可再生能源发电技术-2012-2课件

1、讲授内容讲授内容上节课内容回顾上节课内容回顾太阳能的知识太阳能的知识大作业大作业上节课内容回顾上节课内容回顾自主研发的技术尤其是高端技术很少，许多项目和企自主研发的技术尤其是高端技术很少，许多项目和企业都是靠从业都是靠从国外引进技术或者合作生产国外引进技术或者合作生产。研发和利用的研发和利用的成本大大高于常规能源成本大大高于常规能源，无法与常规能，无法与常规能源形成竞争源形成竞争。 没有没有长期稳定的制度支撑与保障长期稳定的制度支撑与保障。 新能源与可再能源及其开发利用的现状及问题新能源与可再能源及其开发利用的现状及问题 上节课内容回顾上节课内容回顾内蒙古的能源结构内蒙古的能源结构煤炭资源全国

2、第一，发电装机全国第一，煤炭资源全国第一，发电装机全国第一，风能储量全国第一，太阳能储量全国第二风能储量全国第一，太阳能储量全国第二内蒙古地区风能蕴藏量约内蒙古地区风能蕴藏量约3亿千瓦，可开发亿千瓦，可开发1亿千瓦以上。亿千瓦以上。蒙西电网风电总装机为蒙西电网风电总装机为9230MW，风场，风场100座，占蒙西电网总装座，占蒙西电网总装机机42120MW的的21.9%；最大发电负荷最大发电负荷6560MW占全网发电负荷占全网发电负荷28以上；以上；最大日电量最大日电量11138万万kWh，占全网上网电量，占全网上网电量30.5；成为蒙西电网第二大主力。（截止成为蒙西电网第二大主力。（截止201

3、2年年10月底）月底）我国风能行业产能依然过剩我国风能行业产能依然过剩太阳是一个巨大的炽热的气体球太阳是一个巨大的炽热的气体球,其内部不断进行着热核反应其内部不断进行着热核反应,因而释因而释放巨大的能量。放巨大的能量。 太阳的太阳的直径约为直径约为139万公里万公里,比地球的直径大比地球的直径大109.3倍。倍。 太阳的太阳的体积约体积约1.41221018km3,比地球的体积大比地球的体积大130万倍。万倍。 太阳与地球的平均太阳与地球的平均距离约距离约1.5亿公里亿公里。 太阳能的知识太阳能的知识太阳概况太阳概况 太阳的表面温度约太阳的表面温度约5497 0C,中心高达中心高达2107 0

4、C,压力约为压力约为2000多亿个大气多亿个大气压。压。 太阳的质量约太阳的质量约1.98921027 t,相当于地球质量的相当于地球质量的333400倍。倍。 太阳的平均密度为太阳的平均密度为 ？ g/cm3,仅为地球密度的仅为地球密度的1/4。 太阳每秒钟释放出的能量是太阳每秒钟释放出的能量是3.8651026J，相当于，相当于每秒钟每秒钟燃烧燃烧 ？标准煤所发出的能量。标准煤所发出的能量。 太阳发出的能量大约只有太阳发出的能量大约只有1/22亿亿到达地球，大约为到达地球，大约为173104亿亿kW。其。其中被大气吸收大约中被大气吸收大约23%；被大气和尘粒反射回宇宙空间大约；被大气和尘粒

5、反射回宇宙空间大约30%；穿穿过大气到达地球表面的太阳辐射能约占过大气到达地球表面的太阳辐射能约占47%(81104亿亿kW) 到达陆地表面大约只有到达陆地表面大约只有17 104亿亿kW，只占到达地球范围内，只占到达地球范围内 太阳辐射能的太阳辐射能的10%太阳能的知识太阳能的知识太阳概况太阳概况47%23%太阳能的知识太阳能的知识太阳能的知识太阳能的知识太阳辐射太阳辐射u单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率或或辐射通量辐射通量，单位是，单位是W。u 太阳投射到单位面积上的辐射功率太阳投射到单位面积上的辐射功率(辐射通量辐射

