太阳能是世界上最重要的可再生能源，许多太阳能技术都已经达到实用阶段，如太阳能光伏发电技术和太阳能中低温集热技术，还有一些太阳能技术正处在突破的前夜。作为太阳能利用中最基础的热物理问题，在太阳能技术的发展和创新过程中，显得越来越重要。

太阳能利用涉及社会的各个方面，大到为国家提供电力，小到为家庭提供热水。在天上在地下无不有人类利用太阳能的身影。然而，它在为人类社会提供了便利与服务的同时，也给人类如何高效地利用它出了难题。它的稀薄，变化无常和不易储存等特点，使人们头疼不已，由此也产生了一些基本的热物理问题。

当今太阳能利用已经相当广泛，太阳光作为一种高品质能量，几乎可以转化为其他任何形式的能量，包括化学能和生物质能。例如，太阳能可以转化为热能、电能、声能、冷量和动能等，也可以间接用于淡化海水、冶金和消毒等领域。纵观太阳能的利用和转化过程，特别是太阳能热电或热动力转化过程，主要包括以下几个方面：太阳光的捕获与能量形式的转换过程；热量的吸收与传递过程；热量的储存与交换过程；热电转换与余热利用过程；太阳能系统与用户系统的关系。所涉及的基本热物理问题也正包含在这几个过程当中，效率和经济性是它的关键目标参数。

光的捕获与转换过程

太阳光既是一种物理波也是人们现代认识中的粒子，它传递的速度极快，它满足光的折射与反射等基本的物理原理，也呈现出量子性、统计性的一些特点。如何捕获这些变化无常的光子，并为人类服务，是太阳能利用中的关键问题。它涉及聚光器、接收器的设计与相互关系问题。由于自然界中，太阳光的密度太低，太阳光的捕获问题几乎涉及所有太阳能应用系统。在人工的太阳能系统中，有的为了发电，有的为了集热，有的为了转化太阳能为其他形式的能量，但大部分需要聚光，太阳光通过聚光器的聚集，增加了光的密度，然后被送至接收器，接收器吸收部分被聚集的光能，温度升高，完成光能的捕获，实现了由光能到热能的转换。这一过程中，聚光器、接收器的理想程度及整体协调的效率直接决定了太阳光捕获过程效率的高低。

目前较为成熟的聚光器有抛物面反射式聚光器、菲涅尔透射或反射式聚光器以及由此演变出来的复合式聚光器。较为突出的问题是聚光比、光学效率或者通光率、接收角等物理问题。接收器有平板式、真空管式和腔体式几大类。较为突出的问题是接收率、选择性吸收、温度控制和热转移效率等物理问题。

热量吸收与传递过程

高效的接收器能够迅速地将投射到它表面的太阳光转化为热能，并防止热能散失。因此，接收器或者称为吸热器是太阳能集热系统的关键部件，也是太阳能热发电系统中最具技术挑战性的设备部件。接收器的热转移过程，具有以下4个特点：能量分布时间和空间的高度不均匀性，这是由太阳光的易变性决定的；较高的工作温度，这是由聚光过程决定的；极高的热流密度，这是由系统的经济性要求决定的；辐射-传导-对流相互耦合的能量传递过程，这是由接收器地处地球环境决定的。

例如，在太阳能热电系统中，太阳能的输入极不稳定，而输出端的用能需求也常有波动。通常需要对集热系统进行不断的动态调控，使系统能够稳定运行。此外，传统的接收器都是通过导热流体（如水或者导热油）将热量从接收器传递至动力系统或用户。这些热转移过程增加了系统的复杂性，也由此产生了接收器的效率问题，它的最佳工作温度、最佳接收面积、最佳热转移速度和最小热损失量等参数成为接收器设计中的最根本问题。

在一些太阳能利用系统中，接收器本身就是用户，如聚光直接加热式海水淡化系统、聚光生物反应器和光电直接转化系统等，这些系统的光转化效率、散热速率和最佳运行条件成为系统的基本热物理问题。

热量储存与交换过程

太阳能热利用中通常采用的储热方式有显热储热与潜热储热两种方式。潜热储热具有储热密度大、吸热和放热过程温度稳定等突出优点；显热储热具有成本低廉、材料易得和性能稳定等特点；两者都是太阳能热利用中可以选择的储热方式。太阳能储热包含3个子过程：换热流体从接收器吸收热量，并将热量传递给储热介质（有时换热流体本身也是储热介质）；热能在储热介质积聚；换热流体将热能从储热介质中带走并传递给下级用能单元，如发电系统中的热转移设备。它所涉及的物理问题有最佳储热温度、储放热速度、储放热效率、储热的损失和储热材料的流动性等。

