新能源技术-3太阳能

null新能源发电技术新能源发电技术 于 立 军 工学博士 副教授  上海交通大学 热能所 机械大楼 331房间 办公室：3420 6287 手机： 1390 188 2379 ljyu@sjtu.edu.cn石油工业 石油工业 如果能够顺利转成现实，俄罗斯每年出口中国的石油量将暴涨20倍，由150万吨扩大至3000万吨，从而彻底改变俄罗斯原油出口中国全靠火车运输的局面。中哈石油管道2004年9月开工，预计2005年年底建成。管道投入运营后将保证每年向中方输出1000万吨原油。第三章：太阳能发电 第三章：太阳能发电 §3.1 太阳能概述 §3.2 有关太阳能辐射的基本知识 §3.3 太阳能集热器 §3.4 太阳能电池 §3.5 太阳能制氢 §3.6 太阳能电池发电的前景 思考§3.1 太阳能概述§3.1 太阳能概述 太阳能是太阳辐射出的能量。在地球上，除了原子能以外，太阳能是其它各种能量（燃料能、风能、水能）的来源。 太阳是一个巨大的炽热的气体星球，它源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量，这称为太阳辐射。太阳辐射仅有极微小的部分（约二十亿分之一）到达地球，是地球上最主要的能量源泉。太阳每分钟向地球输送的能量，大约相当于燃烧 4亿吨煤产生的热量。 太阳能的利用手段主要是光-热转换（太阳能热水器、太阳房）、光-电转换（单晶硅太阳能电池，理论效率28%）和太阳能-氢能系统。 32008年奥运新能源建设从太阳中心至1/4太阳半径处，集中了太阳物质质量的一半，这里的温度高达1500万度，压强达2500亿个大气压（离它2000千米以内的所有东西都将全部被烧焦），称此区域为核反应区，太阳所发射的能量的99%在这里产生。1万平方公里等于5个三峡发电量§3.2 有关太阳能辐射的基本知识 §3.2 有关太阳能辐射的基本知识 3.2.1 太阳辐射通量和太阳常数 3.2.2 大气层外太阳辐射光谱 3.2.3 大气对太阳辐射的消弱作用 3.2.4 大气对地面的保温作用 3.2.5 太阳直接辐射通量 3.2.6 气温的日变化和年变化3我国的太阳能资源§3.3 太阳能集热器 §3.3 太阳能集热器 太阳能集热器 太阳能发展计划 3.3.1 平板型太阳集热器 3.3.2 全玻璃真空太阳集热管 3.3.3 聚焦型集热器3大型太阳能热水系统我国的太阳能资源“能源革命迫在眉睫”地球的能流图§3.4 太阳能电池§3.4 太阳能电池3.4.1 太阳能电池发电原理 3.4.2 太阳能电池的转换效率 3.4.3 种类丰富的太阳能电池 3.4.4 太阳能电池发电系统的构成 3.4.5 光波发电 优点 缺点3优点： 1. 资源免费、永久使用； 2. 发电效率与发电规模无关； 3. 无NOx、Sox排放； 4. 无转动、无噪音。缺点： 1. 能量密度低； 2. 发电效率低； 3. 受气候影响； 4. 需要辅助发电设备； 5. 发电成本高。所谓的太阳能电池就是通过半导体，将太阳能直接转换为电能的发电装置。§3.5 太阳能制氢 §3.5 太阳能制氢 利用太阳能制氢，以氢气作为载能体，大规模地收集利用太阳能，为人类提供了一个既能满足能源需求，又不污染环境的替代能源。 德国一座500kW的太阳能制氢试验厂目前已经投入试验运行。生产的氢气被用作锅炉和内燃机的燃料或者用于燃料电池的运行。在沙特阿拉伯也建成一个类似的350kW的太阳能制氢系统。 3§3.6 太阳能电池发电的前景§3.6 太阳能电池发电的前景 为了进一步普及太阳能电池，今后在提高太阳能电池效率和降低成本的同时，提高辅助设备的性能、降低成本。并尽可能多样化，如建材一体化型太阳能电池模块的开发。 日本打算在2005年将太阳能电池的发电成本降至25日元/kWh，2010年将太阳能电池的发电成本降至20日元/kWh。从而走出一条成本降低需求扩大生产规模扩大进一步降低成本的良性循环。 32008年奥运新能源建设 2008年奥运新能源建设 地热采暖及水源热泵：至2008年，全市共完成地热井160眼。