1、第六讲 太阳能热利用-四、太阳能温室五、太阳能制冷空调技术六、太阳能热发电技术四、太阳能温室四、太阳能温室 温室热平衡 温室设计 温室结构及特点太阳能温室太阳能温室 太阳能温室是根据温室效应的原理加以建造的，利用太阳的能量来提高塑料大棚内或玻璃房内的室内温度，以满足植物生长对温度的要求。人们往往把它称之为人工暖房。1.根据用途分：展览温室、栽培与生产温室、繁殖温室2.根据室内温室分：高温温室（一般冬季要求18-36）、中温温室（冬季要求12-25）、低温温室（冬季要求5-20）、冷室（冬季要求0-15）3.根据太阳能与温室结合方式分：被动太阳能温室、主动太阳能温室4.根据温室的结构分：土温室、
2、砖木结构温室、混凝土结构温室、钢结构或有色金属结构温室5.根据温室透光结构材料分类：玻璃窗温室、塑料薄膜温室、其他透光材料的温室6.按温室朝向和外形分类：南向温室、东西向温室太阳能温室分类太阳能温室分类4.1 温室热平衡温室热平衡热量平衡是温室小气候形成的物理基础，也是温室设计和栽培管理的基础。温室从太阳辐射获得热量，并在室内的结构物、空气、土壤与作物之间进行着复杂的热、质交换。白天白天夜间夜间热平衡方程热平衡方程Q为到达室内的净辐射量，W；等于太阳总辐射强度、温室采光面积和温室透明覆盖材料的透过率的乘积，Q=IA。Qt为维护结构外表面的散热量，是温室的主要散热损失。在建造时，后墙、山墙、后室
3、顶要用导热系数小的材料并适当加厚或加保温材料；晚间在采光面上用草苫、纸被等覆盖，以减少散热。Qv为温室缝隙的散热损失，是从门窗缝隙、屋面或墙体裂缝及放风孔口泄露的热湿空气带走的热量。一般在密闭情况下约为Qt的10%，但要注意尽量减少门窗缝隙及维护结构的破损。Qs为土壤传热损失，主要是土壤在沿地面方向向室外冷土壤的传热。可通过在温室四周挖防寒沟，在沟内填马粪、稻壳、落叶或碎草等，然后在表面覆土踩实的办法减少横向传热损失，或采用室内地面下凹的办法；Ql为土壤及植物中的水分蒸发所消耗的潜热传热量，正常的需热量。Qf为室内物体及空气等的增温热量，不是热损失，只是维护结构吸热升温后增大向外的散热。tvs
4、lfQQQQQQ1ntiiraiQK A tt13600vvraQRVCtt每小时换气次数4.2 温室设计温室设计1.温室的采光设计温室的采光设计 温室的方位 前屋面倾角 采光屋面形状2.温室的总体尺寸设计温室的总体尺寸设计跨度与高度、前后屋面与墙体尺寸、温室长度等3.温室的场地选择、规划与温室细部结构设计温室的场地选择、规划与温室细部结构设计4.温室结构材料选择温室结构材料选择包括骨架材料、墙体材料、覆盖材料等4.2 温室设计温室设计1.温室的采光设计温室的采光设计 温室的方位 前屋面倾角 采光屋面形状基本上是东西延长、坐北朝南，为了早见阳光可向南偏东10。北纬40 以北的地区，冬天早上气温
5、过低，为接受太阳光而过早打开苫布得不偿失。在严寒地区，为延长午后光照蓄热时间以利于夜间保温，以南偏西10左右为好。4.2 温室设计温室设计1.温室的采光设计温室的采光设计 前屋面倾角 前屋面倾角决定了太阳光的入射角。太阳光透射量的多少也和入射角有关。试验表明，入射角在040时，透光量最大，且随入射角增大下降不明显；在40 60范围内，随入射角增大下降明显；60 90范围内，随入射角增大急剧下降。入射角为0的屋面倾角是最好的，即o90so090s正午时，有：所以，最佳倾角应为冬天赤纬角为负值，此时算出的倾角太大，考虑到40范围内的入射角对阳光透射量影响不大，合理的前屋面倾角可在以上计算结果基础上
6、减40。o40通常取值通常取值：北纬40以南，取为23 25，北纬40以北，倾角大于254.2 温室设计温室设计1.温室的采光设计温室的采光设计 采光屋面形状 采光屋面的水平投影占温室跨度的比例在6/72/3范围内。后坡短而采光面所占比例大的温室采光效果好。采光面形状主要有半圆拱形、椭圆拱形、两折式（大小双斜面式、一斜一立式）和三折式4种形式。采光面不同也影响采光效果。4.3温室结构及特点温室结构及特点（1）单窗面温室）单窗面温室-小型玻璃温室小型玻璃温室结构简单，投资少，保温性能好，主要是冬季使用。太阳高度较小，阳光可射到室内采光面小，遮阴的柱子多，影响采光4.3温室结构及特点温室结构及特点
