新能源技术-太阳能课件

新能源发电技术新能源发电技术于于立立军军工学博士工学博士副教授副教授上海交通大学上海交通大学热能所热能所机械大楼机械大楼331房间房间办公室：办公室：34206287手机：手机：7/8/2024新能源发电技术8/13/20231石油工业石油工业如如果果计计划划能能够够顺顺利利转转成成现现实实，俄俄罗罗斯斯每每年年出出口口中中国国的的石石油油量量将将暴暴涨涨20倍倍，由由150万万吨吨扩扩大大至至3000万万吨吨，从从而而彻彻底底改改变变俄俄罗罗斯斯原原油油出出口口中中国国全全靠靠火火车车运运输输的的局局面面。中中 哈哈 石石 油油 管管 道道2004年年9月月开开工工，预预 计计2005年年年年底底建建成成。管管道道投投入入运运营营后后将将保保证证每每年年向向中中方方输输出出1000万万吨吨原原油油。7/8/2024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2第三章：太阳能发电第三章：太阳能发电3.1太阳能概述太阳能概述3.2有关太阳能辐射的基本知识有关太阳能辐射的基本知识3.3太阳能集热器太阳能集热器3.4太阳能电池太阳能电池3.5太阳能制氢太阳能制氢3.6太阳能电池发电的前景太阳能电池发电的前景思考题思考题思考题思考题7/8/2024第三章：太阳能发电3.1太阳能概述思考题8/13/33.1太阳能概述太阳能概述太太阳阳能能是是太太阳阳辐辐射射出出的的能能量量。在在地地球球上上，除除了了原原子子能能以以外外，太太阳阳能能是是其其它它各各种种能能量量（燃燃料料能能、风能、水能）的来源。风能、水能）的来源。太太阳阳是是一一个个巨巨大大的的炽炽热热的的气气体体星星球球，它它源源源源不不断断地地以以电电磁磁波波的的形形式式向向宇宇宙宙空空间间放放射射能能量量，这这称称为为太太阳阳辐辐射射。太太阳阳辐辐射射仅仅有有极极微微小小的的部部分分（约约二二十十亿亿分分之之一一）到到达达地地球球，是是地地球球上上最最主主要要的的能能量量源源泉泉。太太阳阳每每分分钟钟向向地地球球输输送送的的能能量量，大大约约相相当于燃烧当于燃烧4亿吨煤产生的热量。亿吨煤产生的热量。太太阳阳能能的的利利用用手手段段主主要要是是光光-热热转转换换（太太阳阳能能热热水水器器、太太阳阳房房）、光光-电电转转换换（单单晶晶硅硅太太阳阳能电池，理论效率能电池，理论效率28%）和太阳能）和太阳能-氢能系统。氢能系统。32008年奥运新能源建设年奥运新能源建设从从太太阳阳中中心心至至 1/4太太阳阳半半径径处处，集集中中了了太太阳阳物物质质质质量量的的一一半半，这这里里的的温温度度高高达达 1500万万度度，压压强强 达达 2500亿亿个个大大气气压压（离离它它2000千千米米以以内内的的所所有有东东西西都都将将全全部部被被烧烧焦焦），称称此此区区域域为为 核核反反应应区区，太太阳阳所所发发射射的的能能量量的的99%在在这这里里产产生生。1万平方公里万平方公里等于等于5个三峡个三峡发电量发电量7/8/20243.1太阳能概述太阳能是太阳43.2有关太阳能辐射的基本知识有关太阳能辐射的基本知识33.2.1太阳辐射通量和太阳常数太阳辐射通量和太阳常数3.2.2大气层外太阳辐射光谱大气层外太阳辐射光谱3.2.3大气对太阳辐射的消弱作用大气对太阳辐射的消弱作用3.2.4大气对地面的保温作用大气对地面的保温作用3.2.5太阳直接辐射通量太阳直接辐射通量3.2.6气温的日变化和年变化气温的日变化和年变化我国的太阳能资源我国的太阳能资源7/8/20243.2有关太阳能辐射的基本知识33.2.1太阳辐53.3太阳能集热器太阳能集热器太阳能集热器太阳能集热器太阳能发展计划太阳能发展计划3.3.1平板型太阳集热器平板型太阳集热器3.3.2全玻璃真空太阳集热管全玻璃真空太阳集热管3.3.3聚焦型集热器聚焦型集热器3大型太阳能热水系统大型太阳能热水系统我国的太阳能资源我国的太阳能资源“能源革命迫在眉睫能源革命迫在眉睫”地球的地球的能流图能流图7/8/20243.3太阳能集热器太阳能集热器太阳能发展计划63.4太阳能电池太阳能电池3.4.1太阳能电池发电原理太阳能电池发电原理3.4.2太阳能电池的转换效率太阳能电池的转换效率3.4.3种类丰富的太阳能电池种类丰富的太阳能电池3.4.4太阳能电池发电系统的构成太阳能电池发电系统的构成3.4.5光波发电光波发电优点优点缺点缺点3优点优点：1.