第二章 太陽能及應(yīng)用

第二章太陽能及應(yīng)用SolarEnergy第一節(jié)太陽能概述一、太陽能的基本概念狹義的太陽能僅指投射到地球表面上的太陽輻射能。廣義的太陽能資源，不僅包括直接投射到地球表面上的太陽輻射能，而且包括水能、風(fēng)能、潮汐能等間接的太陽能資源，還包括通過綠色植物的光合作用所固定下來的能量即生物質(zhì)能。

1.太陽能資源的優(yōu)點（1）數(shù)量巨大（2）時間長久（3）普遍（4）清潔安全2.太陽能資源的缺點（1）分散性（2）間斷性和不穩(wěn)定性蓄能是太陽能利用中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。（3）效率低和成本高3.太陽的結(jié)構(gòu)（1）核反應(yīng)區(qū)（2）輻射層

（3）對流層

（4）太陽大氣

二、我國太陽能資源的分布氣候帶劃分氣候帶緯度范圍熱帶南北回歸線（23.5°）之間寒帶極圈以內(nèi)（66.5°～90°）溫帶緯度23.5°～66.5°太陽能資源豐富程度最高地區(qū)為：印度、巴基斯坦、中東、北非、澳大利亞和新西蘭；

中高地區(qū)為：美國、中美和南美；

中等地區(qū)為：西南歐洲、東南亞、大洋洲、中國、朝鮮和中非；

中低地區(qū)為：東歐和日本；

最低地區(qū)為：加拿大與西北歐洲。世界太陽輻射分布圖（平均每年的日照小時數(shù)）我國各地區(qū)的太陽能資源分布我國太陽能資源區(qū)劃系統(tǒng)及分區(qū)特征分區(qū)年輻射總量（MJ/m2·年）代表地區(qū)特征豐富區(qū)>6264青藏高原、內(nèi)蒙、塔里木日照時數(shù)>3300h年日照率>75%較豐富區(qū)5436～6264新疆北部、華北、陜北、甘肅、寧夏、東北西部、內(nèi)蒙東部日照時數(shù)2600～3300h年日照率60%～70%可用區(qū)4608～5436東北、黃河中下游、長江下游、兩廣、福建、貴州、云南日照時數(shù)2600h年日照率60%左右貧乏區(qū)3348～4608四川、貴州、廣西、江西部分地區(qū)日照時數(shù)<1800h年日照率<40%左右三、太陽能的利用方式

太陽能利用涉及的技術(shù)問題很多，但根據(jù)太陽能的特點，具有共性的技術(shù)主要有四項，即太陽能采集、太陽能轉(zhuǎn)換、太陽能貯存和太陽能傳輸。利用方式——1.太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電包括光直接發(fā)電（光伏發(fā)電、光偶極子發(fā)電）以及光間接發(fā)電，包括光熱動力發(fā)電、光熱離子發(fā)電、熱光伏發(fā)電、光熱溫差發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光生物發(fā)電（葉綠素電池）和太陽熱氣流發(fā)電等。2.光熱利用它的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。通常根據(jù)所能達到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為：低溫利用（＜200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（＞800℃）。低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等；中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等；高溫利用主要有高溫太陽爐等。3.動力利用4.光化學(xué)利用5.生物利用6.光－光利用目前太陽能的利用主要有兩大重點方向：一是把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能（光熱利用），另一個就是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能（即通常所說的光伏發(fā)電）。

四、太陽能的開發(fā)歷史（1）第一階段（1900～1920年）：初始階段

（2）第二階段（1920～1945年）：低潮（3）第三階段（1945～1965年）：平板集熱器，太陽能空調(diào)（4）第四階段（1965～1973年）：停滯不前（5）第五階段（1973～1980年）“能源危機”，掀起熱潮（6）第六階段（1980～1992年）：進入低谷（7）第七階段（1992年～20世紀(jì)末）：太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護緊密結(jié)合，全球共同行動（8）進入21世紀(jì)，太陽能的利用愈發(fā)得到了全世界的廣泛關(guān)注，包括中國在內(nèi)的世界各國都將太陽能的利用作為國家能源建設(shè)的重要方面，太陽能技術(shù)也得到了日新月異的發(fā)展，太陽能產(chǎn)業(yè)也成為推動各國經(jīng)濟增長的重要方面。第二節(jié)太陽能的光熱轉(zhuǎn)換利用太陽能的光熱轉(zhuǎn)換就是將太陽輻射能收集起來，通過與工質(zhì)（主要是水或者空氣）的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。這種通過轉(zhuǎn)換裝置將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能加以利用就稱為太陽能－熱能的轉(zhuǎn)換技術(shù)，也稱作太陽能光熱轉(zhuǎn)換利用技術(shù)。一、太陽能熱水器

