太阳能热利用系统

太阳能热利用系统主要包括太阳能热水装置、太阳能干燥装置和太阳能采暖和制冷系统。太阳能热水装置是目前应用最广的太阳能热利用系统。

1.太阳能热水装置

太阳能热水装置系统主要由集热箱、储水箱和提供冷水和热水的管道组成。按照水流动方式，又可以分为循环式、直流式和整体式。循环式太阳热水系统按水循环动力分为自然循环和强制循环两类（图2-8）。自然循环式利用集热器与储水箱中水温的温差形成系统的热虹吸压头，使水在系统中循环，将集热器的有用收益传输至水箱得到储存；强制式循环系统则是依靠水泵使水在集热器与储水箱之间循环。在系统中设置，以集热器出口与水箱间的温差来控制水泵的运转，止回阀可防止夜间系统发生倒流造成热损失。

直流式系统包括平板集热器、储热水箱、补给水箱和连接管道组成的开放式热虹吸系统。与自然式系统不同的是补给冷水直接进入集热器。补给水箱的水位和集热器出水口热水管的最高位置一致。如果在集热器出口设置温度控制器，可以控制出口热水温度，以满足使用要求。整体式太阳热水器装置的特点是集热器和储水箱为一体。整体式热水结构简单，价格低廉，适合家用。

图2-8　循环式太阳热水系统

（a）自然循环式；（b）强制式循环系统

2.太阳能采暖

利用太阳能集热器在冬季采暖是太阳能热利用的一种重要形式。太阳能暖房系统利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。大多数太阳能暖房使用热水系统，也使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统及室内暖房风扇系统所组成。将太阳辐射通过热导传，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间之间。辅助热源的主要安置方式有：①安置在储热装置内；②直接装设在房间内；③装设于储热装置及房间之间。当然也可以不用储热装置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，再加热房间，或透过冷暖房的热装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，再把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，再利用风扇吹送被加热空气至室内，从而达到暖房效果。太阳能集热器一般采用温度较低的平板型集热器。

太阳能暖房系统又可分为被动式太阳能供暖系统和主动式太阳能供暖系统。被动式太阳能供暖系统工作原理是：白天的中午直接依靠太阳辐射供暖，多余的热量为热容量大的建筑物本体（墙、天花板、地基）及由碎石填充的蓄热槽吸收；夜间通过自然对流放热使使室内保持一定的温度，达到采暖的目的。其构造简单，取材方便，造价便宜，无须维修，有自然的舒适感，适合发展中国家的广大农村。被动式太阳房形式多样，建筑技术简单，便宜，舒适。我国从1977年开始就开展了不同形式太阳房的试验研究和推广工作，建立了几十座试验性太阳房。主动式太阳能供暖系统则需要采用太阳能集热器，配置储热箱、管道、风机及泵等设备收集、储存和输配太阳能，且系统中各个部分可控制，从而达到控制室内温度的目的。被动式太阳能供暖较简单，造价低廉。

采用不同的传热介质如水、防冻液或空气时，系统配置有所不同。采用防冻液需要在集热器和储热水箱间采用液—液热交换器；采用热风采暖，则需要水—空气式交换器。如果单纯靠太阳能集热器不能满足供热需求时，则需要增加辅助热源。实际上，供暖系统只需要在冬季使用，如果设计成全年都有效，则是浪费。因此，采用太阳能集热解决部分供暖，借助于辅助热源，以满足寒冷季节的供暖需求是比较经济的选择。

3.太阳能干燥

自古以来，人们就广泛采用阳光下直接暴晒的方法来干燥各种农副产品。这种传统干燥方法，极易遭受灰尘和虫类的污染等，严重影响产品质量，干燥时间也长。为此，近年来世界各国对太阳能干燥进行了许多研究。其优点如下：

①节约燃料。采用吸热干燥的方法，煤蒸发1 kg的水分，约需2430 kJ的热量。因此，利用太阳能可节约大量燃料。

②缩短干燥时间。由于太阳能干燥的工作温度远高于自然干燥的温度，被干燥物品的水分蒸发大大加快；因此采用太阳能干燥，干燥的时间可以大大缩短。

③提高产品质量。由于采用专门的干燥室，干净、卫生，还能杀灭虫菌，所以既可提高产品质量，又可延长产品储存时间。

太阳能干燥方式大体上可分为两类：一类是“吸收式”太阳能干燥器，通过罩直接暴晒干燥物品；另一类是“对流式”太阳能干燥器，它是利用太阳能空气集热器将加热后的空气直接或间接用于待干燥物品的干燥。