资源免费、永久使资源免费、永久使用；用；2.发电效率与发电规发电效率与发电规模无关；模无关；3.无无NOx、Sox排放；排放；4.无转动、无噪音。无转动、无噪音。缺点缺点：1.能量密度低；能量密度低；2.发电效率低；发电效率低；3.受气候影响；受气候影响；4.需要辅助发电设备；需要辅助发电设备；5.发电成本高。发电成本高。所谓的所谓的太阳能电池太阳能电池就是通过半导体，就是通过半导体，将太阳能直接转换将太阳能直接转换为电能的发电装置。为电能的发电装置。7/8/20243.4太阳能电池3.4.1太阳能电池发电原理3优点73.5太阳能制氢太阳能制氢利利用用太太阳阳能能制制氢氢，以以氢氢气气作作为为载载能能体体，大大规规模模地地收收集集利利用用太太阳阳能能，为为人人类类提提供供了了一一个个既既能能满足能源需求，又不污染环境的替代能源。满足能源需求，又不污染环境的替代能源。德德国国一一座座500kW的的太太阳阳能能制制氢氢试试验验厂厂目目前前已已经经投投入入试试验验运运行行。生生产产的的氢氢气气被被用用作作锅锅炉炉和和内内燃燃机机的的燃燃料料或或者者用用于于燃燃料料电电池池的的运运行行。在在沙沙特特阿阿拉拉伯伯也也建建成成一一个个类类似似的的350kW的的太太阳阳能能制制氢氢系系统。统。37/8/20243.5太阳能制氢利用太阳能制83.6太阳能电池发电的前景太阳能电池发电的前景为为了了进进一一步步普普及及太太阳阳能能电电池池，今今后后在在提提高高太太阳阳能能电电池池效效率率和和降降低低成成本本的的同同时时，提提高高辅辅助助设设备备的的性性能能、降降低低成成本本。并并尽尽可可能能多多样样化化，如如建建材材一体化型太阳能电池模块的开发。一体化型太阳能电池模块的开发。日日本本打打算算在在2005年年将将太太阳阳能能电电池池的的发发电电成成本本降降至至25日日元元/kWh，2010年年将将太太阳阳能能电电池池的的发发电电成成本本降降至至20日日元元/kWh。从从而而走走出出一一条条成成本本降降低低需需求求扩扩大大生生产产规规模模扩扩大大进进一一步步降降低低成成本本的的良良性循环。性循环。37/8/20243.6太阳能电池发电的前景为了进92008年奥运新能源建设年奥运新能源建设地热采暖及水源热泵地热采暖及水源热泵：至至2008年，全市共完成地热井年，全市共完成地热井160眼。建设眼。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。万平方米。太阳能利用太阳能利用：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奥运公园内实现光伏发电3MW，同时实现，同时实现90%的生活热水由太阳能加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。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量约为5万万kW，其能力基本达到奥运公园所需电力的，其能力基本达到奥运公园所需电力的20%（申奥承诺）（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，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。延庆建设风力发电厂的可行性。生物质能生物质能：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。和大型沼气能环工程。燃料电池汽车和电动汽车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，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。以改善交通所造成的污染。