小型家庭内太阳能应用系统研究.doc

武汉轻工大学 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目：小型家庭内太阳能应用系统研究姓 名 李 权 学 号_ 111204220_ 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师_ 陈 良 艳_ 2015 年 5 月 15 日目录摘要IAbstractII1.引言11.1.研究背景11.2中国太阳能资源的分布特点21.3太阳能的综合利用31.3.1 光热系统应用31.3.2 光伏系统应用41.3.3 太阳能热发电系统应用51.4 研究内容及目的72.太阳能系统利用节能分析82.1小型家庭内太阳能热水器节能效益和环境效益82.1.1 应用太阳能热水器的意义82.1.2太阳能热水器效益分析82.2小型家庭内太阳能光伏系统节能效益分析92.2.1国家对工业园区安装太阳能的补贴政策92.2.2地方对太阳能光伏项目的补贴政策92.2.3成本分析103.小型家庭内太阳能应用系统113.1 小型家庭内太阳能光热系统应用113.1.1 热管式真空管型太阳能集热器113.1.2 平板型太阳能集热器123.2 小型家庭内太阳能光伏系统应用143.2.1离网光伏发电系统143.2.2光伏并网发电系统15参考文献19摘要本文主要是小型家庭内太阳能系统应用的研究。首先简单介绍了化石能源，然后说明化石能源的弊端，接着讲述了开发可持续能源的必要性，重点谈到了可持续能源中的太阳能。经过简单的介绍我国太阳能分布状况后，接着论文中我们也谈到了关于利用太阳能时的节能效益分析和环境效益分析，我们举了几个典型省份的例子，如山东省、浙江省、江苏省，还有上海市的分析，我们对其成本进行了简单的分析，说明了其可应用于家庭建筑的可行性，以及环境还有其他效益的分析，对比了太阳能热水器与电热水器、燃气热水器、锅炉耗煤等的具体成本计算。讲解了太阳能应用的几个方面，重点讲到了光热系统、光伏系统、光热发电等。 关键词：化石能源；可持续能源；太阳能；光热系统；光伏系统AbstractThispaperistostudythesolarsystemwithinthesmallfamilyapplications.First,abriefintroductiontofossilfuels,andthenexplainthedrawbacksoffossilfuels,andthentellstheneedtodevelopsustainableenergysources,focusedonthesustainableenergyinsolarenergy.Afterabriefintroductionafterthedistributionofsolarenergy,followedbypaper,wealsospokeaboutenergyefficiencyandenvironmentalbenefitsofusingsolarenergyanalysiswhentheanalysis,wegiveseveralexamplesoftypicalprovinces,suchasShandongProvince,ZhejiangProvince,JiangsuProvince,thereShanghaianalysis,weconductedasimpleanalysisofitscosts,toprovethefeasibilityofitsconstructioncanbeusedinhomes,aswellasotherenvironmentalbenefitanalysis,comparingthesolarwaterheatersandelectricwaterheaters,gaswaterheaters,boilersspecificcostofcoalandothercalculations.Explainafewaspectsofsolarenergyapplications,focusingdowntolightandheatsystems,photovoltaicsystems,solarthermalpowergeneration.Keywords:fossilenergy;sustainableenergy;solarenergy;thermalsystems;photovoltaicsystems211. 