新能源之太阳能.pptx

1概述太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75l026 W）的22亿分之一，但已高达1.731017 W，换句话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤。2太阳能资源什么是太阳能？太阳内部不停进行着由氢聚变成氦的原子核反应核聚变过程，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射，这就是太阳能。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转化。3太阳是一个炽热的气态球体，直径：1.39106km，地球的109倍质量：2.2l027t，地球的33万倍体积：141l016m3,地球的130万倍平均密度为地球的1/4。质量组成：氢约78.4，氦约19.8，其它1.8%。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.072g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。太阳能资源太阳能资源太阳结构45太阳内部有“里三层”，从内向外依次是核反应区：00.25R，温度1500万度，压力3000亿个大气压，是太阳热能产生的基地；辐射区：0.250.86R，包含各种电磁辐射和粒子流，多次吸收又发射的过程；对流区：厚度十几万千米，太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。6太阳外部有“外三层”。依次为光球层：人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球层发出的。光球层厚约500 km，温度为5762 K，密度为10-6 g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。色球层：厚度约2000千米，平时看不到。日冕层：日全食时才能看到。7太阳光谱从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。在太阳辐射能中，波长在0.154m的占99%以上，主要分布在可见光和红外区，前者占50%，后者约占43%，紫外区只占7%。不过在太阳能利用中，通常将它视为一个温度为6000 K，发射波长为0.33m的黑体。太阳常数当日地距离为平均值（1.495*1011m），在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线的每平米面积上，每秒获得的太阳辐射能量称为太阳常数Gsc。太阳常数值Gsc=（13677）W/m2,取1367大气层外的太阳辐照度随日地距离的改变在3%范围内变化。第n天大气层外辐照度 Go,n89太阳能的辐射特性昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈2327的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23.5。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化。每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度2327之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区，冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间长。太阳能资源太阳能资源10太阳能利用特点太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。（普遍、长久、巨大、无害）但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。（分散性、间歇性、随机性）太阳能资源太阳能资源与太阳辐射有关的角度太阳能集热器所截取的太阳直接辐射能量，主要取决于太阳入射角,为太阳光线与集热器表面法线之间的夹角。