R7/8/20242008年奥运新能源建设地热10序号序号地区地区年日照时数年日照时数年辐射总量年辐射总量10104 4kJkJ/cm2年年1西藏西部、新疆东南部、青海西部、西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部甘肃西部28003300670837（相当（相当225285kg标准煤）标准煤）2西藏东南部、新疆南部、青海东部、西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部北部、河北西北部30003200586670（相当于（相当于200225kg标准煤）标准煤）3新疆北部、甘肃东南部、山西南部、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、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、南部、江苏北部、安徽北部、22003000502586（相当于（相当于170200kg标准煤）标准煤）4湖南、广西、江西、浙江、湖北、福湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江南部、安徽南部、黑龙江14002200419502（相当于（相当于140170kg标准煤）标准煤）5四川、贵州四川、贵州10001400335419我国的太阳能资源我国的太阳能资源R7/8/2024序号地区年日照时数年辐射总量1西藏西部、新疆东南部、青海11地球上的能流图（单位地球上的能流图（单位106MW）R7/8/2024地球上的能流图（单位106MW）R8/13/202312地球绕太阳运行的示意图地球绕太阳运行的示意图R7/8/2024地球绕太阳运行的示意图R8/13/202313太阳能太阳能发电系统发电系统15kW50kWR7/8/2024太阳能发电系统15kW14太阳能太阳能热水系统热水系统R7/8/2024太阳能热水系统R8/13/202315大型大型太阳太阳能能热热水系水系统统R7/8/2024大型太阳能热水系统R8/13/2023163.2.1太阳辐射通量和太阳常数太阳辐射通量和太阳常数近日点近日点：日地距离为日地距离为1.47亿亿km，视角为，视角为3259”（1月月3日）日）远日点远日点：日日地地距距离离为为1.52亿亿km，视视角角为为3127”（7月月4日）日）天文单位天文单位：视视 角角 为为 3159”，日日地地距距离离为为1.50亿亿km，它它是是日日地地间间的的平平均均距距离离，也也称称为为一一个个天天文文单单位位太阳辐射通量太阳辐射通量：单位面积单位单位面积单位时间内所获得时间内所获得的太阳辐射能，的太阳辐射能，单位为单位为W/m2太阳常数太阳常数：Io当日地距离为平均日地当日地距离为平均日地距离时，在大气层上界，距离时，在大气层上界，垂直于太阳辐射表面上垂直于太阳辐射表面上的太阳辐射通量。目前的太阳辐射通量。目前世界公认为世界公认为1353 W/m2 地球绕太阳运行的示意图地球绕太阳运行的示意图3.27/8/20243.2.1太阳辐射通量和太阳常数近日点：天文单位：太阳辐173.2.2大气层外太阳辐射光谱大气层外太阳辐射光谱太阳辐射的主要波长范围是太阳辐射的主要波长范围是0.15微米微米4微米。其中，微米。其中，人眼能看见的光线，波长在人眼能看见的光线，波长在0.4微米微米0.76微米之间，叫微米之间，叫做做可见光线可见光线。波长小于波长小于0.4微米的微米的紫外线紫外线和大于和大于0.76微米的微米的红外线红外线，人们肉眼都无法看见。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。的波长愈短；物质温度愈低，辐射中最强部的波长愈长。太阳表面温度高达太阳表面温度高达6000K，它的辐射能主要集中在波，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。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为此，人们把太阳辐射称为短波辐射短波辐射。3.27/8/20243.2.2大气层外太阳辐射光谱太阳辐射的183.2.3大气对太阳辐射的消弱作用大气对太阳辐射的消弱作用1.吸收作用吸收作用2.散射作用散射作用3.