太陽能新能源在建筑中的應用

1、新能源在建筑中的應用,Beijing University of Technology,趙耀華 教授 全貞花 副教授,主要內容,,可再生能源在建筑中的應用概述,,1,,太陽能熱水系統(tǒng),,3,,太陽能利用基礎知識,,2,,太陽能供熱,,4,,太陽能光伏發(fā)電與熱電聯供,,6,,太陽能空調,,5,,太陽能建筑一體化,,7,,太陽能蓄存、采光、遮陽與通風,,8,二、太陽能利用基礎知識,內容：,2.1太陽簡介2.2地球繞太陽的運行規(guī)律2

2、.5 太陽能利用的特點與基本方式2.4太陽能資源分布2.3太陽輻射強度計算與測量,要求：,了解我國太陽能資源分布情況，掌握太陽能轉換利用基本原理。學習太陽能轉換技術途徑和方法。掌握太陽輻射能、高度角、方位角等基本概念。學習太陽能光熱轉換和光電轉換的技術途徑和常用設備，了解與建筑結合的太陽能利用設備和系統(tǒng)形式等。,2.1太陽簡介,1.1.1太陽結構 太陽是離地球最近的一顆恒星。太陽是一

3、個主要由氫（約78.4%）和氦（約19.8%）組成的氣體火球。日地間的距離為1.49597892×l08km。從地球上望去，太陽的張角為31°59’，把角度換算成弧度再乘上日地距離，便可得出太陽的直徑為140萬公里（1.392×106km），這是地球直徑的109倍，如圖2—1所示。其體積是地球的130 多萬倍。太陽的質量為1.989×1027t，為地球質量的33萬倍。太陽的平均密度為1．4g/cm

4、3，只有地球的四分之一，比水重近50％。實際上，太陽各處的密度相差懸殊，外層的密度比較小，內部在承受外部巨大壓力的倩況下，密度高達160 g/cm3，正因為如此，日心的引力要比地心的引力大29倍。,2.1太陽簡介,直徑＝139000km,地球=12700km,距離為1.5×108±30% km,太陽,地球,圖1.太陽結構及其與地球距離,太陽主要由兩大部分組成，即太陽內部和太陽大氣。太陽內部分為核心、內部中間層（輻射層

5、）和對流層三個層次。太陽大氣分為光球層、色球層和日冕三個層次。,2.1太陽簡介,1.核心區(qū)——太陽熱能產生的基地太陽的核心區(qū)域半徑是太陽半徑的1/4，約為整個太陽質量的一半以上。太陽核心的溫度極高，達到1500萬℃，壓力也極大，使得由氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻靡园l(fā)生，從而釋放出極大的能量。這些能量再通過輻射層和對流層中物質的傳遞，才得以傳送到達太陽光球的底部，并通過光球向外輻射出去。太陽中心區(qū)的物質密度非常高。每立方厘米可達160克。太陽

6、在自身強大重力吸引下，太陽中心區(qū)處于高密度、高溫和高壓狀態(tài)。是太陽巨大能量的發(fā)祥地。 太陽中心區(qū)產生的能量的傳遞主要靠輻射形式。,2.1太陽簡介,2.輻射區(qū)——太陽能先通過這里傳播出去太陽中心區(qū)之外就是輻射層，輻射層的范圍是從熱核中心區(qū)頂部的0.25個太陽半徑向外到0.71個太陽半徑，這里的溫度、密度和壓力都是從內向外遞減。從體積來說，輻射層占整個太陽體積的絕大部分。3.對流區(qū)——太陽能經過這里向太陽表層傳播。太陽內部能量向外傳播

7、除輻射，還有對流過程。即從太陽0.71個太陽半徑向外到達太陽大氣層的底部，這一區(qū)間叫對流層。這一層氣體性質變化很大，很不穩(wěn)定，形成明顯的上下對流運動。這是太陽內部結構的最外層。,2.1太陽簡介,4.光球太陽光球就是我們平常所看到的太陽圓面，通常所說的太陽半徑也是指光球的半徑。光球層位于對流層之外，屬太陽大氣層中的最低層或最里層。光球的表面是氣態(tài)的，其平均密度只有水的幾億分之一，但由于它的厚度達500千米，所以光球是不透明的。太陽黑子

8、是光球層上的巨大氣流旋渦，大多呈現近橢圓形，在明亮的光球背景反襯下顯得比較暗黑，但實際上它們的溫度高達4000℃左右，太陽黑子的變化存在復雜的周期現象，平均活動周期為11.2年。這種變化反映了太陽輻射能量的變化。,2.1太陽簡介,5.色球緊貼光球以上的一層大氣稱為色球層，平時不易被觀測到，過去這一區(qū)域只是在日全食時才能被看到。色球層厚約8000千米，它的化學組成與光球基本上相同，但色球層內的物質密度和壓力要比光球低得多。光球頂部接近色