太陽能熱水器就是吸收太陽能的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設(shè)備。現(xiàn)今全世界已有數(shù)千萬套太陽能熱水裝置。

國內(nèi)的情況我國自從1958年研制出第一臺熱水器后，經(jīng)過五十多年的努力，我國太能熱水器產(chǎn)銷量均占世界首位。

（a）家用太陽能熱水器（b）安裝在屋頂上的太陽能熱水器太陽能熱水器太陽能熱水器系統(tǒng)原理圖太陽能熱水系統(tǒng)主要元件包括集熱器、儲存裝置及循環(huán)管路三部分。

1.太陽能集熱器

平板集熱器及其結(jié)構(gòu)圖平板式太陽能熱水器工作原理

全玻璃真空管集熱器及其結(jié)構(gòu)圖玻璃真空管式太陽能熱水器工作原理2.太陽能熱水器的熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.太陽能熱水器選用以鎮(zhèn)江為例，選用太陽能熱水器，按照年平均氣溫15.3℃、太陽輻射量日均為3.88kW·h/m2計算，一家3口，每日需180升熱水（55℃），按把水溫升高40℃計算（基礎(chǔ)水溫15℃）。每日共計需要7200千卡（約30240kJ）熱量，所需集熱面積為2.16m2，考慮到太陽輻射與熱能的轉(zhuǎn)換效率問題，實際選用集熱面積在4～5m2，按每平方米太陽能集熱器配0.1m3的保溫水箱容量的配比關(guān)系，可選用儲水器容量在400～500升，全年可提供生活用熱水（55℃）65.7噸。德國獨棟住宅家庭太陽能熱水系統(tǒng)1－太陽能集熱器；2－太陽能儲熱桶；3－鍋爐；4－太陽能接收站；5－熱水消費（如淋?。┒?、太陽灶太陽灶是利用太陽能輻射，通過聚光獲取熱量，進行炊事烹飪食物的一種裝置。它不燒任何燃料，沒有任何污染，正常使用時比蜂窩煤爐還要快，和煤氣灶速度一致。太陽灶實物照片三、太陽能制冷太陽能可以應(yīng)用于制冷行業(yè)，即太陽能制冷，它可以包括多種形式，比如光－電－冷、光－熱－冷等，其中光電半導(dǎo)體制冷已應(yīng)用于航天領(lǐng)域，而常規(guī)應(yīng)用的太陽能制冷以光－熱－冷為主，包括吸收式、吸附式制冷，其中吸收式太陽能制冷是目前最易商業(yè)化的太陽能制冷方式。1.吸收式太陽能制冷太陽能氨吸收式制冷系統(tǒng)示意圖德國SolarNext公司氨-水吸收式空調(diào)廣州能源所兩級溴化鋰吸收式空調(diào)機組太陽能熱水、采暖、空調(diào)綜合系統(tǒng)示意圖2.吸附式太陽能制冷太陽能沸石－水吸附制冷原理1－吸附床；2－冷凝器；3－儲水器（蒸發(fā)器）太陽能吸附式制冷系統(tǒng)原理圖太陽能硅膠-水吸附式空調(diào)機組四、太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電是指利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過熱力循環(huán)進行發(fā)電。太陽能熱發(fā)電是太陽能熱利用的重要方向，是很有可能引發(fā)能源革命的技術(shù)成果，也是實現(xiàn)大功率發(fā)電、替代化石能源的綠色經(jīng)濟手段之一。1.聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)是利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機的工藝，從而達到發(fā)電的目的。（1）槽式槽式太陽能熱發(fā)電電站現(xiàn)場槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖（2）塔式塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖美國加州塔式太陽能熱發(fā)電站圖片西班牙PS10塔式電站南京塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（3）碟式（a）單碟式太陽能發(fā)電機組（b）多碟式太陽能發(fā)電機組碟式太陽能發(fā)電機組碟式/斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖我國首個100kW碟式太陽能光熱示范電廠2.非聚光型（1）太陽池太陽池結(jié)構(gòu)簡圖太陽池發(fā)電系統(tǒng)示意圖（2）太陽能煙囪太陽能煙囪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理西班牙的太陽能試驗電站澳大利亞在新南威爾士州建造一座目前世界上最大的太陽能煙囪式發(fā)電站發(fā)電容量高達200MW，足以滿足大約20萬個家庭的用電需求。電站有一個直徑7km的太陽能集熱棚,并建一座1000m高的煙囪,占地達38km2，將成為澳大利亞乃至世界上最高和最大的建筑物。

