1、学生毕业设计（论文）题 目 浅谈太阳能利用技术 学 院 光伏工程学院 专 业 光伏材料加工与应用技术 班 级 08 级光伏 9 班 姓 名 明 怡 才 学 号 2085110905 指导教师 曹 志 伟 完成日期 2010 年 10 月 5 日 浅谈太阳能的利用技术摘要： 本文介绍了我国目前太阳能建筑的现实状况，分析了其中的节能潜力，并介绍了太阳能建筑节能的相关内容和实现技术，探讨太阳能建筑节能的可持续发展道路。1、各种参数对空温的影响 .2、节能住宅设计原则 .1.1.1.2.3、几个推荐的节能住宅方案 .2.1.2.2.2.3.4、节能住宅方案设计原则 .3.1.3.2.3.3.5 太阳能
2、半导体制冷的工作原理和基本结构 .6 结论 .7 致谢 .8 参考文献 .1. 关键词： 太阳能 建筑 热量，制冷技术随着改革开放和经济发展，我国太阳能建筑的面积日趋增大，建筑节能是近年来世界建筑发展的一个基本趋向，也是当代建筑科学技术的一个新的生长点。抓住机遇，不失时机地推进建筑节能，有利于国民经济持续、快速、健康发展，保护生态环境，实现国家发展的第二步和第三步战略目标，并引导我国建筑业与建筑技术随同世界大潮流迅速前进，太阳能建筑的节能具有很好的前景，大有可为。我国地域宽广，房屋建筑规模巨大，约有一半建筑位于北方“三北”地区，由于气候原因，每年约有 4 6 个月的采暖期，该地区规定设置集中采
3、暖系统，以往习惯称之为集中采暖地区。中部地区（冬冷夏热地区），即长江流域地区，虽然冬季平均气温高于 0，但相对湿度较高，冬季湿冷，而夏季又酷热。该地区属于中国经济发达地区，包括长江上游在内，涉及 18 个省、自治区、直辖市，总面积 180 万 k 平方米，人口近 4 亿。年工农业总产值占全国 40，人均产值及人均收入均高于全国平均水平。以往由于经济上的原因，该地区一般城镇住宅围护结构无保温措施，也不设置采暖设施，因此冬夏季室内热环境条件相当差。南方属于亚热带气候，夏季气候炎热，降温则是主要解决的问题。与发达国家相比，集中采暖地区城镇住宅围护结构保温、气密性较差，供热系统效率较低，单位面积的采暖
4、能耗要高得多。我国已成为世界上建房最多的国家，近年来每年全国建成城镇住宅 2 亿平方米以上，随着人民生活的不断改善，人们对于建筑热环境的舒适性要求愈趋迫切，中部地区冬季采暖势在必行，各地“空调热”也日渐高涨。所以，如何尽量利用太阳能、合理建筑设计，对北方集中采暖地区可以减少采暖、空调能耗；而对于中部及南部地区，改善室内热环境条件，达到低水平的室内舒适参数，已成为一个重要的课题。我国从 80 年代起，对城镇多层住宅应用被动太阳能进行采暖及降温技术已有研究，先后在石家庄、滩纺及杭州等处建成了试点建筑，较好的改善了室内热环境条件。当时的技术路线是由热工外算开始，进而建造示范建筑以验证效果。国外从 7
5、0 年代初期起，投入了相当的力量进行计算机软件的开发工作，应用动态模拟计算，进行建筑热工参数计算分析，进而可以预测室内环境参数，获得应用被动太阳能的最佳建筑设计方案，同时也建设示范建筑以验证软件的可信性。这类从合理建筑及热工设计着手，在增加有限的建设投资下，尽量利用被动太阳能来达到低水平的室内冬夏热环境条件的住宅，这里称为“节能住宅”。一、各种参数对空温的影响为了进行参数研究，首先确定了一个基础方案，即对条状住宅建筑模型，取其南向主立面外窗的窗墙比为 30.3，单层窗，外墙与屋面传热系数均为 0.83w （*平方米），换气次数为 1.1 次 h，不考虑内部蓄热量。在进行参数分析时，固定其他参数
