《太陽能的利用》 省賽一等獎

太陽能的利用太陽能利用，實際上是分兩種：光熱和光電。太陽能（SolarEnergy），一般是指太陽光的輻射能量，太陽能是一種可再生能源，廣義上的太陽能是地球不同品牌的太陽能熱水器上許多能量的來源，如風(fēng)能，生物質(zhì)能，潮汐能、水的勢能等等。太陽能利用的基本方式可分為光—熱利用、光—電利用、光—化學(xué)利用、光—生物利用四類。在四類太陽能利用方式中，光—熱轉(zhuǎn)換的技術(shù)最成熟，產(chǎn)品也最多，成本相對較低。如：太陽能熱水器、開水器、干燥器、太陽灶、太陽能溫室、太陽房、太陽能海水淡化裝置以及太陽能采暖和制冷器等。太陽能光熱發(fā)電比光伏發(fā)電的太陽能轉(zhuǎn)化效率較高，但應(yīng)用還不普遍。在光熱轉(zhuǎn)換中，當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最好的是太陽能熱水器的應(yīng)用太陽能利用光熱利用：它是將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。目前使用最多的太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦集熱器等3種。太陽能發(fā)電：未來太陽能的大規(guī)模利用是用來發(fā)電。利用太陽能發(fā)電的方式主要有兩種：①光—熱—電轉(zhuǎn)換。即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。http②光—電轉(zhuǎn)換。其基本原理是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。光化利用：這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學(xué)轉(zhuǎn)換方式。光生物利用：通過植物的光合作用來實現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)的過程。主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。工作原理陽光穿過吸熱管的第一層玻璃照到第二層玻璃的黑色吸熱層上，將太陽光能的熱量吸收，由于兩層玻璃之間是真空隔熱的，熱量不能向外傳，只能傳給玻璃管里面的水，使玻璃管內(nèi)的水加熱，加熱的水便輕沿著玻璃管受熱面往上進入保溫儲水桶，桶內(nèi)溫度相對較低的水沿著玻璃管背光面進入玻璃管補充，如此不斷循環(huán)，使保溫儲水桶內(nèi)的水不斷加熱，從而達到熱水的目的。制造材料編輯太陽能熱水器是由集熱部件（真空管式為真空集熱管，平板式為平板集熱器）、保溫水箱、支架、連接管道、控制部件等組成。集熱器系統(tǒng)中的集熱元件。其功能相當(dāng)于電熱水器中的電熱管。和電熱水器、燃氣熱水器不同的是，太陽能集熱器太陽能熱水器利用的是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在太陽照射度達到一定值的時候。目前中國市場上最常見的是全玻璃太陽能真空集熱管。結(jié)構(gòu)分為外管、內(nèi)管，在內(nèi)管外壁鍍有選擇性吸收涂層。平板集熱器的集熱面板上鍍有黑鉻等吸熱膜，金屬管焊接在集熱板上，平板集熱器較真空管集熱器成本稍高，近幾年平板集熱器呈現(xiàn)上升趨勢，尤其在高層住宅的陽臺式太陽能熱水器方面有獨特優(yōu)勢。全玻璃太陽能集熱真空管一般為高硼硅特硬玻璃制造，選擇性吸熱膜采用真空濺射選擇性鍍膜工藝。保溫水箱儲存熱水的容器。通過集熱管采集的熱水必須通過保溫水箱儲存，防止熱量損失。太陽能熱水器的容量是指熱水器中可以使用的水容量，不包括真空管中不能使用的容量。對承壓式太陽能熱水器，其容量指可發(fā)生熱交換的介質(zhì)容量。太陽能熱水器保溫水箱由內(nèi)膽、保溫層、水箱外殼三部分組成。水箱內(nèi)膽是儲存熱水的重要部分，其用材料強度和耐腐蝕性至關(guān)重要。