太阳能热利用技术（邵理堂）

20世纪70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能等可再生能源的热潮。开发利用可再生能源特别是太阳能已成为国际社会的一大主题和共同行动。随着可再生能源利用技术的突破和产业化发展，许多国家已经在战略上将可再生能源作为近中期的重要替代能源和中长期的主体能源。而太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，更具有其特殊的优势和广阔的发展空间。
太阳能是各种可再生能源中重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水力能等都来自太阳能。广义上，太阳能包含以上各种可再生能源。狭义上，则是指太阳能的直接转化和利用。按照太阳能利用途径的不同，太阳能利用技术可分为太阳能热利用、太阳能光伏发电、太阳能光化学利用等几种形式，而太阳能热利用技术发展相对较为成熟。
太阳能热利用技术涉及物理、材料、热工、电子等多个学科领域的知识，如何将这些知识合理地融合到一起，满足本科教学需要且便于学生学习，这是编者需要解决的首要问题；近年来，随着科学技术的发展和国家对能源结构的调整，太阳能利用在我国节能减排事业中发挥着越来越重要的作用，太阳能建筑一体化、太阳能热发电等方面的技术突破和发展，引起相关研究和工程应用的再度兴起，需要将成熟的太阳能热利用新技术、新工艺、新方法纳入教材中，让学生了解本专业技术动态，这是编者要解决的又一问题。本书在内容选取上，从太阳辐射的基本理论、太阳辐射能的转换技术及工艺、太阳能的集热技术、热能的储存技术、太阳能热水系统的性能分析方法和系统集成设计方法到太阳能采暖系统、太阳能制冷、太阳能热动力发电、太阳能海水发电等其他太阳能热利用系统介绍，基本上涵盖了目前太阳能热利用领域的主要技术和方法；在内容安排上，兼顾基础和工程应用两个方面，既注重太阳能热利用的基本理论和基本知识，又反映出利用基本知识分析实际问题并进行系统集成设计的方法，同时力争将的工程技术和方法吸收到教材中来，取材力求做到深浅适度，并能与相关课程相互衔接，以避免不必要的交叉重复；在结构上，分为理论、技术和应用三个模块，各模块之间既相互联系又相对独立，有利于按需施教，理论知识模块论述力求简洁，技术和应用模块重视知识的应用、融合与贯通。学生通过本课程的学习，能有效提升其解决工程实际问题的能力和创新能力。
本书共分9章，第1章至第2章为太阳能热利用的基础理论，主要介绍太阳辐射的特点、相关计算方法以及太阳能热利用中各选择性涂层材料及其制备方法；第3章至第5章为太阳能集热技术，主要介绍平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器、聚光太阳能集热器的原理及性能；第6章为太阳能的热储存，主要介绍太阳能的热储存方法；第7、第8章为太阳能热利用工程的内容，主要介绍太阳能热水系统的技术要求、性能分析及设计方法；第9章简要介绍了太阳能采暖系统、太阳能制冷、太阳能热动力发电、太阳能海水淡化等其他太阳能热利用系统。
本书由江苏海洋大学新能源科学与工程系邵理堂教授主持编写。参与本书编写的有：孟春站（第1章、第6章、第9.1节）、刘学东（第2章、第9.2节）、邵理堂（第3、4、7、8章、第9.3节）、陶涛（第5章、第9.4节），由邵理堂统稿及定稿。
本书承蒙东南大学能源与环境学院陈振乾教授、江苏大学能源与动力工程学院王助良教授、南京理工大学能源与动力工程学院张后雷副教授、重庆大学能源与动力工程学院李隆键教授、江苏海洋大学理学院李明教授仔细审阅，提出了许多宝贵的修改意见，特此致谢。在本书编写过程中，参阅并引用了大量国内外出版和发表的相关著作、文献，在此，对这些著作和文献的作者一并表示衷心感谢。
限于编者水平，书中难免有疏漏和不妥之处，诚恳欢迎读者批评指正。

