太阳能应用技术

1、太阳能太阳能 利用技术利用技术舒海静热能工程学院 前言前言我国能源的现状与发展趋势我国能源的现状与发展趋势v能源是人类赖以生存的物质基础，是加速国民能源是人类赖以生存的物质基础，是加速国民经济发展，建设现代化社会主义强国的经济发展，建设现代化社会主义强国的“先行先行官官” 。随着经济的发展、社会的进步、人们生随着经济的发展、社会的进步、人们生活水平的提高，对能源的需求亦随之递增。活水平的提高，对能源的需求亦随之递增。v作为常规能源的煤炭、石油、天然气、水能和作为常规能源的煤炭、石油、天然气、水能和核裂变能等，目前世界能源的消费几乎全靠这核裂变能等，目前世界能源的消费几乎全靠这五大能源来供应，在

2、今后相当长的时期内，它五大能源来供应，在今后相当长的时期内，它们仍将担任世界能源舞台上的主角们仍将担任世界能源舞台上的主角。我国能源存在着许多重大问题：我国能源存在着许多重大问题：v人均能耗低；人均能耗低；v人均能源不足；人均能源不足；v能源效率低；能源效率低；v以煤为主的能源结构亟待调整；以煤为主的能源结构亟待调整；v能源供应安全问题提到议事日程上来。能源供应安全问题提到议事日程上来。图图1 我国各种能源储采比与世界比较我国各种能源储采比与世界比较约71年约230年约61年约45年无穷大约50年约81年约30年约23年2000年2050年2100年2150年2200年2250年太阳能石油天然

3、气煤铀世界中国v为满足人类社会可持续发展对能源的需要，为满足人类社会可持续发展对能源的需要，防止和减轻大量燃用化石能源对环境造成的防止和减轻大量燃用化石能源对环境造成的严重污染和生态破坏，必须走可持续发展的严重污染和生态破坏，必须走可持续发展的能源道路，即清洁能源道路。可再生能源在能源道路，即清洁能源道路。可再生能源在消耗之后可以得到恢复补充，不产生或很少消耗之后可以得到恢复补充，不产生或很少产生污染物，被认为是未来能源结构的基础。产生污染物，被认为是未来能源结构的基础。v据专家预测，到据专家预测，到2050年各种一次能源在世界年各种一次能源在世界能源构成中所占的比例分别为：石油能源构成中所占

4、的比例分别为：石油0（或甚（或甚微），天然气微），天然气13%，煤，煤20%，核能，核能10%，水，水电电5%，太阳能、风能、生物质能，太阳能、风能、生物质能50%，其它，其它2%。由此可见，。由此可见，21世纪是人类大规模利用可世纪是人类大规模利用可再生能源的世纪。（图再生能源的世纪。（图2 2）图图2 Shell对世界能源发展的预测对世界能源发展的预测v 太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、处处均可开发应用、无需开采和运输、不会处处均可开发应用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。太阳能的污染环境和破坏生态平衡等特点。太阳能的开发利

5、用将有巨大的市场前景，它不仅带来开发利用将有巨大的市场前景，它不仅带来很好的社会效益、环境效益，而且还具有明很好的社会效益、环境效益，而且还具有明显的经济效益显的经济效益。 第一章第一章 概概 论论 1.1新能源和可再生能源的含义、新能源和可再生能源的含义、 特点及种类特点及种类（1）新能源和可再生能源的基本含义）新能源和可再生能源的基本含义 以新技术和新材料为基础，使传统的可以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发利用，用取之不再生能源得到现代化的开发利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有限、对环境有污染的化石能源；它可

6、以持有限、对环境有污染的化石能源；它可以持续发展，几乎是用之不竭，对环境无多大损续发展，几乎是用之不竭，对环境无多大损害，有利于生态良性循环。害，有利于生态良性循环。 （2）新能源和可再生能源的主要特点）新能源和可再生能源的主要特点v能量密度较低并且高度分散；能量密度较低并且高度分散；v资源丰富，可以再生；资源丰富，可以再生；v清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染物排放；污染物排放；v太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机性；随机性；v开发利用的技术难度大。开发利用的技术难度大。（3）新能源和可再生能源的种类

