太阳能热利用原理与技术（饶政华）

太阳能“取之不尽、用之不竭”，是具有特殊优势和广阔应用前景的新能源。太阳能利用已经成为国际社会的重要主题和共同行动，也是科学研究的热点领域。太阳能热利用技术发展较早，近年来太阳能建筑一体化、太阳能热发电和太阳能制氢等方面的技术突破和新业态发展，引发相关研究和工程应用再度兴起。

随着太阳能等新能源产业的迅速发展，新能源相关专业也开始备受社会的关注和高校的青睐，许多高校都在不断地调整专业培养计划和课程设置，甚至增设此类专业。然而，应认识到开办新能源专业是为了满足国家能源可持续发展的重大需求，为国家可再生能源高效开发和利用提供科技理论创新和先进技术基础，并培养新能源领域复合型、应用型高级专门人才。因此，应坚持以课程教学为载体，注重思想方法的传授，培养学生的专业基本能力和探索未知的创新意识。

根据新能源专业发展和教学改革的需要，贯彻求精、求新、求实，突出重点，避免烦琐的教学理念，本书将各方面的碎片予以整合，力求形成完整的知识体系。本书充分涵盖了太阳能热利用所涉及的能源与动力、光学、材料、化学、建筑等多个学科领域知识，从理论上加以阐述，力求融会贯通。为了进一步完善学生的知识结构，强化学生的工程实践能力，提高学生将来在不同岗位上工作的适应能力，本书在现有教学内容的基础上，对太阳能制冷、太阳能热发电等方面的知识点进行了强化，还增加了光伏/光热复合装置、太阳能热化学等内容，并且突出了太阳能工程设计、经济分析与优化方法的应用。同时，本书还引入了太阳能领域科研成果，丰富了课程内容和学术前沿知识，并注重了对研究方法的讨论与应用。因此，本书既可作为能源类本科专业，特别是新能源科学与工程专业本科学生的教科书，也可作为研究生或能源领域研究和工程技术人员的科研参考书。

本书编写人员均为中南大学可持续能源研究院从事太阳能热利用、能源系统工程和新能源材料等不同研究方向的教师，对各自承担的编写内容均有长期的教学实践和在科研工作中积累的丰富经验。参加本书编写工作的有：廖胜明（第1章）、饶政华（第1、2章，第5～12章）、李玉强（第2～4章）、刘江维（第5章、第8章、第9章）。另有研究生杨雨缘、宋虎潮、谭畅等参与了图表、公式的整理工作。全书由饶政华负责审阅统稿，廖胜明总审定稿。

在本书的编写过程中，作者参阅并引用了国内外近年来发表的相关著作和文献中的一些成果和数据，在此特向各位相关作者致以真挚的谢意！

限于作者的学识水平和能力，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。

廖胜明

于长沙岳麓山

2019年12月

《太阳能热利用原理与技术》全面介绍了太阳能热利用的原理、技术与工程。全书共12章，内容可分为基础知识部分和应用部分。第1章绪论介绍了太阳能热利用的发展现状；第2～4章依次阐述了与太阳能热利用相关的太阳辐射、光学、传热学基础知识；第5章讨论了太阳能集热器的原理与技术；第6～11章分别详细阐述了太阳能热利用的具体应用形式，包括供热水、供暖、制冷和热发电，以及其他主要利用技术（包括工业热过程、海水淡化和热化学）；第12章讲述了太阳能热储存的相关知识。

《太阳能热利用原理与技术》内容丰富、图文并茂，可作为普通高等学校本科新能源科学与工程、能源与动力工程、建筑环境与能源应用工程等专业的课程教材，也适合高等学校能源类相关专业师生阅读参考，还可作为新能源领域研究和工程技术人员的业务参考用书。

《太阳能热利用原理与技术》全面介绍了太阳能热利用的原理、技术与工程。全书共12章，内容可分为基础知识部分和应用部分。第1章绪论介绍了太阳能热利用的发展现状；第2～4章依次阐述了与太阳能热利用相关的太阳辐射、光学、传热学基础知识；第5章讨论了太阳能集热器的原理与技术；第6～11章分别详细阐述了太阳能热利用的具体应用形式，包括供热水、供暖、制冷和热发电，以及其他主要利用技术（包括工业热过程、海水淡化和热化学）；第12章讲述了太阳能热储存的相关知识。

《太阳能热利用原理与技术》内容丰富、图文并茂，可作为普通高等学校本科新能源科学与工程、能源与动力工程、建筑环境与能源应用工程等专业的课程教材，也适合高等学校能源类相关专业师生阅读参考，还可作为新能源领域研究和工程技术人员的业务参考用书。

