新能源發(fā)電技術 課件 第4章 太陽能發(fā)電

4.1太陽能的利用基礎與利用方式目錄Contents4.1.1太陽的概況4.1.2日地天文關系4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算4.1.5太陽能資源分布及利用途徑目錄Contents4.1.1太陽的概況4.1.2日地天文關系4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減4.1.44.1.5太陽能資源分布及利用途徑地球表面太陽輻射強度的計算太陽的主要成分是氫和氦，其中氫約占78.4%，氮約占19.8%，其他元素只占1.8%。太陽99%的能量是由中心核反應區(qū)的熱核反應產(chǎn)生的。太陽自內(nèi)向外可分為光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰崛齻€層次。4.1.1太陽概況-太陽的結構名稱名稱紅外輻射X射線微波紫外線無線電波可見光長電振蕩表4-1電磁波譜各部劃分

4.1.1太陽概況-太陽光譜表4-1電磁波譜各部劃分4.1.1太陽概況-太陽光譜表4-1電磁波譜各部劃分

4.1.1太陽概況-太陽輻射功率表4-1電磁波譜各部劃分

4.1.1太陽概況-太陽輻射功率目錄Contents4.1.1太陽的概況4.1.2日地天文關系4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算4.1.5太陽能資源分布及利用途徑地平圈；天頂和天底；周日運動；天球北極和天球南極；天軸；天球赤道；子午圈。（以觀察者為圓心O）4.1.2日地天文關系-天球坐標系

4.1.2日地天文關系-赤道坐標系4.1.2日地天文關系-赤道坐標系赤緯角(??)：與赤道平面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。通常將太陽直射點的緯度，即太陽中心和地心的連線與赤道平面的夾角稱為赤緯角，常以??表示。

4.1.2日地天文關系-地平坐標系4.1.2日地天文關系-地平坐標系

4.1.2日地天文關系-地平坐標系

4.1.2日地天文關系-日地距離目錄Contents4.1.1太陽的概況4.1.2日地天文關系4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算4.1.5太陽能資源分布及利用途徑

4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減-太陽常數(shù)大氣質(zhì)量：無量綱量，太陽光線透過地球大氣層的實際行程長度與太陽光線在天頂角方向垂直透過地球大氣層的行程之比。如寫作AM1.5。大氣質(zhì)量越大，說明光線經(jīng)過大氣的路程越長，產(chǎn)生的衰減越多，到達地面的能量就越少。4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減-大氣質(zhì)量

4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減-大氣質(zhì)量

4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減-大氣透明度目錄Contents4.1.1太陽的概況4.1.2日地天文關系4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算4.1.5太陽能資源分布及利用途徑

4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算-水平面

4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算-水平面

4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算-傾斜面

4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算-傾斜面不同地面的反射率地面類型反射率地面類型反射率地面類型反射率干燥黑土0.14森林市區(qū)濕黑土0.08干沙地0.18巖石干灰色地面濕沙地0.09麥地濕灰色地面新雪0.81黃沙0.35干草地殘雪高禾植物區(qū)濕草地水田0.23海水水面對不同入射角的太陽直射輻射的反射率0102030405060708090反射率0.020.020.0210.0210.0250.0340.060.1340.3481

4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算-傾斜面

4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算-傾斜面目錄Contents4.1.1太陽的概況4.1.2日地天文關系4.1.3太陽輻射在地球大氣層中的衰減4.1.4地球表面太陽輻射強度的計算4.1.5太陽能資源分布及利用途徑

4.1.5太陽能資源分布及利用途徑-太陽能分布1.光熱轉換將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉換成熱能并加以利用。主要有平板型集熱器、真空管型集熱器和聚焦型集熱器3種。低溫光熱轉換（小于200℃）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；中溫光熱轉換（200-800℃）的主要設備有槽式光熱系統(tǒng)、太陽灶和太陽爐等；高溫光熱轉換（大于800℃）的主要設備有聚焦型集熱器。4.1.5太陽能資源分布及利用途徑-利用途徑2.太陽能發(fā)電主要有兩種技術手段：太陽能熱發(fā)電及太陽能光伏發(fā)電技術。太陽能熱發(fā)電技術是通過利用中高溫集熱器將太陽輻射能轉換成熱能，然后通過熱力循環(huán)過程進行發(fā)電；太陽能光伏發(fā)電技術是通過光電器件利用光生伏特效應將太陽輻射能直接轉換為電能。4.1.5太陽能資源分布及利用途徑-利用途徑