引言本章节我们要讨论的是课题的来源，长久以来，人类使用的能源大多数是化石能源，其造成的环境影响如温室效应等给我们的生活造成了很多困扰，威胁了我们的生存环境和健康，而且化石能源的开发和利用也不是无穷尽的，所以对新型能源的开发和利用提到了各个国家的日程上来，我国的太阳能资源分布广泛，尤其是青海西藏新疆等地更适合大量应用太阳能资源，太阳能的利用大体有两个方面，一个是光热系统，另一个是光伏系统，我们会简单的介绍其在国内外的发展及应用。1.1. 研究背景在世界上各个国家的能源应用中，化石能源的应用是最多的，化石能源的产生是动植物的遗体埋在地下千百万年后形成的，但是，随着时间的向后推移，化石能源会变得越来越稀缺，越来越金贵，这种性质我们能简单的从化石能源商品的价格上明显的看出来，而且化石能源的应用还带来了很多对环境的影响，比如我们熟悉的温室效应、酸雨以及粉尘问题，其次，按当前的消费水平，煤炭最多也只能维持200年左右的时间就会被开采完，如果年开采量维持在2.3亿万立方米，则天然气将在80年内枯竭。可再生能源就是可循环再生供人们利用的能源，通常这些能源有很多自己的优点，比如对于太阳能来说，用太阳能转化成其他能源的速度快，又如风能，对风能的开采利用成本很低，最重要的是污染极小。提到风能，就不得不提及水能和地热能，水能对水和空气的污染小，地热能更是用之不竭没有污染。关于这些能源在我国的开发和利用也是有很大的进展，如风力我国的风电装机容量在世界上排在第十位，还在准备开发兆瓦级的发电设备；如水力发电，根据最新的报告显示，2014年中国水电装机容量达到了301830MW，中国水电年发电量达到了10661TWh。事物都有两面性，有优点必然也有缺点，之所以这些可再生能源没有大众化普及，根本原因有几个，第一就是成本高，第二就是很多关键性的部件我们还都依赖外国，第三个就是并网难的问题。单从太阳能方向的发展来看，我国的太阳能热利用系统已经发展的比较成熟，有了属于自己的完整产业体系，目前在我国应用最广泛的就是大家熟知的就是太阳能热水器，我国的太阳能使用已经达到了世界总量的百分之七十六，并且年产量也在世界总量的一半以上，这仅仅是光热效应的利用上来看。之所以太阳能的应用如此之大，是因为太阳能有很多自身的优点，首先，太阳能是具有普遍性的，而且还没有地域上的限制，无论是在高山、海洋、陆地还是岛屿上，都能接收到阳光的照射，不用运输，就地取材就可以应用。其次是太阳能的无毒害性，利用太阳能不会产生诸如粉尘，二氧化碳等造成温室效应的副产品，能够很好的缓解环境污染问题，这也是称太阳能为最清洁能源之一的原因。第三点就是太阳能的总量巨大的性质，每年能达到地球表面的太阳辐射能相当于一百三十亿万吨煤炭所产生的能量，这个量在当今算得上是可以开发的最大能源了，而且在过去的那些年当中，太阳只消耗了自身百分之二的能量。还有最重要的一个特性就是太阳能的长久性，根据科学家的计算，太阳能最少还有六百万年的期限，这个时间对于我们人来而言，可以说是长久的。1.2中国太阳能资源的分布特点在地球表面，不同的纬度接收到的太阳能辐射是不一样的，纬度越小，也就是越靠近赤道，所接受的太阳能辐射时间越长，接收到的辐射量也越大，其次，接收到的太阳能辐射也与海拔和不同地域的地理情况有关，比如青海西藏那些高海拔地区，每年接受的太阳能辐射很充足，相反的，四川属于盆地地区，其接收到的太阳能微乎其微。就我国的情况而言，我国的太阳能资源十分丰富，属于全世界太阳能辐射度强的国家之一，百分之六十七以上的地区每年的日照时间超过的两千个小时。中国有较丰富的太阳能资源，如果我们能将照射在我国陆地面积上的太阳能全部接受并保存起来，其能量值相当于我们日常生活所需用的能源的的两千多倍。