热能与动力机械基础第2版 教学课件 ppt 作者 王中铮 主编 1 第七章 新能源与可再生能源利用

1、第七章 新能源与可再生能源利用,7.1 太阳能,7.2 风能,7.3 生物质能,7.4 地热能,7.6 氢能与燃料电池,7.5 水能,7.1 太阳能,7.1.1 概述 从广义上说，地球上除了地热能、核能和潮汐能以外的所有能源都来源于太阳能。 （一）太阳能的特点 1数量巨大但却非常分散 2时间长久但却不连续不稳定 3清洁安全、免费使用但初投资高 （二）太阳能利用的方式 1太阳能转换为热能 2太阳能转换为电能 3太阳能转换为化学能,7.1.2 太阳辐射能的基本特性与集热器原理 （一）太阳辐射能的基本特性 1太阳常数 地球除自转以外,还在一椭圆形轨道上绕太阳公转。地球自转轴与其公转轨道平面法线成2327的夹角。 太阳与地球间的距离，在一年中随着季节的变化而变化。,所谓太阳常数，是指在日地平均距离时，地球大气层外，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接受到的太阳辐照度。太阳常数的标准值是1353 W/m2，用Esc表示。 大气层外太阳辐照度随季节变化按下式计算：,2太阳辐射光谱 太阳辐射，约有43的太阳辐射因反射和散射而折回宇宙空间；仅有57左右进入地表和大气，而这57中又有14为大气层

2、所吸收；在剩下的43中，以直射辐射占27和漫射辐射占16的比例到达地面，而且它主要是波长0.292.5 m的太阳辐射能。 3 太阳高度角和日照时间 太阳高度角的定义为：太阳光线与地平面之间的夹角，也简称为太阳高度。 日照时间就是从日出到日落的时间。不同纬度地区的日照时间不同。,4地球表面的太阳辐射与大气质量 到达地面的太阳辐射实际上由两部分组成：一部分是由太阳直接辐射而来的，叫做直射辐射；另一部分由分子、灰尘、水滴等散射而来的叫做漫射辐射。 太阳光线穿过大气层的路程直接影响到达地面的太阳辐射。太阳辐射经历大气的路程常用大气质量来表示。,所谓大气质量就是太阳光线穿过地球大气的路程与垂直方向上经历的大气路程之比，常用符号m表示。并设在海平面上空垂直方向的m为1，如图71中OP所示。在任意高度角时相应的大气质量m可近似用下列公式计算,图71 大气质量示意图,（二）太阳能集热器原理 典型的集热器的型式有：平板型、聚焦型和真空管型。 1平板集热器的基本结构 如图72所示，平板集热器通常由三部分组成：,图72 平板集热器,1-透明盖板 2-吸热盖板 3-绝热框体,（1）透明盖板 作用是让太阳辐射透

3、过而防止吸热板热能辐射的透过及对流损失。用低铁玻璃作为盖板，可以很好地完成这一功能。 （2）吸热板 作用是吸收透过盖板的太阳辐射并转变为热能，传给其中流过的工质如水、空气等。吸热板应是对太阳辐射吸收率高、对红外线辐射发射率低的选择性表面。 （3）绝热框体 它的作用是支撑固定盖板、吸热板，并防止侧面、底部散热。,插图71 平板集热器与连接水箱,2平板集热器的基本能量平衡方程 对于采光面积为 的平板集热器，其能量平衡方程为： 集热器效率 是衡量集热器性能的一个重要参数，其定义为在任何一段时间内，有用能量与投射在集热器面积上的太阳辐射能之比，即：,3平板集热器太阳辐照度的工程计算 进行该项计算的方程为 （1）入射角的计算 太阳入射角 i 是指被太阳照射的表面的法线和太阳射线间的夹角。为了计算入射角，必须知道太阳高度角（h，即地平面与太阳射线的夹角)、太阳方位角( ，即太阳射线和正南方之间的夹角)、倾斜面的方位角（，即倾斜面的法向平面与正南方之间的夹角）以及倾斜面的倾角（ ），如图73所示。,图73 太阳入射角等示意图,由此，任意取向的表面的太阳射线入射角 i 的普遍式 为,（2）太阳的直射辐

