太阳能发电技术

04二月20231太阳能发电技术第一节、概述概述-太阳能光伏我国太阳电池的研究开发始于1958年，1971年就成功地将自主研发的太阳电池首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。1973年开始将太阳电池用于地面。自1981年开始，太阳电池及其应用开始列入国家的科技攻关计划。2000年以后国家科技部又启动了国家“863”计划和“973”计划，分别对光伏发电的产业化技术和基础性研究给以支持。04二月20232概述-太阳能光伏现阶段进入民用领域的太阳电池主要是晶体硅太阳电池，占目前产量的90%以上。薄膜太阳电池已被公认为未来太阳电池发展的主要方向之一，具有省材、低能耗，便于大面积连续生产、原材料丰富、无毒、无污染等优点，生产制造成本低，在建筑光伏一体化（BIPV）、荒漠电站等方面具有广泛的应用前景，是目前研发领域的主要研究内容之一04二月20233概述-太阳能光伏晶体硅太阳电池是在单晶或多晶体硅片上通过扩散制结而制成的2006年为369.5MW，2007年产量超过1GW，2008年超过2GW04二月20234单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池概述-太阳能光伏太阳能光伏发电转换效率在12%至16%，实验室可以达到20%左右。硅类电池的成本问题始终是制约其进一步发展的最主要的因素，发电成本在3元左右04二月20235概述-太阳能光伏在多晶硅生产环节，由于基础薄弱，高端生产技术和设备基本依赖进口且受到限制，国产设备在技术性能、工艺、产能等方面与国际先进水平差距明显，致使物料及电力消耗大、生产规模小、超高纯产品难以获得、生产成本高、污染大、竞争力差。在硅材料加工环节，主要设备有长晶设备和硅片（锭、棒）切割设备两种。用于单晶生长的国产单晶炉以优良的性能价格比占据了国内绝大部分市场且开始批量出口周边亚洲国家；用于多晶生长的多晶硅铸锭炉尽管起步较晚，总体技术水平如单位功耗、稳定性、出料率等方面与国外尚有差距，但进步迅速.切割设备需要从国外进口04二月20236概述-太阳能光伏在电池制造环节，我国光伏设备企业在短短的数年内已基本具备晶体硅太阳电池制造设备的整线装备能力，且已出口到了新加坡、印度和台湾等地，国产设备在自动化、设备精细化方面与进口设备仍有差距。04二月20237概述-太阳能光伏奥运主体育馆光伏幕墙和奥运中心区景观灯04二月20238概述-太阳能光伏西藏羊八井100kW和甘肃武威500kW大型荒漠电站04二月20239羊八井甘肃武威概述-太阳能热发电国际：聚光型太阳能热发电（CSP）在西班牙的良好发展和美国的巨大应用潜力的引领下，已进入了新的发展阶段，预计到2020年有望达到25GW。西班牙目前有22个项目，总计1037MW正在建设中。这些项目预计均将在2010年底前并入电网。美国正在建设中目前有75MW装机容量，处于准备阶段的项目8.5GW。目前，CSP的发电成本在11-25美分/kWh之间。04二月202310概述-太阳能热发电国内：目前标志性的项目是正在开展1MW塔式电站的研究，发电工质参数390C,2.35MPa，将于2010年发电。04二月202311电工研究所和皇明太阳能集团联合研制的可沿高度角翻转180的定日镜（125m2）

电工研究所和皇明太阳能集团联合研制的可沿高度角翻转90的高光效定日镜（100m2）04二月202312第二节、关于太阳辐射的基本知识太阳辐射通量：单位面积单位时间内所截获的太阳辐射能，I，W/m2。太阳常数：当日地距离为一个天文单位距离时，在地球大气层上界，垂直于太阳辐射的截面上的太阳辐射通量，I0

