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太阳能利用技术
太阳能利用技术
太阳以电磁波的形式向宇宙辐射能量，称为太阳辐射能，简称太阳能。
地球表面每平方米年辐射太阳能相当于200吨标准煤的发热量，而且太阳能是清洁、无污染、可再生的自然资源。
太阳能取之不尽，用之不竭，充分开发利用太阳能不仅可以有效缓解人类能源短缺的状况，还可以有效地解决因过度使用常规能源所带来的生态环境污染问题。
我国幅员辽阔，纬度适中，太阳能资源十分丰富，平均每年日照时间超过2000小时，太阳能辐射年总量每平方米大于5
018兆焦的地区占全国总面积的2／3以上，太阳能利用技术有着广阔的发展前景。
一、概述
（一）分类
太阳能一热能转换利用技术和太阳能一电能转换利用技术是常见的太阳能利用方式。
其中太阳能一热能转换利用技术是太阳能利用技术中效率最高、技术最成熟、经济效益最好的一种，主要包括太阳房、太阳热水器、阳光温室大棚、太阳灶等。
而太阳能一电能转换利用技术主要是太阳能光伏发电技术。
1．太阳房
太阳房是一种利用太阳能采暖或降温的房子，用于冬季采暖目的的叫做“太阳暖房”，用于夏季降温或制冷目的的叫做“太阳冷房”，通称“太阳房”。
人们常见加之利用的是前一种“太阳暖房”。
按目前国际上的惯用名称，太阳房分为主动式和被动式两大类。
主动式太阳房的一次性投资大，设备利用率低，维修管理工作量大，而且需要耗费一定量的常规能源。
因此，对于居住建筑和中小型公共建筑已经为被动式太阳房所代替。
被动式太阳房具有构造简单，造价低，不需特殊维护管理，节约常规能源和减少空气污染等许多独特的优点。
被动式太阳房作为节能建筑的一种形式，集绝热、集热、蓄热为一体，成为节能建筑中具有广泛推广价值的一种建筑形式。
2．太阳热水器（或系统）
太阳热水器（或系统）是利用太阳的辐射能将冷水加热的一种装置。
人们习惯上将太阳热水系统通俗称为太阳热水器。
目前使用的太阳热水器，绝大部分采用平板集热器和真空管集热器两种结构形式。
3，太阳灶
能够把太阳辐射能直接转换为热能，供人们从事炊事活动的炉灶称为太阳灶。
太阳灶对缓解我国农村生活燃料短缺的状况，具有重要意义。
目前我国农村普遍使用的太阳灶基本可以分为热箱式太阳灶、聚光式太阳灶。
由于聚光式太阳灶具有温度高、热流量大、容易制作、成本低、烹饪时间短、便于使用等特点，能满足人们丰富多样的烹饪习惯，因而得到广泛应用。
4．阳光温室大棚
通常是指利用玻璃、透明塑料或其他透明材料作为盖板（或围护结构）建成的密闭建筑物。
由于温室大棚是一种密闭的建筑物，由此产生“温室效应”，即将温室大棚内气温和地温温度提高，并通过对温室大棚内温度、湿度、光热、水分及气体等条件进行人工或自动调节，以满足植物（或禽、畜、鱼虾等）生长发育所必需的各种生态条件。
阳光温室大棚已经成为现代农牧业的重要生产手段，同时也是农村能源综合利用技术中（如：
北方“四位一体”模式和西北“五配套”模式）重要的技术组成部分。
阳光温室大棚一般在东、西、北三面堆砌具有较高热阻的墙体，上面覆盖透明塑料薄膜或平板玻璃，夜间用草帘子覆盖保温，必要时可采取辅助加热措施。
在一些地区也有不少仅以塑料薄膜为覆盖材料的轻型太阳能温室，也称塑料大棚。
5．太阳能干燥
利用太阳能干燥设备对物料进行干燥，称为太阳能干燥。
其特点是：
能充分利用太阳辐射能，提高干燥温度，缩短干燥时间，防止干燥物品被污染，提高产品质量。
对于干燥各种农副产品和一些工业产品尤为适宜。
目前，国内的太阳能干燥装置大致分为四类：
温室型、集热器型、集热器温室型、聚焦型。
6．户用光伏发电
光伏发电是利用太阳电池有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变为电能的直接发电方式，人们通常说的太阳光发电一般就是指太阳能光伏发电。
在我国户用光伏发电系统主要是解决无电地区居民照明、听广播和看电视等的用电问题。
户用光伏发电系统可选用商品化定型产品。
该产品的光电池可照明8～20小时，又可看电视，最大供电时间可达12小时。
根据目前无电地区的经济条件和承受能力，考虑到目前太阳光伏发电系统的一次性投资相对较大，用电器的选择应在满足日常所需的情况下，尽可能地减少用电量，以便使整个系统发电和贮存电能的成本降到最低。
