复合太阳能

复合太阳能（精选七篇）

复合太阳能 篇1

太阳能由于清洁无污染、取之不尽且总量巨大, 是一种很好的可再生能源。目前商用的光伏电池组件的光电转换效率通常只有6%到15%, 其余的大部分转化成热能, 一部分散失到环境中去, 另一部分则导致电池温度升高、发电效率降低。为提高太阳能综合利用效率、降低发电系统的成本、解决光伏电池的冷却问题, 国内外学者[1,2]提出了太阳能光伏/光热综合利用 (PV/T) 的思想, 即在光伏组件的背面铺设流道, 通过流体带走耗散热能, 并对这部分热能加以收集利用, 大大提高了太阳能的综合利用率。近年来聚光太阳能光电-光热综合利用复合 (CPV/T) 系统的研究逐渐受到重视[3]。

2 热管式CPV/T系统的理论研究

热管式CPV/T系统的核心组成部件是热管式CPV/T“组件”。每一个组件由12个热管式CPV/T“单元”组成, 每个单元通过通有冷却水的水管串联在一起。太阳光通过菲涅尔透镜聚光后投射在两个聚光太阳能电池上。电池通过导热贴粘接在冷却块上, 冷却块的分别紧密装配在热管的两端 (即热管的蒸发段) 。热管的中间段 (冷凝段) 穿过通有循环冷却水的水管。一部分太阳能被电池转化为电能, 其它无法转化的“废热”会通过聚光太阳能电池传递给冷却块, 在由冷却块传递给热管的蒸发段, 通过热管将“废热”释放给热管外部循环的冷却水。为了减少热损失, 在冷却块、热管、水管的外表面包裹有绝热材料。

2.1热管式CPV/T单元的性能描述

光热复合单元安装在双轴太阳能跟踪器上, 投射在光热复合单元上的总能量可用式表示:

ηopt为菲涅尔透镜的光学效率;f是跟踪系统的跟踪误差;为某一时刻太阳直射辐照DNI的强度。

热管式CPV/T单元的发电功率可表示为:

ηopt为聚光太阳能电池的效率。

因此, 光热复合单元的发电效率可表示为:

由于热对流, 热辐射原因, 通过电池基板上表面会产生热损失, 应用热平衡定律, 通过热管式CPV/T单元的热功率可表示为:

因此, “单元”的热效率可表示为:

3 热管式CPV/T系统的全天性能分析

我们以受光面积为18.75m2、聚光比为1000、冷却水的流量为4.8L/min, 水箱中冷却水总体积为1500L的热管式CPV/T系统为研究对象, 对该系统的全天 (夏至日8:00到17:00) 性能进行数值模拟仿真。该热管式CPV/T系统在良好天气条件下运行一天, 能够产生1500L热水和约为22k W·h的电能。该系统的发电效率全天维持在26%到28%, 热效率维持在45.5%到46.5%。系统的综合效率能达到72%。

4 热管式CPV/T系统的成本分析

以一个受光面积为18.15m2的热管式CPV/T系统为例, 该系统的建造成本约为$10000。若某地区年均直射辐照能量为1300k W·h/ (m2/a) , 中国光伏发电的“上网电价”约为0.16$/k W·h, 热水的价格约为4.8$/t, 全年的收益约为$1200。系统的回收期随系统的聚光比的增加而缩短。聚光比为800或者1000的热管式CPV/T系统回收期在10年以内。

5 结语

本文建立了一种热管式CPV/T系统的数学模型, 基于该数学模型, 分析了该系统在良好天气条件下一天的性能变化。该系统的发电效率全天维持在26%到28%, 热效率维持在45.5%到46.5%。系统的综合效率能达到72%。该系统的回收期限与传统的PV/T系统差距不大。但如果借鉴Huang对传统PV/T系统的评价方法来评价该热管式CPV/T系统的性能, 该系统的综合效率可达113%, 大大高于传统的PV/T系统 (约为60%) 和太阳能热水器 (低于50%) 。

参考文献

[1]吴双应, 张巧玲, 肖兰, 等.采用热管冷却技术的太阳能光伏电-热一体化系统性能分析.中国电机工程学报.2011 (32) :137-144.

[2]Gang P, Huide F, et al.A numerical and experimental study on a heat pipe PV/T system.Solar Energy.2011, 85 (5) :911-921.

超日太阳:未来三年复合增长34% 篇2

令人意外的是，虽然公司主营业务是太阳能组件这样的热门行业，业绩表现相当不错，并有着一个非常霸气的名字，但超日太阳的知名度并不高。

根据《投资者报》8月的统计，以百度搜索页面数对A股公司进行排名，超日太阳这个名字只有78.4万个相关页面。在信息爆炸的网络时代，与万科公司上亿个搜索页面相比，超日太阳的网络知名度显然相形见绌。

公司之所以曝光度不够高，既与其上市时间短有关，也与其业务规模有关。这家位于上海的光伏企业2010年11月18日才登陆深圳中小板，业务规模也远不及光伏领域赫赫有名的天威保变、天威英利，也不及邻近的无锡尚德。

