新能源與分布式發(fā)電技術02太陽能及其利用

§2太陽能及其利用關注的問題太陽的能量是怎樣形成的？有多少賜予了地球上的人類？什么時候人類開始了太陽能的利用？太陽能利用的方式有哪些？太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電的原理是怎樣的？經歷了怎樣的開展歷程，開展狀況如何？教學目標了解太陽能資源及分布情況，掌握太陽能利用的多種方式及各自原理和主要設備，理解太陽能發(fā)電的重要意義。1§2.1

太陽能利用的歷史21615年，法國工程師創(chuàng)造了第一臺利用太陽能抽水的機器。這可能是世界上第一個以太陽能為動力的設備?！?.1

太陽能利用的歷史此后到十九世紀末，世界上又研制出多臺太陽能裝置。其中，比較成熟的產品是太陽灶。進入二十世紀以后，太陽能科技獲得了比較快的開展，但其開展道路比較曲折。1901年以后，美國、埃及先后建成了太陽能抽水裝置。3§2.1

太陽能利用的歷史4§2.1

太陽能利用的歷史5§2.1

太陽能利用的歷史6§2.2

太陽能資源及其分布§太陽能概述太陽是一個發(fā)光發(fā)熱的巨型氣態(tài)星體。太陽內部不停地發(fā)生著由氫聚變成氦的熱核反響，并向宇宙釋放出巨大的能量。射到地球的陽光，向地球輸送了大量的光和熱，成為地球上萬物生長的源泉。7§2.2

太陽能資源及其分布§太陽能概述風能、水能、生物質能、海洋能等可再生能源，都來自太陽能的轉化。就連煤、石油等化石燃料，也是遠古貯存下來的太陽能。廣義的太陽能，包括上述各種能源。當把太陽能作為可再生能源的一種進行討論時，太陽能指的是直接照射到地球外表的太陽輻射能〔包括光和熱〕；通常所說的太陽能利用，是指太陽輻射能的直接轉化和利用。太陽的能量，來自其內部的熱核反響。以光輻射的形式，每秒鐘向太空發(fā)射約3.74×1026J的能量。8§2.2

太陽能資源及其分布§太陽能概述因距離遙遠，太陽釋放的能量只有22億分之一投射到地球。到達大氣層上界的太陽輻射功率，經過大氣層的反射和吸收，能夠投射到地面的只有47%左右。盡管如此，每年到達地球外表的太陽能仍高達……kWh，相當于1300萬億噸標準煤，是全球能耗的上萬倍。陸地面積只占地球外表的21％，再除去沙漠、森林、山地及江河湖泊，實際到達人類居住區(qū)域的太陽輻射功率，約占到達地球大氣層的太陽總輻射功率的5％～6％。9§2.2

太陽能資源及其分布§太陽能概述太陽大約還可以持續(xù)100億年。相對于人類開展歷史而言，可以說是“無窮無盡〞了。太陽能是各種可再生能源中最重要的根本能源，其分布最廣，也最容易獲取。如果能有效地利用太陽提供的能量，那么人類未來就不會為能源的枯竭問題擔憂了。10§2.2

太陽能資源及其分布§世界太陽能資源分布太陽能資源的豐富程度一般以單位面積的全年總輻射量和全年日照總時數來表示。分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候狀況有關。世界太陽能資源的分布規(guī)律見教材上的圖2.3。11§2.2

太陽能資源及其分布§世界太陽能資源分布12§2.2

太陽能資源及其分布§我國太陽能資源分布我國陸地大局部處于北溫帶，太陽能資源十分豐富，每年陸地接收的太陽輻射總量，大約是1.9×1016kWh。全國各地太陽年輻射總量根本都在3000～8500MJ/m2之間，平均值超過5000MJ/m2。而且大局部國土面積年日照時間都超過2200小時。13§2.2

太陽能資源及其分布§我國太陽能資源分布據來自中國氣象局太陽能風能資源評估中心的資料，我國的太陽能資源全年總輻射量分布如下圖。各地的日照時間參見教材的圖2.5。我國的太陽能全年總輻射量分布圖14§2.2

太陽能資源及其分布§我國太陽能資源分布15§2.2

太陽能資源及其分布§我國太陽能資源分布根據20世紀末期的太陽能分布數據，我國劃分為4個太陽能資源帶，如圖2.6所示。各太陽能資源帶的全年太陽能總輻射量如表所示。前3類地區(qū)覆蓋大面積國土，有利用太陽能的良好條件。IV類地區(qū)太陽能資源較差，有的地方也有太陽能可開發(fā)利用。16§2.2

