太阳能技术教材

2.太阳能技术能源与机械工程学院李传统2.太阳能2.1概述2.2太阳能热利用2.3太阳能光电转换2.4其他形式的太阳能转换2.5影响太阳能利用的因素2.1概述2.1.1太阳能特点太阳能形式：太阳表面高温（约6000K）辐射电磁波，电磁波携带的电磁能量到达地面以后转变成热能太阳能的特点：数量大、能量密度低、因地而异、因时而变2.1.2太阳能资源总量：总量约为3.75×1026W到达地球表面的太阳能：为其总能量的22亿分之一，每秒相当于500万吨标准煤的热值量。我国的太阳能资源：陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国太阳年辐射总量为(3.35～8.37)×106kJ／m2，平均值为5.86×106kJ／m2。全球太阳能资源分布2.1.3我国的太阳能资源分布西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量大。青藏高原最大，平均海拔高度在4000m以上，世界著名的日光城－拉萨，年平均日照时间为3005.7h，年太阳总辐射为8.16×106kJ／m2

。四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，素有“雾都”之称的成都，年平均日照时数仅为1152.2h。我国的太阳能资源分布

分布的主要特点为：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。我国的太阳能资源分区一类地区全年日照时数为3200～3300小时，年辐射量在（6.70～8.37)×106kJ／m2。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地，是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。特别是西藏，地势高，太阳光的透明度也好，太阳年辐射总量最高值达9.21×106kJ／m2，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位。我国的太阳能资源分布二类地区全年日照时数为3000～3200小时，年辐射量在（5.86～6.70)×106kJ／m2，主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地，为我国太阳能资源较丰富区。我国的太阳能资源分布三类地区全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在(5.02～5.86)×106kJ／m2，主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。我国的太阳能资源分布四类地区全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在(4.19～5.02))×106kJ／m2。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，太阳能资源少，秋冬季太阳能资源还可以。我国的太阳能资源分布五类地区全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在(3.35～4.19)×106kJ／m2。主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区。总结：

一、二、三类地区，年日照时数大于2000小时，辐射总量高于5.86×106kJ／m2，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值

2.2太阳能热利用2.2.1太阳能的利用方式太阳能－热能转换：热水器、空调系统、热力发电太阳能－电能转换：太阳能电池目前最大转换效率可达24％以上太阳能氢能转换：电解水制氢、分解水制氢、热化学循环制氢、化学分解水制氢、太阳能－生物质能转换：光合作用2.2.2太阳能的热利用一、太阳能采集太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装置（集热器），对太阳能进行采集。集热器按是否聚光，可分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。非聚光集热器（平板集热器，真空管集热器）能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射，集热温度较低；聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。二、平板集热器平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。按工质划分有空气集热器和液体集热器，目前大量使用的是液体集热器；按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器，还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等；按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。三、真空管集热器为减少平板集热器热损，提高集热温度，国际上20世纪70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管，玻璃-U型管真空集热管，玻璃。金属热管真空集热管，直通式真空集热管和贮热式真空集热管。最近，我国还研制成全玻璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集热管。我国现拥有全部知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。目前，直通式真空集热管产品已投放市场。四、聚光集热器聚光集热器由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。为满足太阳能利用的要求，简化跟踪机构，提高可靠性，降低成本，研制开发的聚光集热器品种很多，但推广应用的数量远比平板集热器少，商业化程度也低。在反射式聚光集热器中，应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器（点聚焦）和槽形抛物面镜聚光集热器（线聚焦）。前者可以获得高温，但要进行二维跟踪；后者可以获得中温，只要进行一维跟踪。因造价高，限制了它们的广泛应用。五、太阳灶－闷晒式闷晒式太阳灶：其的工作原理是把太阳的辐射能，即阳光，主要是可见光和近红外线，几乎能够全部透过平板玻璃（如果玻璃的透光率很高）。当阳光透过玻璃进入保温箱体后，遇到黑色的吸收体，光即转变为热。温度可达150度，箱体尺寸一般为100厘米×70厘米×30厘米，做一次米饭要用3个小时，仅适合农村用。六、聚光式太阳灶聚光式太阳灶是将较大面积的阳光聚焦到锅底，使温度越到较高的程度，以满足炊事要求。关键部件是聚光镜，不仅有镜面材料的选择和几何形状的设计。最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜，也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。设计一个500～700W的聚光式太阳灶，通常采光面积约为1.5～2.0m2。七、热管式太阳灶