7、（2）双窗面温室）双窗面温室分为前窗倾斜和前窗直立两种。保持了单窗面温室保温性能好、结构简单的优点，并增加了采光面，使采光改善。4.3温室结构及特点温室结构及特点（3）短后坡高后墙半拱形塑料日光温室）短后坡高后墙半拱形塑料日光温室长前坡、短后坡、高中脊及大仰角，加大了温室采光面，显著提高采光量，是对长后坡、矮后墙半拱形塑料日光温室的改进。保温能力比长后坡温室有所下降，但增加了采光量和后墙的吸热蓄热，弥补了夜间保温能力下降的不足。提高了土地利用率，室内作业方便，冬季亦能进行果蔬生产，近年来发展很快。4.3温室结构及特点温室结构及特点（4）鞍）鞍II型塑料日光温室型塑料日光温室采用钢桥架结构，抗载
8、荷能力强。其采光、增温和保温效果均好于同等跨度、高度的一坡一立面式塑料日光温室。使用面积大，采光好，后坡下也可种植番茄、黄瓜等喜温作物。4.3温室结构及特点温室结构及特点（5）塑料大棚）塑料大棚一般为钢筋拱棚结构（也有用竹皮、钢管做拱棚骨架），四周铺塑料薄膜，无墙体维护结构，通常为南北向延长，采光均匀、充足。室内温度较低，只高出外界23，在北纬40以北地区仅在早春以后及秋季使用。为加强保温，常采用多层塑料覆盖，大棚内套小棚，晚间棚上盖草帘。跨度一般为815m，长度20 50m。高度不宜太高，高度大使保温困难。五、太阳能制冷与空调五、太阳能制冷与空调 太阳能氨-水吸收式制冷 太阳能水-溴化锂吸收
9、式制冷太阳能制冷的主要形式太阳能制冷的主要形式1.1.光热转换制冷光热转换制冷将太阳光转换成热能，再利用热能作为外界的补偿，使系统能够达到制冷的目的；主要包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。2.2.光电转换制冷光电转换制冷先实现光电转换，再利用太阳能电池驱动制冷机的制冷系统；主要包括太阳能光伏制冷和太阳能压缩式制冷。太阳能吸收式制冷太阳能吸收式制冷 吸收式制冷的基本特点就是利用两种沸点不同的物质组成二元混合物。其中沸点低的物质作制冷剂，沸点高的物质作吸收剂。常使用的二元溶液有氨水和溴化锂水溶液。前者氨为制冷剂，水作吸收剂，后者水为制冷剂，溴化锂作吸收剂。太阳能作为蒸汽发生
10、器的热源使用。主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵等几部分组成。太阳能氨太阳能氨-水吸收式制冷系统水吸收式制冷系统当氨水溶液在发生器内受到热媒水的加热后，溶液中的氨不断汽化，发生器内的氨水溶液浓度不断降低，进人吸收器；氨蒸汽进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水降温后凝结，成为高压低温的液态氨；当冷凝器内的液态氨通过节流阀进人蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内的冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的。在此过程中，低温氨蒸汽进入吸收器，被吸收器内的氨水稀溶液吸收，溶液浓度逐步升高，再由循环泵送回发生器，完成整个循环。该系统利用太阳能集热器将水加热，为吸收式制冷机的发生器提供热
11、媒水；同时利用换热器，让发生器流出的高温稀溶液与吸收器流出的低温浓溶液进行热交换，提高整个装置的热效率。氨-水吸收式制冷的优缺点 优点：优点：氨本身的粘度低，潜热大，导热性能好，是良好的制冷剂，且价格便宜；能够制取0以下低温（-451），溶液不会发生结晶。缺点：缺点：氨与水的沸点相差不很大，氨的沸点为-33.4，水的沸点为100，冷凝得到的氨液中常含有水，使制冷剂不纯，制冷效率与单位溶液的制冷量下降；如发生氨泄漏，还会危害人体健康，污染环境。太阳能水太阳能水-溴化锂吸收式制冷系统溴化锂吸收式制冷系统用热水加热水-溴化锂溶液时，只有水能被汽化，而溴化锂仍全部保持液态。发生器中的水蒸气流进冷凝器中
