太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

04二月20231太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)第一節(jié)、概述概述-太陽(yáng)能光伏我國(guó)太陽(yáng)電池的研究開發(fā)始于1958年，1971年就成功地將自主研發(fā)的太陽(yáng)電池首次應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星上。1973年開始將太陽(yáng)電池用于地面。自1981年開始，太陽(yáng)電池及其應(yīng)用開始列入國(guó)家的科技攻關(guān)計(jì)劃。2000年以后國(guó)家科技部又啟動(dòng)了國(guó)家“863”計(jì)劃和“973”計(jì)劃，分別對(duì)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和基礎(chǔ)性研究給以支持。04二月20232概述-太陽(yáng)能光伏現(xiàn)階段進(jìn)入民用領(lǐng)域的太陽(yáng)電池主要是晶體硅太陽(yáng)電池，占目前產(chǎn)量的90%以上。薄膜太陽(yáng)電池已被公認(rèn)為未來(lái)太陽(yáng)電池發(fā)展的主要方向之一，具有省材、低能耗，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)、原材料豐富、無(wú)毒、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)制造成本低，在建筑光伏一體化（BIPV）、荒漠電站等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，是目前研發(fā)領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容之一04二月20233概述-太陽(yáng)能光伏晶體硅太陽(yáng)電池是在單晶或多晶體硅片上通過(guò)擴(kuò)散制結(jié)而制成的2006年為369.5MW，2007年產(chǎn)量超過(guò)1GW，2008年超過(guò)2GW04二月20234單晶硅太陽(yáng)電池和多晶硅太陽(yáng)電池概述-太陽(yáng)能光伏太陽(yáng)能光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率在12%至16%，實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到20%左右。硅類電池的成本問(wèn)題始終是制約其進(jìn)一步發(fā)展的最主要的因素，發(fā)電成本在3元左右04二月20235概述-太陽(yáng)能光伏在多晶硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由于基礎(chǔ)薄弱，高端生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備基本依賴進(jìn)口且受到限制，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在技術(shù)性能、工藝、產(chǎn)能等方面與國(guó)際先進(jìn)水平差距明顯，致使物料及電力消耗大、生產(chǎn)規(guī)模小、超高純產(chǎn)品難以獲得、生產(chǎn)成本高、污染大、競(jìng)爭(zhēng)力差。在硅材料加工環(huán)節(jié)，主要設(shè)備有長(zhǎng)晶設(shè)備和硅片（錠、棒）切割設(shè)備兩種。用于單晶生長(zhǎng)的國(guó)產(chǎn)單晶爐以優(yōu)良的性能價(jià)格比占據(jù)了國(guó)內(nèi)絕大部分市場(chǎng)且開始批量出口周邊亞洲國(guó)家；用于多晶生長(zhǎng)的多晶硅鑄錠爐盡管起步較晚，總體技術(shù)水平如單位功耗、穩(wěn)定性、出料率等方面與國(guó)外尚有差距，但進(jìn)步迅速.切割設(shè)備需要從國(guó)外進(jìn)口04二月20236概述-太陽(yáng)能光伏在電池制造環(huán)節(jié)，我國(guó)光伏設(shè)備企業(yè)在短短的數(shù)年內(nèi)已基本具備晶體硅太陽(yáng)電池制造設(shè)備的整線裝備能力，且已出口到了新加坡、印度和臺(tái)灣等地，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在自動(dòng)化、設(shè)備精細(xì)化方面與進(jìn)口設(shè)備仍有差距。04二月20237概述-太陽(yáng)能光伏奧運(yùn)主體育館光伏幕墻和奧運(yùn)中心區(qū)景觀燈04二月20238概述-太陽(yáng)能光伏西藏羊八井100kW和甘肅武威500kW大型荒漠電站04二月20239羊八井甘肅武威概述-太陽(yáng)能熱發(fā)電國(guó)際：聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電（CSP）在西班牙的良好發(fā)展和美國(guó)的巨大應(yīng)用潛力的引領(lǐng)下，已進(jìn)入了新的發(fā)展階段，預(yù)計(jì)到2020年有望達(dá)到25GW。西班牙目前有22個(gè)項(xiàng)目，總計(jì)1037MW正在建設(shè)中。這些項(xiàng)目預(yù)計(jì)均將在2010年底前并入電網(wǎng)。美國(guó)正在建設(shè)中目前有75MW裝機(jī)容量，處于準(zhǔn)備階段的項(xiàng)目8.5GW。目前，CSP的發(fā)電成本在11-25美分/kWh之間。04二月202310概述-太陽(yáng)能熱發(fā)電國(guó)內(nèi)：目前標(biāo)志性的項(xiàng)目是正在開展1MW塔式電站的研究，發(fā)電工質(zhì)參數(shù)390C,2.35MPa，將于2010年發(fā)電。04二月202311電工研究所和皇明太陽(yáng)能集團(tuán)聯(lián)合研制的可沿高度角翻轉(zhuǎn)180的定日鏡（125m2）