分为两个部分：（1）室外收集太阳能的集热器，即自动跟踪的聚光式太阳灶。（2）热管。

热管是一种高效传热件，它把热量从管的一端传到另一端。热管的受热端于聚光太阳灶的焦点处，而把释热端置于散热处或蓄热器中。把太阳的热能从户外引入室内，使用较为方便。有的将蓄热器置于地下，利用大地作绝热保温器，其中填以硝酸钠、硝酸钾和亚硝酸钠的混合物作蓄热材料。当热管传给的热量熔化了这些盐类，盐熔液就把蛇形管内的载热介质加热，载热介质流经炉盘，炉盘受热即可作炊事用。全国各种太阳能灶超过15万个，主要集中在青海和西藏。八、太阳能热水器闷晒式热水器管板式热水器聚光式热水器真空管式热水器热管式热水器FlatPlateCollectorsEvacuatedTubeCollectorsViessman

Vitosol300,Cut-away

ViewEvacuatedTubeCollectorsHighTemperature(ConcentratingSystems),IndustrialPowerGeneration,HotWater,ProcessHeat九、太阳能干燥器

干燥过程分为两个阶段：1、对空气加热；2、热空气把待干燥物中的水分带走。加热空气有两种办法：1、直接加热空气，即把待干燥物放在干燥室内，直接受阳光辐射；2、间接加热空气，利用空气集热器把空气的温度提高，并降低待干燥物的相对湿度。分类：从结构上说，太阳能干燥器分高温型和低温型两大类。高温太阳能干燥器为聚焦型，常采用抛物柱面聚光器，对太阳进行自动跟踪，待干燥物多为颗粒状，如粮食之类，用螺旋输送机把物料赶到线状聚焦面，边行进边干燥，效率较高。但是，这种干燥装置比较复杂、庞大，造价也高，实际推广有困难。低温太阳能干燥器，一般要求温度40～65℃，常用空气集热器或隧道温室作干燥器的主体，它特别适合果品干燥和农副产品加工需要，目前国内外研制的多属低温型干燥器。

十、太阳能温室屋脊型棚圆拱型大棚大型塑料棚管架大棚十一、太阳房太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。人们的生活能耗中，用于采暖和降温的能源占有相当大的比重。特别对于气候寒冷或炎热的地区，采暖和降温的能耗就更大。太阳房既可采暖，也能降温，最简便的一种太阳房叫被动式太阳房，建造容易，不需要安装特殊的动力设备。比较复杂一点，使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房。更为讲究高级的一种太阳房，则为空调制冷式太阳房。太阳能与民用建筑的结合十二、太阳能制冷太阳能制冷与一般电制冷原理相同，只是所用能源不同，带来一些结构上的变化。目前太阳能制冷方法有压缩式致冷、蒸汽喷射式致冷、吸收式致冷等。压缩式致冷要求集热温度高，除采用真空管集热器或聚焦型集热器外，一般太阳能集热方式不易实现，所以造价较高；蒸汽喷射式致冷不仅要求集热温度高，而且制冷效率也很低；吸收式致冷系统所需集热温度较低，大约70～90℃即可，使用平板式集热器也可满足其要求，而且热利用较好，制作容易，所以采用较多；缺点是设备庞大，影响推广。十三、太阳能蒸馏—海水淡化