12、，被冷凝成纯水，再进人蒸发器。蒸发器的工作压力很低，底部的水由冷媒泵抽到上部喷淋，通过强化吸收空调回水中的热量蒸发；同时空调回水被冷却，然后循环至房间供空调降温用。汽化的水蒸气再流人吸收器，被从发生器流回的浓溴化锂水溶液喷淋所吸收，成为稀的溴化锂水溶液，再由溶液泵将其经换热器吸热后送人发生器，就完成了一个制冷循环。水-溴化锂吸收式制冷的优缺点 优点优点：系统的制冷效率高，单位溶液的制冷量大。系统的制冷效率高，单位溶液的制冷量大。水和溴化锂的沸点相差很大，如在1个物理大气压下，水的沸点是100，而溴化锂的沸点是1265。因此，当溴化锂水溶液被加热时，只有水被汽化，所以，在溴化锂水溶液制冷系统中制
13、冷剂水蒸气很纯，能提高系统的制冷效率与单位溶液的制冷量。缺点：（缺点：（1）真空度高，设备的密封性要求较高。）真空度高，设备的密封性要求较高。若制冷温度为510，其相应的饱和压力为8701200Pa，即需要蒸发器和吸收器达到99%左右的真空度。系统在如此高度真空状态下工作，对结构及运行的要求都很高。（2）系统的制冷温度必须在系统的制冷温度必须在0以上以上，不能再低，故溴化锂水溶液只能用于空调，不能用于冷冻。（3）溴化锂水溶液）溴化锂水溶液对金属有强烈的腐蚀性对金属有强烈的腐蚀性。太阳能吸收式制冷太阳能吸收式制冷 太阳能吸收式制冷是目前应用太阳能制冷最成功的方式之一，也较容易实现。目前太阳能溴化
14、锂吸收式制冷机已广泛应用在大型空调领域。但是吸收式制冷系统庞大，运行复杂，并且制冷剂存在易结晶、腐蚀性强、蒸发温度只能在0以上等缺点。太阳能吸附式制冷太阳能吸附式制冷 吸附式制冷是利用物质的物态变化来达到制冷的目的。工作过程由热解吸和冷却吸附组成。基本循环过程是利用太阳能使吸附剂和吸附质形成的混合物在吸附器中解吸，放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，冷凝出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。制冷剂蒸发时吸收热量，产生制冷效果，蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器，被吸附后形成新的混合物(或络合物)，从而完成一次吸附制冷循环过程。用于吸附式制冷系统的吸附式制冷系统的吸附剂-制冷剂组合可以有不同的选择
15、，例如：沸石-水，活性碳-甲醇等。这些物质均无毒、无害，也不会破坏大气臭氧层。太阳能蒸汽喷射式制冷太阳能蒸汽喷射式制冷太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射式制冷机两大部分组成。它们分别依照太阳集热器循环和蒸汽喷射式制冷机循环的规律运行。在喷射式制冷技术中，循环泵是唯一的运行部件，系统设置比较简单、运行稳定、可靠性高，但喷射制冷效果较低。太阳能蒸汽喷射式制冷太阳能蒸汽喷射式制冷 太阳集热器成为蒸汽喷射式制冷机循环的热源。在太阳集热器循环中，工质先后被太阳集热器加热，然后再去加热低沸点工质至高压状态。高压蒸气进入蒸汽喷射式制冷机后放热，温度迅速降低，然后又回到太阳集热器和锅炉再进行加