，I0=1353W/m2。太阳常数的修正：n为从一月一日算起到该计算日的天数04二月202313地球表面上的太阳辐射大气层对太阳辐射的削弱作用大气质量m:太阳辐射到达地面时在地球大气中穿行的相对距离。简化计算（偏于保守）：推荐计算公式：04二月202314大气透明度P:P1表示一个大气质量时的大气透明度，即太阳辐射穿过一个大气质量之后的辐射通量I1和大气上界的辐射通量I0之比m个大气质量时的大气透明度:太阳辐射穿过个大气质量之后的辐射通量:在一般的情况下，最好的晴天可取P1=0.85，较好的晴天取P1=0.80，中等的晴天取P1=0.65，较差的晴天取P1=0.5304二月202315地理几何因素对太阳辐射的影响日地之间的关系天球：04二月20231604二月202317天球观察者所在的水平面为天球的水平面，经过球心与该水平面垂直的直径的上端点为天顶，天球的赤道面为经过球心、与地球赤道平面平行的球面。经过球心、与地球自转轴平行的直线为天球的轴线，并与天球交于其南北两极。经过天顶以及南北方向线的圆面为天球子午面经过天球南北极和太阳的圆称为时圈，时圈与天球子午面之间的夹角称为时角

，当地真正午时，=0，上午为负，下午为正。地球每小时自转15度当地地理纬度赤纬角：太阳在天球上的纬度，太阳与观察者的连线与天球赤道面的夹角，是日期的函数d为从元旦到该计算日的天数太阳高度角:即太阳与观察者的连线与水平面之间的夹角:维度：北半球为正，南半球为负赤纬角：赤道面以北为正，以南为负时角：上午为负，下午为正太阳时与标准时之间的关系北京时间是东经120度经线的太阳时，不是北京当地的太阳时。北京的地理位置为东经116度21′，北京太阳时=北京时间-4X（120-116.3)+E=北京时间-14.8因此北京太阳时比北京时间晚约14分半钟太阳时=标准时-4(标准经度-当地经度)+修正项E

单位：分钟两个特定情况=0，=：此时大气质量为1，只能在南北回归线之间的地区实现=0：对应日出和日落的时间（地球每小时转过15度）负根对应于日出时刻正根对应于日落时刻（小时）纬度为40度地区的日落时间（太阳时）太阳方位角：太阳与观察者之间的连线在水平面上的投影和正南方的夹角，规定太阳方位角在正南以东为正，以西为负。确定了太阳方位角和太阳高度，即可确定太阳在天空的位置04二月202324太阳在天空中的轨迹：太阳在天球上的运行轨道04二月202325纬度为40度地区的太阳轨迹图太阳轨迹图：太阳轨迹在水平面的投影04二月202326我国太阳总辐射的分布我国陆地地区每年太阳能辐射能的总量分布04二月202327投射到斜面上的太阳辐射

平面对水平面的倾角为斜面的法线方向在水平面上的投影与正南方的夹角为斜面的方位角，，正南以东为正，以西为负斜面法线与入射太阳光之间的夹角称为入射角，i到达斜面的太阳辐射通量为：04二月202328课堂练习计算2010年3月18日15时15分，在北京的观察者看到的太阳在天空中的位置（太阳高度和方位角）此时的大气质量若此时大气透明度为0.51，计算到达地面的太阳辐射通量一个太阳能热水器朝正南放置，与水平面夹角20度，计算此时到达热水器表面的太阳辐射通量。04二月202329第三节、太阳能集热器太阳能的利用通常有两种方式：光—>电转换，太阳能电池光—>热转换，太阳能集热器太阳能集热器的分类：聚焦式：提高能量密度，设备复杂，造价高不聚焦式（平板式）：造价低、运行维护简单，通常效率较低，不能获得很高的介质温度04二月2023321、平板型集热器不必跟踪太阳，使用、维护简单方便；投资少；不仅可以接收到直接辐射，也可以接收利用漫射辐射。平板型集热器不能提高辐射强度，只能提供中、低温载热介质，主要用于供暖、空调等方面04二月202333双层玻璃盖集热器的热网络Qu-可用能，载热介质带走的热量Tp-吸热元件的温度；Ta-环境温度；Tg1-外层玻璃板的温度；Tg2-第二层玻璃板的温度；Tb-集热器底部温度；R1-吸热板和第二层玻璃板之间的热阻（对流+辐射）；R2-第二层玻璃板和第一层玻璃板之间的热阻（对流+辐射）；R3-外层玻璃板和外界空气之间的对流热阻；R4-集热器底部的导热热阻；R5-集热器底部和环境空气之间的对流热阻（通常可忽略）；Re-边界的导热热阻。

