硕士论文-太阳能和风能在船舶上的应用分析.doc

武汉理工大学硕士学位论文太阳能和风能在船舶上的应用分析姓名：吴新宪申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：陈辉20100501武汉理一大学硕士学位论文铋啪苫西，锄哆锄鲥叮，埘），印，如：，撕：出哪印锄），），锄，印咖锄，撕印印撕，），曲锄馨瓶，锄曲觚够，觚印印，：武汉理工大学硕十学位论文撕，俐撕印，瑚撕印，向：，嗡，砌独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：昊裔整日期：型担生垒璺！璺学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：天新毛导师（签名）专受泽三。耳月。（注：此页内容装订在论文扉页）武汉理丁大学硕士学位论文第章绪论课题研究的背景、目的和意义我国是一个人口众多、资源相对不足、生态先天脆弱的发展中国家。随着经济的快速增长和人口的不断增加，缓解资源不足的矛盾，改善生态环境，实现可持续发展，成为我们十分紧迫的任务。长期以来，我国政府高度重视资源环境问题，把节约资源、保护环境作为基本国策，努力建设资源节约型、环境友好型社会【】。自上世纪七十年代的石油危机以来，燃油价格一直攀升，燃料费用占船舶营运开支的比重，从原来的百分之十几增加至百分之三十到四十。因此，节能减排成为了世界上各大航运企业关注和投入的焦点，常规能源的益枯竭迫使人们考虑如何节约现有能源和开发利用新的能源。在船舶行业中，船舶推进装置主要是由船用柴油机作为船舶推进动力带动螺旋桨组成，船用柴油机也逐渐成为船舶推进动力的主流。最近年，船用柴油机取得了巨大的发展；在全球经济持续发展的今天，世界物资运输所需要的船舶数量也愈来愈多，随之而来的船舶排放废弃物对环境的污染也日趋严重。众所周知，全球石油资源在日益耗尽，人们必须在石油没有用完的大约年的时问内，找到新的能源以及相匹配的动力装置，为此新能源与可再生能源动力船舶和环保型船舶成为了研究热点。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用【】不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到世纪年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。在世纪，能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发展程度和人民生活水平的重要指标。武汉理一：人学硕十学位论文随着石油资源的枯竭和环保要求的不断提高，绿色船舶已成为未来船舶发展的方向，其中研究利用清洁能源船舶辅助系统最具有革新性和代表性。其将充分利用风能、太阳能以及波浪能等零污染或可再生能源，为船上设施提供相对独立的能量来源，在降低船舶发电机或主机能耗的同时保证船舶的下常航行。太阳能主要是通过布置在船舶上的太阳能电池板等装置进行能量收集，随后转换成光伏电能将被直接应用于电气设备或储存起来。太阳能在船舶中应用主要以太阳能光伏发电系统为主，是最具有前景的船用新能源之一。风能也是比较容易开发的新能源，全球范围内都分布着比较丰富的风力资源，将风能应用在船舶上便成为人们研究的热点。首先，风能的利用有着悠久的历史和丰富的经验；其次，风能是取之不尽用之不竭的自然能源。风能主要是通过布置在船上的风帆借助风的能量，在保证船舶各项性能稳定的条件下，从而推动船舶前进。因此，对于我国这样一个能源短缺的发展中国家来说，将太阳能和风能等新能源应用在船舶上有着重要的意义和深远的影响。新能源的分类国际能源署（）对可再生能源做如下定义：可再生能源是起源于可持续补给的自然过程的能量。它的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。这包括了太阳能、风能、生物质能、地热、水能和海洋能以及可再生资源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。