6、通量)称为辐射度或称为辐射度或辐照度辐照度，单位是，单位是W/m2。u 在一段时间内在一段时间内(如每小时、日、月、年等如每小时、日、月、年等)太阳投射到单位面太阳投射到单位面积上的辐射能量称为辐射量或积上的辐射能量称为辐射量或辐照量辐照量， 单位是千瓦时单位是千瓦时/平方米平方米日日(月、年月、年) 。太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球地球的自转轴与公转运行的地球的自转轴与公转运行的轨道面轨道面(黄道面黄道面)的法线倾斜的法线倾斜成成23027夹角夹角，而且在地球而且在地球公转时自转轴的方向始终指公转时自转轴的方向始终指向向天球天球的北极的北极，这就使得太这就使得太阳光线直射赤道的

7、位置有时阳光线直射赤道的位置有时偏南偏南，有时偏北有时偏北，形成地球形成地球上季节的变化上季节的变化太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）人们站在地球表面人们站在地球表面，仰望天空仰望天空，平视四周所看到的这个假想球面平视四周所看到的这个假想球面。按照相对运动按照相对运动原理原理，太阳好象在这个球面上周而复始地运动太阳好象在这个球面上周而复始地运动。（太阳周日视运动。（太阳周日视运动.swf） 要确定太阳在天球上的位置要确定太阳在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐标最方便的方法是采用天球坐标。 赤道坐标系赤道坐标系和地平坐标系两种和地平坐标系两种。 QQPP

8、( 北天极北天极)天赤道天赤道BSO以天赤道以天赤道QQ为基本圈为基本圈，以天子午以天子午圈的交点圈的交点Q为原点的天球坐标系为原点的天球坐标系， PP 分别为北天极和南天极分别为北天极和南天极。通过通过PP 的大圆都垂直于天赤道的大圆都垂直于天赤道。显然显然，通过通过P和球面上的太阳和球面上的太阳(S)的半圆也的半圆也垂直于天赤道垂直于天赤道,两者相交于两者相交于B点点。 太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （flashflash演示）演示）附加力（黄道面、赤道面）附加力（黄道面、赤道面）太阳周日视运动太阳周日视运动 太阳日太阳日 地球公转地球公转 公转不匀速公转不匀速二十四节气示

9、意图（太阳在黄道上的周年视运动）二十四节气示意图（太阳在黄道上的周年视运动） 太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）赤道坐标系赤道坐标系和水平坐标系两种和水平坐标系两种。 QQPP( 北天极北天极)天赤道天赤道BSO在赤道坐标系中在赤道坐标系中，太阳的位置太阳的位置S由由下列两个坐标决定下列两个坐标决定: a. 时角（时角（ ） 相对于相对于圆弧圆弧QB，从天子午圈上的从天子午圈上的Q点起算点起算(即即从太阳的正午起算从太阳的正午起算)，顺时针方向为正顺时针方向为正；逆时针逆时针方向为负方向为负。即上午为负即上午为负；下午为正，正午为下午为正，正午为0。通常以通

10、常以表示表示，它的数值等于离正午的时间它的数值等于离正午的时间(小时小时)乘以乘以150(?)。 b. 赤纬（赤纬（ ） 相对于圆弧相对于圆弧，从天赤道起算从天赤道起算，通常以通常以表示表示。对于太阳来说对于太阳来说，春分和秋分日的春分和秋分日的 =00，向北天向北天极极由由00变化到夏至日的变化到夏至日的+23027；向南天极向南天极由由00变变化到冬至日的化到冬至日的23027。 28423.45sin 360365n太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）赤道坐标系赤道坐标系和水平坐标系两种和水平坐标系两种。 在赤道坐标系中在赤道坐标系中，太阳的位置太阳的位