建设奥运公园地热供暖工程，为奥运场馆提供地热采暖面积40万平方米。 　　太阳能利用：大力推进太阳能利用，实施光伏发电示范工程，在奥运公园内实现光伏发电3MW，同时实现90%的生活热水由太阳能加热。建设奥运公园光电利用工程、奥运公园光热利用工程。 　　风能发电：在北京周边地区现有及计划建设的风力发电厂装机容量约为5万kW，其能力基本达到奥运公园所需电力的20 %（申奥承诺），争取在举办奥运会期间向周边地区购买风力发电，同时积极探索在延庆建设风力发电厂的可行性。 　　生物质能：提高农村用能品位，改善农村大气环境和水环境，实现农业废弃物资源综合利用。主要实施生物质气化集中供气系统工程和大型沼气能环工程。 　　燃料电池汽车和电动汽车：研究和开发燃料电池汽车和电动汽车，以改善交通所造成的污染。 R我国的太阳能资源我国的太阳能资源R地球上的能流图（单位106MW）地球上的能流图（单位106MW）R地球绕太阳运行的示意图地球绕太阳运行的示意图R太阳能 发电系统太阳能 发电系统15kW 50kWR太阳能 热水系统太阳能 热水系统R大型太阳能 热水系统大型太阳能 热水系统R3.2.1 太阳辐射通量和太阳常数3.2.1 太阳辐射通量和太阳常数近日点： 日地距离为1.47亿km，视角为32’59” （1月3日） 远日点： 日地距离为1.52亿km，视角为31’27” （7月4日） 天文单位： 视角为31’59”，日地距离为1.50亿km，它是日地间的平均距离，也称为一个天文单位太阳辐射通量： 单位面积单位时间内所获得的太阳辐射能，单位为W/m2 太阳常数： Io 当日地距离为平均日地距离时，在大气层上界，垂直于太阳辐射表面上的太阳辐射通量。目前世界公认为1353 W/m2 地球绕太阳运行的示意图3.23.2.2 大气层外太阳辐射光谱3.2.2 大气层外太阳辐射光谱 太阳辐射的主要波长范围是 0.15 微米～4 微米。其中，人眼能看见的光线，波长在0.4 微米 ～0.76 微米之间，叫做可见光线。 波长小于 0.4 微米的紫外线和大于0.76 微米的红外线，人们肉眼都无法看见。 由实验得知，物体的温度愈高，它的辐射中最强部分的波长愈短；物质温度愈低，辐射中最强部的波长愈长。 太阳表面温度高达6000K ，它的辐射能主要集中在波长较短的可见部分，可见光差不多占太阳辐射能量的一半。为此，人们把太阳辐射称为短波辐射。 3.23.2.3 大气对太阳辐射的消弱作用3.2.3 大气对太阳辐射的消弱作用1.   吸收作用 2.   散射作用 3.   漫反射作用 太阳能辐射要穿过厚厚的大气层，才能到达地球表面。太阳辐射在经过大气层时，其中一部分被大气吸收。大气对太阳辐射的吸收具有选择性，但是大气直接吸收太阳辐射能量是很少的。 吸收： 臭氧主要吸收太阳辐射较短的紫外线； 水汽和二氧化碳主要吸收太阳辐射较长的红外线； 可见光很少被吸收，大部分可见光能够透过大气射到地面上来。散射： 当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时，太阳辐射的一部分能量便以这些质点为中心，向四面八方散射开来。 在太阳辐射的可见光中，波长较短的蓝色光最容易被散射，所以晴朗的天空呈现蔚蓝色。 3.23.2.4 大气对地面的保温作用3.2.4 大气对地面的保温作用 地面吸收太阳辐射，温度增高，同时地面又把热量向外辐射。由于地球表面的温度比太阳低得多，因此地面辐射的波长比太阳辐射要长得多，其能量主要集中在红外线部分。相对于太阳辐射来说，称为长波辐射。 1、大气具有温室一样的保温作用 2、大气逆辐射对流层大气中的水汽和二氧化碳，对太阳短波辐射的吸收能力很差，也就是说对太阳辐射是透明的；但对地面和波辐射的吸收能力很强。 据观测，地面辐射的 75%～95% 都被贴近地面的大气所吸收，使近地面大气增温。近地面大气又以辐射、对流等方式，把热量传递给高一层大气。这样一层一层地向上传递，从而使地面放出的热量绝大部分保存在大气中，散失到宇宙空间去的贽量就很少了。 大气增温的同时，也向外辐射热量。