太阳能热利用.docx

1、太 阳 能 热 利 用岑 幻 霞 编 著清 华 大 学 出 版 社( 京 ) 新 登 字 158 号内 容 提 要本 书 介 绍 了 太 阳 能 热 利 用 基 础 理 论 和 各 种 装 置 的 结 构 、 原 理 与 应 用 技 术 , 内 容 包 括 有 太 阳 辐 射 计 算 、 集 热 器以 及 太 阳 能 热 水 、 干 燥 、 供暖 和 制 冷 等 。 尤 其 在 太 阳 能 干 燥 及 供 暖 方面 , 作 者 总 结 了 自 己 的 研 究 工 作 及 国 内 外 主 要 成 果 , 给 出 理 论 分 析 、 实 例 、 图 表 和 数 据 , 本 书 可 作 为 大 学

2、生 和 研 究 生 选 修 或 参 考 教 材 , 也 可 供 从 事能 源 利 用 研 究 的 科 技 人 员 和有 关 工 农 业 生 产 、 建 筑 设 计 与 施 工 等 单 位的 工 程 技 术 人 员 参 考 。图 书 在 版 编 目 ( CI P) 数 据太 阳 能 热 利 用 / 岑 幻 霞 编 著 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 1996I SBN 7-302-02357-3 . 太 . 岑 . 太 阳 能 -应 用 .T K 519中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 96) 第 22955 号出 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 (

3、 北 京 清 华 大 学 校 内 , 邮 编 100084)印 刷 者 : 北 京 环 球 印 刷 厂发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 科 技 发 行 所开 本 : 787 1092 1/ 16 印 张 : 11. 75 字 数 : 293 千 字版 次 : 1997 年 1 月 第 1 版 1997 年 1 月 第 1 次 印 刷书 号 : ISBN 7-302-02357-3/ T K 23印 数 : 00013000定 价 : 20. 00 元 前 言随 着 人 类 生 产 及 生 活 水 平 的 提 高 , 世 界 能 源 消 费 量 大 幅 度 增 长 。 研 究 表

4、明 , 1965 年 比 1900 年 几 乎 增 长 了 6 倍 , 预 计 2000 年 将 比 1965 年 增 长 4. 5 倍 。 过 去 的 4050 年 , 能 源 消 耗 很 大 部 分 来 自 矿 物 燃 料 。 多 次 的 能 源 危 机 使 人 们 认 识 到 , 矿 物 燃 料 资 源 是 有 限 的 , 世 界 石 油 资 源 只 能 维 持 几 十 年 , 人 们 不 得 不 逐 渐 把 关 注 的 重 点 转 移 到 新 能 源 的 开 发 和 利 用 上 去 。 预 计 下 个 世 纪 内 , 新 能 源 将 在 世 界 能 源 消 费 构 成 中 占 据 越

5、来 越 重 要 的 地 位 。 有 人 把 原 子 能 和 太 阳 能 称 为 21 世 纪 的 能 源 。每 年 到 达 地 球 表 面 的 太 阳 辐 射 能 约 为 目 前 世 界 能 耗 总 和 的 104 倍 , 太 阳 能 是 数 量 巨 大 的 能 源 ; 根 据 目 前 太 阳 辐 射 总 功 率 及 太 阳 上 氢 总 含 量 的 估 算 , 太 阳 能 尚 可 继 续 维 持 1000 亿 年 , 它 是 取 之 不 尽 , 用 之 不 竭 的 能 源 ; 太 阳 能 不 需 要 开 采 及 运 输 , 不 受 任 何 国 家 垄 断 , 是 随 处 可 得 的 廉 价 能

6、 源 ; 它 还 是 清 洁 且 安 全 的 能 源 。 太 阳 能 资 源 的 缺 点 是 到 达 地 球 表 面 的 能 流 密 度 低 ; 受 昼 夜 、 季 节 以 及 晴 阴 云 雨 等 因 素 的 影 响 , 是 间 断 且 不 稳 定 的 。 如 上 所 述 , 如 何 发 扬 太 阳 能 资 源 的 优 点 以 及 克 服 其 应 用 之 不 便 , 是 世 界 各 国 能 源 研 究 开 发 的 焦 点 之 一 。太 阳 辐 射 能 可 通 过 光 电 转 换 为 电 能 , 主 要 用 于 发 电 ; 可 通 过 光 化 学 转 换 为 化 学 能 , 例 如 制 氢 等

