新能源发电技术 课件 第4章 太阳能发电

4.1太阳能的利用基础与利用方式目录Contents4.1.1太阳的概况4.1.2日地天文关系4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算4.1.5太阳能资源分布及利用途径目录Contents4.1.1太阳的概况4.1.2日地天文关系4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减4.1.44.1.5太阳能资源分布及利用途径地球表面太阳辐射强度的计算太阳的主要成分是氢和氦，其中氢约占78.4%，氮约占19.8%，其他元素只占1.8%。太阳99%的能量是由中心核反应区的热核反应产生的。太阳自内向外可分为光球层、色球层和日冕三个层次。4.1.1太阳概况-太阳的结构名称名称红外辐射X射线微波紫外线无线电波可见光长电振荡表4-1电磁波谱各部划分

4.1.1太阳概况-太阳光谱表4-1电磁波谱各部划分4.1.1太阳概况-太阳光谱表4-1电磁波谱各部划分

4.1.1太阳概况-太阳辐射功率表4-1电磁波谱各部划分

4.1.1太阳概况-太阳辐射功率目录Contents4.1.1太阳的概况4.1.2日地天文关系4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算4.1.5太阳能资源分布及利用途径地平圈；天顶和天底；周日运动；天球北极和天球南极；天轴；天球赤道；子午圈。（以观察者为圆心O）4.1.2日地天文关系-天球坐标系

4.1.2日地天文关系-赤道坐标系4.1.2日地天文关系-赤道坐标系赤纬角(𝜹)：与赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。通常将太阳直射点的纬度，即太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角称为赤纬角，常以𝛿表示。

4.1.2日地天文关系-地平坐标系4.1.2日地天文关系-地平坐标系

4.1.2日地天文关系-地平坐标系

4.1.2日地天文关系-日地距离目录Contents4.1.1太阳的概况4.1.2日地天文关系4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算4.1.5太阳能资源分布及利用途径

4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减-太阳常数大气质量：无量纲量，太阳光线透过地球大气层的实际行程长度与太阳光线在天顶角方向垂直透过地球大气层的行程之比。如写作AM1.5。大气质量越大，说明光线经过大气的路程越长，产生的衰减越多，到达地面的能量就越少。4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减-大气质量

4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减-大气质量

4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减-大气透明度目录Contents4.1.1太阳的概况4.1.2日地天文关系4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算4.1.5太阳能资源分布及利用途径

4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算-水平面

4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算-水平面

4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算-倾斜面

4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算-倾斜面不同地面的反射率地面类型反射率地面类型反射率地面类型反射率干燥黑土0.14森林市区湿黑土0.08干沙地0.18岩石干灰色地面湿沙地0.09麦地湿灰色地面新雪0.81黄沙0.35干草地残雪高禾植物区湿草地水田0.23海水水面对不同入射角的太阳直射辐射的反射率0102030405060708090反射率0.020.020.0210.0210.0250.0340.060.1340.3481

4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算-倾斜面

4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算-倾斜面目录Contents4.1.1太阳的概况4.1.2日地天文关系4.1.3太阳辐射在地球大气层中的衰减4.1.4地球表面太阳辐射强度的计算4.1.5太阳能资源分布及利用途径

4.1.5太阳能资源分布及利用途径-太阳能分布1.光热转换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并加以利用。主要有平板型集热器、真空管型集热器和聚焦型集热器3种。低温光热转换（小于200℃）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；中温光热转换（200-800℃）的主要设备有槽式光热系统、太阳灶和太阳炉等；高温光热转换（大于800℃）的主要设备有聚焦型集热器。4.1.5太阳能资源分布及利用途径-利用途径2.太阳能发电主要有两种技术手段：太阳能热发电及太阳能光伏发电技术。太阳能热发电技术是通过利用中高温集热器将太阳辐射能转换成热能，然后通过热力循环过程进行发电；太阳能光伏发电技术是通过光电器件利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能。4.1.5太阳能资源分布及利用途径-利用途径

