新能源与可再生能源利用

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1、第七章新能源与可再生能源利用7.1太阳能7.2风能7.3生物质能7.4地热能7.6氢能与燃料电池7.5水能7.1太阳能7.1.1概述从广义上说，地球上除了地热能、核能和潮汐能以外的所有能源都来源于太阳能。（一）太阳能的特点1．数量巨大但却非常分散2．时间长久但却不连续不稳定3．清洁安全、免费使用但初投资高（二）太阳能利用的方式1．太阳能转换为热能2．太阳能转换为电能3．太阳能转换为化学能7.1.2太阳辐射能的基本特性与集热器原理（一）太阳辐射能的基本特性1．太阳常数地球除自转以外,还在一椭圆形轨道上绕太阳公转。地球自转轴与其公转轨道平面法线成23°27ˊ的夹角。太阳与地球间的距离，在一年

2、中随着季节的变化而变化。所谓太阳常数，是指在日地平均距离时，地球大气层外，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接受到的太阳辐照度。太阳常数的标准值是1353W/m2，用Esc表示。大气层外太阳辐照度随季节变化按下式计算：2．太阳辐射光谱太阳辐射，约有43％的太阳辐射因反射和散射而折回宇宙空间；仅有57％左右进入地表和大气，而这57％中又有14％为大气层所吸收；在剩下的43％中，以直射辐射占27％和漫射辐射占16％的比例到达地面，而且它主要是波长0.29～2.5μm的太阳辐射能。3．太阳高度角和日照时间太阳高度角的定义为：太阳光线与地平面之间的夹角，也简称为太阳高度。日照时间就是从日

3、出到日落的时间。不同纬度地区的日照时间不同。4．地球表面的太阳辐射与大气质量到达地面的太阳辐射实际上由两部分组成：一部分是由太阳直接辐射而来的，叫做直射辐射；另一部分由分子、灰尘、水滴等散射而来的叫做漫射辐射。太阳光线穿过大气层的路程直接影响到达地面的太阳辐射。太阳辐射经历大气的路程常用大气质量来表示。所谓大气质量就是太阳光线穿过地球大气的路程与垂直方向上经历的大气路程之比，常用符号m表示。并设在海平面上空垂直方向的m为1，如图7－1中OP所示。在任意高度角θ时相应的大气质量m可近似用下列公式计算图7－1大气质量示意图（二）太阳能集热器原理典型的集热器的型式有：平板型、聚焦型和真空管型。

4、1．平板集热器的基本结构如图7－2所示，平板集热器通常由三部分组成：图7－2平板集热器1-透明盖板2-吸热盖板3-绝热框体（1）透明盖板作用是让太阳辐射透过而防止吸热板热能辐射的透过及对流损失。用低铁玻璃作为盖板，可以很好地完成这一功能。（2）吸热板作用是吸收透过盖板的太阳辐射并转变为热能，传给其中流过的工质如水、空气等。吸热板应是对太阳辐射吸收率高、对红外线辐射发射率低的选择性表面。（3）绝热框体它的作用是支撑固定盖板、吸热板，并防止侧面、底部散热。插图7—1平板集热器与连接水箱2．平板集热器的基本能量平衡方程对于采光面积为的平板集热器，其能量平衡方程为：集热器效率是衡量集热器性能的一

5、个重要参数，其定义为在任何一段时间内，有用能量与投射在集热器面积上的太阳辐射能之比，即：3．平板集热器太阳辐照度的工程计算进行该项计算的方程为（1）入射角的计算太阳入射角i是指被太阳照射的表面的法线和太阳射线间的夹角。为了计算入射角，必须知道太阳高度角（h，即地平面与太阳射线的夹角)、太阳方位角(，即太阳射线和正南方之间的夹角)、倾斜面的方位角（Φ，即倾斜面的法向平面与正南方之间的夹角）以及倾斜面的倾角（α），如图7—3所示。图7—3太阳入射角等示意图由此，任意取向的表面的太阳射线入射角i的普遍式为（2）太阳的直射辐照度的计算公式为：式中，为表观太阳辐照度（W／m2)；B为大气衰减系数，

6、无因次。和B的值与月份有关。4．平板集热器效率计算平板集热器中工作流体的温度范围为30～90℃，随集热器的形式和用途而异。对于具有双层盖板的平板集热器，其集热器效率按定义可以表达为使用液体作载热剂的集热器，其FR值约为0.9。K值可由试验确定，工程上估算：对于无盖板的，最大约15W／(m2•K)；单层盖板，6～7W／(m2•K)；双层盖板，3～4W／(m2•K)。例7-1太阳能供热用的1m×2m双层盖板平板式集热器，每层盖板的透射率是0.87，铝吸热板的α＝0.9,E＝800W／m2，t2＝10℃，t1＝50℃。试求集热器的效率。解取K值为3.5W／(m2•K)，取＝0.9，由效率计算式

7、得在设计时经常使用如图7—4所示的集热器效率图来选择集热器。图7—4中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。从图7—4可以看出盖板的作用。在Ti-Ta较小时，因为对流损失小，没有或只有单层盖板的集热器的效率较高；在较大时，则以双层盖板集热器的效率为高。图7—4典型平板式集热器的效率A—无盖板B—单层盖板，无选择性涂层C—双层盖板，无选择性涂层D—双层盖板，选择性涂层图7—4中的