電工研究所和皇明太陽(yáng)能集團(tuán)聯(lián)合研制的可沿高度角翻轉(zhuǎn)90的高光效定日鏡（100m2）04二月202312第二節(jié)、關(guān)于太陽(yáng)輻射的基本知識(shí)太陽(yáng)輻射通量：?jiǎn)挝幻娣e單位時(shí)間內(nèi)所截獲的太陽(yáng)輻射能，I，W/m2。太陽(yáng)常數(shù)：當(dāng)日地距離為一個(gè)天文單位距離時(shí)，在地球大氣層上界，垂直于太陽(yáng)輻射的截面上的太陽(yáng)輻射通量，I0

，I0=1353W/m2。太陽(yáng)常數(shù)的修正：n為從一月一日算起到該計(jì)算日的天數(shù)04二月202313地球表面上的太陽(yáng)輻射大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用大氣質(zhì)量m:太陽(yáng)輻射到達(dá)地面時(shí)在地球大氣中穿行的相對(duì)距離。簡(jiǎn)化計(jì)算（偏于保守）：推薦計(jì)算公式：04二月202314大氣透明度P:P1表示一個(gè)大氣質(zhì)量時(shí)的大氣透明度，即太陽(yáng)輻射穿過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量之后的輻射通量I1和大氣上界的輻射通量I0之比m個(gè)大氣質(zhì)量時(shí)的大氣透明度:太陽(yáng)輻射穿過(guò)個(gè)大氣質(zhì)量之后的輻射通量:在一般的情況下，最好的晴天可取P1=0.85，較好的晴天取P1=0.80，中等的晴天取P1=0.65，較差的晴天取P1=0.5304二月202315地理幾何因素對(duì)太陽(yáng)輻射的影響日地之間的關(guān)系天球：04二月20231604二月202317天球觀察者所在的水平面為天球的水平面，經(jīng)過(guò)球心與該水平面垂直的直徑的上端點(diǎn)為天頂，天球的赤道面為經(jīng)過(guò)球心、與地球赤道平面平行的球面。經(jīng)過(guò)球心、與地球自轉(zhuǎn)軸平行的直線為天球的軸線，并與天球交于其南北兩極。經(jīng)過(guò)天頂以及南北方向線的圓面為天球子午面經(jīng)過(guò)天球南北極和太陽(yáng)的圓稱為時(shí)圈，時(shí)圈與天球子午面之間的夾角稱為時(shí)角

，當(dāng)?shù)卣嬲鐣r(shí)，=0，上午為負(fù)，下午為正。地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15度當(dāng)?shù)氐乩砭暥瘸嗑暯牵禾?yáng)在天球上的緯度，太陽(yáng)與觀察者的連線與天球赤道面的夾角，是日期的函數(shù)d為從元旦到該計(jì)算日的天數(shù)太陽(yáng)高度角:即太陽(yáng)與觀察者的連線與水平面之間的夾角:維度：北半球?yàn)檎?，南半球?yàn)樨?fù)赤緯角：赤道面以北為正，以南為負(fù)時(shí)角：上午為負(fù)，下午為正太陽(yáng)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的關(guān)系北京時(shí)間是東經(jīng)120度經(jīng)線的太陽(yáng)時(shí)，不是北京當(dāng)?shù)氐奶?yáng)時(shí)。北京的地理位置為東經(jīng)116度21′，北京太陽(yáng)時(shí)=北京時(shí)間-4X（120-116.3)+E=北京時(shí)間-14.8因此北京太陽(yáng)時(shí)比北京時(shí)間晚約14分半鐘太陽(yáng)時(shí)=標(biāo)準(zhǔn)時(shí)-4(標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度-當(dāng)?shù)亟?jīng)度)+修正項(xiàng)E

