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太阳能热利用全面介绍

2022-11-06 09:30:44 84

摘要:太阳能热利用就是用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。按利用的温度不同分为太阳能低温(<100℃)利用、中温(100~500℃)利用和高温(>500℃)利用。太阳能热利用的关键部分是太阳能集...

太阳能热利用就是用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。按利用的温度不同分为太阳能低温(<100℃)利用、中温(100~500℃)利用和高温(>500℃)利用。

太阳能热利用的关键部分是太阳能集热器,目前使用的太阳能集热器根据集热方式不同分为平板型集热器和聚焦型集热器,前者接受太阳辐射的面积和吸热体的面积相等,为了接收到较多的太阳能需要很大的集热面积,且集热介质的工作温度也较低;后者通过采用不同的聚焦器,如槽式聚焦器和塔式聚焦器等,将太阳辐射聚集到较小的集热面上,可获得较高的集热温度。以下为太阳能集热器的几种形式:

塔式聚焦器

金属平行板集热器

真空管集热器

槽式聚焦器

碟式聚焦器

太阳能热利用历史悠久,千百年来人们广泛利用太阳光晒干衣服、物料和工农业产品等,但这些都是最简单的利用,人类真正高品质地利用太阳热能的时间还不长!太阳能热利用实例:

太阳能热水器:

太阳能热水器用于收集太阳辐射能来给水加热供用户使用,按集热器不同分为平板式太阳能热水器和真空管式太阳能热水器,国内以真空管式太阳能热水器为主,下面以真空管式太阳能热水器为例。

一般太阳能热水器由集热器、储热水箱、循环水泵和控制系统等主要部件组成,集热器和储热水箱合二为一的称为闷晒式热水器,反之称为分立式热水器。按热水流动方式,太阳能热水器可以分为自然循环式热水器、强制循环式热水器和直流式热水器三类,下面以强制循环式热水器系统为例说明其原理:

太阳房:

太阳房利用的物理原理是温室效应,温室效应就是波长较短的太阳辐射能顺利透过而波长较长的热辐射被阻挡或吸收的现象,玻璃和某些透明材料以及二氧化碳、甲烷等气体就具有这种效应。因此我们可以用玻璃等透明材料为顶作成温室,让属于短波辐射的太阳光透过而阻挡室内的长波辐射,这样进入室内的能量就大于向室外散发的能量,室内温度也就大于室外温度。

太阳房一般分为被动式太阳房和主动式太阳房,被动式太阳房不需要安装复杂的太阳能集热器,更不用循环动力设备,完全依靠建筑结构造成的吸热、隔热、保温、通风等特性来达到冬暖夏凉的目的。按太阳能的采集方式不同可分为直接受益式、集热蓄热墙式、蓄热屋顶式、温室蓄热墙式和对流蓄热综合式五种基本类型。

下面以对流蓄热式说明其原理:

主动式太阳房是在被动式太阳房的基础上以太阳能集热器代替常规锅炉作为热源的一种环保型节能建筑。

太阳灶:

太阳灶是一种利用太阳能进行炊事、烹饪食品的一种装置,属于太阳能中、高温利用的一种太阳能热利用设备。太阳灶主要有两种类型:热箱式太阳灶(又称闷晒式太阳灶)和聚焦式太阳灶。目前应用于生活中的主要为聚集式太阳灶。

太阳能干燥:

人类利用太阳能干燥物品的历史悠久,随着科学技术的发展,各种新型的太阳能干燥装置被用来为人类服务。如各种温室型太阳能干燥装置、各种集热器型太阳能干燥装置以及两者的各种复合型干燥装置。

太阳能空调:

太阳能空调装置是利用太阳能集热器收集太阳辐射热量来驱动制冷机达到制冷目的的装置。太阳能空调装置的突出优点在于它具有良好的季节适应性。在夏季空调负荷高峰段正是太阳辐射最强的时候,因此可以大大缓解夏季电力供应紧张的问题。

常用太阳能制冷系统有太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统、太阳能除湿制冷系统和太阳能蒸汽喷射式制冷

系统四种类型。

下面简单介绍两种制冷原理:

太阳能吸收式制冷工作原理是:用太阳能集热器收集热量后加热工质,工质中沸点较低的制冷剂汽化和溶液分离,分离出的制冷剂经冷凝器后变成液体,然后通过节流阀后蒸发吸热产生制冷效果,最后制冷剂蒸汽进入吸收器被稀溶液吸收完成一个制冷循环。(详见南社百科)

