《清洁能源概论》太阳能解析.ppt
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1、第二章第二章 太阳能的利用太阳能的利用一、太阳能资源的优点及局限一、太阳能资源的优点及局限1、太阳能资源的优点、太阳能资源的优点v数量巨大:每年达到地球表面的太阳能辐射能约为数量巨大:每年达到地球表面的太阳能辐射能约为130万亿吨标煤;太阳实际上是一个巨大的核聚变反应万亿吨标煤;太阳实际上是一个巨大的核聚变反应堆:表面温度堆:表面温度6000K;中心温度达到;中心温度达到(840e+6)K;压;压力高达力高达(1.96e+13)kPa.v时间长久:据推算时间长久:据推算,太阳辐射尚可维持太阳辐射尚可维持1千亿(千亿(1011)年之久;年之久;v清洁、安全:远比核能安全,比煤等常规能源清洁。清洁
2、、安全:远比核能安全,比煤等常规能源清洁。1、太阳能资源的局限、太阳能资源的局限v分散性:总量大,但能量密度低。北回归线附近夏季分散性:总量大,但能量密度低。北回归线附近夏季中午的太阳辐射强度最大也仅中午的太阳辐射强度最大也仅1.1-1.2kW/m2左右;左右;v间断性及不稳定性:受昼夜交替、季节变化及气候的间断性及不稳定性:受昼夜交替、季节变化及气候的影响,太阳辐射既是间断的,又是不稳定的;影响,太阳辐射既是间断的,又是不稳定的;v效率低、成本高:太阳能利用技术理论上可行,但经效率低、成本高:太阳能利用技术理论上可行,但经济性差。济性差。一、太阳能资源的优点及局限一、太阳能资源的优点及局限太
3、阳能的直接利用大致有太阳能的直接利用大致有三种形式三种形式:(1)1)光电转换光电转换 利利用用太太阳阳能能电电池池可可将将太太阳阳辐辐射射能能转转换换为为电电能能,用用半半导导体体材材料料制制成成的的光光电电池池已已进进入入实实用用阶阶级级。如如单单晶晶硅硅电电池池、多多晶晶硅硅电电池池、硫硫化化镉镉电电池池、砷砷化化锌锌电电池池等等。我我国国1971年年发发射射的的第第二二颗颗人人造造卫卫星星上上已已开开始始使使用用太太阳阳能能电电池池,高高效效砷砷化化镓镓电电池池已已在在1990年年发发射射的的风风云云一一号号气气象象卫卫星星上上使使用用。较较常常用用的的是是硅硅电电池池,转转换换效效率
4、率可可达达13%-17%。在宇宙空间的效率可更高。在宇宙空间的效率可更高。照照射射在在沙沙漠漠上上的的太太阳阳能能十十分分丰丰富富,如如果果利利用用照照射射在在撒撒哈哈拉拉沙沙漠漠太太阳阳能能的的1%,就就可可获获得得比比现现在在全全世世界界能耗大得多的能量。能耗大得多的能量。(2)2)光热转换光热转换 昆昆明明几几乎乎家家家家都都用用的的太太阳阳能能热热水水器器就就是是直直接接利利用用太太阳阳的的辐辐射射能能量量的的光光-热热转转换换装装置置。装装置置又又可可分分为为平平板板式式和和聚聚光光式式两两种种。太太阳阳能能热热水水器器的的集集热热器器是是平平板板式式的的,用用水水作作为为传传热热的
5、的介介质质。太太阳阳灶灶和和太太阳阳能能高高温温炉炉是是抛抛物物面面型型反反射射聚聚光光式式的的,利利用用抛抛物物面面反反射射镜镜使使聚聚焦焦处处得得到到较较高高温温度度。为为提提高高光光-热热转转换换效效率率,在在集集热热器器表面涂上涂层。表面涂上涂层。在利用太阳能发电时,为克服夜间阴天无阳光的在利用太阳能发电时,为克服夜间阴天无阳光的困难,采用困难,采用“熔盐储能熔盐储能”的方式。在晴天时,把热能的方式。在晴天时,把热能输入熔盐,使熔盐吸热熔化,把太阳能储存起来;当输入熔盐,使熔盐吸热熔化,把太阳能储存起来;当熔盐凝结时,贮存的热量释放出来,达到均衡供电。熔盐凝结时,贮存的热量释放出来,达
6、到均衡供电。(3)3)光化学转换光化学转换 光光化化学学电电池池是是利利用用光光照照引引起起化化学学反反应应,使使电电解解液液内内形形成成电电流流而而供供电电的的电电池池。利利用用太太阳阳能能分分解解水水制制氢氢也也是较理想的方法,因为氢是一种无污染的高效能源。是较理想的方法,因为氢是一种无污染的高效能源。另另外外植植物物的的光光合合作作用用对对太太阳阳能能的的利利用用率率极极高高,采采用用仿仿生生技技术术,模模拟拟光光合合作作用用一一直直是是科科学学家家追追求求的的目目标标,一一旦旦对对光光合合作作用用的的模模拟拟成成功功,就就可可使使人人造造粮粮食食,人人造造燃料获成功。燃料获成功。人们还
