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1、太阳能热利用基础第1页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能利用的重要性太阳能利用的重要性 能源消费伴随着经济发展而持续快速增长，2004 2010 年中国能源消费总量增长速度大于2020 年GDP 翻两番、能源翻一番的规划速度，这对我国能源发展造成很大压力，加快可再生能源发展势在必行。中国能源消费总量（亿吨标准煤）年度20062007200820092010消费量24.5726.5528.530.732.5增长率9.3%7.8%4.0%5.2%5.9%讲师：朱敦智第2页，共38页，编辑于2022年，星期五环境形势十分严峻环境形势十分严峻中国是世界中国是世界SO2 排放最严重的国家，因而也
2、是酸雨污染最严重的国家，下排放最严重的国家，因而也是酸雨污染最严重的国家，下表给出了中国燃煤发电所排放的表给出了中国燃煤发电所排放的SO2 的数量。的数量。2007 年，除中国年，除中国SO2 排放持续排放持续为世界第一外，中国为世界第一外，中国CO2 排放也超过美国，成为世界第一排放也超过美国，成为世界第一(CO2排放美国排放美国59.1 亿吨，我国亿吨，我国60.2 亿吨。这给中国节能减排、改善能源结构以及能源可持亿吨。这给中国节能减排、改善能源结构以及能源可持续发展带来了巨大压力。续发展带来了巨大压力。年年20052005200620062007200720092009燃煤火电年排放燃煤
3、火电年排放SOSO213001300135013501335133510691069全国全国SOSO2 年排量年排量25492549258925892468246823202320讲师：朱敦智第3页，共38页，编辑于2022年，星期五2006 2006 世界实际能耗世界实际能耗 14.5 TW(1014.5 TW(101212kW)kW)2050 2050 世界预测能耗世界预测能耗 30 TW30 TW2100 2100 世界预测能耗世界预测能耗 46 TW46 TW未开发水力未开发水力 0.5 TW6700 32003300 54006700 30003200 42005400 140030
4、00 4200 10001400第7页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能热利用太阳能热利用一、太阳能供热制冷（400 ）讲师：朱敦智第8页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能基础知识讲师：朱敦智第9页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能利用历史 西汉，我们祖先已掌握“阳燧取火”西周，有文字记载“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生火”公元212年，希腊阿基米德以多面镜聚光，烧毁罗马舰队15世纪，阿拉伯人开展太阳能蒸馏，实现海水淡化1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动1767年，瑞士科学家贺瑞斯发明了第一台太阳能集热器1891年，美国马里州的肯
5、普发明了世界上第一台闷晒式太阳热水器，被他命名为“顶峰”热水器讲师：朱敦智第10页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能利用历史1936年，美国天体物理学家 Charles Greeley Abbott 发明了太阳能开水器1955年，以色列泰伯等提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层1958年，天津大学建设12.6平米的太阳能浴室1987年，北太所从加拿大引进铜铝复合（SUNSTRIP）生产线1975年，美国欧文斯-依利诺伊（Owens-Illinois）公司研制全玻璃真空管1979年，清华大学发明多层铝-氮/铝(Al-N/Al)选择性吸收涂层1994年，北太所研制玻璃金
6、属热压封接的热管真空管讲师：朱敦智第11页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳辐射(solar radiation)太阳辐射是指太阳以电磁波的形式发射的辐射能。太阳辐射的波长区域主要是0.25 m 3.0m（占99%）。太阳的表面温度约为6000，地球大气表层接受的能源是其中的22分之一，每秒约为1.761017J，大约40 分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年。太阳能的不足之处：1）能量密度低，大气层外为1367W/m2 2)有季节、昼夜和晴雨等能量供应不稳定性 讲师：朱敦智第12页，共38页，编辑于2022年，星期五地球表面的太阳辐射地球表面的太阳辐射 太阳辐射通常由直射辐射