單位：分鐘兩個(gè)特定情況=0，=：此時(shí)大氣質(zhì)量為1，只能在南北回歸線之間的地區(qū)實(shí)現(xiàn)=0：對(duì)應(yīng)日出和日落的時(shí)間（地球每小時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)15度）負(fù)根對(duì)應(yīng)于日出時(shí)刻正根對(duì)應(yīng)于日落時(shí)刻（小時(shí)）緯度為40度地區(qū)的日落時(shí)間（太陽(yáng)時(shí)）太陽(yáng)方位角：太陽(yáng)與觀察者之間的連線在水平面上的投影和正南方的夾角，規(guī)定太陽(yáng)方位角在正南以東為正，以西為負(fù)。確定了太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度，即可確定太陽(yáng)在天空的位置04二月202324太陽(yáng)在天空中的軌跡：太陽(yáng)在天球上的運(yùn)行軌道04二月202325緯度為40度地區(qū)的太陽(yáng)軌跡圖太陽(yáng)軌跡圖：太陽(yáng)軌跡在水平面的投影04二月202326我國(guó)太陽(yáng)總輻射的分布我國(guó)陸地地區(qū)每年太陽(yáng)能輻射能的總量分布04二月202327投射到斜面上的太陽(yáng)輻射

平面對(duì)水平面的傾角為斜面的法線方向在水平面上的投影與正南方的夾角為斜面的方位角，，正南以東為正，以西為負(fù)斜面法線與入射太陽(yáng)光之間的夾角稱為入射角，i到達(dá)斜面的太陽(yáng)輻射通量為：04二月202328課堂練習(xí)計(jì)算2010年3月18日15時(shí)15分，在北京的觀察者看到的太陽(yáng)在天空中的位置（太陽(yáng)高度和方位角）此時(shí)的大氣質(zhì)量若此時(shí)大氣透明度為0.51，計(jì)算到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量一個(gè)太陽(yáng)能熱水器朝正南放置，與水平面夾角20度，計(jì)算此時(shí)到達(dá)熱水器表面的太陽(yáng)輻射通量。04二月202329第三節(jié)、太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能的利用通常有兩種方式：光—>電轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能電池光—>熱轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器的分類：聚焦式：提高能量密度，設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高不聚焦式（平板式）：造價(jià)低、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，通常效率較低，不能獲得很高的介質(zhì)溫度04二月2023321、平板型集熱器不必跟蹤太陽(yáng)，使用、維護(hù)簡(jiǎn)單方便；投資少；不僅可以接收到直接輻射，也可以接收利用漫射輻射。平板型集熱器不能提高輻射強(qiáng)度，只能提供中、低溫載熱介質(zhì)，主要用于供暖、空調(diào)等方面04二月202333雙層玻璃蓋集熱器的熱網(wǎng)絡(luò)Qu-可用能，載熱介質(zhì)帶走的熱量Tp-吸熱元件的溫度；Ta-環(huán)境溫度；Tg1-外層玻璃板的溫度；Tg2-第二層玻璃板的溫度；Tb-集熱器底部溫度；R1-吸熱板和第二層玻璃板之間的熱阻（對(duì)流+輻射）；R2-第二層玻璃板和第一層玻璃板之間的熱阻（對(duì)流+輻射）；R3-外層玻璃板和外界空氣之間的對(duì)流熱阻；R4-集熱器底部的導(dǎo)熱熱阻；R5-集熱器底部和環(huán)境空氣之間的對(duì)流熱阻（通?？珊雎裕?；Re-邊界的導(dǎo)熱熱阻。

計(jì)算集熱器熱損失的已知條件為：吸熱板的溫度Tp，外界空氣溫度Ta，外界風(fēng)速V，以及集熱器各部件的物性參數(shù)。頂部熱損失系數(shù)的計(jì)算計(jì)算過(guò)程應(yīng)首先估計(jì)玻璃板的溫度，計(jì)算各部分熱阻，計(jì)算總的熱損失系數(shù)，計(jì)算熱損失，再計(jì)算各層玻璃板的溫度，并和上一次的溫度相比較，如偏差較大，則采用新算出的玻璃板溫度，重復(fù)計(jì)算。04二月202335頂部熱損失系數(shù)的計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式s為集熱器傾角，單位為度N為玻璃板的層數(shù)W/(m2.K4)，黑體輻射常數(shù)W/(m2.K)，外層玻璃板與外界空氣的對(duì)流換熱系數(shù)底部和周邊熱損失底部以及周邊的換熱為通過(guò)絕熱層的導(dǎo)熱和外表面與空氣的對(duì)流換熱兩個(gè)串聯(lián)的環(huán)節(jié)，底部熱阻為：周邊的熱損失為：集熱器熱損失的總熱損失系數(shù)總的熱損失為平板型集熱器的熱分析平板型集熱器穩(wěn)態(tài)熱平衡：吸熱板吸收的熱量=載熱介質(zhì)帶走的熱量+損失的熱量透過(guò)吸收積，是玻璃板和吸熱板對(duì)光線反射、吸收、穿透的綜合效果有用熱量，可用能實(shí)際上吸熱元件的溫度Tp很難測(cè)得，如果在上述可用能計(jì)算式中，用載熱介質(zhì)的平均溫度Tac