7、设想,建立人们还设想,建立“宇宙太阳能站宇宙太阳能站”收集阳光。宇收集阳光。宇宙太阳能站,按一定轨道运转,太阳能通过光电池转宙太阳能站,按一定轨道运转,太阳能通过光电池转换为电能,用微波发生器把电能转换为微波,以集束换为电能,用微波发生器把电能转换为微波,以集束的形式把微波发回地面接收站,地面再将微波转为电的形式把微波发回地面接收站,地面再将微波转为电能。能。二、太阳能利用的广阔前景二、太阳能利用的广阔前景v从从近期近期来看:太阳能采暖与供热具有现实意义;来看:太阳能采暖与供热具有现实意义;v远景远景发展:大规模开发和利用太阳能,避免能源危发展:大规模开发和利用太阳能,避免能源危机。机。我国的
8、开发现状和前景我国的开发现状和前景 n中国能源研究会理事长黄毅诚近日提出,应加中国能源研究会理事长黄毅诚近日提出,应加速开发无污染、可再生的太阳能资源,力争到速开发无污染、可再生的太阳能资源,力争到年建成万千瓦的太阳能发电容年建成万千瓦的太阳能发电容量,使太阳能成为我国最大的可再生能源。量,使太阳能成为我国最大的可再生能源。n北京太阳能研究所研究员赵玉文用北京太阳能研究所研究员赵玉文用“近有实效,近有实效,前有远景前有远景”来形容太阳能资源在我国的开发现来形容太阳能资源在我国的开发现状和前景。状和前景。我国的开发现状我国的开发现状n我国目前具有我国目前具有.万千瓦的太阳能发电容量,虽然万千瓦的
9、太阳能发电容量,虽然光电成本仍然高于煤电,但在边远地区,与拉设电光电成本仍然高于煤电,但在边远地区,与拉设电网相比,小型太阳能发电设施仍然相对便宜适用,网相比,小型太阳能发电设施仍然相对便宜适用,在西藏地区已经有个县靠太阳能解决了用电困难。在西藏地区已经有个县靠太阳能解决了用电困难。另外,太阳能热水器已经成为国内太阳能利用中应另外,太阳能热水器已经成为国内太阳能利用中应用最为广泛、产业化发展最迅速的领域,用最为广泛、产业化发展最迅速的领域,年我国的热水器产量就已占据世界第一位,去年这年我国的热水器产量就已占据世界第一位,去年这个产业的总销售额达到亿元。个产业的总销售额达到亿元。我国的开发前景我
10、国的开发前景n随随着着当当前前世世界界光光电电技技术术及及其其应应用用材材料料的的飞飞速速发发展展,光光电电材材料料成成本本大大幅幅下下降降,光光电电转转换换率率不不断断提提高高,这这将将带带来来太太阳阳能能发发电电成成本本的的大大幅幅度度下下降降。据据预预计计,不不到到年年,太太阳阳能能发发电电的的成成本本就就会会接接近近或或低低于于煤煤电电,这将有利于我国太阳能资源的开发。这将有利于我国太阳能资源的开发。三、我国的太阳能资源三、我国的太阳能资源v总体而言:我国位于北半球中纬度地区,太阳资源总总体而言:我国位于北半球中纬度地区,太阳资源总体较丰富,年平均太阳辐射总量约为体较丰富,年平均太阳辐
11、射总量约为5.9kJ/m2a,西西藏河谷地区的太阳辐射总量高达藏河谷地区的太阳辐射总量高达7.5-7.9kJ/m2a,最最低的地区也达低的地区也达3.3-4.2kJ/m2a(四川盆地西部);四川盆地西部);v地域分布规律:西部地区高于东部地区地域分布规律:西部地区高于东部地区,北部地区高北部地区高于南部地区,高原地区高于平原地区。于南部地区,高原地区高于平原地区。三、我国的太阳能资源三、我国的太阳能资源云南太阳辐射资源:云南太阳辐射资源:地处高原,空气稀薄,经年太阳高度角大,日照时间长,太阳地处高原,空气稀薄,经年太阳高度角大,日照时间长,太阳辐射资源仅次于西藏、内蒙、青海等地,年辐射总量约为
12、辐射资源仅次于西藏、内蒙、青海等地,年辐射总量约为3.6-6.7kJ/m2a;v地域分布规律:地域分布规律:西多东少,丰富区在楚雄、大理、丽江、红西多东少,丰富区在楚雄、大理、丽江、红河、德宏、保山等地;欠丰富区在昭通、怒江北部等地。河、德宏、保山等地;欠丰富区在昭通、怒江北部等地。v季节分布规律:季节分布规律:春季最大,冬季最少;干季大,湿季少。春季最大,冬季最少;干季大,湿季少。四、我国的太阳能热利用发展简史四、我国的太阳能热利用发展简史 与科技发达国家相比,我国有组织、有计划地开展与科技发达国家相比,我国有组织、有计划地开展太阳能利用的研究起步较晚:太阳能利用的研究起步较晚:v1958年