照明灯具应采用高效节能荧光灯，一支亮度相当于220伏、40～60瓦白炽灯泡的高效节能荧光灯，12伏电压时工作电流约为o．4安，耗电仅4．8瓦，是目前户用光伏发电系统理想的照明灯具。
（二）应用成效
太阳能利用技术自20世纪七八十年代在我国广泛开展实施以来，在各级政府的推动下，经过广大科技工作者的努力攻关，取得了相当水平的成效。
1．太阳房 主要针对的是被动式太阳房。
截至2005年底，全国太阳房的建筑面积已经突破l
500万平方米。
太阳房技术不仅在我国“三北”地区得到广泛应用，在非采暖地区也受到欢迎。
太阳房与普通常规建筑相比，初投资增加额最高不超过20％，根据已建成使用的太阳房测算，初投资增加额一般为5％～12％。
而在采暖期可节省50％一70％的采暖用能（平均每平方米建筑面积每年可节约20～40千克标准煤），其社会效益、环境效益更是令人瞩目。
2．太阳热水器 截至2006年底，运行保有量已达9000万平方米，占世界太阳热水器面积的60％左右，年产能力达2
000万平方米。
2006年产业产值200多亿元，出口创汇5
000万美元，提供就业机会60多万个。
在投入产出方面，综合成本不及国外平均水平50％。
据测算，每平方米太阳热水器每年提供热能相当于130千克标准煤，用于替代电热水器，每台可节约500千瓦时的电量。
3．太阳灶
截至2005年底，累计保有量70万台，年新增产量12万台。
一台2平方米的太阳灶价格在150元左右，每台太阳灶每年所获得的炊事用能，可以代替500～700千克秸秆，绝大多数太阳灶可以正常使用5年以上，当年即可收回投资成本。
更重要的是推广应用太阳灶的地区，随着炊事用能的改变，生态环境得到了改善。
4．阳光温室大棚
已不分东西南北地域，全国各地区都得到广泛应用，已成为农业结构调整、菜篮子工程、农产增产增收的重要内容。
5．太阳能干燥 到目前为止，全国太阳能干燥装置面积约15
000平方米。
我国太阳能干燥技术应用范围之广、规模之大、干燥器和集热器类型之多、技术之先进、基础研究与理论研究之深度和广度，在世界上当属先进水平。
6．户用光伏发电
到2005年底，我国太阳电池年产量已超过110兆瓦，在国家的支持下，通过“送电到乡”工程，解决了西北、西南地区16万户无电户的用电问题。
户用光伏发电技术既环保又经济，比延伸电网和其他发电形式有明显优势。
目前，户用光伏发电已摆脱持续10年的徘徊局面，开始迅猛发展。
（三）我国技术研发现状
1．太阳房
被动式太阳房技术经过国家科技攻关项目的研究，已取得一大批具有我国特色的技术成果。
太阳房已成为节能建筑中一种重要形式，逐渐被建筑界接受，并融人节能建筑设计理念之中。
总体技术水平仍居世界前列。
2．太阳热水器
我国已成为名副其实的太阳热水器最大生产国和利用国，自有技术占95％以上。
太阳热水器是太阳能利用技术中商品化程度最高、应用数量最多的技术。
3．太阳灶
经过科技工作者的努力工作，在太阳灶结构形式、材料选择、设计理论、测试方法方面都取得了卓越的研究成果，形成了有我国特色的太阳灶设计、制造、测试模式。
4．太阳能干燥
自20世纪80年代初期应用以来，在实际应用中其规模、技术档次至今没有突破性进展，与其他太阳能利用技术相比显然落后了。
5．户用光伏发电
太阳电池专用原材料的国产化取得了一定成果，但性能有待提高。
此外成本较高，组件成本约30元／瓦，平均售价42元／瓦，落后于国际水平。
（四）国外发展情况
从能源供应安全和清洁能源利用出发，世界各国把太阳能商品化开发和利用作为重要的发展趋势。
欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。
1．太阳房
太阳能建筑节能率大约75％左右，已成为最有发展前途的研究领域之一，高效功能材料和专用部件（隔热材料、透光材料、贮热材料、智能窗等）都是技术开发的内容。
2太阳热水器
塞浦路斯和以色列入均使用面积（1平方米／人）居世界之首，日本和以色列太阳热水器户用比例分别为20％和80％。
21世纪太阳热水器仍然是太阳能利用的最主要的市场之一。
3．太阳能光伏发电 2030年太阳能发电将占世界电力供应的10％以上，2050年达到20％以上。
《中华人民共和国可再生能源法》的颁布实施，为新能源的发展提供了政策的支持。
