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新农村能源
新农村能源
太阳能(SolarEnergy),一般是指太阳光的辐射能量,太阳能是一种可再生能源,广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,生物质能,潮汐能、水的势能等等。
太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。
在四类太阳能利用方式中,光—热转换的技术最成熟,产品也最多,成本相对较低。
如:
太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等。
太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高,但应用还不普遍。
在光热转换中,当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。
主要有:
太阳能热水器(Solarwaterheater)是指以太阳能作为能源进行加热的热水器。
是与燃气热水器、电热水器相并列的三大热水器之一。
简介
太阳能热水器把太阳光能转化为热能,将水从低温度加热到高温度,以满足人们在生活、生产中的热水使用。
太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器,目前真空管式太阳能热水器为主,占据国内95%的市场份额。
真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及相关附件组成,把太阳能转换成热能主要依靠集热管。
集热管利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环而达到所需热水。
一、吸热过程
太阳辐射透过真空管的外管,被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。
管内的水吸热后温度升高,比重减小而上升,形成一个向上的动力,构成一个热虹吸系统。
随着热水的不断上移并储存在储水箱上部,同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复,最终整箱水都升高至一定的温度。
而平板式热水器,一般为分体式热水器,介质在集热板内因热虹吸自然循环,将太阳辐射在集热板的热量及时传送到水箱内,水箱内通过热交换(夹套或盘管)将热量传送给冷水。
介质也可通过泵循环实现热量传递。
二、循环管路
家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作,没有外在的动力。
真空管式太阳能热水器为直插式结构,热水通过重力作用提供动力。
平板式太阳能热水器通过自来水的压力(称为顶水)提供动力。
而太阳能集中供热系统均采用泵循环。
由于太阳能热水器集热面积不大,考虑到热能损失,一般不采用管道循环。
三、顶水式使用过程
平板式太阳能热水器为顶水方式工作,真空管太阳能热水器也可实行顶水工作的方式,水箱内可以采用夹套或盘管方式。
顶水工作的优点是供水压力为自来水压力,比自然重力式压力大,尤其是安装高度不高时,其特点是使用过程中水温先高后低,容易掌握,使用者容易适应,但是要求自来水保持供水能力。
顶水工作方式的太阳能热水器比重力式热水器成本大,价格高。
1)玻璃真空管太阳能热水器
可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型管真空管式。
常用的为全玻璃真空管式,其特点:
结构简单易于制作、价格相对较低、环境温度低时效率仍然比较高。
其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。
2)平板型太阳能热水器
平板型太阳能热水器特点:
具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行,安全可靠,吸热体面积大,易于与建筑相结合,耐无水空晒性强等优点,其热性能也很稳定;但对安装方向角度有较高的要求且成本高。
平板式太阳能热水器由于盖板内为非真空,保温性能差,故环境温度较低时集热性能较差。
环境温度低或要求出水温度高时热效率较低。
适合冬天不结冰的南方地区选用。
组成以及制造材料
太阳能热水器是由集热部件(真空管式为真空集热管,平板式为平板集热器)、保温水箱、支架、连接管道、控制部件等组成。
一、集热器
系统中的集热元件。
其功能相当于电热水器中的电热管。
和电热水器、燃气热水器不同的是,太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量,故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。
目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。
结构分为外管、内管,在内管外壁镀有选择性吸收涂层。
平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜,金属管焊接在集热板上,平板集热器较真空管集热器成本稍高,近几年平板集热器呈现上升趋势,尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。
全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造,选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。
二、保温水箱
储存热水的容器。
通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存,防止热量损失。
太阳能热水器的容量是指热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。
对承压式太阳能热水器,其容量指可发生热交换的介质容量。
太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。
水箱内胆是储存热水的重要部分,其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。
市场上有不锈钢、搪瓷等材质。
保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果,在寒冷季节尤其重要。
目前较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。
外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。
保温水箱要求保温效果好,耐腐蚀,水质清洁。
三、支架
支撑集热器与保温水箱的架子。
要求结构牢固,稳定性高,抗风雪,耐老化,不生锈。
材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。
四、连接管道
平板热水器将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的管道,使整套系统形成一个闭合的环路。
设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。
太阳能热水器至用户端也使用连接管道。
热水管道必须做保温处理。
五、控制部件
一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行,控制系统是不可少的,常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位,带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。
目前市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器,具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能,方便了用户。
太阳灶是利用太阳能辐射,通过聚光获取热量,进行炊事烹饪食物的一种装置。
它不烧任何燃料;没有任何污染;正常使用时比蜂窝煤炉还要快;和煤气灶速度一致。
聚光太阳灶
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,不仅有镜面材料的选择,还有几何形状的设计。
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。
在数学上若抛物线绕主轴旋转一周,所得的面,即称为“旋转抛物面”。
若有一束平行光沿主轴射向这个抛物面,遇到抛物面的反光,则光线都会集中反射到定点的位置,于是形成聚光,或叫“聚焦”作用。
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。
聚光比K可用公式求得:
K=采光面积/焦面面积。
采光面积是指太阳灶在使用时反射镜面阳光的有效投影面积。
根据我国推广太阳灶的经验,设计一个700~1200瓦功率的聚光式太阳灶,通常采光面积约为1.5~2.0平方米。
个别大型蒸汽太阳灶也是聚光式太阳灶,但其采光面积较大,有的要在5平方米以上。
聚光式太阳灶除采用旋转抛物面反射镜外,还有将抛物面分割成若干段的反射镜,光学上称之为菲涅耳镜,也有把菲涅耳镜做成连续的螺旋式反光带片,俗称“蚊香式太阳灶”。
这类灶型都是可折叠的便携式太阳灶。
聚光式太阳灶的镜面,有用玻璃整体热弯成型,也有用普通玻璃镜片碎块粘贴在设计好的底板上,或者用高反光率的镀铝涤纶薄膜裱糊在底板上。
底板可用水泥制成,或用铁皮、钙塑材料等加工成型。
也可直接用铝板抛光并涂以防氧化剂制成反光镜。
聚光式太阳灶的架体用金属管材弯制,锅架高度应适中要便于操作,镜面仰角可灵活调节。
为了移动方便,也可在架底安装两个小轮,但必须保证灶体的稳定性。
在有风的地方,太阳灶要能抗风不倒。
可在锅底部位加装防风罩,以减少锅底因受风的影响而功率下降。
有的太阳灶装有自动跟踪太阳的跟踪器,但是一般认为这只会增加整灶的造价。
中国农村推广的一些聚光式太阳灶。
大部分为水泥壳体加玻璃镜面,造价低,便于就地制作,但不利于工业化生产和运输。
太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。
是一种既可取暖发电,又可去湿降温、通风换气的节能环保住宅。
最简便的一种太阳房叫被动式太阳房,建造容易,不需要安装特殊的动力设备。
比较复杂一点,使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房。
更为讲究高级的一种太阳房,则为空调致冷式太阳房。
编辑本段原理分析
太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面,把房屋看作一个集热器,通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起,采暖主要利用南坡屋面的铁板吸收太阳能,加热从屋外引进的冷空气,当通过屋项最高处的玻璃板时,空气温度被大幅度抬升,将通气层内的热空气吸过来聚集到热气通道里,然后通过控制箱送到地板下面贮存起来,并从靠墙的地板风口流出来,太阳下山后,风扇会自动停止转动,控制箱内的风门会自动关闭,避免室外的冷空气流入室内,贮存在地板下的热量也慢慢释放出来,使室温下降速度减慢,使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能,从而达到取暖的效果。
从理论上讲,温度高的物体都会向温度低的物体或空间辐射热。
夏天的夜晚,室外的气温一般在25-30℃,而晴朗的高空温度则只有-60─-40℃,屋顶的铁板不断向高空辐射热量,一般情况下,比外界气温低2─4℃,这时采取与冬季取暖相同的方式引进室外空气屋顶通气层内的空气被铁板降温,流入屋内。
除了利用冷辐射原理降温外,这种太阳房还在地下1.5米深处铺设塑料管道,将地下的凉气以每秒一立方米的流量送入室内,从而达到取凉的目的。
太阳房的屋面由吸热铁板、太阳能电池板、集热空气层、集热气通道和隔热层组成,无须任何大型机器,完全靠巧妙的建筑构造来利用太阳能。
利用这种技术建成的太阳房虽然比普通住宅多投资十分之一,但节能效率高达33%,而且利用屋顶装有的太阳能电池板完全可以满足一个普通家庭的用电,还可以将剩余电能并入电网,最大限度节约了能源。
太阳能干燥,就是利用太阳能干燥设备,对工业及农副产品进行干燥作业,我们称其为太阳能干燥。
干燥过程
从机理上说,干燥过程是利用热能使固体物料中的水分汽化并扩散到空气中去的过程,物料表面获得热量后,将热量传入物料内部,使物料中所含的水分从物料内部以液态或气态方式进行扩散,逐渐到达物料表面,然后通过物料表面的气膜而扩散到空气中去,使物料中所含的水分逐步减少,最终成为干燥状态。
因此,干燥过程实际上是一个传热、传质的过程。
原理
太阳能干燥就是使被干燥的物料,或者直接吸收太阳能并将它转换为热能,或者通过太阳集热器所加热的空气进行对流换热而获得热能,继而再经过以上描述的物料表面与物料内部之间的传热、传质过程,使物料中的水分逐步汽化并扩散到空气中去,最终达到干燥的目的。
所需条件
为要完成这样的过程,必须使被干燥物料表面所产生水汽的压强大于干燥介质中水汽的分压。
压差越大,干燥过程就进行得越快。
因此,干燥介质必须及时地将产生的水汽带去,以保持一定的水汽推动力。
如果压差为零,就意味着干燥介质与物料的水汽达到平衡,干燥过程就停止。
太阳能干燥通常采用空气作为干燥介质。
在太阳能干燥器中,空气与被干燥物料接触,热空气将热量不断传递给被干燥物料,使物料中水分不断汽化,并把水汽及时带走,从而使物料得以干燥。
太阳能温室是根据温室效应的原理加以建造的。
温室内温度升高后所发射的长波辐射能阻挡热量或很少有热量透过玻璃或塑料薄膜散失到外界,温室的热量损失主要是通过对流和导热的热损失。
如果人们采取密封、保温等措施,则可减少这部分热损失。
太阳能温室在白天,进入温室的太阳辐射热量往往超过温室通过各种形式向外界散失的热量,这时温室处于升温状态,有时因温度太高,还要人为的放走一部分热量,以适应植物生长的需要。
如果室内安装储热装置,这部分多余的热量就可以储存起来了。
太阳能温室在夜间,没有太阳辐射时,温室仍然会向外界散发热量,这时温室处于降温状态,为了减少散热,故夜间要在温室外部加盖保温层。
若温室内有储热装置,晚间可以将白天储存的热量释放出来,以确保温室夜间的最低湿度。
太阳能温室对养殖业同样具有很重要的意义,它不仅能缩短生长期,对提高繁殖率、降低死亡率都有明显的效果。
因此,太阳能温室已成为中国农、牧、渔业现代化发展不可缺少的技术装备。
太阳能温室在中国北方,还能与沼气利用装置相结合,用它来提高池温,增加产气率。
比如由德州华园新能源公司设计承建的东北地区三位一体太阳能温室,就包括了太阳能温室种植-沼气升温-居住采暖等功能,为北方地区冬季生活事来了舒适和温暖。
光伏发电是根据光生伏打效应原理,利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。
不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源可以无处不在。
太阳能光伏发电的最基本元件
是太阳电池(片),有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。
目前,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。
晶体硅电池效率在16-18%左右。
