新能源技术_2015

2020/8/4
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本课程主要内容
❖ 风能利用技术 ❖ 核能利用技术 ❖ 氢能利用技术 ❖ 太阳能利用技术 ❖ 海洋能利用技术 ❖ 地热能利用技术 ❖ 生物质能利用技术
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补充
❖ 基础知识：传热学、流体力学、热力学、半 导体物理、电化学反应基础
❖ 相关专业：能源、电气、材料、交通、物理、 化学、建筑、光电、……
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➢太阳辐射能
❖ 太阳物质组成：氢占78.4%，氦占19.8%，金属和其 他元素占1.8%。
❖ 两种热核反应：质子-质子循环，碳-氦循环。 ❖ 太阳辐射功率：3.74×1026W，相当于每秒钟燃烧
1.28×1015吨标煤放出的能量。 ❖ 太阳辐射波长范围：自0.1nm以下的宇宙射线~无线
电波。 ❖ 太阳辐射具有波动性和粒子性。
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➢太阳高度角
❖ 太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射 线和海平面A点切线方向的夹角h，则有： sinh 1 AM
当h=90°时，AM=1；
当h=30°时，AM=2。
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➢太阳辐射强度
❖ 太阳辐射强度I：定义为单位时间地球表面上单位面 积上所入射的太阳辐射功率，单位为W/m2。
I
I0 sinh
I0 AM
I0为大气质量为AM=1 的海平面上的太阳辐射 强度。
结论：到达地球表面任意一点的太阳辐射强度与该点的 大气质量成反比。大气质量越大，到达该点的太阳辐射 强度越小。
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➢大气透明度
❖ 太阳辐射强度除了与大气质量有关外，大气中含有的 各种气体和固体尘埃都会影响太阳光的透过量。
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➢太阳常数
❖ 太阳本身的活动会引起太阳辐射强度发生波动。 ❖ 观测表明，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射
量大2.5%。 ❖ 在一般的太阳辐射计算中，可近似认为太阳辐射稳定，
在地球大气层外的太阳辐射强度为一个常数。 ❖ 太阳常数：指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大
气外层平面上，单位时间、单位面积上所接受的太阳 辐射能，单位为W/m2。 ❖ 太阳常数取值：1357 W/m2。具有平均值意义
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太阳能利用技术
Technology of Solar Energy Utilization
§1. 太阳能基础知识 §2. 太阳能的热利用 §3. 太阳能的热发电 §4. 太阳能光伏发电 §5. 太阳能热气流发电
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§1. 太阳能基础知识
§1-1. 热辐射的基本概念 §1-2. 太阳能的基本概念
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§1-2. 太阳能的基本概念
➢太阳基本参数
❖ 日地距离约：1.5×108km。 ❖ 从地球上望：太阳的张角0.0093弧度。 ❖ 太阳直径：1.4×106km (地球的109倍) ❖ 太阳体积：地球体积的1 302 500倍 ❖ 太阳质量：1.99×1030kg (地球的33万倍) ❖ 平均密度：1.4×103kg/m3 (地球的0.25倍) ❖ 太阳温度: 5770℃(表面) 1560万℃ (核心) ❖ 总辐射功率: 3.83×1026 J/s ❖ 太阳年龄: 约50亿年
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➢大气质量
❖ 设A为地球表面海平面上的一点，当太阳在天顶位置 S时，太阳垂直入射，太阳辐射穿过大气层到达A点 的路径OA。当太阳位于任一位置S’时，其穿过大气 层到达A点的路径为OA’。大气质量定义为两者之比：
AM OA OA
设定在1atm和0℃，海 平面上太阳垂直入射， 此时大气质量AM=1， 简称AM1。
❖ 可再生能源技术领域讲述的太阳能指的是狭义的太 阳能。
❖ 太阳能两个主要缺点：一是能流密度低；二是能流 波动大。
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➢太阳构造
内部
内核 0~0.23R，T=4×107K，P=3×1014Pa，=1×105kg/m3，
物质处于等离子体状态，热核反应，产生能量占太阳产 生能量的90%。
新能源技术
Renewable Energy Technology
袁芳 能源与动力工程学院
工程热物理系
能源科学
➢ 能源技术：研究各种能源的开发、生产、 转换、储存和综合利用。
➢ 研究目的： 1.提高现有能源的利用效率 2.寻找新的能源及其利用方式
➢ 研究再生能源技术的目标： 寻找实现能量的高效率低成本的转换技术
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➢大气层外太阳辐射强度计算
❖ 大气层外，单位时间、单位垂直面积上所接受到的 太阳辐射能 I 随地球与太阳的距离而变化。
❖ 计算方法：
I
IC
D0 D
2
IC
1
0.034
cos
360n 365.25
❖ D为日地距离；D0为日地平均距离； ❖ Ic为太阳常数；n为从元旦算起的天数。
中介层 0.23R~0.7R，辐射输能区，T=1.3×105K，=79kg/m3。
对流层 0.7R~1R，T=6000K，=1kg/m3。
大气
肉眼所见太阳表面，T=6000K， =10-3kg/m3，厚度500
光球层 km，由强烈电离的气体组成，能吸收和发射连续的辐射光
谱，太阳能的绝大部分能量由此辐射到天空。
❖ 定义P为大气透明度。当大气质量AM=m时，太阳直 接辐射强度可表示为：
I I0 Pm I0 P1m
P1为大气质量为1时的大气透明度，Pm为大气质量为 m时的大气透明度。
P值越大，大气越透明。P永远小于1，一般为0.3~0.85。 0.85相当于大气最清净时的透明程度。 最好的晴天，P1=0.85；一般的晴天， P1=0.65；较差的 晴天P1=0.532。海拔越高，P1大，反之则越小。
厚度约1×104~1.5×104km，大部分由氢和氦组成。温度为
色球层 5000K， =10-5kg/m3。有时出现极猛烈的日焰，此时太阳
辐射量最大，有些太阳上的电子流到太空，形成太阳风， 打击到地球大气层上缘，产生磁暴和极光。
日冕层 伸入太空的银白色日冕，温度1×106K，高度达几十个
太阳半径
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➢太阳能
❖ 太阳能是一种清洁的可再生能源。
❖ 从广义上讲：太阳能不仅包括直接投射到地球表面 的辐射能，还包括像生物质能、水能、风能、海浪 能等同样起源于太阳辐射的间接的太阳能量；而且 像现在广泛使用的石油、天然气和煤炭等化石能源， 也都是古代太阳能资源的产物。
❖ 从狭义上讲：太阳能指的是直接投射到地球表面的 太阳辐射能。