热设计与电磁兼容结构设计
报告题目：太阳能热利用中的蓄热问题学院：机械电子工程学院
学生：冯宇
学号：
授课老师：王皓
太阳能热利用中的蓄热问题
摘要：太阳能是理想的可再生能源，通过解决太阳能热利用中的蓄热问题可以大大提高太阳能的利用效率。根据储热机制的不同，文章介绍了三种太阳能蓄热方式：显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热，并分析了常用蓄热介质的特性，提出了当前太阳能蓄热技术的发展趋势。
关键词：太阳能蓄热技术蓄热介质
1 前言
随着煤、石油、天然气等传统矿物燃料的大量开采利用，不仅造成了全球性环境污染和生态破坏，而且其对人类生存和发展构成的威胁。为应对能源危机，世界各国正在积极开展水能、风能、生物质能、太阳能等新型清洁可再生能源的研究工作。
作为一种除风电以外最具竞争力的数量可观、无公害的可再生能源，太阳能日益受到人们的重视，也是21世纪后人类可期待的最有希望的能源。太阳表面温度高达6000°C，每3天向地球辐射的能量就相当十地球所有矿物燃料能量的总和，其每秒钟辐射的能量相当于500万t煤。我国地域辽阔，年日照时间大于2000小时的地区约占全国面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内[1]。
但是太阳能是稀薄的能源，它的地球表面的能源密度极低。并且太阳辐射热量有季节、昼夜的规律变化，同时还受阴晴云雨等随机因素的强烈影响，故太阳辐射热量具有很大不稳定性[2]。
要利用太阳能，必须要解决太阳能的间隙性和不可靠性问题。而在太阳能利用系统中设置蓄热装置是解决上述问题的最有效的方法之一。通过太阳能蓄热系统可以将太阳能多余的热量暂时储存起来，等到没有日照或阴雨天气时再将这部分热量释放出来，保证系统正常运行。实践证明，蓄热装置对提高太阳能的利用效率具有特别重要的意义。
2 太阳能蓄热技术概述
太阳能蓄热主要有两种方式:短期蓄热和长期蓄热。短期蓄热是太阳能蓄热中一种简单常见的形式，它的充、放热循环周期比较短，最短可以24小时作为一个循环周期。一般来说，短期蓄热的蓄热容积较小。比如，现在逐渐步入居民家庭的太阳能热水器，其中的热水箱就属十短期蓄热技术的应用[3]。
与短期蓄热相对应，长期蓄热的蓄热容积比较大，充、放热循环周期比较长，一般为一年，这种蓄热方式又称季节性蓄热。季节性蓄热的装置可置于地面以上，常见的有刚质蓄热水塔，但是这种装置的投资相当高，对蓄热容积有一定的限制，对绝缘性要求较高。从长期运行的经济性来看，置于地下的蓄热装置更为有效。由于地下土壤和岩石的热传导系数比较低，其本身具有储热性能，同时又不影响建筑美观，从使在地面以下一定容积内进行蓄热成为可能。然而蓄热损失却因为蓄热容积的不同相差很大。实验表明:在一定的温度下，一个边长为3m的立方形地下蓄热装置，在几天之后，其蓄热量的50%将损失掉。而相应的边长为100m 的地下蓄热装置，在六个月后，其热损失只有10%。因此，蓄热容积应该尽可能的大，以提高蓄热效率。所以，季节性蓄热主要用于与集中供热系统联合运行的大型蓄热。热损失不仅与热装置的尺寸和形状有关，而且和蓄热温度、土壤的绝缘性能以及蓄热装置的位置有关[7]。
3 太阳能蓄热技术分类
3.1按蓄热温度分类
低温蓄热的温度一般低于60°C，其主要优点是:(1)可以采用结构简单的低温平板型集热器，常用敞开式集热器，并常与建筑物做成一体；(2)这种情况下低温平板型集热器效率较高，因为是从低的给水温度开始加热，所以虽是简易的集热器，甚至在日照比较短的时候，也能高效地集热；(3)集热器成本低是它的最大优点。由于蓄热温度低，不能直接用于供热，从而需在用户和蓄热装置之间加热泵装置以提高温度。
高温蓄热的蓄热温度一般高于60°C，可直接用于供热，其需要高效太阳能集热器。一种高温蓄热系统，其中不附加热泵装置，这种蓄热装置的容积一般应较大。另一种高温蓄热系统，其中附加热泵装置，当蓄热温度较高时，直接供热:当运行一段时间后，温度降低，则改为和热泵联合运行。
3.2按蓄热方式分类
3.2.1显热蓄热
对蓄热介质加热而使它的温度升高，增加蓄热介质的内能，从而将热量储存起来。这种利用物质因温度变化而储存显热的方式是最简单、最经济的蓄热方法。其工作原理也很简单。为使蓄热设备具有较高的容积蓄热能力(蓄热介质每单位容积所能储存的热量)，要求蓄热介质有高的密度和比热容。目前使用最多的蓄热介质是水和石块(一般用鹅卵石)。水的比热容大约为石块的4.8倍，而石块的密度只比水大2.5~3.5倍。当然，在选择蓄热介质时必须综合考虑密度、黏度、腐蚀性、热稳定性和经济性等一系列问题。
3.2.2潜热蓄热
潜热蓄热是伴随物质的相变过程来进行的，物质由固态转化为液态，由液态转化为气态，或自固态直接转化为气态，都将吸收相变热，进行逆过程时将释放相变热，这是潜热蓄热的基本原理。潜热蓄热的特点是必须将换热器和蓄热设备结合到一起，否则当蓄热介质变为固体时无法用泵输送。和显热蓄热相比，其最大的优点在于，蓄热密度约比显热高一个数量级，容积蓄热能力大，因此在储存等量的热量时，所需要的设备容积要小得多。而且物质的相变过程在一定温度下进行，这使得相变蓄热设备能够保持基本恒定的热力效率和供热能力。但这类蓄热介质大多具有热扩散系数小、放热和蓄热速度低、不能连续溶解、经不起反复循环使用、易老化等缺点。
3.2.3化学蓄热
化学蓄热是利用可逆化学反应通过热能与化学能的转换来蓄热的，它在受热和受冷时可发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可以把热能储存起来。其优点是储热密度高，利于能量的长期储存，具有较大的应用价值，但是这种材料的反应过程复杂，有一定的安全性要求，且存在投资较大、整体效率较低等问题，目前还没有得到实际应用。