编著者
2021年7月

本书全面介绍了太阳能热利用的原理、技术与工程。全书共9章，第1章作为太阳能利用的基础主要介绍了太阳辐射的相关计算方法；第2章主要介绍了选择性吸收涂层的原理及制备方法；第3～5章详细介绍了太阳能热利用的原理和技术，包括平板型集热技术、真空管集热技术、聚光集热技术；第6章介绍了太阳能的热储存；第7、第8章全面介绍了太阳能热水系统的性能分析及设计方法；第9章简要介绍了其他太阳能热利用系统，包括太阳能采暖系统、太阳能制冷、太阳能热动力发电、太阳能海水淡化。
本书内容丰富，体系完整，可作为普通高等学校新能源科学与工程专业及能源动力类专业的教材或教学参考书，也可供其他专业和有关科技工作者选用及参考。

无

第1章太阳辐射1
1.1太阳和太阳能1
1.1.1太阳1
1.1.2太阳光谱2
1.1.3太阳常数4
1.1.4太阳能利用的特点4
1.2与太阳辐射有关的角度的计算5
1.2.1相关角度的定义5
1.2.2角度之间的关系和有关公式8
1.2.3跟踪太阳时太阳入射角的计算10
1.3太阳辐射的计算10
1.3.1与太阳辐射有关的名词和符号10
1.3.2大气层外水平面上太阳辐射的计算11
1.3.3大气层对太阳辐射的影响11
1.3.4标准晴天水平面上太阳辐照量的计算16
1.3.5水平面与倾斜面上辐照量的比较17
1.3.6太阳能资源的评估19
习题19

第2章太阳光谱选择性吸收涂层21
2.1概述21
2.2太阳光谱选择性吸收涂层原理21
2.2.1太阳光谱选择性吸收表面材料能带理论基础23
2.2.2光谱选择性吸收涂层26
2.3光谱选择性吸收涂层的制备方法28
2.3.1涂层制备方法28
2.3.2溅射沉积技术的基本原理30
2.3.3光谱选择性吸收涂层采用的溅射沉积技术30
2.4太阳光谱选择性吸收涂层及制品的性能测评37
2.4.1选择性吸收膜系发射率测量技术37
2.4.2太阳吸收比测量技术39
习题40

第3章平板型太阳能集热器42
3.1概述42
3.2平板型集热器的组成43
3.2.1平板型集热器的结构43
3.2.2平板型集热器的主要部件43
3.3平板型集热器吸收的太阳辐射47
3.3.1基本能量平衡方程47
3.3.2集热板吸收的太阳辐射能48
3.4平板型集热器的热损失53
3.4.1顶部热损失53
3.4.2底部和侧面热损失57
3.5平板型集热器的性能分析58
3.5.1集热器的效率因子F′58
3.5.2集热器的热迁移因子FR和流动因子F″62
3.5.3集热板的平均温度64
3.5.4平板型集热器的热效率65
3.5.5热容对集热器性能的影响68
3.6太阳能空气集热器69
3.6.1非渗透型空气集热器69
3.6.2渗透型空气集热器69
3.6.3空气集热器的热性能分析71
3.7新型平板型太阳能集热器74
3.7.1热管平板型太阳能集热器74
3.7.2大尺寸平板型太阳能集热器75
3.7.3光伏-光热（PV/T）集热器75
习题76

第4章真空管太阳能集热器78
4.1概述78
4.2全玻璃真空管集热器78
4.2.1全玻璃真空集热管的结构78
4.2.2全玻璃真空集热管的热性能分析81
4.2.3全玻璃真空集热管的性能测试84
4.2.4全玻璃真空集热管的改进形式86
4.3金属吸热体真空管集热器88
4.3.1热管式真空管集热器88
4.3.2其他形式金属吸热体真空管集热器93
习题95

