浙江大学生物系统工程新能源工程复习整理

新能源工程 复习整理王永维老师部分【绪论】（一） 、化石能源利用的环境问题颗粒物质、硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等。1.二氧化硫污染与酸雨2.氮氧化物与光化学雾污染3.燃烧颗粒物污染颗粒物主要来源是燃烧煤炭、石油、天然气、生物质和废弃物的固定源以及燃用汽油、柴油的内燃机等移动源。4.燃煤产生的其他污染a.微量有害元素b.有机污染物5.温室效应和全球气候变化（二） 、能源、新能源和可再生能源的含义能源：能源是指人类用来获取能量的自然资源，即能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源，可以是物质，也可以是物质的运动。新能源和可再生能源：即以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发与利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点在于开发太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能等。新能源和可再生能源在我国指除常规能源和大型水力发电之外的太阳能、风能、生物质能、小水电、海洋能、地热能和氢能等。（三） 、能源分类1.按来源不同分类(1).来自太阳的能量（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等） ；(2).地球的本身蕴藏的能量资源（如地热能、核能等） ；(3).地球与其他天体相互作用而产生的能量（如潮汐能等） 。2.按形成条件分类(1).一次能源：指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然气、水力、太阳能等） ；(2).二次能源：在一次能源基础上加工而成的（如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等） 。3.按能源的使用与消耗分类(1).再生能源：即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如太阳能、风能、水力等；(2).非再生能源：它随人类的利用而越来越少，如煤炭、石油、天然气、核燃料等。4.按开发使用的程度、技术状况分类(1).常规能源：指已被广泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；(2).新能源：指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源。如核能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。【第一章、太阳能工程】（一） 、太阳辐照度、辐射通量、曝辐射量及太阳常数、大气质量辐照度：投射到单位面积上的辐射通量称为辐照度，单位为 W/m2。辐射通量：太阳以辐射形式发出的功率，单位为 W。曝辐射量：从单位面积上接收到的辐射能，单位为 J/m2。太阳常数：在地球大气的上层，由于不受大气的影响，太阳辐射能有一个比较恒定的数值，称这个数值为太阳常数，是指在平均日地距离时，在地球大气层的上界垂直于太阳光线的平面上，单位时间内所获得的太阳辐射能数值，单位为 W/m2，太阳常数的取值为（1353 7）W/m 2。大气质量：是表征太阳光线穿行大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，并设定在标准大气和 0时海平面上太阳垂直入射时的大气质量 m=1。：太阳高度角saOAmin1s（二） 、影响太阳辐照度的主要因素1.太阳高度角：太阳高度角越大，即太阳光线的入射角越大( 小?)，辐照度也越大。2.大气质量：大气质量越大，太阳辐射穿过大气层的距离越长，衰减越多，辐照度减小。3.大气透明度：晴朗无云时，大气透明度高，太阳辐照度高。4.地理纬度：太阳辐射能量是由低纬度向高纬度逐渐衰减。5.日照时间：日照时间越长，地面获得的太阳总辐射能量越多。6.海拔高度：海拔高度越高，大气透明度越高，太阳直接辐射量也就越高。（三） 、各类太阳能集热器的结构与工作原理太阳能集热器是太阳能热利用系统中关键部件，其功能是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到工质的装置。1.平板型集热器：原理：温室效应(1).隔热层(2).吸热板：是一块带有传热流体流通道的金属薄板，板上涂有黑色选择性吸收涂层，用以吸收太阳能，转换成热能，并传给传热流体。(3).