13、:研制出国内第一台太阳能热水器。年:研制出国内第一台太阳能热水器。v1980年:正式加入国际太阳能学会,并于年:正式加入国际太阳能学会,并于1980年下半年下半年起,出版学术刊物年起,出版学术刊物太阳能学报太阳能学报及科普刊物及科普刊物太太阳能阳能。四、我国的太阳能热利用发展简史四、我国的太阳能热利用发展简史科研和应用主要集中在以下几方面:科研和应用主要集中在以下几方面:v太阳能热水器(集热器):低温生活热水及采暖太阳能热水器(集热器):低温生活热水及采暖用;用;v温室:农业温室;温室:农业温室;v主主/被动太阳房:主要集中在北方寒冷地区;被动太阳房:主要集中在北方寒冷地区;v太阳能干燥器:农
14、副产品、木材等干燥;太阳能干燥器:农副产品、木材等干燥;v太阳能海水淡化装置:在海南岛、浙江舟山等地,太阳能海水淡化装置:在海南岛、浙江舟山等地,已开始小规模的应用;已开始小规模的应用;v太阳灶:在农村能源缺乏的地区,得到了一定的应太阳灶:在农村能源缺乏的地区,得到了一定的应用,仅甘肃一省就约有用,仅甘肃一省就约有2万台。一般采光面积万台。一般采光面积2m2,功率约功率约7001000W。v太阳能热动力与热发电系统:与美国合作,研究开太阳能热动力与热发电系统:与美国合作,研究开发聚焦式太阳能热发电装置。发聚焦式太阳能热发电装置。四、我国的太阳能热利用发展简史四、我国的太阳能热利用发展简史辐射强
15、度的计算地球的自转与公转辐射强度的计算地球的自转与公转1、基本概念、基本概念v地球的自转:地球绕地轴不断地自西向东旋转,其周地球的自转:地球绕地轴不断地自西向东旋转,其周期为期为24h。由于地球的自转,产生昼夜交替的现象。由于地球的自转,产生昼夜交替的现象。v黄道平面:地球绕太阳运行的轨道平面。地球自转轴黄道平面:地球绕太阳运行的轨道平面。地球自转轴与黄道平面法线的夹角为与黄道平面法线的夹角为2327。v地球的公转地球的公转:由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为:由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为2327,并且地球的自转轴在公转时在空间的方向始终保持不,并且地球的自转轴在公转时在空间的方向始
16、终保持不变,使得太阳光线有时直射赤道,有时偏南,有时偏北,从而变,使得太阳光线有时直射赤道,有时偏南,有时偏北,从而形成地球上季节的变化。形成地球上季节的变化。辐射强度的计算地球的自转与公转辐射强度的计算地球的自转与公转春分(春分(321):太阳直射赤道):太阳直射赤道冬至(冬至(1221):太阳直射南回归线):太阳直射南回归线夏至(夏至(621):太阳直射北回归线):太阳直射北回归线秋分(秋分(921):太阳直射赤道):太阳直射赤道太阳角太阳角赤纬角赤纬角 定义:定义:地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。它与地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。它与所在地区无关,仅由日期决定:
17、所在地区无关,仅由日期决定:式中:式中:赤纬角赤纬角 n n为一年中的日期序号。为一年中的日期序号。时角时角 定义:定义:每小时地球自转的角度为每小时地球自转的角度为1515,因此可采用一天中地球自转,因此可采用一天中地球自转的角度来表示时间。用来表示时间的地球自转的角度称为时角,并的角度来表示时间。用来表示时间的地球自转的角度称为时角,并规定正午时角为零,上午时间取负,下午时角为正。规定正午时角为零,上午时间取负,下午时角为正。v真太阳时H 的规定:以当地太阳位于正南向的瞬时为正午。v时差e:真太阳时与钟表指示时间(平太阳时)之间的差值。时差产生的原因:(1)太阳与地球之间的距离和相对位置随
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