新能源与分布式发电技术-朱永强 02太阳能及其利用

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太阳能利用与发电技术
§2.3 太阳能的利用方式
§2.3.2 太阳能发电
（2）太阳能光发电 太阳能光发电是指不通过热过程而直接将光能转变为电能的 发电方式。广义的光发电，包括:
——光化学发电和光生物转换，主要通过光化转换过程实现。 ——光感应发电，是利用某些有机高分子团吸收太阳的光能 后变成光极化偶极子的现象。 ——光伏发电，是利用某些物质的光电效应（光生伏打效 应），将太阳光辐射能直接转变成电能的发电方式。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.1 太阳能概述
太阳是一个发光发热的巨型气态星体。
太阳内部不停地发生着由氢聚变成氦的 热核反应，并向宇宙释放出巨大的能量。
射到地球的阳光，向地球输送了大量的 光和热，成为地球上万物生长的源泉。
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太阳的主要缺点：
（1）能量的分散性（能量密度低）。 （2）能量的不稳定性。 （3）能量的间歇性，不连续。
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§2.3 太阳能的利用方式
§2.3.1 太阳能热利用
直接把太阳能转换为热能供人类使用（例如：加热和取暖）， 称为太阳能的热利用，或者叫光热利用。
直接热利用是最古老的应用方式，也是目前技术最成熟、成本 最低、应用最广泛的太阳能利用模式。
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§2.4 太阳能直接热利用
§2.4.1 集热器类型
（3）聚焦型集热器 采用特定的聚焦结构设计，将太阳辐射聚集到较小的集热面上， 从而获得很高的能流密度和集热温度。 常见的聚焦结构设计，包括： ① 点聚焦结构,如复合抛物面反射镜,菲 涅尔透镜,定日镜等； ② 线聚焦结构, 如槽型抛物面反射镜和 柱状抛物面反射镜。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.3 我国太阳能资源分布
我国陆地大部分处于北温带，太阳能资源十分丰富，每年陆 地接收的太阳辐射总量，大约是1.9×1016 kWh。 全国各地太阳年辐射总量基本都在3000～8500 MJ/m2 之间， 平均值超过5000MJ/ m2。而且大部分国土面积年日照时间都 超过2200小时。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.2 世界太阳能资源分布
就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中 东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能 资源最丰富地区。 美国NASA建有一个包含各地日照数据的数据库。 其中给出部分城市的日照时间，详见教材中的表2-1。
§2.2.3 我国太阳能资源分布
根据20世纪末期的太阳能分布数据，我国划分为4个太阳能资 源带，如图2.6所示。 各太阳能资源带的全年太阳能总辐射量如表所示。 前3 类地区覆盖大面积国土，有利用太阳能的良好条件。IV 类地区太阳能资源较差，有的地方也有太阳能可开发利用。
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陆地面积只占地球表面的21％，再除去沙漠、森林、山地及 江河湖泊，实际到达人类居住区域的太阳辐射功率，约占到 达地球大气层的太阳总辐射功率的5％～6％。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.1 太阳能概述
太阳大约还可以持续100 亿年。相对于人类发展历史而言， 可以说是“无穷无尽”了。 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，其分布最广， 也最容易获取。 如果能有效地利用太阳提供的能量，那么人类未来就不会为 能源的枯竭问题担忧了。
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§2.1 太阳能利Biblioteka Baidu的历史
1992 年在巴西召开的联合国“世界环境与发展大会”，通过 了一系列重要文件。 1996 年“世界太阳能高峰会议”，发表了《太阳能与持续发 展宣言》,并讨论了《世界太阳能10年行动计划》，《国际太 阳能公约》,《世界太阳能战略规划》等重要文件。 我国也提出10 年对策和措施，明确要因地制宜的开发和推广 太阳能等清洁能源，并制定了《中国21世纪议程》，进一步 明确了太阳能重点发展目标。 太阳能利用的主要形式，包括太阳能供热、太阳能热发电、 太阳能光伏发电。其中以太阳能供热技术最为成熟。
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§2.1 太阳能利用的历史
1973 年中东战争爆发，引发了“能源危机”。许多工业发达 国家，重新加强了对太阳能等可再生能源技术发展的支持。 1973 年美国制定了政府的阳光发电计划。1974 年日本政府 制定了“阳光计划”。我国也于1975 年在河南安阳召开“全 国第一次太阳能利用工作经验交流大会”。 20 世纪80 年代以后，石油价格大幅度回落，使尚未取得重 大进展的太阳能利用技术再度受到冷落。直到全球性的环境 污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁，才又得到 人们的重视。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.2 世界太阳能资源分布
太阳能资源的丰富程度一般以单位面积的全年总辐射量和全 年日照总时数来表示。 分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候状况有关。 世界太阳能资源的分布规律见教材上的图2.3。
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§2.1 太阳能利用的历史
二战后，开始出现太阳能学术组织。对太阳能真正意义上的 大规模开发利用渐渐开始。 1952 年法国建成一座功率为50kW 的太阳炉。 1954 年美国研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应 用奠定了基础。 后来由于太阳能利用技术尚不成熟，投资大、效果不佳，发 展再度停滞。
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§2.1 太阳能利用的历史
1615 年，法国工程师发明了第一台利用太阳能抽水的机器。 这可能是世界上第一个以太阳能为动力的设备。
此后到十九世纪末，世界上又研制出多台太阳能装置。其中， 比较成熟的产品是太阳灶。
进入二十世纪以后，太阳能科技获得了比较快的发展，但其发 展道路比较曲折。 1901 年以后，美国、埃及先后建成了太阳能抽水装置。