6、，仅变化一个参数来分析对室温的影响。内部蓄热量蓄热量会影响室温，特别是对最高室温有影响。冬季，内部蓄热量会使月最高温度降低，而使月最低温度升高，至于月平均温度，则略有升高。显然，内部蓄热量可以改善冬季室内热环境条件。对夏季来说，蓄热量同样也降低了月最高温度及升高了月最低温度，而月平均温度则无多大影响。当建筑模型中一个住户内蓄热量相当于 100 平方米、200mm 厚混凝土墙时，可使八月份住宅最高温度下降 3c 左右，可使一月份住宅最低温度升高 2.8，这将对室内热环境有较大的改善。换气次数可以预见，增加换气次数会使冬季室内热环境变差，但能改善夏季室内热环境。对夏季来说，换气次数由 1.1 次
7、h 增加到 10 次 h，可使八月份月最高温度降低 4.4、月平均温度下降 4.8，月最低温度下降 7.8C.显然，冬季换气次数越低越好，如果园护结构、门窗密闭性好，换气次数可以降低到 1.5 次h，此时与 1.1 次 h 相比，室温可提高 23C.增强夜间通风降低夏季室温的一个措施是增强夜间通风，计算了三种方案，一是全天以 1. 1 次h 换气，第二种方案全天以 10 次hh 换气，第三种方案则采取白天（早 6 一晚 2l 时）1.1 次 h换气，夜间（晚 21 一晨 6 时）加强通风至 10 次 h.计算结果表明，对于内部蓄热量较大时，第三方案与第一方案相比，月最高温度下降 3.7C，月平
8、均温度下降 5.2，而月最低温度下降达 7.7。可见增强夜间通风对改善夏季室内热环境是十分奏效的。南窗面积窗户开启面积既与热损失量有关，也与通过窗户玻璃进入室内的太阳得热量有关。太阳辐射得热量与窗户朝向有密切的关系，相比之下热损失与朝向的关系就不那么密切了。这里分析南向窗户面积对室温的影响。计算三种不同的窗墙比，它们分别是 9.3、30.3及60.5。冬季工况计算表明，窗墙比由 19.3增大至 60.5后，一月份最高温度升高 3.6，平均温度升高 2.7，而最低温度提高 2.5的夏季来说，月最高温度、月平均温度及月最低温度分别要提高 1.6、0.9及 0.4。由此可见，南向窗墙比大且具有较大内
9、部蓄热量时，可以改善冬季室内热环境条件；至于夏季，南向窗户面积增大会提高一点室温，使室内热环境条件略为变差点。主立面朝向主立面朝向不仅对冬季有影响，而且对夏季也有影响。主立面朝东及朝西时室温相同，与主立面朝南及朝北相比，室内热环境条件都要来得差。对于冬季来说，主立面朝南为最佳。水平遮阳板伸出长度夏季除了采用加大通风量来降低室温外，另一条途径是在窗户上方设置遮阳板，以减少太阳入射量。计算了不同伸出长度（水平方向）一月及八月份室温情况。由计算可以得出，水平遮阳板对夏季有明显改善室内热环境的作用，但遗憾的是，同时也使冬季室内热环境变差。夏季时，水平遮阳板的伸出长度由 0，0.4，0.9 及 1.5m
10、 变化时月平均温度可分别降低 1.0，2.0 及 2.2，但冬季却也相应降低了月平均温度 0.2，0.7 及 2.2。窗户的层数增加窗户层数将减少热损失，但也在一定程度上减少了太阳得热量。采用单层宙及双层宙作计算比较，发现双层窗对冬季室温略有改善（一月份平均室温增加 0.9），但同样使夏季室温略有变差（八月份平均室温升高 0.7）。外墙、屋面外表面颜色外墙、屋面外表面涂成白色会有助于降低夏季室温。进行二种方案比较计算，一种采用吸收率为 o. 8 的深色外表面，另一种吸收率为浅色外表面。计算结果表明，浅色表面可使夏季室内热环境得到明显改善，但同时也使冬季情况变差。在二方案中外墙及屋面传热系数均采