我国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，为我国可再生能源产业的发展带来极大的发展机遇。
二、技术要点
（一）太阳房（被动式太阳房）
1．工作原理及分类
温室效应是被动式太阳房最基本的工作原理。
按照结构的基本类型，被动式太阳房可分为五类，即直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式、贮热屋顶式和自然对流回路式。
（1）直接受益式。
这是被动式太阳房中最简单的一种，它是利用南窗直接接受太阳辐射能。
太阳辐射能通过窗户直接照射到室内地面、墙壁及其他物体上，使它们表面温度升高，通过自然对流换热，用部分能量加热室内空气。
另一部分能量则贮存在地面、墙壁等物体内部，当太阳辐射消失或室内温度下降时再向室内释放，使室温维持在一定水平。
（2）集热蓄热墙式。
这种类型的太阳房是间接受益太阳能采暖系统。
阳光首先照射到置于太阳与房屋之间的一道带透明外罩的深色贮热墙上，加热墙体与盖板之间的空气，然后通过贮热墙上风口将热量导人室内，另一部分是通过墙体的导热向室内供热。
（3）附加阳光间式。
是集热蓄热墙式太阳房系统的一种发展，将透明盖层与墙之间的空气夹层加一个通道，形成一个可以使用的空间——附加阳光间（也可以称附加温室）。
这种系统其前部阳光间的工作原理和直接受益式系统相同，后部房间的采暖方式则等同于集热蓄热墙式。
（4）储热屋顶式和自然对流回路式。
目前实际应用得较少。
2．主要技术环节及要点
（1）集热形式的合理选择。
在乡村和小城镇，最经济实用的是直接受益式、集热蓄热墙式和这两种的混合体。
（2）墙体。
太阳房外墙采用复合保温墙。
采用这种复合保温墙时，通常做法是将保温材料设置于实体砖墙的外侧，这就可以使墙中贮存的热量保留在房间里面。
在保温层外侧再设保护墙，可以是120毫米砖墙，或是瓦楞铁皮，或夹筋聚苯乙烯泡沫塑料板上直接抹水泥砂浆保护层。
还要注意两个方面的问题：
一是砌筑砂浆的和易性要好，以保证灰缝中砂浆的饱满程度，防止墙体部位的冷风渗透。
二是加强传热异常部位的保温措施。
（3）集热蓄热墙。
集热蓄热墙是由蓄热性能好的砼、砖或盛水容器构成。
做法是将其外表涂成黑色或深色然后在它的外侧离墙体外100毫米处加装一道密闭的透明盖层（寒冷地区应为两层），形成一个空气夹层，在集热墙的上下端各开一个小通风口通人室内，当太阳光透过盖层照射在集热墙上时，空气夹层内的空气变热而上升，通过上下两端通风口与室内空气进行自然循环，经过循环往复，室温即可逐渐得到提高，因而达到采暖的目的，如果在原有的集热蓄热墙基础上，加装翅片式、平板式或波形板式铁（铝）制吸热体，会使这种改进的集热蓄热墙效率大大提高。
（4）窗。
利用南向窗直接接受太阳辐射能的被动式太阳房，是被动式系统中最简单的一种形式。
太阳房的窗户在选型时应尽量做到：
一是采用正方形窗。
二是选用分档少玻璃面积大的窗。
三是在满足使用要求前提下，采用固定窗。
四是非南向窗在满足采光要求的情况下，采用面积小的窗户。
在构造上应做到密缝处理，较好的办法是在缝隙处设置橡胶、毡片或软绳做成的密闭防风条，或在接缝外面盖压缝压条等。
冬天用纸把窗缝糊严实，可减少3／4以上的冷气渗透，更是一种简便易行的办法。
切忌采用铝合金框架窗，以防由于冷桥造成热量损失。
根据我国的实际情况，在太阳房设计中，构造允许的情况下尽量开大南窗。
适当开设东、西向窗，减少或不设北窗。
采用双层窗时，一般窗效率都可达到20％以上，如夜间加聚苯保温板或保温窗帘，可以使其效率提高到50％左右。
因此，在太阳房设计中保温窗板（帘）的作用是不容忽视的。
（5）屋顶和地面。
屋顶设计时，其热阻应不小于维护结构的外墙，有时还应使其保温性能高于外墙。
太阳房的地面也是集热蓄热的重要部件。
仅有地面的保温处理还不够，外墙的内侧地面往下450～600毫米深度范围内，都要做刚性防潮、防水、隔热处理，这将防止贮存在墙和地面中的热量不至于很快传导到外面去。
（二）太阳热水器
1．工作原理及分类 太阳热水器就是利用太阳辐射能将冷水加热的一种装置。
太阳热水器按集热过程中水在热水器内的运动状态划分，通常有闷晒型和流动型两种。
（1）闷晒型。
这种热水器实际上是把水装在密闭的容器中，在集热过程中，水没有明显的流动。
