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太阳能与热能传递

2017-08-17 16:00:17来源:新能源课件网浏览: 评论:0
  太阳能   阳光普照大地,处处都有太阳能,地球每年接受的太阳能总量比地球上每年消耗的各种能量总合大几万倍。只要有太阳,太阳能就取之不尽、用之不歇,太阳能无排放、无污染。太阳能的缺点是夜间没有、云雨天微弱、受气候影响大。   太阳以电磁波或粒子形式向外辐射能量,称为“太阳辐射”。我们把照射到单位面元上的辐射功率称为“辐照度”,单位为瓦特/每平方米(W/m2)。在地球位于太阳与地球间的平均距离位置时,在大气层外垂直于太阳辐射束的平面上的辐照度,称之为“太阳常数”,其值为1367W/m2±7W/m2。太阳辐射中约8%是紫外线、46.4%是可见光、45.5%是红外线,其他可忽略不计,图1是太阳辐射光谱能量分布图。   \   图1  太阳辐射光谱能量分布图   图中上部紫色曲线是在大气层外的辐射能量按波长的分布状态;太阳辐射在进入大气层时会有反射、散射,图1中部的红色曲线是经过大气反射散射后到地面的辐射能量按波长的分布状态;又由于大气中的气体分子与尘埃会吸收太阳的辐射能,而且不同的分子是选择性的吸收不同波长的辐射,图1下面的绿色曲线是被各种气体分子吸收后到地面的辐射能量按波长的分布状态。   在理想的空气透明条件下,阳光垂直地面照射时,地面上的辐照度大约为1000W/m2。当阳光倾斜或大气层加厚时,当空气中水分子与尘埃较多时辐照度就要明显下降。   传热学基础   太阳能要通过热能的传递才能加以利用,下面要介绍传热学的基础知识。   1. 辐射换热   任何高于绝对零度的物体都会发射辐射能,辐射能以电磁波或粒子形式的发射或传播,称之为热辐射,热辐射的传播速度与光速相同。衡量辐射能大小有“辐射能”、“辐射强度”等参数。   当辐射投射在物体表面时,部分能量被吸收,部分能量被反射,余下能量将透过物体。定义以下数据来衡量物体对辐射吸收能力:   α=吸收比,代表被吸收的辐射能量与投射在物体上的总能量之比   ρ=反射比,代表被反射的辐射能量与投射在物体上的总能量之比   τ=透射比,代表被透射的辐射能量与投射在物体上的总能量之比   有   α+ρ+τ=1   对于多数不透明的固体,τ=0,α+ρ=1   能够全部吸收投射在其上的辐射的物体称为“黑体”,真正的黑体并不存在,黑体只是一种理想物体,是衡量实际物体对辐射吸收能力的标准体;同时黑体也是衡量物体辐射能力大小的标准体,因为它在相同温度下辐射能力最大。   实际的物体辐射能力都比黑体小,用“发射率ε”来衡量物体热辐射能力的强弱,其定义为,物体在一定温度下所发射的辐射能与同温度下黑体所发射的辐射能之比。   并不一定只有黑色物体才接近黑体,人眼可见的黑色物体是能吸收所有可见光的物体,在非可见光范围就不一样了,例如人眼看到的白漆对远红外辐射的吸收能力就接近黑体。   开有小孔的空腔可以看成为黑体,因为射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射,而每经历一次吸收,辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次,最终能离开小孔的能量是微乎其微的,可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收。所以,就辐射特性而言,小孔具有黑体表面一样的性质,但重要的条件是要求小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小越好。   吸热体涂层   太阳能热利用装置主要部件是太阳能集热器,是靠吸热体吸收太阳辐射,要提高集热器的效率要加强吸热体对太阳辐射的吸收能力,减少热量的散失。如果在吸热体上涂黑漆,虽有0.95的吸收比,但其发射率也高达0.9,接受的热量又会辐射出去,显然涂黑漆不行,在吸热体上覆盖光谱选择性吸收涂层可较好的解决这一问题。   由于在地面上的太阳辐射波长主要集中在0.3μm至2.0μm(见图1),而物体的热辐射波长主要集中在2.0μm至30μm,利用这一差别,制造出有高吸收比与低发射率的涂层覆盖在吸热体上,称之为光谱选择性吸收涂层。这些涂层多为金属化合物或金属氧化物组成,其吸收比在0.9以上,发射率一般小于0.2。   在玻璃真空管上的选择性吸收涂层多为“铝-氮/铝”或“不锈钢-碳/铝”,采用磁控溅射工艺制作,其吸收比在0.9以上、发射率小于0.1;对于铜制吸热件可用化学转换着色法生成氧化铜膜作选择性吸收涂层,是一种简单成熟的制作方法,其吸收比为0.91、发射率为0.05。   2. 热传导   热传导是热能在固体或静止液体中传递的方式,只要物体中有温差,热能就会从高温处向低温处传递。金属的热传递主要是由自由电子的扩散完成;非金属固体的热传递主要是由晶格上的原子振荡来完成,由于电子输送热量效果好,故金属导热性能比非金属好。气体与液体导热是通过分子运动与碰撞来完成的。   导热速率(单位时间的热流量)Q与温度梯度dT/dn与热流通过的截面积A成比例,有   Q=-λAdT/dn   λ是导热系数(热导率),单位是W/(m.K)   下表为常见金属、非金属、液体、气体的导热系数   \   导热系数表   3. 对流传热   当流体流过固体表面时,流体与固体表面之间发生的热量传递过程称为对流传热。对流传热除了流体与固体各自的热传导外主要是流体分子的热运动加上流体与固体表面分子间的碰撞热运动组成,而且流体的运动速度对传热速率影响很大。除了流体运动速度外,产生对流传热的面积、流体的黏度、密度、导热系数、比热容等都与传热速率有关系。   若流体的运动是由水泵(或风机)等外部因素引起称为强制对流,若流体的运动是因流体的密度差造成的浮力引起称为自然对流(或浮力对流)。因强制对流有较高的流速故有较大的传热速率。   4. 流体有相变时的对流传热   若流体吸收热量由液相转为气相,蒸汽与低温固体表面接触释放潜热又转回液相,情况又大不相同了。流体在沸点之下为液相,在沸点之上为气相,两相间温度相差不大,却有很大的能量吸收与释放,一种称之为“热管”的高传热性能的器件就是根据这个原理工作的。   \   图2  热管原理示意图   上图是一个简单的热管剖面图(为显示清楚将热管加粗),由一根两端封闭的管芯,内抽真空并充一定量的液体,热管下端是蒸发段上端是冷凝段。蒸发段从管芯外吸收热量使液体气化,蒸汽上升到冷凝段,冷凝段管壁外有温度较低的流体,蒸汽遇冷管壁释放气化潜热凝为液体,液体因重量下降回蒸发段,如此反复循环,热量从热管一端传向另一端。由于是相变传热,能以较小的温差高速传输较大的热量,或者说在有限的温差传输更多的热量。由于这种热管内的流体是依靠重力循环的故称为“重力热管”。依靠其他形式循环的热管这里就不再介绍了。   可根据热管的工作温度在管内充不同的液体,常温下一般用水,低温下可充其他液体,高温热管可充金属钠或钾等。
 

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