新能源技术-太阳能

中 哈 石 油 管 道 2004年9月开工， 预计2005年年底 建成。管道投入运 营后将保证每年向 中方输出1000万 吨 原 油 。
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第三章：太阳能发电
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 §3.6 太阳能概述 有关太阳能辐射的基本知识 太阳能集热器 太阳能电池 太阳能制氢 太阳能电池发电的前景
3.2
气温年变化
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太阳能集热器
一般家用生活热水负荷为2530立升/日人， 对于四口之家，配备2m2的太阳能热水器就可以 满足需求。此外，太阳能热水器水系统中的储能 工质就是水本身，使系统大大简化。 收集太阳能进行光－热转换的第一步是把太 阳能转化为载热介质的热能。因此集热器是太阳 能利用装置中最主要的设备之一。通常的集热器 可以分为平板型、真空管型和聚焦型。其中，民 用多为前两种，聚焦型主要用于热力发电站。
对流层大气中的水汽和二氧化碳，对 太阳短波辐射的吸收能力很差，也就 是说对太阳辐射是透明的；但对地面 和波辐射的吸收能力很强。 据观测，地面辐射的 75%～95% 都 被贴近地面的大气所吸收，使近地面 大气增温。近地面大气又以辐射、对 流等方式，把热量传递给高一层大气。 这样一层一层地向上传递，从而使地 面放出的热量绝大部分保存在大气中， 散失到宇宙空间去的贽量就很少了。 2013年8月4日
2
3000－3200
3
2200－3000
4
1400－2200
5
四川、贵州
1000－1400
335～419
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地球上的能流图（单位106MW）
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地球绕太阳运行的示意图
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15kW
50kW
太阳能 发电系统
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太阳能 热水系统
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1万平方公里 等于5个三峡 发电量
了原子能以外，太阳能是其它各种能量（燃料能、 风能、水能）的来源。 太阳是一个巨大的炽热的气体星球，它源源 不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量，这 称为太阳辐射。太阳辐射仅有极微小的部分（约 二十亿分之一）到达地球，是地球上最主要的能 量源泉。太阳每分钟向地球输送的能量，大约相 当于燃烧 4亿吨煤产生的热量。 太阳能的利用手段主要是光-热转换（太阳 能热水器、太阳房）、光-电转换（单晶硅太阳 能电池，理论效率28%）和太阳能-氢能系统。 2008年奥运新能源建设
太阳常数： Io
当日地距离为平均日地 距离时，在大气层上界， 垂直于太阳辐射表面上 的太阳辐射通量。目前 世界公认为1353 W/m2
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地球绕太阳运行的示意图
3.2
3.2.2 大气层外太阳辐射光谱
太阳辐射的主要波长范围是 0.15 微米～4 微米。其中， 人眼能看见的光线，波长在0.4 微米 ～0.76 微米之间，叫 做可见光线。 波长小于 0.4 微米的紫外线和大于0.76 微米的红外线， 人们肉眼都无法看见。 由实验得知，物体的温度愈高，它的辐射中最强部分 的波长愈短；物质温度愈低，辐射中最强部的波长愈长。 太阳表面温度高达6000K ，它的辐射能主要集中在波 长较短的可见部分，可见光差不多占太阳辐射能量的一半。 为此，人们把太阳辐射称为短波辐射。
斜面倾角、方位角关系 到入射辐射通量的大小。 当入射角为0时，可以获 得最大的入射辐射。但 地球和太阳的相对位置 一直在改变，要使入射 角为0，要不断改变斜面 倾角、方位角。
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如果采用斜面倾角、 方位角都不变的固定 装置，有要使一年内 得到最多的入射辐射， 倾角接近当地的纬度 时最好，方位角应正 朝南。
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2008年奥运新能源建设