（2）流动型。
流动型热水器的集热部分和贮热部分是分开的，集热部分叫集热器，集热器起集热的作用，而热水流入水箱中贮存。
由于流动的水带走集热体吸收的热量，缩小了集热体与周围环境的温差，减少了集热器的热损失，因此，流动型热水器集热效果较好。
目前较为普遍使用的集热器主要有平板集热器和全玻璃真空管集热器。
2．主要技术环节及特点
（1）各部件特点。
①平板集热器。
（a）透明盖板：
对于平板集热器，透明盖板的作用是尽可能地让太阳光透过，并阻止由于空气对流而使热量向外散发；另一方面，集热器由于吸收和积聚太阳辐射从而使集热板的温度不断升高，集热板也同时向外发射出大量辐射热，透明盖板又起到了阻止这种辐射热向外辐射的作用。
（b）吸热板（集热板）：
平板集热器是吸收太阳辐射能，并将太阳辐射能转换成热能的部件。
吸热板的材料一般多选用金属材料，其受光表面要涂黑，如普通黑板漆等。
但对于高性能的平板集热器，一般选用选择性涂层，如铝阳板氧化、镀黑镍等）。
（c）保温材料：
保温材料的作用是减少集热器的边框和底部向周围环境的散热。
保温材料多采用玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯等。
底部保温层厚度一般为30一50毫米，边框保温层厚度一般为20—25毫米。
（d）箱体：
箱体的作用是将透明盖板、吸热板、保温层等集热器部件组成一个整体，因此箱体应具有一定的强度和刚度，一般选用铝型材、镀锌板、玻璃钢、塑料等材料制作。
对于集热器与房屋一体化设计时，也可用混凝土浇筑箱体。
②全玻璃真空管集热器。
（a）全玻璃真空管集热管：
它像一个拉长的暖水瓶，由内、外两层同心圆玻璃管构成，内管外表面镀有选择性吸收涂层，外管为透明玻璃管。
内、外玻璃管间抽成真空。
当太阳光透过外管照射到内管外壁时，镀有选择性涂层的内管外壁将太阳能转换成热能，加热玻璃管内的传热流体。
全玻璃真空管的热损失系数在0．9瓦／（立方米•℃）以下，因此它的空晒温度可达到200℃以上，可以轻松地将冷水烧开。
全玻璃真空管在中、高温区域具有较高的集热效率，同时在冬季寒冷与太阳辐照度不很强的地区仍然能正常产生热水。
对于真空管太阳热水器来讲，真空管集热器是最关键的部件。
（b）蓄热水箱：
贮存热水的部件。
在家用热水器和无强制循环系统中，它必须高于集热器。
（c）支架：
是将集热器和蓄热水箱连接成一个系统的部件。
（d）连集管：
将集热器从太阳光转换所获热能传送出去，一方面需有传热工质（如空气、水或油），另一方面需有专门构造的导管，这被称为连集管。
在家用热水器中，蓄热水箱代替了连集管。
（e）反射板：
真空管集热器的背部都装有反射板，以增强集热管的能量收集，减少集热管的数量是降低集热器成本的有效措施。
（2）技术的主要性能参数。
①系统的选择。
户用太阳热水器以一家为一个系统，若用户多，可若干用户共用一个热水箱，集中供热，称为大系统。
大系统的换热方式，除采用户用太阳热水器的自然循环式和闷晒式外，还采用强迫循环式和定温放水式。
自然循环系统的单体装置一般不超过100平方米。
②集热器面积的确定。
集热器的面积由热水使用数量决定，同时也与水的温度高低有关。
以平板集热器为例，可按集热器每天产40'C以上热水100千克左右的经验，来决定集热器的面积。
如果要求热水系统全年运行，可选择真空管式集热器。
③安装角度。
集热器安装时，应与水平面保持一定夹角倾斜摆放。
以夏季使用为主，夹角小于当地地理纬度，全年使用夹角要稍大于当地地理纬度。
④全玻璃真空管集热器热性能参数。
空晒温度200~C，平均热损失系数≤0．85瓦／（立方米•℃）。
（3）主要技术持有单位。
主要生产厂家（品牌）：
清华阳光能源开发公司（清华阳光）、皇明太阳能集团公司（皇明）、北京天普太阳能公司（天普）等12家国家免检产品。
（三）聚光式太阳灶
1．工作原理 聚光式太阳灶原理均基于抛物面镜的聚光特性。
2．主要技术环节及特点
（1）灶体（聚光器）。
太阳灶的核心部件。
制作灶体的材料有多种选择：
水泥、铸铁（铝）、玻璃钢、菱镁复合材料等。
灶体凹表面反射材料一般选用镀银、镀铝玻璃镜片或粘贴镀铝聚酯薄膜。
（2）支撑调节部件和锅架。
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