可再生能源發(fā)電技術-2012-2課件

1、講授內(nèi)容講授內(nèi)容上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧太陽能的知識太陽能的知識大作業(yè)大作業(yè)上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧自主研發(fā)的技術尤其是高端技術很少，許多項目和企自主研發(fā)的技術尤其是高端技術很少，許多項目和企業(yè)都是靠從業(yè)都是靠從國外引進技術或者合作生產(chǎn)國外引進技術或者合作生產(chǎn)。研發(fā)和利用的研發(fā)和利用的成本大大高于常規(guī)能源成本大大高于常規(guī)能源，無法與常規(guī)能，無法與常規(guī)能源形成競爭源形成競爭。 沒有沒有長期穩(wěn)定的制度支撐與保障長期穩(wěn)定的制度支撐與保障。 新能源與可再能源及其開發(fā)利用的現(xiàn)狀及問題新能源與可再能源及其開發(fā)利用的現(xiàn)狀及問題 上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧內(nèi)蒙古的能源結構內(nèi)蒙古的能源結構煤炭資源全國

2、第一，發(fā)電裝機全國第一，煤炭資源全國第一，發(fā)電裝機全國第一，風能儲量全國第一，太陽能儲量全國第二風能儲量全國第一，太陽能儲量全國第二內(nèi)蒙古地區(qū)風能蘊藏量約內(nèi)蒙古地區(qū)風能蘊藏量約3億千瓦，可開發(fā)億千瓦，可開發(fā)1億千瓦以上。億千瓦以上。蒙西電網(wǎng)風電總裝機為蒙西電網(wǎng)風電總裝機為9230MW，風場，風場100座，占蒙西電網(wǎng)總裝座，占蒙西電網(wǎng)總裝機機42120MW的的21.9%；最大發(fā)電負荷最大發(fā)電負荷6560MW占全網(wǎng)發(fā)電負荷占全網(wǎng)發(fā)電負荷28以上；以上；最大日電量最大日電量11138萬萬kWh，占全網(wǎng)上網(wǎng)電量，占全網(wǎng)上網(wǎng)電量30.5；成為蒙西電網(wǎng)第二大主力。（截止成為蒙西電網(wǎng)第二大主力。（截止201

3、2年年10月底）月底）我國風能行業(yè)產(chǎn)能依然過剩我國風能行業(yè)產(chǎn)能依然過剩太陽是一個巨大的熾熱的氣體球太陽是一個巨大的熾熱的氣體球,其內(nèi)部不斷進行著熱核反應其內(nèi)部不斷進行著熱核反應,因而釋因而釋放巨大的能量。放巨大的能量。 太陽的太陽的直徑約為直徑約為139萬公里萬公里,比地球的直徑大比地球的直徑大109.3倍。倍。 太陽的太陽的體積約體積約1.41221018km3,比地球的體積大比地球的體積大130萬倍。萬倍。 太陽與地球的平均太陽與地球的平均距離約距離約1.5億公里億公里。 太陽能的知識太陽能的知識太陽概況太陽概況 太陽的表面溫度約太陽的表面溫度約5497 0C,中心高達中心高達2107 0

4、C,壓力約為壓力約為2000多億個大氣多億個大氣壓。壓。 太陽的質量約太陽的質量約1.98921027 t,相當于地球質量的相當于地球質量的333400倍。倍。 太陽的平均密度為太陽的平均密度為 ？ g/cm3,僅為地球密度的僅為地球密度的1/4。 太陽每秒鐘釋放出的能量是太陽每秒鐘釋放出的能量是3.8651026J，相當于，相當于每秒鐘每秒鐘燃燒燃燒 ？標準煤所發(fā)出的能量。標準煤所發(fā)出的能量。 太陽發(fā)出的能量大約只有太陽發(fā)出的能量大約只有1/22億億到達地球，大約為到達地球，大約為173104億億kW。其。其中被大氣吸收大約中被大氣吸收大約23%；被大氣和塵粒反射回宇宙空間大約；被大氣和塵粒