太阳能蒸馏器有两种，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，上面盖以玻璃顶棚，顶棚分单斜坡和双斜坡。其工作原理是：太阳光透过玻璃顶棚照射到涂有黑色的水泥池底，光线经黑体吸收，变为热能传递给水。由于池子四周密封，实为一个热箱，水温逐渐升高，使水不断蒸发。从结构上看，类似于浅池式太阳热水器。但蒸馏器的水层要求更浅，以使水分的大量蒸发。同时，盖面玻璃是斜坡式，当上升的水蒸气遇到较凉的玻璃顶棚时，立即冷凝成水珠，并受重力影响水珠下移，汇聚成较大水珠，逐渐流入玻璃板下沿的集水槽，于是得到淡水。这种淡水实为蒸馏水，如要饮用，还应矿化处理。。

聚光式蒸馏器是利用聚光器获得高温，再把咸水烧成蒸汽，然后经过冷凝成淡水。这种装置是强化蒸馏，效率虽然较高，但装置的造价昂贵。十四、太阳能发电太阳能发电是利用集热器把太阳辐射能转变成热能，然后通过汽轮机、发电机来发电。根据集热的温度不同，太阳热发电可分为高温热发电和低温热发电两大类。按太阳能采集方式划分，太阳能热发电站主要有塔式、槽式和盘式三类。SchottSolarPowerPlantHighTemperature(ConcentratingSystems),IndustrialPowerGeneration,HotWater,ProcessHeat十五、太阳能热力机太阳能热力机是一种以太阳辐射热作动力的机械。它的种类很多，用途也可以各不相同，有的直接提供动力，有的用作太阳泵，也有的作小型发电设备。但是，它们的基本原理不外乎朗肯循环和斯特林发动机。不过，近年来也还出现了直接的太阳气压泵、太阳隔膜泵和太阳氢气发动机等。斯特林发动机是一种用外部加热使活塞往复运动的外燃机，1916年由苏格兰人罗伯特·斯特林发明而命名。这种发动机可以利用各种能源，特别是因为它是外燃式，使用聚光太阳能更为方便。其特点是体积小，效率高（最高可达40％，用它作水泵，比其它太阳能水泵的效率要高5～10倍）。斯特林发动机的循环回路由膨胀腔、压缩腔、动力活塞、配气活塞和回热器组成。这种发动机需充满高压气体，可采用空气、氢气、氦气或氮气。膨胀腔也叫热腔，在受到聚焦的太阳光辐射后，腔内的工质被加热，引起膨胀，推动配气活塞。因而压缩腔（也叫“冷腔”）内的工质受到压缩，于是向冷却水放热。配气活塞的质量大于动力活塞，两者之间没有任何一机械连接，完全处于“自由”状态。在太阳能加热和冷却水冷却下，膨胀与压缩交替，活塞就自行运动，动力活塞输出功率。配气活塞上下运动分配气体工质，使工质在热腔与冷腔之间交替移动。回热器是一关键部件，一般用多层金属网做成，它起着储热和放热的双重作用。当工质由热腔通过回热器进入冷腔时，它就起吸热作用。反之，它就向工质放热。反弹器是由空气弹簧构成，它借助器内的工质具有一定的压力。以保证两个活塞的正常动作。动力活塞输出的功，可以用于发电，也可用于水泵。所以斯特林发动机能构成单独的太阳能发电机，功率由几百瓦到数十千瓦。也能配成太阳能水泵。SterlingEngineStirlingEngine十六、太阳能热利用现状和趋势太阳能热水器发展快：以色列80％家庭，日本20％用太阳能热水器，我国的太阳能热水器数量距世界第一位太阳能空调发展减缓：有待于技术完善和降低成本太阳能发电还不具竞争力市场潜力巨大2.3太阳能电池和光伏发电一、太阳能电池发电的特点太阳能电池发电独具许多优点，如安全可靠，无噪声，无污染，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。这些优点都是常规发电和其它发电方式所不及的。