地热采暖及水源热泵：至2008年，全市共完成地热井160眼。建设 奥运公园地热供暖工程，为奥运场馆提供地热采暖面积40万平方米。 太阳能利用：大力推进太阳能利用，实施光伏发电示范工程，在 奥运公园内实现光伏发电3MW，同时实现90%的生活热水由太阳能加 热。建设奥运公园光电利用工程、奥运公园光热利用工程。 风能发电：在北京周边地区现有及计划建设的风力发电厂装机容 量约为5万kW，其能力基本达到奥运公园所需电力的20 %（申奥承 诺），争取在举办奥运会期间向周边地区购买风力发电，同时积极探 索在延庆建设风力发电厂的可行性。 生物质能：提高农村用能品位，改善农村大气环境和水环境，实 现农业废弃物资源综合利用。主要实施生物质气化集中供气系统工程 和大型沼气能环工程。 燃料电池汽车和电动汽车：研究和开发燃料电池汽车和电动汽车， 以改善交通所造成的污染。
1. 吸收作用 2. 散射作用 3. 漫反射作用
可见光很少被吸收， 大部分可见光能够透 过大气射到地面上来。
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3.2
地面吸收太阳辐射，温度增高，同 时地面又把热量向外辐射。由于地球表 面的温度比太阳低得多，因此地面辐射 的波长比太阳辐射要长得多，其能量主 要集中在红外线部分。相对于太阳辐射 来说，称为长波辐射。 1、大气具有温室一样的保温作用 2、大气逆辐射
思考题
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从太阳中心至1/4太阳半径处， 集中了太阳物质质量的一半， 这里的温度高达1500万度， 压强达2500亿个大气压（离 它2000千米以内的所有东西 都将全部被烧焦），称此区域 为核反应区，太阳所发射的能 量的99%在这里产生。 太阳能是太阳辐射出的能量。在地球上，除
§3.1 太阳能概述
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3.2
3.2.3 大气对太阳辐射的消弱作用
太阳能辐射要穿过厚厚的大气层，才能到达地球表面。 太阳辐射在经过大气层时，其中一部分被大气吸收。大气 对太阳辐射的吸收具有选择性，但是大气直接吸收太阳辐 射能量是很少的。
散射： 吸收： 臭氧主要吸收太阳辐 射较短的紫外线； 水汽和二氧化碳主要 吸收太阳辐射较长的 红外线； 当太阳辐射在大气中遇 到空气分子或微小尘埃 时，太阳辐射的一部分 能量便以这些质点为中 心，向四面八方散射开 来。 在太阳辐射的可见光中， 波长较短的蓝色光最容 易被散射，所以晴朗的 天空呈现蔚蓝色。
太阳能电池发电原理 太阳能电池的转换效率 种类丰富的太阳能电池 太阳能电池发电系统的构成 光波发电
缺点：
3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5
优点：
1. 资源免费、永久 使用；
1. 能量密度低；
2. 发电效率低； 缺点 3. 受气候影响； 4. 需要辅助发电设备； 5. 发电成本高。
3.2.4 大气对地 面的保温作用
大气增温的同时，也向外辐射热量。大气的 温度比地面还低，所以大气辐射也是红外线 长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙 空间，大部分向下射到地面。射向地面的大 气辐射方向刚好与地面辐射相反，称为大气 逆辐射。 大气逆辐射又把热量还给地面，这就在一定 程度上补偿了地面辐射损失的热量，起到了 保温作用，使地面温度变化比较缓和。
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我国的太阳能资源
序号 1 地区 西藏西部、新疆东南部、青海西部、 甘肃西部 西藏东南部、新疆南部、青海东部、 宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西 北部、河北西北部 新疆北部、甘肃东南部、山西南部、 陕西北部、河北东南部、山东、河南、 吉林、辽宁、云南、广东南部、福建 南部、江苏北部、安徽北部、 湖南、广西、江西、浙江、湖北、福 建北部、广东北部、陕西南部、江苏 南部、安徽南部、黑龙江 年日照时数 2800－3300 年辐射总量 104kJ/cm2· 年 670～837 （相当225～ 285kg标准煤） 586～670 （相当于200～ 225kg标准煤） 502～586 （相当于170～ 200kg标准煤） 419～502 （相当于140～ 170kg标准煤）
新能源发电技术
于 立 军 工学博士
副教授
上海交通大学 热能所 机械大楼 331房间 办公室：3420 6287 手机： 1390 188 2379 ljyu@sjtu.edu.cn
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石油工业
如果计划能够顺利转成 现实，俄罗斯每年出口 中国的石油量将暴涨20 倍，由150万吨扩大至 3000万吨，从而彻底改 变俄罗斯原油出口中国 全靠火车运输的局面。
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§3.6 太阳能电池发电的前景
为了进一步普及太阳能电池，今后在提高 太阳能电池效率和降低成本的同时，提高辅助 设备的性能、降低成本。并尽可能多样化，如 建材一体化型太阳能电池模块的开发。 日本打算在2005年将太阳能电池的发电成 本降至25日元/kWh，2010年将太阳能电池的发 电成本降至20日元/kWh。从而走出一条成本降 低需求扩大生产规模扩大进一步降低成 本的良性循环。
