太阳能技术应用

摘要：对于人类而言，太阳是非常重要的一颗恒星，为人类提供光和热。太阳高温、高压，蕴藏着巨大的能量，不断地通过光线向宇宙放射，太阳能是人类重要的无污染新型能源。

关键词：太阳能；技术； 应用

Abstract: For humans, the sun is very important to a star, to provide mankind with light and heat. The sun was high temperature, high pressure, bears tremendous amounts of energy by light to the cosmic radiation; solar energy is an important human new non-polluting energy.Key words: solar energy; technology; application

中图分类号：TK51文献标识码A文章编号：

贯彻《可再生能源法》，按照《节能规划》要求，充分利用太阳能和浅层地热等可再生能源，通过先进、使用的科学技术手段，将其应用到现代建筑，实现建筑节能达到65%的国家标准，以推动可再生能源综合利用技术在西宁地区乃至整个青海省的应用和发展。本文通过工程实例，阐述太阳能技术的应用效益。

本工程为青海省西宁市商业住房帝景花苑住宅小区内雅惠苑小高层住宅群太阳能热水系统工程，由10幢18层小高层住宅组成，本次太阳能热水系统覆盖总建筑面积为117000。本项目采用集中式太阳能热水系统，利用建筑群特有的建筑风格，实现太阳能热水器与建筑的一体化，太阳能集热效率不低于60%，太阳能保证率不低于70%。

一、太阳能能源优缺点：

（1）、普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无需开采和运输。

（2）、无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵。

（3）、巨大：每年达到地球表面的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

（4）、长久：根据目前太阳产生的核能速率计算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

（5）、分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但相对分散。

（6）、不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好的解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜天或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。

二、太阳能热水系统优点：

（1）、环保效益：相对于使用化石燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体―二氧化碳的产生。

（2）、节省能源：太阳能是属于每个人的能源，只要有场地与设备，任何人都可免费使用它。

（3）、安全：不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能

（4）、不占空间：不需专人操作自动运转。另外，太阳能热水系统装在屋顶，不会占用任何室内空间。

（5）、具经济效益：正常的太阳能热水器是不易损坏，寿命至少在十年以上，甚至有到二十年的，因为基本热源为免费得太阳能，所以使用它时分符合经济成本效益。

三、太阳能系统方案的设计概述

（一）项目设计方案本着充分利用太阳能资源，减少运行费用、节能环保的设计理念和基本准则，结合本工程项目设计状况。本设计将采用集中集热、分户采热的方式为雅惠苑小区提供热水供应，并辅以壁挂锅炉辅助加热，通过强制循环加热的方式使太阳能利用最大化。

（二）该太阳能项目位于青海省西宁市城北区生物园区的帝景花苑・雅惠苑小区，拟实施太阳能热水系统的楼栋为10栋。每栋楼分两个单元，每层一梯三户及每层一梯四户两种。每户设计安装一台80L的承压换热水箱，太阳能集热器选用真空管式集热器，安装在屋顶。

（三）青海省西宁地区的太阳辐射资源

青海西宁地区不同斜面上的太阳辐照量是不同的，且随月份（季节）变化而变化。对于全年使用的太阳能热水系统，太阳能辐照量一般按年平均值设计计算。对于横插管式太阳能集热器，既可以采取单排安装的方式，也可以对集热器进行串并联后组成一个斜面上的大型矩阵，这样做的好处是可以充分利用安装场地。

（四）太阳能集热器摆放倾角的确定：根据国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005的相关规定，全年使用的竖插管式太阳能集热器的安装倾角宜取与当地纬度相等。对于全年使用的横插管式太阳能集热器的安装倾角，可根据安装场地的纬度和集热器产品的具体参数选择较小的安装倾角。具体选取的依据为：冬至日太阳高度角情况下，不出现东西向放置的真空管间的遮挡。

本工程中TP58*1800-50SH型集热器的真空管直径为58mm，吸收体直径为47mm，管与管的中心间距为65mm，该项目位于北纬36°35′左右，冬至日的太阳高度角约为58°。该型号产品在青海地区安装时，在满足冬至日不出现真空管间遮挡条件的情况下，允许的最小安装倾角为5°～10°左右。因此查表1，取太阳集热器水平面年平均日照量15.636MJ/・d作为设计值。