4、照度 的计算公式为： 式中， 为表观太阳辐照度（Wm2)；B为大气衰减系数，无因次。 和B的值与月份有关。,4平板集热器效率计算 平板集热器中工作流体的温度范围为3090，随集热器的形式和用途而异。 对于具有双层盖板的平板集热器，其集热器效率按定义可以表达为 使用液体作载热剂的集热器，其FR值约为0.9。K值可由试验确定，工程上估算：对于无盖板的，最大约15 W(m2K)；单层盖板，67 W(m2K) ；双层盖板，34 W(m2K) 。,例7-1 太阳能供热用的1m2m双层盖板平板式集热器，每层盖板的透射率是0.87，铝吸热板的 0.9, E 800Wm2，t2 10，t1 50。试求集热器的效率。 解 取K值为3.5 W(m2K) ，取 0.9，由效率计算式得,在设计时经常使用如图74所示的集热器效率图来选择集热器。 图74中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。 从图74可以看出盖板的作用。在Ti-Ta较小时，因为对流损失小，没有或只有单层盖板的集热器的效率较高；在较大时，则以双层盖板集热器的效率为高。,图74 典型平板式集热

5、器的效率,A无盖板 B单层盖板， 无选择性涂层 C双层盖板， 无选择性涂层 D双层盖板， 选择性涂层,图74中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。 使用有选择性的吸热板表面，再加上双层盖板、可以大大提高集热器的效能，如图74中集热器D的曲线所示。,例72 1m2m的双层平板式集热器，其吸热板无选择性、用水作冷却剂，水的比定压热容Cp为4186.8 J(kg)。如果冷却剂流量qm为 0.03 kgs，入口温度为50，太阳辐照度为 800Wm2。试求 1）集热速率；2）当环境温度为10时，水的出口温度。 解 1） (Ti-Ta)/E(50 - l0)800m2/W 0.05m2W 由图7-4中曲线C得c 0.5，于是 集热速率E Ac 80020.5W800W 2) = qm Cp (t0 - ti) 出口温度 t0(50+8000.034186.8) =56.37,7.1.3 太阳能热发电 （一）太阳能热发电的基本原理 太阳能热发电系统由太阳能集热器、热机和冷却器 组成，如图75所示。 太阳能热电站的最高效率是卡诺热机效率，即卡诺

6、效率E T1 集热器输出的最高流体温度; T2 冷却器的最低放热温度T2 。,图75 太阳能热电站热力学原理,1集热器 2热机 3冷却器,设集热器中工作流体吸热量为 ,则电站的最高效率为 因此，定义一个太阳能热电站的总效率S是必要的，即 以发电站的总效率最高为目标函数，可以求得最佳的集热温度。,（二）太阳能热发电分类及系统组成 1） 按集热温度分 低温热发电大多用平板集热器或平板-圆柱抛物面集热器，集热温度100-150； 中高温热发电用聚焦型集热器。 2）对于高温太阳能热发电系统，按照接收太阳能的形式分 集中式如，塔式系统（集热器如图78），属“点”聚焦，聚光倍数高达500以上，可实现高温太阳能热发电。,分散式如，槽式系统（集热器如图77）和盘式系统（集热器如图79）。槽式电站属“线”聚焦，聚光倍数仅为几十，可实现中温太阳能热发电。盘式系统属“点”聚焦。 典型的太阳能发电系统一般由聚光集热子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统和汽轮机发电子系统组成，如图76所示。,1集热器 2换热器 3汽轮机 4发电机 5冷凝器 6泵,图76 太阳能热发电系统示意图,图77 槽形抛物面集热器,1抛物面聚