但若从细分行业地位和业绩增长态势看，低调的超日太阳尽显黑马风范。

超日太阳主要生产各种型号、规格的单晶硅、多晶硅太阳能组件和太阳能灯具。公司的核心优势是形成了“多晶硅锭——多晶硅片——晶体硅太阳能电池片——晶体硅太阳能电池组件”的晶体硅太阳能电池产业链。

一体化的产业链使公司能够获得切片、电池片制造等上游环节更高的利润率，同时能够节省硅片、晶体硅太阳能电池片等中间产品的流传成本。

另一个突出优势在于，超日太阳是最早获得德国TUV认证和国际IEC认证的国内晶体硅太阳能电池组件制造商之一，并获得美国UL认证，到目前为止仍是业内少数几个同时获得这三大认证的公司之一。

这直接奠定了超日太阳在国内晶体硅太阳能电池组件行业的领先地位，也意味着其产品可在国际市场自由销售。这也是公司的销售优势所在，目前生产的硅太阳能组件95%以上出口，畅销欧美。

数据显示，公司2010年境外市场实现收入达24.43亿元，同比增长97.44%。截至当年末，公司的组件行销全球13个国家，涵盖了主要的光伏应用国。

正是得益于这样的生产优势和销售网络，公司2011上半年营收和净利分别同比大增。事实上，公司近年营业收入持续上升，上市前的2007至2009年，公司营业收入年均复合增长率达到35.07%，營业利润的复合增长率达到46.24%，净利润的复合增长率到43.34%。

复合太阳能 篇3

1 光伏电池面积比对实际发电功率的影响

我们经过实验观测后, 通过整理分析得到复合系统发电功率曲线图1。从图1 中可以看出当不管是光伏发电还是热气流发电, 其发电量都和该部分所占面积正相关。而随着光伏电池占总面积百分比的不断增加, 总发电量先是呈下降趋势随后又升高, 存在一个发电效率最低的点。

太阳能光伏热气流复合发电系统中集热棚的面积和光伏电池的面积是影响系统性能的重要因素。研究结果中太阳能热气流发电量与集热棚面积几乎成线性关系, 而光伏电池的发电量和光伏电池面积, 在光伏电池所占的面积比例超过67%后不再是单纯的线性关系, 这也是为何总发电量在光伏电池所占百分比增加后又进一步增加。

2 光伏电池面积对理论发电效率的影响

从图2 中可以看出在光伏电池面积不断增加的情况下, 发电效率反而降低。这是因为光伏电池在当前的技术水平下, 转换效率仍然较低。

程序中关于发电效率的计算, 是假定太阳能集热棚所能接受的辐射量一定, 实际发电量降低率比理论发电效率降低率更小, 这主要是因为相同面积情况下太阳能光伏电池比太阳能集热棚所能接受的辐射量大得多。

3 光伏电池面积比对有效压差的影响

图3 给出了光伏电池所占面积比例不断增加时有效压差不断下降, 有效压差下降的主要原因是因为随着光伏电池所占面积比例不断增加, 有效集热棚面积越来越小, 这也是太阳能热气流发电部分发电功率不断下降的原因。

4 光伏电池面积比对出口密度, 出口速度, 出口流量的影响

从图4、5、6 中可以看出当集热棚面积随着光伏电池面积比增加而减少时, 出口密度几乎没有变化, 而出口速度大幅度下降。由出口密度和出口速度共同决定了出口质量流量减少。出口质量流量减少导致的透平转速降低是热气流电站发电功率下降的直接原因。

5 光伏电池面积比对出口温差的影响

从图7 中可以看出当光伏电池面积比例上升时出口温差出现了下降, 出口温差下降幅度巨大, 只有纯太阳能热气流电站时出口温差的28%。

6 光伏电池面积比对集热棚效率的影响

由图8 中可以看出随着有效集热棚面积的降低, 其效率在极其缓慢的增加, 几乎可以忽略不计。在集热棚面积减少了84.2%的情况下, 其效率只上升了4.3%。因此太阳能热气流发电功率在集热棚面积减少时呈下降趋势。

7 结论

集热棚有效面积是影响复合系统性能的重要因素, 实验模拟证明了这一点。通过研究发现最重要的参数, 即系统总发电功率, 在光伏电池面积比逐渐上升时, 先出现下降趋势再出现上升趋势, 但最终发电功率仍然不能超过普通的太阳能热气流电站。光伏部分发电功率在光伏电池面积超过67.36%后不再呈现线性关系, 是复合系统总发电功率发生反弹的重要原因。而太阳能热气流电站部分的各项参数中, 集热棚有效面积对出口密度和集热棚自身效率的影响很小, 对出口速度的影响很大。出口速度随着集热棚面积的减少而大幅度减少是出口流量减小和烟囱内透平功率下降的重要因素。

参考文献

[1]周新平, 杨家宽, 肖波.太阳能烟囱发电试验装置内流场的CFD模拟研究[J].热力发电, 2006, (3) :23-26.

[2]张楚华.大型太阳能烟囱发电站热力分析与计算[J].可再生能源, 2007, (7) :3-4.