5、反射回宇宙空間大約30%；穿穿過大氣到達地球表面的太陽輻射能約占過大氣到達地球表面的太陽輻射能約占47%(81104億億kW) 到達陸地表面大約只有到達陸地表面大約只有17 104億億kW，只占到達地球范圍內(nèi)，只占到達地球范圍內(nèi) 太陽輻射能的太陽輻射能的10%太陽能的知識太陽能的知識太陽概況太陽概況47%23%太陽能的知識太陽能的知識太陽能的知識太陽能的知識太陽輻射太陽輻射u單位時間內(nèi)，太陽以輻射形式發(fā)射的能量稱為太陽輻射功率單位時間內(nèi)，太陽以輻射形式發(fā)射的能量稱為太陽輻射功率或或輻射通量輻射通量，單位是，單位是W。u 太陽投射到單位面積上的輻射功率太陽投射到單位面積上的輻射功率(輻射通量輻射

6、通量)稱為輻射度或稱為輻射度或輻照度輻照度，單位是，單位是W/m2。u 在一段時間內(nèi)在一段時間內(nèi)(如每小時、日、月、年等如每小時、日、月、年等)太陽投射到單位面太陽投射到單位面積上的輻射能量稱為輻射量或積上的輻射能量稱為輻射量或輻照量輻照量， 單位是千瓦時單位是千瓦時/平方米平方米日日(月、年月、年) 。太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球地球的自轉軸與公轉運行的地球的自轉軸與公轉運行的軌道面軌道面(黃道面黃道面)的法線傾斜的法線傾斜成成23027夾角夾角，而且在地球而且在地球公轉時自轉軸的方向始終指公轉時自轉軸的方向始終指向向天球天球的北極的北極，這就使得太這就使得太陽光線直射赤道的

7、位置有時陽光線直射赤道的位置有時偏南偏南，有時偏北有時偏北，形成地球形成地球上季節(jié)的變化上季節(jié)的變化太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）人們站在地球表面人們站在地球表面，仰望天空仰望天空，平視四周所看到的這個假想球面平視四周所看到的這個假想球面。按照相對運動按照相對運動原理原理，太陽好象在這個球面上周而復始地運動太陽好象在這個球面上周而復始地運動。（太陽周日視運動。（太陽周日視運動.swf） 要確定太陽在天球上的位置要確定太陽在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標最方便的方法是采用天球坐標。 赤道坐標系赤道坐標系和地平坐標系兩種和地平坐標系兩種。 QQPP

8、( 北天極北天極)天赤道天赤道BSO以天赤道以天赤道QQ為基本圈為基本圈，以天子午以天子午圈的交點圈的交點Q為原點的天球坐標系為原點的天球坐標系， PP 分別為北天極和南天極分別為北天極和南天極。通過通過PP 的大圓都垂直于天赤道的大圓都垂直于天赤道。顯然顯然，通過通過P和球面上的太陽和球面上的太陽(S)的半圓也的半圓也垂直于天赤道垂直于天赤道,兩者相交于兩者相交于B點點。 太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （flashflash演示）演示）附加力（黃道面、赤道面）附加力（黃道面、赤道面）太陽周日視運動太陽周日視運動 太陽日太陽日 地球公轉地球公轉 公轉不勻速公轉不勻速二十四節(jié)氣示

9、意圖（太陽在黃道上的周年視運動）二十四節(jié)氣示意圖（太陽在黃道上的周年視運動） 太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）赤道坐標系赤道坐標系和水平坐標系兩種和水平坐標系兩種。 QQPP( 北天極北天極)天赤道天赤道BSO在赤道坐標系中在赤道坐標系中，太陽的位置太陽的位置S由由下列兩個坐標決定下列兩個坐標決定: a. 時角（時角（ ） 相對于相對于圓弧圓弧QB，從天子午圈上的從天子午圈上的Q點起算點起算(即即從太陽的正午起算從太陽的正午起算)，順時針方向為正順時針方向為正；逆時針逆時針方向為負方向為負。即上午為負即上午為負；下午為正，正午為下午為正，正午為0。通常以通

10、常以表示表示，它的數(shù)值等于離正午的時間它的數(shù)值等于離正午的時間(小時小時)乘以乘以150(?)。 b. 赤緯（赤緯（ ） 相對于圓弧相對于圓弧，從天赤道起算從天赤道起算，通常以通常以表示表示。對于太陽來說對于太陽來說，春分和秋分日的春分和秋分日的 =00，向北天向北天極極由由00變化到夏至日的變化到夏至日的+23027；向南天極向南天極由由00變變化到冬至日的化到冬至日的23027。 28423.45sin 360365n太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）赤道坐標系赤道坐標系和水平坐標系兩種和水平坐標系兩種。 在赤道坐標系中在赤道坐標系中，太陽的位置太陽的位

