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第8章 古法新用——光热转换(2)

控制系统是一般家用太阳能热水器必不可少的一部分,常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位,带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。目前市场上有各种控制的智能化太阳能热水器,具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能,使用户随时随地可以了解、控制太阳能热水器的运行状况。

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虹吸

虹吸是一种流体力学现象,可以不借助泵而抽吸液体。处于较高位置的液体充满一根倒U形的管状结构(称为虹吸管)之后,开口于更低的位置。这种结构下,管子两端的液体压强差能够推动液体越过最高点,向另一端排放。主要是由万有引力让虹吸管作用,2010年5月澳洲昆兰科技大学休斯博士(Dr Stephen Hughes)说:“是由重力让虹吸管内的液体由上端往下端流动,藉较长且朝下的那一端,将较短上端那一边的水往上引出再流到下端。

4. 太阳能暖房/温室

太阳能室内保温技术大概有三种用途,一是用于人们日常生活的保暖,即大家常提到的太阳能暖房;二是用于种植业的太阳能温室;还有就是用于养殖业的太阳能温室。

在许多寒冷地区人们会利用太阳能作冬天采暖之用,这已经是习以为常的事了。因寒带地区冬季气温甚低,室内必须有暖气设备,若要节省化石能源的消耗,利用太阳能是最好的办法。太阳能暖房是利用太阳辐射能量来代替部分常规能源,使室内达到一定环境温度的一种建筑物。太阳能暖房有使用热水系统,也有使用热空气系统的。太阳能暖房系统由太阳能收集器、热存储装置、辅助能源系统及室内暖房风扇系统组成。太阳辐射热经过收集器的工作流体储存,然后向房间供热。

使用热水系统太阳能暖房目前分为被动式和主动式两类。被动式太阳房最早是在法国发展起来的。它主要依靠建筑方位、建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能,使房屋尽可能地吸收和储存热量。如果所获得的太阳能,达到了建筑物采暖、空调所需能量的一半以上,就达到了被动式太阳房的要求。被动式太阳房是根据当地的气象条件,在基本上不设置其他设备的情况下,建造成冬季可有效地吸收和储存太阳热能,而夏天又能防止过多的太阳辐射,并将室内热量散发到室外,从而达到冬暖夏凉效果的房屋。

被动式太阳房

1938年世界上第一幢主动式的太阳房,由美国麻省理工学院于建成。它是一种能够控制的采暖方式,用集热器、贮热装置、管道、风机、水泵等设备,“主动”收集、储存和输配太阳能。由于它具有利用太阳热能,节约能源的优点,它一面世就受到人们的关注。

主动式太阳房

太使用热空气系统的太阳能暖房主要是依靠太阳能墙收集能量。太阳能墙,是一种采用简单结构,利用太阳能取暖的墙体。利用太阳能墙建成的太阳能温室具有良好的节能效应。太阳能墙的朝阳面涂成黑色,以吸收大量太阳能,墙体的上端和下部设有通风孔,墙前有一双层玻璃窗,墙面和玻璃窗之间留有空隙,由黑色墙面吸收太阳能形成暖流,进入玻璃窗和墙面之间的热空气收集器(太阳能储能器)。热空气由墙体上端的通风孔进入房内,冷空气则由下部通风孔补充,这样太阳能墙便把热空气送入暖室。节煤、节电的效益十分可观,是将来人们取暖的理想选择。

用于种植的太阳能温室

作为种植与养殖使用的太阳能温室都是根据温室效应的原理加以建造的。太阳能温室不仅能缩短生长期,对提高繁殖率、降低死亡率都有明显的效果。因此,太阳能温室已成为农、牧、渔业现代化发展的重要技术设备。

按照温室效应的原理,温室内温度升高后所发射的长波辐射能阻挡热量或很少有热量透过玻璃或塑料薄膜散失到外界,温室的热量损失主要是通过对流和导热的热损失。如果人们采取密封、保温等措施,则可减少这部分热损失。

在白天,进入温室的太阳辐射热量往往超过温室通过各种形式向外界散失的热量,这时温室处于升温状态,有时因温度太高,还要人为的放走一部分热量,以适应植物生长的需要。如果室内安装储热装置,这部分多余的热量就可以储存起来了。

在夜间,没有太阳辐射时,温室仍然会向外界散发热量,这时温室处于降温状态,为了减少散热,故夜间要在温室外部加盖保温层。若温室内有储热装置,晚间可以将白天储存的热量释放出来,以确保温室夜间的最低湿度。