4.1.5太阳能资源分布及利用途径-利用途径太阳能的主要特点是什么？有哪些主要的利用方式，请指出其应用领域。短波辐射与长波辐射的概念？什么是选择性吸收材料，举例说明其应用。什么是太阳常数和大气质量？为什么要引入太阳常数和大气质量等概念？习题与思考题谢谢！4.2太阳能集热器目录Contents4.2.1太阳能集热器概述4.2.2平板型太阳能集热器4.2.3真空管型太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器目录Contents4.2.1太阳能集热器概述4.2.2平板型太阳能集热器4.2.3真空管型太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器4.2.1太阳能集热器概述平板型产水量大，但热效率较低，只适合一般民用真空管型热效率比较高，但无法满足工业领域的中高温热用户聚焦型可将工质加热到很高的温度，能够适合中高温热用户目录Contents4.2.1太阳能集热器概述4.2.2平板型太阳能集热器4.2.3真空管型太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器由透明盖板、保温材料、吸热板组成工质温度低于80℃，用于生活热水、采暖4.2.2平板型太阳能集热器-总体结构1-吸热板；2-透明盖板；3-隔热层；4-外壳管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等4.2.2平板型太阳能集热器-吸热板遮风挡雨减小对流热损失布置层数结合热损失和对太阳光减弱综合考虑4.2.2平板型太阳能集热器-透明盖板热导率低、绝热性好工作温度、使用地区的气候条件等因素来确定材料的导热系数越大、集热器的工作温度越高、使用地区的气温越低，则隔热层就越厚一般厚度30-50mm4.2.2平板型太阳能集热器-隔热层1-吸热板；2-透明盖板；3-隔热层；4-外壳一定的强度、刚度美观耐腐蚀性、成本、密封性4.2.2平板型太阳能集热器-外壳目录Contents4.2.1太阳能集热器概述4.2.2平板型太阳能集热器4.2.3真空管型太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器将平板太阳能集热器吸热板和盖板间抽真空与联集管（或称为联箱）、尾托架一起组成一台真空管型太阳能集热器4.2.3真空管型太阳能集热器-总体结构4.2.3真空管型太阳能集热器-原理1-玻璃外管2-玻璃内管3-选择性吸收涂层4-真空5-弹簧支架6-消气剂7-保护帽目录Contents4.2.1太阳能集热器概述4.2.2平板型太阳能集热器4.2.3真空管型太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器-原理菲涅尔式集热器槽式太阳能集热器塔式太阳能集热器碟式太阳能集热器4.2.4聚焦型太阳能集热器-聚光比衡量其聚光程度的特征参数是聚光比，表示聚光器和接收器的有效面积比值L：有效长度，a：聚光器有效宽度，d：接收器直径聚光器的有效面积为：接收器的有效面积：聚光比：4.2.4聚焦型太阳能集热器-工质温度计算热平衡：接收器吸收热量和对外散发热量相等（假定工质不流动）Ac、Ar：聚光器、接收器有效面积I：辐射通量