漫反射作用漫反射作用 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。射能量是很少的。吸收吸收：臭氧臭氧主要吸收太阳辐主要吸收太阳辐射较短的紫外线；射较短的紫外线；水汽和二氧化碳水汽和二氧化碳主要主要吸收太阳辐射较长的吸收太阳辐射较长的红外线；红外线；可见光可见光很少被吸收，很少被吸收，大部分可见光能够透大部分可见光能够透过大气射到地面上来。过大气射到地面上来。散射散射：当太阳辐射在大气中遇当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃到空气分子或微小尘埃时，太阳辐射的一部分时，太阳辐射的一部分能量便以这些质点为中能量便以这些质点为中心，向四面八方散射开心，向四面八方散射开来。来。在太阳辐射的可见光中，在太阳辐射的可见光中，波长较短的蓝色光最容波长较短的蓝色光最容易被散射，所以晴朗的易被散射，所以晴朗的天空呈现蔚蓝色。天空呈现蔚蓝色。3.27/8/20243.2.3大气对太阳辐射的消弱作用1.吸收作用193.2.4大气对地大气对地面的保温作用面的保温作用 地面吸收太阳辐射，温度增高，同地面吸收太阳辐射，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。相对于太阳辐射要集中在红外线部分。相对于太阳辐射来说，称为长波辐射。来说，称为长波辐射。1 1、大气具有温室一样的保温作用大气具有温室一样的保温作用 2 2、大气逆辐射大气逆辐射对流层大气中的对流层大气中的水汽和二氧化碳水汽和二氧化碳，对，对太阳短波辐射的吸收能力很差，也就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。和波辐射的吸收能力很强。据观测，地面辐射的据观测，地面辐射的 75%95%都都被贴近地面的大气所吸收，使近地面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。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，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。散失到宇宙空间去的贽量就很少了。大气增温的同时，也向外辐射热量。大气的大气增温的同时，也向外辐射热量。大气的温度比地面还低，所以大气辐射也是温度比地面还低，所以大气辐射也是红外线红外线长波辐射长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙。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，称为气辐射方向刚好与地面辐射相反，称为大气大气逆辐射逆辐射。大气逆辐射又把热量还给地面，这就在一定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。保温作用，使地面温度变化比较缓和。天空有云，特别是浓密的低云，逆辐射更强。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。所以多云的夜晚通常比晴朗的夜晚温暖些。3.27/8/20243.2.4大气对地面的保温作用地面吸收太阳辐射，203.2.5太阳直接辐射通量太阳直接辐射通量太阳直接辐射通量太阳直接辐射通量：1 1个大气质量时，大气的透明度：个大气质量时，大气的透明度：I I1 1=I=Io oP P1 1 m m个大气质量时，大气的透明度：个大气质量时，大气的透明度：I Im m=I=Io oP Pm m=I=Io oP P1 1m m 其中，其中，I Io o=1353 w/m=1353 w/m2 2 m m为大气质量为大气质量，m=1/sinm=1/sin 3030o o，3030o o时，时，P93P93斜面投射辐射通量斜面投射辐射通量：I Im m=I=Io oP Pm m=I=Io oP P1 1m mcosi P98cosi P98如果采用斜面倾角、如果采用斜面倾角、方位角都不变的固定方位角都不变的固定装置，有要使一年内装置，有要使一年内得到最多的入射辐射，得到最多的入射辐射，倾角接近当地的纬度倾角接近当地的纬度 时最好，方位角应正时最好，方位角应正朝南。