新能源與分布式發(fā)電技術(shù)02太陽能及其利用

§2太陽能及其利用關(guān)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(shí)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(jīng)歷了怎樣的開展歷程，開展?fàn)顩r如何？教學(xué)目標(biāo)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(shè)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(tái)利用太陽能抽水的機(jī)器。這可能是世界上第一個(gè)以太陽能為動(dòng)力的設(shè)備。§2.1

太陽能利用的歷史此后到十九世紀(jì)末，世界上又研制出多臺(tái)太陽能裝置。其中，比較成熟的產(chǎn)品是太陽灶。進(jìn)入二十世紀(jì)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(gè)發(fā)光發(fā)熱的巨型氣態(tài)星體。太陽內(nèi)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(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、海洋能等可再生能源，都來自太陽能的轉(zhuǎn)化。就連煤、石油等化石燃料，也是遠(yuǎn)古貯存下來的太陽能。廣義的太陽能，包括上述各種能源。當(dāng)把太陽能作為可再生能源的一種進(jìn)行討論時(shí)，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(zhuǎn)化和利用。太陽的能量，來自其內(nèi)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(yuǎn)，太陽釋放的能量只有22億分之一投射到地球。到達(dá)大氣層上界的太陽輻射功率，經(jīng)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(dá)地球外表的太陽能仍高達(dá)……kWh，相當(dāng)于1300萬億噸標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際到達(dá)人類居住區(qū)域的太陽輻射功率，約占到達(dá)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(duì)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(huì)為能源的枯竭問題擔(dān)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(shí)數(shù)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(guān)。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(shí)間都超過2200小時(shí)。13§2.2

太陽能資源及其分布§我國太陽能資源分布據(jù)來自中國氣象局太陽能風(fēng)能資源評(píng)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(shí)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(jù)20世紀(jì)末期的太陽能分布數(shù)據(jù)，我國劃分為4個(gè)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(diǎn)與常規(guī)能源相比，太陽能具有如下優(yōu)點(diǎn)：〔1〕儲(chǔ)量豐富?！?〕維持長久?！?〕分布廣泛?！?〕維護(hù)方便，運(yùn)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(diǎn)太陽的主要缺點(diǎn)：〔1〕能量的分散性〔能量密度低〕。〔2〕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(chǎn)生的熱能發(fā)電，是在太陽能熱利用的根底上實(shí)現(xiàn)的。一般需要先將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后再將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?shí)際上是“光－熱－電〞的轉(zhuǎn)換過程。太陽能熱發(fā)電有兩種類型：一類是蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電，一類是熱電直接轉(zhuǎn)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(dòng)力發(fā)電，先利用太陽能提供的熱量產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)?！獰犭娭苯愚D(zhuǎn)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(xiàn)象或化學(xué)反響。這類發(fā)電方式的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電裝置本體沒有活動(dòng)部件，但一般發(fā)電量都很小，有的方法尚處于原理性試驗(yàn)階段。相對(duì)成熟一些的，主要是半導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。廣義的光發(fā)電，包括:——光化學(xué)發(fā)電和光生物轉(zhuǎn)換，主要通過光化轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)?！飧袘?yīng)發(fā)電，是利用某些有機(jī)高分子團(tuán)吸收太陽的光能后變成光極化偶極子的現(xiàn)象?！夥l(fā)電，是利用某些物質(zhì)的光電效應(yīng)〔光生伏打效應(yīng)〕，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電方式。22§2.3

太陽能的利用方式§光化學(xué)轉(zhuǎn)換光化學(xué)轉(zhuǎn)換，是指將太陽的光輻射能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能存儲(chǔ)，或者利用太陽光照的作用實(shí)現(xiàn)某些特定的化學(xué)反響過程?！?〕光化學(xué)電池將太陽的光輻射能通過某種化學(xué)反響過程轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽Q為光化學(xué)發(fā)電，通常是指浸泡在溶液中的半導(dǎo)體電極受到光照后，電極上有電流輸出的現(xiàn)象。光化學(xué)發(fā)電還可細(xì)分為液結(jié)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(xué)轉(zhuǎn)換〔2〕光生物發(fā)電綠色植物的光合作用也是一種光化學(xué)轉(zhuǎn)換過程。通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)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(xué)轉(zhuǎn)換過程。葉綠素在光照作用下能產(chǎn)生電流，這是最普遍的生物現(xiàn)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(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)行直接或間接的利用。根據(jù)集熱器所能到達(dá)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括：①點(diǎn)聚焦結(jié)構(gòu),如復(fù)合拋物面反射鏡,菲涅爾透鏡,定日鏡等；②線聚焦結(jié)構(gòu),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(jìn)行加熱從而提供熱水的設(shè)備。由于可以節(jié)省用于加熱的電能，太陽能熱水器被認(rèn)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(yīng)用最完善的就是太陽能熱水器。我國的太陽能熱水器應(yīng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(diào)太陽能空調(diào)是比較常見的利用太陽能制冷的方式。太陽能空調(diào)的能量需求和太陽能的供給比較一致。這是太陽能空調(diào)應(yīng)用最有利的客觀因素。從這方面來看，太陽能空調(diào)應(yīng)該是最合理的太陽能應(yīng)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(jīng)在一些示范工程中應(yīng)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(diǎn)33.4oC〕，水是吸收劑。圖2.14為斯里蘭卡PowerStar公司設(shè)計(jì)的太陽能空調(diào)。34§2.4

