可再生能源概论 教学课件 ppt 作者 左然 施明恒 第三章太阳能热利用
66页1、第三章 太阳能热利用,太阳能的特点 优点: 清洁、可再生、分布广、获取容易 缺点:能流密度低、能量不稳定、不连续 太阳能热利用 将太阳辐射直接转换成热能供人类利用。基本原理是利用集热装置将太阳辐射收集起来,再通过与介质的相互作用转换成热能而加以直接或间接的利用。,3.1 太阳辐射的基本概念,组成气体主要为氢(约80)和氦(约19) 太阳的能量来源是太阳内部的氢氦热核反应 太阳每秒钟向外发射的能量约为 3.741026J,太阳构造示意图,日地关系和太阳常数,地球与太阳的位置关系,地球上四季的变化,夏至与冬至的太阳光线,太阳常数,太阳常数就是指在平均日地距离,垂直于太阳辐射的大气外层平面上,单位时间、单位面积上所接收的太阳辐射能,国际上通常取 在大气层之外,在一年中的某一天单位时间、单位垂直面积上所接收到的太阳辐射能可用下式计算: D:日地距离, D0:日地距离,IC:太阳常数,n:从元旦算起的天数,地球接收和发出的太阳辐射,太阳辐射光谱分布,太阳辐射是一种电磁辐射,其辐射波是一种电磁波,太阳辐射波既具有波动性也有粒子性。 太阳辐射可分为紫外波段、可见波段、红外波段 太阳辐射的能量主要集中
2、在波长区间 ,属于一种短波辐射占总能量的 99 能量分布的最大值所对应的波长 在 左右,属蓝色光范围,地球表面的太阳辐射,太阳辐射进入地球大气层后,不仅要受到大气中的空气分子、水蒸气和尘埃的反射和散射,还要受到大气中氧、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。反射和吸收使到达地球表面的太阳辐射强度显著减弱,而且还会改变辐射的方向和辐射光谱的分布 。 到达地球表面陆地上的太阳辐射功率大约只有 到达地面的太阳辐射强度还受到大气层厚度的影响。大气层越厚,到达地面的太阳辐射量越少。,大气质量与大气透明度,大气质量AM 设A为地球表面海平面上的 一点。当太阳在天顶位置S 时,太阳垂直入射,太阳辐 射穿过大气层到达点A的路径 为OA。当太阳位于任一位置 时,其穿过大气层到达点的 路径为 。大气质量的定 义为两者之比,即,太阳高度角 太阳辐射到达海平面点的入射线和海平面点切线方向的 夹角h则有: 地面上任一点太阳辐射强度 单位时间单位面积上所入射的太阳辐射功率 式中, :大气质量为AM1时的海平面上的太阳辐射强度,太阳辐射强度除了与大气质量有关外,大气中含有的各种气体和固体尘埃都会影响太阳光的透过量。若定义P
3、为大气透明度 ,则有下列关系: 其中,P1:大气质量为1时的大气透明度,Pm:大气质量为m时的大气透明度。P值越大,大气越透明。P值永远小于1,一般在之间 在0.30.85之间。,我国太阳能资源分类概况,太阳辐射入射角的计算,太阳高度角h :当地的纬度角 :时角 n :一天24小时的时 间数,太阳光线与地面 (a)和集热面(b)的角度关系,赤纬角 太阳地球连线与地球赤道所夹的圆心角,太阳赤纬角,太阳入射角 太阳光线与被照射的平面法线之间的夹角。计算某水平 面上逐时的太阳入射角可用 若集热面朝向正南,与水平面的倾角为 ,则该斜面上 太阳辐射的入射角(太阳射线与斜面法线的夹角)由下式计 算:,3.2 太阳能集热器,平板型集热器的基本结构,集热板 选择性吸收涂层 透明盖板 隔热层与外壳,集热板,作用 通过吸收太阳辐射收集太阳 能,并把收集到的太阳能转 变为热能 技术要求 最大限度地吸收太阳辐射; 传热性能好 ; 有好的机械和耐腐蚀性能; 加工简单,造价低;,选择性吸收涂层,目的:为了提高集热板吸收太阳辐射的能力,在集热板上都覆盖着一层黑色涂层 类型: 1)非选择性吸收涂层涂层(对太阳辐射的吸
4、收特性和辐 射波长无关) 2)选择性吸收涂层(涂层的吸收特性随辐射波长而改变。通常为多层膜结构,包括红外反射底层、吸收层和上部的减反射层等 。涂层可以用喷涂,化学、电化学、真空镀膜、磁控溅射等方法来制备 。,透明盖板,主要功能 透过太阳辐射、保护集热板不受外界灰尘和 雨雪侵蚀、形成温室效应 。 材料要求 太阳辐射的透射率高、红外辐射的透射率低、导热 性差和耐蚀耐冲击性能好 。 目前常用盖板材料 平板玻璃、玻璃刚、阳光板等。,透明蜂窝,透明蜂窝既能透过太阳辐射又具有优良的隔热性能 蜂窝在太阳辐射入射角为时的总透过率T() : :蜂窝壁材料的透射率 f:蜂窝壁的横截面积与蜂窝孔的横截面积之比 t:蜂窝壁厚度 D:蜂窝孔的水力直径 R:光线透过蜂窝壁的次数 :蜂窝的高宽比,透明蜂窝的基本结构,太阳光通过透明蜂窝的透射,一种带透明蜂窝的改进型太阳能平板集热器,a)集热器剖面图 b)几种类型集热器热效率的比较,平板型集热器的能量方程,太阳辐射为I,环境温度 ta。假定沿集热板方向的导 热可以忽略不计,材料的导 热系数k和与环境的换热系数 为常数。集热板厚度为, 两相邻冷却流体管道之间的 距离为2
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