新能源可分为以下三大类：大中型水电；新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能；传统生物质能【】。下文将阐述船舶中可以应用的典型能源。太阳能太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的热核反应，太阳每秒钟向太空发射的能量约，其中有亿分之一投射到地球上。投射到地球上的太阳辐射被大气层反射、吸收之后，还有投射到地面。投射到地面上的太阳能一年中高达庀矗，相当于亿吨煤。按照目前太阳质量消耗速率来计算，太阳内部的热核反应足以维持亿年，相对于人类发展历史的有限年代而言，太阳能可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。太阳能源于太阳辐射，其转换和利用方式有太阳能的光热转换和光电转换以及光化学转换三种方式。武汉理：人学硕士学位论文光热转换是指通过接受和聚集太阳辐射使之转化为热能，热能可以直接用于工业生产和日常生活，如各种太阳能热水器是我国目前太阳能利用的主要方式。此外，在干燥、采暖、农业生产等广泛利用了太阳能。除供热外，还可以以太阳能为热源驱动制冷装置（如吸收式和吸附式）进行制冷。光电转换包括直接转换和问接转换。直接转换即通过太阳能电池直接将太阳辐射能转换为电能及光伏发电（），它利用半导体材料的光伏效应来进行光电转换。间接发电即热动力循环发电系统，是指首先将太阳能转换为热能，然后利用热能驱动热机循环发电。热动力发电技术已经达到了实际应用水平，美国、以色列等国家已建立了一定规模的太阳能热动力电站。光化学转换是指利用太阳能电解水、光解水、热解水等途径制氢用于燃料电池系统发电，或者利用（）、金属氢化物热分解储能等。风能风能也源于太阳能，是指由空气流动所产生的动能。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据世界气象组织估计，全球的风能约为，其中可利用的风能为，比地球上可开发利用的水能总量还要大倍。风能与其他能源相比，有其明显的优点：蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。氢能和燃料电池技术氢在宇宙中蕴含量极为丰富，它以化合物的形式存在于水、甲烷、氨、烃类等物质中，在构成宇宙物质的元素中它占了以上。氢可以通过各种一次能源（煤、石油、天然气）、可再生能源等制取，同时可以大规模储存。氢能是目前世界上正积极丌发的二次能源，它是一种非常清洁的能源。氢能的利用主要是直接燃烧、燃料电池和核聚变。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。近十几年来，燃料电池技术发生了突破性的进展，燃料电池技术在汽车、飞机、船舶中等均有应用【】。太阳能和风能在船舶上应用的国内外现状环保型和可再生新能源动力船舶是各国船舶行业研究的热点，根据船舶运行的条件、环境状况、船舶的结构以及可再生新能源在船舶中应用的效果和可武汉理工大学硕士学位论文行性，在船舶中新能源的应用主要有太阳能和风能。国内外太阳能在船舶上的应用关于太阳能发电技术在船舶上利用的想法其实根早就存在了。早在年，美国德克萨斯州的油公司就推出了一种太阳能充电装置，可供车辆和船舶的蓄电池充电。之后，多个国家的企业和研究机构都成功制各了小型太阳能电池驱动的样船。在上世纪年代，日本松下电器产业股份有限公司制成了一艘太阳能小艇，好天气时在太平洋上航行，一天可发出千瓦时电力。年，随着世界第艘商用太阳能，风能混舍动力的号双体客船（如图一）在澳大利豫悉尼水域试航成功口】，标志着可再生能源在船舶上的利用进入了一个崭新的里程。该船的片可调控的翼帆覆盖着太阳能发电装置而且还用作风帆，船长约可搭载人。澳大利亚的研究机构和企业近年又提出雄心勃勃的太阳能船舶研究计划，建立太阳能、风能、燃料电池和燃油混合动力的多体船，计划在近几年内实现环球航行。