复合太阳能 篇4

1.1室内外空气计算参数

松潘地处四川省北部, 属于严寒地区, 冬季需采暖天数为167天 (当年10月24日—次年4月8日) , 全年采暖度日数 (HDD18) 为4218℃·d, 在采暖期间, 室外平均温度为-0.1℃, 建筑各个面 (屋顶、南墙、北墙、东墙、西墙) 的太阳总辐射平均强度分别为136W/m2、132 W/m2、41 W/m2、71 W/m2、70 W/m2。

1.1.2室外空气计算参数

采暖室外计算温度应采用历年平均不保证5天的日平均温度, 冬季通风室外计算温度应采用累年最冷月平均温度。松潘地区冬季采暖室外计算干球温度为-7.2℃, 冬季通风室外计算干球温度为-6.1℃。

1.1.3室内空气计算参数

各类公共建筑的大厅一般冬季采暖室内空气温度采用16~18℃, 而火车站候车厅主要由候车区、检票区、通道等组成, 人员大多处于静坐或站立状态, 活动强度较低, 属极轻劳动, 选取16℃作为该火车站候车厅室内空气设计温度。

1.1.4设计新风量

候车厅的新风量设为20m3/ (h·人) 。

1.2土壤温度

采暖期土壤温度取最冷3个月各月平均土壤温度的平均值。因此松潘地区采暖期土壤温度取为-0.77℃。

1.3冬季日照百分率

日照百分率即实际日照时间与可能日照时间 (全天无云时应有的日照时数) 之比。冬季日照百分率应采用累年最冷3个月各月平均日照百分率的平均值。松潘地区最冷3个月分别为12月、1月、2月, 这三个月的平均日照百分率分别为55%、51%、46%, 因此, 松潘地区冬季日照百分率取为50.7%

2采暖负荷计算

对于民用建筑, 冬季热负荷包括两项:围护结构的耗热量和由门窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量。其中围护结构的耗热量是围护结构的温差传热量、加热由于外门短时间开启而侵入的冷空气耗热量和一部分太阳辐射热量的代数和。

2.1围护结构的耗热量

围护结构的耗热量按照基本耗热量和附加耗热量两部分计算。

2.1.1基本耗热量

围护结构的基本耗热量计算公式

式中Qj——j部分围护结构的基本耗热量, W;

Aj——j部分围护结构的表面积, m2;

Kj——j部分围护结构的传热系数, W/ (m2·℃) ;

t——冬季室内计算温度, ℃;

to——采暖室外计算温度, ℃, , 根据上文取-7.2℃, 地面传热取土壤温度-0.77℃;

a;——围护结构的温差修正系数, 根据规范[1], 候车厅南北外墙、屋顶、地面、门窗的温差修正系数为1.0;东西墙底部内墙部分与采暖房间接触, 通过该墙的传热量远低于候车厅负荷的10%, 不予考虑;东西墙顶部与室外大气相通, 温差修正系数取为1.0;

2.1.2附加耗热量

(1) 朝向修正率

朝向修正率的选取应考虑当地冬季日照绿及太阳辐射强度的大小。根据前文, 松潘地区冬季日照百分率为50.7%。因此垂直外围护结构的朝向修正选取如下:

东、西朝向修正取为-5%;

南向修正取为-20%;

北向修正取为5%;

(2) 风力附加率

黄胜关站地处开阔的郊外, 周围无其它建筑物遮挡, 容易受到自然风的影响, 垂直外围护结构热负荷附加7.5%。

(3) 外门附加率

黄胜关站候车厅属于公共建筑, 外门附加率取500%。

(4) 高度附加率

当民用建筑的房间净高超过4m时, 每增加1m, 附加率提高为2%, 但最大附加率不超过15%。黄胜关站候车厅高9.0m, 高度附加率取10%

2.2门窗缝隙渗入冷空气的耗热量

门窗缝隙渗入冷空气耗热量的计算公式

式中Qi——为加热门窗缝隙渗入冷空气的耗热量, W;

L——渗透冷空气量, m3/h, 黄胜关站候车厅空间高大, 南北两面均有外窗和外门, 室外空气主要通过候车厅底部门窗渗入, 顶部空气流动性较差, 根据此处渗透冷空气量按照整个房间的换气次数为0.5取值;

主被动太阳能采暖分析

本文基于黄胜关站候车厅分别采用被动式太阳能采暖方式和主被动合用的太阳能采暖方式对太阳能采暖的潜力进行分析。

主被动合用的太阳能采暖建筑

主被动合用的太阳能建筑, 是在只采用被动式太阳能建筑的基础上加入独立的太阳能空气集热系统, 从而实现主被动方式合用的太阳能建筑。

1.设计方案:

采用无盖板太阳能新风集热系统与有盖板太阳能回风循环加热系统相结合的采暖方式。该系统主要由三部分组成: (1) 集热部分:无盖板太阳能新风集热系统抽吸室外新风并进行加热, 为候车厅提供新鲜空气补充;而有盖板太阳能回风循环加热系统不断对室内空气进行循环加热, 提供房间所需热负荷; (2) 蓄热部分:集热系统多余的热量主要靠嵌于地面的岩石堆积床, 该岩石堆积床主要分为两部分, 靠近南墙的部分直接接受南向直接太阳光进行蓄热, 而靠近北墙的地面岩石堆积床主要接受来自有盖板太阳能空气集热系统的多余热量, 通过专门管道送入地下蓄热体进行蓄热。

