太阳能新能源在建筑中的应用.ppt
新能源在建筑中的应用,Beijing University of Technology,赵耀华 教授 全贞花 副教授,主要内容,可再生能源在建筑中的应用概述,1,太阳能热水系统,3,太阳能利用基础知识,2,太阳能供热,4,太阳能光伏发电与热电联供,6,太阳能空调,5,太阳能建筑一体化,7,太阳能蓄存、采光、遮阳与通风,8,二、太阳能利用基础知识,内容：,2.1太阳简介2.2地球绕太阳的运行规律2.5 太阳能利用的特点与基本方式2.4太阳能资源分布2.3太阳辐射强度计算与测量,要求：,了解我国太阳能资源分布情况，掌握太阳能转换利用基本原理。学习太阳能转换技术途径和方法。掌握太阳辐射能、高度角、方位角等基本概念。学习太阳能光热转换和光电转换的技术途径和常用设备，了解与建筑结合的太阳能利用设备和系统形式等。,2.1太阳简介,1.1.1太阳结构 太阳是离地球最近的一颗恒星。太阳是一个主要由氢（约78.4%）和氦（约19.8%）组成的气体火球。日地间的距离为1.49597892l08km。从地球上望去，太阳的张角为3159，把角度换算成弧度再乘上日地距离，便可得出太阳的直径为140万公里（1.392106km），这是地球直径的109倍，如图21所示。其体积是地球的130 多万倍。太阳的质量为1.9891027t，为地球质量的33万倍。太阳的平均密度为14g/cm3，只有地球的四分之一，比水重近50。实际上，太阳各处的密度相差悬殊，外层的密度比较小，内部在承受外部巨大压力的倩况下，密度高达160 g/cm3，正因为如此，日心的引力要比地心的引力大29倍。,2.1太阳简介,直径139000km,地球=12700km,距离为1.510830%km,太阳,地球,图1.太阳结构及其与地球距离,太阳主要由两大部分组成，即太阳内部和太阳大气。太阳内部分为核心、内部中间层（辐射层）和对流层三个层次。太阳大气分为光球层、色球层和日冕三个层次。,2.1太阳简介,1.核心区太阳热能产生的基地太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达到1500万，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态。是太阳巨大能量的发祥地。太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式。,2.1太阳简介,2.辐射区太阳能先通过这里传播出去太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.71个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分。3.对流区太阳能经过这里向太阳表层传播。太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。,2.1太阳简介,4.光球太阳光球就是我们平常所看到的太阳圆面，通常所说的太阳半径也是指光球的半径。光球层位于对流层之外，属太阳大气层中的最低层或最里层。光球的表面是气态的，其平均密度只有水的几亿分之一，但由于它的厚度达500千米，所以光球是不透明的。太阳黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高达4000左右，太阳黑子的变化存在复杂的周期现象，平均活动周期为11.2年。这种变化反映了太阳辐射能量的变化。,2.1太阳简介,5.色球紧贴光球以上的一层大气称为色球层，平时不易被观测到，过去这一区域只是在日全食时才能被看到。色球层厚约8000千米，它的化学组成与光球基本上相同，但色球层内的物质密度和压力要比光球低得多。光球顶部接近色球处的温度差不多是4300，到了色球顶部温度竟高达几万度，再往上，到了日冕区温度陡然升至上百万度。在色球上人们还能够看到许多腾起的火焰，这就是天文上所谓的“日珥”。日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥。,2.1太阳简介,6.日冕日冕是太阳大气的最外层。日冕中的物质也是等离子体，它的密度比色球层更低，而它的温度反比色球层高，可达上百万摄氏度。在日全食时在日面周围看到放射状的非常明亮的银白色光芒即是日冕。日冕的范围在色球之上，一直延伸到好几个太阳半径的地方。日冕还会有向外膨胀运动，并使得冷电离气体粒子连续地从太阳向外流出而形成太阳风。,由上述可知，太阳并非是一恒定温度的黑体，而是有许多层不同波长放射、吸收的辐射体。但是在利用太阳能热辐射系统中，则将太阳看成是一个温度为5762K，波长为0.3-3m的黑色辐射体。,2.1太阳简介,1.1.2太阳辐射 1.太阳光谱 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，见图2。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能量分布曲线非常相似。因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。