（五）全玻璃真空管集热器的热效率

全玻璃真空管集热器系统类型为敞口系统。太阳能为低温热源系统，设计计算出水温度为55℃（可直接用于洗浴的热水温度）。在此设计温度范围内，太阳能系统具有较高集热效率，

1、冷水温度确定：根据我国的多个给水相关规范规定，地下水温一般为10～15℃，地面水温一般为4℃左右。本项目中，太阳能全年使用，取冷水温度为10℃。

2、太阳能集热面积确定：

TP58*1800-50S全玻璃真空管集热器的热性能检测报告中，由《国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）》给出的集热器瞬时效率曲线方程(基于采光面积、进口温度)为：

真空管集热器的热效率随tm（太阳集热器进出口平均温度）与ta（环境温度）的温差与太阳辐照度的比值（tm- ta）/G的变化而变化。也就是说，要求的产热水温度越低，环境温度越高，真空管的热效率就越高；反之，则越低。

西宁地区的年平均室外温度为：6.2℃，取年平均温度作为计算依据，即ta=6.2℃。取集热器采光面上日射辐照度G=850W/，西宁地区，冷水温度取10℃，热水温度取55℃，则ti = (55℃+10℃) =32.5℃，由此可计算出西宁地区水平坐标的数值x =( 32.5℃－6.2℃)/850 W/=0.031 K/ W。

则太阳能集热器基于采光面积年均效率为:当水平坐标数值x =0.031 K/ W时, η=0.54。

3、太阳能集热面积的计算

间接系统的集热面积计算公式如下：

经过计算，各楼栋所需集热如下表

三、技术经济分析

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且以商业化的一项应用产品。

1、工程项目投资概算

本项目太阳能热水系统部分的总投资概算约为583.72万元。

2、可再生能源建筑应用部分增量成本概算（包括计算基准）

太阳能光热建筑应用一体化技术总投资为5837200元，如果每户安装一个80L的电热水器，按照市场价格为2180元/台，则总投资为2275920元，则本项目的增量成本为3561280元。

建筑名称 示范面积 投资概算 增量成本

帝景花苑・雅惠苑 117000 5837200元 49元/

3、效益分析

1）、太阳能系统产热量计算以17号楼计算（一单元18层一梯四户共计72户+二单元一梯四户11层44户）。

系统每天的总供热水量为：每户一个80L的储热水箱的热水，共计116户，另加楼顶2个500L的缓冲水箱的热水，共计热水量为10280L。总耗煤量为1.18×106KJ,计算如下：

Q=CpmT=4.187×10280L×（55－10）= 1.94×106KJ

式中：Q―该热水系统运行需要的能量（KJ）；

Cp―水的定压热容（Cp=4.187kJ/Kg・℃）

T―水的温升（即热水温度与基础水温之差）

M―水的质量（Kg）

太阳能保证率为70%，则太阳能系统的产热量：

1.94×106KJ×70%=1.36×106KJ

则本小区10幢楼太阳能系统总产热量约为Q =13.6×106KJ

2）、其他能源及设备的参数

标准煤的当量热值为29298 kJ/Kg燃煤锅炉的效率为78%

电的当量热值：3600KJ/KWH电锅炉的效率为97%

计算中应考虑能源费用的自然增长因素，以15年为一个周期，按每年5%增常率取平均值，取值为电：0.60元/ KWH

3）、太阳能系统所节约标准煤的量

每年产生的能量折合为标准煤的量：13.6×106KJ/（29298×78%）=595KG

15年所节省的标准煤的量=595Kg×365天×15年=3257625Kg≈3257吨

4）、太阳能系统所节约的耗电量

每天产生能量折合为耗电量：13.6×106KJ/（3600×97%）=3895KWH

15年所节省的耗电量=3895KWH×365天×15年=21325125KWH

15年所节省的电费=21325125KWH×0.60元/ KWH=12795075元≈1279万元

5）、项目费效比

费效比就是投入费用和产出效益的比值。

费效比=增量成本/所应用技术在寿命内常规能源代替量。

6）、本工程太阳能光热建筑应用一体化技术总投资为5837200元，如果每户安装一个80L的电热水器，按照市场价格为2180元/台，则总投资为2275920元，则本项目的增量成本为3561280元。预计投资的可再生能源设备使用年限内（太阳能使用年限为15年）可节省用于生活热水的总电量安好城市电价0.6元/KWH计算，考虑银行利息，常规能源涨价等因素，15年使用时间折合人民币save=319.169万元。