太陽能直接熱利用§2.4.3.2光電轉(zhuǎn)化電能驅(qū)動(dòng)制冷光電轉(zhuǎn)換電能驅(qū)動(dòng)制冷，實(shí)際是先把太陽能轉(zhuǎn)換為電能〔是光伏發(fā)電方式〕，再用電力驅(qū)動(dòng)空調(diào)。圖為greencore公司設(shè)計(jì)的10200移動(dòng)式太陽能空調(diào)。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(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等過程，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的和被動(dòng)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(diào)，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度；安裝太陽電池板，提供生活用電。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最正確采光、采暖，冬暖夏涼。還可結(jié)合風(fēng)力、地?zé)岬饶茉醇敖ㄖ?jié)能材料，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)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(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，除了池底的有限散熱，根本不?huì)向水池外表散熱〔想想：為什么？〕。太陽不斷輻射、底層水不斷儲(chǔ)熱，水溫就越來越高。將池底的熱取出，就可以進(jìn)行各種應(yīng)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(tǒng)的構(gòu)成39§2.5

太陽能熱發(fā)電§2.5.1太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成〔1〕集熱局部定日鏡〔聚光系統(tǒng)〕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(zhuǎn)換為熱能提供給工質(zhì)?！?〕熱能傳輸局部把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱局部。〔3〕蓄熱與熱交換局部蓄熱裝置保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)定。熱能通過熱交換裝置，轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽。〔4〕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(tǒng)的根本類型較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計(jì)大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個(gè)龐大的太陽能收集場，來實(shí)現(xiàn)聚光功能。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以分為三個(gè)根本類型：槽式線聚焦系統(tǒng)、塔式定日鏡聚焦系統(tǒng)和碟式點(diǎn)聚焦系統(tǒng)。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，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(tǒng)整個(gè)槽式系統(tǒng)由多個(gè)呈拋物線形彎曲的槽型反射鏡構(gòu)成。每個(gè)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(diǎn)連線的一個(gè)管狀接收器上。其應(yīng)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(tǒng)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(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。塔式系統(tǒng)聚光比高，易于實(shí)現(xiàn)較高的工作溫度，系統(tǒng)容量大、效率高，因而適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。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(tǒng)碟式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)，由許多反射鏡組成一個(gè)大型拋物面，類似大型的拋物面雷達(dá)天線，聚光比可達(dá)數(shù)百倍到數(shù)千倍；在該拋物面的焦點(diǎn)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(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱到很高溫度，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。其應(yīng)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(yīng)與光伏材料光伏效應(yīng)，是指當(dāng)光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合材料上，在不同的部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光伏效應(yīng)是物質(zhì)吸收光能產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象，是太陽的光輻射能通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。發(fā)現(xiàn)故事：光伏效應(yīng)

詳見教材。趣聞：愛因斯坦與光伏效應(yīng)很多人至今都以為愛因斯坦的獲獎(jiǎng)是因?yàn)樗南鄬?duì)論，可實(shí)際上并非如此……45§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.1光伏效應(yīng)與光伏材料光伏發(fā)電對(duì)光伏材料的一般要求是：－要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；－材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；－材料便于工業(yè)化生產(chǎn)，－材料的性能要穩(wěn)定；等等。制造光伏電池的半導(dǎo)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(chǎn)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(jié)構(gòu)和原理光伏電池，是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)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(gòu)成的。單體光伏電池是指具有正、負(fù)電極，并能把光能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖47§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.2.1光伏電池的結(jié)構(gòu)和原理(a)半導(dǎo)體晶片(b)帶正電的空穴向P型半導(dǎo)體區(qū)移動(dòng)，帶負(fù)電的電子向N型半導(dǎo)體區(qū)移動(dòng)(c)電子從N區(qū)負(fù)電極流出負(fù)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(jié)構(gòu)〔主要是P-N結(jié)的特點(diǎn)〕分類，有同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池、肖特基結(jié)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(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般由太陽能電池方陣、儲(chǔ)能蓄電池、保護(hù)和控制系統(tǒng)、逆變器等設(shè)備組成。〔1〕光伏電池方陣根據(jù)功率需要，將多個(gè)光伏單體電池經(jīng)串并聯(lián)，并封裝在一起，組成一個(gè)可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，即光伏電池組件。還可把多個(gè)電池組件再串、并聯(lián)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(tǒng)〔2〕儲(chǔ)能蓄電池光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定性、不連續(xù)，獨(dú)立工作時(shí)，常常需要配備儲(chǔ)能裝置，以保證對(duì)用戶的可靠供電。陽光充足時(shí)，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(bǔ)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(jià)格比最優(yōu)、應(yīng)用最廣。51§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.3光伏發(fā)電系統(tǒng)〔3〕保護(hù)和控制系統(tǒng)在小型或獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，保護(hù)和控制功能主要是蓄電池的保護(hù)，防止過充電和過放電。對(duì)于大中型或并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，保護(hù)和控制系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著平衡、管理系統(tǒng)能量，保護(hù)蓄電池及整個(gè)系統(tǒng)正常工作和顯示系統(tǒng)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(tǒng)53§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.4光伏發(fā)電的特點(diǎn)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(yùn)輸。從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來看，〔1〕運(yùn)輸、安裝容易〔2〕運(yùn)行、維護(hù)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(huì)有這些優(yōu)點(diǎn)？〕54§2.6

太陽能光伏發(fā)電§2.6.4光伏發(fā)電的特點(diǎn)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(diǎn)造成的?！?〕能量分散〔能量密度低〕。