=f()太阳赤纬角:地心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角(变化范围：23o27)=，n为日子数太阳时角：上午取负值，下午取正值，午时0o,每小时15o.地理纬度:11太阳高度角：从地面向太阳中心作一射线，该射线在地面有一投影线，射线与投影线之间的夹角叫太阳高度角。射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角z。与z互余太阳方位角s：日地射线在地面投影线与正南方的夹角为太阳的方位角,正南为0，向西为正，向东为负。变化范围180o180o集热器方位角：集热器表面法线在地面投影线与正南方的夹角为集热器的方位角。集热器的倾斜角：集热器平面与水平面的夹角12角度之间的关系cos=sin(sincos-cossincos)+coscos(coscos+sinsincos)+cossinsinsin13与太阳有关的名词直射辐射：直接来自太阳、没有改变方向的太阳辐射散射辐射：受大气层散射影响、改变方向的太阳辐射总辐射：直射辐射+散射辐射太阳辐射：太阳产生的波长0.33m长波辐射：波长大于3m，（物体温度接近环境温度时发出的辐射波长）辐照度W/m2：单位集热面单位时间接收的太阳辐射能辐照量J/m2：单位集热面全天接收的太阳辐射能辐照量J/m2：单位集热面一小时接收的太阳辐射能14大气层对太阳辐射的影响大气层厚度约30km，对太阳辐照吸收、散射、反射大气质量m：太阳直射光线通过大气层时的实际光学厚度与大气层法向厚度之比。msecz=1/sin(为0o90o)，越小，m越大，太阳辐射越少。0o时，对应太阳落山的情形。90o时，m1，阳光最强烈。大气透明度：是气象条件、海拔高度、大气质量、大气组分等因素的复杂函数。标准晴天水平面上太阳辐照度：Gc,n,b=Go,n 15集热器的最佳方位应以使用周期内收集的太阳能最多为原则对于全年，取=对于夏半年（春分到秋分）：（10o15o）对于冬半年（秋分到春分）：+（10o15o）如无特殊困难，方位角取0o（北半球）16太阳集热器涂层影响太阳能集热器效率的因素有吸热体吸收太阳辐射的能力、吸热体向外界环境的散热损失、透明盖板对太阳辐射的透过能力及阻止吸热体向周围环境散热的能力。吸收涂层可分为非选择性和选择性两大类。非选择性涂层光学特性与辐射波长无关，选择性涂层与波长有显著关系。太阳光谱选择性吸收膜层：利用太阳辐射光谱（0.33m）与受热体的辐射光谱（大于3m）之间的不同而制作的一种涂层，增强吸热体对太阳辐射的吸收，减少热辐射损失。17光谱选择性透过涂层：利用太阳辐射波长范围与热辐射波长范围不同的特点，在保持透明盖层的太阳辐射透过的同时，阻止吸热体由于温度升高而发出热辐射。光谱选择性减反涂层：利用材料表面对太阳辐射的反射与折射有关这一特性，通过降低透明盖层表面的折射率，达到减少对太阳辐射的反射，增强其透过能力的目的，也称增透膜。以上三种涂层材料中，光谱选择性吸收涂层是最重要的。18太阳光谱选择性吸收涂层若物体表面对太阳辐射的可见光和近红外范围（0.33m）的辐射有高吸收，自身被加热后向外界发射的辐射（大于3m）又很小，这种表面就称为选择性吸收表面。选择性吸收表面涂层材料有金属、无机非金属、有机（高分子）和半导体材料4种。光谱选择性吸收表面有3种：（1）吸收反射组合型：平板集热器常用（2）反射吸收组合型；（3）干涉滤波型：应用于中高温19光谱选择性吸收涂层的制备方法平板集热器集热板涂层：（1）阳极氧化法：铝和钢涂层，吸收比0.890.91，发射率0.130.15，环境污染（2）电镀法：黑镍涂层，吸收比0.920.94，发射率0.080.10，黑铬涂层，吸收比0.950.96，发射率0.100.12，环境污染（3）真空电子束加热蒸发沉积法：钛涂层，吸收比0.95，发射率0.03，成本高（4）真空磁控溅射技术沉积法：吸收比0.920.94，发射率0.080.10，耐候性好，可在大气环境下使用，成本低。真空集热管常用，是未来方向20选择性吸收表面热性能测评热性能优劣表现在发射率和吸收比。发射率测量吸收比测量2122太阳能利用人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。23太阳能利用技术据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。