大气的温度比地面还低，所以大气辐射也是红外线长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙空间，大部分向下射到地面。射向地面的大气辐射方向刚好与地面辐射相反，称为大气逆辐射。 大气逆辐射又把热量还给地面，这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量，起到了保温作用，使地面温度变化比较缓和。 天空有云，特别是浓密的低云，逆辐射更强。所以多云的夜晚通常比晴朗的夜晚温暖些。 3.23.2.5 太阳直接辐射通量3.2.5 太阳直接辐射通量太阳直接辐射通量： 1个大气质量时，大气的透明度： I1=IoP1 m个大气质量时，大气的透明度： Im=IoPm=IoP1m 其中，Io=1353 w/m2 m为大气质量，m=1/sin 30o，30o时，P93 斜面投射辐射通量：Im=IoPm=IoP1mcosi P98如果采用斜面倾角、方位角都不变的固定装置，有要使一年内得到最多的入射辐射，倾角接近当地的纬度时最好，方位角应正朝南。 斜面倾角、方位角关系到入射辐射通量的大小。当入射角为0时，可以获得最大的入射辐射。但地球和太阳的相对位置一直在改变，要使入射角为0，要不断改变斜面倾角、方位角。 3.23.2.6 气温的日变化和年变化3.2.6 气温的日变化和年变化 就对流层大气来说，直接吸收太阳辐射的能量很少，大气的热量主要来自地面辐射。所以说，地面是大气的主要直接热源。 　　日出以后，随着太阳高度角的逐渐增大，太阳辐射不断增强，地面获得的热量不断增多，地面温度不断升高，地面辐射也不断增强。大气吸收地面辐射，气温也跟着不断上升。一天中的最高气温并不出现在太阳辐射最强的正午，而是出现在午后 2 点左右。这是因为正午过后，太阳辐射的热量仍比地面辐射失去的热量多，地面储存的热量继续增多，地面温度继续升高，地面辐射继续增强，气温也继续上升。随着太阳辐射的进一步减弱，地面获得太阳辐射的热量开始少于地面辐射失去的热量时，也就是当地面热量由盈余转为亏损的时刻，地面温度达到最高值。地面再通过辐射、对流等方式将热量传给大气，因此午后 2 时左右气温才达到最高值。 年变化 3.2气温年变化气温年变化R太阳能集热器太阳能集热器 一般家用生活热水负荷为2530立升/日人，对于四口之家，配备2m2的太阳能热水器就可以满足需求。此外，太阳能热水器水系统中的储能工质就是水本身，使系统大大简化。 收集太阳能进行光－热转换的第一步是把太阳能转化为载热介质的热能。因此集热器是太阳能利用装置中最主要的设备之一。通常的集热器可以分为平板型、真空管型和聚焦型。其中，民用多为前两种，聚焦型主要用于热力发电站。R太阳能发展计划太阳能发展计划 1974年，日本的“阳光计划”是一项长期的大型技术开发计划，旨在开发可替代石油的替代能源。它的主要开发目标是开发太阳能、地热能、煤的气化和液化、氢能，此外还有风能、海洋能等。 1978年，制定了有关节能的“月光计划”，是一项大型的节能计划，研究开发繁荣重点是提高利用效率、燃料电池、热泵和超导在电力上的应用。 1989年，推出“地球环境技术开发计划”，该计划主要侧重于人工光合作用固定二氧化碳、二氧化碳的分离和化学物质的分解等。 1993年，又将三项计划全部纳入“新阳光计划”，计划到2020年，每年的费用5亿多美元。“新阳光计划”是一项将对能源和环境作出巨大贡献的综合性中长期技术开发计划。R3.3.1 平板型太阳集热器3.3.1 平板型太阳集热器玻璃盖板：太阳辐射有高的透射率、对红外线辐射有高的反射率，此外还应有较高的机械强度。 吸热元件：有选择性吸收材料。有选择性吸收材料，热损失以对流损失为主；没有选择性吸收材料，热损失以辐射损失为主。 3.3P100热流密度分析纬恩位移定律3.3.2 全玻璃真空太阳集热管3.3.2 全玻璃真空太阳集热管 内、外套管组成。内套管外表面上涂有选择性吸收表面涂层，内部为冷却剂流道。内、外管之间为真空。 硼硅玻璃3.3，其膨胀系数为3.30.110-6℃（膨胀系数大易爆炸）。具有熔化温度极高，化学稳定性极佳等特点。