黄素逸-新能源发电技术

• 日冕层 • 在色球之上是极其稀薄的高温日冕层， 只有在日全食中才能看到一片青白色的 日冕光区。 • 在太阳活动极大年，日冕接近圆形；在 太阳宁静年则呈椭圆形。日冕上有冕洞， 而冕洞是太阳风的风源。
1973年12月一个巨大的日珥跨越日面588000km
色 球 层
• 当太阳上有强烈爆发和日冕物质抛射时，太阳 风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。 这时，在地球两极则可看见瑰丽无比的极光。
单晶硅太阳电池生产过程
天基太阳能发电系统
天基太阳能发电系统太阳塔概ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
天基太阳能发电系统太阳盘概念图
太阳能光伏、光热集成发电系统
系统特点： 在集热棚内布置一部分光伏电池，利用光伏发 电，而电池的热量仍留在棚内，可以作为热能进 一步利用，提高了单位面积上的能量利用率； 棚内可以种植农作物（蔬菜、水果或能源植 物），既获得经济效益，又改善了生态环境； 以此系统为中心可在沙漠或荒芜的地方建立生态 城。 发展旅游事业
• 太阳电池是利用半导体内部的光电效应， 当太阳光照射到一种称为“P—N结”的 半导体上时，波长极短的光很容易被半 导体内部吸收，并去碰撞 硅原子中的 “价电子”使“价电子”获得能量变成 自由电子而逸出晶格，从而产生电子流 动。
• 常用太阳电池按其材料可以分为：晶体硅电池、 硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶 硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。 • 太阳电池重量轻，无活动部件，使用安全。单 位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组 合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向 各行各业，走向千家万户，太阳能汽车，太阳 能游艇，太阳能自行车，太阳能飞机都相继问 世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳 站。 • 太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能 源状况，人类都期待这一天的到来。
5MW太阳能热气流实验示范电站设计
60m 太阳辐射 导流筒 风力发 电机组
500m
导流 筒
地表蓄热层 1000m
导流筒底部沿圆周布置 8 台单 机容量1MW风力发电机组。
核心技术

系统设计技术 新型风力发电机组成套设计制造技术
超高耸建筑结构设计与建造技术
超大规模集热系统设计与建造技术 储能系统吸热与保温技术 热气流发电机组控制技术 发电系统稳定并网技术
• 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温 度恒定的黑体，而是一个多层的有不同 波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳 能利用中通常将它视为一个温度为6000K， 发射波长为0.3～3μm的黑体。
太阳能利用 • 人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利 用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。 • 太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖 和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材； 太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。 • 太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能 制氢。
• 色球层 • 从光球表面到8000千米高度为色球层， 大部分由氢和氦组成。在色球层的边缘 常常突然串升一片火舌般的气体，高度 达到几万公里，这就是日珥，其温度高 达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。 日珥可谓千姿百态，有的像脱兔，有的 如飞鸟，有的如喷泉飞瀑，这里可以算 得上是太阳最壮丽的景色了。
• 另一种有前途的太阳能热动力发电技术 是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形 土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟 囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻 璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被 抽走，驱动风力透平机发电。这种发电 装置简单可靠，在西班牙已建有一座容 量为100kW的试验电站。显然这种发电方 式非常适合于我国广大的西部地区。