五、太陽能干燥器

太陽能干燥就是使被干燥的物料或者直接吸收太陽能并將它轉(zhuǎn)換為熱能，或者通過太陽集熱器所加熱的空氣進行對流換熱而獲得熱能，繼而再經(jīng)過以上物料表面與物料內(nèi)部之間的傳熱、傳質(zhì)過程，使物料中的水分逐步汽化并擴散到空氣中去，最終達到干燥的目的。太陽能干燥器是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能以加熱物料并使其最終達到干燥目的的完整裝置。太陽能干燥器的分類1.按物料接受太陽能的方式分類：直接受熱式太陽能干燥器，間接受熱式太陽能干燥器2.按空氣流動的動力類型分類：主動式太陽能干燥器，被動式太陽能干燥器3.按干燥器的結(jié)構(gòu)型式及運行方式分類：溫室型太陽能干燥器、集熱器型太陽能干燥器、集熱器-溫室型太陽能干燥器、整體式太陽能干燥器、拋物面聚光型太陽能干燥器等。常見的太陽能干燥器的型式——溫室型太陽能干燥器集熱器型太陽能干燥器常見的太陽能干燥器的型式——集熱器-溫室型太陽能干燥器常見的太陽能干燥器的型式——整體式太陽能干燥器常見的太陽能干燥器的型式——六、太陽能在建筑節(jié)能上的應(yīng)用充分利用太陽能在住宅中的應(yīng)用，保證居室衛(wèi)生、改善居室小氣候、提高舒適度。不僅使太陽能得到更充分、更合理的利用，可以把低品位的能源（太陽能）轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏墓┡⒖照{(diào)，而且對節(jié)省常規(guī)能源，減少環(huán)境污染，提高人們的生活水平具有重大意義，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。1.太陽能在建筑節(jié)能中的主要應(yīng)用型式（1）太陽能生活熱水供給（2）太陽能采暖（3）太陽能制冷（4）太陽能幕墻（5）家庭發(fā)電系統(tǒng)（6）太陽能游泳池采光與照明太陽能采光的應(yīng)用▽

圓形設(shè)計減少建筑的散熱面積▽

Overhang使采光和光線柔和達到完美結(jié)合▽中間圓形大廳具有采光、通風(fēng)綜合功能▽結(jié)合墻體隔熱材料、地?zé)崂玫染C合措施使該建筑具有卓越的節(jié)能性能太陽能“煙囪”2.太陽能采暖太陽能采暖可以分為主動式和被動式兩大類。（1）被動式采暖系統(tǒng)——被動式太陽房：直接收益式、蓄熱墻和附加陽光間3種（2）主動式采暖系統(tǒng)——主動式太陽房

被動式太陽房直接收益式系統(tǒng)原理圖集熱－蓄熱墻式系統(tǒng)原理圖被動式太陽房被動式太陽房我國被動太陽房在采暖方面可以節(jié)能60%～70%，平均1m2建筑面積每年可節(jié)約20～40kg標(biāo)煤。被動式太陽房無輔助鍋爐的主動式太陽房主動式太陽房一種嶄新的太陽房——熱泵式太陽房（a）直接式太陽能熱泵（b）間接式太陽能熱泵太陽能熱泵七、太陽能蒸餾－海水淡化就人均占有量來說，中國在水資源方面是一個窮國。據(jù)測算，我國人均占有水量只居世界的第108位。為了增大淡水的供應(yīng)，除了采用常規(guī)的措施，一條有利的途徑就是就近進行海水或苦咸水的淡化，特別是對于那些用水量分散且偏遠的地區(qū)更適宜用此方法。海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，它是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，既可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，水質(zhì)好，又可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補水等穩(wěn)定供水。太陽能蒸餾器平板型多效太陽能蒸餾器A1—進口截面；A2—受熱面截面；A3—端部界面八、其它應(yīng)用1.太陽能制氫——熱化學(xué)法制氫利用太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫流程圖2.太陽能高溫爐太陽能爐（SolarFurnaces