,图2.太阳光谱,2.1太阳简介,2.太阳常数 太阳辐射通过星际空间到达地球表面。当日地距离为平均值，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数，用Rsc(Solar constant)表示，单位为（W/m2）。1981年世界气象组织推荐的太阳常数值ISG=13677（W/m2），通常采用1367W/m2。,2.1太阳简介,3.太阳辐射在地球大气层中的衰减 大气层中不少气体分子是辐射吸收性气体，如氧、二氧化碳等，所以当天空太阳辐射透过地球大气层是，受到大气层的强烈衰减，一是受到氧、臭氧、水汽和二氧化碳等的吸收，二是受到大气层中空气分子、水汽和尘埃等反射或折射，从而形成慢向辐射。人们把改变了原来辐射方向，又无特定方向的这部分太阳辐射，称为太阳散射辐射。太阳辐射的部分辐射能将返回宇宙空间，另一部分到达地球表面。直射辐射与散射辐射之和称为总辐射。,图3.太阳辐射在 大气中的减弱,2.1太阳简介,4.大气质量：太阳光线穿过地球大气层的路程与太阳在天顶位置时光线穿过地球大气层的路程之比。完全不同于通常所说的“质量”。规定：在海平面上，当太阳处于天顶位置时，太阳光线垂直照射所通过的路程为1。大气质量记为m。大气层上界的大气质量m0。,2.1太阳简介,地表海平面上任意一点A点的大气质量计算式为：,图3.大气质量,2.2地球绕太阳的运行规律,2.2.1地球绕太阳的运行规律地球的自转：地球绕地轴不断地自西向东旋转，其周期为24h。由于地球的自转，产生昼夜交替的现象。,图4.太阳受日射 情况示意图,2.2地球绕太阳的运行规律,地球的公转：由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为2327，并且地球的自转轴在公转时在空间的方向始终保持不变，使得太阳光线有时直射赤道，有时偏南，有时偏北，从而形成地球上季节的变化。,图5.太阳绕日运动,2.2地球绕太阳的运行规律,2.2.2 几个重要的天文参数（赤道坐标系）（1）赤纬角：地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。它与所在地区无关，仅由日期决定,式中：-赤纬角 n-为一年中的日期序号,由春分算起的第d天的太阳赤纬，则：,2.2地球绕太阳的运行规律,图6.赤道坐标系 图7.太阳赤纬年变化,2.2地球绕太阳的运行规律,（2）时角：每小时地球自转的角度为15，因此可采用一天中地球自转的角度来表示时间。用来表示时间的地球自转的角度称为时角，并规定正午时角为零，上午时间取负，下午时角为正。真太阳时H 的规定：以当地太阳位于正南向的瞬时为正午。时差e:真太阳时与钟表指示时间（平太阳时）之间的差值。时差产生的原因：1）太阳与地球之间的距离和相对位置随时间变化。2）地球赤道平面与黄道平面成一定的夹角2327。,2.2.2 几个重要的天文参数（地平坐标系）（1）天顶角：地球表面上某点水平面的法线与太阳光线的夹角。,为太阳高度角,2.2地球绕太阳的运行规律,图8.天顶角,2.2地球绕太阳的运行规律,（2）太阳高度角,式中，太阳高度角 为地理纬度 为太阳赤纬 为时角,图9.太阳高度角,2.2地球绕太阳的运行规律,（3）太阳方位角s：太阳至地面上某给定点的连线在水平面上的投影与正南向（当地子午线）的夹角。规定：偏东为负，偏西为正。,或者：,图10.太阳方位角,2.2地球绕太阳的运行规律,（4）日出日没角及日照时间：太阳视圆面中心出没地平线的瞬间，称为日出和日没。日出和日没时，太阳高度角。则由太阳高度角公式可以求出日出和日没的时角 为,由于地球每小时自转15，所以日用时间N可以用日出日没时角的绝对值除以15每小时得到：,2.3太阳辐射强度计算与测量,2.3.1 太阳辐射强度计算 到达地面的太阳总辐射由两部分组成：一是太阳以平行光的形式直接投射到地面上的太阳直射辐射；另一个是经过散射后到达地面的散射辐射。1.到达地面水平面的太阳辐射强度（通量）（1）到达地表的法向太阳直射辐射强度 式中-日-地距离修正值；-订正到m=2时的 值,2.3太阳辐射强度计算与测量,（2）水平面上的太阳直射辐射强度以及日总量水平面上的太阳直射辐射强度：式中-水平面上直射辐射通量，；-垂直于太阳光线表面上的直射辐射强度，；-太阳高度角，（）；-太阳天顶角，（）。,2.3太阳辐射强度计算与测量,图11.倾斜面上直射 辐射射角的关系图,图12.太阳直射辐射通 量与太阳高度角的关系,2.3太阳辐射强度计算与测量,如果计算日总量，可将上式从日出至日没的时间t内积分，即可得到水平面直接辐射的日总量：,（3）水平面上的太阳散射辐射强度,2.3太阳辐射强度计算与测量,（4）水平面上的太阳总辐射强度 到达地表水平面的太阳总辐射,式中-太阳总辐射量，-水平面上的直射辐射通量，-水平面上的散射辐射通量，,式中，-斜面上AB上太阳光线的入射角。,2.3太阳辐射强度计算与测量,2.到达地面任意倾斜面的太阳辐射强度（通量）任意倾斜面的太阳总辐射强度为太阳直射辐射强度、太阳散射强度和地面反射辐射强度之和。,（1）任意倾斜面太阳直射辐射强度,式中，-倾斜面与水平面的夹角-当地纬度-太阳赤纬-时角-斜面方位角。