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太阳能发展计划
1974年，日本的“阳光计划”是一项长期的大型技 术开发计划，旨在开发可替代石油的替代能源。它的主 要开发目标是开发太阳能、地热能、煤的气化和液化、 氢能，此外还有风能、海洋能等。 1978年，制定了有关节能的“月光计划”，是一项 大型的节能计划，研究开发繁荣重点是提高利用效率、 燃料电池、热泵和超导在电力上的应用。 1989年，推出“地球环境技术开发计划”，该计划 主要侧重于人工光合作用固定二氧化碳、二氧化碳的分 离和化学物质的分解等。 1993年，又将三项计划全部纳入“新阳光计划”， 计划到2020年，每年的费用5亿多美元。“新阳光计划” 是一项将对能源和环境作出巨大贡献的综合性中长期技 术开发计划。
§3.3 太阳能集热器
太阳能集热器 太阳能发展计划
3.3.1 平板型太阳集热器 3.3.2 全玻璃真空太阳集热管 3.3.3 聚焦型集热器 地球的 能流图
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我国的太阳能资源
大型太阳能热水系统
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所谓的太阳能电池 就是通过半导体， 将太阳能直接转换 为电能的发电装置。
§3.4 太阳能电池
天空有云，特别是浓密的低云，逆辐射更强。 所以多云的夜晚通常比晴朗的夜晚温暖些。
3.2
3.2.5 太阳直接辐射通量
太阳直接辐射通量： 1个大气质量时，大气的透明度： I1=IoP1 m个大气质量时，大气的透明度： Im=IoPm=IoP1m 其中，Io=1353 w/m2 m为大气质量，m=1/sin 30o，30o时，P93 斜面投射辐射通量：Im=IoPm=IoP1mcosi
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§3.2 有关太阳能辐射的基本知识
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6
太阳辐射通量和太阳常数 大气层外太阳辐射光谱 大气对太阳辐射的消弱作用 大气对地面的保温作用 太阳直接辐射通量 气温的日变化和年变化
我国的太阳能资源
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“能源革命迫在眉睫”
优点 2. 发电效率与发电
规模无关； 3. 无NOx、Sox排放；
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4. 无转动、无噪音。
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§3.5 太阳能制氢
利用太阳能制氢，以氢气作为载能体，大 规模地收集利用太阳能，为人类提供了一个既 能满足能源需求，又不污染环境的替代能源。 德国一座500kW的太阳能制氢试验厂目前 已经投入试验运行。生产的氢气被用作锅炉和 内燃机的燃料或者用于燃料电池的运行。在沙 特阿拉伯也建成一个类似的350kW的太阳能制 氢系统。
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大型 太阳 能热 水系 统
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太阳辐射通量： 单位面Biblioteka Baidu单位 时间内所获得 的太阳辐射能， 单位为W/m2
3.2.1 太阳辐射通量和太阳常数
近日点： 日地距离为1.47亿km， 视角为32’59” （1月3 日） 远日点： 日地距离为1.52亿km ，视角为31’27” （7 月4日） 天文单位： 视 角 为 31’59” ，日地距离为 1.50亿km，它 是日地间的平 均距离，也称 为一个天文单 位
3.2
3.2.6 气温的日变化和年变化
就对流层大气来说，直接吸收太阳辐射的能量很少，大 气的热量主要来自地面辐射。所以说，地面是大气的主要直 接热源。 日出以后，随着太阳高度角的逐渐增大，太阳辐射不断 增强，地面获得的热量不断增多，地面温度不断升高，地面 辐射也不断增强。大气吸收地面辐射，气温也跟着不断上升。 一天中的最高气温并不出现在太阳辐射最强的正午，而是出 现在午后 2 点左右。这是因为正午过后，太阳辐射的热量仍 比地面辐射失去的热量多，地面储存的热量继续增多，地面 温度继续升高，地面辐射继续增强，气温也继续上升。随着 太阳辐射的进一步减弱，地面获得太阳辐射的热量开始少于 地面辐射失去的热量时，也就是当地面热量由盈余转为亏损 的时刻，地面温度达到最高值。地面再通过辐射、对流等方 式将热量传给大气，因此午后 2 时左右气温才达到最高值。 年变化 2013年8月4日