第1章绪论1

1.1主要背景1

1.1.1全球能源发展概况1

1.1.2我国能源发展的新形势2

1.1.3太阳能利用的特点4

1.1.4太阳能利用的途径6

1.1.5太阳能利用的意义7

1.2太阳能热利用技术进展7

1.2.1太阳能低温热利用关键技术7

1.2.2太阳能中温热利用关键技术8

1.2.3太阳能高温热发电关键技术9

1.2.4太阳能热化学关键技术10

1.3我国太阳能热利用发展状况10

1.3.1我国太阳能资源10

1.3.2太阳能热利用现状11

1.4本书的内容12

习题13

第2章太阳辐射14

2.1太阳14

2.1.1天球坐标14

2.1.2太阳位置方程16

2.1.3太阳常数与太阳光谱17

2.1.4太阳辐射分类19

2.2太阳辐射能的计算20

2.2.1大气层外的太阳辐射21

2.2.2太阳辐射在地球大气层中的衰减21

2.2.3地球表面上的太阳辐射24

2.2.4月平均日太阳辐射总量的计算26

2.2.5已知日辐射总量时估算小时辐射量29

2.3太阳辐射的测量30

2.3.1世界太阳辐射测量标准30

2.3.2太阳辐射测量仪器30

习题32

第3章太阳能工程聚光原理33

3.1物体表面的光辐射性质33

3.1.1物体的辐射性质33

3.1.2物体表面的光辐射性质34

3.2太阳能聚光的基本原理35

3.2.1太阳能聚光方式简介35

3.2.2太阳能聚光设计的主要概念36

3.3反射式聚光设计41

3.3.1槽形抛物面聚光41

3.3.2旋转抛物面聚光44

3.3.3平面阵列反射47

3.4折射式聚光设计50

3.4.1菲涅尔透镜的演化由来50

3.4.2菲涅尔透镜的基本设计公式50

3.4.3太阳能工程用菲涅尔透镜51

习题52

第4章太阳能工程的传热学原理53

4.1导热53

4.1.1导热所遵循的规律53

4.1.2单层平壁导热54

4.1.3多层平壁导热54

4.1.4圆筒壁导热55

4.2对流换热56

4.2.1对流与对流换热的物理基础56

4.2.2对流换热问题的分类58

4.2.3对流换热问题的求解58

4.2.4管内对流换热59

4.2.5单根圆管横向绕流换热61

4.2.6平板夹层有限空间自然对流换热62

4.2.7平板外掠受迫对流换热64

4.2.8堆积床中的对流换热64

4.3辐射换热65

4.3.1热辐射的基本概念65

4.3.2黑体、黑体辐射的基本定律66

4.3.3实际物体的辐射特性70

4.3.4灰体表面间的辐射换热73

4.3.5天空辐射75

4.3.6辐射换热系数76

习题76

第5章太阳能集热器77

5.1概述77

5.2平板集热器77

5.2.1基本构造和工作原理77

5.2.2透明盖板-吸热板系统的性能79

5.2.3集热器热损失系数84

5.2.4平板集热器效率86

5.2.5光谱选择性表面94

5.3真空管集热器99

5.3.1全玻璃真空集热管的能量方程99

5.3.2投射到真空集热管上的入射太阳辐射总能量100

5.3.3单根集热管的热损失系数101

5.3.4集热管的有用能量收益102

5.3.5玻璃真空管集热器的效率方程102

5.4空气集热器103

5.4.1概述103

5.4.2空气集热器的类型104

5.4.3太阳能空气集热器设计与性能分析107

5.5聚光集热器111

5.5.1点聚焦集热的传热分析111

5.5.2线聚焦集热的传热分析112

5.6光伏-光热（PV/T）集热器115

5.6.1概述115

5.6.2PV/T系统分类115

5.6.3PV/T系统的传热分析116

5.7集热器的性能试验118

5.7.1热性能测试118

5.7.2集热器时间常数测试120

5.7.3质量测试120

习题122

第6章太阳能热水系统124

6.1太阳能热水系统分类124

6.2自然循环系统125

6.3直流式系统128

6.4强制循环系统130

6.4.1直接强制循环式系统130

6.4.2间接强制循环式系统131

6.4.3太阳能热水系统的控制133

6.5太阳能热水系统设计135

6.5.1调查用户基本情况135

6.5.2确定系统形式136

6.5.3确定集热器类型138

6.5.4负荷计算139

6.5.5太阳能集热系统设计140

6.5.6辅助热源选型145

6.5.7管网设计146

6.5.8防冻148

习题150

第7章太阳能采暖系统151

7.1概述151

7.2采暖负荷估算152

7.2.1基本概念152

7.2.2采暖负荷计算153

7.3被动式采暖系统154

7.3.1被动式太阳房的基本类型154

7.3.2直接受益式154

7.3.3集热蓄热墙式156

7.3.4附加阳光间式158

7.3.5蓄热屋顶式159

7.4主动式太阳能采暖系统160

7.4.1液体太阳能采暖系统161

7.4.2空气太阳能采暖系统164

7.4.3太阳能热泵系统165

7.4.4控制系统168

习题171

第8章太阳能制冷172

8.1概述172

8.1.1制冷的基本概念及分类172

