太阳能基础知识
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这次“危机”在客观上使人们认识到:现有的能源结构必 须彻底改变,应加速向未来能源结构过渡。从而使许多 国家,尤其是工业发达国家,重新加强了对太阳能及其 他可再生能源技术发展的支持,在世界上再次兴起了开 发利用太阳能热潮。 1973年,美国制定了政府级阳光发电计划,太阳能研究 经费大幅度增长,并且成立太阳能开发银行,促进太阳 能产品的商业化。 日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”,其中太阳 能的研究开发项目有:太阳房、工业太阳能系统、太阳 热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系 统等。为实施这一计划,日本政府投入了大量人力、物 力和财力。
●我国国土面积2/3以上的地区太阳能辐照总量 大于502万kJ/(㎡. 年),折合标准煤627kg/ (㎡.年 ) ●拉萨7134.17 MJ/(m2 .年),折合标准煤892kg/ (㎡.年) 据测算,我国拥有可开发太阳能达1700亿吨标准煤。
• 在北纬300~400地区,太阳能资源随纬度的增加而增加。 • 北纬400以北地区,太阳能资源自东向西逐渐增加。 • 新疆地区的太阳能资源分布由于受天山山脉的影响,自东向
太阳能的产生原理
太阳能量的产生:根据爱因斯坦相对论, 通过热核反应,质量转化为能量,公式 为:E=mc2 。 在太阳的中心部位,温度 有1500万度,压力要比地球大气压力高 四千亿倍,在这样的高温高压下,热核 反应可顺利持续进行,由于太阳是具有 极大质量的天体,按目前的消耗率,还 足以维持6×1010年。
辐射可以在真空中传播,冷热物体不需直接接触 自然界中所有的物体,不管其温度高低,都在不
停地向四周发出热辐射能。
5、太阳角 地球上某处所接收到的太阳辐射能量的多少与 太阳相对于地球的位置有关。计算太阳在天球中对 地球上某点的相对位置,可以用地球纬度、太阳赤 纬、太阳高度角、太阳方位角、时角等太阳角进行 定位。
(第一完成人); 2011年度建设部精瑞科学技术奖优秀奖; 从事科研21年,经中科院深造,东莞特聘专家,发表
论文多篇; 作为授课专家参加十几个省市的太阳能技术讲座。 太阳能研发领域,四年真空管、8年平板,心得共享
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目录
一、太阳能基本概念 二、太阳能利用发展史 三、太阳能产业分类及应用 四、太阳能是我国战略型新兴产业
不同时间的不同地区对应着不同纬度、不同高度角及方 位角。安装太阳能集热器的时候要参考当地的高度角和方位 角。
二、太阳能利用发展史
据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史。而 将太阳能作为一种能源和动力加以利用,也有300 多年的历史。
近代太阳能利用可从1615年法国工程师所罗 门·德·考克斯发明第一台太阳能驱动的发动机算起。 该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而 抽水的机器。在1615年~1900年之间,世界上又研 制成多台太阳能动力装置和其他太阳能装置。这些 动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光,发动机 功率不大,工质主要是水蒸汽,价格昂贵,实用价 值不大,大部分为太阳能爱好者个人研究制造。
780~1400
4.125E+02
1400~3000
1.836E+02
3000~10000
2.637E+01
占总能量的百 分比(%)
0.57 1.55 5.90 16.39 13.36 16.68 30.18 13.43 1.93
8.02 (7)
46.43(47.3)
45.54 (45.7)
2、我国丰富的太阳能源及分布趋势
第二阶段------停滞阶段(1920-1945) 太阳能 研究处于低潮,其原因与矿物燃料的大量开发 利用和发生第二次世界大战(1935-1945)有 关,太阳能不能解决当时对能源的急需,因此 逐渐受到冷落。 第三阶段——复苏阶段(1945-1965)
第二次世界大战结束后的20年中,一些有远 见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅 速减少,呼吁人们重视这一问题,从而逐渐推 动了太阳能研究工作的恢复和开展,并且成立 了太阳能学术组织,举办学术交流和展览会, 再次兴起太阳能研究热潮。