：聚光器反射率

、

：接收器吸收率、发射率

：波尔茨曼常数c=1000,T=1932K;c=3000,T=2540K实际因为工质流动达不到太阳能集热器有哪几种常见类型？各自有什么样的特点？简述平板型集热器与真空管型集热器的区别。为什么聚焦型集热器可以将工质加热到很高的温度？习题与思考题谢谢！4.3太阳能光热发电技术目录Contents4.3.1槽式光热发电系统4.3.2塔式光热发电系统4.3.3碟式光热发电系统4.3.4线性菲涅尔发电系统4.3.5太阳能储热技术目录Contents4.3.1槽式光热发电系统4.3.2塔式光热发电系统4.3.3碟式光热发电系统4.3.4线性菲涅尔发电系统4.3.5太阳能储热技术4.3.1槽式光热发电系统-系统组成槽式集热器储热罐热交换器汽轮机发电机4.3.1槽式光热发电系统-槽式聚光集热器集热管槽式反射镜支撑架光学跟踪系统目录Contents4.3.1槽式光热发电系统4.3.2塔式光热发电系统4.3.3碟式光热发电系统4.3.4线性菲涅尔发电系统4.3.5太阳能储热技术4.3.2塔式光热发电系统-系统组成聚光镜吸热塔储热罐蒸汽发生器汽轮发电机组4.3.2塔式光热发电系统-聚光系统汇聚太阳能至吸收器跟踪太阳位置阵列排列的平面镜占地面积大4.3.2塔式光热发电系统-熔盐系统熔盐——硝酸钠、硝酸钾混合物被加热至500℃-600℃左右，换热后温度降至250℃-300℃左右熔盐混合物的凝固点在220℃左右目录Contents4.3.1槽式光热发电系统4.3.2塔式光热发电系统4.3.3碟式光热发电系统4.3.4线性菲涅尔发电系统4.3.5太阳能储热技术4.3.3碟式光热发电系统-系统组成抛物面反射镜接收器斯特林机发电机4.3.3碟式光热发电系统-聚光镜多个小镜片组成高聚光比（可达3000）高集热温度（约1000℃）4.3.3碟式光热发电系统-斯特林机活塞式外燃机原理：热胀冷缩工作气体：氢气、氦气等目录Contents4.3.1槽式光热发电系统4.3.2塔式光热发电系统4.3.3碟式光热发电系统4.3.4线性菲涅尔发电系统4.3.5太阳能储热技术4.3.4线性菲涅尔发电系统-聚光镜和反射镜将抛物面镜离散化可处在同一平面二次反射镜再汇聚发电系统优势劣势槽式系统已经大规模商用，跟踪系统结构简单；占地面积比塔式系统小。工作温度较低，太阳能热电转换效率低。塔式系统聚光比高，容易达到更高的工作温度；太阳能热电转换效率高；对于地面的平整度要求不高，可在山坡上建设。每镜面需单独的跟踪系统以调整镜面角度；吸热塔建设成本较高；正处在示范工程阶段。碟式系统可单台运行，也可多套并联使用；可获得高工作温度；太阳能热电转换效率高。斯特林发动机重量大，需高强度支架结构；可靠性尚需加强，生产成本较高。线式菲涅尔系统聚光性较好，合理利用空间。目前只是示范工程。目录Contents4.3.1槽式光热发电系统4.3.2塔式光热发电系统4.3.3碟式光热发电系统4.3.4线性菲涅尔发电系统4.3.5太阳能储热技术4.3.6太阳能储热技术-显热储存物质在不发生气固液相变的情况下，由于温度升高或降低所吸收或释放的热量叫做显热我们把利用物质的显热来储存热量的方式，称为显热储存假设物性不变积分4.3.6太阳能储热技术-显热储存材料选择时需考虑储热材料工作温度范围、比热等因素液体显热储存——以水为主固体显热储存——使用熔沸点高材料、不易反应腐蚀4.3.6太阳能储热技术-潜热储存物质发生固-液或液-气等相变时所吸收或放出的热量称为相变潜热，把利用物质的相变潜热来进行储热的方式称为潜热储存，也称为相变储热。Q：储存热量m：工质质量λ：相变潜热4.3.6太阳能储热技术-化学储热利用可逆化学反应进行储热例如：澳大利亚国立大学提出一种储存太阳能的方式叫做“氨闭合回路热化学过程”，在这个过程里，氨吸收太阳能分解成氢气和氮气，储存太阳能，然后在一定条件下进行放热反应，重新生成氨。可逆反应平衡温度：温度高于平衡温度，进行吸热反应；低于平衡温度，进行放热反应。化学储热具有储能密度高，可长期储存等优点。用于化学储热的材料必须满足反应可逆性好、反应热大以及价格适中等条件。光热发电的基本原理是什么？光热发电系统一般由那几部分组成？简述塔式光热发电系统的组成结构和工作原理。有哪几种主要的太阳能储热方式？各种方式储热原理是什么？习题与思考题谢谢！4.4太阳能光伏发电技术目录Contents4.4.1太阳能电池4.4.2太阳能电池的光电转换特性4.4.3太阳能电池的工作特性