在目前的太阳能中高温利用中，盐类潜热储热材料由于储热温度范围广（208~850℃），且具有稳定性较好、蒸汽压低、储热密度较大、导热系数较好、吸热-放热过程近似等温、易于控制等优点，成为潜热储热材料的首选。目前有碳酸盐、氯化盐、硝酸盐等几大类，且以二元盐和三元盐居多。研究各类熔融盐的热物性是熔融盐蓄热系统设计的基础，也是配制和筛选性能优良传热蓄热熔融盐配方的主要依据。

依照实际应用中3个过程的实施方式，太阳能热储热技术可以分为两类。第一类储热技术中3个过程完全分开，储热量具体表现为储热介质温度的升高或降低，以及相变潜热量的增加或减少。在这类应用中，一般水或导热油等用作换热流体，而热量最终以显热的形式储存于岩石、耐火高温混凝土等显热储热材料中或以潜热的形式储存于相变材料中。这种储热方式的优点是便于控制，缺点是系统结构复杂，热能在转移和转化的过程中有损失，尤其是在复杂的传热过程中热能的品质降低，使得整个储热系统的效率较低。

第二类储热技术中的传热流体（如熔融盐）在储热过程中同时作为换热流体和储热介质，从而简化了热量转化和转移的过程，减小了储热过程中能质的损耗。熔融盐作为传热流体是指将普通的固态无机盐加热到其熔点以上形成液态，然后利用熔融盐的热循环达到太阳能传热蓄热的目的。与传统的工质相比，熔融盐在高温工作区具有较宽的使用温度范围、较好的传热性能、较低的工作压力以及相对便宜的价格等优点，但腐蚀性等是这种介质的主要缺点。

在冷热电三联供太阳能利用系统中，储热系统还需合理分配热、冷供给量，由于热（冷）能与电能能量品位不同，冷量与热量的差异，首先需要提出合理的冷热电评价标准，通过多目标优化权衡冷热电三者的供给分配比例。同时，还要根据终端客户特定需要进行权衡。例如，我国北方大部分地区，供暖是刚性需求，在这些地区，冬季可以供暖作为优先考虑，而一些其他行业，有可能需要优先考虑发电等。

热电转换与余热利用过程

对于太阳能热电系统，热电转换过程是另一个关键的步骤，也是决定系统性能优劣的最关键因素。热电转化过程中，所涉及的热物理问题众多，包括热力学循环的选择、热机效率、最佳工作温度及与前端系统的匹配关系等。如何控制能量的数量和品质损失，是热电转换过程的又一个重要问题，这些问题隐藏在如下几项技术当中。

热力循环系统的设计和控制

由于太阳能分散性强，能流密度低，必须实施聚光才能达到所需的高温。因此，不同的聚光系统决定了不同的运行温度，这强烈要求针对不同的聚光系统，选择不同的热力循环系统，以保证整体系统的高效性。例如，目前的槽式太阳能集热场根据不同的聚光比，可将导热工质加热到150~440℃，那么选择热机系统时，必须根据聚光温度加以选择。150~300℃时选择有机兰金循环较为合适。而当温度高于350℃时，可以考虑使用水作为传热工质的兰金循环。当聚光温度更高时，通常可以选择使用斯特林循环，用空气或者其他气体作为工质。太阳辐射经聚光反射镜反射，将光聚集在斯特林发动机的热端，对其进行加热，驱动斯特林机做功发电。

如何结合热机输入端与输出端的使用要求，合理地筛选各级循环中的循环工质，优化工作状态参数，实现系统层级间的优化匹配，优化系统的结构，是亟待解决的问题。

动力机的选型与优化匹配

动力机作为太阳能热发电系统中的核心部件之一，对整个系统，无论是技术层面还是经济层面都有着重要的影响。

动力机的选型需要考虑很多因素，如等熵效率、输出功、润滑要求、压比、转速、动平衡、可靠性、密封性、价格等。常见的有机兰金循环动力机有汽轮机、涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、活塞式膨胀机和叶片式膨胀机。如何选择合适的动力机，综合考虑系统的运行工况、使用的工质以及与其他部件（如工质泵、导热油泵、水泵等）的耦合，实现优化匹配，是太阳能热发电需要研究的重要问题。