第四阶段——困惑阶段(1965-1973) 这一阶段,太阳能的研究工作停滞不前,主要原因是太阳
能利用技术处于成长阶段,尚不成熟,并且投资大,效果不 理想,难与常规能源竞争,因而得不到公众、企业和政府的 重视和支持。
第五阶段——觉醒阶段(1973-1980) 自从石油在世界能源结构中担当主角之后,石油就成了左 右经济和决定国家生死存亡及发展或衰退的关键因素。1973 年10月爆发中东战争,石油输出国组织采取石油减产、提价 等办法,支持中东人民的斗争,维护本国的利益。其结果是 使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家,在经济上 遭到沉重打击。 于是,西方一些人惊呼:世界发生了“能源 危机”(有的称“石油危机”)。
地球中心和太阳中心的连线与地球赤道平面的 夹角成为太阳赤纬。太阳赤纬与一年中的日期序号 有关。
单位时间地球自转的角度定义为时角。规定正 午时角为0度,上午时角为负,下午时角为正。地 球自转一周为360度。
太阳高度角是地球表面上某点和太阳的连线与地平线之 间的夹角。
太阳方位角是太阳至地面上某点的连线在地面上的投影 与南向(当地子午线)的夹角。它代表太阳光线的水平投影 离正南的角度。
1、聚焦——提高太阳辐射的密度 通常聚焦的方式有反射式和透射式。但不论采 用哪种方法,其轴线都必须时时刻刻与太阳光线平 行,可以采用自动跟踪系统或复合抛物面保持轴线 与太阳光线的平行。
克服太阳能缺点的方法:贮能
2、贮能——变间断为连续、不稳定为稳定 目前唯一可能的解决办法就是尽量把在夏季和 白天收集到的太阳辐射能贮存起来,通过调节和控 制系统,使其满足连续稳定供能的要求。 太阳能可以转换成机械能、热能、电能、化学 能和生物质能等多种形式贮存起来。
西逐渐减少。 台湾地区的太阳能资源分布是由东北向西南逐渐增加。
我国太阳能资源丰富适合太阳能技术推广
名称
资源带号
指标kW·h/m2a
占国土面积
最丰富带
I
≥1750
17.4%
很丰富带
II
1400~1750
42.7%
较丰富带
III
1050~1400
36.2%
一般带
IV
≤1050
3.70%
121
3、太阳能的特点——优势
一、太阳能基本概念
1、太阳的能量
巨大的能源宝库——太阳
太阳是一个炽热的火球,她不停地向四周放射出巨大的能 量,平均每秒钟3.865×1026焦耳,相当于每秒 钟烧掉 1.32 ×1016吨标准煤。
地球所接收到的能量虽然只有其中的22亿分之一, 但得到的能量高 达80万千瓦,折合标准煤600万吨/秒,相当于人类一年消耗的全部 商品能量的2.8万倍。 假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可 达5.6×1012度,相当于目前世界上能耗的 40倍。如果我们把落到地球上的太阳能全部收 集起来,只要收集50分钟左 右就够全世界人 一年的能量消耗。
储量——无限性
存在——普遍性 是公认的、最有 太阳能 开发——清洁性 前途的、最方便
消费——经济性 新能源
使用——安全性 。
太阳能的特点——缺点
分散性 主要表现在能量密度低,太阳常数为1367瓦/㎡。而一般核能的 能量密度10 千瓦/㎡量级。因而若要获得较大能量,集热器采 光面积必须要相当大。若要获得较高能量密度,必须要聚光。
传热学基本知识----热对流
指流体(气体或液体)中温度不同的各部 分发生相对位移而引起的热量传递现象。
热对流现象只发生在气体或液体中。
在流体发生热对流的同时,由于流体中温 度分布的不均匀,也将随着发生热传导现 象,所以对流换热过程实际上是热传导和 热对流综合作用的过程。
传热学基本知识——热 传 导
光谱波度
A 紫外线 B
C
A 可见光 B
C
A 红外线 B
C
太阳光波长与能源
波长范围 (nm ) 辐照度 (W/m2)
100~280
7.864E+00
280~315
2.122E+01
315~400
8.073E+01
400~520
2.240E+02
520~620
1.827E+02
620~780
2.280E+02