传说阿基米德曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上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一些其它太阳能装置。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。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。24太阳能利用技术太阳发射的宽频的电磁波谱给地球带来的能量可以转化成热、电或者用以生产燃料。转化的太阳热能的用途包括家庭热水(DHW)和工业过程供热(IPH)。太阳辐射还可以通过热电厂(利用阳光加热的蒸汽）产生电能，或者直接转化成直流电(在光电池中)。替代燃料，如清洁燃烧的氢气，可以通过光驱动的化学反应或者光电池驱动的电解反应生成。生物质燃料从太阳光中获得能量。太阳能利用技术太阳能利用技术25太阳能利用技术利用太阳能替代传统的化石燃料能源的可能力式有多种，目前分别处于个同的技术发展阶段。太阳能家庭热水太阳能(主动式)空间供暖被动式太阳能空间供暖光热技术(用于发电或工业工程供热)直接光电转化(利用光电池)生产生物质燃料太阳能利用技术太阳能利用技术太阳能集热器分类按集热器内工质分：液体集热器、空气集热器按太阳辐射是否改变方向分：聚光型、非聚光型按是否跟踪太阳分：跟踪集热器、非跟踪集热器按是否有真空空间分：平板型、真空管型按工作温度分：低温（工作温度在100 以下）、中温（工作温度在100200 ）、高温（工作温度在200 以上）2627太阳能集热器太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能热利用中的关键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。28为了更有效地利用太阳能必须提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与人射太阳辐射总是互相垂直的。平板集热器2930太阳能集热器工作原理图31平板太阳能集热器太阳能利用技术太阳能利用技术平板太阳能集热器是让阳光透过盖板照射在表面涂有高太阳能吸收率涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳能辐射能量后温度升高，将热量传递给集热器内介质，使介质温度升高，作为热载体输出有用能量。高效平板太阳集热器，由盖板、吸热板、保温层和外壳个部分组成。吸热板芯：采用德国真空磁控溅射金属陶瓷（CERMET）镀膜带，该部件严格采用PVD技术集热高，热损小，吸收率高达97%，发射率低至5%，挑战太阳能光热转化比极限，集热效率高、得热量大；连续一次性在真空炉内完成离子镀膜（黄金膜层和氮化钛膜层）的全过程，在具有良好导热性能的铝板上镀黑铬。32光学性能：黑色铬是一种对太阳短波辐射具有较高的吸收率的选择性涂料，吸收率；发射率，同时又具有稳定的物理性。外壳：采用航空级6063-T5铝合型材一次冲压组角成型，收边采用铝合金压条，无需焊接，保护整个系统不受外界恶劣气候如酸雨等的影响而被腐蚀，有效提高产品使用强度和美观性，高度。33玻璃盖板：采用PPG3.2mm厚度的太阳能超白玻璃（超白压花玻璃基片），该部件具有高强度、耐腐蚀和抗冲击的特性，太阳入射率高、反射率低；其太阳能透过率94%，瑞士SPF，认证符合ANS1297-1-1975，BS6206A 和JISR3206的标准；抗冲击能力高，韧度符合AS2208-1978和美国联邦标准。集热玻璃不与工作液体接触，不存在结垢问题；平板玻璃经过特殊 涂层处理易于冲洗维护，特别是大面积太阳集热板组，可采用管系冲淋系统集中冲洗污物或雨水自动冲淋即可，确保玻璃表面洁净，提高太阳入射率，实现高透光率、低反射率，减少热损失，提高红外线、紫外线等短波射线的通透。保温层：25酚醛板保温侧面保温棉34接口尺寸：22mm 25mm外观尺寸：2000100080mm/2400100080mm(LWH)集热器面积/采光面积：2/1.88工作压力：600Kpa最大工作温度：140使用寿命:使用寿命35年，产品持久高效，即使在最恶劣的气候条件（十二级台风，冰雹等）下都能保证较低的维修率，集热器能承受鸡蛋大冰雹的打击而不坏，使系统长年、高效、稳定的运转，使用寿命35年。