9、球處的溫度差不多是4300℃，到了色球頂部溫度竟高達幾萬度，再往上，到了日冕區(qū)溫度陡然升至上百萬度。在色球上人們還能夠看到許多騰起的火焰，這就是天文上所謂的“日珥”。日珥分成寧靜日珥、活動日珥和爆發(fā)日珥。,2.1太陽簡介,6.日冕日冕是太陽大氣的最外層。日冕中的物質也是等離子體，它的密度比色球層更低，而它的溫度反比色球層高，可達上百萬攝氏度。在日全食時在日面周圍看到放射狀的非常明亮的銀白色光芒即是日冕。 日冕的范圍在色球之上，一直延伸

10、到好幾個太陽半徑的地方。日冕還會有向外膨脹運動，并使得冷電離氣體粒子連續(xù)地從太陽向外流出而形成太陽風。,由上述可知，太陽并非是一恒定溫度的黑體，而是有許多層不同波長放射、吸收的輻射體。但是在利用太陽能熱輻射系統(tǒng)中，則將太陽看成是一個溫度為5762K，波長為0.3-3μm的黑色輻射體。,2.1太陽簡介,1.1.2太陽輻射 1.太陽光譜 太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜，見圖2。從圖中可看出，大氣上界太陽

11、光譜能量分布曲線，與用普朗克黑體輻射公式計算出的6000K的黑體光譜能量分布曲線非常相似。因此可以把太陽輻射看作黑體輻射。,圖2.太陽光譜,2.1太陽簡介,2.太陽常數 太陽輻射通過星際空間到達地球表面。當日地距離為平均值，在被照亮的半個地球的大氣上界，垂直于太陽光線，每秒每平方米的面積上，獲得的太陽輻射能量稱為太陽常數，用Rsc(Solar constant)表示，單位為（ W/m2 ）。1981年世界氣象組織推薦的太陽常

12、數值ISG=1367±7（W/m2），通常采用1367W/ m2。,2.1太陽簡介,3.太陽輻射在地球大氣層中的衰減 大氣層中不少氣體分子是輻射吸收性氣體，如氧、二氧化碳等，所以當天空太陽輻射透過地球大氣層是，受到大氣層的強烈衰減，一是受到氧、臭氧、水汽和二氧化碳等的吸收，二是受到大氣層中空氣分子、水汽和塵埃等反射或折射，從而形成慢向輻射。人們把改變了原來輻射方向，又無特定方向的這部分太陽輻射，稱為太陽散射輻射。太陽

13、輻射的部分輻射能將返回宇宙空間，另一部分到達地球表面。直射輻射與散射輻射之和稱為總輻射。,圖3.太陽輻射在 大氣中的減弱,2.1太陽簡介,4.大氣質量： 太陽光線穿過地球大氣層的路程與太陽在天頂位置時光線穿過地球大氣層的路程之比。完全不同于通常所說的“質量”。 規(guī)定：在海平面上，當太陽處于天頂位置時，太陽光線垂直照射所通過的路程為1。大氣質量記為m。大氣層上界的大氣質量m＝0。,2.1太陽簡介,

14、地表海平面上任意一點A點的大氣質量計算式為：,,,圖3.大氣質量,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,2.2.1地球繞太陽的運行規(guī)律地球的自轉：地球繞地軸不斷地自西向東旋轉，其周期為24h。 由于地球的自轉，產生晝夜交替的現象。,圖4.太陽受日射 情況示意圖,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,地球的公轉：由于地球自轉軸與黃道平面法線的夾角為23°27´ ，并且地球的自轉軸在公轉時在空間的方向始終保持不變，

15、使得太陽光線有時直射赤道，有時偏南，有時偏北，從而形成地球上季節(jié)的變化。,圖5.太陽繞日運動,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,2.2.2 幾個重要的天文參數（赤道坐標系）（1）赤緯角δ：地球中心與太陽中心連線與地球赤道平面的夾角。它與所在地區(qū)無關，僅由日期決定,式中：δ-赤緯角 n-為一年中的日期序號,由春分算起的第d天的太陽赤緯，則：,,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,,圖6 .赤道坐標系

16、 圖7. 太陽赤緯年變化,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,（2）時角ω：每小時地球自轉的角度為15°，因此可采用一天中地球自轉的角度來表示時間。用來表示時間的地球自轉的角度稱為時角，并規(guī)定正午時角為零，上午時間取負，下午時角為正。真太陽時H 的規(guī)定：以當地太陽位于正南向的瞬時為正午。時差e: 真太陽時與鐘表指示時間（平太陽時）之間的差值。時差產生的原因：1）太陽與地球之間的距離和相對位置隨時間變化。2）地球赤道平面