11、置S由由和和兩個坐標決定兩個坐標決定，這兩個坐標與地，這兩個坐標與地區(qū)無關。區(qū)無關。 太陽赤緯可用太陽赤緯可用Cooper方程方程近似計算近似計算: 其中其中: n為一年中的日期序號為一年中的日期序號，如元旦為如元旦為n =1， 春分為春分為n = 81。 ？計算？計算9月月22日的赤緯日的赤緯. ？計算今天的赤緯？計算今天的赤緯. QQPP( 北天極北天極)天赤道天赤道BSO大作業(yè)大作業(yè)太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）人們站在地球表面人們站在地球表面，仰望天空仰望天空，平視四周所看到的這個假想球面平視四周所看到的這個假想球面。按照相對按照相對運動原理運動

12、原理，太陽好象在這個球面上周而復始地運動太陽好象在這個球面上周而復始地運動。 要確定太陽在天球上的位置要確定太陽在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標最方便的方法是采用天球坐標。 赤道坐標系赤道坐標系和和地平坐標系地平坐標系兩種兩種。 是人在地球上觀看空中的是人在地球上觀看空中的太陽相對于太陽相對于地平面的位置地平面的位置。這時這時，太陽相對地球太陽相對地球的位置是相對于地平面而言的的位置是相對于地平面而言的。通常通常用用兩個坐標決定兩個坐標決定。 在某個時刻在某個時刻，由于地球上各處的位置由于地球上各處的位置不同不同，因而各處的高度角和方位角也因而各處的高度角和方位角也不相同不相同。 S

13、南南西西東東太陽太陽QOgPZSSa. 天頂角天頂角Z 太陽光線太陽光線OP與地平面法線與地平面法線QP之間的夾角之間的夾角 b. 高度角高度角s 太陽光線太陽光線OP與其在地平面上投影線與其在地平面上投影線pg之間之間的夾角，它表示太陽高出水平面的角度的夾角，它表示太陽高出水平面的角度 太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）赤道坐標系赤道坐標系和和地平坐標系地平坐標系兩種兩種。 在地平坐標系中在地平坐標系中，太陽的位置由高太陽的位置由高度角和方位角兩個坐標決定度角和方位角兩個坐標決定: S南南西西東東太陽太陽QOgPZSS高度角與天頂角的關系是高度角與天頂角的

14、關系是: Z+ s =900c. 方位角方位角s 太陽光線在地平面上投影和地平面上太陽光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角正南方向線之間的夾角。它表示太陽光它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度線的水平投影偏離正南方向的角度sinsin sincos cos coss太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）赤道坐標系赤道坐標系和和地平坐標系地平坐標系兩種兩種。 在地平坐標系中在地平坐標系中，太陽的位置由高太陽的位置由高度角和方位角兩個坐標決定度角和方位角兩個坐標決定: 高度角和緯度、赤緯及時角的關系是高度角和緯度、赤緯及時角的關系是: 太陽正午時太

15、陽正午時，時角時角= 0，可簡化為可簡化為:思考思考! (書上書上34頁延伸思考）頁延伸思考）當當正午正午太陽在天頂以南太陽在天頂以南，即即 時時:當當正午正午太陽在天頂以北太陽在天頂以北，即即 時時: s= 900+=900 31. 120 +(0.60)=58.280 下午下午3時的太陽高度角時的太陽高度角: sins=sin31.12sin(0.6)+cos31.12cos (0.6)cos45=0.5998 s = 36.860太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）作業(yè)：作業(yè)： 計算你家鄉(xiāng)計算你家鄉(xiāng)9月月5日（日（5月月9日，日，8月月9日，日，9月月8

16、日）正午日）正午12時和下午時和下午3時，時，（上午（上午9時，時，11時，下午時，下午1時）的太陽高度角。時）的太陽高度角。大作業(yè)大作業(yè)coscossinsinsincosssssscossincossin太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）赤道坐標系赤道坐標系和和地平坐標系地平坐標系兩種兩種。 在地平坐標系中在地平坐標系中，太陽的位置由高太陽的位置由高度角和方位角兩個坐標決定度角和方位角兩個坐標決定: S南南西西東東太陽太陽QOgPZSS方位角與赤緯方位角與赤緯、高度角高度角、緯度及緯度及時角的關系是時角的關系是太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球