除澳大利亚外，其他国家如美国、英国、德国和瑞士等国家也非常重视太阳能船舶和混合动力船舶的开发和研究，都建造了不少太阳能游艇，并提出了相应的研究计划，计划将太阳能、风能等新能源技术应用在大型船舶上。图澳大利亚号年月，经过个多月的航行，瑞士的全太阳能动力船“太阳号”（如图）完成了横渡大西洋之旅】，成为世界上第一艘完全以太阳能为动力横跨大西洋的船只。同时他们又制定了一项更具野心的计划，被称为锄，这一计划的目的在于建造三体帆船，利用太阳能环游世界。首航计划于年月进行，计划在叭年月进行的第二次航行将不间歇地环游于世界。武汉理工大学硕士学位论文图一“太阳号”实船在国内，中国船舶及海洋工程设计研究院、中国船舶科学研究中心、以及上海大学等科研院所、高校也在开展或关注太阳毙等可再生能源动力船舶的研制，并建造出了一些太阳能动力小艇。中船重工第研究所和无锡尚德公司准备开发一艘豪华游船，将亮相于叭年世博会，上海黄浦江上将出现一道独特的景线，一艘白色的豪华游船在水巾徜祥，高高扬起的风帆由太阳能电池扳拼装而成，天气晴好之时，航行所用的动力可完全使用太阳能。从国内外太阳能船舶技术的发展来看，目前该技术在小型游艇上已经取得了成功应用的经验，但作为大型远洋船舶的研究才刚刚起步。图“御夫座领袖（埘）”号年月日日本邮船公司耗资亿曰元在旗下一艘船长米，排武汉理：大学硕十学位论文水量达吨的滚装船“御夫座领袖（）号（如图）上装上太阳能光伏系统。系统由块太阳光板组成电池阵列，电能输出功率可达千瓦，能满足的照明需求或的动力需求。滚装船的动力燃料依然是重油，太阳能发电将使用在机械舱内的机器和引擎的制动等动力系统中。国内外风能在船舶上的应用风能在船舶上的利用主要是以风能作动力（风帆助航）和风力发电两种形式，其中又以风帆助航为主，现阶段风帆助航形式有普通的风帆和天帆（风筝帆）。现在风力发电的应用研究主要是在同本和我国沿海的小渔船上进行。日本此项研究的对象船就选用了年日本邮船株式会社已在运营的大型远洋煤炭专用船。该船走日本至北美和日本至澳洲东岸航线，据统计每往返一次，大约可平均每天可以节省燃油。日本邮船公司年月日宣布，它同东海大学等联合开发出船用的风力发电机，计划搭载在年月启航的大型运送汽车专用船上进行实验。这种发电机最大功率约为千瓦，翼一般的四角形轮片垂直于发电装置，因而可以不受风向影响。如果搭载一台这种新型发电机，与只使用柴油发电时相比，可以减少约的二氧化碳排放量。该公司计划将来把功率千瓦的风力发电机装载在各种船舶上，可提供航行中船舶电力需求量的。国内的风能应用研究也有很多范例，上海龙泰节能工程有限公司自主研发制造的龙泰牌系列风力发电机应用系统，在中国长航集团上海宝江实业“长轮囤船”上首次运行取得圆满成功。“长轮囤船”长米，是吨级囤船，常年停泊在吴松口，为驳船提供靠泊、水电供应、应急处理等服务。世纪后半叶，借助风力而又不污染环境的风帆助航船舶，重新焕发出了活力，各种不同的新型帆船不断涌现。世界上有多个海洋国家，先后成立了“风帆研究所”而且多次召开了关于研制现代帆船的国际学术会议。随着现代水动力学、空气动力学、材料与建造学、自动控制及计算机应用、气候监测与预报等方面的发展，用计算机自动控制风帆的操纵及风帆与动力装置的优化匹配已经成为现实，为风帆助航船舶的发展提供了有力的支持。世界各国在风帆助航方面都有很多的研究，各国都有实船在运行。丹麦、德国、美国、日本、澳大利亚等各国对风能作为船舶推进能源在船舶上的应用都作了研究和实船尝试。有研究学者认为，利用风力的装置推动船只航行，可节省一的燃料费用。武汉理大学硕学位论文日本对在大型远洋货船上应用风能发电系统的可能性开展了多项比较深入的研究和评价工作，已取得很大成功，并已获得不少专利，到年日本已有艘以风作辅助动力的船只航行在海上，它们的耗油量仅为普通机动船的。图新爱德丸弓（）船自第一艘现代风帆助航船“新爱德丸”（如图）出现近三十年来，世界各国己建造了多种帆助航船舶。对风帆助航技术的研究，欧、美等国要比日本早，但侧重于“帆一机配合”的方式（即阻风帆为主，主机为辅）比起本的“机一帆配合”方式（即以主机为主，风帆为辅）难度大，风险性也大些。