第四讲新能源.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,四,章,新,能,源,能源根据应用范围、技术成熟程度及经济性分为常规能源和新能源两大类。,常规能源,是指那些技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源,例如煤炭、石油、天然气、水能等。在今后一个相当长的时期内，它们仍将担任世界能源舞台上的主角。,新能源,是指,开发利用较少或正在开发研究但很有发展前途，今后将越来越重要的能源，如,太阳能、地热能、,生物质能、氢能、,海洋能和潮汐能,等。,新能源的能量密度较小，或品位较低，或有间歇性，按已有的技术条件转换利用的经济性尚差，还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用,。,新能源大多数是可再生能源。资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。,可再生能源的概念,可再生能源是指从自然界可以直接获取、可连续再生、永续利用的一次能源。这些能源基本上直接或间接来自太阳。,在自然界可不断再生并有规律地得到补充的能源：水力、生物质能、太阳能、风力、地热、海洋能、畜力等。,可再生能源,18,世纪前，人类主要利用可再生能源；许多发展中国家仍然以传统可再生能源为主,由于清洁、低污染、,CO,2,零排放等特点，可再生能源在未来可持续的能源战略中将将占有重要地位,我国,可再生能源法,中的可再生能源主要指风能、太阳能、水能，生物质能（不包括传统燃烧方式利用秸秆、薪柴、人畜粪便等）、地热能和海洋能等。,从能源规划的角度看，可再生能源与非可再生能源有两点基本区别：,可再生能源可用的资源总量不存在上限，资源可以定期再生，无限期地使用下去；,在国家能源系统中究竟能利用多少可再生能源，取决于获取该能源并将其转换为有用形式的技术水平。,可再生能源利用技术,直接利用：,供暖,供热水,燃料,转换利用：,优质燃料：液体、气体,发电,4.1,核 能,核能在我国是新能源，我国核电站较少，核电所占比例小。,许多国家已把核能作为常规能源。,核电站最多的国家 美国（,104,座核电站，世界近,1/4,的核反应堆）,核电比重最大的国家 法国,目前全球核电占电能的比重平均为,17%,已有,17,个国家核电在本国发电量中的比重超过,25%,。而中国核发电量占总量却不到,2%,远不到世界平均水平,更远远低于法国、美国。,为何法国核电比重远超其他国家,上世纪,70,年代，西方石油危机造成油价猛涨。,1976,年，法国政府作出了大规模发展核电的决定。通过发展核电，法国的能源自主率从,1973,年的,22.7,提高到了今天的,50,。法国因此每年减少石油进口,8800,万吨，节约,240,亿欧元。,法国有世界上较成熟和先进的堆型技术，包括第三代核电,EPR,（欧洲先进压水堆），有世界上最大的核电公司之一（阿莱瓦集团），同时也是世界上最大的铀矿开采国，产量非常高，在非洲尼日尔、亚洲哈萨克斯坦、澳大利亚等主要产铀地区都拥有铀矿开采权。所有这些为法国开发核电提供了极高的便利，而它的总电量又不是特别高。,？,全球核电站分布图,核 能（,原子,能）,由于原子核内部结构发生变化而释放出的能量。,核反应或核跃迁时释放的能量。例如重核裂变、轻核聚变时释放的巨大能量。,是通过转化其质量从,原子核,释放的能量，符合,阿尔伯特,爱因斯坦,的质能方程,E=mc,2,;,，其中,E=,能量，,m=,质量，,c=,光速,常量。,核能通过三种,核反应,之一释放：,1,核裂变,指较大的原子核在中子激发下分裂成较小原子核时所释放出的能量。,2,核聚变,氘氚等较小原子核在高温高压条件合成氦等较大原子核时所释放出的能量。,3,核衰变,自然的慢得多的裂变形式。,目前核聚变还没有有效的控制方法，只有核裂变能得到了普遍应用,核能基础知识,原子及原子核,原子由带正电的,原子,核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。原子核包括质子和中子，,质子数,决定了该原子属于何种元素，原子的质量数等于质子数和中子数之和。电子数等于质子数。如一个铀,-235,原子是由原子核（由,92,个质子和,143,个中子组成）和,92,个电子构成的。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。,同位素,质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而,原子质量数,不同的一些原子被称为同位素，它们在,化学元素周期表,上占据同一个位置。