7、焦器 2接收器,1接收器 2定日镜,图78 塔式集热器,图79 盘（或碟）式抛物面集热器,1接收器 2抛物形阵列,插图72 槽式太阳能聚光器,插图73 塔式太阳能集热器整体装置,插图74 定日镜,插图7-5 单蝶式 太阳能聚光器,插图7-6 多蝶式 太阳能聚光器,7.1.4 太阳电池 借助于光电效应使太阳能直接转变为电能，其转换器件称为太阳电池。现以晶体硅电池应用最广，发展较为成熟。 1光电转换基本原理 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,在物理学上叫 “光生伏打效应”，所以也称光伏电池。 太阳电池都是由P型与N型半导体相接触形成PN结而成的。这样的半导体受到阳光照射时，会发生光电转换。,2太阳电池基本结构和形式 硅太阳能电池的基本结构如图711所示，其底层（或称基体）为P型半导体，不受光照，基体底下有一薄金属涂层形成下电极（正极）；上层为N型半导体，上部设有栅格形金属网形成上电极（负极），N型半导体顶部镀了一层透明的、极薄的减反射膜，它比裸硅有更好的光传输性能，能最大限度地减少光反射。 目前主要的，也是效率最高的商业化太阳电池仍是由单晶硅制成，其光电转

8、换效率也在12%以上。,图710 太阳能电池基本结构,3太阳电池的应用 以往太阳电池主要在航天上应用较多，下面是几个民用实例。 （1）野外及边远无电地区农牧民用太阳能发电简易供电系统。 （2）野外及户用太阳能供电小系统。如图7-11。,图7-11 太阳电池交流供电系统图,（3）太阳电池并网发电系统（3kW） 太阳能并网发电系统一般是由太阳能电池板、并网逆 变器、户内配电箱和并网控制计量器组成。如图7-12 所示。,图7-12 太阳电池并网发电系统（3kW）,插图77 太阳电池发电系统的部件连接,插图78 青海共和县4kW太阳能光伏电站,7.1.5 太阳能建筑 太阳能建筑是指能用太阳能代替部分常规能源来提供采暖、热水、空调、照明、通风、动力等功能的建筑物。 太阳能建筑的发展大体可分为三个阶段：第一阶段为被动式大阳房，第二阶段为主动式太阳房，第三阶段是再加上太阳电池应用。 （一）太阳能热水系统 太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱及连接管道等组成。 按照流体的流动方式，有：循环式、直流式、闷晒式。 按照流体循环的动力，循环式又分为自然循环式和强迫循环式。,1. 自然循环热水系统 图7-13(a

9、)和(b)是自然循环式太阳能热水系统。 这种系统结构简单，运行可靠，不消耗其他资源。 由于自然循环的动力完全取决于日照。使该热水系统的使用具有一定的局限性，一般适用于小型热水系统。,图713(a) 自然循环式太阳能热水系统,图713(b) 自然循环式太阳能热水系统,2. 强迫循环热水系统 对于大型供热水系统，应采用强迫循环热水系统。 蓄热水箱可以设置在任意地方，但需要消耗电力驱动水泵及控制系统，若停电系统不能工作。,（二）太阳能供暖 太阳能供暖系统可以分为被动式和主动式两大类。 被动式太阳能供暖，简称为太阳房。 主动式太阳能供暖系统包括集热设备、贮存热量用的贮热设备、供暖房间的配热设备、 辅助热源以及输送热媒的动力设备和管道等。 根据输送热量的热媒载热流体的不同，又可分为空气式或热水式两种供暖系统。,图714 以空气为介质的主动式太阳能供暖系统,1集热器 2蓄热装置 3辅助加热装置 4风机,（三） 太阳能制冷 明显优点是，供求比较一致，贮能的要求不象太阳能采暖那样突出。 太阳能制冷的方法有三种： “光-电-冷”使用光电池产生电流，通过温差制冷器直接制冷。 “光-热-电-冷”使用太阳能热机带动发电机再带动制冷机制冷，或用太阳能热机直接带动压缩式制冷机制冷。 “光-热-冷”用太阳能直接起动吸收式或喷射式制冷机制冷。,7.2 风能 风能是地球表面大量空气运动的动能。太阳辐射能是风能的源泉，属于丰富且清洁的可再生能源之一。 7.2.1 概述 1风的产生 风就是大气的运动。一般把垂

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