17、 （天球坐標）（天球坐標）1. 日出日落日出日落時角時角0 日出日落時太陽高度角為日出日落時太陽高度角為 ？，可得到可得到: c o s 0 = tantan 由于由于 c o s 0 = c o s ( 0 ) 0日出日出 = 0 ； 0日落日落 = 0 2. 日照時間日照時間N 由于地球每小時自轉由于地球每小時自轉150，所以日照時間所以日照時間N可以用日出日落時角可以用日出日落時角的絕對值之和除以的絕對值之和除以150/小時小時。 2arccos( tantan )150015N日落日出？求上海地區(qū)冬至日日出日落時角及？求上海地區(qū)冬至日日出日落時角及全天日照時間全天日照時間.？呼市地區(qū)、

18、你的家鄉(xiāng)今天的日出日落時角及全天日照時間？呼市地區(qū)、你的家鄉(xiāng)今天的日出日落時角及全天日照時間大作業(yè)大作業(yè)太陽能的知識太陽能的知識太陽與地球太陽與地球 （天球坐標）（天球坐標）3.日出日落時的方位角日出日落時的方位角 日出日落時太陽高度角為日出日落時太陽高度角為s= 0 所以所以: coss= 1； sins= 0 帶入方位角公式帶入方位角公式 cos s,0 = sin/sin上式得到的日出日落時的方位角都有兩組解，因此必須選擇一個正上式得到的日出日落時的方位角都有兩組解，因此必須選擇一個正確的解。我國所處位置大致可劃分為北熱帶確的解。我國所處位置大致可劃分為北熱帶(023.450)和北溫帶和

19、北溫帶(23.45066.550)兩個氣候帶。當太陽赤緯兩個氣候帶。當太陽赤緯00時，太陽升起和降落時，太陽升起和降落都在北面的象限都在北面的象限(即數(shù)學上的第一，二象限即數(shù)學上的第一，二象限) ；00時，太陽升起和時，太陽升起和降落都在南面的象限降落都在南面的象限(即數(shù)學上的第三，四象限即數(shù)學上的第三，四象限) ？求上海地區(qū)？求上海地區(qū)9月月22日日出日日出日落的方位角及日落的方位角及全天日照時間全天日照時間.大作業(yè)大作業(yè)太陽能的知識太陽能的知識太陽輻射太陽輻射(1)太陽常數(shù)太陽常數(shù) 在平均日地距離上在平均日地距離上，在在地球大氣層上界地球大氣層上界，垂直于太陽光線的平面上垂直于太陽光線的平

20、面上，單單位時間內(nèi)在單位面積上所獲得太陽輻射能的數(shù)值位時間內(nèi)在單位面積上所獲得太陽輻射能的數(shù)值。 （根據(jù)根據(jù)1981年年10月在墨西哥召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會第月在墨西哥召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會第8屆會議通過的最新數(shù)值屆會議通過的最新數(shù)值）: I0 = 13677 W/m2 大氣上界大氣上界是為了說明是為了說明大氣圈大氣圈的垂直范圍而確定的地球大氣的最大的垂直范圍而確定的地球大氣的最大上限高度。通常有兩種確定法：上限高度。通常有兩種確定法：著眼于大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象，據(jù)觀測著眼于大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象，據(jù)觀測極光極光出現(xiàn)的最大高度在出現(xiàn)的最大高度在1200公里

21、的公里的高度上，因此，有人認為大氣上界是高度上，因此，有人認為大氣上界是1200公里高度，這稱為大氣的物理上界。公里高度，這稱為大氣的物理上界。著眼于大氣密度，根據(jù)天體物理研究，星際氣體密度約為每立方厘米中一個微觀著眼于大氣密度，根據(jù)天體物理研究，星際氣體密度約為每立方厘米中一個微觀粒子。按粒子。按人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星探測資料推算，地球大氣密度在探測資料推算，地球大氣密度在20003000公里高空達到這公里高空達到這一標準，故目前一般以此作為大氣上界。一標準，故目前一般以此作為大氣上界。太陽能的知識太陽能的知識太陽能的知識太陽能的知識太陽輻射太陽輻射(2)到達大氣層上界的太陽輻射到達大氣層上界的太