就是指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。,铀的同位素,铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀,-238,和铀,-235,，它们所占的比例分别为,99.3%,和,0.7%,，除此之外还有微量的铀,-234,。铀,-235,原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的,2700000,倍。,核裂变,核裂变原理,核裂变,是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量。例如，当用一个中子轰击,U-235,的原子核时，它就会分裂成两个质量较小的原子核，同时产生,23,个中子和,、,等,射线,，并释放出约,200,兆电子伏特的能量。释放出的中子去轰击另一个铀,-235,原子核，便引起新的裂变，以此类推，裂变反应不断地持续下去，从而形成了,裂变链式反应,，核能也连续不断地释放出来。,裂变反应中新产生的中子速度非常快，达,210,7,m/s,，由这样快的中子引起裂变的几率很小，当其速度降到约,2.210,3,m/s,时，它在铀核附近停留的时间加长，容易击中铀核使其发生裂变。此时中子称为热中子。,要使快中子减速成为热中子需要某些物质充当减速剂，一般选用轻核物质如水、重水、纯石墨等作为减速剂。,核裂变燃料,核聚变,核聚变,是指在高温下,(,几百万度以上,),两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称,热核反应,。它是取得核能的重要途径之一。聚变过程释放的能量强度比,235,U,裂变还要大,4,倍多。,在太阳等,恒星,内部，压力和温度都极高，因此有核聚变反应。,氢弹是利用氘、氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量这一原理制成的，它释放能量有着不可控性，所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。,核聚变燃料,最容易实现核聚变反应的是原子核中最轻的核，如氢、氘、氚、锂等，其中最容易实现的热核反应是氘和氚合成氦的反应。,1g,氘和氚燃料在聚变中所产生的能量相当于,8t,石油，比,1gU235,裂变时产生的能量要大近,5,倍。,氘地球上储量特别丰富，每升海水中即含氘,0.034g,。氚在海水中含量极少，可以从地球上藏量很丰富的锂矿里分离出来，海水中也含有丰富的锂。,核聚变的核燃料丰富，释放的能量大，聚变中的氢及反应生成的氦都对环境无害，因此尽快实现可控的核聚变反应是,21,世纪人类面临的共同任务。,核能的用途,1.,核能的军事用途,制造,核武器,；用作航空母舰、核潜艇、原子发动机等的动力源。,2.,核能在经济领域的用途,替代化石燃料用于发电,核电,3.,核能技术的其它应用,核农业,核辐射育种,核医学,在医学研究、临床诊断和治疗上应用放射性核元素及射线,自人类发现核能以来，它的首次应用就是在军事方面。,第二次世界大战期间，德、美、日都在积极开展核武器的秘密研究。,1945,年,7,月,6,日，美国第一颗原子弹的试验取得了成功。,1945,年,8,月,6,日和,9,日，美国把一颗命名为“小男孩”的铀弹和一颗命名为“胖子”的钚弹分别投掷到日本的广岛和长崎，使两城市,49,万人丧生。之后，前苏联、英国、法国也有了自己的核武器。后来，美国、前苏联、中国又分别爆炸了氢弹。,目前全世界宣布拥有或实际拥有核武器的国家有美国、俄罗斯、中国、英国、法国以及印度、巴基斯坦等国。,核武器,是指利用能自持进行,核裂变,或,聚变,反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。,主要利用,铀,235,或,钚,239,等重,原子核,的裂变,链式反应,原理制成的裂变武器,通常称为,原子弹,。,主要利用,重氢（氘,）或超重氢（氚）等轻原子核的,热核反应,原理制成的热核武器或聚变武器，通常称为,氢弹,。,有些还在武器内部放入具有感生放射的轻元素，以增大辐射强度扩大污染，或加强中子放射以杀伤人员（如中子弹）。,原子弹爆炸视频,核武器具备特有的强冲击波、光辐射、,早期核辐射,、,放射性沾染,和,核电磁脉冲,等杀伤破坏作用。,核武器爆炸时释放的能量，比只装化学,炸药,的,常规武器,要大得多。核武器爆炸时，核反应过程非常迅速，微秒级的时间内即可完成。因此，在核武器爆炸周围不大的范围内形成极高的温度，加热并压缩周围空气使之急速膨胀，产生高压,冲击波,。地面和空中核爆炸，还会在周围空气中形成火球，发出很强的,光辐射,。