太陽能光熱應(yīng)用技術(shù)第一章

太陽能光熱應(yīng)用技術(shù)

第一章1.1能源概述什么是能源？《科學(xué)技術(shù)百科全書》中說：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源?！洞笥倏迫珪分姓f：“能源是一個(gè)包括所有燃料、流水、陽光和風(fēng)的術(shù)語，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量?！蔽覈摹赌茉窗倏迫珪分姓f：“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源?！蹦茉匆喾Q能量資源或能源資源，是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機(jī)械能等）或可做功的物質(zhì)的統(tǒng)稱，是指能夠直接取得或者通過加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源，包括煤炭、原油、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等一次能源和電力、熱力、成品油等二次能源以及其他新能源和可再生能源。1.1能源利用的幾個(gè)時(shí)期如果從人類利用能源的變遷角度觀察其發(fā)展歷史，大致可以劃分為三個(gè)時(shí)期，即天然能源時(shí)期、礦物能源時(shí)期（該時(shí)期又可細(xì)分為：煤炭時(shí)期和石油時(shí)期）和可再生能源時(shí)期。1．天然能源時(shí)期人類主要以樹枝、雜草等植物當(dāng)燃料，用于煮食和取暖，靠人力、畜力和一些簡(jiǎn)單風(fēng)力或水力機(jī)械作動(dòng)力從事生產(chǎn)活動(dòng)或滿足一般的生活需要。2．礦物能源時(shí)期18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命導(dǎo)致的工業(yè)大發(fā)展，開始大量地使用煤炭。3．可再生能源時(shí)期可再生能源包括太陽能、風(fēng)力能、水能、生物能、海洋能、地?zé)崮堋淠?。其中太陽能約占可再生能源總量的99%，因此，也可以說太陽能就是可再生能源的主體。圖1-1世界能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)（資料來源：歐盟聯(lián)合研究中心，2004年）1.1.2太陽能利用的意義太陽能是可再生能源的一種。開發(fā)利用太陽能，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境、緩解氣候變化等，都具有極其重大的意義。1．可以節(jié)約大量使用的化石能源2．可以保護(hù)人類賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境3．可以解決無電人口和特殊用途供電問題1.1.3太陽能利用的途徑1．光－熱轉(zhuǎn)換它的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用。這種方式最為古老，但技術(shù)水平相當(dāng)成熟、成本低廉、普及性廣、工業(yè)化程度較高。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3種。通常根據(jù)所能達(dá)到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用（小于200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（大于800℃）。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽爐等。2．太陽能發(fā)電電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國都十分重視，其轉(zhuǎn)換途徑很多，有光電直接轉(zhuǎn)換、光熱電間接轉(zhuǎn)換等。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(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。②光—電轉(zhuǎn)換，其基本原理是利用光生伏打效應(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。3．光化學(xué)利用光化學(xué)利用基于光化反應(yīng)，其本質(zhì)是物質(zhì)中的分子、原子吸收太陽光子的能量后變成“受激原子”，受激原子中的某些電子的能態(tài)發(fā)生改變，使某些原子的價(jià)鏈發(fā)生改變，當(dāng)受激原子重新恢復(fù)到穩(wěn)定態(tài)時(shí)，即產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。光化反應(yīng)包括光解反應(yīng)、光合反應(yīng)、光敏反應(yīng)，有時(shí)也包括由太陽能提供化學(xué)反應(yīng)所需要的熱量。通過光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫也是利用太陽能的一條途徑。二三十年前曾有不少人在這方面做了很多研究工作，目前仍處于可研階段。4．光生物利用通過光合作用收集與儲(chǔ)存太陽能。地球上的一切生物都是直接或間接地依賴光合作用獲取太陽能，以維持其生存所需要的能量。所謂光合作用，就是綠色植物利用光能，將空氣中的CO2和H2O合成有機(jī)物與O2的過程。光合作用的理論值可達(dá)5%，實(shí)際上小于1%。近年來在這方面的研究有所增加，人們期盼著出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。1.1.4太陽能利用的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1．