16、热。在蒸汽喷射式制冷机循环中，高压蒸气通过蒸汽喷射器的喷嘴，吸引蒸发器内生成的低压蒸汽，进入混合室。在混合蒸汽流经扩压室后，速度降低，压力增加，然后进入冷凝器被冷凝成液体，该液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发，吸收冷媒水的热量，从而达到制冷的目的。光电转换制冷光电转换制冷 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。其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 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
17、递的制冷方式。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。太阳能半导体制冷太阳能半导体制冷当直流电源接通，上面接头的电流方向是n-p，温度降低，并且吸热，形成冷端；下面接头的电流方向是p-n，温度上升，并且放热，形成热端。把若干对热电偶连接起来就构成了常用的热电堆，借助各种传热器件，使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，产生低温，这就是半导体制冷的工作原理。光电压缩式制冷光电压缩式制冷 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
18、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34 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。太阳能制冷的优点太阳能制冷的优点 太阳能制冷技术在我国目前还处于试验阶段。与常规制冷技术相比，具有以下优点与常规制冷技术相比，具有以下优点：采用的工质不含氟里昂，硅胶、活性碳、甲醇、溴化锂等均无毒无害，对大气层的保护意义明显；太阳能制冷设备几乎不消耗电能等常规能源，因此运行成本几乎可以忽略不计，非常节能；太阳能制冷设备（除压缩式制冷）无运
19、动部件，系统运行十分安静；系统在接近真空的状态下运行，无高压爆炸等危险，安全可靠。太阳能制冷的出路 如何降低太阳能制冷系统的造价使之更加广泛地走向商业化应用是当今太阳能制冷领域的主要研究课题。要解决这一课题主要有以下几方面：（1）研究出适应于太阳能利用的制冷机组。（2）提高太阳能集热器、太阳能电池的效率和降低其造价。（3）整合太阳能制冷和太阳能供应热水，使高品位和低品位的太阳能辐射各尽其用，达到系统全年的运行。六、太阳能热发电六、太阳能热发电 槽式太阳能发电系统 塔式太阳能发电系统 碟式太阳能发电系统太阳能热发电系统的组成太阳能热发电系统的组成太阳能热发电也称聚光太阳能发电(Concentra
20、ting Solar Power，CSP)。太阳能热发电系统由集热子系统、热传输子系统、蓄热和热交换子系集热子系统、热传输子系统、蓄热和热交换子系统、发电子系统统、发电子系统组成。太阳能太阳能热发电主要技术路线热发电主要技术路线槽式槽式塔式塔式碟式碟式塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统示例1982年，美国南部沙漠建成一座称为“太阳1号”的塔式太阳能热发电系统。该系统的反射镜阵列由1818面反射镜组成,包括接收器的塔的总高度达85.5m，起初用水-蒸汽系统，发电功率为10MW。1992年装置经过改装,用于示范熔盐接收器和蓄热装置，熔盐在接收器内由288加热到565。于增
21、加了蓄热装置，使太阳塔输送电能的负荷因子可高达65%。槽式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电系统槽形发电系统是利用抛物线槽形集热器将太阳能反射到位于其焦线处的吸热管，吸热管内的工质通常为水或油。该系统的聚光集热器由很多分散布置的槽形抛物面镜聚光集热器串、并联组成。载热介质在单个分散的聚光集热器中被加热或形成蒸汽汇集到汽轮机；或者汇集到热交换器，把热量传递给汽轮机回路中的工质。通过高温蒸汽驱动汽轮机发电机组而发电，与常规火力发电相同。抛物线槽的聚光比一般为10100，比塔式系统的聚光比低得多。吸收器的散热面积也比较大，因而介质工作温度一般为100400，属于中温系统。通常采用蒸汽朗肯循环发电。这种
