第一章太阳能光热系统设计.ppt

太阳能光热系统设计太阳能光热系统设计陈洪涛课程概况课程名称：太阳能光热系统设计课程性质：专业限选课程学时：30+6教材：无考核办法课程的成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分组成：1.1.平时成绩包含考勤和实验，考勤占总成绩的平时成绩包含考勤和实验，考勤占总成绩的20%20%，无故缺课一次扣，无故缺课一次扣4 4分，扣完为止。实验分，扣完为止。实验占总成绩占总成绩30%30%，视完成情况酌情给分。，视完成情况酌情给分。2.2.期末考试，占总成绩的期末考试，占总成绩的50%50%。注意：注意：1.1.考勤缺席总课时三分之一者，取消考考勤缺席总课时三分之一者，取消考 试资格。试资格。2.2.实验不及格者，取消考试资格。实验不及格者，取消考试资格。3.3.作业缺三分之一者，取消考试资格。作业缺三分之一者，取消考试资格。第一章 绪论太阳能热利用（产品）发展n初级和推广应用阶段初级和推广应用阶段 发展时代 应用特点 代表产品示例 产品特点1891-1945年初级阶段闷晒式 自觉利用太阳能的初级阶段；受世界范围石油类资源开发影响发展缓慢，年销售量1000台左右1891年美国肯普发明第一台“顶峰”热水器到1913年贝利改进的防冻功能热水器，产水温度40左右，效率低、隔热性能差。1945-2000年推广应用阶段代表产品（一）平板型太阳能集热器世界能源危机促使日美欧国家重视太阳能开发应用，70年代末世界销量300万台；90年代日美法德以色列等均有上千万套住宅使用；表面吸收涂层从非选择性涂层到选择性吸收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等。透明盖板从普通平板玻璃到钢化玻璃。性能也随之不断提高。我国90年代引进加拿大铜铝复合条带吸热体生产线，开始广泛应用至今；太阳吸收率92%左右、红外发射率10%20%。n推广应用阶段（一）推广应用阶段（一）发展时代 应用特点 代表产品示例产品特点1975年-至今推广应用阶段代表产品（二）全玻璃真空管太阳能集热器美国欧文斯-伊利诺依（Owens-Illinois)公司发明并于1975年率先推向市场；清华大学于1979年初开始研制，1993年起开始实施规模生产，在我国家用太阳能热水器行业得到了广泛应用。吸收率9092%，发射率8%左右。主要分布在我国；家用一体机占90%市场份额，适用广大农村市场；热损较小，具有一定抗冻性，国内标准化配套厂多，价格低廉，热容量大。易结垢，安全可靠性差，寿命短；工程化应用不能承压，抗热应力能力差、维护量大，寿命短不足十年，不易与建筑结合。n推广应用阶段（二）推广应用阶段（二）发展时代 应用特点 代表产品示例 产品特点2000年-至今推广应用阶段代表产品（二）真空管改进中产品：U型管式真空管、热管式真空管、直流管式真空管普通真空管内设置U型导管、导热翅片或真空管与热管结合，以使真空管集热模块能承压运行的集热器；两种产品均不能有效解决过热、热应力破坏、效率低等技术问题，未能从实验室走向市场可承压运行，管内不走水，可产中高温热水，热损较小，能与建筑结合；造价高、抗热应力变形能力差、效率较低、安全可靠性差；U型管式真空管闷晒会使翅片氧化破坏，热管式真空管存在结垢、换热不足、过热爆管等问题；直流管式真空管存在漏气、翅片氧化破坏等缺点；整体技术不够成熟，安全可靠性差、寿命短、造价高；工程应用少。n广泛应用阶段广泛应用阶段 发展时代 应用特点代表产品示例 产品特点2000年-至今广泛应用阶段高效平板型太阳能集热器进入2000年以来，世界范围内的能源危机、环境污染日趋严重，以德国为代表的欧洲国家在平板太阳能应用开发、研究方面已赶超美日。德国技术的蓝膜涂层-磁控溅射金属陶瓷涂层，吸收率达95%以上，发射率小于5%，涂层50年衰减率不大于10%，稳定性、可靠性达到了几近完美的程度。磁控溅射金属陶瓷涂层，吸收率95%以上，发射率3%-5%，既可作为家用产品配套成一体机、也可量身打造各种分体组合；可设置于建筑斜屋面、建筑外墙、阳台等；工程化应用方面，为公共建筑、居住建筑提供满足不同地域气候特点的中央热水系统；产品高效、安全、可靠，运行维护简单，寿命长，全世界90%以上的国家广泛应用，是能源部重点推荐发展的节能产品。n全球太阳能热水器统计数据（一）按集热器的类型，全球太阳能热水器产品可分为：真空管型太阳能热水器、平板型太阳能热水器、其它类型太阳能热水器。