平板太阳能集热器规格参数：集热器吸热板材质:铝板涂层材质:黑铬排管:紫铜-10mm集管:紫铜-22/25mm吸热翘片数 1片整板3536平板型集热器能量平衡能量平衡方程:Qa=Qu+Q1+QsQa:单位时间内集热器吸收的太阳辐射能Qu：单位时间内集热器的有用输出能量Q1：单位时间内集热器的能量损失Qs：单位时间内集热器的热容变化量当集热器处于稳定工况时，集热器自身温度保持不变，Qs0。37集热板吸收的太阳辐射能Qa=式中：IT为集热器上的总辐照量，Ib为直射辐照量，Id为散射辐照量，Rb为修正系数，即倾斜面上和水平面上接收到的直接辐射量之比。为集热器安装倾角，（）为有效透射率吸收率乘积。38平板集热器的热损失顶部热损失：Ut为以集热板与环境的温差为计算基准的顶部总热损系数。Ac为集热器面积，Tp为集热板温度，Ta为环境空气温度。顶部热损失与风速、环境温度、大气条件、玻璃盖板的辐射特性、集热板的温度和辐射特性、盖板间距等多种因素有关。底部和侧面热损失：取决于保温材料导热系数和保温层厚度，侧面因面积小可忽略39平板集热器热性能分析平板集热器的热效率：集热器获得的有用能量与投射到集热器采光面上的太阳辐射总量之比值。集热器效率不是常数。效率与工作温度、环境温度和太阳辐照度有关。集热器工作温度越低或环境温度越高，效率越高。所以夏天效率比冬天高。效率曲线在纵轴上的截距值表示集热器可获得的最大效率，在横轴上的交点表示集热器可达到的最高温度。40太阳能空气集热器非渗透型空气集热器：空气流不穿过集热板，而是在集热板的一侧或两侧流动。有三种形式：空气只在集热板的正面流动、背面流动、正背两面流动。改进措施：将背面加工得粗糙些，增加扰动；在背面加翅片或采用波纹集热板优点是结构简单，成本低；缺点是空气流和集热板热交换不充分，性能难以改善。加装翅片会增加风阻，增大风机功耗。41渗透型空气集热器：也称多孔集热板型空气集热器，又可分为：金属丝网式、蜂窝结构式、重叠玻璃板式、碎玻璃多孔床式优点：传热效果好，压力降低小。提高空气集热器效率途径：增加空气与集热板的接触面积；提高空气流速；增强空气与集热板的对流换热；结构上降低空气的流动阻力。42真空管太阳能集热器4344全玻璃真空管型全玻璃真空管型热管式真空管型热管式真空管型45solarwaterheater太阳能利用技术太阳能利用技术全玻璃真空管集热器全玻璃真空集热管是由内玻璃管、外玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等组成，形状象一只拉长的暖水瓶胆。内外玻璃之间抽成103104Pa的真空，光谱选择性涂层沉积在内玻璃管的外表面，形成吸热体。消气剂用于吸收玻璃、弹簧、涂层等释放出来的气体以及通过内外玻璃管渗透到夹层内的气体，维持真空度。内外管径规格：37/47，47/58、58/70.长度规格：800、1200、1500、1800、210046全玻璃真空集热管热性能分析投射到集热管上的总太阳辐照能量包括：集热管正面的直射太阳辐照；直射辐射从背面反射到集热管上的太阳辐射；集热管正面的散射辐射；散射辐射从背面反射到集热管上的太阳辐射。集热管的热损失：主要是集热管对环境的对流和辐射热交换造成的。集热管的有用能为以上两者之差。47全玻璃真空集热管的性能测试GB/T170492005，全玻璃真空集热管性能测试方法。空晒性能参数（空气达到的最高温度）闷晒太阳辐照量（水升高35所需辐照量）平均热损失系数（90水降温）真空性能（小于5*102Pa）真空品质（内玻璃管置于350下消气剂）机械性能：耐热冲击、耐压强、耐机械冲击48全玻璃真空集热管缺点管内存水多，水温上升慢，启动性能差用水时管内热水无法取出，利用率低管内水流动性差，易结垢吸热面为内管外壁面，有效吸热面积小管内有水，若一根坏，整个系统坏49热管式真空管集热热管式真空集热管主要由热管、金属集热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、消气剂等构成。热管式真空管集热器主要由真空集热管、连集箱、导热块、保温材料、保温盒、套管、支架等组成。505152535455聚光太阳能集热器分类：成像聚光集热器、非成像聚光集热器成像聚光集热器按聚焦形式分：线聚焦、点聚焦成像聚光集热器按反射器类型分：槽形抛物面、旋转抛物面（为主）对非成像集热器按反射器类型分：复合抛物面聚光集热器（又称CPC集热器）、多平面聚光集热器（又称塔式集热器）、条形面聚光集热器（又称FMSC集热器）、球形面聚光集热器（又称SRTA集热器）565758太阳能聚光集热器平板集热器直接采集自然阳光，集热面积等于散热面积，理论上不可能获得较高的运行温度。