7、; 可 通 过 光 热 转 换 为 热 能 , 这 是 目 前 技 术 较 为 成 熟 , 成 本 低 廉 , 因 而 应 用 最 为 广 泛 的 形 式 。 太 阳 能 热 利 用 是 一 门 新 兴 的 综 合 性 学 科 , 70 年 代 以 来 在 理 论 和 技 术 上 均 得 到 迅 速 发 展 , 多 方 面 的 实 际 应 用 显 示 出 可 观 的 社 会 和 经 济 效 益 , 并 且 还 蕴 藏 着 巨 大 的 发 展 潜 力 。 我 国 太 阳 能 热 利 用 事 业 起 步 不 算 晚 , 在 “六 五 ”、 “七 五 ”及 “八 五 ”计 划 期 间 发 展 很 快

8、 , 已 经 取 得 了 一 批 很 有 成 效 的 研 究 成 果 , 其 中 有 的 项 目 已 达 到 国 际 先 进 水 平 ; 建 立 了 不 少 具 有 相 当 规 模 的 专 业 研 究 机 构 ; 几 乎 每 年 均 要 举 行 有 关 太 阳 能 研 究 的 学 术 活 动 ; 出 版 了 一 些 有 关 太 阳 能 的 专 著 、 教 科 书 和 供 工 程 技 术 人 员 使 用 的 设 计 手 册 ; 并 且 许 多 省 市 都 有 了 生 产 太 阳 能 设备 的 工 厂 , 太 阳 能 工 业 方 兴 未 艾 。 本 书 系 统 地 讲 述 了 太 阳 能 热 利

9、用 的 基 础 理 论 及 实 际 应 用 。 内 容 包 括 有 太 阳 辐 射 能 计 算 ,集 热 器 以 及 太 阳 能 热 水 、 干 燥 、 供 暖 和 制 冷 方 面 的 知 识 。 在 书 中 作 者 总 结 了 自 己 多 年 来 在 太 阳 能 热 利 用 方 面 的 教 学 、 科 研 及 设 计 工 作 和 国 内 外 研 究 成 果 , 既 反 映 了 国 内 外 先 进 技 术 , 也结 合 了 我 国 的 国 情 , 以 期 适 应 四 个 现 代 化 建 设 对 开 发 新 能 源 的 探 索 与 实 际 应 用 的 需 要 。本 书 可 作 为 大 学 本 科

10、 生 教 材 , 研 究 生 选 修 或 参 考 教 材 , 也 可 供 从 事 能 源 利 用 研 究 的 科 技 人 员 以 及 有 关 工 农 业 生 产 、 建 筑 设 计 与 施 工 等 单 位 的 工 程 技 术 人 员 参 考 。限 于 编 著 者 的 学 术 水 平 , 书 中 有 错 误 和 不 妥 之 处 , 诚 盼 广 大 读 者 批 评 指 正 。作 者 1996 年 2 月 目 录第 1 章 太 阳 辐 射 11-1 地 球 的 自 转 与 公 转 11-2 太 阳 角 21-3 太 阳 辐 射 强 度 计 算 51-4 月 平 均 太 阳 辐 射 日 总 量 的 计

11、 算 81-5 太 阳 能 集 热 器 倾 角 的 确 定 14第 2 章 太 阳 辐 射 的 透 过 、 吸 收 和 反 射 以 及 光 谱 选 择 性 材 料 162-1 太 阳 辐 射 的 透 过 、 吸 收 和 反 射 162-2 半 透 明 物 体 对 太 阳 辐 射 的 吸 收 、 反 射 和 透 过 162-3 半 透 明 板 的 有 效 透 过 率 、 有 效 吸 收 率 和 有 效 反 射 率 182-4 双 层 半 透 明 体 的 有 效 透 过 率 、 吸 收 率 及 反 射 率 182-5 光 谱 选 择 性 材 料 19第 3 章 平 板 型 集 热 器 213-1

12、平 板 型 集 热 器 的 构 造 213-2 平 板 型 集 热 器 能 量 平 衡 方 程 223-3 平 板 型 集 热 器 的 总 热 损 失 系 数 233-4 平 板 型 集 热 器 的 效 率 因 子 及 热 转 移 因 子 263-5 集 热 器 瞬 时 效 率 及 热 效 率 曲 线 313-6 平 板 型 集 热 器 的 热 容 量 对 性 能 的 影 响 343-7 平 板 型 集 热 器 热 性 能 试 验 363-8 空 气 集 热 器 383-9 真 空 管 集 热 器 393-10 热 管 式 平 板 型 集 热 器 50第 4 章 太 阳 能 热 水 装 置 5