4.4.4几种典型的太阳能电池4.4.5太阳能光伏发电系统目录Contents4.4.1太阳能电池4.4.2太阳能电池的光电转换特性4.4.3太阳能电池的工作特性

4.4.4几种典型的太阳能电池4.4.5太阳能光伏发电系统1839年——发现光电效应1883年——第一个光伏器件1974年——第一个具有实用价值的单晶硅太阳能电池，效率6%1985年——能量转化效率第一次超过20%1990年——太阳能电池与建筑物结合，BIPV4.4.1太阳能电池目录Contents4.4.1太阳能电池4.4.2太阳能电池的光电转换特性4.4.3太阳能电池的工作特性

4.4.4几种典型的太阳能电池4.4.5太阳能光伏发电系统4.4.2.1

P型半导体和N型半导体-能带理论单个原子中的电子在绕核运动时，在各个轨道上的电子都各自具有特定的能量越靠近核的轨道，电子能量越低根据能量最小原理电子总是优先占有最低能级价电子所占据的能带称为价带价带的上面有一个禁带，禁带中不存在为电子所占据的能级禁带之上则为导带，导带中的能级就是价电子挣脱共价键束缚而成为自由电子所能占据的能级禁带宽度用Eg表示，其值与半导体的材料及其所处的温度等因素有关。T=300K时，硅的Eg=1.1eV；锗的Eg=0.72eV。

4.4.2.1

P型半导体和N型半导体-形成原理N型P型4.4.2.2

p-n节的形成电子、空穴浓度扩散电子、空穴耗尽3、5价原子留在原地形成内建电场掺杂浓度大，内建电场强4.4.2.3光生伏特效应光照时价带电子被激发到导带p-n两侧都会出现电子空穴对电子空穴对被内建电场分离p-n结两侧形成了正负电荷的积累——光生电压外接负载形成电流——光生伏特效应短路电流、开路电压目录Contents4.4.1太阳能电池4.4.2太阳能电池的光电转换特性4.4.3太阳能电池的工作特性

4.4.4几种典型的太阳能电池4.4.5太阳能光伏发电系统4.4.3.1太阳能电池的工作特性-输出特性I0：饱和电流密度；q：电子电荷；T：热力学温度；K：波尔茨曼常数；IL：光生电流（理想情况的短路电流）太阳能电池的电流-电压特性的关系式：光生电流计算公式：A：横截面积；q：电子电荷；G：电子-空穴对产生率；W：耗尽区长度；Le、Lh：p型区、n型区扩散长度4.4.3.1太阳能电池的工作特性-输出特性令I=0，得到理想情况下开路电压VOC：

填充因子FF：Vmp、Imp太阳能电池输出功率最大时的工作电压和工作电流能量转换效率η：目前商用单晶硅太阳能电池的能量转换效率在18%~24%4.4.3.2极限效率和效率损失-极限效率

FF为Voc的函数，Voc越大，η越大

由要得到较大的开路电压

Voc，I0需尽可能小，故要计算Voc的最大值，需要求得

I0的最小值。对于硅，最大Voc约为700mV，相应的最高填充因子FF为0.84，再结合最大短路电流

Isc，可得到最高转换效率约为

29.1%

4.4.3.2极限效率和效率损失-效率损失1.短路电流损失

（1）裸露的硅的表面反射率很高。可以使用减反射膜来减少这种表面反射损失；（2）在太阳能电池p型和n型两端制作的电极会遮住5%~15%的光照；（3）电池不够厚，有些强烈的光线将直接穿出太阳能电池板，变成热量使电池升温。4.4.3.2极限效率和效率损失-效率损失2.开路电压损失

决定开路电压Voc的主要因素是半导体中的复合。复合过程释放能量，不利于光电转换。半导体中的复合速度越高，开路电压就越小。然而在内建电场的作用下，p-n节耗尽区的复合速度很大，会造成开路电压的损失4.4.3.2极限效率和效率损失-损失3.温度影响

随温度升高，VOC近似线性地减小，光电转