圈德国公司开发的“天帆”船全球第一艘用风筝拉动的货轮“白鲸天帆号”（）（如图）武汉理工大学硕士学位论文于年月日由德国汉堡市起航，横渡大西洋驶往体斯敦年月日成功完成了它的处女航【”。该船由德国天帆公司和布鲁格船舶公司联合建造，悬在货轮上方的巨型高科技风筝吃饱了风从而提供辅助动力，风力在最理想的状况下最高可省下一半的燃料。“天帆”既节约能源，也可减少污染，为船舶新能源的应用开辟了新的道路。法国在风帆助航技术上的主要成果是开发研制了吸气式涡轮帆，最大升力系数可达蹦，其样板船经历了横渡大西洋的考验。根据试验结果，在有利风下，该试验船可获得珈的节能效果。美国现代风帆助航技术的研究较早，但主要偏重于技术经济的论证工作。一般认为，普通帆助航船设计能提供节油。图“夸乌特莫克号”图是墨西哥海军“夸乌特莫克号”风帆训练舰，在中华人民共和国海军成立周年阅兵时亮相。我国在现代风帆助航技术的研究方面也作了不少的工作；在上世纪八十年代有关单位对该项技术进行了技术以及经济方面的初步探讨，其中具有代表性的是武汉水运工程学院（现武汉理工大学）的系列相关研究。该校专门成立了现代风帆助航技术研究小组，对风帆助航船舶的相关技术进行了系列研究，并对现代矩形帆系列做了风洞试验，形成了系列图谱并丌发出了一种转带帆系统；开发研制了风帆助航船，该项成果获得了交通部成果推广三等奖。论文组织结构本文共由五章组成，根据对太阳能和风能在船舶中的应用分析加以组织。武汉理工人学硕士学位论文第章阐述了本课题提出的背景、目的和意义，介绍了新能源的种类以及太阳能和风能在船舶中应用的国内外现状。第章对太阳能和风能应用的机理进行了描述；介绍了太阳及太阳能的特点、太阳辐射的理论基础以及光伏发电系统的基本知识。并对风及风能的应用加以阐述，对风能在船舶中的应用方式加以总结，进而对风帆的相关知识进行了描述总结。第章对太阳能和风能在船舶中利用进行了探讨分析，对太阳能在船舶中应用的关键问题进行了分析，进而对船舶光伏系统的设计进行了探讨。同时对风能在船舶中利用的关键问题进行了阐述；并对船舶风帆助航系统设计进行探讨。第章对太阳能和风能在船舶中应用进行了实例计算分析，通过选择母型船来获取相关参数，进而从经济性的角度对太阳能和风能在船舶中的利用效果进行了计算分析；从而对太阳能和风能在船舶中的应用进行了归纳总结。第章对本文研究内容作出了总结，并提出了几个需要进一步研究的内容。武汉理：人学硕十学位论文第章太阳能和风能应用的机理描述太阳能概述太阳及太阳能的特点太阳是一个炽热的气球体，直径是，质量约为，是地球质量的倍，而平均密度大约是地球的，体积是地球的倍。太阳距地球的平均距离为。通过对太阳光谱分析，发现太阳上存在种元素，太阳的主要成分是氢和氦，其中氢的体积占太阳体积的，氦，氧、煤、氮、硅、硫、碳、钙、铁、钠、铝、镍等余种元素约占。太阳表面的有效温度为，而内部中心区域的温度则高达几千万度，压力为。太阳辐射能的产生于（为太阳半径）的太阳内核区域，该部分的质量占太阳总质量的，温度大约为（肛），密度为水的肚倍；从的区域为辐射输能区，温度下降到，密度下降到，在这里对流过程开始起重要作用；在之间的区域称为对流区，在该区温度降至大约，密度降为塔锄。太阳并不是一个固定温度的黑体，它所发射的辐射是其各层发射和吸收各种波长的辐射综合作用的结果，而且它的辐射光谱的超短波和超长波部分的光谱强度的分布随时间略有变动【。太阳能作为一种新能源，与常规能源如化石燃料（煤炭、石油、天然气）以及核燃料相比具有下列几个特点：太阳辐射的广泛性、太阳能的清洁性、太阳能的间歇性、太阳能的分散性等。太阳辐射机理描述本节将介绍太阳辐射的基本概念、基本规律以及太阳辐射的计算方法。这是太阳能利用的理论基础。地球外的太阳辐射地球围绕太阳公转，公转周期为一年，运行轨道是一个偏心率很小的椭圆，所以同地距离在一年中是随季节变化的。地球距离太阳最近的点称为“近日点”，这时的日地距离为，从地球上看太阳的视角是。；地球距离太武汉理大学硕士学位论文阳最远的点称为“远同点”，这时的日地距离为，视角为”。日地间的平均距离为，被称为是一个天文单位距离，此时从地球上看太阳的视角为”。