复苏阶段的太阳能研究工作取得重大进展,比较突出的 有:1955年,以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会 议上提出选择性涂层的基础理论,并研制成实用的黑镍 等选择性涂层,为高效集热器的发展创造了条件;1954 年,美国贝尔实验室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;1960年,在美国佛罗里达 建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调 系统,制冷能力为5冷吨;1961年,一台带有石英窗的 斯特林发动机问世。这一阶段,太阳能基础理论和基础 材料的研究得以进行,取得了如太阳选择性涂层和硅太 阳电池等技术上的重大突破。同时,平板集热器有了很 大的发展,技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究 取得进展,建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特 林发动机和塔式太阳能热发电技术也进行了初步研究。
太阳——能源之源
约23%的太 阳能形成云、 雨及风
约0.06% 光合作用
约30%被反 射回太空
约47% 为地球 表面吸收
太阳光波普
γ射线
光紫
X射线
紫外线
可 见
兰绿黄红 红外线
无线电波
0 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 ∞μm 热射线
图一 太阳光波谱
20世纪的太阳能发展史
分为以下七个阶段: 第一阶段——启蒙阶段(1900-1920) 世界太阳能研究的
重点仍是太阳能动力装置,但采用的聚光方式多样化, 且开始采用平板集热器和低沸点工质,装置逐渐扩大, 最大输出功率达73.64kW,实用目的比较明确,造价仍 然很高。 建造的典型装置有:1901年,在美国加州建成一台太阳 能抽水装置,采用截头圆锥聚光器,功率7.36kW; 1902 - 1908年,在美国建造了五套双循环太阳能发动机, 采用平板集热器和低沸点工质;1913年,在埃及开罗以 南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵,每个长 62.5m,宽4m,总采光面积达1250m2。
4、传热学基本知识----太阳辐射的性质
太阳辐射为短波辐射,因为97%以上的太阳 辐射能位于0.29~3.0um的波长范围内,波 长较短所以称太阳辐射为短波辐射。
地球辐射是地表及其上的一切物体,空气, 悬浮微粒和大气云层等发射的辐射。常温 下,地球辐射能量的99.9%以上集中在波长 大于3.0um的波长范围内,所以称地球辐射 为长波辐射。
太阳能的能量密度
太阳能的能量密
度—太阳常数为
Gsc=1367W/m2
太阳常数是指平均日地距离时,
地球大气层上界垂直太阳光
线的单位面积表面、单位时
间内所接受的太阳能。太阳
太阳
常数也存在不同时间尺度的
波动,并有一定的周期性变
化,变化幅度通常在3-4%
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左右。多数文献上采用
1365W/m2 。
地球
太阳-地球关系图
太阳能基础知识
杨宪杰 高级工程师 科技部太阳能光热产业技术创新联盟 “太阳能中温
工业应用项目”管理委员会委员; 平板太阳能国家标准起草人之一; 获得专利超过100项; 科技部“十二五”技术支撑计划课题第一负责人; 科技部中欧合作项目“高温集热”第一负责人; 2011年获得市科技进步一等奖、省科技进步三等奖
70年代初,这一热潮对我国也产生了巨大影响。一些有远 见的科技人员纷纷投身太阳能事业,积极向政府有关部门 建议,出书办刊,介绍国际上太阳能利用动态。在农村推 广应用太阳灶,在城市研制开发太阳能热水器,空间用的 太阳电池开始在地面应用……。 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”,进一步推动了 我国太阳能事业的发展。
是指物质各部分之间没有相对位移,由 于直接接触而发生能量传播的现象,它 是依靠物质分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而进行的热量传递现象, 可以发生在固体、液体和气体中。在气 体和液体中除了有热传导之外,还会同 时有热对流及辐射现象。
传热学基本知识——热辐射
指直接依靠物体表面对外发射可见或不可见的射 线在空间传递能量的现象。
间断性 由于气候变化,如阴天下雨时,太阳能基本为零。若要连续利用 太阳能,必需要考虑能量的贮存。
变化性 由于地球自转、公转和自转轴与轨道面之间存在的夹角,使地球 上产生昼夜及季节的变化,使太阳能成为一个变化的数值。若 要充分利用太阳能,尤其是高温利用时,必需要考虑自动及人 工跟踪等问题。
克服太阳能缺点的方法:聚焦