2.数值模拟

我们选择star ccm+为数值模拟软件, 并依据其建模和计算参数等流程进行车站空间温度、压力、流速场的模拟。

1.建模过程

模型的建立经历了南面、顶部各一个空气集热器盖板, 南部集热器采用下部开口进风, 最上端开口向车站空间输送新风, 收集南部热量的同时保证车站的空气质量, 顶部两端各为循环进风口和出风口, 用于收集车站上部的太阳能并输送到北部背阳面。

2.模型参数

车站模型为长14.4m, 宽8.7m, 南部集热器为4m, 顶部集热器都为4.75m, 之间间距7.5cm, 各进出风口全为15cm。由于为二维模拟, 将不考虑厚度的大小。

2.1网格

2.1.1网格模型

选择表面重构和四面体网格为网格模型。

2.1.1网格尺寸

基本尺寸为0.15 m, 除南部及顶部加密处, 其它网格参数均选择初始值。

加密位置南部集热器盖板、车站空间最顶端1mm、顶部的集热器盖板和集热器循环送风口。

2.2计算参数设定

(1) 初始值:压力:101325Mp;静态温度:288.0 K

(2) 重力参考值及方向:[0.0, -9.81, 0.0]m/s^2

边界值:

(3) 南部集热器:入口速度:3.0 m/s进口空气温度:288.0 K集热器热流密

度:200.0 W/m^2;

(4) 顶部集热器:动量源:[0.0, 20.0, 0.0]N/m^3, 集热器热流密度300.0W/m^2。

(5) 迭代次数先设定为5000次, 如果不收敛则加大迭代次数。

其他参数均为软件初始值, 对于此模拟计算已经足够。

3.综述

结合建模, 划分网格, 设定参数及后期的处理, 再加上对模拟图的数据分析, 此次数值计算以温度适宜, 压力适中, 速度平缓的结果评价了前期的所有模型, 不仅得到了让人满意的计算结果, 而且达到了将车站南部及顶部的太阳能输送到北部的目的。

摘要：黄胜关站地处川西北高原地区, 海拔高, 光照充足, 太阳能资源较为丰富, 同时该地区冬季寒冷, 需要进行采暖。目前传统的采暖方式仍然依靠煤炭、燃油、电力等常规能源, 丰富的太阳能资源得不到充分利用, 造成非可再生能源大量消耗。本项目成兰线黄胜关站将利用太阳能进行建筑采暖。进行了采暖潜力分析和采暖负荷分析。对于前者主要考虑到室内外空气计算参数, 土壤温度, 建筑模型设计和采暖负荷计算。对于后者对比分析了主被动式太阳能采暖建筑, 提出了几个合理方案。为了找到最优化的方案, 最后还进行了数值模拟在备选方案中遴选出了最佳方案。

关键词：冬季采暖负荷计算结果

参考文献

[1]《采暖通风与空气调节设计规范》 (GB 50019-2003)

[2]《中国建筑热环境分析专用气象数据集》.北京:中国建筑工业出版社, 2005, 4

[3]《公共建筑节能设计标准》 (GB50189-2005)

[4]《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》 (JGJ26-2010)

[5]供暖通风设计手册

复合太阳能 篇5

关键词：太阳能,地源热泵,开式系统,热平衡

1 研究背景与应用

1.1 地源热泵在农村的应用情况

目前, 地源热泵在全国范围内, 尤其是长江以北和华北地区的应用已经是相当广泛, 相关的理论支持和施工技术相对成熟。国家对地源热泵行业也给予了政策上的大力支持。但是由于其初投资较高, 施工要求较高, 占地面积较大等限制条件, 地源热泵主要集中在大中城市, 在更广大的村镇居民住宅中并未得到很好的推广。

为了全面落实节能减排的任务, 将科技创新的成果惠及国家的最基层大众, 地源热泵走出公共建筑, 走向居民住宅;走出大中城市, 走向广大村镇, 是一个必然的趋势。

1.2 农村采暖情况的现状

随着煤炭等农村家庭冬季取暖能源的价格快速上涨 (2010年冬, 煤炭零售价格已超过2元/kg) , 村镇家庭冬季取暖费用越来越难以承受。以一个居住面积仅有70多平方米的居民住宅为例, 最常见的取暖方式为:

1) 家庭用暖气炉。一个冬季约用煤1300kg, 而且不能保证每天24h烧煤, 所需费用约2700元。

2) 使用一般空调。2间卧室各安装1个空调, 冬季取暖期约需电费1000元/月, 民用电0.55元/kWh, 合计费用约为3000元。

对农村来说, 冬季取暖是一个不小的开支, 而且农村家庭一般都有老人或者小孩, 不像城市白天上班时间可以选择不取暖, 这就更加大了开支, 否则舒适程度就要大打折扣。在这种情况下, 空调必须能够满足保证舒适性, 同时降低冬季能源消费的要求。

鉴于适用范围主要是农村, 需符合农村居民的实际情况, 因此, 这种系统还需满足以下条件:对环境友好, 不能以污染环境为代价;施工难度低;造价合理, 所节省的电量能在运行年限内弥补增加的初投资;占地面积不宜太大;工作稳定、易于操作、故障率低。