核反应还产生各种射线和,放射性,物质碎片；向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用，造成电流的增长和消失过程，其结果又产生电磁脉冲。,核能的用途,1.,核能的军事用途,作为,核武器,；用作航空母舰、核潜艇、原子发动机等的动力源。,2.,核能在经济领域的用途,替代化石燃料用于发电,核电,3.,核能技术的其它应用,核农业,核辐射育种,核医学,在医学研究、临床诊断和治疗上应用放射性核元素及射线,核能发电,优点,:,1,核能发电不像化石燃料发电那样排放大量的污染物质到,大气,中，因此不会造成,空气污染,。,2,核能发电不会产生加重,地球,温室效应的,二氧化碳,。,3,核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。,4,核燃料,能量密度,比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。,5,核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的,成本,较不易受到国际,经济,情势影响，故,发电成本,较其他发电方法为稳定。,缺点：,1,核能电厂会产生,放射性,废料，或者是使用过的核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。,2,核能发电厂,热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。,3,核能电厂投资成本比较高。,4,.,兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。,5,核电厂的反应器内有大量的,放射性物质,，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。,核电站发电原理,核电站是以,核反应堆,来代替火电站的锅炉，以,核燃料,在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。利用蒸汽通过管路进入,汽轮机,，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。一般说来，核电站的汽轮,发电机,及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。,核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制,裂变链式反应,的装置。,裂变的链式反应产生大量热能，用循环水,(,或其他物质,),带走热量避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成,水蒸气,，推动气轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子核,+,热载体。,高速中子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强,放射性,，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施。,核反应堆的合理结构是：,核燃料,+,慢化剂,+,热载体,+,控制设施,+,防护装置,核电站分类,按所使用的慢化剂和冷却剂分类：,（,1,）轻水反应堆：,采用轻水做慢化剂和冷却剂，根据水在反应堆内的工作状态又可分为压水堆和沸水堆两类。,（,2,）石墨气冷或水冷堆：,采用石墨作慢化剂，气体（如,CO,2,、,He,等）或水做冷却剂。,（,3,）重水堆：,采用重水作慢化剂，重水（也有采用沸腾轻水）做冷却剂。,压水堆是目前最为成熟、安全的堆型。,沸水堆,核电站,沸水堆,核电站,工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动,汽轮发电机,组发电。,沸水堆所用的燃料和,燃料组件,与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。,沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力（约为,70,个大气压）下，水通过堆芯变成约,285,的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。,沸水堆,核电站,原理图,核事故,核事故是指大型核设施（例如核燃料生产厂、核反应堆、核电厂、核动力舰船及后处理厂等）发生的意外事件，可能造成厂内人员受到放射损伤和放射性污染。