第二章 太阳能及应用

第二章太阳能及应用SolarEnergy第一节太阳能概述一、太阳能的基本概念狭义的太阳能仅指投射到地球表面上的太阳辐射能。广义的太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且包括水能、风能、潮汐能等间接的太阳能资源，还包括通过绿色植物的光合作用所固定下来的能量即生物质能。

1.太阳能资源的优点（1）数量巨大（2）时间长久（3）普遍（4）清洁安全2.太阳能资源的缺点（1）分散性（2）间断性和不稳定性蓄能是太阳能利用中最薄弱的环节之一。（3）效率低和成本高3.太阳的结构（1）核反应区（2）辐射层

（3）对流层

（4）太阳大气

二、我国太阳能资源的分布气候带划分气候带纬度范围热带南北回归线（23.5°）之间寒带极圈以内（66.5°～90°）温带纬度23.5°～66.5°太阳能资源丰富程度最高地区为：印度、巴基斯坦、中东、北非、澳大利亚和新西兰；

中高地区为：美国、中美和南美；

中等地区为：西南欧洲、东南亚、大洋洲、中国、朝鲜和中非；

中低地区为：东欧和日本；

最低地区为：加拿大与西北欧洲。世界太阳辐射分布图（平均每年的日照小时数）我国各地区的太阳能资源分布我国太阳能资源区划系统及分区特征分区年辐射总量（MJ/m2·年）代表地区特征丰富区>6264青藏高原、内蒙、塔里木日照时数>3300h年日照率>75%较丰富区5436～6264新疆北部、华北、陕北、甘肃、宁夏、东北西部、内蒙东部日照时数2600～3300h年日照率60%～70%可用区4608～5436东北、黄河中下游、长江下游、两广、福建、贵州、云南日照时数2600h年日照率60%左右贫乏区3348～4608四川、贵州、广西、江西部分地区日照时数<1800h年日照率<40%左右三、太阳能的利用方式

太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输。利用方式——1.太阳能发电太阳能发电包括光直接发电（光伏发电、光偶极子发电）以及光间接发电，包括光热动力发电、光热离子发电、热光伏发电、光热温差发电、光化学发电、光生物发电（叶绿素电池）和太阳热气流发电等。2.光热利用它的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。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为：低温利用（＜200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（＞800℃）。低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、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。3.动力利用4.光化学利用5.生物利用6.光－光利用目前太阳能的利用主要有两大重点方向：一是把太阳能转化为热能（光热利用），另一个就是将太阳能转化为电能（即通常所说的光伏发电）。

四、太阳能的开发历史（1）第一阶段（1900～1920年）：初始阶段

（2）第二阶段（1920～1945年）：低潮（3）第三阶段（1945～1965年）：平板集热器，太阳能空调（4）第四阶段（1965～1973年）：停滞不前（5）第五阶段（1973～1980年）“能源危机”，掀起热潮（6）第六阶段（1980～1992年）：进入低谷（7）第七阶段（1992年～20世纪末）：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动（8）进入21世纪，太阳能的利用愈发得到了全世界的广泛关注，包括中国在内的世界各国都将太阳能的利用作为国家能源建设的重要方面，太阳能技术也得到了日新月异的发展，太阳能产业也成为推动各国经济增长的重要方面。第二节太阳能的光热转换利用太阳能的光热转换就是将太阳辐射能收集起来，通过与工质（主要是水或者空气）的相互作用转换成热能加以利用。这种通过转换装置将太阳辐射能转换为热能加以利用就称为太阳能－热能的转换技术，也称作太阳能光热转换利用技术。一、太阳能热水器

太阳能热水器就是吸收太阳能的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。现今全世界已有数千万套太阳能热水装置。