这几种产品在全球太阳能热水器总保有量中的比例分别是47%、33%和20%。年安装量运行保有量总量/MWth总量/(104)比例 总量/MWt总量/(104)比例 世界合计18260260812780018255真空管太阳能热水器11548165063.359892855646.9平板型太阳能热水器510773028.042238603433.1其它类型太阳能热水器16022298.83597366420中国合计126001800630009000真空管太阳能热水器11340162090平板型太阳能热水器126018010n全球太阳能热水器统计数据（二）全球太阳能热水器产品中，真空管太阳能热水器主要分布在我国(占全球总量的97)，平板型太阳能热水器广泛地分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。各国不同类型太阳能热水器所占市场份额（各国不同类型太阳能热水器所占市场份额（100%100%）平板型太阳能热水器真空管型太阳能热水器n我国我国1998199820092009年太阳能热水器年生产量、保有量和增长率年太阳能热水器年生产量、保有量和增长率年份总产量比上年增长（%）保有量比上年增长（%）万MWth万MWth19983502450-150010500-1999500350043200014000332000640448028260018200302001820574028320022400232002100070002240002800025200312008400205000350002520041350945012.562004340024200515001050011.17500525002120061800126002090006300020200723001610030108007560020200831002170025.8125008750015.7200942002940035.5145001015001620105200540036400378002433171001730011970012110017.919.3我国我国2001200120092009年三种热水器市场占有率年三种热水器市场占有率在太阳能热水器、电热水器和燃气热水器三种产品的比较中，太阳能热水器经济、节能、安全、环保，随着减排、低碳时代主题的推进，太阳能热水器的市场份额逐年提升，至2008年已经超过电热水器、燃气热水器的总和，成为热水器的主体。太阳能热水器电热水器、燃气热水器n目前主流产品目前主流产品(集热器）集热器）太阳能集热器太阳能集热器:平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器真空管型太阳能集热器真空管型太阳能集热器平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器黑铬蓝膜特点：1、采用金属吸热板芯加热 工质，国内镀膜工艺。2、承压高。3、抗机械冲击能力好。4、低温热效率低，热损大。5、造价低。6、易与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和自然循环式系 统。9、安全、可靠、寿命长。10、适宜南方，环境质量好，风小的区域。特点：1、采用金属吸热板芯加热 工质，国外镀膜工艺。2、承压高。3、抗机械冲击能力好。4、低温热效率高，热损大。5、造价适中。6、易与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和自然循环式系 统。9、安全、可靠、寿命长。10、适宜南方，环境质量好，风小的区域。真空管型太阳能集热器真空管型太阳能集热器热管式真空管型太阳能集热器U型管式真空管型太阳能集热器全玻璃真空管型太阳能集热器特点：1、在真空管内带有吸收涂层 的吸热体传热至热管内相 变材料加热工质。2、承压高。3、抗机械冲击性能差。4、高温时集热效率高、热损 小。5、造价适中。6、可与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭 式和用水温度较高系统。9、安全、可靠、寿命长。10、应用范围广，不受区域、环境等限制。特点：1、工质在真空管内的金属 流道内循环加热。2、承压高。3、抗机械冲击性能差。4、中温时集热效率高，热 损小。5、造价适中。6、可与建筑结合。7、抗内外热冲击性能好。