13、14-1 太 阳 热 水 系 统 的 类 型 514-2 自 然 循 环 式 太 阳 热 水 系 统 534-3 强 制 循 环 式 太 阳 热 水 系 统 544-4 直 流 式 太 阳 热 水 系 统 574-5 太 阳 热 水 系 统 设 计 中 应 考 虑 的 问 题 584-6 家 用 太 阳 热 水 器 热 性 能 试 验 60 第 7 章 太 阳 能 制 冷 1727-1 太 阳 能 制 冷 系 统 的 类 型 1727-2 太 阳 能 制 冷 系 统 效 率 的 分 析 1747-3 太 阳 能 吸 收 式 制 冷 系 统 176第 5 章 太 阳 能 干 燥 装 置 625-

14、1 概 述 625-2 太 阳 能 干 燥 器 的 物 料 衡 算 635-3 太 阳 能 干 燥 器 分 类 665-4 干 燥 动 力 学 685-5 物 料 干 燥 特 性 研 究 755-6 太 阳 能 干 燥 过 程 的 动 态 分 析 835-7 提 高 太 阳 能 干 燥 器 热 效 率 的 措 施 985-8 温 室 型 太 阳 能 干 燥 装 置 1055-9 集 热 器 型 太 阳 能 干 燥 系 统 类 型 及 设 计 举 例 1165-10 集 热 器 -温 室 型 太 阳 能 干 燥 系 统 121第 6 章 太 阳 能 采 暖 1266-1 我 国 太 阳 能 资

15、源 情 况 及 利 用 太 阳 能 采 暖 的 可 能 性 1266-2 太 阳 能 采 暖 系 统 1266-3 被 动 式 太 阳 能 供 暖 系 统 的 分 类 1306-4 被 动 式 太 阳 房 性 能 的 评 价 指 标 1346-5 被 动 式 太 阳 房 的 最 佳 朝 向 1366-6 屋 顶 太 阳 能 集 热 方 式 分 析 及 评 价 1426-7 主 动 式 太 阳 能 暖 房 1476-8 太 阳 能 暖 房 设 计 程 序 1516-9 太 阳 能 地 下 建 筑 降 湿 动 态 模 拟 研 究 165参 考 文 献 1801第 1 章 太 阳 辐 射1-1 地

16、球 的 自 转 与 公 转太 阳 与 地 球 之 间 的 平 均 距 离 约 为 1.5 108 km, 在 太 阳 与 地 球 的 中 心 连 线 上 , 地 球 表 面 某 点 至 太 阳 的 张 角 仅 为 32 , 因 此 , 可 近 似 地 将 太 阳 投 射 到 地 球 上 的 光 线 视 为 一 组 平 行 光 束 。地 球 是 个 不 透 明 的 球 体 , 太 阳 光 照 射 过 来 只 能 照 亮 地 球 的 一 半 , 因 此 向 阳 的 半 球 是 白天 , 背 阳 的 半 球 是 黑 夜 。 如 果 地 球 没 有 自 转 , 则 向 阳 的 半 球 始 终 是 白

17、天 , 背 阳 的 半 球 始 终 是 黑 夜 。 由 于 地 球 绕 着 自 己 的 地 轴 不 断 地 自 西 向 东 旋 转 , 使 得 地 球 表 面 上 的 一 个 地 方 , 有 时 是 白 天 , 有 时 是 黑 夜 , 因 而 产 生 了 昼 夜 交 替 的 现 象 。 地 球 自 转 一 次 的 时 间 即 一 昼 夜 , 为 24h ( 小 时 ) 。地 球 是 一 个 球 体 , 太 阳 虽 然 在 同 一 时 间 照 亮 了 半 个 地 球 , 却 只 直 射 了 地 球 表 面 上 的 一 个 点 。 如 果 地 球 绕 太 阳 运 行 的 轨 道 平 面 ( 黄 道

