第04章 太阳能发电.ppt

绿色电力，武汉大学电气工程学院，第四章太阳能发电，太阳能结构太阳能分布太阳能发电的现状和展望，绿色电力，武汉大学电气工程学院，新华社2007-10-20电，绿色电力，武汉大学电气工程学院，美国最大太阳能发电站，绿色电力，武汉大学电气工程虽然有着“阳光之州”的美称，但是佛罗里达州不在太阳能发展的最前线。 佛罗里达州接近美国迄今为止最大的太阳能发电站称号。 德索托的下一代太阳能中心、佛罗里达电力和照明公司旗下的其他两个太阳能发电项目的发电总量将达到110兆瓦，减排超过350万吨。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，预计到2016年供应200兆瓦电力，15年内就能达到25万户电力。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、日本将在宇宙中“空转”太阳能，到2030年在宇宙中建设太阳能发电站，利用激光和微波技术将电力送回地球，“历史上最大胆的计划”相关资金达到数十亿美元。 宇宙中云和气流没有交错，损失很小，约是5倍。 预定2020年左右建设1万千瓦的太阳能发电系统。 达到2030年建设一百万千瓦的宇宙太阳能发电站的终极目标。 那时，每电发电成本只有8美分，低现在的6倍。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、撒哈拉沙漠计划建设世界上最大的太阳能发电站，绿色电力、武汉大学电气工程学院、撒哈拉沙漠是能源宝库。 如果撒哈拉沙漠的0.3%能开发建设太阳能发电站，就能满足整个欧洲的电力需求。 世界上最大的太阳能发电站项目比美国加利福尼亚州莫哈贝沙漠计划建设的太阳能发电站大80倍。 发电的电可以通过高压线跨越地中海输送到欧洲，光这个发电站就能满足欧洲能源需求的15%。 这个发电站的项目需要十年到十五年。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、美国已经提出了宏伟的计划，到2050年为太阳能发电提供了美国电力的69%及其总能源(包括运输业)的35%。 太阳能向用户销售的费用相当于现在的正常电费，预计约为5美分/KWh。 如果风力能源、生物质能能源、地热能源也被开发出来的话，到2100年可再生能源能100%供给美国的电力和其能源的90%。 为了实现2050年的计划，美国在今后40年内必须进行超过4000亿美元的投资。 投资虽然巨大，收益也很大。 太阳能发电设施的消耗燃料是极少还是不消耗，每年能节约数十亿美元。 这个基础设施将取代300座大型煤炭火力发电厂和300座以上大型天然气燃烧用设施所消耗的所有燃料。 这个计划的目的是有力地避免所有石油进口。 由于太阳能技术几乎没有污染，这个计划每年可以将发电站的温室气体排放量减少17亿吨，将汽油汽车的排放量减少19亿吨，后者可以用混合动力车对太阳能发电电网进行充电。 到2050年，美国的二氧化碳排放量比2005年低62%，为抑制全球变暖而努力。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、卡塔尔正在考虑建设太阳能发电站，以满足这个国家越来越多的能源需求。 正在计划中的这座发电站是世界上最大的太阳能发电站之一，现在可以缓解建设后卡塔尔的能源不足。 受石油美元的影响，海湾各国面临着现有能源不能满足快速经济增长的问题。 卡塔尔预计未来30年能源需求量将增加4倍。海湾阿拉伯国家有丰富的油气资源，石油和天然气储量分别占世界总储量的30%和8%，但是海湾国家现在的能源和水利建设比经济发展速度还慢，寻找替代能源是海湾国家现在努力的方向。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳结构，太阳为热气体球体，直径约为1.39106km，质量约为2.2l027t，地球质量的3.32105倍，体积比地球大1.3106倍，平均密度为地球的1/4。 其主要组成气体为氢(约80% )和氦(约19% )。 绿色电力武汉大学电气工学学院表示，由于太阳内部氢与氦聚合的核聚变反应在持续，会不断释放巨大的能量，通过放射和对流从核心向表面传递热，温度也从中心向表面逐渐下降。 结果表明，核聚变在氢聚合成氦放出巨大能量的同时，每1g的质量达到0.00729。 从现在的太阳产生原子力的速度来推算的话，那个氢的储量在600亿年里被充分地维持着，可以说太阳能是用不完的。 武汉大学电气工程学院，绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳结构图，绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳结构如上图所示。 在太阳平均半径23%(0.23R )的区域是太阳的核，其温度约为81064107K，密度是水的80100倍，占太阳总质量的40%，总体积的15%。 这个部分产生的能量占太阳产生的总能量的90%。 绿色电力，武汉大学电气工学学院，氢聚合时放出射线，它通过寒冷的地区会消耗能量，波长变长，变成x射线、紫外线和可见光。 放射能区域： 0.230.7R的区域。 温度下降到1.3105K，密度下降到0.079g/cm3。 对流区： 0.71.0R之间的区域。 温度下降到5103K，密度下降到10-8g/cm3。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳外部是光球层，它是人眼看得见的太阳表面，温度为5762K，厚度约500km，密度为10-6g/cm3，它由强电离气体构成，太阳能的大部分被放射到宇宙中。 光球外不仅发光，还分布着几乎透明的太阳大气，被称为“反转层”，由非常稀薄的气体构成，厚度约数百公里，吸收可见光的光谱辐射。