02太阳能及其利用

新能源与分布式发电技术第2章太阳能及其应用主讲人李虹新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术2§2太阳能及其利用关注的问题太阳的能量是怎样形成的？有多少赐予了地球上的人类？什么时候人类开始了太阳能的利用？太阳能利用的方式有哪些？太阳能热发电和光伏发电的原理是怎样的？经历了怎样的发展历程，发展状况如何？教学目标了解太阳能资源及分布情况，掌握太阳能利用的多种方式及各自原理和主要设备，理解太阳能发电的重要意义。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术3§2.1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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术41615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。§2.1太阳能利用的历史此后到十九世纪末，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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术5§2.1太阳能利用的历史二战后，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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术61973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。§2.1太阳能利用的历史新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术7§2.1太阳能利用的历史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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术8§2.2太阳能资源及其分布§2.2.1太阳能概述太阳是一个发光发热的巨型气态星体。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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术9§2.2太阳能资源及其分布§2.2.1太阳能概述风能、水能、生物质能、海洋能等可再生能源，都来自太阳能的转化。就连煤、石油等化石燃料，也是远古贮存下来的太阳能。广义的太阳能，包括上述各种能源。当把太阳能作为可再生能源的一种进行讨论时，太阳能指的是直接照射到地球表面的太阳辐射能（包括光和热）；通常所说的太阳能利用，是指太阳辐射能的直接转化和利用。太阳的能量，来自其内部的热核反应。以光辐射的形式，每秒钟向太空发射约3.74×1026J的能量。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术10§2.2太阳能资源及其分布§2.2.1太阳能概述因距离遥远，太阳释放的能量只有22亿分之一投射到地球。到达大气层上界的太阳辐射功率，经过大气层的反射和吸收，能够投射到地面的只有47%左右。尽管如此，每年到达地球表面的太阳能仍高达1.05×1018kWh，相当于1300万亿吨标准煤，是全球能耗的上万倍。陆地面积只占地球表面的21％，再除去沙漠、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5％～6％。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术11§2.2太阳能资源及其分布§2.2.1太阳能概述太阳大约还可以持续100亿年。相对于人类发展历史而言，可以说是“无穷无尽”了。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，其分布最广，也最容易获取。如果能有效地利用太阳提供的能量，那么人类未来就不会为能源的枯竭问题担忧了。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术12§2.2太阳能资源及其分布§2.2.2世界太阳能资源分布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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术13§2.2太阳能资源及其分布§2.2.2世界太阳能资源分布就全球而言，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，详见教材中的表2-1。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术14§2.2太阳能资源及其分布§2.2.3我国太阳能资源分布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1.9×1016kWh,相当于2.4万亿吨标准煤。全国各地太阳年辐射总量基本都在3000～8500MJ/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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术15§2.2太阳能资源及其分布§2.2.3我国太阳能资源分布据来自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。各地的日照时间参见教材的图2.5。我国的太阳能全年总辐射量分布图新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术16§2.2太阳能资源及其分布§2.2.3我国太阳能资源分布太阳能资源分布，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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术17§2.2太阳能资源及其分布§2.2.3我国太阳能资源分布根据20世纪末期的太阳能分布数据，我国划分为4个太阳能资源带，如图2.6所示。各太阳能资源带的全年太阳能总辐射量如表所示。前3类地区覆盖大面积国土，有利用太阳能的良好条件。IV类地区太阳能资源较差，有的地方也有太阳能可开发利用。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术18§2.2太阳能资源及其分布§2.2.4太阳能资源的特点与常规能源相比，太阳能具有如下优点：（1）储量丰富。（2）维持长久。（3）分布广泛。（4）维护方便，运行成本低。（5）清洁，无污染。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术19§2.2太阳能资源及其分布§2.2.4太阳能资源的特点太阳的主要缺点：（1）能量的分散性（能量密度低）。（2）能量的不稳定性。（3）能量的间歇性，不连续。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术20§2.3太阳能的利用方式§2.3.1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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术21§2.3太阳能的利用方式§2.3.2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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术22§2.3太阳能的利用方式§2.3.2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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术23§2.3太阳能的利用方式§2.3.2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。广义的光发电，包括:——光化学发电和光生物发电，主要通过光化转换过程实现。——光感应发电，是利用某些有机高分子团吸收太阳的光能后变成“光极化偶极子”的现象。——光伏发电，是利用某些物质的光伏效应（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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术24§2.3太阳能的利用方式§2.3.3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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术25§2.3太阳能的利用方式§2.3.3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(因为叶绿素细胞不断进行新陈代谢)。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术26§2.4太阳能直接热利用太阳能的热利用，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（200～800℃）和高温利用。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术27§2.4太阳能直接热利用§2.4.1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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术28§2.4太阳能直接热利用§2.4.1集热器类型（1）平板集热器平板集热器外观新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术29§2.4太阳能直接热利用§2.4.1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。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术30§2.4太阳能直接热利用§2.4.1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：①点聚焦结构,如复合抛物面反射镜,菲涅尔透镜,定日镜等；②线聚焦结构,如槽型抛物面反射镜和柱状抛物面反射镜。新能源与分布式发电技术太阳能利用与发电技术31§2.4太阳能直接热利用§2.4.2太阳灶和热水器§2.4.2.1太阳能热水器太阳能热水器就是利用太阳辐射的热量进行加热从而提供热水的设备。由于可以节省用于加热的电能，太阳能热水器被认为是最重要的环保节能措施之一。在太阳能热利用的