18、 平 面 ) 与 地 球 的 赤 道 面 的 交 角 为 零 , 则 太 阳 将 永 远 直 射 在 赤 道 上 , 虽 有 公 转 也 不 能 有 季 节 的 变 化 。如 图 1-1 所 示 , 地 轴 与 地 球 绕 太 阳 运 行 的 轨 道 平 面 的 法 线 呈 固 定 倾 角 , 其 值 为 2327 。 地 球 绕 太 阳 公 转 , 太 阳 直 射 点 在 地 球 表 面 上 的 位 置 在 北 纬 2327 和 南 纬 2327 之 间 来 回 移 动 , 而 产 生 了 四 季 交 替 的 现 象 。图 1-1 地 轴 与 轨 道 面 相 对 位 置 图 图 1-2 地

19、球 受 日 射 情 况如 图 1-2 所 示 , 我 们 看 一 下 春 、 夏 、 秋 、 冬 季 中 几 个 特 征 日 期 春 分 、 夏 至 、 秋 分 及 冬 至 时 , 地 球 与 太 阳 相 对 位 置 的 变 化 。春 分 和 秋 分 日 , 太 阳 直 射 赤 道 , 中 午 12 时 太 阳 位 于 赤 道 线 的 正 上 空 , 赤 道 地 区 出 现 相 对 比 较 热 的 天 气 , 地 球 两 极 距 太 阳 的 距 离 正 好 相 等 , 两 分 点 意 思 即 昼 夜 平 分 。 除 两 极 外 , 地 球 上 所 有 各 地 正 好 昼 夜 各 12h 。夏

20、至 日 , 阳 光 垂 直 照 射 在 北 纬 2327 地 面 上 , 在 南 极 圈 中 整 天 不 见 太 阳 , 在 北 极 圈 内 则 整 天 太 阳 不 落 。 北 半 球 出 现 相 对 比 较 热 的 天 气 , 而 在 南 半 球 出 现 相 对 比 较 冷 的 天 气 。冬 至 日 , 阳 光 直 射 在 南 纬 2327 的 地 面 上 , 北 极 圈 内 整 天 不 见 阳 光 , 南 极 圈 内 则 整 天 太 阳 不 落 。2地 球 绕 太 阳 逆 时 针 旋 转 , 其 运 行 轨 道 接 近 椭 圆 形 , 由 于 太 阳 所 居 位 置 有 所 偏 心 , 因

21、 此 , 太 阳 与 地 球 之 间 的 距 离 逐 日 在 变 化 。 1 月 1 日 两 者 距 离 最 近 , 约 为 1.47 108 km , 7 月 1 日 两 者 距 离 最 远 , 约 为 1. 53 108 km。 为 什 么 当 地 球 是 近 日 点 时 , 我 国 正 是 冬 季 , 气 温 较 低 ; 而 当 地 球 是 远 日 点 时 , 我 国 正 是 夏 季 , 气 温 较 高 ?原 因 是 : 当 我 国 是 冬 季 时 , 地 球 是 近 日 点 , 可 是 我 国 位 于 北 半 球 , 此 时 , 阳 光 垂 直 照 射 在 南 半 球 上 , 阳 光

22、和 北 半 球 地 平 面 的 夹 角 较 小 , 阳 光 在 一 天 中 照 射 在 北 半 球 上 的 时 间 也 较 短 , 所 以 , 太 阳 总 辐 射 量 较 少 , 气 温 也 较 低 ; 夏 季 情 况 则 相 反 。1-2 太 阳 角地 面 上 某 处 所 接 受 到 的 太 阳 辐 射 能 量 的 大 小 与 太 阳 相 对 于 地 球 的 位 置 有 关 , 为 此 , 采 用 一 系 列 的 太 阳 角 , 对 上 述 位 置 进 行 描 述 。1- 2- 1 赤 纬 角 地 球 中 心 与 太 阳 中 心 的 连 线 与 地 球 赤 道 平 面 的 夹 角 称 为 赤

23、 纬 角 。 由 于 地 轴 的 倾 斜 角 永 远 保 持 不 变 , 致 使 赤 纬 角 随 时 都 在 变 化 。 它 与 所 在 地 区 无 关 , 世 界 上 不 同 地 区 , 只 要 日 期 相同 , 就 具 有 相 同 的 赤 纬 角 。用 下 列 公 式 可 计 算 出 逐 日 的 赤 纬 角 : = 23. 45sin 2 d365或 = 23. 45s in 360 284 + n365( 1-1)( 1-2)式 中 , 一 年 中 第 n 天 或 离 春 分 第 d 天 的 赤 纬 ; d 由 春 分 日 起 算 的 日 期 序 号 ;n 一 年 中 日 期 序 号 。