7、）新能源和可再生能源的种类联合国开发计划署（联合国开发计划署（UNDP）分为）分为3大类：大类：v大中型水电。大中型水电。v新可再生能源。新可再生能源。 包括小水电、太阳能、风能、包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能和海洋能等现代生物质能、地热能和海洋能等v传统生物质能。传统生物质能。 我国目前利用的新能源和可再生能源：我国目前利用的新能源和可再生能源：a.生物质能。生物质能。 v绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。储存在生物质内部的能量。v通常包括木材及森林废弃物、农业废弃物、通常包括木材及森林废弃物、农业废弃物、水生

8、植物、油料植物、城市和工业有机废弃水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。物、动物粪便等。v应用：沼气、压缩成型固体燃料、气化生产应用：沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生产生物柴油等。产生物柴油等。 v利用途径有直接燃烧、热化学转换和生物化利用途径有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换。学转换。b.太阳能。太阳能。 转换和利用方式有光转换和利用方式有光-热转换、光热转换、光-电转换和电转换和光光-化学转换。化学转换。v太阳辐射的优点：太阳辐射的优点： a 普遍；普遍；b无害；无害；c长久；长久；d巨大。巨大。

9、v缺点：缺点： a 分散性；分散性；b随机性；随机性；c间歇性。间歇性。c. 风能。风能。 太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。的能量。 利用的主要形式有风力发电、风力提水、风利用的主要形式有风力发电、风力提水、风力制热以及风帆助航等。力制热以及风帆助航等。d. 小水电。小水电。 指小水电站及其相配套的电网的统称。指小水电站及其相配套的电网的统称。 开发方式按照集中水头的办法，可分为引水开发方式按照集中水头的办法，可分为引水式、堤坝式和混合式式、堤坝式和混合式3类。类。e

10、. 地热能。地热能。 指当前技术经济和地质环境条件下，地壳内指当前技术经济和地质环境条件下，地壳内部能够科学合理地开发出来的岩石的热能量部能够科学合理地开发出来的岩石的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。 利用方式主要有地热发电和地热直接利用。利用方式主要有地热发电和地热直接利用。f. 海洋能。海洋能。 指蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、指蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、海水温度差能和波浪能、潮流能、海流能、海水温度差能和海水盐度差能等不同的能源形态。海水盐度差能等不同的能源形态。 海洋能技术是指将海洋能转换

11、成为电能或机海洋能技术是指将海洋能转换成为电能或机械能的技术。械能的技术。g. 氢能和燃料电池。氢能和燃料电池。 氢能是一种二次能源。氢能不但清洁干净、氢能是一种二次能源。氢能不但清洁干净、效率高，而且转换形式多样，可以制成以其效率高，而且转换形式多样，可以制成以其为燃料的燃料电池。为燃料的燃料电池。 1.2 开发利用开发利用 新能源和可再生能源的意义新能源和可再生能源的意义（1）新能源和可再生能源是人类社会未来能）新能源和可再生能源是人类社会未来能源的基石，是大量燃用的化石能源的替代能源源的基石，是大量燃用的化石能源的替代能源v在当今的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气的煤炭

12、等化石能源。随着经济的发展，人口的增加，社会生产的提高，能源消费量高速增长。1998年世界一次能源消费总量为140.50亿吨标准煤，预计2020年将达到200250亿吨标准煤以上。v据权威机构统计，至2002年底，世界一次能源可采储量如图所示。我国的能源资源储量不容乐观，人均能源资源占有量非常低。v国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源和可再生能源的比例，将会发展到占世界能源构成的50%以上。（2）新能源和可再生能源清洁干净，只有很）新能源和可再生能源清洁干净，只有很 少的污染物排放，是与人类赖以生存地球的少的污染物排放，是与人类赖以生存地球的 生态环境相协调的清洁能源生态环境相协