目前, 顶置式太阳能热水器以其价格合理、方便实用、效率高等优点已经在广大村镇全面普及, 国内在地源热泵与太阳能耦合系统的理论研究上也日趋成熟, 并具有许多成功的工程实例。在这种情况下, 如果能把地源热泵与太阳能耦合技术两者合理结合并在农村推广应用, 相信一定可以满足居民要求, 并有良好的效果。在农村, 人们对供冷的要求并不高, 甚至没有空调制冷要求, 因此, 热平衡问题可以用另一种方式得到解决。

2 复合供暖系统原理

2.1 系统主要部分

1) 太阳能取能部分由常见的家庭用太阳能热水器改造而来;

2) 地源侧部分为U型钻孔地埋管, 总埋管深度150m以内;

3) 机组为小容量地源热泵机组;

4) 智能控制操作系统;

5) 室内采用传统暖气片或者地板采暖形式。

2.2 冬季工作原理

地源热泵与太阳能复合供暖系统如图1所示。供热时太阳能集热器和地埋管共同为机组提供冷却水;由控制系统控制各部分流量, 其应充分考虑各种天气情况及热延迟的影响, 并能实现自动、手动双控制。使用家用太阳能与地源热泵系统结合供水的系统可以提高机组的效率, 从而达到节省能源的目的。

2.3 夏季工作原理

夏季太阳能系统如图2所示。在夏季, 不再使用水泵驱动, 而改为开式系统, 在屋顶高处太阳能的热水利用重力作用, 流经地埋管放热后用来冲厕所、洗涤等, 从而补充冬季的热损失, 达到热平衡。虽然流量很小, 但是由于地埋管数量少, 一般只有1～2井, 春夏季太阳能中的热水能在80～90℃左右, 再加上周围土壤的补充, 所以热补充的能力应该可以达到需求。并且可以考虑地板辐射供冷, 进行余冷利用。

3 可行性分析

对夏季需要补充的热量是否可以达到要求, 尚需进一步的计算。

在这方面可以通过以下方法来解决:

1) 使用相关软件进行模拟分析估算, 对此, 在国外已有学者进行了一部分工作, 得出了一些结论;

2) 对其小流量下换热能力进行现场测试;

3) 建立一个实际工程, 通过实际应用, 看其效果, 但是需要一定的资金投入和较长的时间。

对这种类似的系统, 在2004年曾经有3位丹麦学者用模拟软件TRNSYS对其进行过模拟, 得出的结论是:由于夏季补充的热量偏少, 且热量存入地下后散失的比较多, 不能有效进行热补偿, 从而导致土壤供热能力减弱, 多年使用后系统的效率就会下降。但是在我国寒冷程度差一点, 其他情况与他们也有很多的不同, 有必要对其进行模拟分析, 得出新的结论。以下分别使用Fluent软件和地热之星软件对其进行模拟 (模拟结果见图3～图6) 。

由图3和图5可以清楚的看到, 传统地源热泵空调系统由于冷热负荷的不平衡, 常年运行会导致埋管附近地下温度不断下降, 进而会导致效率下降, 不能达到设计要求, 更不能体现地源热泵的节能优势。由图4和图6可以看出, 太阳能土壤耦合热泵系统由于加入了太阳能作为蓄热热源, 运行2年后整体温度更高一些, 尤其是贴近管壁的部分, 而这一部分对换热效果起着至关重要的作用;运行10年后地下温度场基本保持不变, 在空调埋管区地下的温度甚至还有缓慢上升的趋势, 这就证明了太阳能土壤耦合热泵系统在北方地区的可行性。

4 存在问题与难点

4.1 冬季防冻、结垢等问题

可以使用现在家用太阳能的电热辐线, 并对供回水管道均做保温处理, 设置净化设备。

4.2 普通家用太阳能热水器的适用问题

需要与地埋管配合合理的设计, 在较极端天气情况下, 也是居民对采暖要求最迫切的时候, 采用可行且节省的方法以保证舒适性。

4.3 初期资金投入问题

地埋管钻井费用按照60元/m计算, 约10000元;安装施工费用约5000元;机组费用约10000元。比传统方式多投入约20000元。

其运行成本为水泵功耗约200W, 机组功耗约1kW。

计算得出, 排除能源价格变化因素, 靠节省电费收回成本约需5～10年。

5 结论

综上所述, 虽然目前成本大幅降低, 但是地源热泵与太阳能复合供暖系统还是存在投资过高、短期内很难收回成本的问题, 在经济不十分发达的村镇, 这也是第一重要的问题。随着技术的不断发展和成熟, 这种利用新能源的系统一定能得到应有的重视和发展, 并且由于农村的自身优势, 随着各种廉价的可再生能源 (如沼气等) 的共同参与, 广大村镇一定能找到一条节能、环保、高效、低碳的发展路线。

参考文献

[1]刁乃仁, 方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]王艳, 刁乃仁, 王京.别墅建筑的间歇使用对其地埋管地源热泵系统影响的分析[J].建筑科学, 2011, (4) :92-97.

[3]王金贵.东北地区人文地理特征和太阳能热水器推广.太阳能, 2002, (1) :32-34.