,式中，为地面反射率，在没有具体数值的情况下可以取0.2。,2.3太阳辐射强度计算与测量,（2）任意倾斜面太阳散射辐射强度,（3）任意倾斜面获得的地面反射辐射强度,2.3太阳辐射强度计算与测量,2.3.2 太阳辐射的测量,辐射指太阳、地球和大气辐射的总称。通常称太阳辐射为短波辐射，地球和大气辐射为长波辐射。观测的物理量主要是辐射能流率，或称辐射通量密度或辐射强度，标准单位瓦/平方米。气象上常测定以下几种辐射量：,（1）太阳直接辐射，指来自日盘0.5立体角内与该立体角轴垂直的面的太阳辐射。（2）天空辐射（或称太阳散射辐射），指地平面上收到的来自天穹2立体角向下的大气等的散射和反射太阳辐射。（3）太阳总辐射，指地平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和。（4）反射太阳辐射，指地面反射的太阳总辐射。（5）地球辐射，指由地球（包括大气）放射的辐射。（6）净辐射，指向下和向上（太阳和地球）辐射之差。,2.3太阳辐射强度计算与测量,2.太阳辐射测量仪器,（1）直接日射表,图13.直接日射表,2.3太阳辐射强度计算与测量,（2）天空辐射表（总日射表）,图14.天空辐射表,2.3太阳辐射强度计算与测量,（3）净辐射表,图15.净辐射表,2.4 太阳能资源分布,太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量(单位为kcal/cm2a或kw/cm2a)和全年日照总时数表示。,2.4 太阳能资源分布,2.4.1 世界太阳能资源分布,图16.世界太阳能资源分布,2.4 太阳能资源分布,2.4.2 中国太阳能资源分布,图17.中国太阳能资源分布,2.4 太阳能资源分布,2.4.2 中国太阳能资源分布,图18.中国太阳能资源分布,2.4 太阳能资源分布,从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2.天 以上，西藏最高达7kWh/m2.天。与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。上述一、二、三类地区约占全国总面积的2/3以上，年太阳辐射总量高于5000MJ/m2，年日照时数大于2000h，具有利用太阳能的良好条件。特别是一、二类地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光发电技术，发展经济，提高人民生活水平。,2.4 太阳能资源分布,2.5太阳能利用的特点与基本方式,2.5.1 太阳能利用的特点,太阳能的优点：（1）普遍性。（2）容量大。（3）长久性。（4）无害性。,太阳能的缺点：（1）分散性（稀薄性）。（2）间断性。（3）成本高。,2.5太阳能利用的特点与基本方式,2.太阳能转换利用方法,光热利用太阳能发电光化利用,光生物利用,用于建筑中的太阳能利用方式主要是太阳能低温光热利用和太阳能光伏利用两种。具体形式包括太阳能热水器、太阳能供热、太阳能空调、太阳能电池等。,图19.太阳能转换利用方法,2.5太阳能利用的特点与基本方式,主动式,被动式,冬季太阳能采暖,一体化太阳能集热器,强化通风 能量调节,全年热水,夏季,春季,强化通风,太阳能空调,主动式,被动式,蓄能,显热,潜热,化学能,节能新技术,一体化建材,薄膜电池,新型太阳能集热器构件,电力供应,一体化光伏发电系统,并网发电,独立照明,自然采光,遮阳隔热装置合理开窗,聚光器光纤,保证正常的能源需求,其它形式自然,能源和辅助能源,2.5太阳能利用的特点与基本方式,太阳能集热器：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。是太阳能转换利用、组成各种太阳能热利用系统的关键部件。,平板式太阳能集热器,全玻璃真空管太阳能集热器,2.5太阳能利用的特点与基本方式,集热器参数,太阳能保证率：系统中由太阳能提供的热量除以系统总负荷。,集热器总面积（）：整个集热器的最大投影面积，不包括那些固定和连接传热工质管道的组成部分。,集热器倾角：太阳能集热器与水平面的夹角。,太阳能集热器效率：在稳态条件下，特定时间间隔内由传热工质从一特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能辐照量之比。,2.5太阳能利用的特点与基本方式,2.5太阳能利用的特点与基本方式,平板式太阳能集热器,2.5太阳能利用的特点与基本方式,全玻璃真空管太阳能集热器,2.5太阳能利用的特点与基本方式,热管太阳能集热器,2.5太阳能利用的特点与基本方式,太阳能电池,2.5太阳能利用的特点与基本方式,与建筑结合的太阳能利用技术 与建筑结合的优点,建筑的使用功能与太阳能集热器的利用有机结合在一起，形成多功能的建筑构件 同步规划设计，同步施工安装，节省太阳能系统的安装成本和建筑成本 综合使用材料，降低了总造价，减轻建筑荷载 建筑构造合理，太阳能系统和建筑融合为一体 太阳能的利用与建筑相互促进、共同发展,Thank you!,Beijing University of Technology,