市場上有不銹鋼、搪瓷等材質(zhì)。保溫層保溫材料的好壞直接關(guān)系著保溫效果，在寒冷季節(jié)尤其重要。較好的保溫方式是聚氨脂整體發(fā)泡工藝保溫。外殼一般為彩鋼板、鍍鋁鋅板或不銹鋼板。保溫水箱要求保溫效果好，耐腐蝕，水質(zhì)清潔。支架支撐集熱器與保溫水箱的架子。要求結(jié)構(gòu)牢固，穩(wěn)定性高，抗風(fēng)雪，耐老化，不生銹。材質(zhì)一般為不銹鋼、鋁合金或鋼材噴塑。連接管道太陽能熱水器是將冷水先進入蓄熱水箱，然后通過集熱器將熱量輸送到保溫水箱。蓄熱水箱與室內(nèi)冷、熱水管路相連，使整套系統(tǒng)形成一個閉合的環(huán)路。設(shè)計合理、連接正確的太陽能管道對太陽能系統(tǒng)是否能達到最佳工作狀態(tài)至關(guān)重要。太陽能管道必須做保溫處理，北方寒冷地區(qū)需要在管道外壁鋪設(shè)伴熱帶，以保證用戶在寒冷冬季也能用上太陽能熱水?？刂撇考话慵矣锰柲軣崴餍枰詣踊虬胱詣舆\行，控制系統(tǒng)是不可少的，常用的控制器是自動上水、水滿斷水并顯示水溫和水位，帶電輔助加熱的太陽能熱水器還有漏電保護、防干燒等功能。市場上有手機短信控制的智能化太陽能熱水器，具有水位水位查詢、故障報警、啟動上水、關(guān)閉上水、啟動電加熱等功能，方便了用戶。3簡介編輯集熱原理太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器按結(jié)構(gòu)形式分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，真空管式太陽能熱水器為主，占據(jù)國內(nèi)95%的市場份額。真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需熱水。真空管工作原理圖：吸熱過程真空管式熱水器的吸熱時，太陽輻射透過真空管的外管，被集熱鍍膜吸收后沿內(nèi)管壁傳遞到管內(nèi)的水。管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時溫度較低的水沿管的另一側(cè)不斷補充如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。平板式熱水器，一般為分體式熱水器，介質(zhì)則在集熱板內(nèi)因熱虹吸自然循環(huán)，將太陽輻射在集熱板的熱量及時傳送到水箱內(nèi)，水箱內(nèi)通過熱交換（夾套或盤管）將熱量傳送給冷水。介質(zhì)也可通過泵循環(huán)實現(xiàn)熱量傳遞。循環(huán)管路家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力。真空管式太陽能熱水器為直插式結(jié)構(gòu)，熱水通過重力作用提供動力。平板式太陽能熱水器通過自來水的壓力（稱為頂水）提供動力。而太陽能集中供熱系統(tǒng)均采用泵循環(huán)。由于太陽能熱水器集熱面積不大，考慮到熱能損失，一般不采用管道循環(huán)。使用過程平板式太陽能熱水器為頂水方式工作，真空管太陽能熱水器也可實行頂水工作的方式，水箱內(nèi)可以采用夾套或盤管方式。頂水工作的優(yōu)點是供水壓力為自來水壓力，比自然重力式壓力大，尤其是安裝高度不高時，其特點是使用過程中水溫先高后低，容易掌握，使用者容易適應(yīng)，但是要求自來水保持供水能力。頂水工作方式的太陽能熱水器比重力式熱水器成本大，價格高。4工作原理編輯1.溫差控制集熱循環(huán)太陽能熱水地暖系統(tǒng)中有集熱器溫測器和水溫感應(yīng)器，集熱系統(tǒng)吸收太陽能輻射后，集熱管溫度上升，當(dāng)集熱器溫度和水箱溫度水溫差△t設(shè)定值時，檢測系統(tǒng)發(fā)出指令，循環(huán)泵將中央熱水器中的冷水輸入集熱器中，水被加熱后再回到水箱中，使水箱內(nèi)的水達到設(shè)定的溫度。2.