[4]郭茶秀, 魏新利.热能存储技术与应用[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[5]余延顺, 廉乐明.寒冷地区太阳能-土壤源热泵系统运行方式的探讨[J].太阳能学报, 2003, 24:111-115.

[6]李玉杰, 刁乃仁.地热换热器循环液温度设定浅析[J].节能, 2008, (5) :49-51.

[7]王超, 周湘江.浅水太阳池与热泵结合冬季供暖的可行性分析[J].节能, 2006, (2) :26-29.

复合太阳能 篇6

然而由于TiO2吸收波长小于400nm, 对可见光几乎没有吸收, 对太阳光谱的吸收大约仅占其总能量的3%左右, 因此导致目前TiO2光催化过程需要人造紫外光源, 这大大限制了其实际应用。其次, 由于光生电子和空穴的寿命短, 约为10~100ns, 且复合几率高使得TiO2光催化效率低。因此,开发出能够被可见光激发的光催化剂日益引起人们的兴趣。这不仅对于拓展已有光催化剂的光吸收范围, 还是开发新型光催化剂, 其理论意义和现实意义是不言而喻的。 研究表明, 金属离子掺杂[5,6]、贵金属沉积[7,8,9]、半导体复合[10]和非金属离子掺杂[11]等方法均能不同程度延伸TiO2的光谱响应范围, 提高其光催化活性。其中, 对过渡金属离子掺杂的研究尤为活跃。不同过渡金属离子对TiO2光催化量子效率影响不同。Fe3+、V4+、Ru3+、Os3+, Rh3+等可明显提高TiO2催化活性[5,12]; 而Li+、Mg2+、Zn2+、Ga3+和Sb5+等影响很小; Co3+和Cr3+等掺杂反而降低了TiO2催化活性[13]。影响过渡金属离子掺杂效果的因素主要有掺杂离子半径、电位、化合价和电子轨道构型等, 不同过渡金属离子作用不同, 因此至今过渡金属离子对TiO2性能的影响目前还未取得一致的结果。

本研究以钛酸正丁酯为前驱物, 利用酸催化的快速溶胶-凝胶法, 成功地合成了一系列不同Cr3+掺杂量的TiO2复合光催化剂(Cr3+/TiO2)。在太阳光条件下, 以亚甲基蓝溶液的光催化降解作为探针反应, 对染料在复合光催化剂上的光催化降解的动力学行为进行了研究。同时, 系统地考察了催化剂投加量、Cr3+掺杂量和溶液pH值等因素对光催化降解反应的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

钛酸四正丁酯, 无水乙醇, Cr(NO3)3·9H2O, 浓硝酸, 亚甲基蓝为分析纯, 水为二次蒸馏水。

1.2 Cr3+/TiO2复合微粒的合成

采用酸催化的快速溶胶-凝胶法合成, 其步骤如下: 搅拌的条件下, 将10mL钛酸四正丁酯缓慢滴加到40mL无水乙醇中, 搅拌10min, 形成黄色透明的溶液A; 将一定量的Cr(NO3)·9H2O溶于8mL水和6mL无水乙醇组成的溶液中(其中加入2mL的5.0mol/L的HNO3中)形成透明溶液B; 将A和B的溶液在剧烈搅拌的条件下混合, 即形成透明的溶胶。在相同的水量, 酸度的条件下, 改变B溶液中Cr3+的浓度, 即改变Cr(NO3)3·9H2O的用量可以制得一系列Cr3+掺杂量x在0.01%~10%区间的Cr3+/TiO2溶胶。将制得的溶胶在自然条件下干燥5天, 然后在烘箱中80℃烘干, 在烘干过程中间隔10min取出研磨1次, 直至干燥。将所制得的前驱物在马弗炉500℃热处理2h, 然后随炉冷却, 冷却之后用玛瑙研钵充分研磨, 便可得到不同Cr3+掺杂量的TiO2复合微粒。

1.3 光催化实验

准确配置浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液, 置于100mL玻璃烧杯中, 加入一定量的Cr3+/TiO2粉末, 避光磁力搅拌30min使染料在催化剂表面和溶液中达到吸附-脱附平衡。反应中溶液的pH值由0.5mol/L的HCl和0.5mol/L的NaOH调整。光催化反应在室外太阳光条件下进行(2006年10月上旬), 光催化实验中每隔一定时间用移液管移取 5mL的样品于离心试管中, 用离心沉淀器沉淀10min后分离上清液, 用Unico 2100型可见分光光度计测定离心液在λmax=665nm处的吸光度, 利用染料MB的工作曲线(r=0.99884), 以反应过程中染料的浓度随反应时间t的变化表示染料的脱色率Dt%。染料的脱色率Dt%可以表示为:

undefined

其中C0为染料的初始浓度,Ct为反应时间t时的浓度。在同样实验条件下, 以纯TiO2作为光催化剂进行对比实验。

2 结果及讨论

2.1 催化剂投加量对光催化降解速率的影响

实验表明, 在无催化剂仅太阳光照下, 亚甲基蓝溶液降解非常缓慢, 经过8 h光照后溶液浓度基本不变, 其降解速率非常低。 随着催化剂投加量的增加, 降解速率明显加快。需要指出的是, 在催化剂和太阳光共存的条件下, 溶液的褪色可分为两个阶段, 第一个阶段是在无光照的条件下进行的, 为反应的诱导期, 即染料分子首先吸附在光催化剂的表面, 在此阶段溶液的色度几乎没有发生变化; 第二个阶段是在太阳光照的条件下进行的, 为反应的褪色期, 即染料分子在催化剂表面的降解过程。在本实验中, 保持其他反应条件不变(pH=7、染料初始浓度为10mg/L、光降解时间为240min、Cr3+掺杂量为0.5%), 研究了催化剂投加量对光催化降解速率的影响, 实验结果如图1所示。