4.1.5太陽能資源分布及利用途徑-利用途徑太陽能的主要特點是什么？有哪些主要的利用方式，請指出其應用領域。短波輻射與長波輻射的概念？什么是選擇性吸收材料，舉例說明其應用。什么是太陽常數(shù)和大氣質(zhì)量？為什么要引入太陽常數(shù)和大氣質(zhì)量等概念？習題與思考題謝謝！4.2太陽能集熱器目錄Contents4.2.1太陽能集熱器概述4.2.2平板型太陽能集熱器4.2.3真空管型太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器目錄Contents4.2.1太陽能集熱器概述4.2.2平板型太陽能集熱器4.2.3真空管型太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器4.2.1太陽能集熱器概述平板型產(chǎn)水量大，但熱效率較低，只適合一般民用真空管型熱效率比較高，但無法滿足工業(yè)領域的中高溫熱用戶聚焦型可將工質(zhì)加熱到很高的溫度，能夠適合中高溫熱用戶目錄Contents4.2.1太陽能集熱器概述4.2.2平板型太陽能集熱器4.2.3真空管型太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器由透明蓋板、保溫材料、吸熱板組成工質(zhì)溫度低于80℃，用于生活熱水、采暖4.2.2平板型太陽能集熱器-總體結構1-吸熱板；2-透明蓋板；3-隔熱層；4-外殼管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等4.2.2平板型太陽能集熱器-吸熱板遮風擋雨減小對流熱損失布置層數(shù)結合熱損失和對太陽光減弱綜合考慮4.2.2平板型太陽能集熱器-透明蓋板熱導率低、絕熱性好工作溫度、使用地區(qū)的氣候條件等因素來確定材料的導熱系數(shù)越大、集熱器的工作溫度越高、使用地區(qū)的氣溫越低，則隔熱層就越厚一般厚度30-50mm4.2.2平板型太陽能集熱器-隔熱層1-吸熱板；2-透明蓋板；3-隔熱層；4-外殼一定的強度、剛度美觀耐腐蝕性、成本、密封性4.2.2平板型太陽能集熱器-外殼目錄Contents4.2.1太陽能集熱器概述4.2.2平板型太陽能集熱器4.2.3真空管型太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器將平板太陽能集熱器吸熱板和蓋板間抽真空與聯(lián)集管（或稱為聯(lián)箱）、尾托架一起組成一臺真空管型太陽能集熱器4.2.3真空管型太陽能集熱器-總體結構4.2.3真空管型太陽能集熱器-原理1-玻璃外管2-玻璃內(nèi)管3-選擇性吸收涂層4-真空5-彈簧支架6-消氣劑7-保護帽目錄Contents4.2.1太陽能集熱器概述4.2.2平板型太陽能集熱器4.2.3真空管型太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器-原理菲涅爾式集熱器槽式太陽能集熱器塔式太陽能集熱器碟式太陽能集熱器4.2.4聚焦型太陽能集熱器-聚光比衡量其聚光程度的特征參數(shù)是聚光比，表示聚光器和接收器的有效面積比值L：有效長度，a：聚光器有效寬度，d：接收器直徑聚光器的有效面積為：接收器的有效面積：聚光比：4.2.4聚焦型太陽能集熱器-工質(zhì)溫度計算熱平衡：接收器吸收熱量和對外散發(fā)熱量相等（假定工質(zhì)不流動）Ac、Ar：聚光器、接收器有效面積I：輻射通量

