能源与动力工程概论 第三章

第三章 新能源与可再生能源第三章 新能源与可再生能源 第一节 太阳能第一节 太阳能 第二节 风能第二节 风能 第三节 地热能第三节 地热能 第四节 海洋能第四节 海洋能 第五节 生物质能第五节 生物质能 第六节 氢能第六节 氢能 第七节 核能第七节 核能 第八节 水能第八节 水能 第九节 可燃冰第九节 可燃冰 返回总目录 第一节 太 阳 能第一节 太 阳 能 概 述概 述 概念与优缺点概念与优缺点 太阳能是指太阳辐射出的能量。太阳能是指太阳辐射出的能量。 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。 尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为 其总辐射能量（约为 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。 尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为 其总辐射能量（约为3.75××l026 W）的）的22 亿分之一，但已高达亿分之一，但已高达1.73××1017 W，换句 话说， ，换句 话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量 就相当于 太阳每秒钟辐射到地球上的能量 就相当于500万吨煤万吨煤。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波 浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来 源于太阳；地球上的化石燃料从根本上 说也是远古以来贮存下来的太阳能。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波 浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来 源于太阳；地球上的化石燃料从根本上 说也是远古以来贮存下来的太阳能。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。 它资源丰富，既可免费使用，又无需运 输，对环境无任何污染。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。 它资源丰富，既可免费使用，又无需运 输，对环境无任何污染。 太阳能两个主要缺点： 一是 太阳能两个主要缺点： 一是能流密度低能流密度低； 二是其强度受各种因素的影响 ； 二是其强度受各种因素的影响不 能维持常量 不 能维持常量。 这两大缺点大大限制了太阳能的 有效利用。 。 这两大缺点大大限制了太阳能的 有效利用。 太阳的构造太阳的构造 太阳是一个炽热的气态球体，它的直径 约为 太阳是一个炽热的气态球体，它的直径 约为1.39××106 km，质量约为，质量约为2.2××1019亿 吨，为地球质量的 亿 吨，为地球质量的3.32××105倍，体积则 比地球大 倍，体积则 比地球大1.3××106倍，平均密度为地球的倍，平均密度为地球的 l4。 主要组成气体为氢（约主要组成气体为氢（约71%）和氦（约）和氦（约 27%）。）。 太阳内部有“里三层”，从中心向外， 依次是： 太阳内部有“里三层”，从中心向外， 依次是： 核反应区核反应区太阳热能产生的基地； 辐射区 太阳热能产生的基地； 辐射区太阳能先通过这里传播出去； 对流区 太阳能先通过这里传播出去； 对流区太阳能经过这里向太阳表层传播，它 们是“输送带”。 太阳能经过这里向太阳表层传播，它 们是“输送带”。 太阳外部有“外三层”，从里向外，依次 是： 太阳外部有“外三层”，从里向外，依次 是： 光球层； 色球层； 日冕层。 光球层； 色球层； 日冕层。 太阳结构示意图太阳结构示意图 太阳构造示意图太阳构造示意图 人们肉眼可见的明亮表面就是人们肉眼可见的明亮表面就是光球层光球层， 我们所见到太阳的可见光，几乎全是由 光球发出的。光球层厚约 ， 我们所见到太阳的可见光，几乎全是由 光球发出的。光球层厚约500 km，温度 为 ，温度 为5 762 K，密度为，密度为10-6g/cm3，它是由强 烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐 射都是由此向太空发射的。 ，它是由强 烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐 射都是由此向太空发射的。 