4 蓄热常用介质及特性
4.1 固体介质及特性
太阳能发电站中的几种固体储热介质有:砂岩石+矿物油、加固混凝上、固体氯化钠、铸铁、铸钢、耐火硅砖和耐火镁砖等。影响固体蓄热能力的主要参数是体积蓄热密度，体积蓄热密度越小，所使用的蓄热装置的体积就越小，初投资成本就越小。另外还要求固体蓄热材料具有较高的导热率、价格便宜等特点。表1列出了几种固体储热介质的特性[5]。
表1 固体储热介质主要特性
4.2 液体介质及其特性
由于热流体与冷流体之间由于密度的不同会产生自然热力分层现象，因此利用这一特性可以在蓄热时从储热容器上部的热流体取热，放热时则相反。为了避免冷热流体的混合，可以采用一种分层设备来确保进入储热系统中的流体在一个与它温度相一致的水平层内。表2为太阳能发电站中的液体介质[5]。
表2 液体储热介质主要特性
以上液体介质中，化学合成油有毒性，而硅油的成本太高。另外矿物油易燃，目_具有较高的蒸汽压力，而压力容器的造价则相对较高，此外对压力容器的控制难度亦增加。亚硝酸盐具有潜在的腐蚀性，碳酸盐与液态钠的蓄热成本太高。
4.3 几种常用蓄热材料对比
表3为几种常用蓄热材料对比[5]。
表3 几种常用蓄热材料对比
对于储存一定量的热量，由表3中的体积蓄热密度和质量蓄热密度可以看出潜热蓄热相对于显热蓄热具有明显的优势。显热蓄热装置的体积要比潜热蓄热大很多，但是显热蓄热最大的优点就是蓄热成本低，且蓄热材料如石块、混凝上等价格相对于PCMs便宜。
5 常用蓄热方式
5.1 粘土蓄热
粘土的热容量相对来说比较高约为1kwh/m3/°C，而其热传导系数比岩石低，因此较适合于蓄热。但是，粘土蓄热会降低土壤的抗剪强度，从而可能产生地面下沉，并且蓄热温度一般要限制在20~40°C之间。所以，粘土蓄热属于低温蓄热，需要热泵来提升温度。粘土蓄热一般将U型管或软管埋人土壤中，深度约为20 ~ 30m，它们组成封闭的回路，中间流动着能量栽体。在夏季，被太阳能集热器加热的热流体通过循环流动将地下的粘土加热，从而将热量储存在地下。在冬季，流过热泵蒸发器端的冷流体，通过循环流动被粘土加热，从而将热量传给热泵[4]。
5.2 岩石中的井孔蓄热
岩石中常见的片麻岩和花岗岩的热容量约为0.6kwh/m3/°C，由井孔的位置和深度所决定的井孔蓄热的容积和形状对热损失的影响很大，随着容积的增大热损失减小很多。井孔蓄热一般在岩石中打数百个或更多个深度约为60~150m的井孔，井孔之间的距离约为4m，井孔的直径约为110~150mm。
5.3 充水的岩洞蓄热
水的热容量约为 1.16kwh/m3/°C，热水可被储存在岩洞中，其温度可超过100°C。岩洞蓄热的充放水温差可高至50°C，考虑热损失后，其储存能量密度约为50kwh/m3。岩洞壁大约可为整个蓄热贡献10%的蓄热量。充水的岩洞蓄热
必须设置在尽可能深的地下，以便上面有足够厚的岩石覆盖，最好远低于地下水层，以平衡其内部的水压力。在岩洞蓄热中要注意渗漏问题，因为热天和裸露的岩石之间有很大的接触面积。这种蓄热方式也可以应用于废弃的矿井(坑)、天然的洞穴或防空洞中[4]。
5.4 储水层蓄热
天然的地下储水层也可以用于季节性蓄热，将深井打人地下储水层，通过循环工质太阳能集热器和地下水之间进行热交换。为了使热损失减少到合理的程度，这种蓄热方式的容积应尽可能的大，般要超过100万m3。储水层蓄热的蓄热温度一般为20~30°C，若储水层足够的深，蓄热温度可达60~90°C。
6 太阳能蓄热技术发展趋势
对于显热蓄热来说，在所有的储热材料中，混凝上单位储热量成本是最低的，是太阳能热发电蓄热系统的候选材料之一。而对于潜热蓄热，主要研究水合盐、石蜡、脂肪酸、有机和无极共熔岩等相变材料。由于化学蓄热反应剧烈、一次性投资大、技术复杂、整体效率低等原因使得化学蓄热的研究目前还处于试验阶段。科学家们还曾提出显热与潜热联合的蓄热系统，该系统蓄热能力为200MWh，传热流体采用合成油，蓄热介质分别采用固体NaNO3,混凝上、NaOH/NaCl的混合物，集成了二种蓄热介质的优点，但是整个系统变得更加复杂，初投资也相应地更高。
综合来说，太阳能蓄热技术对于太阳光热发电系统电力的平稳输出具有十分重要的作用，而蓄热材料的选择直接影响着整个系统的初投资，因此如何提高导热率，降低蓄热成本，从而提高整个系统的效率是目前研究的主要方向[6]。
德国的混凝上蓄热目前已经在西班牙通过试验测试，通过改进混凝上的性能提高了导热率，下一步将扩大范围，朝着电站一体化的方向发展。而潜热蓄热的
发展也逐渐朝纳米级方向发展，比如利用纳米颗粒封装以形成核壳结构，并目_使用部分氧化来稳定微粒，从而提高导热率。另一方而从传热流体(HTF)方而，采用增强热容的高级导热流体可以直接提高透平机的效率，从而减少蓄热成本。
7 结语
蓄热技术可以保证不间断的利用太阳能，对太阳能的大规模利用有特别重要的意义。本文主要介绍了太阳能蓄热的三种不同形式的蓄热方式—显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热，并比较分析了常用蓄热介质的特性，例举了几种大型的常用的太阳能蓄热方式，在此基础上分析了太阳能蓄热技术的发展趋势。蓄热材料的选择将直接影响着整个系统的初投资，而如何提高导热率，降低蓄热成本，提高整个系统的效率是目前研究的主要方向。总之，随着研究的不断深入，太阳能蓄热技术会得到不断地完善与发展。
参考文献
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[7] 芦潮.西北高寒地区太阳能储热系统研究：[硕士学位论文].内蒙古：内蒙古工业大学