11、取 0.83w 平方米，八月份平均室温可降低 2，但一月份平均室温也降低了 1.3。外墙与屋面保温越好，这种影响将越小。外墙与屋面热工设计采用三种方案进行比较计算，第一方案为外墙与屋面的传热系数及均为 0.83w （。m），第二方案外墙 K0.83w（。m ），屋面 K0.28w（。m），第三方案外墙与屋面 K 值均为 0.28w（。平方米）。由计算可以看出，屋面保温对降低夏季顶层室温的影响尤其大，第二方案与第一方案相比，八月份月最高温度下降 7，平均温度下降 0.4，但月最低温度上升了 6。从冬季情况看，保温改善有利于室温提高，第三方案与第一方案相比，一月份平均室温升高 1.1，5 最低温度
12、升高了 2.4，但月最高温度有所下降 （5）。顶层天花板表面温度受屋面保温影响甚大，对于屋面有很好保温的场合 K0.28w （ 。m3 ），在年最热日下午 14时，天花板内表面温度仅只比室温高 0.5，但 K0.83w（。m ）的屋面来说，要高出 3.8。如果采用外墙及0.74w （。m），屋面 X0.63w （。m ），并具有较大的内部莆热量，应用双层窗，加强夜间通风（晚 21 时至凌晨 6 时，换气次数为 10 次h），此时最热日下午 14 时室温为 37.2，天花板内表面温度只有 33.6，室内热环境可以得到明显的改善。二、节能住宅设计原则根据以上参数研究，提出如下设计原则 1. 冬季换
13、气次数应该尽可能低，而夏季则尽可能高。2. 如果具有较大的内部蓄热量，对夏季来说，较好的方案是白天（早 6 时至晚 2l 时）维持较低的换气次数，面夜间（晚 2l 时至晨 6 时）宜加强通风增加换气次数。3. 内部蓄热量对冬、夏季来说均能减少室温的波动幅度，即降低最高温度，升高最低温度，但对平均温度影响甚小，总的来说，内部首热量能改善室内热环境。4. 采用水平遮阳板来降低夏季室温并不是好的措施，因为它同时较冬季室内效环境变差，除非遮阳板在冬季时可以移开。5. 尽管外墙、屋面外表面涂以浅色可以降低夏季室温，但同时也降低了冬季室温，因面不推荐这种做法。6. 采取南立面大比例的窗墙比，并设计成具有较
14、大内部蓄热量境，对夏季稍为不利。7. 主立面窗户朝南为最佳，朝东及朝西效果最差。8. 窗户、外墙及屋面保温能改善冬季室内热环境，特别是屋面保温可以明显地改善夏季室内热环境。三、几个推荐的节能住宅方案被动太阳能（房）节能住宅方案参数研究优化计算了北京地区应用被动太阳能采暖的可能性，即研究了是否可能在不设置采暖设备时月平均室温达到 16。计算结果表明是可能的，其建筑设计参数1. 南立面宙墙比 60.5。2. 具有较大内部蓄热量，相当于户（建筑面积 73.1 平方米）具有 200mm 厚混凝土墙体的苦热量3. 双层窗。4. 外墙与屋面的传热系数 K0.28w （。平方米）。5. 冬季换气次数 0.5
15、 次/h，夏季早 6 一晚 21 时换气次数 1.1 次/h ，晚 21 次/h.四、节能住宅方案设计原则由参数研究的结果提出如下设计原则 1. 冬季换气次数宜低（v0.8 次h），夏季换气次数宜高（v20 次 h）（借助于打开宙户利用自然穿堂风）。2. 从防止出现结露危险性观点来看，冬季换气次数至少保持 0.8 次 h.3. 增加内部蓄热量可使室内温度被动减弱，使夏季及冬季的最高温度下降，使最低温度升高，不过，内部蓄热量对平均温度的影响甚微。总之，内部蓄热量可以使室内热环境条件得到改善。4. 与较小的南向窗户相比，加大南向窗户面积，并配以相对较高的内部蓄热量，可以较好的改善冬季室内热环境条件