11、置S由由和和两个坐标决定两个坐标决定，这两个坐标与地，这两个坐标与地区无关。区无关。 太阳赤纬可用太阳赤纬可用Cooper方程方程近似计算近似计算: 其中其中: n为一年中的日期序号为一年中的日期序号，如元旦为如元旦为n =1， 春分为春分为n = 81。 ？计算？计算9月月22日的赤纬日的赤纬. ？计算今天的赤纬？计算今天的赤纬. QQPP( 北天极北天极)天赤道天赤道BSO大作业大作业太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）人们站在地球表面人们站在地球表面，仰望天空仰望天空，平视四周所看到的这个假想球面平视四周所看到的这个假想球面。按照相对按照相对运动原理运动

12、原理，太阳好象在这个球面上周而复始地运动太阳好象在这个球面上周而复始地运动。 要确定太阳在天球上的位置要确定太阳在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐标最方便的方法是采用天球坐标。 赤道坐标系赤道坐标系和和地平坐标系地平坐标系两种两种。 是人在地球上观看空中的是人在地球上观看空中的太阳相对于太阳相对于地平面的位置地平面的位置。这时这时，太阳相对地球太阳相对地球的位置是相对于地平面而言的的位置是相对于地平面而言的。通常通常用用两个坐标决定两个坐标决定。 在某个时刻在某个时刻，由于地球上各处的位置由于地球上各处的位置不同不同，因而各处的高度角和方位角也因而各处的高度角和方位角也不相同不相同。 S

13、南南西西东东太阳太阳QOgPZSSa. 天顶角天顶角Z 太阳光线太阳光线OP与地平面法线与地平面法线QP之间的夹角之间的夹角 b. 高度角高度角s 太阳光线太阳光线OP与其在地平面上投影线与其在地平面上投影线pg之间之间的夹角，它表示太阳高出水平面的角度的夹角，它表示太阳高出水平面的角度 太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）赤道坐标系赤道坐标系和和地平坐标系地平坐标系两种两种。 在地平坐标系中在地平坐标系中，太阳的位置由高太阳的位置由高度角和方位角两个坐标决定度角和方位角两个坐标决定: S南南西西东东太阳太阳QOgPZSS高度角与天顶角的关系是高度角与天顶角的

14、关系是: Z+ s =900c. 方位角方位角s 太阳光线在地平面上投影和地平面上太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方向线之间的夹角正南方向线之间的夹角。它表示太阳光它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度线的水平投影偏离正南方向的角度sinsin sincos cos coss太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）赤道坐标系赤道坐标系和和地平坐标系地平坐标系两种两种。 在地平坐标系中在地平坐标系中，太阳的位置由高太阳的位置由高度角和方位角两个坐标决定度角和方位角两个坐标决定: 高度角和纬度、赤纬及时角的关系是高度角和纬度、赤纬及时角的关系是: 太阳正午时太

15、阳正午时，时角时角= 0，可简化为可简化为:思考思考! (书上书上34页延伸思考）页延伸思考）当当正午正午太阳在天顶以南太阳在天顶以南，即即 时时:当当正午正午太阳在天顶以北太阳在天顶以北，即即 时时: s= 900+=900 31. 120 +(0.60)=58.280 下午下午3时的太阳高度角时的太阳高度角: sins=sin31.12sin(0.6)+cos31.12cos (0.6)cos45=0.5998 s = 36.860太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）作业：作业： 计算你家乡计算你家乡9月月5日（日（5月月9日，日，8月月9日，日，9月月8

16、日）正午日）正午12时和下午时和下午3时，时，（上午（上午9时，时，11时，下午时，下午1时）的太阳高度角。时）的太阳高度角。大作业大作业coscossinsinsincosssssscossincossin太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）赤道坐标系赤道坐标系和和地平坐标系地平坐标系两种两种。 在地平坐标系中在地平坐标系中，太阳的位置由高太阳的位置由高度角和方位角两个坐标决定度角和方位角两个坐标决定: S南南西西东东太阳太阳QOgPZSS方位角与赤纬方位角与赤纬、高度角高度角、纬度及纬度及时角的关系是时角的关系是太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球