以我国国家气象局的标准，将我国的地区按照接受太阳辐射的量分为五个等级，第一类地区，也叫做资源丰富带，这类地区的年辐射量在6700MJ到8400MJ每平方米左右，相当于250倍燃烧标准煤炭所产生的能量，如大西北等地；第二类地区，也叫做资源较富带，这类地区的年辐射量在5900MJ到6700MJ每平方米左右，相当于200到230倍燃烧标准煤炭所产生的能量，如河北山西等地；第三类地区，也叫做资源一般带，这类地区的年辐射量在5000MJ到5900MJ每平方米左右，相当于170到200倍燃烧标准煤炭所产生的能量，如吉林辽宁等地；还有第四类地区，这类地区的年辐射量在4200MJ到5000MJ每平方米左右，相当于140到170倍燃烧标准煤炭所产生的能量，如湖南湖北等地；最后一个等级就是4200MJ每平方米年辐射量以下的了，最具有代表性的就是我国的四川盆地，当然这类地区不适合使用太阳能。1.3太阳能的综合利用1.3.1 光热系统应用太阳能的光热利用就是把光能转换成热能供大家使用。例如用太阳能储热器原理形成的采暖技术，用太阳能集热器做成的太阳能热水器等，以及太阳灶和太阳房等。太阳房就是一个典型的例子，它是把整个屋子看成一个整体，当成集热器，利用储能材料，外面包裹着隔热材料和透光材料，把吸收的太阳能储存在内部，使房屋尽可能多的吸收太阳能，尽可能少的散发太阳能，达到很好的保存能量的效果。这种是房屋和能量一体化的方式形成了一个新的领域，我们称之为太阳能建筑领域，这个领域受到了两个领域的一致关注。上述的这种太阳房能节约正常房屋百分之八十左右的能量消耗，其效益十分可观，并且不会产生危害环境和人类健康的副产物。在太阳能与建筑一体化的方向上，我国的很多技术还比不上国外的，如欧洲国家的隔热材料等方面都处在全世界领先的位置，而且我国很多的太阳能材料部件还依赖于那些国家，例如日本，他们利用太阳能技术建造的太阳能房屋已经有上万套，目前还在筹备其他太阳能节能建筑。我国正在大力 推荐开发和利用太阳能设备在建筑上，并使其在提高转换效率的基础上，尽量不依靠我们常用的能源，尤其是化石能源，彻底实现建造出环保的建筑。在这里面我们简单介绍一种被动式太阳房。被动式的太阳房主要的工作原理和温室效应差不多，它主要是采集太阳能辐射的能量，尽可能多的依赖自身建筑的材料的性质，较少能量的耗散，如下图所示那样，在间层的空气得到太阳的辐射，热空气循环进入到里面，使房屋内部的温度高于外部的温度。关于太阳能集热器的应用，大家最耳熟能详的当然就是太阳能热水器了，它是通过吸收太阳的辐射能，将水加热，这种应用早就在上个世纪五十年代末就出现在了我国，对我国的太阳能发展起了举足轻重的作用。在最近的十几年内，用全玻璃真空管型集热器做成的太阳能热水器由于成本的逐渐降低，以及热性能的相对较高，很大程度上的冲击了对平板型太阳能集热器做成的太阳能热水器的市场，这对我们家庭式住房的老百姓来说是个好事。图1.1 被动式太阳房原理图太阳灶是利用太阳能辐射，将光的能量聚集起来，对食物进行烘烤的一种设备，在阳光足够强的地方，不需要其他的辅助材料，其煮熟食物的速度不比家用天然气慢，在二十世纪五十年代中国的第一台太阳灶生产至今，其工艺已经经过了推广和发展，得到了各国的一致好评。1.3.2 光伏系统应用光伏系统的应用得到迅速发展主要体现在我国的西北地区，那里的经济比较落后，生活条件不好，而通过小型光伏系统做成的几百瓦的独立电源，在那里得到了广泛的应用，很大程度上的改善了当地的生活质量，形成了中规模型的产业市场，在国家政策的支持下，在当地有一些小型的企业承包了光伏系统从研发到生产再到供应及销售一体化的服务，对光伏系统发展的推动起了积极的作用，但是产品的性质及质量没有达到研发时设计的要求，使的小型光伏系统产业进入到了停滞阶段，后期又经过企业内部的调整，使生产出来的产品得到了改进，再加上国家新出台的政策的支持，使我国的光伏发电系统的应用具备了国际竞争力。随着科学技术的进步，我国的光伏发电系统从最开始的百分之三十左右的效率，逐步提高，由小型的、独立的光伏发电系统，一步步的研发成大型的发电站，目前正在向城市化发展，在国家的重视和政策的支持下，很多地区实行了屋顶并网式的太阳能发电项目，使得对太阳能在发电技术这一方面向前迈进了一大步，但与国外的产品相比，无论是质量还是效率，我国的产品还存在一定的差距，很多已经进入平民百姓家的产品部件依然来源于国外。