由图1可看出, 0.5%Cr3+/ TiO2复合微粒对亚甲基蓝溶液的光催化降解在相当宽的催化剂投加量(0.1~1.8g/L)范围内与反应时间t呈良好的线性关系, 均表现为一级反应动力学。根据L-H动力学模型将光催化降解结果进行处理后, 求得了0.5%Cr3+/ TiO2复合微粒催化降解亚甲基蓝溶液的表观速率常数K、R、半衰期t1/2及相应的降解率Dt%, 结果见表1所示。

从图1和表1可以看出, Cr3+/TiO2复合微粒的投加量对光催化降解速率有很大的影响, 且光催化降解速率与Cr3+/TiO2复合微粒的投加量不成正比。当投加量<1 g/L时, 随着投加量的增加, 光催化降解速率依次增加; 当投加量等于1g/L时, 光催化降解速率达到最大, 为6.68×10-3 mg(L·min)-1, t1/2为104min, 反应4h后亚甲基蓝的降解率可达77%; 当投加量进一步增加时, 光催化降解速率反而降低, 这说明催化剂的投加量有一最佳值。 可能的原因是, 在较低的投加量时(0.1g/L), 催化剂提供的反应活性位较少, 单位体积溶液中光生电子-空穴对的浓度较低, 催化效率较低; 随着催化剂浓度的增加, 参与光催化反应的微粒数增多, 因而反应速度加快; 而在较高的投加量时(1.8g/L), 一方面是由于过多的催化剂造成光散射, 使透光率下降, 光的有效利用率降低, 从而导致光降解速率降低; 另一方面可能是因为溶液中过多的催化剂增加了TiO2表面电子-空穴的复合率, 反而降低了催化剂的活性[14]。

2.2 Cr3+掺杂量对复合光催化剂活性的影响

保持pH=7、亚甲基蓝溶液浓度为10mg/L、光降解时间为240min、催化剂投加量为1g/L不变, 研究了Cr3+的掺杂量x对亚甲基蓝溶液的光催化降解反应的影响, 结果如图2所示。由表2可知, 当Cr3+掺杂量在0.01%~0.3%范围时, 复合光催化剂的光催化活性与Cr3+掺杂量呈正比关系, 掺杂量越大, 复合微粒的光催化活性越高; 而当Cr3+掺杂量在0.3%~10%范围时, 随着掺杂量的增大, 其光催化活性反而呈下降趋势, 这说明在本实验条件下, Cr3+的最佳掺杂量为0.3%, 此时该复合微粒对亚甲基蓝溶液的光催化降解效率最高, 得到K值为7.27×10-3 mg(L·min)-1, t1/2为95min, 当反应时间为240min时, 亚甲基蓝的降解率达到79%。

另外与纯TiO2相比, 当Cr3+的掺杂量在0.03%~3%时, 复合微粒的光催化活性均高于纯TiO2, 说明Cr3+掺杂确实提高了复合微粒的光催化效率, 这与Hoffmann等[4]的研究结果不一致; 当Cr3+的掺杂量为0.01%、5%、10%时, 复合微粒的光催化活性均低于纯TiO2。当Cr3+的掺杂量为0.3%时, 与未掺杂前相比表观反应速率常数提高了2倍, 降解率提高了20%。说明适量Cr3+的掺杂可以极大的提高TiO2在太阳光条件下的光催化活性。

由以上结果可以看出, 复合材料的光催化活性并不是与Cr3+掺杂量呈正比例关系, 掺杂量的大小影响其光催化性能, 并存在一个最佳值。可能的原因是, 在较低的掺杂量(<0.3%)下, 随着Cr3+进入TiO2晶格的量逐渐增加, 晶格的膨胀程度逐渐增大, 适量的Cr3+掺杂可以提供光生电子的浅势捕获陷阱, 促进载流子转移和电荷有效分离, 提高光催化剂的光催化活性[15,16]; 当Cr3+掺杂量达到0.3%时能掺入TiO2晶格的量已经达到饱和, 由于较大的晶格膨胀有可能增加空穴捕获的途径, 从而降低光生电子和空穴复合的速率, 故其光催化活性达到最佳值; 但当Cr3+掺杂量>0.3%时, 掺杂量的进一步增大对晶格膨胀程度基本上没有太大的影响, Cr3+并没有进入TiO2晶格中, 而是以氧化物的形式堆积在TiO2晶格表面上, 使TiO2的有效比表面积明显减少, 因而降低了其光催化活性, 所以其光催化降解速率逐渐降低[14]。