7、和散射辐射两部分组成。讲师：朱敦智第13页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳常数(solar constant)大气层外日地平均距离处的法向直射太阳辐照度称为太阳常数，数值为1367W/m2。太阳光谱(solar spectrum)太阳光谱是指太阳辐射分解为单色成分后，按波长顺序作出的分布。波长，波长，m 大气层外大气层外所占能量比例所占能量比例地面地面所占能量玻璃所占能量玻璃紫外辐射0.25 0.38 7%5%可见辐射0.38 0.78 47.29%45%近红外辐射0.78 3.0 45.71%50%讲师：朱敦智第14页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳光谱太阳光谱小于0.29m
8、紫外线被大气层上层臭氧吸收；水蒸气在1.0、1.4和1.8m有强烈吸收带；大于2.3m的辐射大部分被水蒸气和二氧化碳吸收讲师：朱敦智第15页，共38页，编辑于2022年，星期五大气质量大气质量大气质量：太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶方向时的路径之比值。讲师：朱敦智第16页，共38页，编辑于2022年，星期五直接辐射和和散射辐射直接辐射和和散射辐射我国大多数台站只记录太阳总辐射。根据太阳辐射观测资料分析，发现水平面上散射辐射与太阳总辐射日总量月平均值的比值与地平面总辐射与大气上界的日总量月平均值具有较好的关联关系。水平面上散射辐射的日总量月平均值水平面上总辐射的日总量月平均值大气上界
9、总辐射的日总量月平均值（月平均晴空指数）（月平均晴空指数）讲师：朱敦智第17页，共38页，编辑于2022年，星期五倾斜面上太阳辐射倾斜面上太阳辐射投射到倾斜面上总辐射辐照度由三部分组成：1）太阳直接辐射辐照度；2）太阳散射辐射辐照度；3）地面反射辐射辐照度。达到倾斜面上总辐射日总量月平均值可表示为。水平面上散射辐射的日总量月平均值水平面上总辐射的日总量月平均值水平面上直接辐射的日总量月平均值倾斜面与水平面上直接辐射的日总量月平均值的比值，该参数与安装地的纬度、赤纬、倾斜面倾角和方位角有关S 倾斜表面倾角地面的反射率。一般取值0.20，有雪覆盖地面时取0.70讲师：朱敦智第18页，共38页，编辑
10、于2022年，星期五太阳能资源太阳能资源等级太阳能条件水平面上年太阳辐照量（MJ/m2a）年日照时数（h）地 区资源极富区670032003300宁夏北、甘肃西、新疆东南、青海西、西藏西资源丰富区5400670030003200冀西北、京、津、晋北、内蒙古及宁夏南、甘肃中东、青海东、西藏南、新疆南资源较富区5000540022003000鲁、豫、冀东南、晋南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕北、甘肃东南、粤南4200500014002200湘、桂、赣、江、浙、沪、皖、鄂、闽北、粤北、陕南、黑龙江资源一般区420010001400川、黔、渝讲师：朱敦智第19页，共38页，编辑于2022年，星期五与太
11、阳能利用有关传热问题讲师：朱敦智第20页，共38页，编辑于2022年，星期五传热学传热学传热是由于温差引起的能量转移有温差就有传热传热主要形成 热传导：依靠物体质点的直接接触来传递能量 对流换热：流体(液体或气体)与另一物体表面相接触时，两者间的换热过程 辐射换热：物体的部分热能转变成电磁波辐射能向外发射，当它碰到其它物体时，又部分地被后者吸收而重新转变成热能 讲师：朱敦智第21页，共38页，编辑于2022年，星期五热传导热传导热传导是不透明固体材料中热能传递的唯一方式傅里叶（Fourier）热传导定律：l，导热系数。导热系数越大，材料的导热能力越大。各种物质的导热系数均可由试验测定，通常工程
12、上常把导热系数小于0.2W/(mK)的材料称为绝热（隔热）材料。常见隔热材料有岩棉、玻璃纤维、聚氨酯、橡塑材料等，一般多具有多孔结构。讲师：朱敦智第22页，共38页，编辑于2022年，星期五热传导热传导 导热系数与材料种类有关。对同一材料来说，还与其结构、密度、成分、湿度、压力（对于液体和气体）和温度有关。在一定的温度范围大多数工程材料的热导率可近似地认为是温度的直线函数。气体、建筑材料和隔热材料，导热系数随温度的升高而增大。在工程计算中，当温度变化范围不大时，可以把导热系数当作常数。由于水的导热系数远高于空气导热系数，对多孔性材料（如建筑材料、隔热材料）来说，材料的含水率对材料导热系数影响较
13、大，因此隔热材料应适当采取防潮措施。各向异性材料也随方向不同而有很大的差异。讲师：朱敦智第23页，共38页，编辑于2022年，星期五对流换热对流换热对流换热主要是研究运动着的流体与同它相接触的固定表面之间的换热根据引起流动的原因，可分为自然对流和强迫对流对流换热的牛顿公式：从对流传热的机理来说，流体的传导及质量传输（流体的质点和微团的运动）都起着作用。如果流速很小，则导热具有一定的影响；若流速很大以及冷、热流体二间的掺混对能量传递的贡献很大，则流体本身导热的作用将很小。讲师：朱敦智第24页，共38页，编辑于2022年，星期五对流换热影响因素对流换热影响因素 流动的起因：分自然对流和强制对流。自
14、然对流传热是由流体中因密度不同而产生浮升力所引起的换热现象；强迫对流换热是流体在外界压差的作用下，流过换热面；1）自然对流：2）强制对流:自然对流状况下的换热强度主要取决于流体的受热情况，流体内部的温度差越大，对流运动越激烈,用格拉晓夫数Gr数来表征。强迫对流的换热系数主要取决于外力所引起的流速的大小，一般用雷诺数Re数来表征，雷诺数大小表征了流动状态。讲师：朱敦智第25页，共38页，编辑于2022年，星期五对流换热影响因素对流换热影响因素 流动的速度：速度愈大，对流换热增强流动有无相变：凝结和沸腾可显著增强对流换热换热面的几何形状、大小、冷热面位置流体的热物理性质由于影响对流换热的因素很多，