24、春 分 和 秋 分 日 , = 0, 冬 至 日 , = - 23. 5, 夏 至 日 , = 23. 5。 表 1-1 给 出 了 太 阳 赤 纬 角 与 日 期 的 对 照 。表 1-1 太 阳 赤 纬 角 与 日 期 对 照表 / ( )月日 1 5 9 13 17 21 25 291 - 23. 1 - 22. 7 - 22. 2 - 21. 6 - 20. 9 - 20. 1 - 19. 2 - 18. 22 - 17. 3 - 16. 2 - 14. 9 - 13. 7 - 12. 3 - 10. 9 - 9. 43 - 7. 9 - 6. 4 - 4. 8 - 3. 3 - 1.

25、 7 - 0. 1 + 1. 5 + 3. 04 + 4. 2 + 5. 8 + 7. 3 + 8. 7 + 10. 2 + 11. 6 + 12. 9 + 14. 25 + 14. 8 + 16. 0 + 17. 1 + 18. 2 + 19. 1 + 20. 0 + 20. 8 + 21. 56 + 21. 9 + 22. 5 + 22. 9 + 23. 2 + 23. 4 + 23. 4 + 23. 4 + 23. 37 + 23. 2 + 22. 9 + 22. 5 + 21. 9 + 21. 3 + 20. 6 + 19. 8 + 19. 03B =续 表 / ( )月日 1 5 9

26、 13 17 21 25 298 + 18. 2 + 17. 2 + 16. 1 + 14. 9 + 13. 7 + 12. 4 + 11. 1 + 9. 79 + 8. 6 + 7. 1 + 5. 6 + 4. 1 + 2. 6 + 1. 0 - 0. 5 - 2. 110 - 2. 9 - 4. 4 - 5. 9 - 7. 5 - 8. 9 - 10. 4 - 11. 8 - 13. 211 - 14. 2 - 15. 4 - 16. 6 - 17. 7 - 18. 8 - 19. 7 - 20. 6 - 21. 312 - 21. 7 - 22. 3 - 22. 7 - 23. 1 -

27、23. 3 - 23. 4 - 23. 4 - 23. 31- 2- 2 时 角 地 球 自 转 一 周 为 360, 相 应 的 时 间 为 24h, 每 1h 地 球 自 转 的 角 度 定 义 为 时 角 , 则 = 360/ 24= 15。 正 午 时 角 为 零 , 其 他 时 辰 时 角 的 数 值 等 于 离 正 午 的 时 间 ( h) 乘 以 15。 上 午 时 角 为 负 值 , 下 午 时 角 为 正 值 。 例 如 , 上 午 10 时 和 下 午 2 时 的 时 角 分 别 为 - 30及 + 30。真 太 阳 时 是 以 当 地 太 阳 位 于 正 南 向 的 瞬

28、时 为 正 午 。 由 于 太 阳 与 地 球 之 间 的 距 离 和 相 对 位 置 随 时 间 在 变 化 , 以 及 地 球 赤 道 与 其 绕 太 阳 运 行 的 轨 道 所 处 平 面 的 不 一 致 , 因 而 真 太 阳 时 与 钟 表 指 示 的 时 间 ( 平 均 太 阳 时 ) 之 间 就 会 有 所 差 异 。将 它 们 的 差 值 称 为 时 差 。 真 太 阳 时 H 可 按 下 式 计 算 :H = H s L - L s15 +e 60 ( 1-3)式 中 , H s 该 地 区 标 准 时 间 , 单 位 为 ( h ) 时 ;L , L s 分 别 为 当 地

29、 的 经 度 和 地 区 标 准 时 间 位 置 的 经 度 ; 对 于 东 半 球 , 式 中 “”号 取 正 号 , 对 于 西 半 球 则 取 负 号 ;e 时 差 , 单 位 为 min ( 分 钟 ) ; 其 值 可 参 见 表 1-2, 全 年 各 日 的 时 差 可 用 下 式 近 似 计算 :e = 9. 87s in2B - 7. 53cosB - 1. 5sin B ( 1-4) 36 0( n - 81 )364 1 10hPa( 1-31)( 1-32)13式 中 , H 当 地 海 拔 高 度 , m ;F 当 地 沙 暴 日 数 与 浮 尘 日 数 之 和 。表 1