地暖管道循環(huán)系統(tǒng)增加一臺熱水循環(huán)泵，通過控制器控制地暖管道循環(huán)。當(dāng)水溫達到設(shè)定溫度時，自動啟動地暖循環(huán)泵，使高溫水通過地暖盤管在室內(nèi)循環(huán)，從而使室內(nèi)溫度不斷提高。當(dāng)水箱水溫低于某一設(shè)定值時，自動停止地暖管道循環(huán)泵。5分類編輯就其結(jié)構(gòu)來說，大體可分為以下幾類：1、從集熱部分來分：1）玻璃真空管太陽能熱水器可細分為全玻璃真空管式、熱管真空管式、U型管真空管式/真空管集熱、儲熱一體化悶曬式。常用的為全玻璃真空管式，其優(yōu)點：安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟。尤其是帶輔助電加熱功能的太陽能熱水器，它以太陽能為主，電能為輔的能源利用方式使太陽能熱水器全年全天候正常運行，環(huán)境溫度低時效率仍然比較高。其缺點在于體積比較龐大、玻璃管易碎、管中容易集結(jié)水垢、不能承壓運行。2）平板型太陽能熱水器平板型太陽能熱水器可分為管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圓管式和熱管式。其優(yōu)點：具有整體性好、熱水器展覽會壽命長、故障少、安全隱患低、能承壓運行，安全可靠，吸熱體面積大，易于與建筑相結(jié)合，耐無水空曬性強等優(yōu)點，其熱性能也很穩(wěn)定。其缺點由于蓋板內(nèi)為非真空，保溫性能差，故環(huán)境溫度較低時集熱性能較差，采用輔助加熱時相對耗電。環(huán)境溫度低或要求出水溫度高時熱效率較低。如凍壞需更換整個集熱板，適合冬天不結(jié)冰的南方地區(qū)選用。3)陶瓷中空平板型太陽能熱水器陶瓷太陽能板是以普通陶瓷為基體，立體網(wǎng)狀釩鈦黑瓷為表面層的中空薄壁扁盒式太陽能集熱體。陶瓷太陽能板整體為瓷質(zhì)材料，不透水、不滲水、強度高、剛性好，不腐蝕、不老化、不退色，無毒、無害、無放射性，陽光吸收率不會衰減，具有長期較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，陶瓷太陽能板的陽光吸收比為，混凝土結(jié)構(gòu)陶瓷太陽能房頂?shù)娜盏脽崃繛?，遠高于國家標準。陶瓷太陽能板制造、使用成本低，陽光吸收比不衰減，與建筑同壽命，可以用于與原房頂共用結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層、結(jié)構(gòu)簡單、保溫隔熱效果好于原房頂、與建筑一體化的混凝土結(jié)構(gòu)陶瓷太陽能房頂、向陽墻面、陽臺護欄面，為建筑提供熱水、取暖、空調(diào)；為工農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)提供熱能；可用于荒漠大規(guī)模太陽能熱水發(fā)電、風(fēng)道發(fā)電、海水淡化、苦咸水淡化、變沙漠為農(nóng)田。2、從結(jié)構(gòu)來分類：1）緊湊式太陽能熱水器：就是將真空玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循環(huán)，使得水箱中的水溫升高，這是市場最常規(guī)的太陽能熱水器。2）分體式熱水器：分體式熱水器是將集熱器與水箱分開，可大大增加太陽能熱水器容量，不采用落水式工作方式，擴大了使用范圍。3、從水箱受壓來分：1）承壓式太陽能熱水器：太陽能熱水器的出水是有壓力的。一般為頂水式工作，不一定采用承壓式水箱。2）非承壓式太陽能熱水器：普通太陽能熱水器都是屬于非承壓式熱水器，它的水箱有一根管子與大氣相通，是利用屋頂和家里的高度落差，使用水時產(chǎn)生壓力。其安全性，成本，使用壽命都比承壓式要顯著得多。