国内的情况我国自从1958年研制出第一台热水器后，经过五十多年的努力，我国太能热水器产销量均占世界首位。

（a）家用太阳能热水器（b）安装在屋顶上的太阳能热水器太阳能热水器太阳能热水器系统原理图太阳能热水系统主要元件包括集热器、储存装置及循环管路三部分。

1.太阳能集热器

平板集热器及其结构图平板式太阳能热水器工作原理

全玻璃真空管集热器及其结构图玻璃真空管式太阳能热水器工作原理2.太阳能热水器的热水系统结构太阳能热水系统结构图3.太阳能热水器选用以镇江为例，选用太阳能热水器，按照年平均气温15.3℃、太阳辐射量日均为3.88kW·h/m2计算，一家3口，每日需180升热水（55℃），按把水温升高40℃计算（基础水温15℃）。每日共计需要7200千卡（约30240kJ）热量，所需集热面积为2.16m2，考虑到太阳辐射与热能的转换效率问题，实际选用集热面积在4～5m2，按每平方米太阳能集热器配0.1m3的保温水箱容量的配比关系，可选用储水器容量在400～500升，全年可提供生活用热水（55℃）65.7吨。德国独栋住宅家庭太阳能热水系统1－太阳能集热器；2－太阳能储热桶；3－锅炉；4－太阳能接收站；5－热水消费（如淋浴）二、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，正常使用时比蜂窝煤炉还要快，和煤气灶速度一致。太阳灶实物照片三、太阳能制冷太阳能可以应用于制冷行业，即太阳能制冷，它可以包括多种形式，比如光－电－冷、光－热－冷等，其中光电半导体制冷已应用于航天领域，而常规应用的太阳能制冷以光－热－冷为主，包括吸收式、吸附式制冷，其中吸收式太阳能制冷是目前最易商业化的太阳能制冷方式。1.吸收式太阳能制冷太阳能氨吸收式制冷系统示意图德国SolarNext公司氨-水吸收式空调广州能源所两级溴化锂吸收式空调机组太阳能热水、采暖、空调综合系统示意图2.吸附式太阳能制冷太阳能沸石－水吸附制冷原理1－吸附床；2－冷凝器；3－储水器（蒸发器）太阳能吸附式制冷系统原理图太阳能硅胶-水吸附式空调机组四、太阳能热发电太阳能热发电是指利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环进行发电。太阳能热发电是太阳能热利用的重要方向，是很有可能引发能源革命的技术成果，也是实现大功率发电、替代化石能源的绿色经济手段之一。1.聚光型太阳能热发电技术聚光型太阳能热发电技术是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，从而达到发电的目的。（1）槽式槽式太阳能热发电电站现场槽式太阳能热发电系统原理图（2）塔式塔式太阳能热发电系统原理图美国加州塔式太阳能热发电站图片西班牙PS10塔式电站南京塔式太阳能热发电系统（3）碟式（a）单碟式太阳能发电机组（b）多碟式太阳能发电机组碟式太阳能发电机组碟式/斯特林太阳能发电系统原理图我国首个100kW碟式太阳能光热示范电厂2.非聚光型（1）太阳池太阳池结构简图太阳池发电系统示意图（2）太阳能烟囱太阳能烟囱系统的结构与原理西班牙的太阳能试验电站澳大利亚在新南威尔士州建造一座目前世界上最大的太阳能烟囱式发电站发电容量高达200MW，足以满足大约20万个家庭的用电需求。电站有一个直径7km的太阳能集热棚,并建一座1000m高的烟囱,占地达38km2，将成为澳大利亚乃至世界上最高和最大的建筑物。

五、太阳能干燥器

太阳能干燥就是使被干燥的物料或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，继而再经过以上物料表面与物料内部之间的传热、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。太阳能干燥器是将太阳能转换为热能以加热物料并使其最终达到干燥目的的完整装置。太阳能干燥器的分类1.按物料接受太阳能的方式分类：直接受热式太阳能干燥器，间接受热式太阳能干燥器2.按空气流动的动力类型分类：主动式太阳能干燥器，被动式太阳能干燥器3.按干燥器的结构型式及运行方式分类：温室型太阳能干燥器、集热器型太阳能干燥器、集热器-温室型太阳能干燥器、整体式太阳能干燥器、抛物面聚光型太阳能干燥器等。常见的太阳能干燥器的型式——温室型太阳能干燥器集热器型太阳能干燥器常见的太阳能干燥器的型式——集热器-温室型太阳能干燥器常见的太阳能干燥器的型式——整体式太阳能干燥器常见的太阳能干燥器的型式——六、太阳能在建筑节能上的应用充分利用太阳能在住宅中的应用，保证居室卫生、改善居室小气候、提高舒适度。不仅使太阳能得到更充分、更合理的利用，可以把低品位的能源（太阳能）转变为高品位的供暖、空调，而且对节省常规能源，减少环境污染，提高人们的生活水平具有重大意义，符合可持续发展战略要求。1.太阳能在建筑节能中的主要应用型式（1）太阳能生活热水供给（2）太阳能采暖（3）太阳能制冷（4）太阳能幕墙（5）家庭发电系统（6）太阳能游泳池采光与照明太阳能采光的应用▽

圆形设计减少建筑的散热面积▽

Overhang使采光和光线柔和达到完美结合▽中间圆形大厅具有采光、通风综合功能▽结合墙体隔热材料、地热利用等综合措施使该建筑具有卓越的节能性能太阳能“烟囱”2.太阳能采暖太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。（1）被动式采暖系统——被动式太阳房：直接收益式、蓄热墙和附加阳光间3种（2）主动式采暖系统——主动式太阳房

被动式太阳房直接收益式系统原理图集热－蓄热墙式系统原理图被动式太阳房被动式太阳房我国被动太阳房在采暖方面可以节能60%～70%，平均1m2建筑面积每年可节约20～40kg标煤。被动式太阳房无辅助锅炉的主动式太阳房主动式太阳房一种崭新的太阳房——热泵式太阳房（a）直接式太阳能热泵（b）间接式太阳能热泵太阳能热泵七、太阳能蒸馏－海水淡化就人均占有量来说，中国在水资源方面是一个穷国。据测算，我国人均占有水量只居世界的第108位。为了增大淡水的供应，除了采用常规的措施，一条有利的途径就是就近进行海水或苦咸水的淡化，特别是对于那些用水量分散且偏远的地区更适宜用此方法。海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，它是实现水资源利用的开源增量技术，既可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，水质好，又可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。太阳能蒸馏器平板型多效太阳能蒸馏器A1—进口截面；A2—受热面截面；A3—端部界面八、其它应用1.太阳能制氢——热化学法制氢利用太阳能热化学循环制氢流程图2.太阳能高温炉太阳能炉（SolarFurnaces