30、-10 自 然 表 面 对 太 阳辐 射 的 反 射 率 s自 然 表 面 s 自 然 表 面 s水 黑 色 干 土 壤 黑 色 湿 土 壤 灰 色 干 土 壤 灰 色 湿 土 壤蓝 色 干 垆 坶 ( 土 ) 蓝 色 湿 垆 坶 ( 土 ) 黄 砂白 砂 河 沙明 亮 的 细 砂 岩 石雪海 水0. 3- 0. 40. 140. 080. 25- 0. 30. 10- 0. 120. 230. 160. 350. 34- 0. 40. 430. 370- 0. 150. 40- 0. 850. 36- 0. 50密 集 建 筑 群 的 市 区 春 小 麦 冬 小 麦 冬 裸 麦高 禾 本 科

31、 植 物 区 绿 草 地 阳 光 下 的 干 草 地 棉 花稻 田 土 豆 地 橡 树 叶 棕 树 叶 杉 树 叶甜 菜0. 15- 0. 250. 10- 0. 250. 16- 0. 230. 18- 0. 230. 18- 0. 200. 260. 190. 20- 0. 220. 120. 190. 180. 140. 100. 181-4-3 月 平 均 太 阳 散 射 辐 射 日 总 量 计 算利 用 我 国 70 个 日 射 站 二 十 多 年 的 观 测 资 料 , 对 8 个 回 归 数 学 模 型 进 行 比 较 , 最 后 推 荐水 平 面 散 射 辐 射 日 总 量 月

32、 平 均 值 H d H 的 最 佳 计 算 式 为 :H dH = K H g ( a + bCmh + c Cc ) ( 1-33)式 中 , K = 4. 3/ ( 4+ 0. 3( 1- s ) ) ; s 见 表 1-10;Cmh 及 Cc 分 别 为 月 中 的 高 云 量 和 低 云 量 , 可 从 当 地 台 站 气 象 资 料 中 查 得 ; a , b, c 回 归 系 数 , 由 表 1-11 确 定 。表 1 -11 确 定 a , b, c 系 数 的 经 验 公 式经 验 公 式 适 用 范 围a = 0. 229- 0. 000026H H 0b= 0. 334-

33、 0. 0159E n H 0c= - 0. 0586- 0. 000145H H 2000m141-4-4 任 意 倾 斜 平 面 上 的 太 阳 辐 射 日 总 量 月 平 均 值 的 计 算根 据 式 ( 1-20) 将 任 意 倾 斜 平 面 上 的 太 阳 辐 射 日 总 量 月 平 均 值 H 表 示 为 :H = H D + H d + H R ( 1-34)式 中 , H D , H d 及 H R 分 别 代 表 任 意 倾 斜 平 面 上 的 月 平 均 太 阳 直 射 辐 射 、 散 射 辐 射 和 地 面 反 射 辐 射 的 日 总 量 。1.H d 的 确 定2. H

34、 R 的 确 定H d = H d H cos 2 2( 1-35)3.H D 的 确 定H R = G H H 1 - cos 2 2 ( 1-36)H D = RD H D H ( 1-37)式 中 , R D 任 意 倾 斜 平 面 与 水 平 面 上 的 直 射 辐 射 日 总 量 的 比 值 , 任 意 面 向 正 南 的 倾 斜 平 面 , 其 方 位 角 = 0, R D 可 表 示 为 :R D =cos ( - ) cos s in + 180 sin( - ) sin ( 1-38)式 中 , , , 意 义 同 前 ;cos cos sin 0 +180 0s in si

35、n 0 水 平 面 上 的 日 落 时 角 ; 任 意 倾 斜 面 上 的 日 落 时 角 , 可 按 下 式 确 定 : = min 0 , cos- 1 - tan ( - ) t an ( 1-39)上 式 中 min a , b表 示 a , b 中 取 较 小 值 作 为 的 值 。1- 5 太 阳 能 集 热 器 倾 角 的 确 定在 安 装 固 定 式 平 板 型 太 阳 能 集 热 器 时 , 为 了 得 到 最 大 的 年 日 射 量 , 在 正 午 时 必 须 尽 可 能 使 集 热 器 采 光 面 垂 直 于 阳 光 , 如 图 1-7 所 示 。 这 时 ,由 图 1-

