太阳能基础知识

太阳能基础知识2杨宪杰高级工程师科技部太阳能光热产业技术创新联盟“太阳能中温工业应用项目”管理委员会委员；平板太阳能国家标准起草人之一；获得专利超过100项；科技部“十二五”技术支撑计划课题第一负责人；科技部中欧合作项目“高温集热”第一负责人；2011年获得市科技进步一等奖、省科技进步三等奖（第一完成人）；2011年度建设部精瑞科学技术奖优秀奖；从事科研21年，经中科院深造，东莞特聘专家，发表论文多篇；作为授课专家参加十几个省市的太阳能技术讲座。太阳能研发领域，四年真空管、8年平板，心得共享目录一、太阳能基本概念二、太阳能利用发展史三、太阳能产业分类及应用四、太阳能是我国战略型新兴产业一、太阳能基本概念1、太阳的能量巨大的能源宝库——太阳太阳是一个炽热的火球，她不停地向四周放射出巨大的能量，平均每秒钟3.865×1026焦耳,相当于每秒钟烧掉1.32×1016吨标准煤。假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012度，相当于目前世界上能耗的40倍。如果我们把落到地球上的太阳能全部收集起来，只要收集50分钟左右就够全世界人一年的能量消耗。地球所接收到的能量虽然只有其中的22亿分之一,但得到的能量高达80万千瓦，折合标准煤600万吨/秒，相当于人类一年消耗的全部商品能量的2.8万倍。太阳能的能量密度—太阳常数为Gsc=1367W/m2太阳常数是指平均日地距离时，地球大气层上界垂直太阳光线的单位面积表面、单位时间内所接受的太阳能。太阳常数也存在不同时间尺度的波动，并有一定的周期性变化，变化幅度通常在3-4%左右。多数文献上采用1365W/m2。太阳地球太阳-地球关系图太阳能的能量密度太阳能的产生原理太阳能量的产生：根据爱因斯坦相对论，通过热核反应，质量转化为能量，公式为：E=mc2。在太阳的中心部位，温度有1500万度，压力要比地球大气压力高四千亿倍，在这样的高温高压下，热核反应可顺利持续进行，由于太阳是具有极大质量的天体，按目前的消耗率，还足以维持6×1010年。约30%被反射回太空约47%为地球表面吸收约23%的太阳能形成云、雨及风约0.06%光合作用太阳——能源之源紫可见光太阳光波普γ射线X射线紫外线兰绿黄红红外线无线电波热射线图一太阳光波谱010-510-410-310-210-1110102103104∞μm光谱波度波长范围（nm）辐照度（W/m2）占总能量的百分比（%）A紫外线BC100~2807.864E+000.578.02（7）280~3152.122E+011.55315~4008.073E+015.90A可见光BC400~5202.240E+0216.3946.43（47.3）520~6201.827E+0213.36620~7802.280E+0216.68A红外线BC780~14004.125E+0230.1845.54（45.7）1400~30001.836E+0213.433000~100002.637E+011.93太阳光波长与能源2、我国丰富的太阳能源及分布趋势●我国国土面积2/3以上的地区太阳能辐照总量大于502万kJ/（㎡.年），折合标准煤627kg/（㎡.年）●拉萨7134.17MJ/（m2.年），折合标准煤892kg/（㎡.年）据测算，我国拥有可开发太阳能达1700亿吨标准煤。•在北纬300~400地区，太阳能资源随纬度的增加而增加。•北纬400以北地区，太阳能资源自东向西逐渐增加。•新疆地区的太阳能资源分布由于受天山山脉的影响，自东向西逐渐减少。台湾地区的太阳能资源分布是由东北向西南逐渐增加。我国太阳能资源丰富适合太阳能技术推广121名称资源带号指标kW·h/m2a占国土面积最丰富带I≥175017.4%很丰富带II1400～175042.7%较丰富带III1050～140036.2%一般带IV≤10503.70%3、太阳能的特点——优势储量——无限性存在——普遍性是公认的、最有太阳能开发——清洁性前途的、最方便消费——经济性新能源使用——安全性。分散性主要表现在能量密度低，太阳常数为1367瓦/㎡。而一般核能的能量密度10千瓦/㎡量级。因而若要获得较大能量，集热器采光面积必须要相当大。若要获得较高能量密度，必须要聚光。间断性由于气候变化，如阴天下雨时，太阳能基本为零。若要连续利用太阳能，必需要考虑能量的贮存。变化性由于地球自转、公转和自转轴与轨道面之间存在的夹角，使地球上产生昼夜及季节的变化，使太阳能成为一个变化的数值。若要充分利用太阳能，尤其是高温利用时，必需要考虑自动及人工跟踪等问题。太阳能的特点——缺点克服太阳能缺点的方法：聚焦1、聚焦——提高太阳辐射的密度通常聚焦的方式有反射式和透射式。但不论采用哪种方法，其轴线都必须时时刻刻与太阳光线平行，可以采用自动跟踪系统或复合抛物面保持轴线与太阳光线的平行。克服太阳能缺点的方法：贮能2、贮能——变间断为连续、不稳定为稳定目前唯一可能的解决办法就是尽量把在夏季和白天收集到的太阳辐射能贮存起来，通过调节和控制系统，使其满足连续稳定供能的要求。太阳能可以转换成机械能、热能、电能、化学能和生物质能等多种形式贮存起来。4、传热学基本知识----太阳辐射的性质太阳辐射为短波辐射，因为97%以上的太阳辐射能位于0.29~3.0um的波长范围内，波长较短所以称太阳辐射为短波辐射。地球辐射是地表及其上的一切物体，空气，悬浮微粒和大气云层等发射的辐射。常温下，地球辐射能量的99.9%以上集中在波长大于3.0um的波长范围内,所以称地球辐射为长波辐射。传热学基本知识----热对流指流体（气体或液体）中温度不同的各部分发生相对位移而引起的热量传递现象。热对流现象只发生在气体或液体中。