）法国Odellio，用于科研，温度可以达到3300℃

第三节太阳能的光电转换利用太阳能利用的另一主要方面是利用光伏（Photovoltaic，PV）效应将太阳光的辐射能直接转变为电能。一、光伏效应半导体的能带模型太阳能电池的光伏效应原理图二、太阳能电池太阳能电池就是利用光伏效应的原理来工作的，所以太阳能电池又称光伏器件。太阳能电池技术是太阳能发电技术的核心组件。太阳能电池发电的优点（1）太阳能取之不尽，不受地球矿物能源短缺的影响；（2）可以方便就近供电，避免长距离输送；（3）太阳能发电系统采用模块化安装，方便灵活，建设周期短，没有运动部件，不易损坏，维护简单；（4）太阳能是理想的清洁能源。统计发现，如果安装1kW光伏发电系统，每年可少排放CO2约2000kg、NOx约16kg、SOx约9kg，其他颗粒物约0.6kg。太阳能电池发电的局限性（1）太阳能发电受气候条件限制，存在间歇性，需要配备储能装置；（2）能量密度较低，大规模使用需要占有较大面积；（3）发电成本相对高，初始投资大。各种太阳能电池技术比较太阳能电池种类最高转换效率%优点缺点单晶硅24.7±0.5长寿命、技术成熟、转换效率高成本高多晶硅20.3±0.5长寿命、技术成熟、转换效率高成本较高多晶硅薄膜16.6±0.4成本低廉、效率较高、稳定性好生产工艺需提高非晶硅薄膜14.5（初始）±0.712.8（稳定）±0.7重量轻、工艺简单、转换效率高、成本低廉稳定性差，有效率衰退现象铜铟镓硒电池19.5±0.6没有光电效率衰退效应、转换率较高、稳定性好、工艺简单铟和硒都是比较稀有的元索、材料来源缺乏CdTe/CdS电池16.5±0.5成本较低、转化率较高、易于大规模生产镉有毒（一）晶体硅太阳能电池硅太阳能电池示意图1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池板单晶硅太阳能电池是第一代太阳能电池，目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最大已接近20%。单晶硅太阳能电池的生产过程示意图2.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的主要优势是成本低，它是第二代太阳能电池。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料，其材料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备方法简单、耗能少，可连续生产，但其效率较低。多晶硅太阳能电池板（二）非晶硅太阳能电池非晶硅玻璃薄膜太阳能电池结构图集成型非晶硅太阳能电池

非晶薄膜硅太阳能电池遮阳系统叠层型非晶硅太阳能电池叠层结构非晶硅太阳能电池的结构非晶硅太阳能电池的应用从1980年日本Sanyo公司首次使用α-Si太阳电池为袖珍计算机供电以来，α-Si太阳电池的应用领域不断的在扩大，对民用产品如手表、录音机、电视机的供电，这种应用主要是以低能耗为特点。非晶硅太阳能电池的应用在建筑领域的应用，主要是在玻璃上直接沉积非晶硅太阳能电池做为屋顶瓦，此种屋顶瓦与普通的屋顶瓦规模、重量相同，可节省安装空间，降低系统费用。如日本目前正在实施的“百万屋顶”计划，希望让光电系统进入家庭。非晶硅太阳电池可用作偏远地区的照明和通信能源，可以用于汽车顶棚给汽车电池供电，可以作为小型发电系统，提供电源。非晶硅太阳能电池的应用目前太阳能电池的应用已经比较普遍，技术也较成熟，但仍然存在成本高、寿命短等问题。三、光伏发电技术光伏发电是太阳能电池的主要应用。光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节进行储存和转换，提供负载使用。光伏发电系统的构成图光伏发电的特点

优点：太阳光是一种清洁能源，光伏发电系统无污染，不产生温室气体；没有运动部件，安静、可靠，无需特别维护、寿命长，模块化安装、在光伏器件的寿命期内，发电费用是固定不变的。

缺点：光伏器件生产过程中耗能大，需要开发现代节能的产工艺过程；光伏电站初始投资高，发电成本相对高。1.独立光伏发电系统独立光伏发电系统由光伏电池阵列、充电控制器、蓄电池组、正弦波逆变器等组成。工作原理：光伏电池将接收到的太阳辐射能量直接转换成电能供给直流负载或通过正弦波逆变器变换为交流电供给交流负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能形式存储在蓄电池中，在日照不足时，存储在蓄电池中的能量经变换后供给负载。

独立光伏发电系统2.并网光伏发电系统并网光伏发电系统主要由三大部分组成：光伏阵列，变换器、控制器等电力电子设备，蓄电池或其他储能和辅助发电设备。并网光伏发电系统与公