22、陽輻射 大氣層上界水平面上的太陽輻射日總量大氣層上界水平面上的太陽輻射日總量H0可以用下式計算可以用下式計算:其中其中: I0 太陽常數(shù)太陽常數(shù) 0 日出日落時角日出日落時角 太陽赤緯太陽赤緯 日日-地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的 修正修正 值值:注：個人認為應該是注：個人認為應該是000024(sin sincos coscos)HI3652cos034. 01ncoscossinsin(24sin2sin0000000IdITdtIHsts)sin0大作業(yè)大作業(yè)太陽能的知識太陽能的知識太陽輻射太陽輻射(3)大氣質量大氣質量 m （看書（看書

23、36頁的定義）頁的定義） 例如此值為例如此值為1.5時時，通常寫成通常寫成AM1.5。 大氣層上界為大氣層上界為AM0。AM =m= cosz = 1/sins其中其中: z 天頂角天頂角; s 高度角高度角補充知識：補充知識：PM2.5是指大氣中直徑小于或等于是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。雖然粒物。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。度等有重要的影響。PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停粒徑小，富含大量的有毒

24、、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大。留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大。2012年年2月，月，國務院同意發(fā)布新修訂的國務院同意發(fā)布新修訂的環(huán)境空氣質量標準環(huán)境空氣質量標準增加了增加了PM2.5監(jiān)測指標。監(jiān)測指標。太陽能的知識太陽能的知識到達地表的太陽直接輻射到達地表的太陽直接輻射 (1)大氣透明度大氣透明度 P （ %） 大氣透明度是表征大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數(shù)大氣對于太陽光線透過程度的一個參數(shù)。在晴朗無云在晴朗無云的天氣的天氣，大氣透明度高大氣透明度高，到達地面的太陽輻射能就多到達地面的太陽

25、輻射能就多。在天空中云霧或風沙在天空中云霧或風沙灰塵多灰塵多，大氣透明度低大氣透明度低，到達地面的太陽輻射能就少到達地面的太陽輻射能就少。(2)到達地表的法向太陽直接輻射強度到達地表的法向太陽直接輻射強度 為了比較不同大氣質量情況下的大氣透明度，必須將大氣透明度訂正到某個為了比較不同大氣質量情況下的大氣透明度，必須將大氣透明度訂正到某個給定的大氣質量。例如將大氣質量為給定的大氣質量。例如將大氣質量為m的大氣透明度的大氣透明度Pm值訂正到大氣質量為值訂正到大氣質量為2的的大氣透明度大氣透明度P2。對于大多數(shù)地區(qū)而言，直接利用日射資料來確定此時的大氣透明。對于大多數(shù)地區(qū)而言，直接利用日射資料來確定

26、此時的大氣透明度度P2是可能的。是可能的。 02mnIIPsPPPmmsin111mmnPIPII00大作業(yè)大作業(yè)關于大氣透明度的表的使用方法關于大氣透明度的表的使用方法太陽能的知識太陽能的知識到達地表的太陽直接輻射到達地表的太陽直接輻射 (3)水平面上太陽直接輻射水平面上太陽直接輻射（W/m2 或 J/m2s）ABCInIbSZ由于太陽直接輻射到由于太陽直接輻射到AC和和AB平平面上的能量是相等的面上的能量是相等的。 式中式中: Ib 水平面上直接輻射量水平面上直接輻射量 s 高度角高度角 z 天頂角天頂角因此因此:znsnbIIIcossin0sinmbmsII P太陽能的知識太陽能的知識

27、到達地表的太陽直接輻射到達地表的太陽直接輻射 (3)水平面上太陽直接輻射水平面上太陽直接輻射ABCInIbSZ水平面上的日總輻射量水平面上的日總輻射量 將將水平面上直接輻射量水平面上直接輻射量從從日出到日落的時間內(nèi)積分：日出到日落的時間內(nèi)積分：式中式中:Hb為水平面日直接輻射總為水平面日直接輻射總量量. 將式中的將式中的dt 改用時角改用時角:dTdt2式中式中: T 晝夜長晝夜長(一天為一天為24h); 0 日出日落時角；日出日落時角； I 0 太陽常太陽常數(shù)數(shù)dtPIdtPIHsNmmsmmtbsinsin0000dPITHmmb)coscoscossin(sin200太陽能的知識太陽能的知識到達地表的太陽直接輻射到達地表的太陽直接輻射 (4)傾斜面上的太陽直接輻射通量傾斜面上的太陽直接輻射通量ITb / In