太陽能資源及其分布§太陽能資源的特點與常規(guī)能源相比，太陽能具有如下優(yōu)點：〔1〕儲量豐富?！?〕維持長久?！?〕分布廣泛?！?〕維護方便，運行本錢低?！?〕清潔，無污染。17§2.2

太陽能資源及其分布§太陽能資源的特點太陽的主要缺點：〔1〕能量的分散性〔能量密度低〕?！?〕能量的不穩(wěn)定性?！?〕能量的間歇性，不連續(xù)。18§2.3

太陽能的利用方式§太陽能熱利用19§2.3

太陽能的利用方式§太陽能發(fā)電〔1〕太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電就是利用太陽輻射所產生的熱能發(fā)電，是在太陽能熱利用的根底上實現的。一般需要先將太陽輻射能轉變?yōu)闊崮?，然后再將熱能轉變?yōu)殡娔?，實際上是“光－熱－電〞的轉換過程。太陽能熱發(fā)電有兩種類型：一類是蒸汽熱動力發(fā)電，一類是熱電直接轉換。20§2.3

太陽能的利用方式§太陽能發(fā)電〔1〕太陽能熱發(fā)電——蒸汽熱動力發(fā)電，先利用太陽能提供的熱量產生蒸汽，再利用蒸汽驅動發(fā)電機?！獰犭娭苯愚D換，即利用太陽能提供的熱量直接發(fā)電〔多是依靠特殊的物理現象或化學反響。這類發(fā)電方式的優(yōu)點是發(fā)電裝置本體沒有活動部件，但一般發(fā)電量都很小，有的方法尚處于原理性試驗階段。相對成熟一些的，主要是半導體溫差發(fā)電。21§2.3

太陽能的利用方式§太陽能發(fā)電〔2〕太陽能光發(fā)電太陽能光發(fā)電是指不通過熱過程而直接將光能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。廣義的光發(fā)電，包括:——光化學發(fā)電和光生物轉換，主要通過光化轉換過程實現?！飧袘l(fā)電，是利用某些有機高分子團吸收太陽的光能后變成光極化偶極子的現象?！夥l(fā)電，是利用某些物質的光電效應〔光生伏打效應〕，將太陽光輻射能直接轉變成電能的發(fā)電方式。22§2.3

太陽能的利用方式§光化學轉換光化學轉換，是指將太陽的光輻射能轉換為化學能存儲，或者利用太陽光照的作用實現某些特定的化學反響過程?！?〕光化學電池將太陽的光輻射能通過某種化學反響過程轉變?yōu)殡娔埽Q為光化學發(fā)電，通常是指浸泡在溶液中的半導體電極受到光照后，電極上有電流輸出的現象。光化學發(fā)電還可細分為液結光化電池、光電解電池和光催化電池等。23§2.3

太陽能的利用方式§光化學轉換〔2〕光生物發(fā)電綠色植物的光合作用也是一種光化學轉換過程。通過光合作用將太陽能轉換成為生物質的過程，稱為光生物利用。光生物發(fā)電，通常是指葉綠素電池發(fā)電，也是一種光化學轉換過程。葉綠素在光照作用下能產生電流，這是最普遍的生物現象之一。要做成穩(wěn)定的葉綠素電池目前還比較困難(為什么？)。24§2.4

太陽能直接熱利用太陽能的熱利用，根本原理是利用集熱裝置將太陽輻射能收集起來，再通過與介質的相互作用轉換成熱能，進行直接或間接的利用。根據集熱器所能到達的溫度和用途，通?？砂烟柲軣崂梅譃榈蜏乩?、中溫利用〔200～800℃〕和高溫利用。25§2.4

太陽能直接熱利用§集熱器類型集熱器就是用于收集太陽的輻射能并將其轉換為熱能的裝置。目前廣泛使用的太陽能集熱器，可以分為三大類?！?〕平板集熱器平板集熱器的吸熱局部主體是涂有黑色吸收涂層的平板。如下圖。26§2.4

太陽能直接熱利用§集熱器類型〔1〕平板集熱器平板集熱器外觀27§2.4

太陽能直接熱利用§集熱器類型〔2〕真空管集熱器其核心部件是真空管，按照材料來分，有全玻璃真空管和金屬真空管兩類。比較常見的是黑色鍍膜的真空玻璃管。28§2.4

太陽能直接熱利用§集熱器類型〔3〕聚焦型集熱器采用特定的聚焦結構設計，將太陽輻射聚集到較小的集熱面上，從而獲得很高的能流密度和集熱溫度。常見的聚焦結構設計，包括：①點聚焦結構,如復合拋物面反射鏡,菲涅爾透鏡,定日鏡等；②線聚焦結構,如槽型拋物面反射鏡和柱狀拋物面反射鏡。29§2.4