计算集热器热损失的已知条件为：吸热板的温度Tp，外界空气温度Ta，外界风速V，以及集热器各部件的物性参数。顶部热损失系数的计算计算过程应首先估计玻璃板的温度，计算各部分热阻，计算总的热损失系数，计算热损失，再计算各层玻璃板的温度，并和上一次的温度相比较，如偏差较大，则采用新算出的玻璃板温度，重复计算。04二月202335顶部热损失系数的计算的经验公式s为集热器倾角，单位为度N为玻璃板的层数W/(m2.K4)，黑体辐射常数W/(m2.K)，外层玻璃板与外界空气的对流换热系数底部和周边热损失底部以及周边的换热为通过绝热层的导热和外表面与空气的对流换热两个串联的环节，底部热阻为：周边的热损失为：集热器热损失的总热损失系数总的热损失为平板型集热器的热分析平板型集热器稳态热平衡：吸热板吸收的热量=载热介质带走的热量+损失的热量透过吸收积，是玻璃板和吸热板对光线反射、吸收、穿透的综合效果有用热量，可用能实际上吸热元件的温度Tp很难测得，如果在上述可用能计算式中，用载热介质的平均温度Tac

代替Tp，可得由于所以定义平板型集热器的效率因子为设计良好的集热器，应使集热器具有较高的透过吸收积，较小的总热损失系数，追求较高的效率因子2.聚焦型集热器优点：增大能量密度；减小散热损失；提高载热介质的温度缺点：结构复杂，造价高，多数不能吸收漫射辐射分类：按聚光的方法：反射聚光和折射聚光按焦像的形状：点聚光、线聚光聚焦型集热器的组成①聚光器；②接收器；③跟踪系统柱形抛物面集热器：反射镜的口径；：反射镜的焦距；：在横切面内，从接收器看反射镜上一点对主光轴的偏角；：反射镜的边缘角；：反射镜的相对口径；：接收器的直径；：集热器的长度。：截光角，也称太阳张角，32‘聚光度c：能量密度的增大倍数投射到聚光镜上的能量为到达接收器的能量为略去损失，则聚光镜的投影面积为接收器的表面积为投射到反射镜上的能量密度为投射到接收器上的能量密度为聚光度c为：也称为几何聚光度是聚焦型集热器的重要设计参数之一对于吸收面为平面的柱形抛物面集热器，假定入射光线平行于主光轴，则最大几何聚光度为：接收器的绝热平衡温度T绝热平衡：无对流热损失、无热利用，接收器接收的投入辐射的热量等于自身发射辐射放出的热量→投入辐射通量，W/m2→反射镜投影面积，m2；→反射镜的反射率；→接收器表面的吸收率；→接收器的面积，m2；→接收器表面的发射率；抛物面反射镜的太阳焦像04二月202347w焦点上太阳焦像的宽度为：抛物线的方程为：可以写成则04二月202348焦像宽度在边缘角处取得最大值:焦像宽度：04二月202349柱型抛物面反光镜-圆管接收器系统聚光比c的计算几何聚光比接收器的最小直径其中04二月202350根据抛物线方程进行分析可得