太阳、地球问的几何关系如下图所示。太阳图太阳、地球间的几何关系示意图（不按比例）太阳是一个直径约为们（的非常炽热的的气体球，其内部温度高达几百万摄氏度，从发射辐射的效果来看，太阳的表面可以看做是温度约为的黑体表面。单位面积单位时间内所截获的太阳辐射能称为太阳辐射通量，用表示，单位为。当同地距离为一个天文单位距离时，在地球大气层上界，垂直于太阳辐射的截面上的太阳辐射通量，称为太阳参数，用表示。地球大气外界太阳辐射的光谱分布曲线由美国国家航空和宇航局（）提出，并基于该局在高海拔地区和外界空间测量所获得并发布了一组标准数据。本文采用公布的数据，即。由于太阳和地球之间的距离在一年之中有一些变化，地球以外的太阳辐射也有大约的变化幅度。下面的经验公式可以用来对太阳常数进行修正。和加（等）（）式中：厶。一一大气层上界垂直于太阳辐射的平面上的辐射通量；一从月同算起到该计算同的天数。地球表面上的太阳辐射在晴天中午的时候，太阳辐射较强，而在早晚的时候则较弱，因此，到达地武汉理工人学硕士学位论文球表面上某一位置的太阳辐射状况受地球与太阳之间的位置关系及大气层的影响。（）大气层对太阳辐射的削弱作用太阳辐射穿过地球大气层的时候，太阳光谱中的短波成分，如射线和射线，被大气外层的电离层强烈吸收。距离地球表面的臭氧层，对紫外线区域的辐射有选择性吸收的作用。更低的大气层中的二氧化碳和水蒸气，对长波辐射具有吸收作用。实际上，由于大气中的多原子气体对长波辐射吸收作用较强，而太阳辐射中长波辐射的份额逐渐减小。同时大气中的水滴和固体颗粒对于太阳辐射中波长大于所的红外线区域具有连续性的散射作用。因此，到达地面的太阳辐射能的波长主要集中在，之间。再者，大气中的固体灰尘对太阳辐射具有漫反射作用。在大气层外界和地球表面上，在不考虑空气中固体灰尘的情况下，从太阳辐射垂直入射时候的光谱分布可以看出，臭氧层主要吸收紫外线，而空气中的水蒸气和二氧化碳则对红外区域的辐射有很强的选择性吸收。直射斜射图大气质量示意图由于大气层对太阳辐射的吸收、散射和漫反射作用，使穿过大气到达地面上的太阳辐射被衰减，其衰减的程度与太阳辐射在大气中穿行的距离有关，同时也与辐射所穿行的大气特性（特别是清洁度）有关。在计算中，我们定义大气质量表示太阳辐射到地面时在地球大气中穿行的距离。如图所示，为大气上界一点，为海平面上一点，垂直于海平面，则之间的大气为一个大气质量，即。如果太阳斜射，并且入射光和水平面之间的夹角为秒，在武汉理一：人学硕士学位论文目不是特别小的情况下，大气质量为面（）口（）显然，这样的估算偏于保守，不过和其他不确定因素相比是很准确的。图对大气层采取了夸张的画法，因此在考察地球上某一点的太阳辐射时，大气层表面和地球表面几乎是平行平面。此外和（）推荐采用下面的经验公式【】：加磊丽刁万磅高杀面两矛）（）（秒）叫越大，则太阳辐射被大气衰减的程度越大，到达地面的辐射能越小。大气本身的特性可用大气透明度表示。表示一个大气质量时的大气透明度，即太阳辐射穿过一个大气质量之后的辐射通量和大气上界的辐射通量之比，而个大气质量时的大气透明度为：片”（）则厶眉（）厶厶乞厶甲（）大气透明度往往要根据气象部门提供的资料进行分析、选取，通常与大气污染程度、气候状况、海拔高度等因素有关。在一般情况下，最好的晴天可取，较好的晴天取，中等的晴天可取尸，较差的晴天可取。（）地理几何因素对太阳辐射的影响地球表面接受到的太阳辐射与日地之间的位置关系有关。地球在自转的同时还绕着太阳公转，地球的赤道平面与地球绕太阳公转的轨道平面之间夹角为。因此，形成了一年之中的四季之分。夏至（月同）正午时，太阳位于北半球的北回归线（北纬）正上方，而后南移，秋分（月目）正午时位于赤道正上方。冬至（月日）正午时太阳到达南回归线正上方，而后折回北上，春分（月同）正午时太阳又回到赤道上方。为方便描述，以地球表面的观察者为中心，以日地距离为半径作一个球面，称为天球。太阳在天球上的纬度称为赤纬角万，即太阳与观察者的连线与天球赤道面的夹角。万是同期的函数，可由下式计算【。武汉理：人学硕七学位论文万：墨型（）（）式中：一从月日到该计算日的天数。