总结我国光伏发电系统产品落后的原因，一个是因为我国的光伏产品基本集中在我国大西北地区，那里的经济落后，生产产品都是一些小型企业，没有专业化的管理制度，也没有过硬的设施，生产方式也很落后，再加上后期的检测设备的缺乏，所以生产出来的产品质量差，性能也不稳定，转换效率低，另一个是因为他们的生产标准不统一，没有一个规范类型，检测体系跟不上，所以为了光伏发电产品的发展，我们该投入一定的资金，将其生产模式规模化，加大监管检测制度，完善生产体系。这种小型的家庭式太阳能供电系统的结构十分简单，只有功率不大的几个直流负载存在于系统中，而且容易使用，专门针对于家庭式的用户，不存在控制器，也不存在蓄电池，直接利用光伏系统的器件给用电器供电，比蓄电池的寿命长很多，这就大大提高了能量的利用效率。在光伏发电系统中我们不得不提到的是光伏并网发电系统，他是通过并网逆变器，将太阳能转换成符合我们市电网络标准的市电供给我们使用，这种系统的好处是能在太阳能充足的地方降低其他能源产生电能的消耗，在阴天下雨的天气下，再由市电网络供电，这就比单一的太阳能供电系统好的多，但其也有自身的缺点，就是他的能量转换效率依赖于并网逆变器。由于半导体材料能产生光生电的效应，基于这种将光能转换成电能的原理才有了今天的光伏发电，这种理论的技术上应用就是现在的太阳能电池。这些电池分为不同的型号，可以说只要能用到电池的地方，无论是家里，还是公共场所，公共设施，甚至是航空设备上，都可以应用太阳能电池，我们常在电视上看到的卫星上的太阳能电池板就是最熟悉的例子之一。这种光伏系统的原理就是我们所学的半导体导电原理，利用扩散工艺将纯正的本征半导体里面参入一定量的杂质，加上外部阳光的照射，产生扩散运动和漂移运动，最后产生一个电动势供我们应用。太阳能光伏发电系统的基本元件是太阳能电池，其材料分为四种，有单晶硅的、多晶硅的、非晶硅的以及薄膜型的。当然也有那种由多个太阳能电池组成的太阳能电池，我们通常称之为光伏组件。表1-1 太阳能电池效率单晶硅电池组件15%17%多晶硅电池组件13%15%双结非晶硅薄膜电池组件5%8%碲化镉（CdTe）薄膜电池7%9%铜铟硒（CIS）薄膜电池8%14%1.3.3 太阳能热发电系统应用太阳能光热发电系统是用太阳能收集装置收集太阳能，用能量给水加热成蒸汽，再利用传统的蒸汽机发电原理发电，这种工艺与光伏系统相比，降低了发电的成本，而且他有一个光伏系统无法比拟的好处，就是他可以将有阳光时的太阳能全部储存在水中，当没有太阳的时候，依然可以使用存在水中的能量，而不像光伏发电系统那样，没有了阳光就不能产生电。我们一般来说，太阳能光热发电系统有四种形式：第一种是槽式系统，他是将很多抛物面形状的集热器先经过串联，再经过并联组合在一起，将所吸收的能量给水加热，驱动蒸汽发电机启动发电，这种槽式太阳能系统需要时刻跟踪太能的直射轨迹才能达到高效率的运行，根据有关人员的计算，那种不动式的槽式系统比移动式的槽式系统能量利用率低出接近百分之四十。第二种是塔式系统，这种系统做出的发电站，由于造价昂贵，而且又很难降低它的成本，所以一度受到冷落，但对塔式发电站的研究依然在继续。第三种为盘式体统，它是将许多抛物面形状的镜子反射的太阳光聚集在一个焦点上，使得传热介质能被加热到700多度以上，再驱动发电机发电。第四种是菲涅耳式系统，这种系统的原理和槽式系统的很像，槽式系统的是抛物面形状的镜子，而菲涅耳式系统采用的是菲涅耳结构的聚光镜，这使得它的成本相对来说低廉，但效率也相应降低，也正是因为这个特点，所以菲涅耳式太阳能系统的投资成本以及后期的维修成本也比较低。下面分别是槽式、塔式、碟式的图片。图1.2 槽式系统图1.3 蝶式系统图1.4 塔式系统1.4 研究内容及目的就目前太阳能应用的两个方面：一个是光热系统，一个是光电系统。如果将其应用于家庭式房屋内，存在着几个问题，首先，如果单纯从房屋的结构和占地面积来考虑，就会大大减少太阳能应用系统的效率，如果单纯从太阳能应用系统的效率来考虑，就会影响家庭式建筑的整体外形，在这样的情况下，太阳能应用系统的效率和家庭式住房的整体外形的和谐一体化成为了未来很多年在太阳能技术应用方面的发展方向，在此，我们要研究既能提高家庭式太阳能应用系统的效率，又使得家庭式住房的整体外形尽量不受影响，尽可能的降低运营成本。既然是和谐一体化，从具体上说，就是要让太阳能系统与家庭式住房一起设计、一起规划、一起施工、一起验收，实现统一的结合，需要将集热器与家庭式住房的外形构造相统一，在不影响美观的情况下合理摆放，还要保证房屋的一切基本功能能正常运行，如承重要求、防水要求等。