太阳能光热应用

1、可再生能源第四章太阳能主讲(zhjing)教师：李昂物理教研室共四十八页4.1 概述(i sh)共四十八页 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。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(xngchng)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、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。 太阳能有直接太阳能和广义太阳能两种。直接太阳能，就是太阳直接辐射的能量；广义太阳能，是指由太阳辐射所产生的其他自然能，例如风能、水能、

2、波浪能、海洋温差能、生物质能等。这里所讲的太阳能，是指太阳直接辐射的能量。共四十八页一、太阳(tiyng)和太阳(tiyng)辐射能共四十八页二、到达(dod)地球的太阳辐射能共四十八页三、我国太阳能资源(zyun)分布共四十八页四、利用(lyng)太阳能的利与弊共四十八页4.2 太阳能的光热(un r)利用共四十八页 太阳能的光热利用是通过转换装置将太阳的辐射能转换为热能加以利用。 太阳能采暖技术、太阳能制冷(zhlng)与空调技术、太阳能热水系统、太能能干燥系统、太阳灶和太阳房等。共四十八页 太阳能热利用的关键设备是太阳能集热器和太阳能蓄热器。 太阳能集热器分为聚光和非聚光两种类型。聚光型

3、太阳能集热器将阳光聚焦在较小的吸热面上，可获得较高的温度(wnd)，但只能利用阳光直射，而且需要跟踪太阳轨迹。非聚光集热器分为平板型和玻璃真空管型。共四十八页一、太阳能供暖(n nun)共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面，把房屋看作一个集热器，通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房概念与建筑结合形成了“太阳能建筑”技术领域，成为太阳能界和建筑界共同(gngtng)关心的热点。共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 太阳房可以节约7590的能耗，并具有良好的环境效益和经

4、济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。在太阳房技术和应用方面欧洲处于领先地位，特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。日本已利用这种技术建成了上万套太阳房，节能幼儿园、节能办公室、节能医院也在大力推广，中国(zhn u)也正在推广综合利用太阳能，使建筑物完全不依赖常规能源的节能环保性住宅。共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 被动式太阳房： 被动式太阳房是一种经济、有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个重要领域，具有重要的经济效益和社会效益。它的推广有利于节约常规能源、保护自然环境、减少污染，使人与自然环境得到和谐的发展。被动式太阳房主要根据当地气候条件，把

5、房屋建造得尽量利用太阳的直接(zhji)辐射能，它不需要安装复杂的太阳能集热器。更不用循环动力设备，完全依靠建筑结构造成的吸热、隔热、保温、通风等特性，来达到冬暖夏凉的目的。共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 被动式太阳房： 直接(zhji)受益式 让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式，是太阳能采暖中和普通房差别最小的一种。冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗，直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面，使其吸收大部分热量，因而温度升高，少部分阳光被反射到室内的其他面（包括窗），再次进行阳光的吸收、反射作用（或通过窗户透出室外）。被围护结构内表面吸收的太阳能，一部分以辐射和对流的方式在室内空间

6、传递，一部分导入蓄热体内，然后逐渐释放出热量，使房间在晚上和阴天也能保持一定的温度。共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 被动式太阳(tiyng)房： 集热墙式 是利用南向垂直集热墙，吸收穿过玻璃采光面的阳光，然后通过传导、辐射及对流，把热量送到室内。墙的外表面一般被涂成黑色或某种暗色，以便有效地吸收阳光。共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 被动式太阳房： 附加(fji)阳光间式 是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙（带门、窗或通风孔）把房子与阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以

7、太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。共四十八页一、太阳能供暖(n nun) 主动式太阳房： 主动式太阳房一般由集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及辅助能源系统构成。它需要热交换器、水泵和风机等设备(shbi)，电源也是不可缺少的。 利用屋顶或墙壁的太阳能光伏电系统获得房屋所需的全部能源，甚至多余的电能还可以输出。共四十八页二、太阳能制冷(zhlng) 光电转换(zhunhun)制冷： 利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后，再用于驱动半导体制冷系统或常规压缩式制冷系统实现制冷的方法。这种制冷方式的前提是将太阳能转换为电能，其关键是光电转

8、换技术，必须采用光电转换接受器，即光电池，它的工作原理是光伏效应。 太阳能半导体制冷 光电压缩式制冷共四十八页二、太阳能制冷(zhlng) 光热(un r)转换制冷： 首先是将太阳能转换成热能，再利用热能作为外界补偿来实现制冷目的。 太阳能吸收式制冷 太阳能吸附式制冷 太阳能喷射式制冷共四十八页三、太阳能热水(r shu)系统 利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热(ji r)。是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。共四十八页三、太阳能热水(r shu)系统 太阳能热水系统(xtng)的分类以加热循环方式可分为：自然循环式太阳能热水器、强制循环式太阳能热水