17、 （天球坐标）（天球坐标）1. 日出日落日出日落时角时角0 日出日落时太阳高度角为日出日落时太阳高度角为 ？，可得到可得到: c o s 0 = tantan 由于由于 c o s 0 = c o s ( 0 ) 0日出日出 = 0 ； 0日落日落 = 0 2. 日照时间日照时间N 由于地球每小时自转由于地球每小时自转150，所以日照时间所以日照时间N可以用日出日落时角可以用日出日落时角的绝对值之和除以的绝对值之和除以150/小时小时。 2arccos( tantan )150015N日落日出？求上海地区冬至日日出日落时角及？求上海地区冬至日日出日落时角及全天日照时间全天日照时间.？呼市地区、

18、你的家乡今天的日出日落时角及全天日照时间？呼市地区、你的家乡今天的日出日落时角及全天日照时间大作业大作业太阳能的知识太阳能的知识太阳与地球太阳与地球 （天球坐标）（天球坐标）3.日出日落时的方位角日出日落时的方位角 日出日落时太阳高度角为日出日落时太阳高度角为s= 0 所以所以: coss= 1； sins= 0 带入方位角公式带入方位角公式 cos s,0 = sin/sin上式得到的日出日落时的方位角都有两组解，因此必须选择一个正上式得到的日出日落时的方位角都有两组解，因此必须选择一个正确的解。我国所处位置大致可划分为北热带确的解。我国所处位置大致可划分为北热带(023.450)和北温带和

19、北温带(23.45066.550)两个气候带。当太阳赤纬两个气候带。当太阳赤纬00时，太阳升起和降落时，太阳升起和降落都在北面的象限都在北面的象限(即数学上的第一，二象限即数学上的第一，二象限) ；00时，太阳升起和时，太阳升起和降落都在南面的象限降落都在南面的象限(即数学上的第三，四象限即数学上的第三，四象限) ？求上海地区？求上海地区9月月22日日出日日出日落的方位角及日落的方位角及全天日照时间全天日照时间.大作业大作业太阳能的知识太阳能的知识太阳辐射太阳辐射(1)太阳常数太阳常数 在平均日地距离上在平均日地距离上，在在地球大气层上界地球大气层上界，垂直于太阳光线的平面上垂直于太阳光线的平

20、面上，单单位时间内在单位面积上所获得太阳辐射能的数值位时间内在单位面积上所获得太阳辐射能的数值。 （根据根据1981年年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪器和观测方法委员会第月在墨西哥召开的世界气象组织仪器和观测方法委员会第8届会议通过的最新数值届会议通过的最新数值）: I0 = 13677 W/m2 大气上界大气上界是为了说明是为了说明大气圈大气圈的垂直范围而确定的地球大气的最大的垂直范围而确定的地球大气的最大上限高度。通常有两种确定法：上限高度。通常有两种确定法：着眼于大气中出现的某些物理现象，据观测着眼于大气中出现的某些物理现象，据观测极光极光出现的最大高度在出现的最大高度在1200公里

21、的公里的高度上，因此，有人认为大气上界是高度上，因此，有人认为大气上界是1200公里高度，这称为大气的物理上界。公里高度，这称为大气的物理上界。着眼于大气密度，根据天体物理研究，星际气体密度约为每立方厘米中一个微观着眼于大气密度，根据天体物理研究，星际气体密度约为每立方厘米中一个微观粒子。按粒子。按人造卫星人造卫星探测资料推算，地球大气密度在探测资料推算，地球大气密度在20003000公里高空达到这公里高空达到这一标准，故目前一般以此作为大气上界。一标准，故目前一般以此作为大气上界。太阳能的知识太阳能的知识太阳能的知识太阳能的知识太阳辐射太阳辐射(2)到达大气层上界的太阳辐射到达大气层上界的太