太阳与观察者的连线与水平面之间的夹角称为太阳高度角或太阳高度。显然，太阳高度与地球的自转及公转有关，并与观察者的当地纬度有关。在同出时，护；到当地正午时达到最大值，而后减小，日落时，秒。太阳高度可由下式计算【】：秒矽万矽万国（）该式是计算任何纬度（矽）、任何同期（万）、任何时刻（缈）太阳高度的计算公式。其中，北半球矽取正值，南半球痧取负值；缈在上午取负值，下午取正值。秒大于时为白天，小于时为黑夜，无实际意义。计算中的时间指的是太阳时（），不同于当地时钟的时间。当太阳（或时圈）越过观察者所在地的子午线时，为当地正午。太阳越过一个经度需要（每小时转过），若已知当地经度。卜标准时间经度则应有（。）的时间修正。另外，地球绕太阳转动的速度是变化的，导致在一年中不同的时期，当地正午的时刻也是变化的。因此，相对于标准时，又有一个附加的修正量记为。太阳时与标准时之间的关系为：太阳时标准时（。），（）的取值也可用经验公式计算：一一（）式中，万（一）“，为一年中的天数（）。投射到斜面上的太阳直接辐射对于地面上的太阳能接收装置，显然使接受平面始终垂直于入射光线会有最佳的接受效果。但由于入射光线的方向是时刻变动的，要保持入射光线始终垂直入射，需要精确、复杂的跟踪设备。下面研究下投射到一般斜面上太阳的直接辐射。太阳能接收装置除了接收太阳直接辐射外，还可以接收由于大气的散射、折射等形成的漫射辐射。漫射辐射没有方向的敏感性。如图，设有斜平面，对地面的倾角为口，斜面的法线方向为，在水平面的投影与正南方的夹角为妒，称之为斜面的方位角，规定方位角与正南以东为正，以西为负。入射的太阳光线与斜面法线之间的夹角称为入射角。武汉理工人学硕十学位论文西天顶一沙东图斜面上的太阳辐射当地垂直于太阳辐射入射方向截面上的太阳辐射通量为【】厶艺厶甲，形朋（）为了确定投入到斜面上的太阳辐射通量，需要确定入射角，根据几何关系口（矽万矽万缈）口研矽（矽万矽万）一万矽】缈万彩）（）则到达斜面的太阳辐射通量【】为，厶日”（）其中，对于水平平面，口，则，厶甲（）要得到最佳的入射角，需要保持净。此时，需要根据纬度矽，以及同期万和时间国的变化不断地修正倾角口和方位角缈，这就要应用到太阳能最大效率跟踪控制系统，后文中将会进行论述。太阳能光伏发电系统太阳能电池概述光子和电子太阳能电池实际上是太阳光发电机，燃料就是太阳光。太阳光本身就是能武汉理一入学硕十学位论文量的一种形式，是含有不同能量的光子的微小粒子流。紫光子的能量最高可达（就是一个电子在真空中加速跨过电势时所获取的能量）。红光子的能量也可达。伽马（）光子的能量可超过。高能量伽马光子经过太阳表面层和地球大气层后会分成多个能量较小的光子【。光子是没有质量但含有能量的微粒子。太阳能热水器的机理就是光热过程，把太阳光子的能量传递给热水器中的水；太阳能电池的机理就是光生伏打（光电）过程，把太阳光子的能量传递给物体中的电子，使电子获得能量跳跃到高电位处。太阳能电池的原理尽管任何两种不同的材料结合在一起都可以引起光电现象，但只有使用半导体材料时的光电现象才有实际应用的价值。典型的太阳能电池本质上是一个大面积的半导体二极管，它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换为电能。当太阳光照射到太阳能电池上并被吸收时，其中能量大于禁带宽度的光子能把价带中的电子激发到导带上去，形成自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子一空穴对，通常称它们为光子载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到结的电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的型一侧，空穴被扫到型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成了正负电荷的积累，产生“光伏电压”，即“光伏效应（虢）”。图太阳能电池的工作原理若在电池两侧引出电极并接上负载，负载中就有“光生电流通过，得到可利用的电能，这就是太阳能电池的工作原理；示意图如上图所示。