17、與黃道平面成一定的夾角23°27´。,2.2.2 幾個重要的天文參數（地平坐標系）（1）天頂角 ：地球表面上某點水平面的法線與太陽光線的夾角。,,為太陽高度角,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,圖8.天頂角,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,（2）太陽高度角,式中， 太陽高度角 為地理緯度 為太陽赤緯 為時角,圖9.太陽高度角,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,（3

18、）太陽方位角γs：太陽至地面上某給定點的連線在水平面上的投影與正南向（當地子午線）的夾角。規(guī)定：偏東為負，偏西為正。,或者：,圖10.太陽方位角,2.2地球繞太陽的運行規(guī)律,（4）日出日沒角及日照時間：太陽視圓面中心出沒地平線的瞬間，稱為日出和日沒。日出和日沒時，太陽高度角 。則由太陽高度角公式可以求出日出和日沒的時角 為,,,,由于地球每小時自轉15°，所以日用時間N可以用日出日沒時角的絕對值除以15°

19、;每小時得到：,,2.3太陽輻射強度計算與測量,2.3.1 太陽輻射強度計算 到達地面的太陽總輻射由兩部分組成：一是太陽以平行光的形式直接投射到地面上的太陽直射輻射；另一個是經過散射后到達地面的散射輻射。 1.到達地面水平面的太陽輻射強度（通量）（1）到達地表的法向太陽直射輻射強度 式中 --日-地距離修正值； --訂正到m=2時的 值,,,2.3太陽輻射強

20、度計算與測量,（2）水平面上的太陽直射輻射強度以及日總量水平面上的太陽直射輻射強度：式中 --水平面上直射輻射通量， ； --垂直于太陽光線表面上的直射輻射強度， ； --太陽高度角，（ ）； --太陽天頂角，（ ）。,,,,,,,,,,2.3太陽輻射強度計算與測量,,,,,,,,,,圖11. 傾斜面上直射

21、 輻射射角的關系圖,圖12. 太陽直射輻射通 量與太陽高度角的關系,2.3太陽輻射強度計算與測量,,,,,,,,,,如果計算日總量，可將上式從日出至日沒的時間t內積分，即可得到水平面直接輻射的日總量 ：,,（3）水平面上的太陽散射輻射強度,,2.3太陽輻射強度計算與測量,,,,,,,,,,,,（4）水平面上的太陽總輻射強度 到達地表水平面的太陽總輻射,,式中 --太陽總輻

22、射量， --水平面上的直射輻射通量， --水平面上的散射輻射通量，,,式中， --斜面上AB上太陽光線的入射角。,2.3太陽輻射強度計算與測量,,,,,,,,,,,,,,2.到達地面任意傾斜面的太陽輻射強度（通量） 任意傾斜面的太陽總輻射強度為太陽直射輻射強度、太陽散射強度和地面反射輻射

23、強度之和。,（1）任意傾斜面太陽直射輻射強度,,,式中， --傾斜面與水平面的夾角 --當地緯度 --太陽赤緯 --時角 --斜面方位角。,,,,,,式中， 為地面反射率，在沒有具體數值的情況下可以取0.2。,2.3太陽輻射強度計算與測量,,,,,,,,,,,,,,,（2）任意傾斜面太陽散射輻射強度,,（3）任意傾斜面獲得的地面反射輻射強度,,2.3太陽輻射強度計算與測量

24、,,,,,,,,,,,,,,2.3.2 太陽輻射的測量,輻射指太陽、地球和大氣輻射的總稱。通常稱太陽輻射為短波輻射，地球和大氣輻射為長波輻射。觀測的物理量主要是輻射能流率，或稱輻射通量密度或輻射強度，標準單位瓦/平方米。氣象上常測定以下幾種輻射量：,（1） 太陽直接輻射，指來自日盤0.5°立體角內與該立體角軸垂直的面的太陽輻射。（2） 天空輻射（或稱太陽散射輻射），指地平面上收到的來自天穹2π立體角向下的大氣等的散射和反射太

25、陽輻射。（3） 太陽總輻射，指地平面接收的太陽直接輻射和散射輻射之和。（4） 反射太陽輻射，指地面反射的太陽總輻射。（5） 地球輻射，指由地球（包括大氣）放射的輻射。（6） 凈輻射，指向下和向上（太陽和地球）輻射之差。,2.3太陽輻射強度計算與測量,,,,,,,,,,,,,,2.太陽輻射測量儀器,（1）直接日射表,圖13.直接日射表,2.3太陽輻射強度計算與測量,（2）天空輻射表（總日射表）,圖14.天空輻射表,2.3太陽輻射強