与此同时，我们还要考虑太阳能电池板及集热器等抵御自然灾害的能力。最后使得家庭式太阳能系统达到的要求是：使个人住宅外观整齐美观，太阳能系统能高效安全稳定的运行，在后期的维修上也能达到易于检查和维修的要求。2. 太阳能系统利用节能分析2.1小型家庭内太阳能热水器节能效益和环境效益2.1.1 应用太阳能热水器的意义太阳能热水器有其自身的优点，首先就是它的来源很广泛，只要是有太阳的地方都能安装太阳能热水器，而且太阳能的量是巨大的，至少在十几亿的时间内，太阳向地球辐射的能量不会有明显的减弱，其次就是用太阳能产生热水是安全的，这种热水器相比传统的燃气热水器，维修成本低，不会出现爆炸等危险事故，应用简单，一学就会，第三点就是它不会产生污染环境的副产品，影响环境和人类的健康，对于我们生活在温室效应里的人们来说，是一个解决这种效应的有效措施，第四点就是为社会节能，传统的能源会随着我们的大量使用在两百年的时间内用尽，应用太阳能热水器可以在减少个人家庭开销的情况下为社会做贡献。就现在而言，我国的太阳能热水器应用十分普遍，通过几个数字就可以看出它的发展趋势，2009年太阳能的销售利润率为11.42%，而2010年的销售利润率达到了12.61%，2009年的成本费用利润率为5.95%，而2010年的成本费用利润率为7.43%，2009年的总资产报酬率为11.58%，而2010年的总资产报酬率达到了13.7%，2009年太阳能热水器的资本保值增值率为151.58，而2010年的资本保值增值率达到了174.83%，所有的数字显示我国的太阳能热水器的发展趋势是很有前景的，在1997年，我国太阳能热水器的销售面积还排在了世界首位。2.1.2太阳能热水器效益分析2.1.2.1太阳能热水器与电热水器的对比计算我们正常在公共场所的用水量在每人100升到150升左右，而平时的水温应该保持在15摄氏度左右，在此前提下我们看看太阳能热水器与电热水器相比加热100千克热水所能节省的能量和费用，电热水器的比热为860千克每度，我们取它的热效率为98%，则实际消耗的量为3.26度，如果按照0.44元每度电计算，则加热100千克水的费用为1.43元，看似不大的数目，我们可以计算一下，以我校电气与电子工程学院为例，总共有学生约为四百人，我们以每人两天洗澡一次，每人全年洗澡约为188次，每人每年的电费约为：1.43188=268.84元，而区区电气学院的学生，一年就能节省下：400268.84=107636元，这可是一笔不小的数目，当然，应用太阳能热水器，有些地方还是需要用到电的，所以我们的节约效率差不多在百分之七十左右，算下来约有八万元。2.1.2.2太阳能热水器与燃气热水器的对比计算燃气热水器的特点是即开即热，需要多少热水就产生多少热水，水量不受限制，对于用热水量大的用户很是方便，相对价格比较便宜，而且与太阳能热水器相比，体积比较小，太阳能热水器与燃气热水器相比加热100千克热水所能节省的能量和费用：燃气热水器的比热为8400千克每立方米，我们取它的热效率为90%，则实际消耗量为0.364立方米，如果按照1.8元每立方米计算，则加热100千克水的费用为0.655元。2.1.2.3太阳能热水器与锅炉耗煤的对比计算太阳能热水器与锅炉耗煤相比加热100千克热水所能节省的能量和费用：煤的比热为5500千卡每千克，我们取它的热效率为70%，则实际消耗量为0.7千克，如果按照300元每吨计算，则加热100千克水的费用为0.21元，可以说使用太阳能热水器，基本上当年可收回投资的50%。2.2小型家庭内太阳能光伏系统节能效益分析2.2.1国家对工业园区安装太阳能的补贴政策国家能源局在2011年发布的通知里，明确鼓励各类光伏发电项目，而且还有明确的补助准线，对于太阳能电池片的材料为晶体硅的，每瓦发电量补助9元，而对于太阳能电池材料为非晶硅薄膜型的，每瓦发电量补助8元，这项通知大大增加了各个工业区对光伏系统研究与开发的动力。2.2.2地方对太阳能光伏项目的补贴政策2.2.2.1山东省扶持政策山东省发展改革委在2010发表意见说，在合理的前提下，对光伏系统并网发电的费用实施从国家到省到市的分摊制度，在2010基本确定为1.7元每千万时，除去国家给予的补贴资助外，剩下的费用省里担负百分之五十五，市里担负百分之四十五，到了2011年，基本确定为1.4元每千万时，而2012年度基本确定为1.2元每千万时，在2011年和2012年各级承担的费用额度会根据当年的具体情况而定。