22、系统容量可大可小，集热器等装置都布置在地面上，安装和维护比较方便；聚光集热器可以同步跟踪，使控制成本大大降低。其主要缺点是能量集中过程依赖于管道和泵，输热管路比较复杂，输热损失和阻力损失也比较大。槽式太阳能热发电原理图槽式太阳能热发电系统示例美国和以色列联合的鲁兹(LUZ)公司，于1985丁1991年间先后在美国加利福尼亚南部的莫哈韦(Mojave)沙漠地区建成9座大型商用槽形太阳能热发电系统(SEGS ISEGS IX)，是这一系统的典型，是世界首座商业化运行的槽式太阳能热发电系统。如80MW的SEGS VIII，太阳能收集器场包括852个长96m的太阳能集热器组合单元，排列成142个环路。
23、由1台计算机分别控制这些组合单元跟踪太阳。集热钢管内的传热流体由太阳辐射加热到391，然后输送到动力装置，在传统的热交换系统中把热量传递给水，将水加热为过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。碟式太阳能热发电系统碟式太阳能热发电系统 碟式系统利用抛物线碟式聚光器将太阳能传递给位于其焦点处的接收器。碟式聚光器的聚光比可以达到6003000，吸热体的温度也高于塔式和槽式，通常是6001500。这种系统可以独立运行，作为无电地区的小型电源，一般功率为1025kW，聚光直径约1015m；也可以用于较大的用电户，把数台至数十台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。碟式太阳能热发电技术是目前太阳能热发电中光电转
24、换效率最高的一种。碟式发电的形式 碟式发电的形式有：基于有机朗肯循环的蒸汽轮机、基于布雷顿循环的燃气轮机、基于斯特林循环的斯特林发动机。采用蒸汽轮机的碟式发电系统光电转化效率为15%-18%，采用燃气轮机的发电系统光电转化效率为21%-25%，采用斯特林发动机的碟式发电系统光电转化效率为32%-38%。与光伏发电系统相比，碟式系统具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点。三种太阳能热发电系统的比较和发展现状三种太阳能热发电系统的比较和发展现状塔式技术需要大量用水，因前期单位投资过大且降低造价很难，缺乏大规模公用系统级发电装置运行的实际经验，目前虽然大力推广，但因其投资过大而少人问津。槽式
25、聚焦系统在发电过程需要大量用水，而且聚光比小、系统工作温度低、核心部件真空管技术尚未成熟、吸收管表面选择性涂层性能不稳定、运行成本高等，据说目前最为成熟的槽式热发电技术，其真空玻璃的集热管损坏率高，其使用的导热油一吨动辄三四万元，价格昂贵。这些都是阻碍槽式太阳能发电的推广的原因。碟式技术是三种光热发电技术中转化率最高，吸引技术研发投入最大，商业化前景最好的光热发电技术。相比前两种技术，碟式技术优势比较明显：一是用水量少，发1千瓦时电只需1.4升水；二是能适应日照时间长的沙漠和戈壁地区，这与我国太阳能资源储量分布相匹配；三是热效率最高；四是其结构紧凑、安装方便，非常适合分布式小规模能源系统。三种太阳能热发电系统的比较和发展现状三种太阳能热发电系统的比较和发展现状 三种太阳能热发电系统的参数比较 三种太阳能热发电系统的经济性比较三种太阳能热发电系统的比较和发展现状三种太阳能热发电系统的比较和发展现状50MW热发电热发电/50MW光伏发电实测比较（美国加州）光伏发电实测比较（美国加州）光伏发电光伏发电 时时 间间 热发电热发电 负荷率负荷率 思考题1.太阳能温室应如何设计才可以获得较好的采光效果？2.太阳能制冷与常规制冷相比有何优点？3.太阳能吸收式制冷的原理是怎样的？4.太阳能热发电的原理是怎样的？5.三种太阳能热发电系统相比较各有何特点？