8、适用于强制循环开式、闭式和用水温度较高系 统。9、安全、可靠、寿命长。10、应用范围广，不受区域、环境等限制。特点：1、工质在真空管内直排热。2、非承压，抗机械冲击性 能差。3、集热效率低、抗过热能 力差。4、热损小。5、造价低。6、不易与建筑结合。7、内外热冲击时，存在炸 管泄漏的可能。8、适用于强制循环开式和 自然循环式系统。9、可靠性不高，寿命短。10、应用范围广，不受区域、环境等限制。太阳能集热器简介太阳能集热器简介成本低廉、角度任意成本低廉、角度任意层数灵活、完全排空层数灵活、完全排空防垢优良、除垢容易防垢优良、除垢容易防尘明显、抗风高超防尘明显、抗风高超整齐划一整齐划一真空管集热器真空管集热器真空管集热器真空管集热器(竖置竖置竖置竖置)全玻璃真空管集热器特点：全玻璃真空管集热器特点：结构简单易于制作、价格相对较低、环境温度低下时效率仍然比较高。材质易碎、不能承压运行、可靠性差。热管集热器热管集热器热管集热器热管集热器热管真空管集热器特点：热管真空管集热器特点：耐冰冻热管抗冻启动快工质热容小保温性能好热二级管承压能力强金属流道耐热冲击性能好金属流道易于安装维修干式连接价格较高、不宜干晒、需要一定角度n我国太阳能利用相关政策我国太阳能利用相关政策 2006年，全国人大颁布了中华人民共和国可再生能源法。2007年4月，国家发改委下发了推进全国太阳能热利用工作实施方案。2007年5月，国家发改委、住建部下发了关于加快太阳能热水系统推广应用工作的通知。2008年10月1日国务院颁布的民用建筑节能条例开始实施。条例第4条规定，有关地方人民政府应当采取有效措施，鼓励和扶持单位、个人安装使用太阳能热水系统等太阳能利用系统。2009年，财政部、城乡住房建设部组织实施一省三市、一省四县可再生能源示范项目：对于可再生能源应用的城市，鼓励太阳能、热泵等可再生能源与建筑结合，中央财政安排专项补助，每个城市补贴5000万元8000万元，每个示范城市（地级市）建筑应用面积不低于200万平方米。住房与城乡建设部负责人表示，今后我国每年将选择20个城市作为可再生能源的示范城市。2010年4月1日，中华人民共和国可再生能源法修正案施行，新法进一步确定了国家设立可再生能源发展基金等制度。据不完全统计，全国有二十个省市区和八十多座城市出台了太阳能强制安装政策和优惠政策，要求新建12层以下建筑必须安装太阳能热水系统，有些省市如山东，北京等对集中安装太阳能热水系统还直接给予资金补贴。产品产品/系统试验、测试方法系统试验、测试方法产品标准产品标准工程设计、安装、验收规范工程设计、安装、验收规范GB/T14890-1994工作直接日射表的校准方法GB/T19141-2011家用太阳能热水系统技术条件GB/T18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范GB/T15405-1994被动式太阳房技术条件和热性能测试方法GB/T17049-2005全玻璃真空太阳能集热管GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用规范GB/T17683.1-1999太阳能在地面不同接收条件下的太阳光谱辐照度标准第1部分大气质量1.5的法向直接日射辐照度和半球向日射辐照度GB/T19775-2005玻璃-金属封接式热管真空管太阳能集热管GB50495-2009太阳能供热采暖工程技术规程GB/T18708-2002家用太阳能热水系统热性能试验方法GB/T6424-2008平板型太阳能集热器GB26969-2011家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级GB/T20095-2006太阳能热水系统性能评价规范GB/T12936-2007太阳能热利用术语GB/T24798-2009太阳能热水系统用橡胶密封件GB/T4271-2007太阳能集热器热性能试验方法GB/T17581-2007真空管型太阳能集热器GB/T50604-2010民用建筑太阳能热水系统评价标准GB/T21889-2009家用空气源热泵（辅助）型太阳能热水系统技术条件GB/T21888-2009家用太阳能热水系统控制器n太阳能热水器国家标准太阳能热水器国家标准到2013年初，已颁布实施的太阳能热水器国家标准共有20项。太阳能利用太阳能利用太阳能热利用太阳能热利用从温度范围分为：从温度范围分为：低温应用，小于低温应用，小于100 100 ，如生活用水和采暖。