严重时，放射性物质泄漏到厂外，污染周围环境，对公众健康造成危害。,视频：盘点全球十大核事故,切尔诺贝利核事故,切尔诺贝利核电站是,苏联,时期在,乌克兰,境内修建的第一座核电站，曾被认为是世界上最安全、最可靠的核电站。但,1986,年,4,月,26,日，核电站的第,4,号核反应堆在进行半烘烤实验中突然发生失火，引起爆炸，造成人当场死亡，吨多强辐射物泄漏。此次核泄漏事故使电站周围万多平方公里土地受到直接污染，多万人受到核辐射侵害，酿成人类和平利用核能史上的一大灾难。据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本,广岛,原子弹爆炸产生的放射污染的,100,倍。爆炸使机组被完全损坏，强辐射物质泄露尘埃随风飘散，致使,俄罗斯,、,白俄罗斯,和乌克兰许多地区遭到核辐射的污染。、,日本福岛核事故,视频 日本福岛核泄漏事故,福岛,核电站（,Fukushima Nuclear Power Plant,）是目前世界上最大的,核电站,，由福岛一站、福岛二站组成，共,10,台机组（一站,6,台，二站,4,台），均为沸水堆。,历史上福岛第一和第二核电站也多次发生事故。,事故原因,福岛第一核电站发生的爆炸不是核爆。核电站的反应堆和核武器都是通过链式反应释放能量，但发生核爆需要很苛刻的条件，武器极的核燃料需要,235U,达到,90%,以上的浓度，而核电站的,235U,浓度一般不会超过,5%,，因此核电站不可能发生核爆。核电站能发生的最坏情况，是反应堆不能停止，热量积聚过多而发生爆炸，摧毁所有的防护层。,福岛第一核电站的是早期的沸水堆，主要由防护层、核燃料棒、控制棒、慢化剂和水构成。核燃料是,235U,浓度达到一定程度的氧化铀，被锆合金包裹成棒。为了控制链式反应的进行，需要用容易吸收中子的物质做成吸收剂，也就是控制棒的主要成分。在遇到紧急情况需要停堆时，控制棒就插入堆中，吸收中子，停止链式反应。反应堆的热量通过水直接传给汽轮机发电，水还起到冷却的作用，燃料棒浸没在水中，避免温度过高。,从核燃料到外界有多层防护层。第一层防护层是包裹核燃料的锆合金；第二层防护层由很厚的不锈钢构成，包裹整个反应堆和水；第三层防护层是由间隔不锈钢的混凝土构成的防护罩，第四层是核电站的厂房。在平时，这个厂房还是个很漂亮的建筑，外面刷着蓝天白云，很是美观。,熔堆,就是由于反应堆内热量过高，而冷却剂无法供应，核燃料的温度会持续升高，直到把包裹核燃料的锆合金融化，从而核燃料泄漏到第一层防护层以外。它的危险之处在于，会将核燃料中具有放射性的物质释放到第二层防护层中，一旦第二和第三层防护层发生泄漏，或者主动将反应堆内的压力释放，这些放射性物质就会释放到外界环境中。,由于冷却剂供应失效后，反应堆内燃料棒暴露在水以外，热量过高，水和包裹核燃料的锆合金发生锆水反应，生成氢气。释放到第三层防护层（防护罩）和第四层防护层（厂房）后，高温的氢气和空气发生反应发生爆炸。,一些报道称,2,号反应堆的防护罩出现裂缝，有大量放射性物质溢出。,核事故危害,辐射主要分为内照射和外照射。其中内照射是构成人体年剂量的绝大部分。因此，如果真的受到了放射性污染，不怕,射线,射线,射线在外面怎么发射，就怕把放射源吃进、吸进体内，一旦摄入，放射源就能长期对人体造成损害，而且,和,粒子可以不受屏蔽直接和人体体内发生作用，更重要的是可以对那些组织权重高的部位比如甲状腺、内脏、骨髓、生殖器官造成损害。从辐射防护的角度讲，要避免将沾染了放射性的食物和水摄入体内，出门要戴上口罩以免将放射性气溶胶吸入体内。,为何要服用碘片,核泄漏所释放的放射性物质有好几种，碘,131,是其中含量相对较大的一种。,甲状腺需要碘，当裂变产物碘,131,浓度高了，人体容易将碘,131,保留在甲状腺中，导致甲状腺癌。,因此，发生核泄漏后受污染地区需要摄入碘片，让非放射性的碘和碘,131,竞争，避免碘,131,聚积在甲状腺，这就是碘片的用途。,？,碘,131,的半衰期只有,8,天，几周后碘的辐射危害就几乎可以忽略不计。而稳定碘在人体内也有一个很短的代谢周期，并非一次吃了稳定碘就能一直对碘,131,形成竞争。因此，碘片一般是出现核污染后立即发放，在短期内形成防护作用，早吃没有预防作用，晚吃也没有治疗效果，对其他放射性物质如,137Cs,也没有防护效果，碘不是治疗辐射的药。,国外受暴露地区的调查表明，辐射导致的甲状腺癌主要人群是青少年。碘辐射对成年人本身危害不大。,排到海里的放射性物质的影响,海的稀释作用很强，放射性物质排放到海里就几乎不见踪影了。海里本来就蕴含有大量放射性物质，这点东西跟大海比根本不算什么。美、苏曾经进行过多次海上核试验，前苏联曾经将大量的核废物倾倒到海里，也没对海洋造成太大影响。,？