36、8 可 看 出 :由 式 ( 1-40) 及 ( 1-41) 可 得 : = z ( 1-40)z = - ( 1-41) = - ( 1-42)已 知 一 年 中 春 分 、 夏 至 、 秋 分 及 冬 至 的 赤 纬 角 分 别 为 0, 23.5, 0及 - 23. 5。 集 热 器 为 全 年 使 用 时 , 可 认 为 全 年 平 均 赤 纬 角 约 为 0, 则 由 式 ( 1-42) 可 知 : = ( 1-43)集 热 器 为 春 分 到 秋 分 间 ( 夏 季 ) 使 用 时 , 可 认 为 该 期 间 内 平 均 赤 纬 角 为 10, 则 由 式 ( 1-42)15图 1

37、 -7 集 热 器 倾 角 与 太 阳天 顶 角 z和 太 阳 高 度 角 h 的 关 系图 1-8 纬 度 、 赤 纬 角 与 太 阳 天 顶 角 z 的 关 系可 知 : = - 10 ( 1-44)集 热 器 为 秋 分 到 冬 至 到 春 分 间 ( 冬 季 、 秋 季 ) 使 用 时 , 可 认 为 该 期 间 内 平 均 赤 纬 角 为 - 10, 则 由 式 ( 1-42) 可 得 : = + 10 ( 1-45)上 述 确 定 集 热 器 倾 角 的 方 法 是 考 虑 正 午 时 尽 可 能 使 集 热 器 采 光 面 垂 直 于 阳 光 。 逐 时 计 算 出 不 同 集

38、热 器 倾 角 下 所 能 收 集 的 太 阳 辐 射 能 量 , 可 得 出 最 佳 倾 角 = 0. 9 的 结 论 。 另 外 , 集 热 器 平 面 的 方 位 角 = 0, 即 集 热 器 面 向 正 南 时 , 一 年 中 可 得 到 最 大 的 太 阳 辐 射 能 量 。图 1-9 表 明 了 集 热 器 倾 斜 角 = 0. 9 时 , 纬 度 与 集 热 器 方 位 角 和 相 对 日 射 量 的 关 系 。 图 1-10 给 出 了 集 热 器 方 位 角 = 0时 , 不 同 集 热 器 倾 斜 角 与 相 对 日 射 量 的 关 系 。图 1-9 集 热器 倾 斜 角

39、= 0. 9 时 , 纬 度 与 集 热 器 方 位 角 和 相 对 日 射 量 的关 系图 中 : : = 4 5; : = 2 2. 5 ; : = 0 图 1-10 集 热 器 方 位 角 = 0时, 不 同 集 热 器 倾 斜角 与 相 对 日 射 量 的 关 系图 中 : : = 0; : = 1. 5 ; : = 1 . 2 ; : = 0. 9 。162 22 2第 2 章 太 阳 辐 射 的 透 过 、 吸 收 和 反 射以 及 光 谱 选 择 性 材 料2-1 太 阳 辐 射 的 透 过 、 吸 收 和 反 射如 图 2-1 所 示 , 当 辐 射 能 量 Q 投 射 到 物

40、 体 表 面 时 , 其 中 一 部 分 Q 在 进 入 表 面 后 被 物 体 吸 收 ; 另 一 部 分 Q 被 物 体 表 面 反 射 ; 其 余 部 分 Q 透 过 物体 。 根 据 能 量 守 恒 原 理 而 有 :Q = Q + Q + Q ( 2-1)或 1 = Q / Q + Q / Q + Q / Q其 中 各 部 分 能 量 百 分 比 Q / Q、 Q / Q 及 Q / Q 分 别 称 为 该 物 体 对 辐 射 能 的 吸 收 率 、 反 射 率 和 透 过 率 , 分 别 用 , 和 表 示 。 这 样 , 上 式 可 改 写 为 + + = 1 ( 2-2)全 透

41、 明 体 = 1; 白 体 = 1; 黑 体 = 1。 这 些 材 料 在 生 活图 2 -1 光 的 透 过 、 吸 收 和 反 射中 极 少 遇 到 , 实 际 常 用 的 工 程 材 料 大 都 为 半 透 明 体 和 不 透 明 体 。 如 玻 璃 等 属 于 半 透 明 体 , 其 反 射 率 、 吸 收 率 和 透 过 率 都 介 于 01 之 间 。 其 它 一 些 材 料 , 如 金 属 、 砖 石 等 等 , 则 属 于 不 透 明 体 , 其 透 过 率 = 0。 则 公 式 ( 2-2) 可 简 化 为 + = 1 ( 2-3)2-2 半 透 明 物 体 对 太 阳 辐