太阳能电池的分类目前得到应用的太阳电池主要有以下几类：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池和铜铟硒电池等。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄武汉理。：人学硕十学位论文膜以及有机太阳电池等。但实际应用的主要还是硅材料电池，特别是晶体硅太阳电池。单晶硅电池单晶硅电池的基本结构多为型，多以型单晶硅片为基片，其电阻率范围一般为，厚度一般为。单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作，其次与多晶硅不同的是所用的减反膜主要为或薄膜，薄膜通常采用热氧化或常压化学气相沉积工艺。多晶硅电池多晶硅电池的基本结构都为型，都是型单晶硅片，电阻率范围一般为，厚度一般为。通常的晶体硅太阳能电池是在厚度的高质量硅片上制成的，这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。多晶硅电池与单晶硅相同，性能稳定，主要用于光伏电站建设。非晶硅电池非晶体硅电池的基本结构为型，主要用工艺沉积在具有的导电玻璃而成。现在也有发展为个结甚至个结的非晶体硅电池，基片采用导电玻璃甚至不锈钢作为衬底材料。非晶体硅电池的最大特点是材料厚度在微米级。非晶体硅为准直接带隙半导体，吸收系数大，可节省大量高纯硅材料。高效晶体硅太阳电池目前和常规能源相比，太阳电池的使用成本还很高。为了扩大其应用，逐步提高在整个能源中的比重，必须要采取措施降低成本。发展高效硅太阳电池就是一个重要的途径，一方面提高单位面积的太阳光使用效率，转化更多的太阳能；另一方面也相应地降低使用成本。在过去年中，硅太阳电池的效率几乎提高了一倍，这主要归功于钝化、背场以及电极设计等技术的进步。优异的结构设计和先进的制造技术相结合使太阳能电池的效率不断提高。从目前的发展趋势来看，超薄、聚光和多结是高效太阳电池的发展方向。光伏系统介绍本节主要讲述太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理。光伏发电系统的组成和原理】光伏发电系统主要是由以下部分组成：太阳能电池组件板；充、放电控制武汉理一火学硕士学位论文器、逆变器以及测试仪表和计算机监控等电力电子设备；蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备。下面是对各个组成部分的具体描述：）太阳能电池组件板。太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是按照系统需求串、并联从而将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮蓄电池内备用。）太阳能充、放电控制器。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。目前控制器向多功能发展，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。）逆变器。在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳能电池产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。）蓄电池（组）。将太阳电池产生的电能储存起来，当光照不足，或晚上，或负载需求大于太阳电池所发的电量时，将储存的电能释放，以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前光伏系统常用的是铅酸蓄电池，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。交流负载直流变换器蓄电池斗交流变换器控制器直流负载交流电网“”方阵图太阳能光伏发电系统的一般原理图如图所示。