8.1.2太阳能制冷系统的类型173

8.2太阳能吸收式制冷173

8.2.1吸收式制冷原理174

8.2.2吸收式制冷的性能指标175

8.2.3溴化锂吸收式制冷176

8.2.4氨-水吸收式制冷182

8.2.5太阳能吸收式制冷系统185

8.3太阳能吸附式制冷185

8.3.1太阳能吸附式制冷原理186

8.3.2基本型吸附式制冷循环187

8.3.3连续回热型吸附式制冷循环188

8.4太阳能蒸气喷射式制冷189

8.4.1蒸气喷射式制冷原理189

8.4.2太阳能蒸气喷射式制冷的工作原理190

8.5太阳能除湿式空调191

8.5.1除湿式空调系统的特点191

8.5.2固体干燥剂除湿192

8.5.3液体干燥剂除湿194

8.5.4太阳能除湿式空调系统的工作原理196

8.6太阳能蒸气压缩式制冷197

8.6.1蒸气压缩式制冷循环原理197

8.6.2太阳能热机198

8.6.3太阳能热机驱动蒸气压缩式制冷循环199

习题200

第9章太阳能热发电的热力学基础201

9.1太阳能热发电系统概述201

9.1.1太阳能发电技术类型201

9.1.2太阳能热发电系统能量转换的特点202

9.2热力学基本概念203

9.3能量转换系统的热力学分析方法206

9.3.1概述206

9.3.2热力学定律分析方法——热效率207

9.3.3热力学第二定律分析方法——熵分析法208

9.3.4热力学第二定律分析方法——灿用效率209

9.4太阳能热发电相关的主要热力循环210

9.4.1概述210

9.4.2朗肯循环211

9.4.3有机朗肯循环215

9.4.4布雷顿循环219

9.4.5斯特林循环222

9.4.6联合循环225

9.5太阳能热发电循环的热力学优化分析227

习题228

第10章太阳能热发电系统230

10.1太阳能热发电基本组成230

10.2槽式太阳能热发电系统232

10.2.1系统工作原理232

10.2.2主要装置232

10.2.3典型槽式太阳能热发电站介绍238

10.3塔式太阳能热发电系统242

10.3.1系统工作原理242

10.3.2主要装置244

10.3.3典型塔式太阳能热动力发电站介绍250

10.4碟式太阳能热发电系统254

10.4.1系统工作原理254

10.4.2主要装置255

10.4.3典型碟式太阳能热发电站介绍261

10.5集成式太阳能发电系统263

10.5.1概述263

10.5.2太阳能与燃煤互补发电系统263

10.5.3太阳能与燃气联合的发电系统265

10.5.4利用太阳能重整化石燃料的集成系统266

10.5.5太阳能与地热混合发电系统268

10.6太阳能发电系统设计方法269

10.6.1总体规划269

10.6.2太阳能电站概念设计271

10.7太阳能热发电系统的技术经济分析277

10.7.1技术经济分析的任务与步骤277

10.7.2太阳能热发电工程技术经济分析特点278

10.7.3经济分析方法279

习题281

第11章太阳能工业热过程、海水淡化及化学应用282

11.1太阳能工业热过程282

11.1.1工业热过程特征282

11.1.2空气和水系统284

11.1.3太阳能蒸汽发生系统285

11.2太阳能海水淡化技术287

11.2.1概述287

11.2.2直接集热系统289

11.2.3间接集热系统291

11.3太阳能热化学应用296

11.3.1概述296

11.3.2太阳能热化学过程的热力学分析298

11.3.3太阳能热化学技术应用300

11.3.4太阳能制氢技术前景展望303

习题304

第12章太阳能热储存305

12.1概述305

12.2太阳能热储存分类及技术特点306

12.3显热储存307

12.3.1显热储存原理307

12.3.2液体显热储存308

12.3.3固体显热储存309

12.4潜热储存312

12.4.1潜热储存原理313

12.4.2潜热储存的特点313

12.4.3潜热储热材料的选择314

12.4.4潜热储热材料的应用316

12.5化学储热317

12.5.1可逆化学反应热储存原理318

12.5.2可逆化学反应热储存的特点319

12.5.3可逆热化学反应的选择319

12.6太阳能热储存的经济性321

习题321

参考文献322

《太阳能热利用原理与技术》全面介绍了太阳能热利用的原理、技术与工程。全书共12章，内容可分为基础知识部分和应用部分。第1章绪论介绍了太阳能热利用的发展现状；第2～4章依次阐述了与太阳能热利用相关的太阳辐射、光学、传热学基础知识；第5章讨论了太阳能集热器的原理与技术；第6～11章分别详细阐述了太阳能热利用的具体应用形式，包括供热水、供暖、制冷和热发电，以及其他主要利用技术（包括工业热过程、海水淡化和热化学）；第12章讲述了太阳能热储存的相关知识。

《太阳能热利用原理与技术》内容丰富、图文并茂，可作为普通高等学校本科新能源科学与工程、能源与动力工程、建筑环境与能源应用工程等专业的课程教材，也适合高等学校能源类相关专业师生阅读参考，还可作为新能源领域研究和工程技术人员的业务参考用书。