太阳能供暖系统

背景

在短短一秒钟内，太阳释放的能量是美国一年消耗的所有电力所产生的能量的 1300 万倍。太阳的能量只有百万分之一到达地球，但这个微不足道的数量足以满足我们整个星球的能量需求。与从化石燃料或核能获取能量的系统相比，从太阳获取能量的相对困难阻碍了其作为广泛能源的发展。然而，在较小规模和许多实验项目中，太阳能已被证明在产生电力和热能方面非常有效。

1950 年代首次探索太阳能用于电力用途，当时需要在太空卫星上连续发电，美国贝尔电话实验室开发了太阳能电池。然而，即使在今天，最好的硅太阳能电池也只能以 18% 的效率将阳光转化为电能。尽管如此，利用太阳能发电的实验还是取得了巨大成功。一年一度的国际太阳能汽车竞赛是一个以太阳能为重点的引人注目的项目。

太阳能已被证明更有效，并已更广泛地用于水和空间加热和冷却系统。作为热水器，太阳能最常用于加热游泳池。对于空间加热，使用两种主要类型的系统。被动式太阳能加热系统将太阳能通过朝南（在北半球）的大窗户直接进入建筑物并直接加热内部空间（这称为直接增益，也称为温室效应）或通过墙壁或屋顶吸收太阳辐射，储存产生的热量，并将热量传递到建筑物中（这称为间接增益）。被动系统还可以使用不属于建筑物的一部分，而是包含在它们自己的独立室中的吸收器和存储组件（例如岩床）。这被称为隔离增益系统。

主动式太阳能供暖系统使用水或空气将热量从安装在建筑物屋顶朝南侧（同样位于北半球）的集热器传输到岩床或水箱。当利用岩床和空气作为传输流体时，储存的热量可以直接进入房间，或者当太阳能首先加热水时通过风机盘管单元。然后热量通过线圈传递以加热空气。冷却系统也分为被动和主动系统，它们利用夜间空气和冷凝来冷却建筑物中的空气。

可以使用不同类型的太阳能集热器面板并且适合被加热或冷却的设施类型。平板集热器是一个大而扁平的盒子，顶部是玻璃，底部是吸热的黑色底部，里面装有平行于顶部和底部的管道，最适合家庭使用。聚光收集器由反射材料制成，形状像槽或碗，最适合工业用途。

历史

太阳自古以来就是一种热源，但最早的文献记载 人造太阳能收集系统的使用可以追溯到 1776 年，当时瑞士科学家 Horace de Saussure 开发了一个基本的收集器通常称为“热箱”。天文学家约翰赫歇尔爵士在 1830 年代远征非洲期间使用热盒烹饪食物，随后在非洲的某些地区，使用太阳能进行烹饪和蒸馏水变得普遍。

1800 年代后期的早期美国先驱者在白天旅行时使用黑色的锅碗瓢盆来加热水，从而普及了使用太阳能来加热水。这个想法在该国的一些地区得到了广泛应用，否则这些地区必须进口燃料来加热水。例如，1897 年加利福尼亚州帕萨迪纳市近 30% 的房屋使用太阳能热水器。

太阳能在下个世纪继续适度使用，但在 1970 年代的能源和石油危机期间迅速普及。随着能源危机的消退，太阳能的使用逐渐减少，但在 1990 年代，随着人们越来越意识到燃烧化石燃料和使用核能造成的环境和公共健康危害，太阳能的使用再次流行起来。

原材料

由于太阳能供暖系统的类型很多，因此可用于制造它们的原材料种类繁多。本条目将重点介绍基本住宅被动系统和基本住宅有源系统。

被动式太阳能加热系统需要一个黑色平板集热板，由钢吸收板制成，上面覆盖着两片玻璃，以及一个由玻璃纤维绝缘材料或聚氨酯泡沫制成的绝缘垫，上面贴有铝箔，起到防潮层的作用.该系统包含在一个由木头、镀锌钢或铝制成的浅箱中。该系统通常还需要一个蓄热箱，里面装有干燥的鹅卵石或岩石。当建筑物被充分加热时，该装置会储存热量。此外，该系统需要一个差动恒温器、一个允许手动控制热量水平和室温的电子系统，以及一个由连接管道、空气过滤器、鼓风机和自动风门组成的空气处理模块。