在2014年度的时候，山东省发改委还核准了60个光伏发电项目，其中以临沂市的规模最大。 2.2.2.2浙江省扶持政策浙江省开始光伏发电产业是从2006年开始的，主要地区是在杭州、临安等地，从以前的60多家发展到现在的200多家，在2009年电池产量达到过全国总产量的四分之一，仅仅低于江苏省，在2013年到2015年，仅一个湖州市就在大力推动光伏发电上发展了四十个项目，总容量超过了50兆瓦。浙江省发改委在2009年还发出了对于支持浙江省光伏发电项目的扶持政策，和山东省类似，采取了省级补贴的制度，而且大力鼓励加入到国家并网项目，对于所有项目的所在地政府，国家要求对项目进行扶持。2.2.2.3江苏省扶持政策江苏省在2009也提出意见：我们要不断的降低生产成本，加大竞争力，争取达到并网发电的电价在1元每千瓦时。表2-1 江苏省20092011年分年度目标电价年份地面屋顶建筑一体化2009年20153.74.32010年1.733.52011年1.42042.92.2.3成本分析项目建设成本：2010年10月20日由国家财政部等联合组织的太阳能设备供应商招标中，有16家生产光伏组件的企业进行招标，各个企业的价格不一，最低价达到了10.5元每瓦，但最后的成交价格在9.5元每瓦上下浮动，有29家生产光伏逆变器的企业参与竞标，带隔离变逆变器成交价格为1元/瓦左右。其他设备费用约为6元/瓦。合计建设成本为： 9.5元/瓦 + 1元/瓦 + 6元/瓦 = 16.5元/瓦国家补贴后建设成本： 9元/瓦。则业主承担费用为： 16.5元/瓦 - 9元/瓦 = 7.5元/瓦。3.小型家庭内太阳能应用系统3.1 小型家庭内太阳能光热系统应用3.1.1 热管式真空管型太阳能集热器太阳能热水器就是太阳能在光热系统应用领域发展最前端最贴近我们生活的产品。太阳能热水器，顾名思义，就是讲太阳的辐射能收集起来，将其传递给导热介质，把水温从低温加热到高温，把太阳能装换为热能的装置，能满足人们对热水的需求，同时对环境进行保护，能源进行充分利用。太阳能热水器的核心部件是集热器，根据不同的材料，主要有两大种类的太阳能热水器在市面上流行，一种是真空管式的太阳能热水器，这种类型的热水器在我国的市场上的占有率达到了百分之九十以上，它的主要组成部分为集热管、储水箱和支架，另一种是平板式的太阳能热水器，在真空管的成本价钱和效率没有达到现在的水平之前，平板式太阳能热水器层占领市场的主导地位。真空管型太阳能集热器就是将吸收太阳能的材料与最外层的玻璃材料之间抽成真空的，真空是不导热的，所以有保温的效果，这就是真空管型太阳能集热器的工作原理，同样是真空的，由于材料的不同分为全玻璃型真空的，还有金属和玻璃混合型真空的，我们所要讨论的热管式真空管型太阳能集热器是金属型里面的一种。热管式真空管集热器做成的热水器相对于其他类型的集热器做成的热水器，有自己的优点，总结如下：第一点：启动速度快，热管式真空管的能在短短的几分钟内把热量输出，就算是在阴雨天气，也能收集更多的热量，相对于其他类型的集热器，它的热储量较大；第二点：不会有水垢残留在真空管内，因为它的是不流过真空管内的，所以避免了其他集热器容易产生水垢，总要清洁的问题；第三点：它的保温性能极好，理由是它是单向导热的，所以就不存在没有阳的时候将收集到的热量散发到周围的空气里；第四点：他的抗冻性非常好，就算在东北零下三十度也不会冻裂，因为它选用的抗热型热管作为部件；第五点：它的耐冲击性很好，不会因为介质的温度与真空管之间的温度差使其爆裂，提高了安全系数，就算我们不小心错误操作，也不会产生危险；第六点：承压高，因为它所承装的水留过它的真空管，所以它有承压高的特点，这也使得它在应用中有了自己的优势；第七点：热管式真空管操作简单，安装容易，维修也很方便，如果有一根管子出现了问题，我们可以单独对那根管子进行维修，不影响整个系统的正常运行。