16、。这种做法只是稍微使夏季室内热环境条件变差。5. 选择建筑南向主立面为最佳，而主立面东向或西向为最差。6. 南向窗户上部的水平遮阳板对改善夏季室内环境的作用不明显，除非在冬季时可以移开。7. 为了避免冬季卧室及起居室出现结露，在安排厨房、浴室、厕所位置时要注意与主要使用房间的隔断，并合理利用穿堂风，最好设置机械排风装置。太阳能建筑的节能具有很好的前景，大有可为。但是在其发展阶段，资金投入是一个主要的障碍。太阳能建筑的长远发展必须符合市场经济的规律。简单来说就是要作到“分担投入、共享收益”。所谓“分担投入” 就是要从多个渠道解决太阳能建筑节能所需要的前期投入。比如建筑业主承担主要部分，专业化的节
17、能改造公司承担一部分，政府支持的低息银行贷款一部分，这样可以促进太阳能建筑节能工作的全面开展。五 太阳能半导体制冷的工作原理和基本结构 半导体制冷是利用热电制冷效应的一种制冷 方式，因此又称为热电制冷或温差电制冷。半导体制冷器的基本元件是热电偶对，即把一个 p 型半导体元件和一只 n 型半导体元件连成的热电偶。 当直流电源接通，上面接头的电流方向是 n-p，温度降低，并且吸热，形成冷端；下面接头的电流方向是 p-n，温度上升，并且放热，形成热端。把若干对热电偶连接起来就构成了常用的热电堆，借助各种传热器件，使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，产生低温，
18、这就是半导体制冷的工作原理。太阳能半导体制冷系统就是利用半导体的热电制冷效应，由太阳能电池直接供给所需的直流电，达到制冷制热的效果。 太阳能半导体制冷系统由太阳能光电转换器、数控匹配器、储能设备和半导体制冷装置 4 部分组成。太阳能光电转换器输出直流电，一部分直接供给半导体制冷装置，另一部分进入储能设备储存，以供阴天或晚上使用，以便系统可以全天候正常运行。 太阳能光电转换器可以选择晶体硅太阳能电池或纳米晶体太阳能电池，按照制冷装置容量选择太阳能电池的型号。晴天时，太阳能光电转换器把照射在它表面上的太阳辐射能转换成电能，供整个系统使用。 数控匹配器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态。同时对
19、储能设备的过充、过放进行控制。 储能设备一般使用蓄电池，它把光电转换器输出的一部分或全部能量储存起来，以备太阳能光电转换器没有输出的时候使用，从而使太阳能半导体制冷系统达到全天候的运行。 2 太阳能半导体制冷的关键问题 太阳能制冷系统最大的不足是制冷效率较低，同时成本也较高。这严重影响了太阳能制冷系统的推广和应用。若提高和改善太阳能制冷系统的性能，要从下列几个关键问题入手 （1）改善半导体制冷材料的性能 太阳能半导体制冷系统的核心在于半导体制冷材料，半导体制冷系统效率较低的主要原因在于半导体制冷材料热电转换效率不高。 最终决定热电材料性能优劣的是优值系数 Z 其中：半导体制冷元件的塞贝克系数；
20、 R制冷元件的电阻； Kt制冷元件的热导率。 优值系数 Z 和温度 T 的乘积 ZT，是评价材料 性能的常用参数。就半导体制冷而言，如果其制冷性能要达到能和机械制冷相媲美，无量纲参数 ZT， 要达到 3 以上。目前各国普遍使用的半导体材料远达不到这种水平。室温下最常用的热电材料（Bi-Sb-Te-Se 系列固溶体）的 ZT 值大约为 1。因此，如何改进材料的性能，寻找更为理想的材料，成为了太阳能半导体制冷的重要问题。 （2）系统的能量优化 太阳能半导体制冷系统自身存在着能量损失，如何减少这些损失，保证系统稳定可靠地运行是十分重要的问题。光电转换效率和制冷效率是衡量能量损失的主要指标。光电效率越高，在相同的功率输出情况下，所需的太阳能电池的面积越小，这有利于太阳能半导