,核事故的危害及特点,核泄漏事故发生后，对核电站附近一定范围的区域造成放射性污染，它与核武器爆炸时造成的放射性沾染相比，具有许多不同的特点。,（一）泄漏物颗粒较小，感生放射性极少,核爆炸时，所有的弹体物质都被汽化，特别是地爆时，大量的土壤、水分被卷入火球中并被高温所熔化或汽化，与放射性物质充分混合后随着火球的冷却凝结成较大的放射性颗粒沉降到地面，造成污染。同时，还会产生强烈的感生放射性。而核事故时既不会形成放射性熔渣，也不会在核反应堆主厂房外产生感生放射性。核事故时外泄的放射性物质，主要以烟状或雾状释放到环境中，它比核爆炸时形成的放射性落尘的体积要小得多。,（二）泄漏和沾染时间较长,核爆炸时，弹体中的放射性物质是在爆炸瞬间释放到环境中的。而核事故外泄的放射性物质，是在一段时间内持续地释放到环境中去的。如果事故不能及时得到有效控制，则放射性物质的外泄会持续数小时甚至数天时间。,（三）沾染范围较小，程度较轻,核事故泄漏的放射性物质一般会上升到几十米至几百米的高空，并形成烟羽团。然后烟羽团在近地面风的作用下向下风方向漂移，从而对一定范围内的空气、地面、水源，以及人员和各种物体表面造成放射性污染。这个范围称为烟羽区，其下风边界距离核电站一般不超过,5-10,千米。另外，核事故会引起水、牲畜、蔬菜等污染，人员因吃、喝引起射线病的区域，叫食入区。食入区下风边界距离一般不超过,10-50,千米，沾染范围比核爆炸小得多。同时，沾染程度也要比核爆炸轻得多。,（四）伤害途径以吸入内照射为主,核爆炸时放射性沾梁对人员的伤害，主要是落尘沉降的外照射和吸入内照射造成的。而核泄漏事故的放射性沾染对人员的伤害，则主要是由放射性烟羽的浸没外照射和吸入内照射造成的，特别是放射性碘的吸入内照射，对人员伤害起主要作用。,核电的发展,世界核电的发展大致经历了三个阶段：,1954-1960,年为试验阶段，只有前苏联、美国、英国和法国建立了,10,座试验性核电站，机组容量,3-210MW,，总容量,859MW,。,1968,年为实用阶段，除这四国外，德国、日本、加拿大、意大利、比利时、瑞士和瑞典等国也建了核电站，总容量达到了,12230MW,，最大机组容量,608MW,。,1969,年以后为迅速发展阶段，全世界已有,30,多个国家和地区共建成投产了,500,多座核电站，总容量已超过,4.2,亿千瓦，规模最大的为,4697MW,。,全球核能发电增长迅速，全球核电站相对集中于发达国家，其中美国最多，而且以每年新建三座的速度发展，法国,59,座，其他较多的国家还有英国、德国、日本、加拿大、俄罗斯等。发展中国家的核电站拥有量还很少，最不发达国家几乎是空白。,我国能源资源丰富但分布极不平衡，在华东、华南等经济发达地区，能源资源却很少，长期以来有“北煤南运，西煤东运”之说，交通部门运力一半以上用于能源的长途运输。此外，这些经济发达地区又是电力缺口最严重的地区。解决这些矛盾的最好途径就是在这些地区优先发展核电。,我国核能资源丰富，是世界六大核资源国之一；,我国核技术掌握水平居世界先进水平，已培养出一支技术力量很强的业务队伍；有自行设计和制造核电站设备的能力，完全依靠本国技术建成的,秦山核电站,两台,300MW,机组已成功运行；此外,大亚湾,两台,600MW,进口核电机组也已成功运行，为发展我国核电事业提供了良好的经验。,中国核电发展目标，到,2010,年在运行核电装机容量,1200,万千瓦；,2020,年前要新建核电站,31,座,，在运行核电装机容量,4000,万千瓦；在建核电装机容量,1800,万千瓦。总投资约,5000,亿。,今后,10,15,年将是我国核电的大发展时期，计划在华东、华南、中南、东北等地区,建成,12,座以上核电站,，总装机容量接近,2000,万千瓦，核电占总发电量的比重将达到,10%,以上。,4.2,太阳能,太阳能及其优点,、,“,一大”、“二长”、“三公”、“四洁”：,1,数量巨大,：太阳能到达地球表面的有,81,万亿,kW,，到达陆地的有,17,万亿,kW,。一年内地球接受到的太阳辐射能有,10,18,kWh,，相当于地球上全部化石燃料能的,10,倍，比目前全世界一年内利用的各种能源总量还大一万多倍，相当于,173,万亿吨标准煤，是目前全世界所消费的各种能源总和的,2,万倍左右。,2,时间长久,：根据恒星演化的理论，太阳按照目前的功率辐射能量的时间大约可以持续,1010,年；按照天文和地质观测的结果，已知太阳系的生成年龄大约为,4.510,9,年。,3,普照大地,：分布广阔，获取方便。它既不需要开采和挖掘，又不需要运输。,4,清洁干净,：安全卫生，对于环境毫无污染，可以当之无愧地称为“清洁的能源”。这是太阳能所独有的优点，远非其他任何能源所可比拟。,正是各种植物通过,光合作用,把太阳能转变成,化学能,在植物体内贮存下来。