太阳能热利用技术概述 【摘要】太阳能是一种洁净和可再生的能源，太阳能热利用技术发展迅速。本文对太阳能利用成熟技术、先进技术和当前研究的热点技术进行了简要介绍。在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题，环境保护的发展趋势。成熟技术部分主要包括集热器、热水系统、太阳灶、太阳能暖房等传统的太阳能热利用技术；先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利用技术，包括太阳能空调降温/制冷、太阳能制氢、太阳能热发电等；在当前研究的热点问题部分，主要论述太阳能建筑热利用的技术问题。 【关键词】太阳能热利用；太阳能建筑；太阳能热发电；太阳能集热器 1.引言 太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能热利用是一种较成熟的可再生能源利用方式。太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。现代的太阳能热技术将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能。太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。但是太阳能有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能热利用研究和开发方兴未艾，随着常规能源供给的有限性及地球环保压力的增加，世界上许多国家掀起开发利用太阳能的热潮，开发利用太阳能成为各国可持续发展战略的重要内容，太阳能先进技术已成为世界当前及未来研究、开发和利用的主要方向。 2.太阳能热利用技术 太阳能热利用的基本原理是用集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的集热器，主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器和聚焦型集热器等4种。通常太阳能热利用可分为：低温（80℃以下）、中温（80-350℃）和高温（350℃以上）三类热利用方式。低温热利用包括最简单的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳热水器。中温热利用有太阳能建筑、空调制冷、制盐以及其它工业用。热高温热利用有简单的聚焦型太阳灶、焊接机和高温炉。目前应用最广泛的是太阳能热水器、太阳能空调降温/制冷等。 2.1 太阳能集热器
系统总体结构设计 排气管 图2-1系统结构图
图2-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2-2： T3 T2 D F2 图2-2 系统控制原理图 注释：T1：热水箱的温度传感器
T2：循环水管中的温度传感器 T3：集热器中的温度传感器 F1：循环水阀门 F2：冷水阀门 F3：热水阀门 此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。 1.早晨水温控制 由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下： 首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。 2.循环水集热过程 早晨水温控制之后（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。具体控制过程如下： 打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3-T1>5摄氏度，T2>T1）为止。如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。 3.冷水集热控制 此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点～20点。具体控制过程如下： 关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3>N，
一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显
新能源科学与工程学院 太阳能热利用原理与计算机模拟课程设计 学院：新能源科学与工程学院 专业班级：太阳能光热技术及应用 学生姓名：章杜彬 学号： 指导教师：詹长军 实施时间：— 姓名章杜彬课程设计成绩 评语： 指导教师（签名） 摘要
太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/㎡。地球赤道的周长为40,000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为499,400,00,000焦。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。 关键词：太阳能集热器系统设计太阳能集热器面积设备的选型 目录 第一章项目概况 (4) 1.1 建筑概况 (4) 1.2 气象参数 (4)