朝南。斜面倾角、方位角关系斜面倾角、方位角关系到入射辐射通量的大小。到入射辐射通量的大小。当入射角为当入射角为0时，可以获时，可以获得最大的入射辐射。但得最大的入射辐射。但地球和太阳的相对位置地球和太阳的相对位置一直在改变，要使入射一直在改变，要使入射角为角为0，要不断改变斜面，要不断改变斜面倾角、方位角。倾角、方位角。3.27/8/20243.2.5太阳直接辐射通量太阳直接辐射通量：如果采用斜面213.2.6气温的日变化和年变化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。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。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，而是出现在午后现在午后2点左右。这是因为正午过后，太阳辐射的热量仍点左右。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，因此午后式将热量传给大气，因此午后2时左右气温才达到最高值。时左右气温才达到最高值。年变化年变化3.27/8/20243.2.6气温的日变化和年变化就对流层大气来说，22气温年变化气温年变化R7/8/2024气温年变化R8/13/202323太阳能集热器太阳能集热器一一般般家家用用生生活活热热水水负负荷荷为为25 30立立升升/日日 人人，对对于于四四口口之之家家，配配备备2m2的的太太阳阳能能热热水水器器就就可可以以满满足足需需求求。此此外外，太太阳阳能能热热水水器器水水系系统统中中的的储储能能工质就是水本身，使系统大大简化。工质就是水本身，使系统大大简化。收收集集太太阳阳能能进进行行光光热热转转换换的的第第一一步步是是把把太太阳阳能能转转化化为为载载热热介介质质的的热热能能。因因此此集集热热器器是是太太阳阳能能利利用用装装置置中中最最主主要要的的设设备备之之一一。通通常常的的集集热热器器可可以以分分为为平平板板型型、真真空空管管型型和和聚聚焦焦型型。其其中中，民民用多为前两种，聚焦型主要用于热力发电站。用多为前两种，聚焦型主要用于热力发电站。R7/8/2024太阳能集热器一般家用生活热水负荷为224太阳能发展计划太阳能发展计划1974年年，日日本本的的“阳阳光光计计划划”是是一一项项长长期期的的大大型型技技术术开开发发计计划划，旨旨在在开开发发可可替替代代石石油油的的替替代代能能源源。它它的的主主要要开开发发目目标标是是开开发发太太阳阳能能、地地热热能能、煤煤的的气气化化和和液液化化、氢能，此外还有风能、海洋能等。氢能，此外还有风能、海洋能等。1978年年，制制定定了了有有关关节节能能的的“月月光光计计划划”，是是一一项项大大型型的的节节能能计计划划，研研究究开开发发繁繁荣荣重重点点是是提提高高利利用用效效率率、燃料电池、热泵和超导在电力上的应用。燃料电池、热泵和超导在电力上的应用。1989年年，推推出出“地地球球环环境境技技术术开开发发计计划划”，该该计计划划主主要要侧侧重重于于人人工工光光合合作作用用固固定定二二氧氧化化碳碳、二二氧氧化化碳碳的的分分离和化学物质的分解等。离和化学物质的分解等。1993年年，又又将将三三项项计计划划全全部部纳纳入入“新新阳阳光光计计划划”，计计划划到到2020年年，每每年年的的费费用用5亿亿多多美美元元。“新新阳阳光光计计划划”是是一一项项将将对对能能源源和和环环境境作作出出巨巨大大贡贡献献的的综综合合性性中中长长期期技技术开发计划。术开发计划。R7/8/2024太阳能发展计划1974年，日本的“253.3.1平板型太阳集热器平板型太阳集热器玻璃盖板玻璃盖板：太阳辐射有高的透射率、对红外线辐：太阳辐射有高的透射率、对红外线辐射有高的反射率，此外还应有较高的机械强度。射有高的反射率，此外还应有较高的机械强度。吸热元件：吸热元件：要求有选择性吸收材料。有选择性吸要求有选择性吸收材料。有选择性吸收材料，热损失以对流损失为主；没有选择性收材料，热损失以对流损失为主；没有选择性吸收材料，热损失以辐射损失为主。