,煤炭,、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的,地质年代,形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、,风能,等也都是由,太阳能转换,来的。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的,热能,有关的能源和与,原子核,反应有关的能源。,太阳能,能源,是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。,地球上的能流图,直达日射,:,指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射，可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。,漫射日射,:,被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成：太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），地平圈散射（地平圈周围的天空亮光 或暗光），及其他的天空散射辐射。,太阳辐射的各种能量,到达地面的太阳辐射,为何太阳能未作为常规能源广泛利用,1,强度弱：垂直投射到地球表面每平方米面积上的太阳辐射功率只有,1353W47%=640,，相当于在,1m,2,的面积上放一只,640W,的电炉。,2,不连续：每个地方只有在白昼才能接收到太阳辐射能，一年到头总有将近一半的时间处于“黑暗”之中，而在其余的一半时间内还要受到天气的影响。,3,不稳定：同一个地点在同一天内，日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后；而在同一个地点的不同季节里，辐射强度也明显不同。,？,克服太阳能缺点、广泛利用太阳能的方法：一是聚焦,提高太阳辐射的能流密度,(,就是在单位时间内到达单位面积上的能量,),；二是贮能,变间断为连续、变不稳定为稳定。,尚需解决一系列技术问题：,如何跟踪太阳光线，并有效地把它集中起来，以增加其能流密度。,如何增大物体表面的吸收率，使更多的辐射能有效地转变为热能或电能。,如何经济地利用多变的太阳能，解决太阳能的储存以及连续供给用户问题。,太阳能资源,地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量（单位为千卡,/cm,2,年或千瓦,/cm,2,年）和全年日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东地区、南美洲东、西海岸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。,我国的太阳能资源,我国属太阳能资源丰富的国家之一，辐射总量在,3.310,3,8.410,6,千焦,/,米,2,年之间。全国总面积,2/3,以上地区年辐射量大于,502,万千焦,/,平方米，年日照时数大于,2000,小时。我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于,1700,亿吨标准煤，我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰富地区之一；四川盆地、两湖地区、秦巴山地是太阳能资源低值区；我国东部、南部、及东北为资源中等区。,我国的太阳能十分分散，能源密度低，到达地面的太阳能每平方米只有,1000,瓦左右。同时,地面上太阳能还受季节、昼夜、地理纬度等因素的影响,具有间断性、不稳定性。,从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在,4000m,以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市年平均日照时间和太阳总辐射比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。其它地区的太阳年辐射总量居中。,我国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬,2235,这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬,3040,地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。