《太阳能利用技术》模拟试卷 命题人：代术华 一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分）在每小题列出的备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在空格内。错选、多选或未选均无分。 1.太阳的主要成份是( )和氦。 A.氧 B.氮 C.氢 D.氯 2.太阳常数为( )/㎡。 A.367±7W B.1000±7W氮 C.1367±7W D.3000±7W 3.在任何时刻，从日轮中心到观测点间所连的直线和通过观测点的( )之间的夹角叫太阳高度角。 A.地面 B.正南 C.垂直面 D.水平面 4.选择性吸收面主要是对太阳光的( )辐射吸收性能更好。 A.短波 B.中波 C.长 D.所有 5.利用物质温度升高时吸热，降低时放热的特性来实现的太阳能储热为( )。 A.显热储热 B.潜热储热 C.不可逆化学反应储热 D.可逆化学反应储热 6.太阳灶能够烹饪食物是利用( )。 A.柴火 B.通电 C.太阳辐射 D.液化气 7.反射聚光镜一般采用( )反射镜。 A.平面 B.球面 C.抛物面 D.凸面 8.安装分体式太阳能热水器的多高层住宅，集热器要安装在( )立面墙上。 A.东 B.南 C.西 D.北 9.热水器的集热器安装方向为斜面朝向( ) +10°。 A.正东 B.正南 C.正西 D.正北 10.太阳能集热器安装角度为40°（与水平面），集热器上的太阳能辐量约为水平面上的( )。 A.1倍 B.1.3倍 C.2倍 D.3倍 11.结合水分存在于( )。 A.空气中 B.细胞壁 C.较大孔隙中 D.物料表面 12.太阳房与( )面建筑之间应保持一定间距, 以确保冬季不挡光为原则。 A.东 B.南 C.西 D.北 13.房间多了不能全部兼顾采暖可将一些主要房间（如起居室、卧室、餐厅等）沿( )墙布置。 A.东 B.西 C.南 D.北 14.太阳电池是将太阳能直接转变为( )的最基本器件。 A.热能 B.电能 C.风能 D.动能 15. 自然循环式热水器为保证正常运行和防止夜间无辐射时热水倒循环，水箱底部必须高于
太阳能热利用论文：太阳能热利用技术概述【摘要】太阳能是一种洁净和可再生的能源，太阳能热利用技术发展迅速。本文对太阳能利用成熟技术、先进技术和当前研究的热点技术进行了简要介绍。在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题，环境保护的发展趋势。成熟技术部分主要包括集热器、热水系统、太阳灶、太阳能暖房等传统的太阳能热利用技术；先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利 用技术，包括太阳能空调降温/制冷、太阳能制氢、太阳能热发电等；在当前研究的热点问题部分，主要论述太阳能建筑热利用的技术问题。 【关键词】太阳能热利用；太阳能建筑；太阳能热发电；太阳能集热器 1.引言 太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能热利用是一种较成熟的可再生能源利用方式。太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。现代的太阳能热技术将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，
建筑物亦可利用太阳的光和热能。太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。但是太阳能有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能热利用研究和开发方兴未艾，随着常规能源供给的有限性及地球环保压力的增加，世界上许多国家掀起开发利用太阳能的热潮，开发利用太阳能成为各国可持续发展战略的重要内容，太阳能先进技术已成为世界当前及未来研究、开发和利用的主要方向。 2.太阳能热利用技术 太阳能热利用的基本原理是用集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的集热器，主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器和聚焦型集热器等4种。通常太阳能热利用可分为：低温（80℃以下）、中温（80-350℃）和高温（350℃以上）三类热利用方式。低温热利用包括最简单的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳热水器。中温热利用有太阳能建筑、空调制冷、制盐以及其它工业用。热高温热
一、背景概述 石林彝族自治县位于云南省东部，昆明市东南部，海拔1500m —1900m之间，年平均气温18℃，年降雨量913.9mm，属亚热带低纬度高原山地季风气候，太阳能资源丰富，年平均日辐照量15551kJ/㎡。针对贵公司生产车间中热风滚筒式干燥机、电热干燥箱、多功能动态提取/升膜浓缩机组、制酒设备等工序，充分利用太阳能资源，综合集成太阳能热利用技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术，实现设备最大化的节能减排，同时降低设备运行成本。 二、系统介绍 我公司根据长期太阳能热利用系统的设计安装经验，针对工业环境及条件，为贵公司设计实施符合工业应用的太阳能热利用系统，在原有设备的基础上，实现节能减排。 热风系统所用的空气集热器采用我公司自主设计研发的真空管式空气集热器，具有风温高、集热强的特点，与传统空气集热器相比，利于日常维护，二次升级扩容方便及集热效率高的特点。 系统采用目前应用于工业环境的PLC可编程控制器，控制程序根据用户实际情况“个性化”定制，可满足复杂的程序编写，实现复杂的自动化控制。