太阳能的开发和利用

新能源——太阳能的开发和利用

1世界现状人口增加经济增长能源消耗环境污染探索新能源太阳能生物质能风能核能地热海洋能2提纲1太阳能光伏利用2太阳能光化利用3太阳能光热利用3太阳能光热的应用介绍4这些你了解多少呢5太阳光热利用太阳光热的定义1太阳光热利用的基本形式2太阳能热利用中心问题3太阳能利用未来设想举例46太阳光热的定义一.定义太阳能光热是指太阳辐射的热能集热器：组成各种太阳能热利用系统的关键部件，吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。集热器的分类：按集热器内是否有真空空间分为：平板型集热器、真空管集热器按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分：聚光型集热器、非聚光型集热器图1图27太阳光热利用的基本形式太阳能集热发电太阳能空调与制冷太阳能供暖太阳能材料加工太阳光热利用8太阳能集热发电三种基本形式塔式太阳能热发电槽式太阳能热发电碟式太阳能热发电利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽，然后通过汽轮机、发电机来发电。太阳能集热发电9太阳能集热发电系统图10世界太阳能热发电发展趋势20131981年-1991人们最早对太阳能热发电的研究，可以追溯到18世纪70年代在巴黎建立的第一个小型点聚集太阳能热交互蒸汽机全世界建造了多种不同形式的兆瓦级太阳能热发电试验电站20余座(塔式为主);在美国加州沙漠建成的9座槽式太阳能发电站，更是将发电成本降至8美分/kWh，太阳能热发电项目已成为各国建立新能源系统的方向之一18世纪70年代2013年槽式发电系统已经实现了商业化,太阳能热发电正处在商业化前夕，专家预计2020年前，太阳能热发电将在发达国家实现商业化，并逐步向发展中国家扩展。11我国光热发电发展趋势2012年8月2011年7月19日2007年6月1日中科院和中国科技大学曾对槽式发电技术做过单元性试验研究。要参观一个小型的太阳能热发电集热系统也只能去西班牙和美国。20世纪70年代国内首座70KW的太阳能塔式光热发电系统在南京顺利建成并投入并网发电位于北京延庆亚洲首座塔式太阳能光热发电站热加载试验获得成功，发电容量1MW我国第一座利用纯太阳能热发电电站——“中国科学院电工研究所八达岭太阳能热发电实验电站”开始发电12太阳能集热发电基本形式槽式太阳能热发电塔式太阳能热发电碟式太阳能热发电13太阳能集热发电基本形式槽式太阳能热发电

利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的传热工质是加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电14槽式太阳能热发电

图3槽式聚光集热器结构图4反射镜一般由玻璃制造，背面镀银并涂保护层接收器跟踪器15槽式太阳能热发电真空管集热管

直通形式，内有金属吸热管，用来吸收太阳光加热内部的传热液体，一般用不锈钢制作，管外壁外有黑色吸热涂层。为了减小热量散发，集热管外层装有玻璃套管，在玻璃套管与吸热管间有空隙并抽真空。16槽式太阳能热发电系统原理热交换系统发电系统17槽式太阳能发电系统原理热传输与交换系统导热液：苯醚混合液、加压水混合液、导热油等传热方式：直接传热也可采用相变传热传热液通过热交换器把水加热成300度左右的蒸汽，水蒸气去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发出电来。18槽式太阳能发电系统原理发电系统

从热交换器输出的过热蒸汽送往蒸汽轮机发电，从蒸汽轮机排出的水经冷凝器转为水，再由给水泵送往热交换器，再次产生蒸汽推动蒸汽轮机。发电机发出的电经变压器转换成高压电输送到电网。19太阳能集热发电基本形式塔式太阳能热发电利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器(太阳锅炉)上，加热工质产生过热蒸汽，或直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电美国SolarTwo-集中塔式发电20塔式太阳能热发电定日镜

定日镜主要由平面反射镜与跟踪机构组成。反射镜可由玻璃制造，背面镀银并涂保护层，也可用镜面铝板或镜面不锈钢板制造，反射镜安装在反光镜托架上。21塔式太阳能热发电接收器根据采用的导热介质不同而不同，目前主要有外部受光型与空腔型外部受光型接收器太阳光照射到接收器的吸热部件上再传给导热介质，工作温度很高，体积大，受光面积至少比一个平面定日镜面积要大许多。

排管式接收器翅管式接收器热管式接收器螺旋盘管接收器22塔式太阳能热发电空腔型接收器空腔型即腔体式接收器，用耐高温材料制成的空腔，空腔一面开口装有透光好耐高温的石英玻璃，腔内壁有金属网以增大吸热与交换面积。腔内似绝对黑体，吸热性能很好，会聚的阳光透过石英玻璃窗口能在腔内产生很高温度，传热的工作介质（一般用高压空气）通过腔内被加热成1000多度的高温气体输出。由于腔体有保温层，故热损失小，空气价格又便宜，但空气热容量小、导热系数低，如何高效传热是主要的技术问题。腔体式接收器目前多是只有一面开窗的，故接受阳光的角度是有限的，一般不超过120度。23塔式太阳能热发电系统原理图24碟式太阳能发电系统碟式太阳能热发电利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电。25碟式太阳能发电系统26碟式太阳能发电系统斯特林发动机的工作原理27碟式太阳能发电系统直接加热式太阳能接收器