,我国主要地区太阳能资源的分布状况,太阳能的利用,太阳能的利用方式目前有四种：,光,热转换,光,热,电转换,光,电转换,光,化学能转换,光热转换,光化转换,光合作用,空气、地表吸热,煤炭,食物中的化学能,空气变热形成风,水蒸气形成雨雪,光电转换,航天器,光热电转换,太阳能发电,光,热转换,光,热转换,是通过太阳能接受装置（如集热器）将太阳能集中起来利用。温室和太阳房就是光,热转换和利用的最简单方法。,被动式太阳房,在普通房屋建筑中早已普遍采用，主要是通过窗、门、墙、顶、通风等保暖设计，使得房屋冬暖夏凉。用玻璃或透明薄膜制成的温室，室温可维持在,20,左右，在农业上已被广泛采用。,主动式太阳房,一般由集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源系统构成。它需要热交换器、水泵和风机等设备，电源也是不可缺少的。因此造价较高,，目前还只有一些样板工程，尚未大量推广。,太阳能蒸煮装置,即“,太阳灶,”，也已进入实用阶段。它是采用旋转抛物面反射镜，将太阳能聚焦至,30000K,以上的温度，不仅可以用来蒸煮海水，还可以来熔炼高熔点金属。,太阳能热水器,太阳能炊具,(,太阳灶）,太阳能温水游泳池,太阳能干燥,太阳能热水器,是一种常见的太阳供热系统。我国是太阳能热水器生产量与销售量最大的国家，,太阳能热水器的制造是我国很受重视的项目，产量和技术居世界首位，已安装的太阳能热水器占全球的,76%,。目前总集热面积已超过,50,万,m,2,，热水温度最高为,200,，热效率达,72%,。,太阳能热水器,集热器,聚光集热器,非聚光集热器,（,平板集热器，真空管集热器,）,能够利用直射辐射和散射辐射。,将太阳光聚集在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。,太阳能热水器的基本原理：利用真空管集热，促使管内水温高于水箱水温，热水比冷水轻，形成对流，最终使水箱中的温度达到使用所需的温度,。,太阳能热水系统,家用系統,太阳能热水系统,家用系統,储热桶,集热器,太阳辐射能,太阳辐射能,利用热,虹吸原理,冷水补充,輔助電熱器,热水供应,太阳能集热板,(,金属,),大型太阳能热水系统,泵浦循环,与电热或瓦斯或燃油锅炉搭配,宿舍一,楼,宿舍二,楼,宿舍三,楼,光,热,电转换,光,热,电转换,是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能加热水和蒸汽，然后利用蒸汽发电。转换过程中可以直接用太阳能产生蒸汽，也可以先用太阳能加热液态金属或熔盐，将太阳能储存在金属或熔盐中，然后用它们加热水生成蒸汽，通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。,塔式系统,塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，进而产生水蒸气或高温气体，推动汽轮发电机发电。目前世界上已经建成,10,余个塔式太阳能发电站,。,太阳能热发电的三种类型,槽式系统,利用抛物柱面槽式反射器将阳光聚焦到管状的接收器上，将管内的传热工质加热，产生水蒸气，推动汽轮发电机发电。,碟式系统,碟式系统由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到,750,左右，驱动发动机进行发电。,法国奥德约,太阳能发电站,是世界上第一个实现太阳能发电的太阳能电站。虽然当时发电功率,64,千瓦，但它为后来的太阳能电站的研究与设计奠定了基础。,目前世界上最大的太阳能发电站在,美国加利福尼亚洲南部沙漠地区,，容量为,10MW,。,在,甘肃敦煌市,西部,的一片沙漠中将建起一座我国乃至全球最大的,太阳能发电,站。,上海的鲜花港太阳能电站,是目前中国最大的太阳能电站。,上海鲜花港太阳能电站,西班牙的太阳能电站,据测算，要建成一座,1000MW,的太阳能电站，需占地,40,50km,2,，投资近百万亿美元，因此大型化的太阳能电站很难推广应用。目前很多国家都有一些,500,2000kW,的太阳能发电装置，发电效率大约在,15%,左右。,太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户分别进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。现在美国、,日本,等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。,与传统的电厂相比，太阳能热电厂具有两大,优势,：,（,1,）,整个发电过程清洁，没有任何碳排放。,（,2,）利用的是太阳能，无需任何燃料成本。