控制器稳定性、抗干扰性强，配合高精度的温度、压力传感器，实现系统的精确控制。同时，我公司对控制器进行功能扩展及远端计算机软件支撑，实现整个系统的远程监控操作，无需到现场，即可查看系统运行情况，并进行操作调整。 本着“系统与建筑结合”的理念，在集热器列阵设计方面，系统对集热器列阵支架采用一体化设计，即支架根据屋面实际场地情况及建筑风格，进行整体的设计制作，整个列阵支架为一个整体结构，力求达到与建筑的协调、统一。 三、设计方案 1、热风滚筒式干燥机太阳能热风系统 按提供设备参数，电加热干燥产量为100kg/h，而电加热功率为20KW，即每小时要达1000kg/h，制热功率应达到200KW，根据石林年平均日辐照量15551kJ/㎡计算，每天日照时间按7小时计算，每小时平均日辐照量为2221.57 kJ/㎡，集热效率按55%，系统热损按20%，由此计算，每平方米每小时热量输出977.49 kJ。 每小时制热功率达200kw，即200kwh热量，200kwh= 720000kJ 720000kJ÷977.49 kJ/㎡=736.58㎡ 由此可知，集热面积应为736.58㎡，折合真空管4492支。由于可安装面积所限，可安装真空管数量为4000支，折合面积656㎡。 即安装太阳能功率为（656㎡×977.49 kJ/㎡）÷3600=178.12kw 其中的电热干燥箱由于可安装面积所限，设计与热风滚筒式干燥
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《太阳能热利用原理与技术》课程教学大纲 课程名称：太阳能利用原理与技术 课程代码：新能源工程（New Energy Engineering）400 学分/学时：3学分/51学时 开课学期：秋季学期 适用专业：新能源、热能与动力工程、核工程、建筑环境与设备及相关专业先修课程：工程热力学，传热学，流体力学，能源材料 开课单位：机械与动力工程学院 一、课程性质和教学目标（需明确各教学环节对人才培养目标的贡献，专业人才培养目标中的知识、能力和素质见附表） 课程性质：太阳能热利用原理与技术是机械工程、热能动力工程、新能源转换利用专业的一门重要专业课，是能源动力及新能源利用类专业骨干课程。 教学目标：太阳能热利用原理与技术是研究太阳能高效利用以及太阳能转换规律的一门学科。本课程不仅为学生掌握太阳能利用原理和技术提供必要的基础理论知识，还提供实验室支撑锻炼学生将所学知识应用于实际的动手能力，通过实验报告的撰写培养学生分析解决问题以及总结表达的能力，同时为从事太阳能利用专业技术工作、科学研究工作及管理工作提供重要的理论基础。（A1, A2, A5, B1, B2, C4）本课程由太阳辐射基础、太阳能集热器、太阳能热发电、系统技术及应用四部分组成。通过本课程教学，可使学生在太阳能转换和利用，特别是太阳能与热能及电能转换和合理利用方面树立正确的概念，同时使学生掌握太阳能转换应用的基础理论和技术，进一步强化自觉应用太阳能建设低碳社会的意识。具体来说：（1）掌握太阳辐射基础知识，了解太阳辐射测量和资源情况； （2）掌握各类太阳能集热器原理，学习太阳能－热能转换的基本规律； （3）初步掌握太阳能热发电技术路线和工作原理，掌握太阳光伏电站原理和工作特性； （4）初步掌握太阳能供热空调、太阳能海水淡化、太阳能建筑、太阳能养殖、干燥、光化学转换应用等； （5）能够运用太阳能－热能及电能转换基本理论，进行太阳能利用系统和装 3
太阳能电池板及其工作原理
太阳能电池板及其工作原理 性能及特点： 太阳能电池分为单晶硅太阳电池（坚固耐用，使用寿命一般可达20年。光电转换效率为15％。）多晶硅太阳电池（其光电转换效率约14.5％，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低非晶硅太阳电池。）非晶硅太阳能电池（其光电转换率为10%，成本低，重量轻，应用方便。） 太阳能发电原理： 太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离。基本上有三种方法：基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反
射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n 区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 太阳能发电原理图如下：
0、太阳常数的定义：太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气上界）垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内所接受的所有波长的太阳总辐射能量值，它基本上是一个常数，所以这个辐照度称为太阳常数。 1、太阳赤纬角的定义：太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角。 2、太阳高度角和太阳方位角的定义：高度角：太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角(h)，表示太阳的高度。方位角：太阳光线在地平面上的投影与当地正南方的夹角，向西为正，向东为负，变化范围正负180；它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。 