透明盖板：常用平板玻璃、玻璃钢版透明盖板是平板型集热器中覆盖吸热板，并由透明（或半透明）材料组成的板状部件，主要功能是：透过太阳辐射，使其投射在吸热板上；保护吸热板，使其不受灰尘及雨雪的侵蚀；形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。(4).外壳2.真空管太阳集热器是采用透明管并在管壁和吸热体之间有真空空间的太阳集热器，有全玻璃真空管集热器、金属吸热体真空管集热器等型式。(1).全玻璃真空管集热管：1.内玻璃管 2.外玻璃管 3.选择性吸收涂层 4.弹簧支架 5.消气剂(2).热管式真空管集热管原理：太阳辐射穿过玻璃管后投射到金属吸热板上，金属吸热板将太阳辐射能转化为热能，再传给与吸热板紧密结合的热管，热管内工质迅速汽化，蒸汽上升至热管冷凝段凝结并放出潜热，热量传到集热器的传热工质，凝结后的液态工质又流回到蒸发段，重复上述过程。3.聚焦型集热器是利用反射器、透镜或其他光学器件将采光口的太阳辐射改变方向并聚集到吸热体上的太阳集热器。典型：旋转抛物面聚光太阳灶；抛物线聚光的条件：入射光线是平行光、入射光方向与抛物线主轴平行。（四） 、太阳能热水系统的特点1.整体式(1).筒式热水器：省工省料、水箱容量有限(2).池式热水器：优点：结构简单、便于安装和制造、成本低缺点：高纬地区太阳辐射难充分利用、水蒸气降低玻璃透射率、池内易生青苔(3).塑料袋式热水器：质量轻、便于携带、适合外出作业使用、使用寿命短2.循环式(1).自然循环式太阳能热水系统优点：结构简单、运动安全可靠、不需循环水泵、管理方便缺点：蓄水箱必须置于集热器的上方，不便施工(2).自然循环定温放水式太阳能：循环水箱小、增加了一套电控线路(3).温差控制直接强制循环系统(4).光电控制直接强制循环系统(5).定时器控制直接强制循环系统(6).温差控制间接强制循环系统3.直流式(1).热虹吸式(2).定温放水型（五） 、主动太阳房、被动太阳房和热泵式太阳能采暖系统1.主动式太阳房：根据集热介质分为：空气加热采暖系统、水加热采暖系统特点：用太阳能集热器代替采暖系统的锅炉、集热器面积较大。系统必须配有储存热量的设备和辅助加热装置。集热器要求结构简单、性能可靠、价格便宜。集热效率随温度升高而降低。2.被动式太阳房依靠建筑物的合理布局，通过窗、墙、屋顶等建筑物本身构造和材料的热工性能，以自然交换的方式使建筑物在冬季尽可能的多吸收和储存热量，以达到采暖的目的。(1).直接受益式：利用南窗直接照射的太阳能1.屋檐 2.可移动式隔热层 3.蓄热体(2).集热蓄热式：利用南墙进行集热蓄热1.屋檐 2.蓄热体 3.玻璃(3).综合式：温室和前两种相结合的方式1.屋檐 2.玻璃 3.温室 4 蓄热体(4).自然循环式3.热泵太阳能采暖系统(1).直接式太阳能热泵：将太阳集热器作为热泵系统中的蒸发器，换热作为冷凝器(2).间接式太阳能热泵：由太阳能集热器与热泵联合组成（六） 、太阳能热发电的型式与特点热发电就是通过汇聚太阳光能转换成热能，用来驱动发电机。三种形式：1.塔式太阳能热动力发电由平面镜、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，将太阳的能量聚集在一起，加热来驱动汽轮机发电。发电站占地面积大，定日镜布满塔下。2.柱面集热式太阳能热动力发电集热方式是横向线性，被加热的工质沿聚焦线流动，比塔式的定日镜聚焦简便，也不要建高塔，可以平面布置。一般直接用水作传热工质，太阳能的热力不够时还可用辅助燃料加热。经济性可以与普通热电竞争。3.碟式太阳能热动力发电分散式太阳能发电装置主要采用碟形抛物面聚光器，并在聚焦面上安装外热式斯特林发电机组。这种太阳能发电系统可独立运行，适合于无电或缺电地区作小型电源。优点：适应偏远山村或小社区供电；太阳能转换效率高，可利用余热驱动空调或制冷机；太阳能不足时可用其它燃气系统代替；多个小系统组合可成为 MW 级发电系统。（七） 、各型太阳能电池基本知识第一代：晶硅电池：多晶 mc、单晶 sc、带硅 rs第二代：薄膜电池：硫系、CIS、有机薄膜、聚合物主要特点是成本低、耗能少，转化效率很难突破硅材料目前所达到的水平第三代：新概念、高效率电池全光谱，以 III-V 为代表等。效率高，但材料制备困难且价格昂贵。国际发展：晶硅电池薄膜电池(硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒电池 )其他电池(有机电池、第三代电池等 )分类：优点 缺点单晶硅 效率最高、技术成熟 工艺繁琐、成本高多晶硅 无效率衰退问题、成本低于单晶硅 效率低于单晶硅非晶硅(无定形硅) 成本较低、转换效率高 稳定性不高晶体硅太阳能电池：是最主流的民用电池。