太阳能热利用的状和特征doc太阳能热利用技术的特点和现状 摘要：太阳能是理想的可再生能源.太阳能热利用技术目前还处于发展时期。文章对太阳能热利用成熟技术、先进技术以及当前研究的中心问题进行了简要的概述。成熟技术部分主要包括热水器、太阳灶、太阳房等广为人们使用的太阳能热利用技术；先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利用技术，包括太阳能空调制冷、太阳能制氢、太阳能海水淡化及太阳能烟囱发电等；在当前研究的中心问题部分，主要论述了解决太阳能热利用的关键技术问题。 关键词：太阳能 热利用 制冷 Abstract: Solar energy is an ideal renewable energy source and the thermal utilization is one of the most important applications. We review the status of solar thermal utiliz- ation, including: Firstly, developed technologies which are already widely used all over the world, such as solar assisted water heaters, solar cookers, solar heated buildings and so on; Secondly, advanced technologies which are still in the developmentor laboratory stage and could havemore innovative applications, including thermal power generation, solar refrigeration, hydrogen production, desalination, and chmineys; Thirdly,major problemswhich need to be resolved for advanced utilization of solar thermal energy. Keywords solar energy, thermalutilization, solar refrigeration 0 引言 由于人类对能源需求的日益增长，常规能源的日益短缺，石油价格不断上涨，全球气候变暖以及环境的压力，世界各国为寻求能源安全和人类社会可持续发展，将战略目光转向可再生能源的开发。太阳能是最理想的可再生能源，具有清洁、无污染、辐射总功率巨大且取之不尽的优点，开发和利用太阳能是人类社会可持续发展的重要举措。 当前，技术成熟的、广泛应用的太阳能热利用方式有太阳能热水器、太阳灶及太阳房等，其中以太阳能热水器的应用最为广泛。 1太阳能的特点 太阳能的利用之所以成为空调等众多领域节能技术的焦点之一，是因为太阳能有着诸多优点： a)储量的“无限性”：太阳每秒钟放射的能量大约是118668kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约120465%千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有取之不尽，用之不竭的“无限性”。 b)存在的普遍性:相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 c)利用的清洁性:太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。 d)利用的经济性:可以从两个方面看太阳能利用的经济性:一是太阳能取之不尽，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用:二是在目前的技术发展水平下。太阳能利用不仅可能而且可行。 因此，太阳能是人类取之不尽、用之不竭、随处可得的廉价、环保且安全的能源。而世界能源危机所带来的严重问题也使人们意识到:太阳能是人类近期急需的补充能源、是未来能源结构的基础。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。但是太阳辐射能利用也存在着缺点。太阳辐射能在利用中的主要有三个问题[1]: a)分散性太阳辐射能的总量虽然很大，但能流密度低、单位面积上的能量稀薄因此只能通过增大采光面积或者提高聚焦程度来获得较大功率的辐射能。但是前者需要占用较大的地面，而后者则会使成本大大提高。 b)间断性和不稳定性：由于受到季节、气候、昼夜、地理纬度和海拔高度等的影响太阳辐射是间断且不稳定的。要使太阳能能够连续稳定的被利用，就必须很好的解决蓄能问题，这恰恰是太阳能利用的薄弱环节之一。 c)太阳能利用设备的效率低和成本高:虽然太阳能利用在理论上是可行的，技术上也是成熟的，但是经济性还较差。因此当前的研究重点之一，就是尽可能的提高效率和降低成本。总的来说，太阳能有很多其他能源无法相比的优点，有极其广阔的利用前景。太阳能资源丰富地区面积约占全国总面积的三分之二以上，其中有些地区燃料资源非常缺乏。因此，随着我国能源结构的调整，开发太阳能空调具有重要的现实意义。 2 太阳能热利用成熟技术 2.1 太阳能热水器 太阳能热水器（系统）是利用太阳辐射能把水加热的装置。它是太阳能热利用中最基本的也是目前经济效益比较明显的一种装置，已成为一种新兴工业产业，产品实现了商业化。 太阳能热水器一般由集热器、贮热装置、循环管路和辅助装置组成。集热器就是吸收太阳辐射并向载热工质传递热量的装置，它是热水器的关键部件。目前国内的太阳能集热器主要有平板集热器、真空管集热器、聚焦型集热器和空气集热器。 图1 全玻璃真空管太阳集热器结构及组成部件 1-内玻璃管；2-太阳选择性吸收涂层；3-线-支撑件-弹簧卡子； 6-吸气剂；7-吸气膜 早期的集热器为闷晒式,后来发展成为平板式和真空管式。