3、大气质量和大气透明系数的定义：太阳光线通过的大气路程与太阳在天顶时太阳光线通过的大气路程之比；表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数 4、大气对太阳辐射的影响，详细了解答：大气辐射具有削弱作用，太阳光线在大气中经过的路程越长能量损失的就越多，大气对太阳辐射的作用一共有三种方式：吸收反射散射作用。具体来说,吸收作用变现在平流层的臭氧吸收紫外线，水汽，二氧化碳吸收红外线。反射作用：较大的颗粒尘埃，还有云层对阳光的反射。散射：主要是大气分子还有微小的尘埃对波长较短的可见光，还有颗粒较大的尘埃，雾粒，小水滴对各种波长的散射。 5、太阳辐射产生的物理机制是什么？答：太阳辐射分为两种：一种是从光球表面发射出来的光辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所以又叫做电磁辐射。另外一种是微粒辐射，它是由正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子做组成的粒子流。 6、什么是太阳辐射年总量:一年内地面所接受的太阳辐射短波总辐射量，是衡量一个地方太阳能资源丰富的重要标志。 7、什么是春分秋分夏至冬至：上半年，太阳从低纬度到高纬度逐日升高，春分指春天昼夜均分的一天，随后昼长夜短，直到夏至，太阳走到北回归线，白昼时间最长的一天，随后白粥时间慢慢变短，到秋天，昼夜均分的一天是为秋分，随后昼短夜长直至冬至，太阳走到南回归线，白天最短的一天。 8、太阳光谱的特点：太阳光谱包括紫外区、可见区、红外区，其中，波长小雨0.4um的紫外区占大约8.03%和波长大于0.76um的红外区占45.54%，是人眼看不见的紫外线和红外线，波长为0.4~~0.76um的可见区是我们能见的可见光区46.43%. 9、太阳房的定义以及它的分类：太阳房是利用太阳能进行采暖和空调的环保型生态建筑。太阳房可分为三类：主动太阳房，被动太阳房和热泵式太阳能采暖系统。 10、被动式太阳房的特点是什么以及被动太阳房建筑设计的几个基本原则分别是什么？答：特点：根据当地的气象条件，在基本上不添臵附加设备的条件下，只在建筑物构造和材料性能上下功夫，使房屋达到一定采暖效果的方法。原则：构造简单，造价便宜。 11、太阳能储热的方式及原理：方式：自然循环集热，强制循环集热，定温放水集热。原理：冷水经过补冷水系统，进入循环水箱达设定水位后，之后不冷水系统停止工作，低温水进入集热器阵，受太阳能辐射加热水温升高，当集热器上循环管内水温与储热水箱底部水温之温差达到设定值时，启动强制循环泵，将水箱中低温水送到集热器阵，同时将集热器阵中热水送到储热水箱，当上述温差等于和地于设定值时，强制循环泵停止工作。低温水在集热器中继续吸收太阳能辐射，加热。如此循环，是储热水箱中水温不断升高。 12、太阳灶的原理：太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光传热储热等方式获得热量，进行炊事烹饪食物的一种装臵。 13、利用太阳能进行海水淡化的常用方法：1被动式太阳能蒸馏系统，如单级或多级倾斜式太阳能蒸馏器，回热式，球面聚光式太阳能蒸馏器等。2主动式太阳能蒸馏系统，有单级或多级附加集热器的盆式，自然或强迫循环式太阳能蒸馏器。3利用太阳能发电进行反渗透法进行海水淡化，此外，还有太阳能多级闪蒸，太阳能多级沸腾蒸馏技术。 14、太阳能热水器的主要组成部分包括那几个部分：集热器，储热水箱，循环水泵，管道，支架，控制系统及相关附件组成。 15、太阳能利用按地域划分的几类地区，按+··················+接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类：一类地区，主要包括青藏高原，甘肃北部，宁夏北部，新疆南部等地。二类地区：包括河北西北部，山西北部，内蒙古南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部和新疆南部等地。三类地区，包括：山东河南河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林辽宁云南陕西北部，甘肃东南部，广东南部，福建南部，苏北，皖北，台湾西南。四类地区，包括湖南湖北广西江西浙江福建北部广东北部陕西南部江苏北部安徽南部以及黑龙江台湾东北等地。五类地区，包括：四川重庆贵州。 16、什么是太阳能制冷，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。
随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。
太阳电池吸收太阳光就能产生一般电池的功能。但是和传统的电池不一样，传统电池的输出电压和最大输出功率是固定的，而太阳电池的输出电压、电流，功率则是和光照条件及负载的工作点关。正因如此，要应用太阳电池来产生电力，必须了解太阳电池的电流-电压关系，及工作原理。 太阳光的频谱照度： 太阳电池的能量来源是太阳光，因此入射太阳光的强度(intensity)与频谱 (spectrum)就决定了太阳电池输出的电流与电压。我们知道，物体置放于于阳光下，其接受太阳光有二种形式，一为直接（direct)接受阳光，另一为经过地表其它物体散射后的散射（diffuse)阳光。一般情况下，直接入射光约占太阳电池接受光的80%。因此，我们下面的讨论也以直接着实阳光为主。 太阳光的强度与频谱，可以用频谱照度（spectrum irradiance)来表达，也就是单位面积单位波长的光照功率(W/㎡um)。而太阳光的强度（W/㎡),则是频谱照度的所有波长之总和。太阳光的频谱照度则和测量的位置与太阳相对于地表的角度有关，这是因为太阳光到达地表前，会经过大气层的吸收与散射。