13、调的清洁能源v化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。CO2等温室气体的排放，造成全球平均气温上升和海平面上升。能源利用和其他污染源大量排放环境污染物造成环境严重污染。（3）新能源和可再生能源是不发达国家约）新能源和可再生能源是不发达国家约20亿无电人口和特殊用途解决供电、用能问题亿无电人口和特殊用途解决供电、用能问题的现实能源。的现实能源。太阳能被誉为太阳能被誉为21世纪最有希望的能源世纪最有希望的能源 我国具有丰富的太阳能资源，年日照时我国具有丰富的太阳能资源，年日照时数在数在2200小时以上的地区约占国土面积小时以上的地区约占国土面积的的2/3以上

14、。太阳能资源分布的特点是西以上。太阳能资源分布的特点是西部多于东部，南部大部分地区少于北部。部多于东部，南部大部分地区少于北部。中国太阳能资源分布带（中国太阳能资源分布带（100MJ/M2.a)1.3 太阳能利用简史太阳能利用简史v中国是世界上利用太阳能最早的国家之一，中国是世界上利用太阳能最早的国家之一，中华民族的祖先是人类利用太阳能最早、最中华民族的祖先是人类利用太阳能最早、最杰出的先驱。杰出的先驱。v公元前公元前11世纪（西周时代），利用铜制凹面世纪（西周时代），利用铜制凹面镜汇聚阳光点燃艾绒取火，称之为镜汇聚阳光点燃艾绒取火，称之为“阳燧取阳燧取火火”。v西晋时代，把冰磨成凸透镜，用来

15、使太阳光西晋时代，把冰磨成凸透镜，用来使太阳光聚集而取火。聚集而取火。 v从世界范围来说，真正引起国际社会重视并从世界范围来说，真正引起国际社会重视并有组织的对太阳能利用开展较大规模研究开有组织的对太阳能利用开展较大规模研究开发和试验示范工作，开始于发和试验示范工作，开始于20世纪世纪60年代之年代之初。初。1961年联合国在罗马召开的国际新能源年联合国在罗马召开的国际新能源会议，把太阳能利用作为主要议题之一。会议，把太阳能利用作为主要议题之一。v按照太阳能利用发展和应用的状况，把现代按照太阳能利用发展和应用的状况，把现代世界太阳能利用的发展过程划分为如下世界太阳能利用的发展过程划分为如下8个

16、阶个阶段。段。v第一阶段，第一阶段，16151900年，年，1615年发明世年发明世界上第一台利用太阳能驱动的抽水泵。这和界上第一台利用太阳能驱动的抽水泵。这和其他动力装置的发明几乎全部采用聚光方式其他动力装置的发明几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质大都是水采集阳光，发动机功率不大，工质大都是水蒸气，造价昂贵，实用价值不大。蒸气，造价昂贵，实用价值不大。1860年研年研制出世界上第一台抛物镜太阳灶。制出世界上第一台抛物镜太阳灶。v第二阶段，第二阶段，19011920年，研究的重点，仍年，研究的重点，仍然是太阳能动力装置。但采用的聚光方式多然是太阳能动力装置。但采用的聚光方式多样

17、化，并开始采用平板式集热器和低沸点工样化，并开始采用平板式集热器和低沸点工质。同时，装置的规模也有扩大，实用价值质。同时，装置的规模也有扩大，实用价值增大，但造价仍然很高。增大，但造价仍然很高。v第三阶段，第三阶段，19211945年，化石燃料大量开年，化石燃料大量开采应用，第二次世界大战爆发，研究开发处采应用，第二次世界大战爆发，研究开发处于低潮。于低潮。v第四阶段，第四阶段，1946年年1965年，太阳能利用的年，太阳能利用的研究开始复苏，加强了太阳能基础理论和基研究开始复苏，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了太阳能选择性涂层和础材料的研究，取得了太阳能选择性涂层和硅太阳能电池等

18、关键技术的重大突破；平板硅太阳能电池等关键技术的重大突破；平板式集热器有了很大发展，技术上逐渐成熟；式集热器有了很大发展，技术上逐渐成熟；太阳能吸收式空调的研究取得进展；建成了太阳能吸收式空调的研究取得进展；建成了一批实验性的太阳房；对技术难度较大的斯一批实验性的太阳房；对技术难度较大的斯特林发动机和太阳能热发电技术等进行了初特林发动机和太阳能热发电技术等进行了初步研究。步研究。v第五阶段，第五阶段，19661973年，停滞不前，发展年，停滞不前，发展缓慢，技术还不成熟。缓慢，技术还不成熟。v第六阶段，第六阶段，19731980年，石油危机带来了年，石油危机带来了世界太阳能利用前所未有的大发展