）法國Odellio，用于科研，溫度可以達到3300℃

第三節(jié)太陽能的光電轉(zhuǎn)換利用太陽能利用的另一主要方面是利用光伏（Photovoltaic，PV）效應(yīng)將太陽光的輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。一、光伏效?yīng)半導(dǎo)體的能帶模型太陽能電池的光伏效應(yīng)原理圖二、太陽能電池太陽能電池就是利用光伏效應(yīng)的原理來工作的，所以太陽能電池又稱光伏器件。太陽能電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的核心組件。太陽能電池發(fā)電的優(yōu)點（1）太陽能取之不盡，不受地球礦物能源短缺的影響；（2）可以方便就近供電，避免長距離輸送；（3）太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用模塊化安裝，方便靈活，建設(shè)周期短，沒有運動部件，不易損壞，維護簡單；（4）太陽能是理想的清潔能源。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，如果安裝1kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放CO2約2000kg、NOx約16kg、SOx約9kg，其他顆粒物約0.6kg。太陽能電池發(fā)電的局限性（1）太陽能發(fā)電受氣候條件限制，存在間歇性，需要配備儲能裝置；（2）能量密度較低，大規(guī)模使用需要占有較大面積；（3）發(fā)電成本相對高，初始投資大。各種太陽能電池技術(shù)比較太陽能電池種類最高轉(zhuǎn)換效率%優(yōu)點缺點單晶硅24.7±0.5長壽命、技術(shù)成熟、轉(zhuǎn)換效率高成本高多晶硅20.3±0.5長壽命、技術(shù)成熟、轉(zhuǎn)換效率高成本較高多晶硅薄膜16.6±0.4成本低廉、效率較高、穩(wěn)定性好生產(chǎn)工藝需提高非晶硅薄膜14.5（初始）±0.712.8（穩(wěn)定）±0.7重量輕、工藝簡單、轉(zhuǎn)換效率高、成本低廉穩(wěn)定性差，有效率衰退現(xiàn)象銅銦鎵硒電池19.5±0.6沒有光電效率衰退效應(yīng)、轉(zhuǎn)換率較高、穩(wěn)定性好、工藝簡單銦和硒都是比較稀有的元索、材料來源缺乏CdTe/CdS電池16.5±0.5成本較低、轉(zhuǎn)化率較高、易于大規(guī)模生產(chǎn)鎘有毒（一）晶體硅太陽能電池硅太陽能電池示意圖1.單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池板單晶硅太陽能電池是第一代太陽能電池，目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最大已接近20%。單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)過程示意圖2.多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池的主要優(yōu)勢是成本低，它是第二代太陽能電池。由于單晶硅太陽能電池需要高純硅材料，其材料成本占電池總成本的一半以上。相比之下，多晶硅電池材料制備方法簡單、耗能少，可連續(xù)生產(chǎn)，但其效率較低。多晶硅太陽能電池板（二）非晶硅太陽能電池非晶硅玻璃薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)圖集成型非晶硅太陽能電池

非晶薄膜硅太陽能電池遮陽系統(tǒng)疊層型非晶硅太陽能電池疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池的應(yīng)用從1980年日本Sanyo公司首次使用α-Si太陽電池為袖珍計算機供電以來，α-Si太陽電池的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的在擴大，對民用產(chǎn)品如手表、錄音機、電視機的供電，這種應(yīng)用主要是以低能耗為特點。非晶硅太陽能電池的應(yīng)用在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是在玻璃上直接沉積非晶硅太陽能電池做為屋頂瓦，此種屋頂瓦與普通的屋頂瓦規(guī)模、重量相同，可節(jié)省安裝空間，降低系統(tǒng)費用。如日本目前正在實施的“百萬屋頂”計劃，希望讓光電系統(tǒng)進入家庭。非晶硅太陽電池可用作偏遠地區(qū)的照明和通信能源，可以用于汽車頂棚給汽車電池供電，可以作為小型發(fā)電系統(tǒng)，提供電源。非晶硅太陽能電池的應(yīng)用目前太陽能電池的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，技術(shù)也較成熟，但仍然存在成本高、壽命短等問題。三、光伏發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電是太陽能電池的主要應(yīng)用。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。太陽光輻射能量經(jīng)由光伏電池板直接轉(zhuǎn)換為電能，并通過電纜、控制器、儲能等環(huán)節(jié)進行儲存和轉(zhuǎn)換，提供負載使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖光伏發(fā)電的特點

優(yōu)點：太陽光是一種清潔能源，光伏發(fā)電系統(tǒng)無污染，不產(chǎn)生溫室氣體；沒有運動部件，安靜、可靠，無需特別維護、壽命長，模塊化安裝、在光伏器件的壽命期內(nèi)，發(fā)電費用是固定不變的。

缺點：光伏器件生產(chǎn)過程中耗能大，需要開發(fā)現(xiàn)代節(jié)能的產(chǎn)工藝過程；光伏電站初始投資高，發(fā)電成本相對高。1.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、充電控制器、蓄電池組、正弦波逆變器等組成。工作原理：光伏電池將接收到的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給直流負載或通過正弦波逆變器變換為交流電供給交流負載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能形式存儲在蓄電池中，在日照不足時，存儲在蓄電池中的能量經(jīng)變換后供給負載。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)2.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由三大部分組成：光伏陣列，變換器、控制器等電力電子設(shè)備，蓄電池或其他儲能和輔助發(fā)電設(shè)備。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公