位置与角度这二项因素，一般就用所谓的空气质量（air mass, AM)来表示。对太阳光照度而言，AMO是指在外太空中，太阳正射的情况，其光强度约为1353 W/㎡,约等同于温度5800K的黑体辐射产生的光源。AMI是指在地表上，太阳正射的情况，光强度约为925 W/m2〇 AMI.5足指在地表上，太阳以45度角入射的情况，光强度约为844 W/㎡。一般也使用AM 1.5来代表地表上太阳光的平均照度。 太阳电池的电路模型： 一个太阳电池没有光照时，它的特性就是一个p-n结二极管。而一个理想的二极管其电流-电压关系可表为 其中I代表电流，V代表电压，Is是饱和电流，和VT=KBT/q0, 其中KB代表BoItzmann常数，q0是单位电量，T是温度。在室温下，VT=0.026v。需注意的是，P-n二极管电流的方向是定义在器件内从P型流向n型，而电压的正负值，则是定义为P 型端电势减去n型端电势。因此若遵循此定义，太阳电池工作时，其电压值为正，电流值为负，I-V曲线在第四象限。这里必须提醒读者的是，所谓的理想二极管是建立在许多物理条件上，而'实际的二极管自然会有一些非理想（nonideal)的因素影响器件的电流-电压关系，例如产生-复合电流，这里我们不多做讨论。 当太阳电池受到光照时，p-n二极管内就会有光电流。因为p-n结的内建电场方向是从n型指向p型，光子被吸收产生的电子-空穴对，电子会往n型端跑，而空穴会往p型端跑，则电子和空穴二者形成的光电流会由n型流到p 型。一般二极管的正电流方向是定义为由p型流到n型。这样，相对于理想二极管，太阳电池光照时产生的光电流乃一负向电流。而太阳电池的电流-电压关系就是理想二极管加上一个负向的光电流IL，其大小为： 也就是说，没有光照的情况，IL=0,太阳电池就是一个普通的二极管。当太阳电池短路时，也就是V=0,其短路电流则为Isc=-IL.也就是说当太阳电池短路，短路电流就是入射光产生光电流。若太阳电池开路，也就是你I=0，其开路电压则为:
太阳能光热光电综合利用 倪明江,骆仲泱,寿春晖,王 涛,赵佳飞,岑可法 (浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027) 摘 要:太阳能光热光电的综合利用技术是将聚光、分光、热电联用等技术集成,通过对太阳能全波段能量进行一体化地利用,可极大地提高太阳能的利用效率,降低成本,具有重要的研究价值和市场应用价值。文章介绍了太阳能光热光电综合利用系统的技术情况,分别对集中式和分布式两种技术路线作了阐述,分析了聚光PV/T系统以及与建筑一体化设计的P V/T系统的未来发展方向。最后,结合各类太阳能利用系统的特点,比较分析了各种光热光电技术存在的问题,提出了综合利用各种光热光电技术来提高应用效果的理念。 关键词:太阳能利用技术;热发电;聚光热电联用;光热光电综合利用 中图分类号:T K513 文献标识码:A 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50676082) 1 引言 传统化石能源的大量使用,不仅造成了化石能源本身的短缺,也给世界环境带来了极大的危害,给人类生存空间造成了严重威胁。寻求可再生能源的高效清洁利用成了目前人类面临的共同问题[1,2]。太阳能作为可再生清洁能源蕴藏着巨大能量,被普遍认为是理想的新能源。太阳辐射到达地球表面的能量高达4 1015MW,相当于每年3.6 105亿t标准煤,约为全球能耗的2000倍。太阳能可以免费使用,又不需要运输,对环境无任何污染。在传统化石能源储备减少、价格快速上升,在温室气体排放引发的气候环境问题愈来愈显著的今天,太阳能作为可再生能源和新能源的代表,得到越来越多的关注,太阳能的利用、太阳能材料及相关技术的开发在世界范围内引起了重视[3~5]。 我国太阳能资源丰富,辐射总量约3.3 103 ~8.4 106kJ/(m2a),全国2/3以上地区年日照时数大于2000h[6]。太阳能的有效利用,对缓解我国能源问题、减少CO2排放、保护生态环境都有着重大意义。 2 太阳能利用技术概况 目前利用太阳能的方法,主要有:太阳能集热利用、热力发电、光伏发电、光利用、海水淡化、建筑一体化技术、制氢、干燥技术等。其中太阳能集热利用技术以及太阳能光伏技术已经得到了长足发展。而以现今的发展趋势来看,太阳能热力发电和光伏发电将是世界各国在太阳能利用领域研究的新重点。 2.1 热利用 太阳能热利用方面,中国已成为世界上最大的太阳能热利用产品的生产、应用和出口的国家。2007年,集热器总保有量约为10800万m2。热利用形式多样,包括了太阳能热水器、太阳能空调、太阳能干燥和太阳能海水淡化等。 (1)太阳能热水器 太阳能热水器是太阳能热利用中最常见的一种装置。其基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能供生产和生活利用。我国是世界上最大的太阳能热水器制造中心,由我国生产的集热器推广面积约占世界的76%。随着太阳能热水器的发展,出现了闷晒式、平板式、玻璃真空管式和热管真空管式等多种应用形式。太阳能热水器以其经济、节能、环保等优点,备受世人瞩目。太阳能热水器在国内市场得到了迅速推广。目前城市太阳能热水器的平均普及率约为15%,部分地区达到31%~60%。随着太阳能热水器关键技术的不断突破,该技术已广泛运用于家庭、宾馆、学校、部队和医院等供淋浴、洗漱及其它需用热水的场所。 (2)太阳能空调 太阳能空调以太阳能作为制冷空调的热源,利用太阳辐射产生中高温蒸气(热水),进而驱动制冷机工作。太阳能制冷首先通过集热器收集太 ! 1 !