19、时期。世界太阳能利用前所未有的大发展时期。 各国加强了支持力度，制定各国加强了支持力度，制定“阳光计划阳光计划”。 研究领域不断扩大，取得了一批较为重要研究领域不断扩大，取得了一批较为重要的成果。的成果。 太阳热水器和太阳能电池等产品开始实现太阳热水器和太阳能电池等产品开始实现商品化，初步建立起太阳能产业，但规模较商品化，初步建立起太阳能产业，但规模较小，经济效益上不理想。小，经济效益上不理想。 存在要求过高、过急的问题。存在要求过高、过急的问题。v第七阶段，第七阶段，19811991年，石油价格大幅回年，石油价格大幅回落，太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力，落，太阳能产品价格居高不下，缺乏竞

20、争力，技术也无重大突破，故研究经费大幅度减少，技术也无重大突破，故研究经费大幅度减少，但仍有很好的进展。全世界建造了但仍有很好的进展。全世界建造了500kW以以上的太阳能热发电站约上的太阳能热发电站约20多座。多座。v第八阶段，第八阶段，1992年至今，化石能源的大量耗年至今，化石能源的大量耗用造成了全球性的环境污染和生态破坏，对用造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成严重威胁。联合国于人类的生存和发展构成严重威胁。联合国于1992年年6月召开了月召开了“世界环境与发展大会世界环境与发展大会”，把环境与发展紧密结合，确立了经济社会走把环境与发展紧密结合，确立了经济社会走可持续

21、发展之路的模式。世界各国加强了对可持续发展之路的模式。世界各国加强了对于清洁能源技术的研究开发，把利用太阳能于清洁能源技术的研究开发，把利用太阳能与环境保护紧密结合在一起，使太阳能的开与环境保护紧密结合在一起，使太阳能的开发利用工作走出低谷，逐步得到重视和加强。发利用工作走出低谷，逐步得到重视和加强。 1992年以后，世界太阳能利用进入了一个快年以后，世界太阳能利用进入了一个快速发展的新阶段。速发展的新阶段。 v特点：特点：太阳能利用与世界可持续发展和生态环境保太阳能利用与世界可持续发展和生态环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力。

22、阳能发展战略而努力。发展目标明确，重点突出，措施得力，克服发展目标明确，重点突出，措施得力，克服了以往忽冷忽热、过热过急的弊病，使太阳了以往忽冷忽热、过热过急的弊病，使太阳能事业健康、稳定、持续地发展。能事业健康、稳定、持续地发展。在加大研发力度的同时，注意将研发成果尽在加大研发力度的同时，注意将研发成果尽快转化为产品，不断扩大太阳能利用应用领快转化为产品，不断扩大太阳能利用应用领域和应用规模，努力降低成本，大力提高经域和应用规模，努力降低成本，大力提高经济效益，积极发展太阳能产业，加速商业化济效益，积极发展太阳能产业，加速商业化进程。进程。1.4 太阳能利用基本方式太阳能利用基本方式v光热利

23、用光热利用 基本原理是将太阳辐射能收集起来，通基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。过与物质的相互作用转换成热能加以利用。太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦型集热器等空管集热器和聚焦型集热器等3种。根据所能种。根据所能达到的温度和用途的不同，太阳能光热利用达到的温度和用途的不同，太阳能光热利用分为低温利用（分为低温利用（800）。）。v目前低温利用主要有太阳热水器、太阳能干目前低温利用主要有太阳热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。利用主要有高温太阳炉等。v太阳能发电太阳能发电 光光-热热-电转换。即利用太阳集热器将所吸电转换。即利用太阳集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸气，然后由蒸气驱收的热能转换为工质的蒸气，然后由蒸气驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光动气轮机带动发电机发电。前一过程为光-热热转