26、度計算與測量,（3）凈輻射表,圖15.凈輻射表,2.4 太陽能資源分布,太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有關。資源豐度一般以全年總輻射量(單位為kcal/cm2·a或kw/cm2·a)和全年日照總時數表示。,2.4 太陽能資源分布,2.4.1 世界太陽能資源分布,圖16.世界太陽能資源分布,2.4 太陽能資源分布,2.4.2 中國太陽能資源分布,圖17.中國太陽能資源分布,2.4 太陽能資源

27、分布,2.4.2 中國太陽能資源分布,圖18.中國太陽能資源分布,2.4 太陽能資源分布,從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數地區(qū)年平均日輻射量在4kWh/m2.天 以上，西藏最高達7kWh/m2.天。與同緯度的其它國家相比，和美國類似，比歐洲、日本優(yōu)越得多。上述一、二、三類地區(qū)約占全國總面積的2/3以上，年太陽輻射總量高于5000MJ/m2，年日照時數大于2000h，具有利用太陽能的良好條件。特別是一、二類地區(qū)，正是我

28、國人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠的廣大西北地區(qū)，經濟發(fā)展較為落后?？沙浞掷卯數刎S富的太陽能資源，采用太陽光發(fā)電技術，發(fā)展經濟，提高人民生活水平。,2.4 太陽能資源分布,2.5太陽能利用的特點與基本方式,2.5.1 太陽能利用的特點,太陽能的優(yōu)點： （1）普遍性。 （2）容量大。 （3）長久性。 （4）無害性。,太陽能的缺點： （1）分散性（稀薄性）。

29、 （2） 間斷性。 （3）成本高。,2.5太陽能利用的特點與基本方式,2. 太陽能轉換利用方法,光熱利用太陽能發(fā)電光化利用,光生物利用,用于建筑中的太陽能利用方式主要是太陽能低溫光熱利用和太陽能光伏利用兩種。具體形式包括太陽能熱水器、太陽能供熱、太陽能空調、太陽能電池等。,圖19.太陽能轉換利用方法,2.5太陽能利用的特點與基本方式,主動式,被動式,冬季太陽能采暖,一體化太陽能集熱器,強化通風

30、 能量調節(jié),全年熱水,夏季,春季,強化通風,太陽能空調,主動式,被動式,蓄能,顯熱,潛熱,化學能,節(jié)能新技術,一體化建材,薄膜電池,新型太陽能集熱器構件,電力供應,一體化光伏發(fā)電系統(tǒng),并網發(fā)電,獨立照明,自然采光,遮陽隔熱裝置合理開窗,聚光器＋光纖,保證正常的能源需求,其它形式自然,能源和輔助能源,2.5太陽能利用的特點與基本方式,太陽能集熱器： 吸收太陽輻射并將

31、產生的熱能傳遞到傳熱工質的裝置。是太陽能轉換利用、組成各種太陽能熱利用系統(tǒng)的關鍵部件。,平板式太陽能集熱器,全玻璃真空管太陽能集熱器,2.5太陽能利用的特點與基本方式,集熱器參數,太陽能保證率 ：系統(tǒng)中由太陽能提供的熱量除以系統(tǒng)總負荷。,集熱器總面積（㎡）：整個集熱器的最大投影面積，不包括那些固定和連接傳熱工質管道的組成部分。,集熱器傾角：太陽能集熱器與水平面的夾角。,太陽能集熱器效率：在穩(wěn)態(tài)條件下，特定時間間隔內由傳熱工質從一特定的集

32、熱器面積上帶走的能量與同一時間間隔內入射在該集熱器面積上的太陽能輻照量之比。,2.5太陽能利用的特點與基本方式,2.5太陽能利用的特點與基本方式,平板式太陽能集熱器,2.5太陽能利用的特點與基本方式,全玻璃真空管太陽能集熱器,2.5太陽能利用的特點與基本方式,熱管太陽能集熱器,2.5太陽能利用的特點與基本方式,太陽能電池,2.5太陽能利用的特點與基本方式,與建筑結合的太陽能利用技術 與建筑結合的優(yōu)點,建筑的使用功能與太陽能集熱器

33、的利用有機結合在一起，形成多功能的建筑構件 同步規(guī)劃設計，同步施工安裝 ，節(jié)省太陽能系統(tǒng)的安裝成本和建筑成本 綜合使用材料，降低了總造價，減輕建筑荷載 建筑構造合理，太陽能系統(tǒng)和建筑融合為一體 太陽能的利用與建筑相互促進、共同發(fā)展,Thank you!,Beijing University of Techno