太阳能热利用技术复习题) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
判断题 1. 大气层外的太阳辐射包括直射辐射和散射辐射。（） 2. 同一时刻太阳高度角和太阳天顶角互为余角。 （） 3. 春分这一天太阳赤纬角最大。（） 4. 直射辐射的修正因子必小于1。（） 5. 利用溅射沉积技术不能从绝缘的化合物靶上直接获得化合物薄膜。（） 6. 最大的太阳辐射发生在赤道地区的正午时刻（） 7. 半导体的本征吸收是价带电子吸收光子能量后，从价带跃迁到导带的吸收过程。（） 8. 固体显热储存一般用空气作为传热介质，且储热和取热时气流方向相同。（） 9. 太阳高度角随纬度增加而减小（） 10. 大气层外，垂直于太阳辐射传播方向上的太阳辐照度为常数（） 11. 任何地区、任何一天的日出日落时角大小相等（） 12. 半导体禁带宽度越大，其本征吸收的吸收限越大（） 13. 日地距离变化产生四季（） 14. 北京时间上午9点连云港和乌鲁木齐的太阳时相同（） 15. 标准晴天情况下各地太阳午时太阳辐照度最大（）
16. 某地安装的集热器倾角等于当地纬度，则太阳午时该集热器上的 太阳入射角为0°（） 17. 大气质量越大，大气层对太阳辐射的影响越大（） 18. 非选择性吸收涂层吸收的能量多，发射的能量也多。（） 19. 显热储存又叫热容式蓄热。（） 20. 北京地区的太阳时等于当地时间。（） 21. 国际单位制中大气质量的单位为千克。（） 22. 某天上午10点的大气质量必比9点的小（时间均为太阳时）（） 23. 太阳午时太阳天顶角为0°。（） 24. 岩石储热一般用空气作为传热介质，多用于空气太阳能采暖系统。（） 25. 每天日出及日落时刻太阳天顶角为90°。（） 26. 产生本征吸收的条件是入射光子的能量小于半导体的禁带宽度。 （） 27. 石蜡在凝固时不会发生过冷现象。（） 28.选择性吸收表面主要对太阳光的可见光和近红外部分有较高的吸 收比。（） 29. 一天当中中午的大气质量比早上大。（） 填空题 1. 地球赤道平面与黄道平面的夹角是 2. 夏至这一天的赤纬角是
太阳能电池的分类简介 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降 低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低 廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转 换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截 止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2）多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率 可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热 不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 （3）有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （5）有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池 染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型
判断题 1. 大气层外的太阳辐射包括直射辐射和散射辐射。（） 2. 同一时刻太阳高度角和太阳天顶角互为余角。（） 3. 春分这一天太阳赤纬角最大。（） 4. 直射辐射的修正因子必小于1。（） 5. 利用溅射沉积技术不能从绝缘的化合物靶上直接获得化合物薄膜。（） 6. 最大的太阳辐射发生在赤道地区的正午时刻（） 7. 半导体的本征吸收是价带电子吸收光子能量后，从价带跃迁到导带的吸收过程。（）8. 固体显热储存一般用空气作为传热介质，且储热和取热时气流方向相同。（） 9. 太阳高度角随纬度增加而减小（） 10. 大气层外，垂直于太阳辐射传播方向上的太阳辐照度为常数（） 11. 任何地区、任何一天的日出日落时角大小相等（） 12. 半导体禁带宽度越大，其本征吸收的吸收限越大（） 13. 日地距离变化产生四季（） 14. 北京时间上午9点连云港和乌鲁木齐的太阳时相同（） 15. 标准晴天情况下各地太阳午时太阳辐照度最大（） 16. 某地安装的集热器倾角等于当地纬度，则太阳午时该集热器上的 太阳入射角为0°（）17. 大气质量越大，大气层对太阳辐射的影响越大（）
18. 非选择性吸收涂层吸收的能量多，发射的能量也多。（） 19. 显热储存又叫热容式蓄热。（） 20. 北京地区的太阳时等于当地时间。（） 21. 国际单位制中大气质量的单位为千克。（） 22. 某天上午10点的大气质量必比9点的小（时间均为太阳时）（） 23. 太阳午时太阳天顶角为0°。（） 24. 岩石储热一般用空气作为传热介质，多用于空气太阳能采暖系统。（） 25. 每天日出及日落时刻太阳天顶角为90°。（） 26. 产生本征吸收的条件是入射光子的能量小于半导体的禁带宽度。 （） 27. 石蜡在凝固时不会发生过冷现象。（） 28.选择性吸收表面主要对太阳光的可见光和近红外部分有较高的吸 收比。（）29. 一天当中中午的大气质量比早上大。（）填空题 1. 地球赤道平面与黄道平面的夹角是 2. 夏至这一天的赤纬角是 3. 太阳时上午十点的时角是 4. 夏至这一天北回归线上某地正午时刻大气质量为 5. 假设连云港某地的纬度为35°，则在该地区安装的用于冬季采暖 的集热器的最佳安装倾角大约为
有机太阳能电池的原理和应用 一、结构和基本原理 目前的有机太阳能电池可以分为三类。 1.1 肖特基型有机太阳能电池 第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958 年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。 1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池 在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。 实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Donor），以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。D 层或者 A 层受到光的激发生成激子，激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。1992 年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注 入到C60 分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60 的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物，也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后，以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 1.3 混合异质结型有机太阳能电池 随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（Bulk Heterojunction）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。 而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月，大阪大学和大阪市立研究所宣布，成功开发出了单元转换效率高