太阳能吸附式制冷系统式利用固体吸附剂在低温时吸附制冷剂和在高温时解吸制冷剂的工作原理进行工作的,当白天有阳光的时候太阳能集热器收集热能,吸附床温度升高,制冷剂从吸附剂中解吸出来,这样吸附床中压强升高,推动制冷剂进入蒸发器和储热器,当夜晚等太阳能不足的时候,则过程正好相反,蒸发器中液态制冷剂蒸发,产生制冷效应,制冷剂蒸气进入吸附床重新被吸附,完成一次制冷循环。

太阳能海水淡化:

太阳能海水淡化最直接的方法就是利用太阳能集热器收集太阳辐射热量后加热海水,海水蒸发后与海水中的盐分分离,然后进入冷凝器冷凝达到淡化的目的。

太阳能游泳池:

太阳能游泳池就是利用太阳能集热器收集太阳辐射热量加热从游泳池抽入太阳能集热器中的水,然后再把热水排入游泳池,如此反复循环则游泳池中的水温逐步升高达到人类游泳舒适温度后通过流量控制阀维持游泳池水温基本处于一恒定值。为了弥补某些时候太阳能的不足,还可以加入常规加入器加热游泳池中的水。

太阳能热发电:

太阳能热发电是利用太阳能收集器先将太阳辐射转化为热能,然后经过各种途径转换为电能供用户使用。太阳能热发电包括:太阳能蒸汽或气体热动力发电、太阳能半导体温差发电、太阳能烟囱发电、太阳池发电和太阳能热声发电。

太阳能蒸汽或气体热动力发电又包括太阳能槽式聚焦发电、太阳能塔式聚焦发电和太阳能碟式聚焦发电等。

如上图所示:太阳能槽式发电采用采用槽式抛物面聚焦太阳光,太阳光聚焦到集热管上后转化为热量加热传热介质,传热介质在换热器中和工质换热产生蒸汽,蒸汽再驱动汽轮机运转发电。

太阳能塔式发电是通过反射装置将阳光反射到塔顶太阳能接收器转换为热量加热工质后,通过换热产生蒸汽,有蒸汽带动汽轮机发电。

太阳能碟式发电一般通过碟式发射面将阳光反射聚焦到斯特林发动机上带动发电机发电。

斯特林发动机工作原理如下图所示:

空气受热膨胀带动活塞移动做功,将热能转化为机械能。

太阳能半导体温差发电是利用温差发电材料直接将热转化为电的技术,是一种工作可靠、无运动部件和无污染的清洁发电技术。其原理是赛贝克效应,即在两种不同的导体或导电类型不同的半导体联成的回路中,若两导体的两个接点处温度不同,则在这两个接点之间有电动势产生。随着半导体材料工业的发展,材料的品质因子正在不断提高,太阳能半导体温差发电将在太阳能利用中逐步占据一席之地。

半导体温差发电片结构图:

小型半导体温差发电装置:

太阳能烟囱是太阳能热发电的一种新模式,其原理是空气在一个很大的玻璃或其他透明材料制成的天棚下被加热,热空气在天棚中央的烟囱中上升,上升气流带动空气透平发电机发电。

其原理如下所示:

太阳池发电是利用盐水池中上下层液体形成一个温度差来发电,在盐水池中从上到下会形成一个浓度梯度,即由于重力作用上层液体盐分浓度比下层液体盐分浓度低,这样会使池水稳定分层,在太阳辐射下下层盐分浓度高吸收强辐射强的液体层温度不断升高直到达到最大值,而上层太阳辐射透过性强的清水层则充当保温层维持下层液体温度。

其工作过程是先将池底的热盐水抽到蒸发器和工质换热,低沸点工质蒸发成蒸气,由蒸气驱动汽轮机发电,从汽轮机出来的蒸气再和从上层抽来的较冷低盐浓度水在冷凝器中换热,工质冷凝成液体,液态工质再返回蒸发器完成一次循环,过程反复进行。

太阳能热声发电就是采用太阳能作为热源,利用热声效应,即管内气体(氦气)在温度梯度作用下发生振动,这样热能便转换成了声能,再由声能驱动一个线性交流发电机发电的过程。

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