儲(chǔ)量的“無限性”太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW，其中到達(dá)地球的能量高達(dá)8×1013kW，相當(dāng)于6×109噸標(biāo)準(zhǔn)煤。按此計(jì)算，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892×1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球能源的時(shí)間可以說是無限的。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲(chǔ)量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。2．存在的普遍性雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來說，太陽能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。3．利用的清潔性太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無限性，是人類理想的替代能源。4．利用的經(jīng)濟(jì)性可以從兩個(gè)方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用已具經(jīng)濟(jì)性，如太陽能熱水器雖然一次性投入較高，但其使用過程不耗能，而電熱水器和燃?xì)鉄崴髟谑褂脮r(shí)仍需耗費(fèi)資金。缺點(diǎn)1．分散性到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，在夏季天氣較為晴朗的情況下，正午時(shí)太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1m2面積上接收到的太陽能平均有1000W左右，若按全年日夜平均，則只有200W左右，而在冬季大致只有一半，陰天一般只有1/5左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時(shí)，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價(jià)較高。2．不穩(wěn)定性由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，到達(dá)某一地面的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。3．效率低和成本高目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因?yàn)樾势汀⒊杀据^高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。在今后相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，將主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。1.2認(rèn)識(shí)太陽1.2.1太陽的結(jié)構(gòu)太陽也像地球那樣有大氣層，其大氣層由光球、色球和日冕三層合起來構(gòu)成。1.2.2地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)地球的赤道平面與黃道平面的夾角稱為赤黃角。它就是地軸與黃道平面法線間的夾角，在一年中的任一時(shí)刻都保持為23°27′1.3天球坐標(biāo)觀察者站在地球表面，仰望天空，平視四周所看到的叫做假象球面。以觀察者為球心，以任意長度（無限長）為半徑，其上分布著所有天體的球面叫做天球。通過天球的中心（即觀察者的眼睛）與鉛直線相垂直的平面稱為地平面。天球上有兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，叫做南天極和北天極，連接兩個(gè)天極的直線稱為天軸。1.3.1赤道坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系是以天赤道QQ’為基本圈，以天子午圈的交點(diǎn)Q為端點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，PP’分別為北天極和南天級(jí)。由圖1-5可見，通過PP’的大圓都垂直于天赤道，兩者相交于β點(diǎn)。在赤道坐標(biāo)系中，太陽位置Sθ由時(shí)角ω和赤緯角δ兩個(gè)坐標(biāo)決定。（1）時(shí)角ω相對(duì)于圓弧QB，從天子午圈上的Q點(diǎn)算起（即從太陽的中午算起），順時(shí)針方向?yàn)檎?，通常以ω表示，它的?shù)值等于離正午的時(shí)間（小時(shí)）乘以15°。（2）赤緯角δ與赤道平面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。通常將太陽直射點(diǎn)的緯度，即太陽中心和地心的連線與赤道平面的夾角稱為赤緯角，常以δ表示。1.3.2地平坐標(biāo)系以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)負(fù)極的交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做時(shí)角坐標(biāo)系。人在地球上觀看空中的太陽相對(duì)于地平面的位置時(shí)，太陽相對(duì)地球的位置是相對(duì)于地平面而言的，通常用高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)決定，如圖1-7所示。（1）天頂角θs天頂角就是太陽光線OP與地平面QP之間的夾角。（2）高度角αs高度角就是太陽光線OP與其在地平面上投影線Pg之間的夾角，它表示太陽高出水平面的高度。（3）方位角γs方位角就是太陽光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角γs，它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度，取正南防線為起始點(diǎn)（即0）1.3.3太陽角的計(jì)算（1）庫珀方程太陽赤緯角（δ）在一年當(dāng)中，每天都在變化，但不超過±2327的范圍。