9、系统(xtng)、储置式太阳能热水器等三种。 热水器由真空集热管、保温水箱、支架、连接管道等组成的。共四十八页三、太阳能热水(r shu)系统 优点(yudin) 缺点共四十八页四、太阳灶 太阳灶是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。它不烧任何燃料；没有任何污染；正常(zhngchng)使用时比蜂窝煤炉还要快；和煤气灶速度一致。共四十八页五、太阳能海水淡化(dn hu) 太阳能蒸馏器有两种，较简便的一种叫顶棚式（或热箱式），另一种是聚光式。顶棚式是以水泥浅池为基础，上面(shng min)盖以玻璃顶棚，顶棚分单斜坡和双斜坡。共四十八页 太阳能干燥就是使被干燥的物料，或

10、者直接吸收太阳能并将它转换为热能，或者通过太阳集热器所加热的空气进行对流换热而获得热能，继而再经过物料表面与物料内部之间的传热(chun r)、传质过程，使物料中的水分逐步汽化并扩散到空气中去，最终达到干燥的目的。六、太阳能干燥(gnzo)共四十八页4.3 太阳能热发电(fdin)系统共四十八页 太阳能热发电技术是指：利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到(d do)发电的目的。 采用太阳能热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即

11、太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。共四十八页一、槽式太阳能热发电(fdin)系统 槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动(q dn)汽轮机发电机组发电。技术涵盖太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式抛物面反射镜、槽式太阳能接收器等方面。共四十八页二、塔式太阳能热发电(fdin)系统 太阳能塔式发电是应用的塔式系统。塔式系统又称集中式系统。它是在很大面积的场地上装有许多台大型太阳能反射(fnsh)镜，通常称为定日镜，每台都各自配有跟踪机构准确的将太阳光反射

12、(fnsh)集中到一个高塔顶部的接受器上。接受器上的聚光倍率可超过1000倍。在这里把吸收的太阳光能转化成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做工，带动发电机，最后以电能的形式输出。主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统、发电子系统等部分组成。共四十八页三、碟式太阳能热发电(fdin)系统 太阳能碟式发电也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而(yn r)可产生非常高的温度。共四十八页4.4 太阳能光伏发电(fdin)共四十八页 光伏发电是利用半导体

13、界面的光生伏特效应而将光能直接转变(zhunbin)为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。 理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要(xyo)电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电 光伏发电系统无处不在。共四十八页一、光生(un shn)伏打效应 太阳能电池实际上是由若干个p-n结构成。 当太阳光照射到p-n结时,一部分被反射,其余部分被p-n结吸收, 被吸收的辐射能有一部分变成热, 另一部分以光子的形式与组成p-n结的原子价电子碰撞,在n区和p区之间的薄层产生(chnshng)光生电动势, 这种现象称为光生伏打效应。共四十八页一、光生(un shn)伏打效应 太阳能光伏

14、发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。 目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些(yxi)小系统和计算器辅助电源等。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。单晶硅电池组件效率：15%-17%多晶硅电池组件效率：13-15%双结非晶硅薄膜电池效率：5-8%碲化镉（CdTe）薄膜电池效率：7-9%铜铟硒（CIS）薄膜电池效率：8-14%共四十八页二、光伏发电(fdin)系统 光伏发电系统是由太阳能电池方阵(fn zhn)，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。共四十八页二、光伏发电(fdin)系统太阳能电池

15、方阵 在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生(chnshng)的光照）情况下，由于光生伏特效应，太阳能电池的两端产生(chnshng)电动势，将光能转换成电能。共四十八页二、光伏发电(fdin)系统蓄电池组 贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电(fng din)率低；b.使用寿命长；c.深放电(fng din)能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。充放电控制器 是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄

16、电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。共四十八页二、光伏发电(fdin)系统逆变器 是将直流电转换成交流电的设备。由于(yuy)太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。共四十八页二、光伏发电(fdin)系统太阳跟踪控制系统

17、 由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照(gungzho)角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数。共四十八页三、光伏发电(fdin)产品应用光伏消费品 主要包括太阳能庭院灯、草坪灯、

18、信号灯、太阳能计算器、玩具等。由于光伏消费品的生产属于劳动密集型产业，技术和资金门槛低，大量(dling)工厂出现在东南沿海地区。我国已成为世界上最大的光伏消费品生产国。共四十八页三、光伏发电产品(chnpn)应用共四十八页三、光伏发电(fdin)产品应用独立光伏系统 包括用户独立光伏系统和集中独立光伏系统，如农村独立电站、用户光伏系统（43%）、通信(tng xn)及工业应用等（36%）。共四十八页三、光伏发电(fdin)产品应用并网系统及与建筑结合的光伏系统（BIPV） 国际上光伏发电系统主要为并网或BIPV，而我国这方面还远远落后，BIPV仅有少量(sholing)示范。共四十八页四、我国光伏产业(chny)的发展我国太阳能发电产业的应用空间非常广阔 第一，我国有荒漠面积100余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区，如果利用荒漠安装并网太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量； 第二，太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面(wmin)和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益； 第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则成本高，建设周期长，不经济。共四十八页四、我国光伏产业(chny)的发展 2007年6月，国务院审议通过了可再生