1998年全世界的太阳能电池和光伏发电总容量为157.8MW,中国1.8MW;2030年光伏发电在世界总发电量中将占到5一20％。二、我国的太阳能电池研发状况第一阶段（1958~1966）：研制、开发阶段，目标以军用为主，从单晶硅太阳电池开始，提高效率，探索工艺，研制组合方法等。经过努力，单晶硅太阳电池效率达10~13％，贮能电池－Cd－Ni电池已达1Ah~6Ah，。第二阶段（1967~1979）：全面开展空间电源系统的研制，除硅太阳电池外还开始研制CdS－Cu23薄膜电池和GaAS电池。1971年我国成功地发射“实践一号”科学试验卫星，第一次将光伏电源系统用于空间。电源系统设计寿命为一年，结果在空中飞行了八年零三个月。第三阶段（1979~1990）：空间光伏电源系统随着空间技术的发展，已从试验应用进入全面应用阶段。在这一阶段，采用光伏电源的卫星有：“实践二号”卫星，采用太阳电池方阵，并对太阳电池标定进行研究；我国第一颗通信卫星“东方红二号”；1988年发射的实用通信卫星“东方红二号甲”，以后又发射的七颗通信卫星；“风云一号”气象卫星。第四阶段（1990~1999）：采用高新技术，扩大应用，加强国际合作与交流，使空间光伏电源系统技术上了一个新台阶，有些指标达到或接近国际水平。在这一阶段采用光伏电源的卫星有：大容量“东方红三号”卫星，光伏电池方阵功率达2000W以上；用于“风云二号”气象卫星；“实践4号”科学卫星；国际合作研制的“资源卫星”、“小型通信卫星”；战术（导航）、海洋卫星等。

PhotovoltaicCells(SolarCells)SolarCellstransformlighttoelectricityControllerregulateswerethechargeisdirectedBatteriesstoretheenergyInverterconvertsfromDCtoAC三、太阳能光伏技术现状光伏组件的生产将以20％～30％甚至更高的递增速度发展，到2010年生产将达到4600MW，总装机容量达到18000MW。我国：生产规模小、技术水平低、专用原材料国产化率低、成本高、市场培育和发展迟缓国际上：技术发展快、规模大、成本降低、产业前景好广东深圳园博园光伏发电深圳“园博园”的1兆瓦并网太阳能光伏电站，是2006年全亚洲第一大并网光伏电站。2004年6月开工，2004年8月建成发电。投资6600万元，总容量1000.322千瓦，发电能力约为100万千瓦时。光伏发电。光伏机场电站在海口美兰机场实现

风光互补路灯系统四、太阳能电池发展趋势到2010年，中等成本的太阳能热电站可同中间负荷电站相竞争，到2020年则可同各类条件的常规电站竞争。大约到2020年，则可以取代基本负荷电站；光伏电成本比较图表明光伏系统发电成本比较多，即使在最好的情况下，如要大规模应用，在2000年以前光伏发电也没有竞争力。接近2010年时，中等成本的光伏电站开始可与峰值发电竞争；到2020年，光伏系统可大范围地与峰值负荷电站竞争。美国屋顶计划的一些指数列表年份199719981999200020052010太阳能建筑物（座）2000850085002350051000101400系统规模（kW）111234年生产力（MW）16.51555270610成本（美元/W）6.55.74.94.32.92.0年CO2少排放量（103t)2133911110373510创造工作机会（个）30018003800110004000071500fossilfuelcost:

escalationratesfrom0.4to1.2%/yequivalentsolarenergycost:

returnoninvestmentfrom6to12%/yStart:2006205020202015Source:

IEA

MED-CSPpossiblefromtoday’sperspectiveIEAscenario2.4其他形式的太阳能转换

2.4.1太阳能－氢能转换2.4.2太阳能－生物质能转换2.4.3太阳能－机械能转换SolarEnergyUtilizationSolarElectricSolarFuelSolarThermal.001TWPV$0.30/kWhw/ostorageCO2sugarnaturalphotosynthesis50-200°Cspace,waterheating500-3000°Cheatengineselectricitygenerationprocessheat1.5TWelectricity$0.03-$0.06/kWh(fossil)1.4TWsolarfuel(biomass)~14TWadditionalenergyby20500.002TW11TWfossilfuel(presentuse)2TWspaceandwaterheatingH2OO2SolarEnergyCostscompetitiveelectricpower: