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太阳能热利用

简介

人类在生产和生活实践中早就利用太阳辐射的热能。如用阳光晒干粮食、衣物;北方传统住宅坐北朝南,向阳的南面开窗以利于冬季保持室内温暖等等。据中国史籍记载,早在3000多年前的西周时代,就已掌握“阳燧取火”的技术。晋代张华著的《博物志》中也有把冰制成凸透镜用以聚集阳光取火的记载。人类真正认识到太阳能可以作为一种能源和动力是近300年的事。1615年法国工程师所罗门·德考克斯(Solomon deCaux)发明世界上第一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。此后陆续发明了许多太阳能热利用装置:如1619年意大利的马基纳斯(Maginus)建造了一个直径为0.509米球形凹面反射镜可以熔铅,就是今天高温太阳炉的雏形;1854年奥地利的西·柯特纳(C·Guntnor)发明了太阳能蒸气锅炉发动机;1872年智利建成了面积约4682平方米的太阳能蒸馏装置;1878年巴黎世界博览会上展出了太阳能印刷机等等。到19世纪末平板集热器发明后,太阳能热利用以太阳能热水器为先导逐步进入商品化实用阶段。由于太阳能自身的缺点(能量密度低,间断性、不稳定性、装置成本高、使用不方便),无法与煤、石油、天然气等常规能源竞争,使得太阳能热利用发展缓慢。直到20世纪70年代,世界能源危机使人类意识到矿物燃料面临着枯竭的危险和大量燃用矿物燃料造成环境污染、生态平衡破坏等严重后果,太阳能热利用才又重新得到世界各国的重视,有了较大的发展。现在已经初步形成了太阳能热利用的行业,以色列等国太阳能热水器的普及率在生活中已达到50%以上,美国加利福尼亚州已有8座3万千瓦级太阳能热电站并网发电,投入商业经营。

太阳能热利用装置 种类繁多,在某些太阳能热利用装置中,集热器与贮热装置紧密结合在一起,如被动式太阳能采暖房、太阳能温室、太阳能干燥仓、闷晒式热水器等。太阳能集热器是收集太阳能的关键部件,可分为平板型、聚焦型和真空管型三大类,其转换温度或运行温度可在摄氏数十度至数千度之间。

平板集热器是一种由透明盖板、吸热体和背面保温材料构成的热箱。太阳能是波长为0.3~3微米的电磁辐射波,可以穿过透明盖板,照射在黑色的吸热体上,被吸热体吸收,从而使吸热体温度上升。由于透明盖板对长波热辐射有阻挡作用,减小了吸热体的辐射热损失。透明盖板与吸热体之间的空气被密封在热箱内,与环境隔开,减少了吸热体的对流热损失。在照不到阳光的吸热体背面装有保温材料,减小了导热损失,因而热量积聚在吸热体内,使其温度不断上升。倘用传热介质,如水或空气流过吸热体,便可将热能取出加以利用。若不取出热量,则在闷晒条件下平板集热器的温度可达100~200℃。集热器的热转换效率与运行温度有关,运行温度越高,热效率就越低,平板集热器一般用于100℃以下的热利用装置中。

聚焦型集热器是应用反光曲面将太阳直射光聚集到较小面积的吸热体上,增加吸热体单位面积上的太阳能密度,从而获得较高的温度。按照聚焦面形状,聚焦型集热器又分为线聚焦和点聚焦两大类。除了低倍线聚焦集热器(聚光比小于10)外,聚焦集热均需配备对准太阳的跟踪系统。线聚焦集热器的聚光比一般小于100,点聚焦集热器的聚光比可高达1000以上,其焦点温度可达3000℃以上。

真空管集热器是70年代发展起来的新型太阳能集热器,其特点是将透明盖板和吸热体之间抽成真空。为了承受大气压力,做成管形。由于吸热体处于真空环境中,消除了对流热损失,因而可以达到比平板集热器更高的运行温度。其闷晒温度可达300℃,一般可用于150℃以下的热利用装置。如果与线聚光器结合,其运行温度可以更高。例如美国加利福尼亚州3万千瓦级太阳能热电站所用的就是真空集热管与抛物柱面反射聚光器相结合的集热器,其聚光比达70。运行温度在400℃时,热效率仍高达50%左右。

太阳能热利用的分类 按其所得热能品位不同可分为低温、中温、中高温和高温四类。温度低于60℃是低温热利用。低温热能一般直接利用,如游泳池增温、生活热水、房屋采暖、温室花房、木材、药材及果品干燥等。低温热利用主要使用平板集热器及其他比较简单的集热器。运行温度在60~190℃之间的属于中温热利用,可以直接用于工业热水、开水、采暖等,也可以转换为机械能后再利用,如制冷空调、抽水泵等。中温热利用装置可用高性能平板集热器、真空管集热器或低倍聚焦集热器。运行温度150~500℃为中高温热利用,可用高倍线聚焦集热器和点聚焦集热器(聚光比10~100)达到。运行温度500℃以上的属于高温热利用,可用高倍点聚焦集热器(聚光比大于100)达到。后两类用途有热发电、太阳灶等。

在农业上的应用 太阳能热利用在农业工程中有着重要意义。例如太阳能温室种菜已为中国北方冬季提供了大量新鲜蔬菜。太阳能暖圈对于牧畜过冬,太阳能冷贮柜对于牧区的牛奶、沿海水产品的冷贮保鲜,太阳能干燥对于农产品烘干,太阳能水泵对于边远农牧区的人畜用水和灌溉等都将发挥重要作用。20世纪80年代以来以热水器、太阳灶、被动式太阳房、干燥器为先导的太阳能热利用已进入商品化实用阶段。1990年中国太阳能热水器年产量超过40万平方米;已建成的被动式太阳房超过30万平方米;太阳灶已推广10万余台。

由于地面上太阳能的间断性和不稳定性,蓄能是太阳能热利用中最大的技术问题,需研究新的蓄能方法和材料。目前在低温太阳能热利用方面,主要是产品开发问题,需解决基础材料、降低产品成本、提高质量,增加使用寿命。在中高温热利用方面还要研究新工艺、新材料、新部件,以提高太阳能热利用装置的效率和可靠性。

英文

solar thermal utilization