代替Tp，可得由于所以定義平板型集熱器的效率因子為設(shè)計(jì)良好的集熱器，應(yīng)使集熱器具有較高的透過(guò)吸收積，較小的總熱損失系數(shù)，追求較高的效率因子2.聚焦型集熱器優(yōu)點(diǎn)：增大能量密度；減小散熱損失；提高載熱介質(zhì)的溫度缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，多數(shù)不能吸收漫射輻射分類：按聚光的方法：反射聚光和折射聚光按焦像的形狀：點(diǎn)聚光、線聚光聚焦型集熱器的組成①聚光器；②接收器；③跟蹤系統(tǒng)柱形拋物面集熱器：反射鏡的口徑；：反射鏡的焦距；：在橫切面內(nèi)，從接收器看反射鏡上一點(diǎn)對(duì)主光軸的偏角；：反射鏡的邊緣角；：反射鏡的相對(duì)口徑；：接收器的直徑；：集熱器的長(zhǎng)度。：截光角，也稱太陽(yáng)張角，32‘聚光度c：能量密度的增大倍數(shù)投射到聚光鏡上的能量為到達(dá)接收器的能量為略去損失，則聚光鏡的投影面積為接收器的表面積為投射到反射鏡上的能量密度為投射到接收器上的能量密度為聚光度c為：也稱為幾何聚光度是聚焦型集熱器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一對(duì)于吸收面為平面的柱形拋物面集熱器，假定入射光線平行于主光軸，則最大幾何聚光度為：接收器的絕熱平衡溫度T絕熱平衡：無(wú)對(duì)流熱損失、無(wú)熱利用，接收器接收的投入輻射的熱量等于自身發(fā)射輻射放出的熱量→投入輻射通量，W/m2→反射鏡投影面積，m2；→反射鏡的反射率；→接收器表面的吸收率；→接收器的面積，m2；→接收器表面的發(fā)射率；拋物面反射鏡的太陽(yáng)焦像04二月202347w焦點(diǎn)上太陽(yáng)焦像的寬度為：拋物線的方程為：可以寫成則04二月202348焦像寬度在邊緣角處取得最大值:焦像寬度：04二月202349柱型拋物面反光鏡-圓管接收器系統(tǒng)聚光比c的計(jì)算幾何聚光比接收器的最小直徑其中04二月202350根據(jù)拋物線方程進(jìn)行分析可得