为了更有效地利用太阳能就必须提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。太阳能利用技术太阳能利用技术聚光集热器通常由三部分聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。跟踪系统。59太阳能集中器理论上，太阳能集中器可以将太阳的(直射)光线聚焦到点，或者一条线。事实上，光学定律指出，理想的点其实是很小的一点，而理想的线其实是一个有限宽度的长条。盘形反射器将太阳光聚焦到一点，而槽式反射器则将光线聚焦到很窄的一条。另一种太阳能集中器将太阳的光线集中到一个很小的面积，称为“中心接收器”，它利用一个大型的反光镜阵。每一个镜子的朝向都满足将阳光反射到安装在高塔上的中心接收器上。太阳能利用技术太阳能利用技术60太阳能利用技术太阳能利用技术桑迪亚国家实验室的太阳炉聚光器桑迪亚国家实验室的太阳炉聚光器 盘形反射器将太阳光聚焦到一点。盘形反射器将太阳光聚焦到一点。利用利用盘形反射器或者中心接收器聚焦的盘形反射器或者中心接收器聚焦的(比例比例1000:11000:1或更高或更高)太阳能被中心容器内部的太阳能被中心容器内部的接收表面所吸收，从而产生范围为接收表面所吸收，从而产生范围为5005001500)1500)的温度。这个称为的温度。这个称为“太阳炉太阳炉”的的装置，可以用于生产发电用蒸汽或者加装置，可以用于生产发电用蒸汽或者加工高温、低杂质材料。在一些试验性的工高温、低杂质材料。在一些试验性的中心接收器中，也利用高温的传热流体中心接收器中，也利用高温的传热流体如熔盐代替蒸汽或水。不论对于哪种聚如熔盐代替蒸汽或水。不论对于哪种聚焦类型，容积式集热器系统都必须根据焦类型，容积式集热器系统都必须根据每日太阳的轨迹调整方位角和仰角，以每日太阳的轨迹调整方位角和仰角，以跟踪太阳。跟踪太阳。61太阳能利用技术太阳能利用技术抛物面槽式太阳能集热器抛物面槽式集热器将太阳几聚焦到一根管子的轴线上，而传热的流体通过这根管子。抛物面槽式集热器将太阳几聚焦到一根管子的轴线上，而传热的流体通过这根管子。该管涂上一层太阳辐射吸收剂，热能通过传导过程传递给流体该管涂上一层太阳辐射吸收剂，热能通过传导过程传递给流体(热油或加压水热油或加压水)。槽式反。槽式反射器的聚焦率射器的聚焦率(100:1(100:1左右左右)低于点聚焦的类型，因此可以达到稍低的温度低于点聚焦的类型，因此可以达到稍低的温度8080400400。62太阳能利用技术太阳能利用技术利用一个大型的反光镜阵。每一个镜子的朝向都满足将阳光反射到利用一个大型的反光镜阵。每一个镜子的朝向都满足将阳光反射到安装在高塔上的中心接收器上。安装在高塔上的中心接收器上。63太阳能热水器太阳热水器于20年代流行于美国的西南部地区。随着石油和电力价格的上升，更有效率的太阳能热水器和太阳能热暖器亦随之产生。20世纪70年代在澳大利亚、日本、以色列和前苏联就已普遍地使用。在美国北部，每平方公尺的太阳能热接收器，每6个月可节省30.5公升的热气用的汽油，或是215kWh的电力。太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直流式和循环式。64太阳能家庭热水(SDHW）Inthe1890ssolarwaterheaterswerebeingusedallovertheUnitedStates.Theyprovedtobeabigimprovementoverwoodandcoal-burningstoves.Manyhomesusedsolarwaterheaters.In1897,30percentofthehomesinPasadena,justeastofLosAngeles,wereequippedwithsolarwaterheaters.Asmechanicalimprovementsweremade,solarsystemswereusedinArizona,FloridaandmanyothersunnypartsoftheUnitedStates.By1920,tenofthousandsofsolarwaterheatershadbeensold.Bythen,however,largedepositsofoilandnaturalgaswerediscoveredinthewesternUnitedStates.Astheselowcostfuelsbecameavailable,solarwatersystemsbegantobereplacedwithheatersburningfossilfuels.