：聚光器反射率

、

：接收器吸收率、發(fā)射率

：波爾茨曼常數(shù)c=1000,T=1932K;c=3000,T=2540K實際因為工質(zhì)流動達不到太陽能集熱器有哪幾種常見類型？各自有什么樣的特點？簡述平板型集熱器與真空管型集熱器的區(qū)別。為什么聚焦型集熱器可以將工質(zhì)加熱到很高的溫度？習題與思考題謝謝！4.3太陽能光熱發(fā)電技術目錄Contents4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)4.3.5太陽能儲熱技術目錄Contents4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)4.3.5太陽能儲熱技術4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)-系統(tǒng)組成槽式集熱器儲熱罐熱交換器汽輪機發(fā)電機4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)-槽式聚光集熱器集熱管槽式反射鏡支撐架光學跟蹤系統(tǒng)目錄Contents4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)4.3.5太陽能儲熱技術4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)-系統(tǒng)組成聚光鏡吸熱塔儲熱罐蒸汽發(fā)生器汽輪發(fā)電機組4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)-聚光系統(tǒng)匯聚太陽能至吸收器跟蹤太陽位置陣列排列的平面鏡占地面積大4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)-熔鹽系統(tǒng)熔鹽——硝酸鈉、硝酸鉀混合物被加熱至500℃-600℃左右，換熱后溫度降至250℃-300℃左右熔鹽混合物的凝固點在220℃左右目錄Contents4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)4.3.5太陽能儲熱技術4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)-系統(tǒng)組成拋物面反射鏡接收器斯特林機發(fā)電機4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)-聚光鏡多個小鏡片組成高聚光比（可達3000）高集熱溫度（約1000℃）4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)-斯特林機活塞式外燃機原理：熱脹冷縮工作氣體：氫氣、氦氣等目錄Contents4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)4.3.5太陽能儲熱技術4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)-聚光鏡和反射鏡將拋物面鏡離散化可處在同一平面二次反射鏡再匯聚發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢劣勢槽式系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模商用，跟蹤系統(tǒng)結構簡單；占地面積比塔式系統(tǒng)小。工作溫度較低，太陽能熱電轉換效率低。塔式系統(tǒng)聚光比高，容易達到更高的工作溫度；太陽能熱電轉換效率高；對于地面的平整度要求不高，可在山坡上建設。每鏡面需單獨的跟蹤系統(tǒng)以調(diào)整鏡面角度；吸熱塔建設成本較高；正處在示范工程階段。碟式系統(tǒng)可單臺運行，也可多套并聯(lián)使用；可獲得高工作溫度；太陽能熱電轉換效率高。斯特林發(fā)動機重量大，需高強度支架結構；可靠性尚需加強，生產(chǎn)成本較高。線式菲涅爾系統(tǒng)聚光性較好，合理利用空間。目前只是示范工程。目錄Contents4.3.1槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.3碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)4.3.4線性菲涅爾發(fā)電系統(tǒng)4.3.5太陽能儲熱技術4.3.6太陽能儲熱技術-顯熱儲存物質(zhì)在不發(fā)生氣固液相變的情況下，由于溫度升高或降低所吸收或釋放的熱量叫做顯熱我們把利用物質(zhì)的顯熱來儲存熱量的方式，稱為顯熱儲存假設物性不變積分4.3.6太陽能儲熱技術-顯熱儲存材料選擇時需考慮儲熱材料工作溫度范圍、比熱等因素液體顯熱儲存——以水為主固體顯熱儲存——使用熔沸點高材料、不易反應腐蝕4.3.6太陽能儲熱技術-潛熱儲存物質(zhì)發(fā)生固-液或液-氣等相變時所吸收或放出的熱量稱為相變潛熱，把利用物質(zhì)的相變潛熱來進行儲熱的方式稱為潛熱儲存，也稱為相變儲熱。Q：儲存熱量m：工質(zhì)質(zhì)量λ：相變潛熱4.3.6太陽能儲熱技術-化學儲熱利用可逆化學反應進行儲熱例如：澳大利亞國立大學提出一種儲存太陽能的方式叫做“氨閉合回路熱化學過程”，在這個過程里，氨吸收太陽能分解成氫氣和氮氣，儲存太陽能，然后在一定條件下進行放熱反應，重新生成氨?？赡娣磻胶鉁囟龋簻囟雀哂谄胶鉁囟龋M行吸熱反應；低于平衡溫度，進行放熱反應。化學儲熱具有儲能密度高，可長期儲存等優(yōu)點。用于化學儲熱的材料必須滿足反應可逆性好、反應熱大以及價格適中等條件。光熱發(fā)電的基本原理是什么？光熱發(fā)電系統(tǒng)一般由那幾部分組成？簡述塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的組成結構和工作原理。有哪幾種主要的太陽能儲熱方式？各種方式儲熱原理是什么？習題與思考題謝謝！4.4太陽能光伏發(fā)電技術目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1839年——發(fā)現(xiàn)光電效應1883年——第一個光伏器件1974年——第一個具有實用價值的單晶硅太陽能電池，效率6%1985年——能量轉化效率第一次超過20%1990年——太陽能電池與建筑物結合，BIPV4.4.1太陽能電池目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2.1

