世界先进水平，产量雄居世界首位。我国自20世纪80年代中期开始研制真空集热管，经过十几年的努力，攻克了热压封等许多技术难关，建立了拥有全部知识产权的真空集热管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。,(3) 聚焦型太阳能集热器,投射到地面上的太阳能的能量密度很低，平板集热器由于受到辐射热流密度低的限制，能达到的最高温度很有限，而且平板太阳能集热器越大

7、热损失越多，效率越低，使平板集热器的热发电装置的理论效率不过3%5%。 对于宜于在高温条件下运行的太阳能热发电站应采用增大能量密度的聚焦型太阳能集热器，利用聚焦镜可以成百上千倍地提高到达接收器的能量密度。 聚焦型太阳能集热器通常由三部分组成，即聚光器、吸收器和跟踪系统。 提高自然阳光能量密度的聚光方式很多，根据光学原理，可以分为反射聚光和折射聚光，形成的焦像可分为点焦和线焦，其工作原理是，自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质，跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与入射太阳辐射总是互相垂直的。,聚焦型太阳能集热器的跟踪装置大体上可以分为两类，即二维跟踪系统和一维跟踪系统。,二维跟踪系统同时跟踪太阳的方位角和高度角的变化，通常采用光电跟踪方式。 一维跟踪系统只跟踪太阳的方位角，对高度角只进行季节性调整，通常采用光电跟踪或时钟机械跟踪。 时钟机械跟踪精度虽比不上光电跟踪，但结构简单，维修方便，且无需外部动力，对一些小型聚焦型太阳能集热器颇为经济实用。,聚焦型太阳能集热器也有其缺点，就是结构复杂，造价昂贵，多数不能收集占总太阳辐射20%40

8、%的漫射辐射，有的还需要精确的太阳跟踪装置和聚焦装置。,3.太阳能热水器系统,太阳能热水器是目前太阳能热利用技术领域商业化程度最高、推广应用最普及的技术。 太阳能热水器系统通常由平板集热器、蓄热水箱、连接管道及控制系统组成。 按流体的流动方式可分为三大类：闷晒式、直流式和循环式。其中，循环式太阳能热水器应用最广。按照形成水循环的动力，循环式又可分为自然循环式和强制循环式。,太阳能热水器系统,图7-4就是自然循环式太阳能热水器的示意图。 水箱中的冷水从集热器的底部进入，吸收太阳能后温度升高，密度降低，与冷水之间形成的密度差构成了循环的动力。 当循环水箱顶部的水温达到使用温度的上限时，则由温控器打开电磁阀使热水流入热水箱，与此同时，补给水箱自动补水。当水温低于使用温度的下限时，温控器使电磁阀关闭。这种装置可使用户得到所需温度的热水，使用起来非常方便。,图7-4 自然循环式太阳能热水器系统图,因为自然循环压头小，对于大型太阳能供热水系统通常就需要采用强迫循环，由泵提供水循环的动力。,4.太阳能制冷和空调系统,太阳能制冷技术与常规能源驱动的制冷装置原则上相似，但太阳能属于低品位和低密度能源，需

9、求太阳能制冷系统有独特的性能。 利用太阳能作为动力源来驱动制冷或空调装置有着诱人的前景，因为夏季太阳辐射最强，也是最需要制冷的时候。这与太阳能采暖正好相反，越是冬季需要采暖的时候，太阳辐射反而最弱。 太阳能制冷可以分为两大类：一类是先利用太阳能发电，而后再利用电能制冷；另一类则是利用太阳能集热器提供的热能去驱动制冷系统。最常用的制冷系统有吸收式制冷和太阳能吸附式制冷。,另外，还有太阳能溴化锂水吸收式制冷系统，对热源的温度要求较低，一般在90100即可，因此特别适合于利用太阳能，因为一般平板型和真空管集热器均可达到这一温度。太阳能吸附式制冷的原理和普通吸附式制冷的原理一样，与吸收式制冷相比，其结构简单，但制冷量较小，适合于作太阳能冰箱。,利用太阳能既采暖又空调是太阳能热利用的主要方向之一。 图7-6为太阳能热水、采暖和空调综合系统示意图。,太阳能制冷和空调系统,5.太阳能热动力发电系统,（1）分散型发电系统 （2）集中型发电系统,5.太阳能热动力发电系统,太阳能热动力发电是利用集热器将太阳辐射能转换为热能，再通过热力循环系统进行发电。 热源采用太阳能向蒸发器供热，工质（通常是水）在蒸发器（或锅炉）中蒸发为蒸汽并过热，进入透平，通过喷管加速后驱动叶轮旋转，带动发电机实现发电，离开透平的工质成为低压饱和蒸汽，进入冷凝器后向冷却介质（水或空气）释放潜热，凝结为液体工质并重新回到循环器中循环使用。,5.太阳能热动力发电系统,太阳能热发电还需考虑太阳能的间隙性的不利因素，为保证正常供电和发电系统正常运转理论上有三种选择： 配置蓄电装置，把多余的电能储存起来以供需要； 在太阳能集热器与热机之间设置贮热装置，把电负荷较低时多余的热能储存起来，使发电机在用电高峰时以更大的功率发电。 把太阳能发电系统和电网并联。 太阳能热发电系统包括：集热系统热传输系统，蓄热与热交换系统，汽轮机发电系统。它的功能是把太阳光反射、集中并能变成热能，再把热能储存和转变为高温水蒸气，实现蓄热和热交换。,5.太阳能热动力发电系统,太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向，根据集热器型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。 (1) 分散型发电系统 它是将抛物面聚光器配置成很多组，然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。

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