第5章聚光太阳能集热器97
5.1概述97
5.2聚光太阳能集热器的基本理论100
5.2.1太阳成像原理100
5.2.2聚光太阳能集热器的评价101
5.3聚光太阳能集热器的性能108
5.3.1聚光比对集热温度的影响108
5.3.2聚光太阳能集热器的热效率109
5.3.3聚光太阳能集热器的光学性能109
5.3.4聚光太阳能集热器的热性能111
5.4几种典型聚光太阳能集热器114
5.4.1复合抛物面聚光集热器114
5.4.2点聚焦聚光集热器119
5.4.3线聚焦聚光集热器125
习题130

第6章太阳能的热储存132
6.1概述132
6.2太阳能热储存的分类132
6.2.1蓄能技术的类型132
6.2.2太阳能热储存的分类133
6.2.3太阳能热储存的一般要求134
6.3显热储存135
6.3.1显热储存的一般原理135
6.3.2显热储存的常用材料136
6.3.3显热储存的缺点136
6.3.4液体显热储存136
6.3.5固体显热储存137
6.4潜热储存140
6.4.1潜热储存的一般原理140
6.4.2潜热储存的特点140
6.4.3常用相变材料142
6.5化学储热147
6.5.1可供选择的化学反应及其分类147
6.5.2可逆化学反应储热的主要优缺点149
6.6中高温蓄热材料150
6.6.1中高温蓄热材料的热力学性质评价150
6.6.2常见的中高温蓄热材料151
6.7太阳能热储存的经济性分析155
习题156

第7章太阳能热水系统157
7.1太阳能热水系统的分类157
7.2太阳能热水系统的性能分析159
7.2.1自然循环系统159
7.2.2强制循环系统163
7.2.3直流式太阳能热水系统166
7.3太阳能热水系统的技术要求168
7.3.1系统形式168
7.3.2系统性能170
7.4太阳能热水系统的节能效益分析172
7.4.1太阳能热水系统节能效益预评估172
7.4.2太阳能热水系统节能效益的长期监测176
习题176

第8章太阳能热水系统设计178
8.1概述178
8.2热水系统负荷计算179
8.2.1热水量179
8.2.2设计小时耗热量和设计小时热水量179
8.3太阳能集热系统设计180
8.3.1系统选型180
8.3.2太阳能集热面积的确定185
8.3.3太阳能集热器的定位188
8.3.4集热器的布局与连接190
8.4贮水箱的设计193
8.4.1贮水箱的分类193
8.4.2贮水箱容量的确定193
8.4.3贮水箱的开孔194
8.4.4间接式系统换热器选型195
8.5辅助热源196
8.5.1辅助热源设计要求196
8.5.2辅助加热量计算197
8.6管网设计198
8.6.1集热系统流量198
8.6.2管网的水力计算199
8.6.3水泵的选型200
8.6.4管材和附件201
8.6.5集热系统管路设计要求203
8.7保温203
8.8系统控制204
8.8.1运行控制205
8.8.2安全控制205
习题209

第9章其他太阳能热利用系统211
9.1太阳能采暖系统211
9.1.1太阳能采暖的分类211
9.1.2采暖负荷计算212
9.1.3空气太阳能采暖系统213
9.1.4太阳能地板辐射采暖系统214
9.1.5太阳能热泵采暖系统216
9.2太阳能制冷221
9.2.1太阳能吸收式制冷221
9.2.2太阳能吸附式制冷223
9.2.3太阳能除湿制冷225
9.2.4太阳能制冷在储粮中的应用227
9.3太阳能热动力发电227
9.3.1太阳能热动力发电系统的组成228
9.3.2槽式太阳能热发电231
9.3.3塔式太阳能热发电234
9.3.4碟式太阳能热发电238
9.4太阳能海水淡化240
9.4.1传统海水淡化方法概述241
9.4.2太阳能海水淡化装置的分类243
9.4.3被动式太阳能蒸馏系统244
9.4.4主动式太阳能蒸馏系统247
9.4.5增湿除湿型太阳能淡化装置253
9.4.6与常规装置相结合的太阳能海水淡化系统255
习题256

附录258

参考文献267