超大规模集热棚屋顶轻型清 扫机械：网状布置压缩空气 吹扫装置，并按照一定的距 离设置排沙尘通道。
• 太阳能光利用
• 太阳能光利用最成功的是用光—电转换原理制 成的太阳电池（又称光电池）。太阳电池1954 年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作 “先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电 池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20 年之久，从而彻底取代了只能连续工作几天的 化学电池，为航天事业的发展提供了一种新的 能源动力。
夜间陆海风
白天“谷风”
夜间“山风”
风级和符号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
名称 无风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
风速（米）* 0.0-0.2 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 32.7-
• 风道直径10m • 轮毂直径3m • 叶片数12或20
太阳能热气流电站概念设计——导流筒透视图
超大规模集热棚屋顶设计
结论：当倾角31~35°时，全 年获得的日照辐射量最大。
屋面接受更多的阳光，使集热 棚的温度上升快，温度高，提高 其集热效率； 同时也有利于屋面应对雨雪荷 载；有利于屋面的自组织排水与 自清洁等。
• 太阳内部有“里三层”。从中心向外，依 次是核反应区，这里是太阳热能产生的基 地。辐射区，太阳能先通过这里传播出去。 对流区，太阳能经过这里向太阳表层传播， 它们是“输送带”。
• 由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的 核聚变反应，所以不断地释放出巨大的 能量，并以辐射和对流的方式由核心向 表面传递热量，温度也从中心向表面逐 渐降低。太阳能量的99%是由中心的核反 应区的热核反应产生的。
• 人们对太阳能利用有着悠久的历史。发展 到现代，太阳能利用已日益广泛。在高科 技的支持下，太阳能被期望成为21世纪的 最主要辅助能源。
太阳结构 • 太阳是太阳系的中 心天体,是太阳系里 唯一的一颗恒星,也 是离地球最近的一 颗恒星。
• 太阳是一个炽热的气态球体，没有固体 的星体或核心。 • 它的直径约为1.39×106km，是地球的 109倍，质量约为2.2×l027t，为地球质 量的3.32×105倍，体积则比地球大 1.3×106倍，平均密度为地球的1/4。其 主要组成气体为氢（约71％）和氦（约 27％）。
风力等级表
陆地物象 烟直上 烟示风向 感觉有风 旌旗展开 吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 折毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁普遍 摧毁巨大
海面波浪 浪高（米） 平静 0 微波峰无飞沫 0.1 小波峰未破碎 0.2 小波峰顶破裂 0.6 小浪白沫波峰 1 中浪折沫峰群 2 大浪到个飞沫 3 破峰白沫成条 4 浪长高有浪花 5.5 浪峰倒卷 7 海浪翻滚咆哮 9 波峰全呈飞沫 11.5 海浪滔天 14
2013年发电企业节能减排技术论坛
新能源发电技术
华中科技大学 能源与动力工程学院 黄素逸 2013-10-24于西安
新能源
• • • • • 太阳能 风能 地热能 海洋能 生物质能
太阳能概述
• 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽 管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总 辐射能量(约为3.75×l026W)的22亿分之一， 但已高达1.73×1017W，换句话说，太阳每 秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t 煤。
太阳能光伏、光热集成发电试验电站
• 在太阳能热气流发电系统的基础上，在集热棚内
布置一部分光伏电池，同时利用太阳能的光能和 热能。提高单位面积的能量利用率和取得更大的 经济效益。目前世界上尚无此种系统。
电站功能
• 发电功能 系统兼有发电、储能、调峰三种功能，特别适合作为 我国三北太阳能丰富地区的电源。 • 生态环保功能 系统的集热棚相当于一个特大型的温室，可以有效地 防止扬沙，对减少我国的沙尘暴十分有利。集热棚内还可 种植农作物，发展生态农业，极大地改善当地的环境条件。 • 旅游功能 系统可以和旅游事业结合起来，组织观光旅游。对建 在东部地区的小型电站（10MW以下）导流筒上既可作为电 视转播台又可建观光旅馆，开发生态旅游。
旅游观光
超过70%顶棚面积可布置光伏电池
试验电站的主要参数
• 50kw太阳能热气流子系统 • 太阳能热气流尺寸：烟囱高度H=100m，直径 Rc=20m，集热棚直径为D=320m，进口高度为 hin=3m，出口高度为hout=5m。 • 在集热棚每个分区的出口处布置6KW的涡轮透平发 电机组，共8个，总额定功率为48KW。热气流系统 全年运行时间为1250h（东南沿海地区开阔地并网 系统有效利用时数计算），不计夜间可能发电量， 全年输出电力约为6万千瓦时。
风的形成
• 地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但 是由于地面每个部位受热的不均匀性，空 气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨 胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降， 这样冷暖空气便产生流动，形成了风。而 且由于地球自转、公转的力量及地形之不 同也更加强风力和风向之变化多端。
地球上风的运动方向
白昼海陆风
太阳能热动力发电
• 太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方 向，根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的 型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。 分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组，然 后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热 温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由 平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定 日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附 近的高塔顶端的接受器上。
太阳能热发电原理
聚光集热子系统
蓄热子系统
热-功-电转换子系统
典型的太阳能光热发电系统
Solar thermal power system
碟式 Dish
槽式 Trough
塔式 Tower
抛物槽式电站的原理图
聚光集热器主要构成示例
热流体为熔盐的塔式热发电系统工作原理图
以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理
太 阳 表 面 结 构
• 光球层 • 光球并不完美，其表面布满了米粒般的 粒状结构，科学家形象地称它们为“米 粒组织”，光球上亮的区域叫光斑，暗 的黑斑叫太阳黑子 。 • 所谓太阳黑子是光球层上的黑暗区域， 它的温度大约为4500K， 而光球其余部 分的温度约为6000K。在明亮的光球反衬 下，就显得很黑。
注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值
风力发电常用方式
一、独立运行方式 二、风力发电与其他发电方式相结合 三、风力发电并入常规电网运行
西班牙CESA-1太阳能实验电站
西班牙PS10太阳能实验电站
西班牙Andasol槽式太阳能电站
西班牙Nevada Solar One电站外景
碟式斯特林系统实验电站
自由活塞式斯特林发动机
碟式太阳能热发电系统的结构
主动式直接蓄热系统
Solar Two电站的蓄热系统
PS10电站安装中的蓄热水箱
• 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和 生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即 使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以 来贮存下来的太阳能。 • 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资 源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境 无任何污染。 • 但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低； 二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。 这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。
太阳能热气流发电系统
太阳辐射加热集热棚内的储热层，棚 内空气受热浮升；由于导流筒的抽吸作 用，筒内形成稳定的上升热气流；在流 动通道上布置风力机可稳定发电。在晚 间，储热层蓄积的热量放出，继续稳定 发电。 蓄热层热惯性很大，滞后效应显著， 外界环境及太阳辐射的短时、瞬时波动 均可被平滑，故系统的出力相当稳定。
• 由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大 能量的同时，每1g质量将亏损0.0072g。 根据目前太阳产生核能的速率估算，其 氢的储量足够维持500亿年，因此太阳能 可以说是用之不竭的。
• 太阳外部有“外三层”。依次为光球层、 色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮 表面就是光球层，我们所见到太阳的可 见光，几乎全是由光球发出的。光球层 厚约500千米，温度为5762K，密度为106g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太 阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射 的。