新能源技术作者侯雪第三章节课案

1,第三章 太阳能及其利用,2,第一节 太阳能概述,一、太阳和太阳辐射能,太阳是一个发光发热的巨型气态恒星。位于太阳系中心 太阳内部不停地发生着由氢聚变成氦的热核反应，并向宇宙释放出巨大的能量。 射到地球的阳光，向地球输送了大量的光和热，成为地球上万物生长的源泉。,3,1太阳内部构造,太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射层和对流层。,太阳核心的温度极高，达到1500万K，太阳中心区的物质密度非常高。是太阳巨大能量的发源地。辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.71个太阳半径，从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。,4,2太阳辐射能,太阳辐射能又称太阳辐射热，是地球外部的全球性能源，大致可以分为：直接太阳辐射、天空散射辐射、地表反射辐射、地面长波辐射及大气长波辐射。 太阳能，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。 地球上所有的生命和文明都得益于太阳提供的能量。,5,二、太阳能资源及其分布,因距离遥远，太阳释放的能量只有22 亿分之一投射到地球。到达地球大气层的太阳能，经过大气层的反射和吸收，30%被大气层反射，23%被大气层吸收。能够投射到地面的只有47%左右。 地球上陆地面积只占地球表面的21，除去沙漠、森林、山地及江河湖泊，实际到达人类居住区域的太阳辐射功率，约占到达地球大气层的太阳总辐射功率的56。 尽管如此，每年到达地球表面的太阳能仍相当于1300 万亿t标准煤，是全球能耗的上万倍。,6,太阳能资源的丰富程度一般以单位面积的全年总辐射量和全年日照总时数来表示。 分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候状况有关。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。 美国NASA(美国国家航空航天局 )建有一个包含各地日照数据的数据库。其中给出部分城市的日照时间。,7,1世界太阳能资源分布,8,2我国太阳能资源分布,大体上说，我国约有三分之二以上的地区太阳能资源较好，特别是青藏高原和新疆、甘肃、内蒙古一带，利用太阳能的条件尤其有利。 我国太阳能资源分布，西部高于东部，而且基本上是南部低于北部（除西藏、新疆以外）,与通常随纬度变化的规律变化的规律并不一致。 这主要是由大气云量以及山脉分布的影响造成的。,9,我国陆地大部分处于北温带，太阳能资源十分丰富，每年陆地接收的太阳辐射总量，大约是1.9×1016 kWh。 全国各地太阳年辐射总量基本都在30008500 MJ/m2 之间，平均值超过5000MJ/ m2。而且大部分国土面积年日照时间都超过2200小时。,10,根据中国气象局太阳能风能资源评估中心的资料，我国的太阳能资源全年总辐射量分布如图所示。,我国的太阳能全年总辐射量分布图,11,一类地区，为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量66808400 MJ/。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部、和西藏西部等地。 二类地区，为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳能辐射总量58506680 MJ/，相当于日辐射量4.55.1kWh/。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。 三类地区，为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳能辐射总量为50005850MJ/，相当于日辐射量3.84.5kWh/。这些地区主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。 四类地区，是我国太阳能资源较差地区，年辐射总量42005000MJ/，相当于日辐射量3.23.8kWh/。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。 五类地区，主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳能辐射总量为33504200MJ/，相当于日辐射量只有2.53.1kWh/。,12,三、太阳能利用的历史,古人对太阳非常崇拜，有很多关于太阳的传说。 世界上最早利用太阳能的国家可能就是中国。周礼有用“夫燧”向太阳取明火的记载。说明至少在3000 多年前的周代，我们的祖先就已经开始利用太阳能了。 早期的应用主要是在白天接受太阳的烘晒和取暖。 从世界范围来看，将太阳能作为一种能源动力加以利用，不到400 年的历史。,13,1615 年，法国工程师发明了第一台利用太阳能抽水的机器。这可能是世界上第一个以太阳能为动力的设备。,此后到十九世纪末，世界上又研制出多台太阳能装置。其中，比较成熟的产品是太阳灶。 进入二十世纪以后，太阳能科技获得了比较快的发展，但其发展道路比较曲折。 1901 年以后，美国、埃及先后建成了太阳能抽水装置。,14,二战后，开始出现太阳能学术组织。对太阳能真正意义上的大规模开发利用渐渐开始。 1952 年法国建成一座功率为50kW 的太阳炉。 1954 年美国研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。 后来由于太阳能利用技术尚不成熟，投资大、效果不佳，发展再度停滞。,15,1973 年中东战争爆发，引发了“能源危机”。许多工业发达国家，重新加强了对太阳能等可再生能源技术发展的支持。 1973 年美国制定了政府的阳光发电计划。1974 年日本政府制定了“阳光计划”。我国也于1975 年在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”。 20 世纪80 年代以后，石油价格大幅度回落，使尚未取得重大进展的太阳能利用技术再度受到冷落。直到全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁，才又得到人们的重视。