应用于养殖甲鱼的太阳能设备

随着技术的发展,人们开始把太阳能暖房、太阳能温室结合起来,是室内供暖一体化。中国北方,太阳能室内供暖还能与沼气利用装置相结合,用它来提高池温,增加产气率。比如由德州华园新能源公司设计承建的东北地区三位一体太阳能温室,就包括了太阳能温室种植——沼气升温——居住采暖等功能,为北方地区冬季生活与生产带来了温暖与便利。

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沼气

沼气,顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到,在沼泽地、污水沟或粪池里,有气泡冒出来,如果我们划着火柴,可把它点燃,这就是自然界天然发生的沼气。沼气,是各种有机物质,在隔绝空气(还原条件),并必适宜的温度、湿度下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。

5. 太阳能空调

太阳能空调是利用先进的超导传热贮能技术,集成了太阳能,生物质能,超导地源制冷系统的优点,最新研发成功的一种高效节能的冷暖空调系统。

新型太阳能复合超导冷暖空调,制热时以太阳能和可再生的生物质燃料为主要能源,是真正绿色的取暖方式。制冷时借助少量的电能利用地源低温,采用超导能量输送系统直接制冷,达到最合理的节能的制冷效果。传统的空气冷却器有着各种顽固的缺点,例如长期消耗大量的能源、能源利用效率低、加速全球气候变暖等。利用太阳光来冷却家庭房间或办公室那是人们多年来美好的夙愿,这样既不会消耗大量难以再生的能源,而且在制冷过程中不会释放太多二氧化碳。

太阳能空调工作原理

太阳能空调系统兼顾供热和制冷两个方面的应用,综合办公搂、招待所、学校、医院、游泳池、水产养殖、家庭等,都是理想的应用对象。冬季乃至全年均需要供热,如生活热水、采暖、游泳池水补热调温等,而夏季又需要冰凉世界,以太阳能热水制冷,就是一座中央空调。当前,世界各国都在加紧进行太阳能空调技术的研究。据调查,已经或正在建立太阳能空调系统的国家和地区有意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、香港等。这是由于发达国家的空调能耗在全年民用能耗中占有相当大的比重,利用太阳能驱动空调系统对节约常规能源、保护自然环境都具有十分重要的意义 。

大型太阳能空调

夏天,太阳能空调采用制冷模式。所谓太阳能制冷,就是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。热媒水的温度越高,则制冷机的性能系数(亦称COP)越高,这样空调系统的制冷效率也越高。例如,若热媒水温度60℃左右,则制冷机COP约0到40;若热媒水温度90℃左右,则制冷机COP约0到70;若热媒水温度120℃左右,则制冷机COP可达110以上。实践证明,采用热管式真空管集热器与溴化锂吸收式制冷机相结合的太阳能空调技术方案是成功的,它为太阳能热利用技术开辟了一个新的应用领域。

当冬季来临,人们需制热时,超导太阳能集热器吸收太阳辐射能,经超导液传递到复合超导能量储存转换器。当储热系统温度达到40℃时,中央控温系统,自动发出取暖指令,让室内冷暖分散系统处于制热状态,经出风口输出热风。当房间温度达到设定温度值时,停止输出热风,房间的温度低于设定值时,出风口又输出热风,如此自动循环达到取暖的目的(各房间的温度设定是独立的,互相不影响)。如遇到连续的阴天,太阳能不足时,生物质热能发生器投入使用,以补充太阳能的不足。

市面上的太阳能空调

一台名为“Schukey”的,能将太阳光转换成冷空气的电机是该系统的核心。制冷过程中,这种电机1度电只需5美分,而相比较而言,传统的空调每度电则需要花费12到14美分。美国Thermodyna 公司老板Volker Bergholter 表示:“该装置没有采用任何电子元件,且几乎没有任何元部件。”他将该装置描述为“简单至极”。它只需要两台负责生产冷空气的发动机结合太阳能电池板。太阳能电池板产生的蒸汽被助推器转换成为机械能,机械能再用来驱动冷却机。冷却机吸收房间中的潮湿的热空气,热空气经过压缩和扩展,被冷却到20摄氏度左右,为房间制冷。

太阳能吸附式制冷机

与传统制冷空调相比,这种设备最大的优势在于,在太阳最烈的时候人们最需要制冷,而太阳光能越多,该设备就更容易搜集到大量能量加以利用。相辅相成的关系能够更好的满足消费者的需求。Thermodyna公司计划能赶在2010年向市场推出第一批太阳能制冷机。