则接收器最小半径聚光比代入在极值点，c对n的一阶偏导数为0：04二月202352旋转抛物面反射镜-圆板接收器系统的聚光比接收器圆板的直径应为聚光比旋转抛物面反射镜可以获得很高的聚光比，可以获得很高的热源温度,从而提高热动力循环热效率取则聚焦型集热器的效率集热器的效率是集热器载热介质实际获得的能量与投入到反射镜上的太阳辐射能之比柱型抛物面聚焦型集热器：单位时间内投入到反射镜的能量单位时间内，接收器接受的能量→截光因数→跟踪误差修正系数。单位时间内，接收器的热损失：辐射热损失：对流热损失：集热器实际获得的能量集热器的效率光学效率对流损失辐射损失柱形抛物面聚焦型集热器的光学跟踪方式全跟踪系统极轴式全跟踪系统：极轴与地球自转轴平行高度角-方位角式全跟踪：方位轴垂直于水平面一维跟踪系统焦线按南北方向倾斜布置，东西跟踪：倾角近似等于当地纬度其效果较好焦线按南北方向水平布置，东西跟踪：方式简单，但收集太阳能的效果不理想焦线按东西方向水平布置，南北跟踪：方式简单，调整的幅度最小；但收集太阳能的效果不理想其它典型的聚焦型集热器Winston抛物镜集热器oo′ABCD优点是制造简单，成本低，基本不需跟踪装置，运行维护简单。固定条形镜聚光集热器特点：反射镜固定在地面支撑上，不必跟踪太阳，只需接收器作相应的调整性能：几何聚光比在30～50左右；正常工作温度为150～250℃；属于中等温度、小功率的集热装置，可用于发电、制冷系统以及空调系统的能量供应ADD′中心接收定日镜阵聚光系统主要用于大功率的热发电系统聚光比高，可达100～1000；可以达到较高的吸热介质温度，通常在500℃以上。定日镜的控制精度要求高，难度大定日镜的制作成本高PowertowerinBarstow,California.04二月202360第四节、太阳能热力发电塔式太阳能热电站电站总效率可以达到15%以上。改进的系统总发电效率可以达到25%～28%

04二月202361液体钠太阳能电站可以把锅炉（蒸汽发生器）放置于地面，塔顶的接收器尺寸较小，从而减小高塔和接收器以及部分管道的投资费用62SolarOneLocatednearBarstow,CaliforniaOperatedfrom1982to198663SolarTwoSolarTwoimprovedthethermalstorageofSolarOnePhotofrom/solar2/04二月202364分散布置曲面聚焦热电站柱形抛面镜聚焦集热器蓄能器给水泵饱和水节流调节阀初蒸汽可以提供350℃以上中等压力的蒸汽容量可大可小；设备在地面，安装、维修、操作等都比较方便，费用低；输热管路系统复杂，输热损失较大，热效率偏低；造价比定日镜阵偏低，但仍然较高04二月202365太阳能集热器的最佳运行条件太阳能热电站系统的总的效率=集热器效率×热力循环效率随着集热器温度出口的升高而降低随着集热器温度出口的升高而降低04二月202366低聚光比系统的最佳运行温度低聚光比的太阳能集热系统，载热介质很难达到高的出口温度，因此在集热器效率的分析中，集热器的辐射热损失不占主导地位，因导热、对流形成的热损失不可以忽略，集热器的热损失按温压的一次方考虑集热器的效率热动力循环系统按理想的卡诺循环考虑则集热器-卡诺循环系统的总的效率为：典型情况环境温度为5℃即278K集热器热损失系数透过吸收积反射镜的反射率集热器的聚光比为系统总效率随集热器温度的变化曲线W/m2W/(m2.K)，太阳能辐射强度04二月202368最佳运行温度可得低聚光比系统的最佳运行温度：按上述典型数据，最佳集热器温度为452.6K，即179.4℃。此时，太阳能电站的总循环效率为18.3%在最大效率处，系统效率对运行温度的一阶导数为0高聚光比系统的最佳运行温度高聚光比系统的辐射热损失占主导的地位，对流热损失相对较弱，可忽略。因此，集热器的效率可以表示为：集热器-卡诺循环系统的总的效率为04二月202370高聚光比系统总效率随集热器温度的变化曲线由可得最佳运行温度方程：最佳温度由