6應(yīng)用方案編輯應(yīng)用場景隨著傳統(tǒng)能源成本的不斷上升及環(huán)境的持續(xù)惡化，太陽能熱水工程解決方案越來越多地被應(yīng)用于居民住宅、別墅、酒店、旅游風(fēng)景區(qū)、科技園區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、工業(yè)廠區(qū)、農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖區(qū)等眾多領(lǐng)域，針對不同領(lǐng)域熱水使用情況進行合理設(shè)計與配置，達到能源的綜合利用，降低成本投入。解決方案[1]太陽能熱水工程主要由太陽能集熱器、儲熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)、保溫材料、管路系統(tǒng)及配件等部分組成。太陽能集熱器吸取太陽的熱量，加熱管道中的水，加熱后的水靠循環(huán)泵通過管路輸送至儲熱裝置，通過整體能源系統(tǒng)的設(shè)計可為鍋爐、熱泵等提供基礎(chǔ)熱水，通過管路輸送至各熱點使用。系統(tǒng)組成：太陽能集熱器：1.適合安裝在屋頂及其他可固定安裝位置（鋼結(jié)構(gòu)支架上等）安裝；2.集熱器美觀大氣，可任意角度安裝，維護方便；3.集熱器型號多樣，可滿足任何空間安裝，客戶選擇多樣化。儲熱系統(tǒng)：1.專利工程水箱，防腐性能強，水嘴設(shè)計規(guī)范合理，連接管路方便；2.保溫層為聚氨酯發(fā)泡一次成型，發(fā)泡均勻，保溫效果好；3.型號齊全，可滿足用戶80噸以下熱水需求；4.可滿足400平米以下建筑單戶采暖需求。換熱系統(tǒng)：1.選用高效高質(zhì)量換熱器，換熱效果好；2.采用換熱系統(tǒng)，系統(tǒng)水質(zhì)好；3.設(shè)計獨立換熱系統(tǒng)可滿足用戶多種多樣用熱點水質(zhì)、水壓和水量的需求。控制系統(tǒng)：1.采用PLC程序模塊控制，多點控制，精度高，性能穩(wěn)定；2.控制界面人性化，模塊清晰，操作方便。輔助能源系統(tǒng)：1.多種輔助熱源可供選擇，電輔助、燃氣輔助、燃煤鍋爐輔助、燃油鍋爐輔助、熱泵輔助都可以根據(jù)用戶特點選擇；2.系統(tǒng)得熱量多，熱損失小。保溫材料：1.采用聚苯乙烯泡沫材料，保溫好，散熱??；2.保溫外敷鋁箔，美觀，防輻射散熱。管路系統(tǒng)及配件：1.管路選用標準PVC管材，經(jīng)濟合理；2.配件標準設(shè)計，防銹防腐蝕。方案特點熱水效果保證：全年全天24小時充足水量供應(yīng)，即開即熱；熱水品質(zhì)保證：壓力恒定，水溫穩(wěn)定，水質(zhì)干凈；系統(tǒng)集成設(shè)計：系統(tǒng)整體考慮，搭配輔助熱源，專業(yè)軟件分析，系統(tǒng)高效可靠，人性化設(shè)計；系統(tǒng)質(zhì)量保證：對集熱器、水箱、循環(huán)泵、管路等各個環(huán)節(jié)給予全面保障，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行20年以上；系統(tǒng)智能控制：全數(shù)據(jù)顯示、智能化控制、分戶計量、信息準確。7特點編輯高科技產(chǎn)品，銅鋁陽極化復(fù)合板芯或全紫銅板芯，表面處理工藝高，傳熱性能好，吸熱能力強，產(chǎn)水量大。系統(tǒng)保溫性能好，蓄熱能量大，保溫水箱有蓄水功能，可滿足大批量人員集中使用熱水，亦可作停水時應(yīng)急水源之用。太陽能熱水器系統(tǒng)全自動靜態(tài)運行，無需專人看管、無噪音、無污染、無漏電、失火、中毒等危險，安全可靠，環(huán)保節(jié)能利國利民。具有排污凈化功能，水源潔凈無污染。真空管式太陽能熱水器保溫性能好，抗凍能力強。大面積安裝對樓面有隔熱作用8技術(shù)缺陷編輯太陽能熱水器理論上是一次投資，使用不花錢。實際上不可能。原因是無論任何地方，每年都有陰云雨雪天氣以及冬季日照不足天氣。在此氣候下主要靠電加熱制熱水（也有一些產(chǎn)品是靠燃氣加熱），每年平均有25%~50%以上的熱水需要完全靠電加熱（地區(qū)之間不盡相同，陰天多的地區(qū)實際耗電量還要大。