在流体发生热对流的同时，由于流体中温度分布的不均匀，也将随着发生热传导现象，所以对流换热过程实际上是热传导和热对流综合作用的过程。传热学基本知识——热传导是指物质各部分之间没有相对位移，由于直接接触而发生能量传播的现象，它是依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递现象，可以发生在固体、液体和气体中。在气体和液体中除了有热传导之外，还会同时有热对流及辐射现象。指直接依靠物体表面对外发射可见或不可见的射线在空间传递能量的现象。辐射可以在真空中传播，冷热物体不需直接接触自然界中所有的物体，不管其温度高低，都在不停地向四周发出热辐射能。传热学基本知识——热辐射5、太阳角地球上某处所接收到的太阳辐射能量的多少与太阳相对于地球的位置有关。计算太阳在天球中对地球上某点的相对位置，可以用地球纬度、太阳赤纬、太阳高度角、太阳方位角、时角等太阳角进行定位。地球中心和太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角成为太阳赤纬。太阳赤纬与一年中的日期序号有关。单位时间地球自转的角度定义为时角。规定正午时角为0度，上午时角为负，下午时角为正。地球自转一周为360度。太阳高度角是地球表面上某点和太阳的连线与地平线之间的夹角。太阳方位角是太阳至地面上某点的连线在地面上的投影与南向（当地子午线）的夹角。它代表太阳光线的水平投影离正南的角度。不同时间的不同地区对应着不同纬度、不同高度角及方位角。安装太阳能集热器的时候要参考当地的高度角和方位角。二、太阳能利用发展史据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。而将太阳能作为一种能源和动力加以利用，也有300多年的历史。近代太阳能利用可从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和其他太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的太阳能发展史分为以下七个阶段：第一阶段——启蒙阶段(1900-1920)世界太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率7.36kW；1902-1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。第二阶段------停滞阶段（1920-1945）太阳能研究处于低潮，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，太阳能不能解决当时对能源的急需，因此逐渐受到冷落。第三阶段——复苏阶段（1945-1965）第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立了太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。复苏阶段的太阳能研究工作取得重大进展，比较突出的有：1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1954年，美国贝尔实验室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；1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨；1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。这一阶段，太阳能基础理论和基础材料的研究得以进行，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。同时，平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术也进行了初步研究。第四阶段——困惑阶段(1965-1973）这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。第五阶段——觉醒阶段（1973-1980）自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定国家生死存亡及发展或衰退的关键因素。1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其他可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70年代初，这一热潮对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态。在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳能热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用……。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”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。此后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮，使太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期。由于各国加强了太阳能研