22、阳辐射 大气层上界水平面上的太阳辐射日总量大气层上界水平面上的太阳辐射日总量H0可以用下式计算可以用下式计算:其中其中: I0 太阳常数太阳常数 0 日出日落时角日出日落时角 太阳赤纬太阳赤纬 日日-地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的 修正修正 值值:注：个人认为应该是注：个人认为应该是000024(sin sincos coscos)HI3652cos034. 01ncoscossinsin(24sin2sin0000000IdITdtIHsts)sin0大作业大作业太阳能的知识太阳能的知识太阳辐射太阳辐射(3)大气质量大气质量 m （看书（看书

23、36页的定义）页的定义） 例如此值为例如此值为1.5时时，通常写成通常写成AM1.5。 大气层上界为大气层上界为AM0。AM =m= cosz = 1/sins其中其中: z 天顶角天顶角; s 高度角高度角补充知识：补充知识：PM2.5是指大气中直径小于或等于是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。虽然粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。度等有重要的影响。PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停粒径小，富含大量的有毒

24、、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2012年年2月，月，国务院同意发布新修订的国务院同意发布新修订的环境空气质量标准环境空气质量标准增加了增加了PM2.5监测指标。监测指标。太阳能的知识太阳能的知识到达地表的太阳直接辐射到达地表的太阳直接辐射 (1)大气透明度大气透明度 P （ %） 大气透明度是表征大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数大气对于太阳光线透过程度的一个参数。在晴朗无云在晴朗无云的天气的天气，大气透明度高大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多到达地面的太阳

25、辐射能就多。在天空中云雾或风沙在天空中云雾或风沙灰尘多灰尘多，大气透明度低大气透明度低，到达地面的太阳辐射能就少到达地面的太阳辐射能就少。(2)到达地表的法向太阳直接辐射强度到达地表的法向太阳直接辐射强度 为了比较不同大气质量情况下的大气透明度，必须将大气透明度订正到某个为了比较不同大气质量情况下的大气透明度，必须将大气透明度订正到某个给定的大气质量。例如将大气质量为给定的大气质量。例如将大气质量为m的大气透明度的大气透明度Pm值订正到大气质量为值订正到大气质量为2的的大气透明度大气透明度P2。对于大多数地区而言，直接利用日射资料来确定此时的大气透明。对于大多数地区而言，直接利用日射资料来确定

26、此时的大气透明度度P2是可能的。是可能的。 02mnIIPsPPPmmsin111mmnPIPII00大作业大作业关于大气透明度的表的使用方法关于大气透明度的表的使用方法太阳能的知识太阳能的知识到达地表的太阳直接辐射到达地表的太阳直接辐射 (3)水平面上太阳直接辐射水平面上太阳直接辐射（W/m2 或 J/m2s）ABCInIbSZ由于太阳直接辐射到由于太阳直接辐射到AC和和AB平平面上的能量是相等的面上的能量是相等的。 式中式中: Ib 水平面上直接辐射量水平面上直接辐射量 s 高度角高度角 z 天顶角天顶角因此因此:znsnbIIIcossin0sinmbmsII P太阳能的知识太阳能的知识

27、到达地表的太阳直接辐射到达地表的太阳直接辐射 (3)水平面上太阳直接辐射水平面上太阳直接辐射ABCInIbSZ水平面上的日总辐射量水平面上的日总辐射量 将将水平面上直接辐射量水平面上直接辐射量从从日出到日落的时间内积分：日出到日落的时间内积分：式中式中:Hb为水平面日直接辐射总为水平面日直接辐射总量量. 将式中的将式中的dt 改用时角改用时角:dTdt2式中式中: T 昼夜长昼夜长(一天为一天为24h); 0 日出日落时角；日出日落时角； I 0 太阳常太阳常数数dtPIdtPIHsNmmsmmtbsinsin0000dPITHmmb)coscoscossin(sin200太阳能的知识太阳能的知识到达地表的太阳直接辐射到达地表的太阳直接辐射 (4)倾斜面上的太阳直接辐射通量倾斜面上的太阳直接辐射通量ITb / In