使用水作为储存剂的主动式住宅太阳能供暖系统需要一个平板集热器，该集热器由一层或两层玻璃或透明塑料制成，带有黑色金属管，以及由玻璃纤维板或类似绝缘材料制成的绝缘垫。该系统还需要水泵、储罐、热交换盘管、辅助加热器、风扇、过滤器和控制阀。如果使用岩石作为储存材料，绝缘箱 必须用于包含它们，显然，水泵和线圈不是必需的。

所有太阳能加热系统都使用嵌缝、铝制壁板和封闭条，最有可能由橡胶、油漆和木材制成。

制造
过程

收藏家

• 1 平板集热器安装在斜屋顶或垂直墙上，方法是在集热器的每一端安装浅的金属板歧管盘，类似于大烤盘，并将盘固定到屋顶或墙壁的椽子上.然后在歧管盘的上边缘周围大量应用嵌缝。接下来将护套连接到屋顶或墙壁上，并且所有接缝都被填塞。在护套中切出歧管槽，并在护套的周边固定挡块。
• 2 吸收板安装在护套上，延伸至外部歧管阻塞。末端用末端封闭条密封，通常由橡胶和填缝制成。顶部和底部边缘也被填塞。
• 3 个板条固定在吸收器 O 板上，并附接由屋顶上的单层玻璃或墙壁上的双层玻璃组成的玻璃系统。
• 4 个铝制玻璃条安装在集热器的周边。

空气处理和控制系统

• 5 在被动系统中，空气处理系统仅由安装在集热器和起居空间之间的管道系统以及风扇和用于启动风扇的手动控制器组成。隔离增益系统还包括一个单独的存储室和通向和来自该室的管道系统。
• 6 在主动式系统中，需要一个装有岩石或水的储物箱来储存多余的热量。安装了带有开关阻尼器的管道系统，从收集器到房屋，收集器到储物箱，以及储物箱到房屋。安装了两个风扇。

存储

• 7 岩石储存系统由一个装有 1-5 英寸（2.5-12.7 厘米）宽的小石块的隔热箱构成。岩石之间留有足够的空间，以促进空气通过垃圾箱两端的管道连接件吹出。
• 8 蓄水系统类似于岩石蓄水系统，使用水而不是岩石。

质量控制

对于住宅太阳能供暖系统，可以使用烟雾弹测试端盖的配合和集热器上的嵌缝是否足够，以检测任何泄漏。烟雾测试在上釉之前进行。

未来

随着越来越多的太阳能加热和太阳能供电的生活和商业单元原型的开发，这种能源显示出发展成为一种不仅仅是实验性的热电来源的严重迹象。环境和自然资源团体，以及经常与美国能源部和几个国际组织合作，继续推动更广泛地依赖太阳能热和电力，并不断开发这种来源的新的和创新的用途的能量。虽然能源部太阳能研究设施内的工作专注于光伏发电，但这座建筑本身就是太阳能成功的证明。该建筑的创新、满窗、阶梯式设计允许阳光直射和供暖，是对太阳能的依赖是多么成功以及这种依赖在未来会变得多么普遍的一个例子。

美国太阳能协会在其年度太阳能家庭之旅中展示了太阳能的实用性。该组织还让其成员了解有关太阳能问题的立法进展。例如，1996 年 7 月，该组织积极游说通过可再生能源资助立法。虽然迄今为止尚未颁布此类立法，但此类法案的引入表明至少一些国会议员对太阳能问题感兴趣。国际太阳能协会在全球范围内关注类似问题，并致力于在全球范围内更多地依赖太阳能。