通过下图我们就可以看到热管式真空管型太阳能集热器的工作原理，首先太阳照射在集热管上，集热管上的薄膜吸收太阳的能量，并将其转化为热能，通过铝翼的导热性再传递给中间部分的热管内，在很短的时间内，热管内的介质汽化，经过汽化的介质向上运动到达冷凝段，将冷凝段里面的水加热，热水会从右端出去，而被吸走了热量的介质又变成了液体，向下流回了热管内部，如此循环的工作，一直吸收着外界的太阳能，其示意图如下： 图3.1热管式真空管型太阳能集热器示意图3.1.2 平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器的技术在当今世界上已经达到了成熟的地步，不单单是我国，其他的科技大国也在试图将太阳能产品与建筑形成一体化，既可以达到外观上的美观，也可以达到实用的效果，之所以没有在我国实行全面的应用，很大一部分还是和政策有关，比如我们的房屋建筑在最开始的时候就没有留出太阳能热水器专用的管道，如果政策跟上了，太阳能热水器实现全面的家庭化就指日可待了。说到太阳能系统与家庭建筑一体化的方面，不得不提到以色列，他们关于平板型太阳能的设计与家庭式建筑一体化的市场比例占到了百分之九十以上。通过研究我们得出结论，平板型太阳能系统适用于我国的西北地区以及广东广西一带。平板型太阳能热水器的工作原理和真空管型的差不多，也是在有太阳的地方，太阳照射在表面有盖板的吸热体上，吸热体将太阳能转变为热能传递给集热管中的介质，用水通过流体通道的过程中被加热，加热后从输出后留出。与真空管型的集热器相比，平板型的集热器使用寿命比较长，一般在三十年左右，而真空管型的只有十年左右，而且平板型的集热器的每平米有效采光面积是真空管型的两倍，能达到0.92每平米，使用成本低是它最大的优势，有优势必有劣势，相对真空管型的集热器，平板型的集热器保温性能差，尤其是在温度高的时候，它会随着温度的升高通过盖板和外壳向外界释放更多的热量，造成热损耗，当然了，它的防冻性能也要比真空管型的差很多，容易产生水垢，在我国用真空管型的比较多，占百分之九十以上，而国外使用超过百分之九十以上的是平板型的集热器。国外大比例使用平板型集热器的原因如下所述：第一点，它的耐压性能好，寿命相对来说比较长，也很容易形成回路，如果使真空管式的也达到一样的耐压性能，成本将远远高于平板型的集热器；第二点平板型的集热器很容易和我们的家庭式住房形成一体化，无论是安装在阳台上还是安装在楼顶都很容易，减少了建筑师的负担，使得太阳能产品与建筑一体化程度向前迈了一大步；第三点就是外国人很看重的一点，它的材料回收利用率很高，它的材料多以铜和铝为主，所以容易回收利用；第四点，平板太阳能集热器在外国已经有很多年的研发利用经验，远比我国的研究成熟的多，他们的产品性能比我国自己生产的要高很多；第五点，平板型太阳能相对占地面积小，因为它是平板型的，不像真空管式的，有很多缝隙和间隔，在吸收同样的能量的前提下，它能达到占用最小的面积，而且安全可靠性也蛮好的。我国国内的平板型太阳能集热器也发展迅速，从20世纪50年代末的第一台太阳能热水淋浴室建成，就逐渐出现了太阳能应用的潮流，为了推动我国的太阳能事业的发展，1975年在河南安阳召开了关于太阳能利用经验的交流会，1979年在西安召开了第二届全国太阳能会议，在1995年，国家纪委、科委、经贸委制定了关于可再生能源的发展目标及一些可行性的政策措施。经过了二十多年的研究开发，我国的太阳能热水器以其独有的优势得到了广大人民的喜爱、支持和利用，也成为了诸如西北地区等地的经济增长方式。为了减少太阳能的能量损失，在最小的面积上最大化的利用太阳能，提高利用效率，我国对它的核心部件太阳能集热条进行了多年的研究实验，如今已经取得了良好的成果。现如今我国已经能批量生产高性能的TiNo系列的吸收涂层，针对平板型太阳能集热器的缺点，我们还在研究将热管应用于平板型太阳能集热器中，也取得了进步，这种单向导热型的平板型太阳能集热器有了真空管型太阳能集热器的有点，提高了能量利用率，减少了能量损失，对于实现家庭式太阳能应用系统是很有帮助的。接下来，我们还要在提高涂层效率，提高盖板的透过率上进行研究，将会有很多的性能良好的平板型太阳能集热器生产出来，对太阳能的应用起到积极的作用。3.2 小型家庭内太阳能光伏系统应用太阳能光伏系统是由四部分构成的，第一部分也就是最重要的部分是太阳电池组件阵列，由它连接后面的充放电控制器，充放电控制器还与蓄电池组相连，进行充电和放电，对于直流负载，可以直接与充放电控制器相连，对于交流负载，则需要用到第四部分，也就是交流逆变电源。