，如生活用水和采暖。中温应用，中温应用，100100300 300 ，如工业热和空调等。，如工业热和空调等。高温应用，大于高温应用，大于300 300 ，如太阳能热发电。，如太阳能热发电。全国太阳能资源状况全国太阳能资源状况n太阳能热水系统节能减排效益太阳能热水系统节能减排效益太阳能热利用是典型的绿色低碳经济产业。类太阳能资源区内平均每平方米太阳能热水器（按75%加权使用率计算）年可替代标煤为150Kg，相当417kWh电量。按目前我国科技水平和能耗状况，每平方太阳能热水器每年可减排二氧化碳322Kg，按0.2元/Kg的环境效益计算，每年减排的二氧化碳环境效益为64元人民币。太阳能热系统工作原理太阳能热水系统由太阳能集热器、贮热水箱、泵、循环管道、辅助热源、控制系统和太阳能热水系统由太阳能集热器、贮热水箱、泵、循环管道、辅助热源、控制系统和相关附件组成。相关附件组成。贮热水箱容积在贮热水箱容积在600L600L以下的小型太阳能热水系统称之为以下的小型太阳能热水系统称之为“家用太阳能热水系统家用太阳能热水系统”。贮热水箱容积在贮热水箱容积在600L600L以上的大型太阳能热水系统称之为以上的大型太阳能热水系统称之为“太阳能集中热水系统太阳能集中热水系统”。家用太阳能热水系统和太阳能集中热水系统构成没有根本性的区别，只是容水量家用太阳能热水系统和太阳能集中热水系统构成没有根本性的区别，只是容水量不同。不同。家用太阳能热水系统（户用太阳能热水器）太阳能集中热水系统（民建住宅太阳能热水工程）家用太阳热水器工作原理家用太阳热水器工作原理利用水加热后的密度差利用水加热后的密度差系统工作原理简述系统工作原理简述 太阳热水系统是利用太阳辐射能加热水的装置，太阳热水系统是利用太阳辐射能加热水的装置，它由集热器、贮水箱、管道、控制设备四部分组成。它由集热器、贮水箱、管道、控制设备四部分组成。目前，在市场上广为销售的家用太阳热水器，同样由目前，在市场上广为销售的家用太阳热水器，同样由上述的集热器等四个部分组成。所以家用太阳热水器，上述的集热器等四个部分组成。所以家用太阳热水器，实质上是一个最小的太阳热水系统单元，和采光面积实质上是一个最小的太阳热水系统单元，和采光面积几千平米的大型太阳热水系统原则上是一样的。几千平米的大型太阳热水系统原则上是一样的。n太阳能热水系统原理太阳能热水系统原理太阳能热水系统是利用太阳能热水系统是利用“温室效应温室效应”原理，将太阳辐射能转变为热能，并将热量传递原理，将太阳辐射能转变为热能，并将热量传递给工作介质从而获得热水的供热水系统。给工作介质从而获得热水的供热水系统。1太阳能集热器2贮热水箱3控制系统4工作站（循环泵）5用水终端系统分类系统分类太阳热水系统按运行方式可分为三种：自然循环系统、直流式系统和主动循环系统。太阳热水系统按有无换热器可分为：直接系统和间接系统。自然循环直流式循环主动循环自然循环系统自然循环系统：是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。这种系统结构简单不需要附加动力，在自然循环中，为了保证必要的热虹吸压头，贮水箱应置于集热器上方。大型太阳热水系统，不适宜采用这种自然循环方式。直流式太阳热水系统直流式太阳热水系统：是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点的非循环热水系统，储水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。主动循环式太阳热水系统主动循环式太阳热水系统（又称强制循环太阳热水系统）：是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。这种系统在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵，作系统中水的循环动力。系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间的温差控制水泵运转。在水泵入口处，装止回阀，防止系统中发生水倒流而引起热损失或者对泵造成影响。主动循环式太阳热水系统使循环动力大大加强，有利于提高热效率，实现热水系统的多种功能及控制，是目前应用较广泛的一种热水系统形式。目前在大型太阳热水工程中，可以用普通太阳热水器串并联组成上述的各种系统，但更常用的是联集管集热器组成各种形式的热水系统。