,太阳能热发电还有一大特色，那就是其热能储存成本要比电池储存电能的成本低得多。,太阳能发电的,缺点,（,1,）地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电。,（,2,）能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为,1000W/m,2,。大规格使用时，需要占用较大面积。,（,3,）目前价格仍比较贵，为常规发电的,3-15,倍，初始投资高。,光,电转换,光,电转换,是用硅、砷化镓等半导体材料直接将太阳能转换成电能，通常称,太阳能电池,。目前，硅太阳能电池的理论效率为,22%,，在实验室最高达到,18%,，大量生产时太阳能电池的效率只有,10%,左右。太阳能电池造价高昂，最初应用于空间技术，有,90%,的人造卫星和宇宙飞船都采用太阳能电池供电。,太阳能电池与蓄电池配合，已广泛用于灯塔，航标灯，科学观测站等场所；用太阳能电池驱动的电动汽车已设计成功。,太阳能电池结构,半导体结构,图中，正电荷表示硅原子，负电荷,表示围绕在硅原子旁边的四个电子。,当硅晶体中掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴,。,图中，黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有,3,个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成,P,（,positive,）型半导体。,掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成,N,（,negative,）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子,P,型半导体中含有较多的空穴，而,N,型半导体中含有较多的电子，这样，当,P,型和,N,型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是,PN,结。,当晶片受光后，,PN,结中，,N,型半导体的空穴往,P,型区移动，而,P,型区中的电子往,N,型区移动，从而形成从,N,型区到,P,型区的电流。然后在,PN,结中形成电势差，这就形成了,电源,。,在,PN,结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，,PN,结两端建立起稳定的电势差,Voc,，（,P,区相对于,N,区是正的），这就是光电池的开路电压。如将,PN,结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，,PN,结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。,太阳能电池的生产工艺,实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法。此外，液相外延法和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。,太阳能电池,太阳能景观灯,太阳能照明灯,太阳能灯的优点,1.,市电照明灯具安装复杂，,太阳能照明灯,安装简便：太阳能灯具安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。,2.,市电照明灯具电费高昂，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费，太阳能照明灯具是一次性投入，无任何维护成本。,3.,市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。太阳能照明没有安全隐患，运行安全可靠。,太阳能汽车,航天器上的太阳能电板,神州八号太阳能帆板打开,太阳能利用实例之神州八号,神州八号飞船太阳能帆板的展开是非常关键的环节，帆板顺利展开能够为神州八号提供连续不断的电力支持，也是后续所有任务的实施基础。飞船上所有的仪器都需要电力驱动，如果帆板不能正常展开，在蓄电池的电能耗光后，飞船就会失去控制，称为太空垃圾。,太阳能红绿灯,2008,年北京奥运会是一场绿色奥运，运动员村及相关场馆,90,的洗浴用热水要依靠太阳能系统，体育场馆周围的路灯及其它,80,90,的能源要由太阳能系统提供。,太阳能利用实例之北京奥运,首次实现太阳能热泵中央热水系统方案，以太阳能为主要热源，辅以少量的电能驱动双热源热泵，保证了阴雨天气及冬季太阳能资源不足时热水供应，做到全年、全天候供应热水。,北京月坛奥运会游泳馆,