太阳能利用技术太阳能利用技术installed in Pomona Valley,California,in 191165太阳能家庭热水(SDHW）太阳能利用技术太阳能利用技术66太阳能家庭热水(SDHW）Today,solarwaterheatersaremakingacomeback.TherearemorethanhalfamillionoftheminCaliforniaalone!Theyheatwaterforuseinsidehomesandbusinesses.Theyalsoheatswimmingpools.Panelsontheroofofabuildingcontainwaterpipes.Whenthesunhitsthepanelsandthepipes,thesunlightwarmsthem.Thatwarmedwatercanthenbeusedinaswimmingpool.太阳能利用技术太阳能利用技术67太阳能家庭热水系统68太阳能利用技术太阳能利用技术69太阳能利用技术太阳能利用技术70太阳能采暖太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。而被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，因此它又称为被动式太阳房。71太阳房工作原理示意图72太阳能(主动式)空间供暖和制冷太阳能利用技术太阳能利用技术家用的空间供暖集热器家用的空间供暖集热器 73热气空间供暖系统太阳能利用技术太阳能利用技术74无辅助锅炉的主动式太阳房太阳能利用技术太阳能利用技术75带辅助锅炉的主动式太阳房太阳能利用技术太阳能利用技术76主动式太阳能供暖和制冷系统太阳能利用技术太阳能利用技术77被动式太阳房的示意图太阳能利用技术太阳能利用技术78 位于科罗拉多多州一所房屋的被动式太阳能建筑位于科罗拉多多州一所房屋的被动式太阳能建筑 太阳能利用技术太阳能利用技术79被动式的太阳能设计北卡罗莱纳州的一个被动式太阳北卡罗莱纳州的一个被动式太阳能房屋能房屋被动式太阳能房屋设计被动式太阳能房屋设计 太阳能利用技术太阳能利用技术80光热技术光热技术指的是将太阳能应用于生产工业用热能和进行热力发电，该术语已经应用于太阳能研发团体中，但尚在发展之中。它涉及太阳能集中器(比如盘形或者槽式反射器)的使用，从而产生比主动式太阳能集热器系统更高的运行温度。许多试验性的光热系统被用来生产蒸汽，蒸汽或者直接用于工业过程，或者在常规的热力发电过程中推动蒸汽轮机。太阳能利用技术太阳能利用技术81SolarOne中心接受器安装在塔的顶端太阳能利用技术太阳能利用技术SolarOneSolarOne建于建于2020世纪世纪7070年代的后期，是由美国能源部资助的，向年代的后期，是由美国能源部资助的，向SCESCE公司的电公司的电网提供电力，发电容量为网提供电力，发电容量为10MW10MW。该电厂的运行利用过热蒸汽系统，输入温度为。该电厂的运行利用过热蒸汽系统，输入温度为510510(950(950)，并对它的，并对它的18181818个定日镜进行数子式控制。个定日镜进行数子式控制。82太阳能中心接受器的水-蒸汽系统SolarOneSolarOne83SolarTwo84This1996photoshowsthesolartowerandsurroundingfieldofmirrorsforSolarTwo,ademonstrationprojectlocatednearBarstow,California.Credit:WarrenGretz太阳能利用技术太阳能利用技术85槽式集中器电厂被称为太阳能发电站(SEGS）在光热技术开发的历史上，20世纪80年代多个鼓励政策的结合，特别是在加利福尼亚，导致了迄今为止美国最成功的光热技术项目。槽式集中器技术在蒸汽轮机发电中的应用使得路兹太阳能热发电国际有限公司可以综合利用联邦的和加利福尼亚州的太阳能减税政策来降低其顾客所负担的能量成本(总共38.5的净价格降低)。