直接加热式太阳能接收器由于太阳光直接照射在加热器管簇上，直接加热内部的工质28碟式太阳能发电系统间接加热式太阳能接收器间接加热式太阳能接收器多数是利用介质的相变来实现热量传递。29三种发电系统性能比较槽式塔式碟式规模30~320MW10~20MW5~25MW运行温度390~734565~1049750~1382峰值效益20%23%29.4%年净效率11~16%7~20%12~25%商业化情况商业化示范实验装置30三种发电方式的优缺点槽式太阳能发电优点：系统结构相对简单、技术较为成熟缺点：聚光比小、系统工作温度低、核心部件真空

管技术尚未成熟、吸收管表面选择性涂层性能不稳定等问题

塔式太阳能发电优点：聚光比高、运行温度高、系统容量大和热转

换效率高缺点：前期投入过高且难以降低成本

碟式太阳能发电优点：热效率最高、结构紧凑、安装方便缺点：斯特林热机关键技术难度大、开发时间短31其他

采用一列同轴排列的反射镜取代传统意义上的抛物面反射镜，将太阳光首先聚焦在上部的中央反射镜上，再由中央反射镜向下反射，将太阳光聚焦到地面接收器中，这种新型的聚光方式称为向下反射式或菲涅尔反射式32太阳能空调与制冷太阳能制冷空调就是将太阳能系统与制冷机组相结合，利用太阳能集热器产生的热量驱动制冷机制冷系统。整机没有任何氟利昂类化学产品，达到完全无污染和接近零运行费用。33太阳能空调与制冷吸收式制冷系统由于这种制冷方式利用吸收剂的质量分数变化来完成制冷循环常用的吸收剂-制冷剂的两大组合：

溴化锂-水：用于大中型中央空调水-氨：用于小型的家用空调溴化锂溶液高浓度溴化锂高压低温液态水汽化吸热降温低温水蒸气低浓度溴化锂压力低34制冷原理

在溴化锂吸收式制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水的加热后，溶液中的水不断汽化；随着水的不断汽化，发生器内的溴化锂溶液浓度不断升高，（压力也较高）进入吸收器；水蒸气进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水降温后凝结，成为高压低温的液态水；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时,因蒸发器内压力低，急速膨胀而汽化，(有相变或部分相变产生)并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；

在此过程中，低温水蒸气(蒸发过程的压力也较大)进入吸收器，被吸收器内的溴化锂浓溶液吸收，溶液浓度逐步降低，再由循环泵送回发生器，完成整个循环。如此循环不息，连续制取冷量。35太阳能空调的优点太阳能吸收式空调与常规空调相比，具有以下三大明显的优点：（1）季节适应性好；（2）安全无污染；（3）噪声小，太阳能利用率高，经济。有待解决的问题：

（1）急需开发各种小型的溴化锂或氨—水吸收式制冷机，以便与太阳集热器配套逐步进入家庭；（2）需研制可产生水蒸气的真空管集热器，以便与蒸气型吸收式制冷机结合，进一步提高集热器与空调建筑面积的配比；36太阳能供暖太阳能热水器太阳房太阳能供暖37太阳能热水器太阳能热水器是一种利用太阳辐射能，通过温室效应把水加热的装置，它由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关附件组成。38太阳能热水器太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式太阳能热水器集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。真空管工作原理图：39太阳房

太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。是一种既可取暖发电，又可去湿降温、通风换气的节能环保住宅。太阳房分为主动式和被动式两类。

1938年世界上第一幢主动式太阳房由美国麻省理工学院建成。它是一种能够控制的采暖方式，用集热器、贮热装置、管道、风机、水泵等设备“主动”收集、储存和输配太阳能。因此这种太阳房的造价较高。但是室温能主动控制，使用也很适宜。

被动式太阳房最早是在法国发展起来的。它主要依靠建筑方位、建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能，使房屋尽可能多地吸收和储存热量。40太阳房41太阳能材料加工太阳灶

太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。42太阳能热利用中心问题辐射吸收材料

太阳辐射吸收材料是太阳能热利用中的关键部分，它承担着太阳辐射能的吸收和热传导双重任务。当前，人类太阳能热利用的多数研究成果仅限于低温应用(<100℃)，特别是国内更是如此。随着能源短缺问题的日益突出，人类已开始把目光转向更好品位的太阳能的热利用上——太阳能中高温利用，通过聚焦装置，使太阳能热利用温度达到200℃以上，甚至上千度。中高温吸热材料的研究是太阳能中高温热利用所要解决的关键问题。43太阳能热利用中心问题传热技术

在太阳热发电系统中，传热的循环工质水、空气、油、熔盐等由于水、油作为高温吸热载体的热机效率很低，而钠遇空气和水容易着火，空气的热容小，故目前常用的高温吸热载体主要是熔盐。但是通常熔盐的熔点较高，其工作温度范围很窄，为了防止熔盐凝固需要浪费很大的常规能源，而且熔盐的传热系数较小，热效率不理想。所以寻求性能更加优越的高温吸热、传热载体成为太阳能热发电研究的重要内容和方向。44太阳能利用未来设想太阳帆飞船

光是由没有静态质量但有动量的光子构成的