42、射 的 吸 收 、 反 射 和 透 过2-2-1 射 线 在 不 同 介 质 分 界 面 上 的 入 射 、 折 射 及 反 射如 图 2-2 所 示 , AB 为 两 种 不 同 介 质 的 分 界 面 , 当 波 长 为 的 射 线 I 以 入 射 角 i1 投 射 到 分 界 面 时 , 一 部 分 被 反 射 到 原 来 的 介 质 中 , 其 强 度 为 I ; 另 一 部 分 则 透 入 , 其 强 度 为 I 。 根 据 菲 涅 耳 定 律 , 在 介 质 1、 2 的 分 界 面 上 , 界 面 的 一 次 反 射 率 为 : = I 1I = sin ( i2 - i1 )

43、+ t g ( i2 - i1 ) ( 2-4)式 中 , i1 入 射 角 ;i2 折 射 角 。 2 sin ( i2 + i1 ) t g ( i2 + i1 )入 射 角 与 折 射 角 之 间 的 关 系 , 取 决 于 两 种 介 质 的 性 质 , 可 用 下 式 表 示 :sin i2 n1 -5)sin i1 =n2( 2式 中 n1 , n2 是 介 质 1, 2 的 折 射 指 数 。 表 2-1 给 出 了 某 些 介 质 在 可 见 光 区 的 折 射 指 数 。17表 2-1 某 些 介 质 的 折 射 指 数 ( 相 对 太 阳 光 谱 )介 质 折 射 指 数空

44、 气 1.00水 1.33玻 璃 1.526聚 碳 酸 脂 1.59聚 氯 乙 烯 1.45当 射 线 以 法 线 方 向 入 射 时 , i1 = i2 = 0, 应 用 式 ( 2-4) 及 ( 2-5) 联 立 导 出 的 下 式 进 行 计 算 :2n1 - n2 ( 0 ) = n1 + n2( 2-6)式 中 , ( 0) 波 长 为 的 射 线 , 法 向 入 射 时 界 面 的 一 次 反 射 率 。图 2-2 光 的 折 射 与 反 射 图 2-3 半 透 明 介 质 中 光 线 的 吸 收 与 透 过2-2-2 射 线 通 过 半 透 明 介 质 的 吸 收 与 透 射如

45、图 2-3 所 示 , 太 阳 辐 射 通 过 半 透 明 介 质 中 厚 度 为 dx 的 薄 层 后 , 其 辐 射 强 度 减 少 dI ,可 以 认 为 , dI 与 厚 度 dx , 入 射 强 度 I 的 乘 积 成 比 例 , 即 :dI = - K I dx ( 2-7)式 中 , K 半 透 明 介 质 的 消 光 系 数 , 由 物 性 决 定 。 求 解 上 式 得 :I = I 0 exp( - K ) ( 2-8)当 光 线 所 经 过 的 路 线 长 度 为 L 时 , 上 式 写 为 :I = I 0 exp( - K L ) ( 2-9)式 中 , I 经 过

46、半 透 明 薄 层 后 , 波 长 为 的 太 阳 辐 射 强 度 ; I 0 进 入 薄 层 时 , 波 长 为 的 太 阳 辐 射 强 度 ;L 射 线 透 过 薄 层 时 的 路 程 长 度 , 如 图 2-3 所 示 , 它 与 折 射 角 i2 有 关 , 即 L = d / cosi2 ;18 e =d 半 透 明 薄 层 的 厚 度 , mm; K 消 光 系 数 , mm- 1 ; = I = exp ( - K I 0 式 中 为 光 线 在 该 半 透 明 体 中 的 一 次 透 过 率 。 L ) ( 2-10) = 1 - I = 1 - exp( - KI 0 式 中 为 光 线 在 该 半 透 明 体 中 的 一 次 吸 收 率 。 L ) ( 2-11)2-3 半 透 明 板 的 有 效 透 过 率 、 有 效 吸 收 率 和 有 效 反 射 率上 面 求 出 的 透 过 率 称 一 次 透 过 率 , 它 和 利 用 仪 器 实 际 量 出 的 透 过 率 是 不 同 的 。 任 何 一 个 半 透 明 薄 层 都 有 一 定 的 厚 度 , 都 有 两 个 和 空 气 交 界 的 面 。 当 外 界 辐 射 投 射 在 半 透 明 薄 层 上时 , 半 透 明 薄 层 的 两 个 面 以 及 层 的 内 部 将 发 生 复 杂 的 反 射 、 透