7）、太阳能系统节能收益

每年的节能量乘以每年的常规能源价格减去当年的维护费用，即为每年的节能收益，每年的维护费用为增投资的1%

据Cs=QsaveCc-Cm

可得Cc=817392元≈82万元，即每年的节能收益约为82万元。

4、节能预测分析

太阳能热水、采暖系统最重要的特点是充分利用太阳能，节约常规能源的消耗。因此对太阳能热水、采暖系统进行节能效益分析非常重要，节能效益分析是评价太阳能热水、采暖系统的一个方面，也是系统方案选择的重要依据。

相对于热水、采暖系统在寿命期内消费的特点是初投资大而运行费用低，初期投资大是因为太阳能热水、采暖系统是在常规热水、采暖系统的基础上增加了太阳能集热系统因此增加初投资；运行费用低，则是因为充分利用太阳能提供生活热水、采暖而减少了常规能源的消耗。

太阳能热水、采暖系统的节能效益分析评定指标包括：太阳能热水、采暖系统的年节能量；太阳能热水、采暖系统的节能费用――简单年节能费用和在寿命期内的总节能费用。以及太阳能热水系统的环保效益――二氧化碳减排量等。

5、 环境影响分析

燃煤烟尘排放量计算：

燃煤SO2排放量计算：

SO2排放量=2×0.8×耗煤量（吨）×煤中的含硫量（1.5%）

=2×0.8×3257吨×1.5%=78.17吨

燃煤NOX排放量计算：

NOX排放量=1.63×耗煤量（吨）×（燃煤中氮的含量（1.5%）×燃煤中氮的NOX转化率（25%））。

=1.63×3257吨×1.5%×25%=19.9吨

总结：则本小区10幢楼的太阳能热水系统15年可节约：减少粉尘排放：32.57吨；减少SO2排放：78.17吨；减少NOX排放19.9吨。

以上数据表明，太阳能能源应用的效益不论从社会效益、节能效益、环保效益，还是居住成本数据都是可观的。

五、太阳能技术的节能减排

对于人类而言，太阳是非常重要的一颗恒星，为人类提供光和热。太阳高温、高压，蕴藏着巨大的能量，不断地通过光线向宇宙放射，太阳能是人类重要的无污染新型能源。当太阳光线到达地球时，一部分被大气吸收，绝大部分可以直接照射到地球表面。地球的自转、公转、气候条件和大气层成分等因素，都对地球上接受到的太阳能产生影响，也就是说，在地球不同的地区受到的光照不同的。中国所处的位置是地球上太阳能最丰富的地区之一。

作为世界上最大的发展中国家，我国的节能减排工作根伟艰巨，与我国的快速发展息息相关。卫生热水能耗占我国民用建筑能耗比重的20―30%，因此生活热水的节能是我国研究节能减排的重要课题。目前，太阳能热水系统的节能效益明显，已逐渐为社会所接受。高层建筑是我国民用住宅建筑的发展方向，解决高层建筑的太阳能热水解决方案，是太阳能光热应用的必要课题，必将对太阳能的推广应用起到引领与示范作用。

人类利用太阳能有多种方式，包括光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化。其中我们常用的是太阳能光热转化和太阳能光电转化，利用太阳能的光热转化来生产人们的日常热用水，利用太阳能的观点转化来储存电能，用于日常照明、工艺生产。

结论：

太阳能是极具潜力的洁净新能源，与煤、石油及核能相比，它具有独特的优点：一是没有使用矿物燃料或核燃料时所产生的有害废渣和气体，不污染环境；二是没有地域和资源的限制，有阳光的地方就可以利用，使用方便且安全；三是能源没有限制，属于可再生能源；五是太阳能是初投资大，后期运行费用较低，与其他能源相比更具有经济效益。因此，太阳能的研究和应用是今后人类能源发展的主要方向之一。