太陽能直接熱利用§太陽灶和熱水器§太陽能熱水器太陽能熱水器就是利用太陽輻射的熱量進行加熱從而提供熱水的設備。由于可以節(jié)省用于加熱的電能，太陽能熱水器被認為是最重要的環(huán)保節(jié)能措施之一。在太陽能熱利用的各種方式中，開展和應用最完善的就是太陽能熱水器。我國的太陽能熱水器應用穩(wěn)居世界第一?！苍斠娊滩摹?0§2.4

太陽能直接熱利用§太陽能熱水器常見的太陽能熱水器系統的結構如下圖。31§2.4

太陽能直接熱利用§太陽灶太陽灶是一種收集太陽能并將吸收的熱量用于炊事的裝置。常采用球面的點聚焦型集熱器，如下圖。32§2.4

太陽能直接熱利用§太陽能空調太陽能空調是比較常見的利用太陽能制冷的方式。太陽能空調的能量需求和太陽能的供給比較一致。這是太陽能空調應用最有利的客觀因素。從這方面來看，太陽能空調應該是最合理的太陽能應用方案之一。33§2.4

太陽能直接熱利用§太陽能吸收式制冷吸收式制冷，是利用熱能直接制冷的最常用方式。比較成熟的是“溴化鋰-水溶液〞吸收制冷，已經在一些示范工程中應用，效果理想?！簿唧w原理，詳見教材〕也可以用氨－水溶液，其中氨是制冷劑〔沸點33.4oC〕，水是吸收劑。圖2.14為斯里蘭卡PowerStar公司設計的太陽能空調。34§2.4

太陽能直接熱利用§2.4.3.2光電轉化電能驅動制冷光電轉換電能驅動制冷，實際是先把太陽能轉換為電能〔是光伏發(fā)電方式〕，再用電力驅動空調。圖為greencore公司設計的10200移動式太陽能空調。35§2.4

太陽能直接熱利用§太陽能房太陽能房是綜合利用太陽能光熱轉換、光電轉換等過程，實現主動的和被動的太陽能利用的節(jié)能建筑。安裝太陽能熱水器，提供生活熱水；安裝太陽能空調，調節(jié)室內溫度；安裝太陽電池板，提供生活用電。設計實現最正確采光、采暖，冬暖夏涼。還可結合風力、地熱等能源及建筑節(jié)能材料，實現零耗能建筑3637§2.4

太陽能直接熱利用§太陽池太陽池是一種集中儲存太陽能的方式，并可作為熱源使用。池水為鹽水，一般表層為清水，越往深處鹽度越大，底層甚至為飽和狀態(tài)。池底深而黑，光輻射被池底吸收轉變?yōu)闊崮芎?，除了池底的有限散熱，根本不會向水池外表散熱〔想想：為什么？〕。太陽不斷輻射、底層水不斷儲熱，水溫就越來越高。將池底的熱取出，就可以進行各種應用，而且這種熱源還比較穩(wěn)定。世界上最早的太陽池〔在死海，詳見教材〕38§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.1太陽能熱發(fā)電系統的構成39§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.1太陽能熱發(fā)電系統的構成〔1〕集熱局部定日鏡〔聚光系統〕的作用是提高功率密度。集熱器的作用是將聚焦后的太陽能輻射吸收，并轉換為熱能提供給工質?！?〕熱能傳輸局部把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱局部?！?〕蓄熱與熱交換局部蓄熱裝置保證發(fā)電系統的熱源穩(wěn)定。熱能通過熱交換裝置，轉化為高溫高壓蒸汽?！?〕汽輪發(fā)電局部40§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.2太陽能熱發(fā)電系統的根本類型較大規(guī)模的熱發(fā)電系統，往往需要設計大面積的聚光系統，形成一個龐大的太陽能收集場，來實現聚光功能。太陽能熱發(fā)電系統可以分為三個根本類型：槽式線聚焦系統、塔式定日鏡聚焦系統和碟式點聚焦系統。也有一些不用聚焦結構的太陽能發(fā)電系統，多采用真空管集熱器，如教材上的圖2.17所示。41§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.2.1槽式太陽能熱發(fā)電系統整個槽式系統由多個呈拋物線形彎曲的槽型反射鏡構成。每個槽式反射鏡都將其接收到的太陽光聚集到處于其截面焦點連線的一個管狀接收器上。其應用情況，詳見教材。42§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.2.2塔式太陽能熱發(fā)電系統一般是在空曠平地上建立高塔，高塔頂上安裝接收器；以高塔為中心，在周圍地面上布置大量的太陽能反射鏡群；把陽光積聚到接收器上，加熱工質，產生高溫高壓蒸汽推動汽輪機發(fā)電。塔式系統聚光比高，易于實現較高的工作溫度，系統容量大、效率高，因而適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統。最早的和最大的太陽能熱電站，都是塔式太陽能熱電站?！苍斠娊滩摹?3§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.2.3碟式太陽能熱發(fā)電系統碟式太陽熱發(fā)電系統，由許多反射鏡組成一個大型拋物面，類似大型的拋物面雷達天線，聚光比可達數百倍到數千倍；在該拋物面的焦點上安放熱能接收器，利用反射鏡把入射的太陽光聚集到熱能接收器所在的很小的面積上，收集的熱能將接收器內的傳熱工質加熱到很高溫度，驅動發(fā)動機進行發(fā)電。其應用情況參見教材。44§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.1光伏效應與光伏材料光伏效應，是指當光照在不均勻半導體或半導體與金屬組合材料上，在不同的部位之間產生電位差的現象。光伏效應是物質吸收光能產生電動勢的現象，是太陽的光輻射能通過半導體物質轉變?yōu)殡娔艿倪^程。發(fā)現故事：光伏效應