2.3 亚甲基蓝溶液pH值对光催化降解反应的影响

保持其他反应条件不变的条件下(催化剂投加量为1.0g/L, 亚甲基蓝溶液浓度为10mg/L), pH值3.0~11.0范围内研究了0.3%Cr3+掺杂TiO2复合微粒pH值对时亚甲基蓝溶液光催化降解反应的影响。

由图3和表3可知, 随着pH值的上升, 亚甲基蓝溶液光催化降解速率明显加快, pH值为3.0、5.0、7.0、9.0、11.0时, 测得表观反应速率K分别为1.94×10-3、5.06×10-3、7.27×10-3、5.98×10-3、5.60×10-3 mg(L·min) -1。可见, 中性或碱性条件下明显有利于亚甲基蓝溶液的光催化降解。研究表明, pH值的影响主要与TiO2“零电荷”点有关, 当pH值<3.5时, 便于·OH和O2·-从负电荷的表面扩散进入溶液, 有效地分离电荷。在Hoffmann[4]机理中也认为OH-可以充当阶带空穴h+ Pvh的捕获剂(h+ Pvh+OH-=·OH), 还可以避免4·OH=2H2O+O2反应的发生. 亚甲基蓝分子的结构中S带正电荷, 所以在酸性条件下显然不利于TiO2表面吸附亚甲基蓝分子[17]。

3 结 论

采用酸催化的溶胶-凝胶法制备了一系列不同Cr3+掺杂量(x=0.01%~10%)的TiO2复合光催化剂, 在一定Cr3+掺杂(x=0.03%~3%)范围内, Cr3+的掺入大大的提高了TiO2的光催化性能。在太阳光条件下, Cr3+/TiO2复合光催化剂降解亚甲基蓝溶液服从Langmuir-Hinshelwood动力学模型。在pH值为7、亚甲基蓝溶液浓度10mg/L、光降解时间为240min、催化剂投加量为1.0g/L, Cr3+掺杂量为0.3%时, 测得动力学参数K为7.27×10-3 mg(L·min)-1, t1/2为95 min, 反应4 h后亚甲基蓝的降解率可达79%, 与纯的TiO2相比较, 反应速率提高了2倍, 降解率提高了20%。pH值对亚甲基蓝溶液的光催化降解速率有很大的影响, 中性或碱性条件下有利于亚甲基蓝溶液的光催化降解。

摘要：利用酸催化的溶胶-凝胶法成功地合成了一系列不同Cr3+掺杂量(x=0.01%10%)的TiO2复合光催化剂(Cr3+/TiO2)。在太阳光条件下,以亚甲基蓝溶液的光催化降解对复合材料的光催化性能进行了表征,并考察了催化剂投加量、Cr3+掺杂量和溶液pH值等因素对光催化降解反应的影响。结果表明,亚甲基蓝溶液在复合微粒上的光催化降解反应遵循Langmuir-Hinshelwood动力学模型,在催化剂投加量为1g/L、Cr3+掺入量为0.3%和pH=7时,Cr3+/TiO2复合微粒光催化活性达最佳,测得表观反应速率常数K为7.27×10-3mg(L.min)-1,t1/2为95min,反应4h后亚甲基蓝的降解率可达79%,与纯的TiO2相比较,反应速率提高了2倍,降解率提高了20%。中性或碱性条件下有利于亚甲基蓝溶液的光催化降解。

复合太阳能 篇7

摘要：<正>瑞典Umeá大学电子性能研究人员近日宣布,发现将碳纳米管受控进入纳米结构,这一工程化的复合材料可提高太阳能电池转换效率。使用碳基纳米结构材料作为太阳能电池中的组分变得越来越受欢迎,因为它们拥有特殊的属性。Ume大学的研究结果已经发表在“先进材料(Advanced Materials)”杂志上。碳纳米管具有非常独特的特性,诸如很高的抗拉强度和

瑞典 大学电子性能研究人员近日宣布,发现将碳纳米管受控进入纳米结构,这一工程化的复合材料可提高太阳能电池转换效率。

使用碳基纳米结构材料作为太阳能电池中的组分变得越来越受欢迎,因为它们拥有特殊的属性。 大学的研究结果已经发表在“先进材料(Advanced Materials)”杂志上。

碳纳米管具有非常独特的特性,诸如很高的抗拉强度和非凡的电子迁移率。这使得它们用于下一代的有机和碳基电子设备非常有吸引力。

碳纳米管通过在设施内有效的电荷传输预期可提高当前的太阳能电池的性能。然而,为了获得电子应用的最高性能,必须将碳纳米管组装成一个秩序井然的互连纳米管网络。不幸的是,当今的传统方法远离最优结果,导致低的设施性能。 大学的研究人员发现,碳纳米管可被工程化处理进入复杂的网络架构中,其在聚合物基质内拥有可控的纳米尺寸。 大学发现,由此产生的纳米网络拥有运送电荷的特殊能力,比用传统方法产生的碳纳米管无序网络要高出1亿倍。

高度的控制方法使生成的高效纳米管网络,与其他常规方法相比只有很少量的碳纳米管,从而可大大降低材料成本。在此前的研究中,该研究团队已经证明纳米工程化网络可以产生薄而柔性的透明电极,该电极可用于柔性太阳能电池中。这些新的结果预计将加快发展下一代柔性碳基太阳能电池,其可更有效和更便宜的生产。