储能装置通常采用蓄电池，大多数应用铅酸蓄电池。对于电力电子变换装置而言，由负载的不同一般分为两类：（）直流变换器，即按照直流负载的特性要求而供电。（）逆变器，也就是日常生活中所提到的工频逆变器，它输出的是恒压、恒频的交流电。而在并网光伏系统中通常还要有电能计量装置和交流并网装置。整个系统的控制核心是控制器，它负责对系统各个运行参数进行检测，同时根据预设和判断从而发出控制指令，使系统能够工作于最佳状态并且自动稳定地运行，通常是由一个控制器进行集中控制。武汉理大学硕十学位论文根据用户和负载的需求，太阳能光伏发电系统一般可分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统以及混合型光伏发电系统三种【。（）独立光伏发电系统下图是独立运行的太阳能光伏发电系统框图。核心模块是系统中的太阳能电池板，该模块的作用是将太阳能转换为直流形式的电能，通常是在白天有太阳光照的时候输出能量。依据负载的需求，系统通常选用铅酸蓄电池作为其储能环节，当发出的电量大于负载所需之时，太阳能电池通过充电器给蓄电池充电；当发出的电量不足的时候，太阳能电池和蓄电池同时向负载提供电能。控制器通常是由放电电路、充电电路和最大功率点跟踪控制模块组成。逆变器的功能则是将直流电转换成和交流负载同相的交流电。图独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图（）并网光伏发电系统下图是并网光伏发电系统，光伏发电系统将直接与电网相连接，其中逆变器将起着极其重要的作用，要求其具有与电网相连接的功能。目前比较常用的并网光伏发电系统结构形式有两种，不相同的地方在于是否带有蓄电池作为其储能环节。一般带有蓄电池环节的系统称之为可调度式并网光伏发电系统，由于该系统中逆变器配有重要的负载开关和主开关，系统因此具有不问断电源的作用。除此之外，该系统还能充当功率调节器的作用，由于稳定电网电压、抵消有害的高次谐波的缘由从而提高了电能的质量。不可调度式并网光伏发电系统是指不带有蓄电池环节的系统，在该系统中，逆变器作用是将太阳能电池板产生的直流电能转化成和电网电压同频、同相的交流电。主电网断电的时候，系统将自动停止向电网供电。在有光照射、光伏系统产生的交流电能超过了负载需要的时候，多余的部分能量将送至电网；夜间当负载所需要的电能超过了系统所产生的交流电能的时候，电网将会自动地向负载补充电能。武汉理大学硕士学位论文图并网光伏发电系统（）混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统如下图。，它同上述两个系统的区别之处只是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发出的电量不足的时候或者蓄电池储备的电量不足的时候，则可以启动备用发电机组，它既可以给交流负载直接供电，也可以经过整流器后给蓄电池充电，所以称之为混合型光伏发电系统。图混合型光伏发电系统通过相关文献的调查研究以及采用一些知名专家的意见，船舶光伏发电系统采用离网模式（图），即光伏系统产生的电不与船舶原有电网进行并网更好。直流变换器蓄电池卜一逆变器直流负载爿控制器卜船舶电网交流负载图船舶光伏发电系统的设计框图武汉理：大学硕士学位论文光伏系统的设计原则光伏系统的设计需要考虑的因素很多，而这些因素之间又相互影响着。一般来说，要求独立系统的负载断电率小，所需的太阳电池组件的数目和蓄电池的容量就要多，投资就要大，这就要求在投资成本和使用效果上取得平衡关系。光伏发电系统设计的总体原则【】是，在保证满足负载供电需要的前提下，使得系统的经济性最好。其设计可分为软件设计和硬件设计，一般软件设计先于硬件设计。软件设计包括：对负载的调查和负载用电量的估算，太阳电池方阵面辐射量的计算，太阳电池组件、蓄电池容量的计算和两者之间互相匹配的优化计算，方阵最佳倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳电池和蓄电池的选择，组件和阵列支架设计，逆变器的