,16,1992 年在巴西召开的联合国“世界环境与发展大会”，通过了一系列重要文件。 1996 年“世界太阳能高峰会议”，发表了太阳能与持续发展宣言,并讨论了世界太阳能10年行动计划，国际太阳能公约,世界太阳能战略规划等重要文件。 我国也提出10 年对策和措施，明确要因地制宜的开发和推广太阳能等清洁能源，并制定了中国21世纪议程，进一步明确了太阳能重点发展目标。 太阳能利用的主要形式，包括太阳能供热、太阳能热发电、太阳能光伏发电。其中以太阳能供热技术最为成熟。,3、太阳能的利用方式,太阳能热利用,直接把太阳能转换为热能供人类使用（例如：加热和取暖），称为太阳能的热利用，或者叫光热利用。 直接热利用是最古老的应用方式，也是目前技术最成熟、成本最低、应用最广泛的太阳能利用模式。,太阳能发电,（1）太阳能热发电 太阳能热发电就是利用太阳辐射所产生的热能发电，是在太阳能热利用的基础上实现的。 一般需要先将太阳辐射能转变为热能，然后再将热能转变为电能，实际上是“光热电”的转换过程。 太阳能热发电有两种类型：一类是蒸汽热动力发电，一类是热电直接转换。,3、太阳能的利用方式,太阳能发电,（1）太阳能热发电 蒸汽热动力发电，先利用太阳能提供的热量产生蒸汽，再利用蒸汽驱动发电机。 热电直接转换，即利用太阳能提供的热量直接发电（多是依靠特殊的物理现象或化学反应。这类发电方式的优点是发电装置本体没有活动部件，但一般发电量都很小，有的方法尚处于原理性试验阶段。相对成熟一些的，主要是半导体温差发电。,3、太阳能的利用方式,太阳能发电,（2）太阳能光发电 太阳能光发电是指不通过热过程而直接将光能转变为电能的发电方式。 光伏发电，是利用某些物质的光电效应（光生伏打效应），将太阳光辐射能直接转变成电能的发电方式。 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。光生伏打效应（光伏效应）。,3、太阳能的利用方式,光化学转换,光化学转换，是指将太阳的光辐射能转换为化学能存储，或者利用太阳光照的作用实现某些特定的化学反应过程。,（1）光化学电池 将太阳的光辐射能通过某种化学反应过程转变为电能，称为光化学发电，通常是指浸泡在溶液中的半导体电极受到光照后，电极上有电流输出的现象。,光化学发电还可细分为液结光化电池、光电解电池和光催化电池等。,3、太阳能的利用方式,光化学转换,（2）光生物发电 绿色植物的光合作用也是一种光化学转换过程。通过光合作用将太阳能转换成为生物质的过程，称为光生物利用。 光生物发电，通常是指叶绿素电池发电，也是一种光化学转换过程。叶绿素在光照作用下能产生电流，这是最普遍的生物现象之一。要做成稳定的叶绿素电池目前还比较困难。,3、太阳能的利用方式,23,第二节 太阳能直接热利用技术,太阳能的热利用，基本原理是利用集热装置将太阳辐射能收集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能，进行直接或间接的利用。 根据集热器所能达到的温度和用途，通常可把太阳能热利用分为低温利用、中温利用（200800）和高温利用。,24,一、集热器类型,集热器就是用于收集太阳的辐射能并将其转换为热能的装置。目前广泛使用的太阳能集热器，可以分为三大类。,（1）平板集热器 平板集热器的吸热部分主体是涂有黑色吸收涂层的平板。如图所示。,太阳能集热器,25,集热器类型,（1）平板集热器,平板集热器外观,26,集热器类型,（2）真空管集热器 其核心部件是真空管，按照材料来分，有全玻璃真空管和金属真空管两类。比较常见的是黑色镀膜的真空玻璃管。,27,集热器类型,（3）聚焦型集热器 采用特定的聚焦结构设计，将太阳辐射聚集到较小的集热面上，从而获得很高的能流密度和集热温度。 常见的聚焦结构设计，包括：, 点聚焦结构,如复合抛物面反射镜,菲涅尔透镜,定日镜等； 线聚焦结构, 如槽型抛物面反射镜和柱状抛物面反射镜。,28,集热器类型,（4）陶瓷太阳能集热器,陶瓷太阳能集热器主要有陶瓷太阳能板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。用陶瓷太阳能集热器组成的热水器即陶瓷太阳能热水器。,29,二、 太阳能供暖技术,太阳能采暖是指将分散的太阳能集热单体通过集热器把太阳能转换成方便使用的热能，以热水储热的形式输送到散热末端以提供房间采暖的需求，称之为太阳能采暖系统，简称太阳能采暖。 利用太阳能供暖的方式可以分为直接利用和间接利用两种。直接利用又分为主动式太阳能供暖和被动式太阳能供暖，而间接利用是通过热泵将低位热能进行有效的利用。,1主动式太阳能供暖,30,2被动式太阳能供暖,集热蓄热墙式,直接受益式,31,附加阳光间式及组合式,32,三、太阳能制冷技术,太阳能空调制冷的最大优点在于它有很好的季节匹配性，天气越热、越需要制冷的时候，太阳辐射条件越好，太阳能制冷系统的制冷量也越大。即太阳能空调的能量需求和太阳能的供应比较一致。,1.太阳能吸收式制冷,吸收式制冷工作原理 吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来进行的。这两种物质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组分称为吸收剂，低沸点的组分称为制冷剂。 常用的吸收剂制冷剂组合有两种：一种是溴化锂水，通常适用于大型中央空调；另一种是水氨，通常适用于小型空调。,太阳能吸收式制冷,吸收式制冷，是利用热能直接制冷的最常用方式。比较成熟的是“溴化锂-水溶液”吸收制冷，已经在一些示范工程中应用，效果理想。,也可以用氨水溶液，其中氨是制冷剂（沸点3.4oC ），水是吸收剂。,在制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水加热后，溶液中的水不断汽化；水蒸气进入冷凝器，被冷却水降温后凝结；随着水的不断汽化，发生器内的溶液浓度不断升高，进入吸收器；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的浓溴化锂溶液吸收，溶液浓度逐步降低，由溶液泵送回发生器，完成整个循环。,吸收式制冷工作原理,2.太阳能吸附式制冷,太阳能吸附式制冷实际上是利用物质的物态变化来达到制冷的目的。用于吸附式制冷系统的吸附剂一制冷剂组合可以有不同的选择，例如：沸石一水，