集热器担负着两项主要功能，一是吸收太阳辐射能，二是将热量传递给工质。集热器上的太阳能吸热材料可分为两类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。 太阳辐射可近似地认为是温度6000K的黑体辐射,约90%的太阳辐射能集中在0.3—2μm波长范围内。而太阳集热器的吸热体一般为400—1000K,其辐射能主要集中在2—30μm波长范围内。因此既有高的太阳吸收比又有低的发射率的涂层材料，就可以在保证尽可能 图2 承压式双循环太阳能热水系统 2.2太阳灶 太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。太阳灶常用的集热方法有两种，一种是采用热箱装置,另一种是采用聚光装置。故太阳灶也有两种型式:箱式灶和聚光灶。 2.2.1箱式太阳灶 箱式太阳灶的工作原理是：当阳光透过玻璃进入保温箱体后，遇到黑色的吸收体，光即转变为热.在物理学上，热的辐射也是一种物质运动的形式，主要为红外辐射，其波长较长，恰好玻璃能阻止长波的通过，安装双层玻璃，红外辐射就更难透过。箱体四周和底部均有保温隔热材料，也不让热辐射外逸。换言之，玻璃起了让短波阳光进、不让长波红外线出的作用。尽管箱体总是要散失一部分热量，但箱内的温度随着闷晒时间的延续，将会逐渐升温，直至到达平衡为止。由此可见，这种太阳灶的箱内最高度取决于保温材料的优劣。通常采用棉花保温，可达120℃—150℃左右，这种温度对于炊事使用已足够了。若选用更好的保温材料，则将增加太阳灶的造价,经济上并不合算。为了提高箱式太阳灶的效率，缩短闷晒时间，或防止多云时影响灶温下降，可在箱侧加装反光镜,增大受光面积;也可在箱底加装金属油箱(薄盒)，借助油的储热作用，维持太阳间歇性照射时箱内的温度稳定。在条件允许的情况下，盖面玻璃的表面可以加涂一层光谱选择性材料，如二氧化硅之类的透明涂料，以改变阳光的吸收与发射，提高太阳灶的效率。 2.2.2聚光式太阳灶 聚光式太阳灶是将较大面积的阳光聚焦到锅底，使温度上升到较高的程度，以满足炊事要求。这种太阳灶的关键部件是聚光镜，它不仅有镜面材料的选择问题，而且还有几何形状的设计问题。最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜,也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。聚光式太阳灶的镜面设计,大都采用旋转抛物面的聚光原理。作为太阳灶使用,要求在锅底形成一个焦面,才能达到加热的目的.换言之,它并不要求严格地将阳光聚集到一个点上,而是要求一定的焦面.确定了焦面之后,我们就不难研究聚光器的聚光比,它是决定聚光式太阳灶的功率和效率的重要因素。 2.3太阳房 太阳房是利用太阳辐射能量来代替部分常规能源,使室内达到一定环境温度的一种建筑物.太阳房分为主动式和被动式两类. 1938年世界上第一幢主动式太阳房由美国麻省理工学院建成。它是一种能够控制的采暖方式,用集热器、贮热装置、管道、风机、水泵等设备“主动”收集、储存和输配太阳能。由于它具有利用太阳热能和节约能源的优点,从它诞生的那天开始就十分引人注意。被动式太阳房最早是在法国发展起来的。它主要依靠建筑方位、建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能,使房屋尽可能多地吸收和储存热量。如果所获得的太阳能达到了建筑物采暖、空调所需能量的一半以上,就达到了被动式太阳房的要求。 3 太阳能制冷 实现太阳能制冷主要有两条途径：一是光热转换，以热制冷，如吸收式制冷、吸附式制冷；二是光电转换，以电制冷，如光电制冷、热电制冷；光电转换的制冷方法成本较高，实际应用较少；以热制冷方式相对廉价因而备受睐．主要有3种方式：太阳能吸收式制冷；太阳能吸附式制冷；太阳能喷射式制冷． 3.1太阳能吸收式制冷 吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热，再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。系统简图如图3所示[8]。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机，消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。 吸收式制冷系统的特点与所使用的制冷剂有关，常用于吸收式制冷机中的制冷剂大致可分为水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四个大类。水系工质对是目前研究最热门的课题之一，对它的研究主要是针对现今大量生产的商用LiBr吸收式制冷机依然存在的易结晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在零度以上等缺陷。 图3 太阳能吸收式制冷系统图 3.2 太阳能吸附式制冷 吸附式制冷系统一般由吸附床(集热器)、冷凝器、蒸发器和阀门等构成[9],如图4所示。太阳能吸附式制冷系统的制冷原理，是利用吸附床中的固体吸附(如活性炭)对制冷剂(如甲醇)的周期性吸附、解吸附过程实现制冷循环，即当无阳光暴晒加热时，吸附剂在较低温度下对制冷剂进行吸附压缩，导致液态的制冷剂在蒸发器内汽化吸热，从而使包含蒸发器的空间温度下降，达到制冷的目的。此过程一般在夜间进行。当吸附剂处于阳光曝晒的加热状态时，夜间被吸附的气态制冷剂受热脱附，离开吸附床，过冷凝器时凝结为液体，流回蒸发器中，等待下一循环的蒸发、吸热过程的开始。通常，吸附剂装入吸附床(集热器)中，以接近垂直的角度接收太阳光线的辐射加热，制冷剂装入蒸发器中。 