詳見教材。趣聞：愛因斯坦與光伏效應很多人至今都以為愛因斯坦的獲獎是因為他的相對論，可實際上并非如此……45§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.1光伏效應與光伏材料光伏發(fā)電對光伏材料的一般要求是：－要有較高的光電轉換效率；－材料本身對環(huán)境不造成污染；－材料便于工業(yè)化生產，－材料的性能要穩(wěn)定；等等。制造光伏電池的半導體材料，的有十幾種。第一代光伏電池主要基于硅晶片，采用單晶硅和多晶硅材料制成，目前仍是光伏產品市場的主流。其它光伏材料，詳見教材。46§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.2光伏電池§2.6.2.1光伏電池的結構和原理光伏電池，是利用光伏效應將太陽能直接轉換為電能的器件，也叫太陽能電池，都是由很多單體光伏電池構成的。單體光伏電池是指具有正、負電極，并能把光能轉換成電能的最小光伏電池單元。常規(guī)的單體硅光伏電池結構示意圖47§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.2.1光伏電池的結構和原理(a)半導體晶片(b)帶正電的空穴向P型半導體區(qū)移動，帶負電的電子向N型半導體區(qū)移動(c)電子從N區(qū)負電極流出負電，空穴從P區(qū)正電極流出正電48§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.2.2光伏電池的類型按電池的結構〔主要是P-N結的特點〕分類，有同質結光伏電池、異質結光伏電池、肖特基結光伏電池、薄膜光伏電池、疊層光伏電池濕式光伏電池，等?！苍斠娊滩摹?9§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.3光伏發(fā)電系統光伏發(fā)電系統，一般由太陽能電池方陣、儲能蓄電池、保護和控制系統、逆變器等設備組成?！?〕光伏電池方陣根據功率需要，將多個光伏單體電池經串并聯，并封裝在一起，組成一個可以單獨作為電源使用的最小單元，即光伏電池組件。還可把多個電池組件再串、并聯起來

并裝在支架上，組成光伏電池陣列。50§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.3光伏發(fā)電系統〔2〕儲能蓄電池光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定性、不連續(xù)，獨立工作時，常常需要配備儲能裝置，以保證對用戶的可靠供電。陽光充足時，剩余的能量給蓄電池充電。日照缺乏的情況下，由蓄電池向用戶補充供電。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、硅膠蓄電池和堿性鎘鎳蓄電池，其中鉛酸蓄電池功率價格比最優(yōu)、應用最廣。51§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.3光伏發(fā)電系統〔3〕保護和控制系統在小型或獨立運行的光伏發(fā)電系統中，保護和控制功能主要是蓄電池的保護，防止過充電和過放電。對于大中型或并網運行的光伏發(fā)電系統，保護和控制系統擔負著平衡、管理系統能量，保護蓄電池及整個系統正常工作和顯示系統工作狀態(tài)等重要作用。52§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.3光伏發(fā)電系統53§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.4光伏發(fā)電的特點從太陽能資源的角度來看：太陽能是最豐富、最廣泛的可再生能源。不僅總量巨大，而且分布廣泛，獲取容易，不需要開采和運輸。從光伏發(fā)電系統的角度來看，〔1〕運輸、安裝容易〔2〕運行、維護簡單〔3〕平安，可靠，壽命長〔4〕清潔，環(huán)境污染少〔想想，為什么會有這些優(yōu)點？〕54§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.4光伏發(fā)電的特點太陽能光伏發(fā)電的缺乏主要是由太陽能資源本身的弱點造成的?！?〕能量分散〔能量密度低〕。