則接收器最小半徑聚光比代入在極值點(diǎn)，c對(duì)n的一階偏導(dǎo)數(shù)為0：04二月202352旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡-圓板接收器系統(tǒng)的聚光比接收器圓板的直徑應(yīng)為聚光比旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡可以獲得很高的聚光比，可以獲得很高的熱源溫度,從而提高熱動(dòng)力循環(huán)熱效率取則聚焦型集熱器的效率集熱器的效率是集熱器載熱介質(zhì)實(shí)際獲得的能量與投入到反射鏡上的太陽(yáng)輻射能之比柱型拋物面聚焦型集熱器：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投入到反射鏡的能量單位時(shí)間內(nèi)，接收器接受的能量→截光因數(shù)→跟蹤誤差修正系數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)，接收器的熱損失：輻射熱損失：對(duì)流熱損失：集熱器實(shí)際獲得的能量集熱器的效率光學(xué)效率對(duì)流損失輻射損失柱形拋物面聚焦型集熱器的光學(xué)跟蹤方式全跟蹤系統(tǒng)極軸式全跟蹤系統(tǒng)：極軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行高度角-方位角式全跟蹤：方位軸垂直于水平面一維跟蹤系統(tǒng)焦線按南北方向傾斜布置，東西跟蹤：傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥绕湫Ч^好焦線按南北方向水平布置，東西跟蹤：方式簡(jiǎn)單，但收集太陽(yáng)能的效果不理想焦線按東西方向水平布置，南北跟蹤：方式簡(jiǎn)單，調(diào)整的幅度最??；但收集太陽(yáng)能的效果不理想其它典型的聚焦型集熱器Winston拋物鏡集熱器oo′ABCD優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，成本低，基本不需跟蹤裝置，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。固定條形鏡聚光集熱器特點(diǎn)：反射鏡固定在地面支撐上，不必跟蹤太陽(yáng)，只需接收器作相應(yīng)的調(diào)整性能：幾何聚光比在30～50左右；正常工作溫度為150～250℃；屬于中等溫度、小功率的集熱裝置，可用于發(fā)電、制冷系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)的能量供應(yīng)ADD′中心接收定日鏡陣聚光系統(tǒng)主要用于大功率的熱發(fā)電系統(tǒng)聚光比高，可達(dá)100～1000；可以達(dá)到較高的吸熱介質(zhì)溫度，通常在500℃以上。定日鏡的控制精度要求高，難度大定日鏡的制作成本高PowertowerinBarstow,California.04二月202360第四節(jié)、太陽(yáng)能熱力發(fā)電塔式太陽(yáng)能熱電站電站總效率可以達(dá)到15%以上。改進(jìn)的系統(tǒng)總發(fā)電效率可以達(dá)到25%～28%

04二月202361液體鈉太陽(yáng)能電站可以把鍋爐（蒸汽發(fā)生器）放置于地面，塔頂?shù)慕邮掌鞒叽巛^小，從而減小高塔和接收器以及部分管道的投資費(fèi)用62SolarOneLocatednearBarstow,CaliforniaOperatedfrom1982to198663SolarTwoSolarTwoimprovedthethermalstorageofSolarOnePhotofrom/solar2/04二月202364分散布置曲面聚焦熱電站柱形拋面鏡聚焦集熱器蓄能器給水泵飽和水節(jié)流調(diào)節(jié)閥初蒸汽可以提供350℃以上中等壓力的蒸汽容量可大可??；設(shè)備在地面，安裝、維修、操作等都比較方便，費(fèi)用低；輸熱管路系統(tǒng)復(fù)雜，輸熱損失較大，熱效率偏低；造價(jià)比定日鏡陣偏低，但仍然較高04二月202365太陽(yáng)能集熱器的最佳運(yùn)行條件太陽(yáng)能熱電站系統(tǒng)的總的效率=集熱器效率×熱力循環(huán)效率隨著集熱器溫度出口的升高而降低隨著集熱器溫度出口的升高而降低04二月202366低聚光比系統(tǒng)的最佳運(yùn)行溫度低聚光比的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，載熱介質(zhì)很難達(dá)到高的出口溫度，因此在集熱器效率的分析中，集熱器的輻射熱損失不占主導(dǎo)地位，因?qū)?、?duì)流形成的熱損失不可以忽略，集熱器的熱損失按溫壓的一次方考慮集熱器的效率熱動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)按理想的卡諾循環(huán)考慮則集熱器-卡諾循環(huán)系統(tǒng)的總的效率為：典型情況環(huán)境溫度為5℃即278K集熱器熱損失系數(shù)透過(guò)吸收積反射鏡的反射率集熱器的聚光比為系統(tǒng)總效率隨集熱器溫度的變化曲線W/m2W/(m2.K)，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度04二月202368最佳運(yùn)行溫度可得低聚光比系統(tǒng)的最佳運(yùn)行溫度：按上述典型數(shù)據(jù)，最佳集熱器溫度為452.6K，即179.4℃。此時(shí)，太陽(yáng)能電站的總循環(huán)效率為18.3%在最大效率處，系統(tǒng)效率對(duì)運(yùn)行溫度的一階導(dǎo)數(shù)為0高聚光比系統(tǒng)的最佳運(yùn)行溫度高聚光比系統(tǒng)的輻射熱損失占主導(dǎo)的地位，對(duì)流熱損失相對(duì)較弱，可忽略。因此，集熱器的效率可以表示為：集熱器-卡諾循環(huán)系統(tǒng)的總的效率為04二月202370高聚光比系統(tǒng)總效率隨集熱器溫度的變化曲線由可得最佳運(yùn)行溫度方程：最佳溫度由