由一个或多个太阳电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。
2002年全球太阳电池和光伏组件产量约600MW,其中日本占45%,美国25%,欧洲约22%。
日本是光伏产业发展最快的因家,在不到10年的时间里超过了美国,2001年世界10大太阳电池生产厂,日本就有4家,分别是夏普、京都陶瓷、三洋和三菱。
欧美发达国家大都制订了“阳光计划”,并采取措施鼓励居民安装太阳能发电系统,比如部分赠款、无息贷款和“种子基金”等,并以高出普通电价几倍的价格购买居民家中多余的太阳能电量。
光伏发电理论
光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。
太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。
目前,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。
国产晶体硅电池效率在10至13%左右,国外同类产品效率约12至14%。
由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。
目前,光伏发电产品主要用于三大方面:
一是为无电场合提供电源,主要为广大无电地区居民生活生产提供电力,还有微波中继电源、通讯电源等,另外,还包括一些移动电源和备用电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等;三是并网发电,这在发达国家已经大面积推广实施。
我国并网发电正在起步阶段。
太阳能驱动制冷的主要方式
根据不同的能量转换方式,太阳能驱动制冷主要有以下两种方式,一是先实现光─电转换,再以电力制冷;二是进行光─热转换,再以热能制冷。
利用太阳能进行光─电转换实现制冷的研究
它是利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后,再用于驱动半导体制冷系统或常规压缩式制冷系统实现制冷的方法,即光电半导体制冷和光电压缩式制冷。
这种制冷方式的前提是将太阳能转换为电能,其关键是光电转换技术,必须采用光电转换接受器,即光电池,它的工作原理是光伏效应。
太阳能半导体制冷。
太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来供给半导体制冷装置,实现热能传递的特殊制冷方式。
半导体制冷的理论基础是固体的热电效应,即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,结点上将产生吸热或放热现象。
如何改进材料的性能,寻找更为理想的材料,成为了太阳能半导体制冷的重要问题。
太阳能半导体制冷在国防、科研、医疗卫生等领域广泛地用作电子器件、仪表的冷却器,或用在低温测仪、器械中,或制作小型恒温器等。
目前太阳能半导体制冷装置的效率还比较低,COP一般约0.2~0.3,远低于压缩式制冷。
光电压缩式制冷。
光电压缩式制冷过程首先利用光伏转换装置将太阳能转化成电能,制冷的过程是常规压缩式制冷。
光电压缩式制冷的优点是可采用技术成熟且效率高的压缩式制冷技术便可以方便地获取冷量。
光电压缩式制冷系统在日照好又缺少电力设施的一些国家和地区已得到应用,如非洲国家用于生活和药品冷藏。
但其成本比常规制冷循环高约3~4倍。
随着光伏转换装置效率的提高和成本的降低,光电式太阳能制冷产品将有广阔的发展前景。
利用太阳能进行光─热转换实现制冷的研究
太阳能光热转换制冷,首先是将太阳能转换成热能,再利用热能作为外界补偿来实现制冷目的。
光─热转换实现制冷主要从以下几个方向进行,即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能除湿制冷、太阳能蒸汽压缩式制冷和太阳能蒸汽喷射式制冷。
其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用阶段,而太阳能吸附式制冷还处在试验研究阶段。
太阳能吸收式制冷的研究。
太阳能吸收式制冷的研究最接近于实用化,其最常规的配置是:
采用集热器来收集太阳能,用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机,工质对主要采用溴化锂-水,当太阳能不足时可采用燃油或燃煤锅炉来进行辅助加热。
系统主要构成与普通的吸收式制冷系统基本相同,唯一的区别就是在发生器处的热源是太阳能而不是通常的锅炉加热产生的高温蒸汽、热水或高温废气等热源。
太阳能吸附式制冷。
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剂对制冷剂的周期性吸附、解吸附过程实现制冷循环。
太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、储液器、蒸发器、阀门等组成。
常用的吸附剂对制冷剂工质对有活性炭-甲醇、活性炭-氨、氯化钙-氨、硅胶-水、金属氢化物-氢等。
太阳能吸附式制冷具有系统结构简单、无运动部件、噪声小、无须考虑腐蚀等优点,而且它的造价和运行费用都比较低。
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