上海地區(qū)近三年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，平均每年陰雨天高達67%，滿負荷利用太陽能熱水器其70%的熱能來自電或者燃氣）。這樣一來太陽能熱水器實際耗電量比熱泵熱水器大。此外，敷設(shè)在太陽能熱水器室外管路上的“電熱防凍帶（只在北方地區(qū)有）”，也要消耗大量電能。除此以外，太陽能熱水器在結(jié)構(gòu)上還存在多種難以解決的技術(shù)缺陷。1、熱水管路長達十幾米，每次使用都要浪費很多水。以典型的Φ12毫米水管計算，每1米長度存水為公斤。若太陽能熱水管長度平均為15米，則每次使用都要浪費大約公斤水。若平均每天使用6次，則每天浪費公斤水；每月浪費360公斤水；每年浪費4320公斤水；十年浪費43200公斤水！以浪費水為代價節(jié)省一些電,恐怕無論是政府還是老百姓若知道這些都不會認可。中國的660多個城市中，一半以上城市不同程度缺水，其中嚴重缺水的有111個，每年因缺水影響工業(yè)產(chǎn)值就達到2000多億元。2、需要一整天的日照才能把水曬熱，天氣好的時候也只能保證晚上有熱水，白天和夜間很少有熱水可用。不能保證使用者24小時熱水供應(yīng)，舒適性差。3、太陽能熱水器的采光板必須安裝在屋頂上，既龐大笨重，又影響建筑美觀（越是高檔住宅區(qū)越明顯），還容易損壞屋頂防水層。4、光電互補，實際上沒法恰當(dāng)?shù)膶崿F(xiàn)。市場90%的太陽能熱水器存在著難以克服的頑癥：冬天水溫達不到，或者只能產(chǎn)生少量熱水；這些產(chǎn)品只能在夏秋季陽光充足的時候用，冬季日照弱時根本不能用，或者產(chǎn)生的熱水太少，不好用，客戶經(jīng)常投訴；其實，真正的太陽能熱水器必須是一年四季都能用的。熱水使用量比較大的時間是集中在冬天，而冬天的集熱效果又不能滿足使用要求，基本上受氣候條件的限制，擺脫不了普通太陽能熱水器“靠天吃飯”的局限，很難保證冬天照樣有充足的熱水。很多太陽能經(jīng)銷商為彌補熱水產(chǎn)量不足，需要增加電輔助或者油鍋爐，但是這樣形成雙重投資，增加客戶的經(jīng)濟負擔(dān)。消費者實際使用時候因此會白白浪費很多電能，并進一步減少使用的舒適度。太陽能熱水器為了在日照不足天氣也能有熱水，基本都采用了所謂的“光電互補”技術(shù)，也就是在太陽能熱水器上再增加一個電加熱器。理論上說，只要熱水不足就可以“讓”該電熱管加熱。這聽起來很美。實際上由于消費者使用熱水模式很復(fù)雜，一年365天日照情況也不是固定。所以根本沒辦法恰當(dāng)?shù)慕鉀Q“何時啟動電加熱最合適”。采用溫度控制、時間控制實際上都不行（因為日照充足天氣剛注的自來水溫度也低于設(shè)定溫度，若單純采用溫度控制，那么會在不需要電加熱時候也通電）。使得這個初看上去簡單的“電加熱控制”問題沒有任何太陽能廠家完善的解決——百分之百的太陽能廠家都算在內(nèi)。5、還有一條嚴重缺點就是現(xiàn)在市場99%以上都是非常落后的“非承壓式”（包括太陽能熱水器領(lǐng)域幾個強勢品牌，銷售的全部都是這種非承壓式），俗稱“落水式”。其進水、出水只有一根水管，使用非常不方便，根本就談不上舒適。10日常維護編輯1.安裝太陽能熱水器時，輸水管內(nèi)可能沾有塵?；蛴臀?，首次使用時可打開水龍頭先排除雜物。2.太陽能熱水器內(nèi)的存水，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)狀況作定期的排放，排水時間可選于早上集熱器較低溫時。3.太陽能熱水器表面，依地區(qū)落塵量而作定期的擦試，下雨時能起到自行清洗，保持熱水器的表面清潔可得到較高的集熱效率。4.連續(xù)晴天多日不使用熱水時，其熱水溫度很高，在使用太陽能熱水器時請先開冷水，后開熱水，以免燙傷。5.水龍頭出口端一般都有濾網(wǎng)裝置，水管內(nèi)的水垢雜物會聚集于此網(wǎng)，應(yīng)定期自行拆下清洗，可加大水量流出順暢。6.冬季，管道被凍住是很