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§2.4 太阳能直接热利用
§2.4.1 集热器类型
（1）平板集热器
平板集热器外观 新能源与分布式发电技术
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§2.4 太阳能直接热利用
§2.4.1 集热器类型
（2）真空管集热器 其核心部件是真空管，按照材料来分，有全玻璃真空管和金属 真空管两类。比较常见的是黑色镀膜的真空玻璃管。
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§2.3 太阳能的利用方式
§2.3.3 光化学转换
光化学转换，是指将太阳的光辐射能转换为化学能存储，或者 利用太阳光照的作用实现某些特定的化学反应过程。 （1）光化学电池 将太阳的光辐射能通过某种化学反应过程转变为电能，称为 光化学发电，通常是指浸泡在溶液中的半导体电极受到光照 后，电极上有电流输出的现象。 光化学发电还可细分为液结光化电池、光电解电池和光催化电 池等。
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制作人：朱永强,丁泽俊,许 郁
华北电力大学
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§2 太阳能及其利用
关注的问题 太阳的能量是怎样形成的？ 有多少赐予了地球上的人类？ 什么时候人类开始了太阳能的利用？ 太阳能利用的方式有哪些？ 太阳能热发电和光伏发电的原理是怎样的？ 经历了怎样的发展历程，发展状况如何？ 教学目标 了解太阳能资源及分布情况， 掌握太阳能利用的多种方式及各自原理和主要设备， 理解太阳能发电的重要意义。
§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.1 太阳能概述
风能、水能、生物质能、海洋能等可再生能源，都来自太阳 能的转化。就连煤、石油等化石燃料，也是远古贮存下来的 太阳能。广义的太阳能，包括上述各种能源。 当把太阳能作为可再生能源的一种进行讨论时，太阳能指的 是直接照射到地球表面的太阳辐射能（包括光和热）；通常 所说的太阳能利用，是指太阳辐射能的直接转化和利用。 太阳的能量，来自其内部的热核反应。以光辐射的形式，每 秒钟向太空发射约3.74×1026J 的能量。
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§2.4 太阳能直接热利用
§2.4.1 集热器类型
集热器就是用于收集太阳的辐射能并将其转换为热能的装置。 目前广泛使用的太阳能集热器，可以分为三大类。 （1）平板集热器 平板集热器的吸热部分主体是涂有黑色吸收涂层的平板。如图 所示。
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§2.3 太阳能的利用方式
§2.3.3 光化学转换
（2）光生物发电 绿色植物的光合作用也是一种光化学转换过程。通过光合作用 将太阳能转换成为生物质的过程，称为光生物利用。 光生物发电，通常是指叶绿素电池发电，也是一种光化学转换 过程。叶绿素在光照作用下能产生电流，这是最普遍的生物现 象之一。要做成稳定的叶绿素电池目前还比较困难(为什么？)。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.3 我国太阳能资源分布
据来自中国气象局太阳能风能资源评估中心的资料，我国的 太阳能资源全年总辐射量分布如图所示。各地的日照时间参 见教材的图2.5。
我国的太阳能全年总辐射量分布图
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太阳能利用与发电技术
§2.3 太阳能的利用方式
§2.3.2 太阳能发电
（1）太阳能热发电 ——蒸汽热动力发电，先利用太阳能提供的热量产生蒸汽， 再利用蒸汽驱动发电机。 ——热电直接转换，即利用太阳能提供的热量直接发电（多 是依靠特殊的物理现象或化学反应。这类发电方式的优点是 发电装置本体没有活动部件，但一般发电量都很小，有的方 法尚处于原理性试验阶段。相对成熟一些的，主要是半导体 温差发电。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.1 太阳能概述
因距离遥远，太阳释放的能量只有22 亿分之一投射到地球。
到达大气层上界的太阳辐射功率，经过大气层的反射和吸收， 能够投射到地面的只有47%左右。 尽管如此，每年到达地球表面的太阳能仍高达…… kWh，相 当于1300 万亿吨标准煤，是全球能耗的上万倍。
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§2.4 太阳能直接热利用
太阳能的热利用，基本原理是利用集热装置将太阳辐射能收 集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能，进行直接或 间接的利用。 根据集热器所能达到的温度和用途，通常可把太阳能热利用 分为低温利用、中温利用（200～800℃）和高温利用。
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§2.1 太阳能利用的历史
古人对太阳非常崇拜，有很多关于太阳的传说。
世界上最早利用太阳能的国家可能就是中国。《周礼》有用 “夫燧”向太阳取明火的记载。说明至少在3000 多年前的周 代，我们的祖先就已经开始利用太阳能了。
早期的应用主要是在白天接受太阳的烘晒和取暖。 从世界范围来看，将太阳能作为一种能源动力加以利用，不 到400 年的历史。
§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.3 我国太阳能资源分布
太阳能资源分布，西部高于东部，而且基本上是南部低于北部 （除西藏、新疆以外）,与通常随纬度变化的规律变化的规律 并不一致。 这主要是由大气云量以及山脉分布的影响造成的。
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§2.2 太阳能资源及其分布
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§2.3 太阳能的利用方式
§2.3.2 太阳能发电
（1）太阳能热发电 太阳能热发电就是利用太阳辐射所产生的热能发电，是在太阳 能热利用的基础上实现的。
一般需要先将太阳辐射能转变为热能，然后再将热能转变为电 能，实际上是“光－热－电”的转换过程。 太阳能热发电有两种类型：一类是蒸汽热动力发电，一类是热 电直接转换。
§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.4 太阳能资源的特点
与常规能源相比，太阳能具有如下优点：
（1）储量丰富。 （2）维持长久。 （3）分布广泛。 （4）维护方便，运行成本低。 （5）清洁，无污染。
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§2.2 太阳能资源及其分布
§2.2.4 太阳能资源的特点