它还利用联邦PURPA(1978年的公用事业调整政策法)和加利福尼亚州针对独立的电厂的市场担保，从而在几年内获得了很大的发展。在1984年到1991年期间，共有9个电厂建成并成功运行。在1991年联邦减税政策终止引起连锁事件，结果造成该公司破产时，还有3个项目正计划实施。这些项目中的一些后来由马里兰州巴尔的摩的ConstellationEnergy公司继续运转。太阳能利用技术太阳能利用技术86后期的SEGS电厂在热效率接近38的条件下运行。与第1个电厂相比提高了6。这一系列的电厂运行反映出技术的进步，包括发射镜反射率的提高(超过90)、对风破坏抵抗力的提高以及冷却液出口温度的提高(超过400)。清洗槽式反射镜的技术进步有助于在满是灰尘的沙漠气候中保持反射率，随时间变化的电厂输出与SCE公司的负荷需求的日变化曲线符合得很好。在高峰负荷下，0.08美元/kWh与那段时间里SCE可以利用的常规电厂的发电成本相当。太阳能利用技术太阳能利用技术SEGS系列最后2个光热电厂的容量是80MW，它们都坐落在加利福尼亚的哈珀湖(Harper Lake）。为了得到这些输出的电力，它们需要更大的场地布置槽式集热器组件(852个)，每个组件长100m。传热流体被泵送过142个平行的回路，每一个回路包含串联的6个组件。这个系统在全日照下，可以在传热流体(油)经过集热器进入到蒸汽发电机和加热器(换热器)时，将它加热到410。利用这个系统，可以产生过热蒸汽，它的效率最高而且最适用于蒸汽轮机。8788太阳能利用技术太阳能利用技术加利福尼亚加利福尼亚KramerJunctionKramerJunction的的LUZLUZ太阳能发电电厂太阳能发电电厂 89太阳能利用技术太阳能利用技术LUZLUZ的的SEGSSEGS系统系统 90光热技术小结就目前的发展阶段来看，大型的太阳能集中器系统还没有达到具有与化石燃料相竞争的能力。即使考即使考虑到在加利福尼到在加利福尼亚州广州广阔的槽式集的槽式集热器器的的场地上的准商地上的准商业化运行也是如此。它化运行也是如此。它们的成的成功或功或许只能出只能出现在偏在偏远的阳光地的阳光地带，而且需要，而且需要得到减税政策的支持。得到减税政策的支持。这些槽式集些槽式集热器器电厂中厂中最大的一个尽管覆盖面最大的一个尽管覆盖面积很大，其很大，其输出容量也出容量也仅仅是是100MW，与，与较大的常大的常规电厂厂 7001200MW)相比要小将多。相比要小将多。太阳能利用技术太阳能利用技术光热技术的前景在数十年内还不会对一个国家的能源经济产生重要影响。LUZLUZ槽式集槽式集槽式集槽式集热热器的器的器的器的试验试验装置在装置在装置在装置在发电发电成本上最具成本上最具成本上最具成本上最具竞竞争性争性争性争性(Trieb(Trieb，1997)1997)。各种形式的光。各种形式的光。各种形式的光。各种形式的光热热收集技收集技收集技收集技术术都都都都需要需要需要需要进进一步的开一步的开一步的开一步的开发发，只是其中某些技，只是其中某些技，只是其中某些技，只是其中某些技术术可能比另可能比另可能比另可能比另一些一些一些一些发发展得更成熟一些。如果它展得更成熟一些。如果它展得更成熟一些。如果它展得更成熟一些。如果它们们将来能将来能将来能将来能够够使得使得使得使得发电发电的的的的单单位成本位成本位成本位成本(投投投投资资成本加上运行成本成本加上运行成本成本加上运行成本成本加上运行成本)达到具有达到具有达到具有达到具有竞竞争力的水平，争力的水平，争力的水平，争力的水平，进进一步的运行改善和成本降低也一步的运行改善和成本降低也一步的运行改善和成本降低也一步的运行改善和成本降低也都是需要的。但尽管如此，化石燃料价格都是需要的。但尽管如此，化石燃料价格都是需要的。但尽管如此，化石燃料价格都是需要的。但尽管如此，化石燃料价格(只要一只要一只要一只要一直直直直这样这样)很可能很可能很可能很可能长长期比太阳期比太阳期比太阳期比太阳热热能的价格能的价格能的价格能的价格(没有没有没有没有获获得得得得补补贴贴的的的的)低。从低。从低。从低。从这这个意个意个意个意义义上上上上讲讲，这这种情况与低温技种情况与低温技种情况与低温技种情况与低温技术术(比如比如比如比如SDHW)SDHW)十分相似，即技十分相似，即技十分相似，即技十分相似，即技术虽术虽然然然然进进步，但在步，但在步，但在步，但在可以可以可以可以预见预见的将来仍可能无法占的将来仍可能无法占的将来仍可能无法占的将来仍可能无法占领领能源市能源市能源市能源市场场。