夏天最大變化到夏至日的+2327，冬天最小變化至冬至日的2327。（2）太陽高度角計(jì)算太陽高度角的表達(dá)式為（3）太陽方位角太陽方位角按下式計(jì)算：（4）日照時(shí)間太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角為0°。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，可得出日出、日沒時(shí)角表達(dá)式：1.4太陽常數(shù)和太陽光譜1.4.1輻射度量輻射能Q是以電磁波或粒子形式發(fā)射、傳播或接收的能量。它的單位與其他形式能量的單位相同。在國際單位制中，輻射能的單位是J或MJ。輻射通量（Φ）是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率，或者說是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能，單位是瓦（W），按定義可以寫出：太陽投射到單位面積上的輻射功率（輻射通量）稱為輻照度（E），單位是瓦/平方米·（W/m2）。按照定義可寫出：在一段時(shí)間內(nèi)（如每小時(shí)、日、月、年等），太陽投射到單位面積上的輻射能量稱為輻照量（H），亦稱曝輻量，單位是千瓦時(shí)/（平方米·日（月、年））（kW·h/m2·d（m/y）1.4.2太陽常數(shù)太陽常數(shù)Isc的定義為：在平均日地距離時(shí)，地球大氣層上界垂直于太陽光線表面的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽輻射能。其參考值為Isc=1367±7W/m2太陽常數(shù)既不是從理論推導(dǎo)出來的，也不是具有嚴(yán)格物理內(nèi)涵的常數(shù)。太陽常數(shù)除太陽自身的變化外，還受測(cè)量準(zhǔn)確度、標(biāo)尺本身等影響。即使太陽輻射量為常數(shù)，實(shí)際上因?yàn)槿盏鼐嚯x的變化，使得到達(dá)地球大氣層上的太陽輻射能I0也在變化。太陽輻射能可由式確定。1.4.3太陽光譜太陽是以電磁波的形式向外傳播能量。電磁波是由同時(shí)存在又相互聯(lián)系且呈周期變化的電波和磁波構(gòu)成的。電波和磁波彼此相互垂直，并且它們均垂直于電磁波的傳播方向。電磁波一般用波長、頻率或波數(shù)來表征。太陽發(fā)射的電磁輻射在大氣頂上隨波長的分布叫做太陽光譜。太陽光譜的范圍幾乎涵蓋了整個(gè)電磁波譜。到達(dá)地面的太陽輻射光譜分布是地外太陽光譜和大氣成分的函數(shù)，它對(duì)于地面太陽能電池系統(tǒng)應(yīng)用及其他一些應(yīng)用是十分重要的。表1-4列出了太陽光譜輻射數(shù)據(jù)，圖1-8直觀地表述了太陽光譜的分布。由此可見，太陽輻射波長的范圍很寬，不同波長的輻射能力差異很大。地球大氣層外太空中的太陽輻射，其輻射能量主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，分別為46.43%和45.54%，紫外區(qū)只占8.02%。在波長很長和極短的區(qū)域中，其能量都非常小，絕大部分輻射的能量集中在0.20～4μm波長之間，約占太陽輻射總能量的99%。因此，常常把太陽輻射稱作太陽短波輻射（波長小于3μm的電磁輻射）。1.5地面太陽輻射的理論估算地面太陽輻射包括直接輻射和散射輻射。直接接收到的、不改變方向的太陽輻射稱為直接太陽輻射，接收到的被大氣層反射和散射后方向改變的太陽輻射稱為散射輻射。太陽輻射穿過地球大氣層時(shí)，不僅受到大氣層中的空氣分子、水蒸氣及灰塵所散射，而且受到大氣中氧、臭氧、水和CO2的吸收，所以經(jīng)過大氣而達(dá)到地面的太陽直接輻射顯著衰減。由于有關(guān)理論比較復(fù)雜且工程設(shè)計(jì)中不方便利用，本節(jié)將討論用一種較簡(jiǎn)單的方法，來估算太陽直接輻射穿過大氣層后的強(qiáng)度。1.5.1大氣質(zhì)量在太陽輻射測(cè)定中，計(jì)量輻射行程長度的單位不是普通的長度單位，而是采用所謂的大氣光學(xué)質(zhì)量?！按髿赓|(zhì)量”是一個(gè)無量綱量，它是太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在天頂角方向時(shí)穿過大氣路徑之比，并假定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa）和氣溫0℃時(shí)，海平面上太陽光線垂直入射的路徑為1，即m=1。顯然，地球大氣上界的大氣質(zhì)量為0。太陽在其他位置時(shí)，大氣質(zhì)量都大于1，如m=1.5時(shí)，通常寫成AM1.5。應(yīng)當(dāng)指出，引用大氣光學(xué)質(zhì)量這個(gè)術(shù)語并不十分貼切，因?yàn)閺目茖W(xué)概念上來講，它與通常所說的質(zhì)量無關(guān)。由光線方程可知，光的行程受地球曲率和大氣折射的影響。在不同的海拔處，大氣折射率的數(shù)值是不一樣的。作為一種近似，忽略不計(jì)這種影響，則可根據(jù)圖1-8直接導(dǎo)出大氣光學(xué)質(zhì)量。如圖1-9所示，A為地球海平面上一點(diǎn)，O、O′為大氣上界的點(diǎn)。太陽在天頂位置S時(shí)，太陽光線路程OA為大氣質(zhì)量。太陽位于S′點(diǎn)時(shí)，大氣質(zhì)量為1.5.2大氣透明度的引入在設(shè)計(jì)太陽能電池應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須掌握到達(dá)該地區(qū)的太陽輻射能，即掌握該地區(qū)太陽輻射的年、月總量。由于太陽輻射觀測(cè)站很稀疏，靠觀測(cè)站提供的資料遠(yuǎn)不能滿足需要，所以借助理論計(jì)算是十分必要的。有人提出用下式計(jì)算太陽輻射通過大氣后的強(qiáng)度。大氣透明度和大氣光學(xué)質(zhì)量密切相關(guān)，并隨地區(qū)、季節(jié)和時(shí)刻而變化。通常，城市的大氣污染要高于農(nóng)村，所以城市的大氣透