图4太阳能吸附式制冷系统 该系统有两种形式:一种为利用昼夜交替实现自然循环的间歇式太阳能吸附式制冷系统，通常用于夜间制冰，但生产周期较长；另一种是连续性太阳能吸附式制冷系统，即利用多个吸附床交替地进行吸附和脱附、并在吸附床之间发生热交换的连续性回热式循环制冷系统。作为一种不采用氟利昂制冷剂的制冷技术， 太阳能固体吸附式制冷成为制冷界研究的热门课题之一，同时它具有结构简单、运行效率高、不消耗常规能源(如煤、电和化石燃料等)，而且具有噪音小、寿命长、安全性好，以及无需考虑腐蚀问题等优点。大量研究结果表明：许多先进的固体吸附式制冷循环(如连续回热循环、热波循环和对流热波循环等)具有良好的特性，但系统的性能并未达到实际应用的要求。目前太阳能固体吸附式制冷系统制冷效率较，难以与其他形式的制冷系统相比，虽然不断有各种制冷样机研制成功的报道，但离商业化应用仍有较大差距。因此，吸附床传热、传质性能如何进一步强化；吸附床/集热器白天的集热和夜间的散热之间的关系如何有效地解决；如何提高集热器的集热效率；工质对的选取研究工作；如何将夜间的制冷量有效地贮存到白天使用；对于以甲醇和水等低蒸汽压吸附质作为制冷剂的负压系统；如何长期维持系统的真空度等。这些都是需要进一步解决的关键问题。 3.3 太阳能喷射式制冷[6] 喷射式制冷系统的原理如图5所示。制冷剂在换热器中吸热后汽化、增压，产生饱和蒸汽，蒸汽进入喷射器，经过喷嘴高速喷出膨胀，在喷嘴附近产生真空，将蒸发器中的低压蒸汽吸入喷射器168体育官网，经过喷射器出来的混合气体进入冷凝器放热、凝结，然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化，这部分工质完成的循环是制冷循环。另一部分通过循环泵升压后进入换热器，重新吸热汽化，它们所做的循环称为动力循环。喷射式制冷系统中循环泵是运动部件，系统设置比吸收式制冷系统简单，运行稳定，可靠性较高等优点。缺点是性能系数较低。 图5 太阳能喷射式制冷系统图 决定喷射式制冷系统性能的是工作流体、引射流体和压缩流体的工作状态和喷射器的喷射系数，其中引射流体的状态由被冷却对象决定，压缩流体的状态由冷却水控制，工作蒸汽则决定于发生器工作条件。只有喷射系数是一独立的参变量，是喷射器的固有性能参数，对喷射器的性能起着很重要的作用，它的变化受喷射器的工作条件和结构尺寸影响。在工作蒸汽压力不变的条件下，喷射器的性能随引射压力增加而提高，随压缩压力升高而降低。另一方面，喷射器的外形和几何尺寸对喷射器性能非常重要。给定工况下，喷射器的喷嘴出口截面到混合室入口的距离不同，喷射器的工作性能有显著变化，存在一最佳值。因此，为提高喷射器的性能，在设计喷射器过程中，首先通过优化程序包定出设计工况下的优化结构，能保证在设计工况下运行的喷射器可达到它的最大喷射系数，即最佳性能；在此基础上，动态研究喷射器的运行特性，找出稳定工况点。只有这样，才能最大可能提高喷射器的性能，进而改善喷射式制冷机的性能系数。 可见，对太阳能喷射式制冷技术研究的重点就是要改进和提高系统的整体性能，这直接关系到喷射式制冷技术的实用性，近年来国内对此也有一些研究，基本为理论与实验研究，尚未出现市场推广应用的成果。 4 总结 太阳能热利用是人类太阳能利用开发中一个要内容，在最近几十年里得到了实质性的发展，诸多技术日趋成熟并形成了产业。太阳能热水器，太阳能制冷系统，太阳能光伏发电等技术都得到了很大的发展，目前，太阳能热利用正朝着高技术、高品味、大规模的方向发展。 参考文献 1 岺幻霞.太阳能热利用. 北京：清华大学出版社.1997 2 陈德明，徐刚.太阳能热利用技术概况.物理，2007(11):840~847 3 郭配山太阳能热利用综合系统工程的应用概况及个案分析 4 顾晓燕.太阳能制冷及供暖综合系统研究，[学位论文].天津：天津大学，2005，6 5 周晓东.欧盟太阳能热利用发展现状和思能制冷技术的研阳能热利用的状况与发 points General Shang, station can basic meet passenger needs, total with to 19.6 hectares, but local station scale insufficient; Terminal Basic meet goods transport needs, but core station scale small, hardware conditions compared behind, while, Terminal layout not reasonable, are is located in core, with to cramped, And will have a certain impact on urban transport. 3) territory of water transport infrastructure status quo in Yibin points General Shang, station can basic meet passenger needs, total with to 19.6 hectares, but local station scale insufficient; Terminal Basic meet goods transport needs, but core station scale small, hardware conditions compared behind, while, Terminal layout not reasonable, are is located in core, with to cramped, And will have a certain impact on urban transport. 3) territory of water transport infrastructure status quo in Yibin points General 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