下面我们就对光伏系统做简单的介绍：太阳电池组件阵列在白天有太阳照射的时候，产生电动势，当它的电动势达到一定的值时，经过充放电控制器对蓄电池组进行充电，将吸收的太阳能转换成电能储存在蓄电池组中，当我们需要用电的时候，如果需要的是直流电，可直接通过充放电成控制器对负载进行供电，如果需要使用的是交流电，则需要添加一个交流逆变电源，将直流电转换成交流电供负载使用。3.2.1离网光伏发电系统离网光伏发电系统的是独立型的发电系统，它可以安装任何地方，代替化石能源发电机，在有并网发电系统的地方，尽量将离网的发电系统取而代之，它主要是在白天将电能储存在蓄电池中，在阴天下雨或者晚上的时候给负载供电。离网光伏发电系统应用在几个方面，第一个就是针对于农村地区，很多地方由于地理环境的不便或者离市中心太远，没有规划，所以缺少电力的供应，在这些地方，我们可以将离网光伏发电系统安装在屋顶或者地面上，这种系统的成本不高，而且利于维护，属于低投入高回报的设备。第二个是应用于路灯，现在很多地方都已经施行这样的应用，例如张家界景区等，这些路灯依靠太阳能电池组件将白天吸收的太阳能转化成电能存储在蓄电池中，晚上当亮度低于一定程度，由亮度传感器控制控制是路灯点亮，这种系统应用安全可靠，而且无需人工控制。第三个就是应用于离网通讯基站系统的应用，在现在这个通讯发达的时代，通讯设备是必不可少的，对于一些地方我们需要建立信号塔，这些设施需要供电，而在考虑到投入最小、对环境影响最小、占地最小的前提下，离网光伏发电系统就派上了用处，这种系统不仅可以在占有较小的土地资源情况下立即发电，而且清洁可再生，好维护。图3.2 太阳能离网发电系统示意图3.2.2光伏并网发电系统光伏并网发电系统是21世纪最具有潜力的太阳能应用系统，它与离网发电系统的不同是省去了蓄电池组的那一个部分，直接将光伏组件转换成的电能输入到市网中，当然也就较少了充电和放电步骤中的能量消耗，节省了蓄电池组额度占地面积，同时也降低了生产成本。这种系统的应用现在绝大多数还停留在国家级的电网设备和外国发达国家的项目中。光伏并网发电系统根据规模的不同有集中式大型的，还有分散式小型的，应用最多的还是分散式小型的，因为它更贴近我们的生活，再加上是可持续能源遵循的可持续发展政策，国家大力支持，投资成本低，占用土地的面积小，建成的速度快，所以发展也快。图3.3 光伏并网发电原理图并网光伏发电系统可以分为四类：第一类是有逆流并网光伏发电系统：这种系统的特点是，当由光伏系统产生的电量大于我们需要的用量时，将多余的电量出入到市网内，而当太阳能电池组产生的电量供不应求时，我们再从市网提取不够的部分，由于向电网输入电量的方向与从中提取电量的方向不同，所以称之为有逆流并网光伏发电系统。第二类是无逆流并网光伏发电系统：这种系统的特点是，当我用系统产生的电量不足时，向市网提取电，而当我转换成的电量充足甚至更多时，也不会向市网输入电流。第三类是切换型并网光伏发电系统：这种系统的特点是可以切换成其中一种系统供电，也就是当遇到阴雨天或者太阳光照射不足的情况下，切换到市网供电，此时太阳能电池组是不给负载供电的，而当市网供电系统出现故障时，则切换到太阳能系统供电，所以称之为切换型并网光伏发电系统。第四类时有储能装置的并网光伏发电系统：这种系统其实就是上述三种系统加上蓄电池组的部分形成的，当电量充足时为其充电，以备不时之需，在紧急时刻需要电能时，作为应急供电系统。结束语化石能源一直在我们的能源生活中充当着重要的角色，但是其也有自己的弊端，比如按照现在的消耗水平计算，煤炭还能用200年，天然气还能用80年。所以可再生能源的开发和利用就成了必然性，而太阳能有它自己的优点，如它的普遍性，无毒害性，长久性，和它总量大的特点，虽然在上个世纪的研究中，太阳能的利用效率很低，但随着新型材料和科技的研发，太阳能的利用率越来越高，在我国的青海西藏甘肃等地方更可以大量的使用太阳能系统。对于我们城镇居民来说，关于太阳能的应用主要由两个方向，一个是光热系统的应用，最贴近我们生活的就是集热器做成的太阳能热水器，另一个就是光伏系统，最贴近我们生活的就是光伏并网发电系统，在论文中我们也谈到了关于利用太阳能时的节能效益分析和