太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚 变反应，不断地释放出巨大的能量，并 以辐射和对流的方式由核心向表面传递 热量，温度也从中心向表面逐渐降低， 表面有效温度约 太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚 变反应，不断地释放出巨大的能量，并 以辐射和对流的方式由核心向表面传递 热量，温度也从中心向表面逐渐降低， 表面有效温度约6000K。 氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1 g质量将亏损质量将亏损0.0072 g，寿命寿命100亿年亿年，因 此太阳能可以说是用之不竭的。 ，因 此太阳能可以说是用之不竭的。 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温 度恒定的黑体，而是一个多层的有不同 波长发射和吸收的辐射体。 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温 度恒定的黑体，而是一个多层的有不同 波长发射和吸收的辐射体。 在太阳能利用中，通常将它视为一个温 度为 在太阳能利用中，通常将它视为一个温 度为6 000 K，发射波长为，发射波长为0.33m的黑 体。 的黑 体。 太阳常数太阳常数 平均日地距离平均日地距离(1.5××108Km)时，在地区 大气层上方垂直于太阳辐射的单位面积 上所接受的太阳辐射能。 时，在地区 大气层上方垂直于太阳辐射的单位面积 上所接受的太阳辐射能。标准值为标准值为 1367W/m2。 太阳辐射由直射和漫射组成。太阳辐射由直射和漫射组成。 太阳能利用的历史太阳能利用的历史 第一阶段第一阶段(19001920)：太阳能动力装置：太阳能动力装置(抽 水 抽 水)； 第二阶段第二阶段(19201945)：二战，冷落；：二战，冷落； 第三阶段第三阶段(19451965)：选择性涂层、硅太阳 能电池； ：选择性涂层、硅太阳 能电池； 第四阶段第四阶段(19651973)：停滞；：停滞； 第五阶段第五阶段(19731980)：能源危机，热潮；：能源危机，热潮； 第六阶段第六阶段(19801992)：落潮；：落潮； 第七阶段第七阶段(1992今今)：环境污染与生态破坏， 发展。 ：环境污染与生态破坏， 发展。 太阳能资源太阳能资源 世界太阳能资源世界太阳能资源 丰富的地域：丰富的地域： 中东、中东、青藏高原青藏高原、非洲南部和北部、 美洲南部和北部、大洋洲。 、非洲南部和北部、 美洲南部和北部、大洋洲。 印度洋和太平洋。印度洋和太平洋。 中国太阳能资源中国太阳能资源 丰富的地域：丰富的地域： 青藏高原第一，拉萨市青藏高原第一，拉萨市日光城。日光城。 内蒙西部第二。内蒙西部第二。 分五类地区分五类地区按太阳能辐射量的多少。按太阳能辐射量的多少。 太阳能利用的发展状况太阳能利用的发展状况 国外国外 光伏发电向大型和超大型并网发展；光伏发电向大型和超大型并网发展； 百兆瓦级太阳能热发电系统已并网运行；百兆瓦级太阳能热发电系统已并网运行； “太阳屋顶”、“零能建筑”。“太阳屋顶”、“零能建筑”。 国内国内 50MWp （Wp=Wpeak ，电池的峰 瓦值单位 ）光伏电站并网运行 ，电池的峰 瓦值单位 ）光伏电站并网运行 “光明工程”、“绿色电力”。“光明工程”、“绿色电力”。 宁夏红寺堡50MWp光伏电站，投资 11.9亿元，2010年4月开工建设， 2011年12月全部并网发电。 宁夏红寺堡50MWp光伏电站，投资 11.9亿元，2010年4月开工建设， 2011年12月全部并网发电。 美国加州帕萨迪纳全球性太阳能发电供应商美国加州帕萨迪纳全球性太阳能发电供应商 esolar公司与山东蓬莱电力设备制造有限公司公司与山东蓬莱电力设备制造有限公司 2010年年1月月9日签订建立两百万千瓦太阳能聚光 热电机组协议，落户陕西榆林 。 日签订建立两百万千瓦太阳能聚光 热电机组协议，落户陕西榆林 。 太阳能利用太阳能利用 太阳能利用太阳能利用 主要包括太阳能主要包括太阳能热利用热利用和太阳能和太阳能光利用光利用。 太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、 供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药 材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热 动力发电等。 太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、 供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药 材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热 动力发电等。 