15、并具有复杂关联性，因此只有简单对流换热有理论解，很难推广应用；（理论解）分析对流换热，一般根据影响相互关系，利用无量纲数，减少变量个数，并通过实验，得到准则方程；（实验法）可利用传热学的基本方程，采用计算机模拟计算换热过程。（数值模拟）讲师：朱敦智第26页，共38页，编辑于2022年，星期五对流换热计算采用量对流换热计算采用量常见无量纲式有雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）、格拉晓夫数（Gr）和怒谢尔特数（Nu）等。雷诺数：反映流体惯性力和粘性力的比值Nu数：导热热阻与对流热阻的比值Pr数：由流体物性参数组成，表征分子动量和热扩散系数之比Gr数：流体浮升力与粘性力之比讲师：朱敦智第27页，共38
16、页，编辑于2022年，星期五太阳能利用对流换热公式太阳能利用对流换热公式管道内层流流动 当（ReDPrD/L）10，许多太阳能集热器中流体的流速很低，由浮力引起的自然对流也会影响对流换热，这种换热情况称为混合对流。如果Gr/Re2在1与10之间及L/D50 讲师：朱敦智第28页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能利用对流换热公式太阳能利用对流换热公式 管道内的湍流换热 流体Pr数值在0.7700之间，并满足Re6000和L/D60，一个大气压下空气通过一个很长的风道的湍流流动，在300K及380K温度范围内 流体是在螺旋管中流动，则按直管中流动算得的对流换热系统乘以系数e进行修正 （气体
17、）（液体）讲师：朱敦智第29页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能利用对流换热公式太阳能利用对流换热公式绕掠单管的受迫对流换热 真空管在有风条件下换热，都属于绕掠单管的受迫对流换热，对于ReD500下，一个大气压下空气通过一个很长的风道的湍流流动，在300K及380K温度范围内平板表面的自然对流换热：平板集热器和建筑墙壁 当10000GrL109时，建议用下式 讲师：朱敦智第30页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能利用对流换热公式太阳能利用对流换热公式两块平行平板之间的自然对流换热 对于30q60,12H/d40及1.3*104GrPr106的情况两块平行平板之间的强制对流换热当
18、流体为湍流时，可以利用下述基于空气做的实验得到经验关系式卵石床中对流换热 讲师：朱敦智第31页，共38页，编辑于2022年，星期五辐射换热辐射换热热辐射是物体通过电磁波传递热量的现象，其主要特点热交换不需要物体间直接接触。热辐射是指具有热效应的辐射能，即能被物体吸收，又能转换成热能。热辐射所包含波长范围主要位于0.350m，即紫外、可见光和红外三个波段。在工业过程中，物体温度一般在2000K以下，其辐射能在红外波段内，因此可将热辐射看成红外线辐射。讲师：朱敦智第32页，共38页，编辑于2022年，星期五辐射的吸收、反射和透射辐射的吸收、反射和透射当辐射投射到一个物体（固体、液体或气体）时，部分
19、能量被吸收，部分能量被反射或散射，余下的将透过物体，各部分能量与入射辐射能的比值定义为物体的“吸收比”，“反射比”和“透射比”自然界所有物体的吸收比、反射比和透射比均在0到1范围内，且与辐射波长、投射方向有关。对于金属导体而言，热辐射进入表面内很短距离（1m数量级），对于大多数的非导电体材料来说（小于1mm）。因此，工程材料可认为其透射比为零。讲师：朱敦智第33页，共38页，编辑于2022年，星期五物体辐射物体辐射任何物体只要温度高于绝对零度，都向外发射辐射能。根据斯蒂芬-波尔茨曼定律，黑体的辐射力（辐射出射度）与黑体的绝对温度的四次方成正比，且各个方向的定向辐射强度相等。实际物体辐射力并不严
20、格地满足绝对温度的四次方成正比，辐射强度也小于同等温度时黑体。我们定义物体“发射率”或发射比（也称“黑度”）为相同温度下辐射体的辐射力与黑体的辐射力的比值。“发射率”表征物体的辐射特性，同一物体的发射率与温度和辐射波长有关，对不同方向值也不同。在太阳能热利用中，一般采用半球向全发射率，它是对半球向全波谱辐射的积分值。讲师：朱敦智第34页，共38页，编辑于2022年，星期五物体辐射物体辐射实际物体辐射力可利用以下关系式是斯蒂芬波尔茨曼常数，取值为两块平板之间的辐射辐射将上式表示为对流换热公式，则相当的对流换热系数可表示为讲师：朱敦智第35页，共38页，编辑于2022年，星期五平板集热器换热分析平板集热器换热分析太阳集热器总热损失由顶部、侧面边框和底部热损失三部分组成：1）顶部热损系数Ut2）底部热损系数Ub讲师：朱敦智第36页，共38页，编辑于2022年，星期五太阳能创造美好生活太阳能创造美好生活讲师：朱敦智第37页，共38页，编辑于2022年，星期五谢谢大家谢谢大家!联系方式联系方式： 1391020506513910205065讲师：朱敦智第38页，共38页，编辑于2022年，星期五