吸收材料，热损失以辐射损失为主。3.3P100热流密度分析热流密度分析纬恩位移定律纬恩位移定律7/8/20243.3.1平板型太阳集热器玻璃盖板：太阳辐射有高的透射率263.3.2全玻璃真空太阳集热管全玻璃真空太阳集热管内内、外外套套管管组组成成。内内套套管管外外表表面面上上涂涂有有选选择择性性吸吸收收表表面面涂涂层层，内内部部为为冷冷却却剂剂流流道道。内内、外管之间为真空。外管之间为真空。硼硼硅硅玻玻璃璃3.3，其其膨膨胀胀系系数数为为3.3 0.1 10-6（膨膨胀胀系系数数大大易易爆爆炸炸）。具具有有熔熔化化温温度度极极高高，化化学学稳稳定定性性极极佳佳等等特特点点。日日本本人人称称之之为为玻玻璃璃王王，中中国国人人称称之之为为特特硬硬玻玻璃璃，管管状状品品每每吨吨高高达达7000美元。美元。3.3真空管结构真空管结构热水器结构热水器结构7/8/20243.3.2全玻璃真空太阳集热管内27三高真空管三高真空管普通真空管普通真空管真空管真空管R7/8/2024三高真空管普通真空管真空管R8/13/2023283.3.3聚焦型集热器聚焦型集热器投投射射到到地地面面上上的的太太阳阳能能能能量量密密度度很很低低，这这样样低低的的能能量量密密度度对对于于宜宜在在高高温温下下运运行行的的热热力力发发电电站站来来说说是是不不够够的的。因此，应采用增大能量密度的因此，应采用增大能量密度的聚焦型集热器聚焦型集热器。1.一般工作特性一般工作特性聚光镜的有效面积是：聚光镜的有效面积是：Ac=aL接收器的表面是：接收器的表面是：Ar=dL令令Ac/Ar=cc为聚焦度，它表示能量增加的倍数。为聚焦度，它表示能量增加的倍数。算例算例2.光学跟踪方式光学跟踪方式3.材料要求材料要求3.37/8/20243.3.3聚焦型集热器投射到地面29算例算例7/8/2024算例8/13/202330结结构构（自自然然对对流流型型、无跟踪设备）无跟踪设备）玻璃盖板玻璃盖板绝热材料绝热材料集热板鳍片集热板鳍片平板型集热器热流密度分析平板型集热器热流密度分析R7/8/2024结构（自然对流型、无跟踪设备）平板型集热器热流密度分析R8/31纬恩位移定律纬恩位移定律纬恩位移定律纬恩位移定律电磁波光谱表电磁波光谱表7/8/2024纬恩位移定律纬恩位移定律电磁波光谱表8/13/202332光学跟踪方式光学跟踪方式面面积积相相同同的的两两表表面面对对于于太太阳阳光光线线的的位位置置不不同同，它它们们所所截截获获的的太太阳阳辐辐射射也也完完全全不不同同，显显然然接接收收表表面面与与太太阳阳光光线线垂垂直直时时截截获获的的能能量量最最多多。因因此此太太阳阳能能热热力力发发电电装装置置中中的的集集热热器器都都采采用用跟跟踪踪装装置置以以求求尽尽可可能能多多地地截截获投入辐射。获投入辐射。（1）焦焦线线按按南南北北方方向向倾倾斜斜布布置置，东西跟踪东西跟踪。P110图图3-23（2）焦焦线线按按东东西西方方向向水水平平布布置置，南北跟踪南北跟踪。P112图图3-27R7/8/2024光学跟踪方式面积相同的两表面对于太33材料要求材料要求聚焦镜聚焦镜：铝、银等金属材料。要求是反射率：铝、银等金属材料。要求是反射率高，易清洗。高，易清洗。接收器接收器：短波吸收率高，长波发射率低的材：短波吸收率高，长波发射率低的材料作接收器表面涂层。料作接收器表面涂层。算例算例7/8/2024材料要求聚焦镜：铝、银等金属材料。要求是反射率高，易清洗34电磁波光谱表电磁波光谱表R7/8/2024电磁波光谱表R8/13/2023353.4.1太阳能电池发电原理太阳能电池发电原理所谓的太阳能电所谓的太阳能电池，就是将太阳能直池，就是将太阳能直接转变成为电能的装接转变成为电能的装置。每个发电单元都置。每个发电单元都是由称作是由称作cell的单元的单元构成。对太阳能电池构成。对太阳能电池来说，一个来说，一个cell相当相当于一个于一个pn结。结。半导体半导体PN结结3.47/8/20243.4.1太阳能电池发电原理所36半导体半导体p型半导体：型半导体：是带正电的空穴起支配作用的半导体。例如，是带正电的空穴起支配作用的半导体。例如，在硅中添加适量的硼元素，会形成一些带正电的空穴。在硅中添加适量的硼元素，会形成一些带正电的空穴。