P型半導體和N型半導體-能帶理論單個原子中的電子在繞核運動時，在各個軌道上的電子都各自具有特定的能量越靠近核的軌道，電子能量越低根據(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶價帶的上面有一個禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù)的能級禁帶之上則為導帶，導帶中的能級就是價電子掙脫共價鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級禁帶寬度用Eg表示，其值與半導體的材料及其所處的溫度等因素有關。T=300K時，硅的Eg=1.1eV；鍺的Eg=0.72eV。

4.4.2.1

P型半導體和N型半導體-形成原理N型P型4.4.2.2

p-n節(jié)的形成電子、空穴濃度擴散電子、空穴耗盡3、5價原子留在原地形成內(nèi)建電場摻雜濃度大，內(nèi)建電場強4.4.2.3光生伏特效應光照時價帶電子被激發(fā)到導帶p-n兩側都會出現(xiàn)電子空穴對電子空穴對被內(nèi)建電場分離p-n結兩側形成了正負電荷的積累——光生電壓外接負載形成電流——光生伏特效應短路電流、開路電壓目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.3.1太陽能電池的工作特性-輸出特性I0：飽和電流密度；q：電子電荷；T：熱力學溫度；K：波爾茨曼常數(shù)；IL：光生電流（理想情況的短路電流）太陽能電池的電流-電壓特性的關系式：光生電流計算公式：A：橫截面積；q：電子電荷；G：電子-空穴對產(chǎn)生率；W：耗盡區(qū)長度；Le、Lh：p型區(qū)、n型區(qū)擴散長度4.4.3.1太陽能電池的工作特性-輸出特性令I=0，得到理想情況下開路電壓VOC：

填充因子FF：Vmp、Imp太陽能電池輸出功率最大時的工作電壓和工作電流能量轉換效率η：目前商用單晶硅太陽能電池的能量轉換效率在18%~24%4.4.3.2極限效率和效率損失-極限效率

FF為Voc的函數(shù)，Voc越大，η越大

由要得到較大的開路電壓

Voc，I0需盡可能小，故要計算Voc的最大值，需要求得

I0的最小值。對于硅，最大Voc約為700mV，相應的最高填充因子FF為0.84，再結合最大短路電流

Isc，可得到最高轉換效率約為

29.1%

4.4.3.2極限效率和效率損失-效率損失1.短路電流損失

（1）裸露的硅的表面反射率很高。可以使用減反射膜來減少這種表面反射損失；（2）在太陽能電池p型和n型兩端制作的電極會遮住5%~15%的光照；（3）電池不夠厚，有些強烈的光線將直接穿出太陽能電池板，變成熱量使電池升溫。4.4.3.2極限效率和效率損失-效率損失2.開路電壓損失

決定開路電壓Voc的主要因素是半導體中的復合。復合過程釋放能量，不利于光電轉換。半導體中的復合速度越高，開路電壓就越小。然而在內(nèi)建電場的作用下，p-n節(jié)耗盡區(qū)的復合速度很大，會造成開路電壓的損失4.4.3.2極限效率和效率損失-損失3.溫度影響

隨溫度升高，VOC近似線性地減小，光電轉