日本人称之为玻璃王，中国人称之为特硬玻璃，管状品每吨高达7000美元。3.3真空管结构热水器结构真空管真空管三高真空管普通真空管R3.3.3 聚焦型集热器3.3.3 聚焦型集热器 投射到地面上的太阳能能量密度很低，这样低的能量密度对于宜在高温下运行的热力发电站来说是不够的。因此，应采用增大能量密度的聚焦型集热器。 1. 一般工作特性 聚光镜的有效面积是：Ac = aL 接收器的表面是：Ar = dL 令 Ac / Ar =c c为聚焦度，它表示能量增加的倍数。 算例 2. 光学跟踪方式 3. 材料要求 3.3算例算例平板型集热器热流密度分析结构（自然对流型、无跟踪设备） 玻璃盖板 绝热材料 集热板鳍片 平板型集热器热流密度分析R纬恩位移定律纬恩位移定律纬恩位移定律电磁波光谱表光学跟踪方式 光学跟踪方式 面积相同的两表面对于太阳光线的位置不同，它们所截获的太阳辐射也完全不同，显然接收表面与太阳光线垂直时截获的能量最多。因此太阳能热力发电装置中的集热器都采用跟踪装置以求尽可能多地截获投入辐射。 （1）焦线按南北方向倾斜布置，东西跟踪。P110 图3-23 （2）焦线按东西方向水平布置，南北跟踪。P112 图3-27R材料要求 材料要求 聚焦镜：铝、银等金属材料。要求是反射率高，易清洗。 接收器：短波吸收率高，长波发射率低的材料作接收器表面涂层。算例电磁波光谱表电磁波光谱表R3.4.1 太阳能电池发电原理3.4.1 太阳能电池发电原理 所谓的太阳能电池，就是将太阳能直接转变成为电能的装置。每个发电单元都是由称作cell的单元构成。对太阳能电池来说，一个cell相当于一个pn结。 半导体 PN结3.4半导体 半导体 p型半导体：是带正电的空穴起支配作用的半导体。例如，在硅中添加适量的硼元素，会形成一些带正电的空穴。 n型半导体：是带负电的电子起支配作用的半导体。例如，在硅中添加磷元素，会形成一些能自由移动的电子。RPN结 PN结 输出电流：由吸收太阳光所产生的电子空穴对的数量所决定； 输出电压：主要由半导体材料的禁带宽度大小所决定。R3.4.2 太阳能电池的转换效率3.4.2 太阳能电池的转换效率太阳能电池转换效率损失的主要原因有以下几种： 1. 电池表面的光反射作用。 2. 电池材料的缺陷，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。 3. 长波的光容易投射到电池底部，变成热量。 4.  电极接触不良，使串联电阻增加。 目前面积为0.25cm2的太阳能电池效率已达到13%。3.43.4.3 种类丰富的太阳能电池3.4.3 种类丰富的太阳能电池 可以作太阳能电池材料很多，有代表性的主要有两大类，既硅系列和化合物系列。其中，硅系列可以分为单晶硅和多晶硅。 硅是最常用的元素之一，在地球上除了氧元素以外，硅是含量最多的元素。 以冶金硅为原料，将杂质降低到百亿分之一以下而获得的高纯度的多晶硅。在此基础上，将多晶硅熔化，并使其原子和分子以同一方向（晶向）周期性地整齐排列，便可生产生成单晶硅。 3.43.4.4 太阳能电池发电系统的构成3.4.4 太阳能电池发电系统的构成1.     太阳能模块 太阳能电池的最小单位是单体(cell)，由很多单体经串、并联，组成发电模块，发电模块根据用户负荷确定。最近国外正在进行低成本的太阳能电池屋顶一体化材料研究。  2.     直交流变换器 直流变交流。  3.     系统保护装置 防漏电、触电事故，系统由保护继电器和断路器构成。  4.     蓄电池 太阳能电池的缺点是受空间、环境的制约大，如气候、天气都会对发电量造成影响。在发电量过剩的时候，要向蓄电池充电；相反在发电量不足的时候，由蓄电池进行供电。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。 太阳能发电系统示意图3.43.4.5 光波发电示意图3.4.5 光波发电示意图3.4太阳能发电系统示意图太阳能发电系统示意图R思考题思考题风能发电系统的构成？ 潮汐能是如何被利用的？ 注：学会查资料、学会利用专利。R课程结束课程结束