太阳能光利用主要是太阳能太阳能光利用主要是太阳能光伏发电光伏发电和和 太阳能制氢太阳能制氢。 太阳能热利用太阳能热利用 太阳能集热器太阳能集热器 把太阳辐射能转换成热能的设备，它是 太阳能热利用中的关键设备。分为 把太阳辐射能转换成热能的设备，它是 太阳能热利用中的关键设备。分为非聚 光 非聚 光和和聚光聚光两大类。两大类。 平板集热器平板集热器是非聚光类集热器中最简单 且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射 的面积与采集太阳辐射的面积相等，能 利用太阳的直射和漫射辐射。 是非聚光类集热器中最简单 且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射 的面积与采集太阳辐射的面积相等，能 利用太阳的直射和漫射辐射。 平板太阳能集热器工作原理图平板太阳能集热器工作原理图 为了更有效地利用太阳能必须提高入射 阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集 热面上，以获得较高的集热温度，并减 少散热损失，这就是聚光集热器的特点。 为了更有效地利用太阳能必须提高入射 阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集 热面上，以获得较高的集热温度，并减 少散热损失，这就是聚光集热器的特点。 聚光集热器聚光集热器通常由三部分组成：通常由三部分组成：聚光器聚光器、 吸收器吸收器和和跟踪系统跟踪系统。其工作原理是：自 然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加 热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统 则根据太阳的方位随时调节聚光器的位 置，以保证聚光器的开口面与人射太阳 辐射总是互相垂直的。 。其工作原理是：自 然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加 热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统 则根据太阳的方位随时调节聚光器的位 置，以保证聚光器的开口面与人射太阳 辐射总是互相垂直的。 太阳能热利用太阳能热利用 其工作原理是太 阳能透过外玻璃 照射到内管外表 面吸热体上转换 为热能，然后加 热内玻璃管内的 传热流体，由于 夹层之间被抽真 空，有效降低了 向周围环境散失 的热损失，使集 热效率得以提高。 其工作原理是太 阳能透过外玻璃 照射到内管外表 面吸热体上转换 为热能，然后加 热内玻璃管内的 传热流体，由于 夹层之间被抽真 空，有效降低了 向周围环境散失 的热损失，使集 热效率得以提高。 真空集热管真空集热管 最高温度可达200最高温度可达200 太阳能热水器太阳能热水器 自然循环式热水器自然循环式热水器 太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱 和连接管道组成。按照流体流动的方式分类， 可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直 流式和循环式 太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱 和连接管道组成。按照流体流动的方式分类， 可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直 流式和循环式(自然式和强迫式自然式和强迫式)。 太阳能采暖太阳能采暖 分为主动式和被动式两大类。 主动式 分为主动式和被动式两大类。 主动式利用太阳能集热器和相应的蓄 热装置作为热源来代替常规热水（或热 风）采暖系统中的锅炉。 被动式 利用太阳能集热器和相应的蓄 热装置作为热源来代替常规热水（或热 风）采暖系统中的锅炉。 被动式依靠建筑物结构本身充分利用 太阳能来达到采暖的目的，因此它又称 为 依靠建筑物结构本身充分利用 太阳能来达到采暖的目的，因此它又称 为被动式太阳房被动式太阳房。 太阳房工作原理示意图太阳房工作原理示意图 太阳能干燥太阳能干燥 太阳能干燥不但可以节约燃料，缩短干 燥时间，而且由于采用专门的干燥室， 因此干净卫生，必要时还可采用杀虫灭 菌措施，既可提高产品质量，又可延长 产品贮存时间。 太阳能干燥不但可以节约燃料，缩短干 燥时间，而且由于采用专门的干燥室， 因此干净卫生，必要时还可采用杀虫灭 菌措施，既可提高产品质量，又可延长 产品贮存时间。 太阳能干燥器按干燥器（或干燥室）获 得能量的方式可分为：集热器型干燥器， 温室型干燥器，集热器温室型干燥器。 太阳能干燥器按干燥器（或干燥室）获 得能