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二氧化碳

二氧化碳是空气中常见的化合物,其分子式为CO?,由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成,常温下是一种无色无味气体,密度比空气略大,能溶于水,并生成碳酸。固态二氧化碳俗称干冰。二氧化碳认为是造成温室效应的主要来源。

媒水

媒水---承载、转运能量的媒介,在空调系统中有冷媒水和热媒水之称(其实是同样的水)。供冷季节制冷机房的冷水机组将所产生的冷量传给冷媒水,并通过它将冷量运送到较远的各种使用场所。反之,在供暖季节同样的媒水流经锅炉、太阳能受热器等能产生热量的设备,将热量传送到上述的各使用场所。

媒水是普通的水,靠媒水泵在密闭的媒水管道系统中循环、运载冷量或热量而基本不会消耗;为了不使长期使用的媒水长菌腐败、变酸腐蚀管道或因水中所含矿物使管道、各类热交换器内结垢影响换热效率,工程人员会根据水质对媒水投加各类的杀菌、中和、镀膜缓蚀等药物,使水质中性,延长设备的使用寿命。

6. 高温太阳炉

太阳炉是利用太阳能的一种加热炉,是用于高温试验的太阳能装置。它由抛物面镜反射器、受热器、支持器、转动机械及调整装置组成。

我国研发的第一代太阳炉

太阳炉作为一种精密的光学仪器,它的工作原理是将成束的太阳光线聚焦在很小的靶上,聚焦在被加热物料上,使物料加热,产生高能量通量和高温。太阳炉通常使用一个精确的抛物柱面反射镜来聚焦太阳光,还包括一个跟踪系统使抛物柱面的轴与入射成束太阳光平行,以便充分接受太阳能。此外,还有控制太阳光的光闸机构,一个接收器和固定靶标的装置。高温太阳炉温度可达3500℃。可在氧化气氛和高温下对试样进行观察,不受电场、磁场和燃料产物的干扰。可用于高温材料的科学研究。

工作中的太阳炉

太阳炉可以用于研究金属氧化物等材料的高温特性或材料的强热冲击特性。许多小型太阳炉是用五呎直径的探照灯反射镜制造的,最大的太阳炉建在法国庇里牛斯山区的澳德炉,它由9,600块弯曲的玻璃反射组成,面积达1,860平方公尺,山坡上排列着63个大型可移动平面镜,太阳幅射经过它的反射到太阳炉。该系统可向要加热的材料输送1千瓦的能量。

法国庇里牛斯山区的澳德炉

我国的科学家一直致力于对高温太阳炉技术的研发。据有关资料显示,2001年,以中国科学院理论物理所陈应天教授主导的研究团队开始利用新型太阳炉对工业硅进行去磷、去硼理念的实验室探索,经过十几年的研究,建立了一整套崭新而可行的使用太阳能提纯硅材料的方法。

新型太阳炉冶炼高纯硅

陈教授的研发使整个高温太阳炉技术迈进了一大步。新型太阳炉的的制作成本是传统太阳炉十分之一,制造出聚光性能可以比美甚至超越传统的太阳炉。这一项目所采用的方法是世界上首次提出用再生能源产生再生能源的方法,具有很强的环保优势和成本优势。硅材料的市场需求空间非常大,这个项目恰好满足和市场与环境的要求。

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第15号化学元素,处于元素周期表的第三周期、第VA族。磷存在与人体所有细胞中,是维持骨骼和牙齿的必要物质,几乎参与所有生理上的化学反应。磷还是使心脏有规律地跳动、维持肾脏正常机能和传达神经刺激的重要物质。没有磷时,烟酸不能被吸收;磷的正常机能需要维生素(维生素食品) D 和钙(钙食品)来维持。

硼(péng),原子序数5,原子量10.811。约公元前200年,古埃及、罗马、巴比伦曾用硼沙制造玻璃和焊接黄金。1808年法国化学家盖·吕萨克和泰纳尔分别用金属钾还原硼酸制得单质硼。

硼在地壳中的含量为0.001%。天然硼有2种同位素:硼10和硼11,其中硼10最重要。硼为黑色或银灰色固体。晶体硼为黑色,熔点约2300°C,沸点3658°C,密度2.34克/立方厘米;,硬度仅次于金刚石,较脆。

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