n型半导体：型半导体：是带负电的电子起支配作用的半导体。例如，是带负电的电子起支配作用的半导体。例如，在硅中添加磷元素，会形成一些能自由移动的电子。在硅中添加磷元素，会形成一些能自由移动的电子。R7/8/2024半导体p型半导体：是带正电的空穴起支配作用的半导体。例如37PN结结输出电流：输出电流：由吸收太由吸收太阳光所产生的电子空阳光所产生的电子空穴对的数量所决定；穴对的数量所决定；输出电压：输出电压：主要由半主要由半导体材料的禁带宽度导体材料的禁带宽度大小所决定。大小所决定。R7/8/2024PN结输出电流：由吸收太阳光所产生的电子空穴对的数量所决383.4.2太阳能电池的转换效率太阳能电池的转换效率太阳能电池转换效率损失的主要原因有以下几种：太阳能电池转换效率损失的主要原因有以下几种：1.电池表面的光反射作用。电池表面的光反射作用。2.电电池池材材料料的的缺缺陷陷，所所产产生生的的电电子子及及空空穴穴等等载载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。3.长波的光容易投射到电池底部，变成热量。长波的光容易投射到电池底部，变成热量。4.电极接触不良，使串联电阻增加。电极接触不良，使串联电阻增加。目前面积为目前面积为0.25cm2的太阳能电池效率的太阳能电池效率已达到已达到13%。3.47/8/20243.4.2太阳能电池的转换效率太阳能电池转换效率损失的主393.4.3种类丰富的太阳能电池种类丰富的太阳能电池可可以以作作太太阳阳能能电电池池材材料料很很多多，有有代代表表性性的的主主要要有有两两大大类类，既既硅硅系系列列和和化化合合物物系系列列。其其中中，硅硅系列可以分为系列可以分为单晶硅单晶硅和和多晶硅多晶硅。硅硅是是最最常常用用的的元元素素之之一一，在在地地球球上上除除了了氧氧元元素以外，硅是含量最多的元素。素以外，硅是含量最多的元素。以以冶冶金金硅硅为为原原料料，将将杂杂质质降降低低到到百百亿亿分分之之一一以以下下而而获获得得的的高高纯纯度度的的多多晶晶硅硅。在在此此基基础础上上，将将多多晶晶硅硅熔熔化化，并并使使其其原原子子和和分分子子以以同同一一方方向向（晶晶向）周期性地整齐排列，便可生产生成向）周期性地整齐排列，便可生产生成单晶硅单晶硅。3.47/8/20243.4.3种类丰富的太阳能电池可403.4.4太阳能电池发电系统的构成太阳能电池发电系统的构成1.太阳能模块太阳能模块太阳能电池的最小单位是单体太阳能电池的最小单位是单体(cell)，由很多单体经串、，由很多单体经串、并联，组成发电模块，发电模块根据用户负荷确定。最近国并联，组成发电模块，发电模块根据用户负荷确定。最近国外正在进行低成本的太阳能电池屋顶一体化材料研究。外正在进行低成本的太阳能电池屋顶一体化材料研究。2.直交流变换器直交流变换器直流变交流。直流变交流。3.系统保护装置系统保护装置防漏电、触电事故，系统由保护继电器和断路器构成。防漏电、触电事故，系统由保护继电器和断路器构成。4.蓄电池蓄电池太阳能电池的缺点是受空间、环境的制约大，如气候、太阳能电池的缺点是受空间、环境的制约大，如气候、天气都会对发电量造成影响。在发电量过剩的时候，要向蓄天气都会对发电量造成影响。在发电量过剩的时候，要向蓄电池充电；相反在发电量不足的时候，由蓄电池进行供电。电池充电；相反在发电量不足的时候，由蓄电池进行供电。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。太阳能发电系统示意图太阳能发电系统示意图3.47/8/20243.4.4太阳能电池发电系统的构成1.太阳能模413.4.5光波发电示意图光波发电示意图3.47/8/20243.4.5光波发电示意图3.48/13/202342太阳能发电系统示意图太阳能发电系统示意图R7/8/2024太阳能发电系统示意图R8/13/202343思考题思考题风能发电系统的构成？风能发电系统的构成？潮汐能是如何被利用的？潮汐能是如何被利用的？注：学会查资料、学会利用专利。注：学会查资料、学会利用专利。R7/8/2024思考题风能发电系统的构成？R8/13/202344课程结束课程结束7/8/2024课程结束8/13/202345