工质的筛选

在太阳能热电系统中，动力循环中使用的工质会对整个系统产生重要的影响。筛选工质是系统综合优化后的结果。不同的热源温度，适合的工质会发生变化，工质根据其饱和气液线的温熵特性可分为干工质、等熵工质和湿工质。

太阳能集热温度超过300℃时，现有的干工质中，临界温度低于200℃的工质，必须有大幅的过热度和回热，才能保证较高的热电转换效率。然而无论是过热过程还是回热过程，工质的换热性能都很差，导致换热器的面积增大，资本投入增加。虽然临界温度高于200℃的干工质更适合中高温的热源，然而此类工质多为易燃易爆的碳氢类化合物，少数非易燃的工质如硅氧烷系列，价格昂贵，无法实现大规模应用.

混合工质，尤其是非共沸混合工质，由于组分迁移等原因，其相变为非等温过程。在非等温的蒸发过程中，工质需与热源实现更好的温度匹配，以减少不可逆的换热损失。此外，混合工质可由高沸点和低沸点的纯工质混合而成，这无疑会大大地拓宽工质的筛选范围。然而，针对混合工质及其相关方面的研究，如混合工质的传热过程，适合混合工质的动力机和工质泵等部件的设计和选型等，还处于起步阶段，这方面也是需要解决的问题之一。

此外，工质的换热性能、密度、黏度等都会对系统部件的选型与构造产生重要的影响。例如，不同的工质适合的动力机的类别以及动力机结构通常是不相同的，即使在相同的工况下，需要的换热器面积以及工质泵的扬程也可能不同。在有机兰金循环系统中，如何结合冷热源条件，统筹考虑系统的热力循环性能以及系统部件的选型，筛选出环保高效的工质，使得系统能够稳定，高效，环保，经济地运行，是太阳有机兰金热发电需要解决的重要问题之一。

乏汽余热的高效利用与冷热电联供

做功后的高温乏汽可作为二次能源，为用户在夏季供冷，冬季供暖，这就涉及冷热电联供问题。

太阳能本身是不稳定的热源，虽然可以和其他的热源进行互补为系统供能，或利用储能系统对系统进行稳定性调控，然而用户的用能需求也有着强烈的波动性，如何动态地优化匹配能源的输入与输出，是太阳能热发电系统实现高效或高经济性利用的关键问题。

此外，在非稳态与准稳态运行的过程中，系统通常处于偏离设计工况的运行状态下，此时系统会遭受较剧烈的热冲击，缩短设备寿命，这必然对系统的安全造成一定影响。同时，非稳态和准稳态工况也会使系统效率大大降低。

因此，如何根据输出端用能需求、系统的运行条件，高效地匹配系统中的一次能源与二次能源的输入与输出，或者科学地分配发电与制冷制热的比例，是太阳能热发电亟需突破的关键技术。

太阳能系统与用户系统的关系

如今太阳能可以利用在国民经济的各个方面，如太阳能海水淡化、太阳能空调、太阳能采暖、太阳能制氢、太阳能生物质转化以及太阳能光催化消毒等诸多领域。为了提高系统的经济性和系统效率，必须仔细核算太阳能系统与用户系统的匹配关系。甚至将用户系统设计为太阳能系统的一部分，让太阳能直接与用户复合，省去中间环节，此时一些基础的热物理问题正孕育于其中，如系统的光转化效率，散热速率和最佳运行条件等。

本文由安静摘编自郑宏飞、苏跃红著《太阳能应用中的热物理问题》（2016年3月 第1版）第一章部分内容，有删减。

978-7-03-047682-1

《太阳能应用中的热物理问题》系统介绍了太阳能应用中的一些基本热物理问题，从热力学基本理论和基本问题出发，对太阳光的能含和含进行剖析和总结，对地球表面上利用太阳辐射能的理想过程进行了介绍，讨论了太阳能热功转换的一些基本特点和评价方法。从有限时间热力学的角度，分析了太阳能利用系统不可逆性的来源和基本热力学循环的分类，理论探讨了太阳能转化中的极限，给出了诸多太阳能转化中的理想过程和效率，最后对一些具体的太阳能利用方式进行了理论预测。在各章节的讨论中，还特别指出了各种太阳能热功转换技术面临的问题和未来的发展方向。

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