4.太阳能制冷

太阳能制冷是利用太阳辐射热作动力来驱动制冷装置工作，它是太阳能集热器收集热的一种利用形式。因此，不同的太阳能制冷系统的主要区别在于制冷循环的不同。其系统可分为三类：压缩式制冷系统、喷射式制冷系统和吸收式制冷系统，其中太阳能吸收式制冷系统用得最普遍。所谓压缩式太阳能制冷系统，实际上是利用太阳能热机驱动普通制冷系统中的压缩机和膨胀机制冷；太阳能喷射制冷系统则是先利用太阳能集热器将工作流体直接或间接加热，变成高温高压蒸汽，其后的过程和普通喷射式制冷无多大差别；太阳能吸收式制冷与普通吸收式制冷的区别在于它是利用太阳能集热器来直接或间接加热发生器中的溴化锂水溶液（LiBr－H2O）或氨水溶液NH3－H2O。

由于水—溴化锂吸收式制冷对热源温度要求比较低，一般在90～100℃即可，因此特别适合于采用太阳能。太阳能制冷系统比较复杂，一般包括集热器、热交换系统和制冷系统。整个制冷系统的效率受这些子系统效率的影响，因此一般不会很高。

5.太阳炉

太阳炉实际上是太阳聚光器的一种特殊应用。它是利用太阳聚光器对太阳聚光产生高温，并用来加热融化材料，进行材料科学研究的一种方式。一般采用抛物线形太阳聚光器，对于不同几何形状（平面、圆柱、球形）的被加热式样（相当太阳热吸收器），可达到的温度和温度分布有所不同。

太阳炉分为直接入射型和定日镜型。直接入射型是将聚光器直接朝向太阳，定日镜型则是借助可转动的反射镜或者定日镜将太阳光反射到固定的聚光器上。太阳炉可以达到的温度受聚光比的控制。聚光器是太阳炉的必不可少的主要部件，通常都采用抛物面镜作聚光器。抛物线形太阳聚光器的聚光比受其开口宽度D和焦距f，即口径比n（＝D/f）决定。开口大小D决定了反射的总太阳辐射能的多少，D和口径比n决定了太阳成像的尺寸和强度。当D固定时，n越大，抛物面镜越深。对于平面试样，采用n＝2～3，对于圆柱形或球形试样，取n＞4较好。太阳炉输出功率可以达到几十千瓦或上千千瓦，获得的高温可达3000～4000℃。太阳炉能获得无污染的高温，可迅速实现加热和冷却，因此是一种非常理想的从事高温科学研究的工具。例如利用太阳炉熔化高熔点的金属；融化氧化物制取晶体；进行高温下物性的研究等。用太阳炉加热融化材料具有清洁无污染的优点。当然，比起一般的高温炉造价要高。

6.太阳灶

太阳灶利用太阳能来烹调食物，在燃料缺乏地区有很大的现实意义。太阳灶本身必须具备以下条件：

（1）太阳灶必须提供足够的能量和温度，能烹煮所需种类和数量的食物；

（2）必须坚固耐用，能承受频繁的操作使用以及风和其他外来影响；

（3）必须被社会所接收，适应人们的烹饪和饮食习惯；

（4）应当制造方便，能利用当地的人力和物力；

（5）价格上应具有竞争力。

太阳灶目前分为两大类：热箱式和聚光型。前者利用温室效应将太阳能不断积累起来形成一个热箱，结构简单，成本低廉，使用方便，但功率有限，箱温不高，只适合于蒸烤食物。后者利用聚光方法大大提高了太阳灶的温度，便于煮炒食物及烧开水等多种饮食作业，但制作复杂，成本较高。

7.太阳热动力

太阳热动力发电通常由集热器、蓄热器、换热器及汽轮发电机组组成。根据系统中所采用的集热器的型式不同，可分为分散型和集中型两大类。前者是将抛物面聚光器配置成许多组，然后将其串联和并联起来，以满足所需的供热温度。后者也称塔式接收器系统，由平面镜、跟踪系统、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接收器上。这是太阳能发电的主要研究方向，目前美、日、法、意、西班牙等国相继建立了千瓦级以上的试验装置。

太阳热动力系统是利用太阳能热能驱动汽轮机、斯特林发动机或者螺杆膨胀机等发电。从原理上讲，它和普通的热电厂的不同在于太阳能热发电系统有太阳集热系统、蓄热系统和热交换系统。太阳集热系统可以是平板型集热器，也可以是聚光型集热器。它们得到的传热工质度不同。传热工质可以是水、空气或者有机液体、无机盐、碱和金属钠，它们分别适用于不同的温度范围。传热工质通过温度变化、相变化（蒸发/冷凝）等过程来实现太热能到电能的转化。

太阳能热利用的领域还很多，如太阳能热分解制氢、太阳能游泳池、太阳能温室、太阳能育秧、太阳能养殖、太阳能养护混凝土预制件等。进入21世纪，随着技术的进步，太阳能热利用的前途将更为广阔。