9192太阳能热动力发电太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向，根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组，然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。93太阳能热动力发电94为了降低塔式太阳能热动力系统的投资，发展了一种太阳坑发电技术。它是在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温蒸汽。试验证实太阳坑发电的方案是可行的。由于其技术简单，成本低，有巨大的市场潜力。95另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为50 kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。96太阳能光电利用太阳能光电利用最成功的是用光电转换原理制成的太阳电池（又称光电池）。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。97太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“PN结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞 硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。98太阳能电池结构原理图99100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128常用太阳电池按其材料可以分为：晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。太阳电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机都相继问世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况，人类都期待这一天的到来。太阳能光伏电池组件太阳能电池类型主要分为：单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅薄膜电池组件、铜铟镓硒电池组件、碲化镉电池组件组件等。其中晶体硅电池组件占8090%。晶体硅单体电池尺寸一般为410cm2，输出电压只有0.450.5V，电流 约2025mA/cm2，峰值功率仅为1W左右。使用较多的组件是9串4列或12串3列共36片串联、并联，额定电压为12V。实际使用时，将电池组件串联、并联成大的功率供电系统，这就是光伏阵列。129蓄电池目前使用最多的是铅酸电池和镍镉电池。镍镉电池内阻小、允许大电池输出、比能量高、可以完全放电，性能好、寿命长，但价格高。铅酸电池的电动势是2V。一般由多个蓄电池串并联组成蓄电池组，提供的电压是2V的倍数。正极为二氧化铅，负极为金属铅，电解质为2737%的硫酸溶液。镍镉电池正极为Ni(OH)2，负极为CdO，KOH作为电解液。130充放电控制器是独立系统中最基本的控制电路，不论大小都离不开充放电控制器。其作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池过充电和过放电进行保护。基本功能：防电池过充、过放功能提供负载控制的功能提供系统工作状态给使用者或操作者提供备份能源控制接口功能将光伏系统富余电能给负载消耗的功能提供各种接口（如监控）的功能131逆变器太阳能电池所产生的电为直流电。逆电器的功能就是将直流电转换成交流电，还具有自动稳压的功能。要求：具有较高的效率具有较高的可靠性，具备各种保护功能：直流极性接反保护、交流输出短路保护、过热过载保护等要求直流输入电压有较宽的适应范围在大中容量光伏系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。132133134太阳能直接发电太阳能光利用最成功的是用光电转换原理制成的太阳电池(又称光电池)。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久，从