硅材料丰富、效率和稳定性较高、技术成熟，生产耗能高。硅薄膜太阳能电池：节省材料、能耗低、适合大面积连续生产，效率较低。铜铟镓硒薄膜太阳能电池：低成本、高效率、不衰退、弱光性能好，但其技术多样、工艺复杂、沉积速度慢、稀有元素、需要用镉。碲化镉薄膜太阳能电池：工艺较简单、低能耗、可回收、弱光性能好，但碲原料稀缺且镉有毒。染料敏化太阳能电池：耗能较少、生产成本低、易于工业化生产、无毒无污染，效率低、稳定性差。其他新型太阳能电池：理论上普遍具有高效的性能和低廉的成本。（八） 、光伏效应，独立运行光伏发电系统的组成图及各组成的部分的功用光伏效应：即光生伏打效应，是物质接收光能产生电动势的现象，1893 年由法国科学家贝克勒尔发现。原理：当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。独立运行光伏发电系统：独立运行光伏发电系统是指与电力系统不发生任何关系的闭合系统，常用做便携式设备的电源，向远离现有电网的地区或设备供电以及用于任何不与电网联系的供电场合。独立运行光伏发电系统组成示意图【第三章、风能工程】（一） 、风的基本知识、风玫瑰图风的概念：风是环绕地球大气层中的空气流动。形成原因：太阳辐射对地球表面不均衡地加热。形成的三种形式：大气环流、海陆风、山谷风风向：风吹来的方向。陆地上一般采用 16 个方位的风向。风速：单位时间风所流过的距离，用 v 表示，单位 m/s。瞬时风速：在极短时间（0.51.0s）内测得的风速。平均风速：在某一时间间隔内各瞬时风速的算术平均值。风速频率：在一定时间内，相同风速出现的时数占测量总时数的百分比。风速变幅：在求得平均风的限定时间内，最大风速与最小风速之差。启动风速：可使风力机启动运行的风速，国内取 3m/s。切除风速：风力超速运动的上限风速，国内取 20m/s。有效风速：指 3-20m/s 的风速，据此算出的风速频率和风能称为有效风频和有效风能。风速级别：风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。风玫瑰图：用极坐标表示各方位风向频率或风速大小的图。表示了风的特征。直线表示一年内该方向风的时间百分数圆弧表示时间，每两个圆弧之间为总时间的 5%直线末端数字表示该方向的平均风速影响风速的主要因素：风随高度变化：一般风速随高度增加而增大；风速随高度变化的图形叫风速剖面。风速受地形地貌、障碍物的影响较大地理位置：区域和当地地形的影响（二） 、风能基本知识、风能玫瑰图；风能功率密度风能：流动的空气具有的动能。是太阳能的一种表现形式，是广义的太阳能。 321vW风的功率：1s 通过面积 A 的空气具有的动能。 321AvNv风能(功率 )密度：风（气流）在单位时间内垂直流过单位截面积的风能。 3021vE式中，E：风能密度，W/m 2；：空气密度，kg/m 3；v：风速，m/s有效风能：风速 3-20m/s 的风能总和。风能玫瑰图：表示某地区的风能资源情况。与风玫瑰图类似，需注明总能量。风能的特点：优点：可再生，取之不尽，用之不竭。一般在偏远山区、海滨等地风能资源较丰富。风能开发利用，不污染环境，不影响生态平衡。风能转换为机械能容易实现。缺点：不稳定、能量密度低、地区差异大。（三） 、风力机的分类；风力发电系统的组成及各部件的功用（并网型、独立电源型）未找到风力机分类：1.根据风轮旋转轴与水平面关系，分为：水平轴风力机：风轮旋转轴与风向平行，具有对风装置，可随风向改变而转动。垂直轴风力机：风轮旋转轴垂直于地面或气流方向，风向改变时无需对风。特殊型轴风力机：新概念风力机，有集风装置，风能利用率高、发电量大，成本高。2.根据叶片工作原理，可分为：升力型、阻力型；3.根据叶片数量，可分为：单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片；4.根据叶轮相对塔架的位置，可分为：上风向式和下风向式；5.根据风力机容量大小，可分为：微型、小型、中型、大型、巨型。国外一般只分三类，即小型、中型和大型；6.根据风力机的用途可分为：风力发电机、风力提水机、风力铡草机等；7.根据风轮叶片叶尖线速度与对应风速之比的大小，分为：高速风力机和低风力机。风力机的组成：小型风力机：风轮：是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。发电机：主要有直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。塔架：用于支撑风轮、发电机和调向机构等。调向机构：对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。调速机构：主要方法：使风轮偏离主风向；改变叶片攻