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，、反变化层外是太阳大气的上层，被称为“色球层”，厚度约11.5104km，大部分由氢和氦构成。 “色球层”外是进入宇宙的银白色日冕，温度可达百万度，高度有时可达数十个太阳半径。 从太阳的结构可以看出，太阳不是温度一定的黑体，而是具有不同波长的放射和吸收的放射体。 但是，在太阳能利用中，通常认为是温度为6000K，放射波长为0.33m的黑体。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳辐射特性，太阳常数达到地面的太阳辐射波长分布，绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳常数，昼夜是由于地球的自转而发生的，季节是地球的旋转轴和地球绕太阳公转的轨道的旋转轴以2327的角度发生的。 地球每天围着穿过南极和北极的“地轴”从西向东自转。 每转一昼夜，地球一小时自转十五次。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，地球不仅沿着自转，还沿着偏心率小的椭圆轨道每年绕太阳一周。 地球的自转轴和公转轨道面的法线总是23.5。 即使地球公转，旋转轴的方向也不变，总是指着地球的北极。 因此，当地球处于运行轨道不同的位置时，太阳光照射地球的方向也不同，因此形成了地球上的四季变化(参照下图)。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，地球围绕太阳运行的形象，绿色电力，武汉大学电气工程学院，每天中午，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区(赤道南北纬度2327之间的地区)，一年有两次垂直入射，在高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。 在北极和南极地区(南北半球902327)，冬天的太阳比地平线低的时间长，夏天比地平线高的时间长。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、地球是以椭圆形轨道围绕太阳运行的，所以太阳和地球的距离不一定，而且一年中每天的日地距离也不同。 某点的放射强度与离辐射源的距离的平方成反比，意味着地球大气上的太阳放射强度因白天距离而不同。 因为日地间距离太大(平均距离为1.5108km )，地球大气层外的太阳放射强度几乎一定。 绿色电力、武汉大学电气工学学院、地球大气上的太阳放射强度可以用“太阳常数”来记述。 所谓“太阳常数”，是指平均日地距离时，在地球大气上与太阳放射垂直的单位表面积所受到的太阳放射能。 近年来，通过各种先进手段测得的太阳常数的基准值为1353w/m2。 一年间日地距离的变化引起的太阳放射强度的变化不超过基准值的3.4%。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、到达地面的太阳辐射或被称为“日照”，太阳照射地面的辐射或“日照”由直接日照和扩散日照两部分组成。 太阳放射通过大气层到达地面时，会因大气中的空气分子、水蒸气、尘埃等对太阳放射的吸收、反射、散射而使放射强度变弱，同时放射的方向和放射的光谱分布也发生变化。 因此，实际到达地面的太阳辐射通常由直射和扩散两部分构成。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、直射阳光是指来自太阳的辐射方向不变的辐射，扩散是被大气反射散射后方向变的太阳辐射。 它由三部分组成：太阳周围的散射(太阳表面周围的天空明亮)；地平圈散射(地平圈周围的天空明亮还是暗)其他天空散射射线。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、到达地面的太阳辐射主要受大气厚度的影响。 大气越厚，太阳辐射的吸收、反射、散射越严重，到达地面的太阳辐射越少。 另外，大气的状况和大气的质量也影响到到达地面的太阳辐射。 研究表明，太阳辐射通过大气的路径长度与太阳辐射的方向有关。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，大气质量图如下图所示。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，大气质量：图中a为地球海面上的一点，太阳位于天顶位置s时，太阳辐射通过大气到达a点的路径为OA。 当太阳位于s点时，通过大气到达a点的路径是oa。 oa和OA之比被称为“大气质量”。 大气质量表示太阳辐射通过地球大气的路径和太阳垂直入射到天顶方向时的路径的比，通常用符号m表示，标准大气压和O下太阳垂直入射到海面时，设定为大气质量m=1。 从图中可以看到，绿色电力，武汉大学电气工学学院，式中，h是太阳的高度角。 很明显，根据地球上的地区、季节、天气条件的不同，到达地面的太阳放射强度也不同。 下表显示的是热带、温带和比较寒冷地区的太阳的平均放射强度。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、各地区太阳的平均辐射强度通常根据各地的地理和气象情况，把到达地面的太阳辐射强度制成各种可用于工程的图表，不仅对太阳能，对建筑物的供暖、空调设计也是重要的数据。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、波长分布、太阳能的波长分布可以用黑体辐射模拟，黑体温度为5800K。 太阳能的波长分布在紫外光、可见光、红外光的波段。这些频带受大气衰减的影响程度各不相同。 光照射的大部分能到达地面，但上层大气中的臭氧吸收大部分紫外线照射。 由于绿色电力、武汉大学电气工程学院、近年来臭氧层变薄，特别是南极和北极地区，到达地面的紫外光辐射越来越多。 入射的红外光的放射，一部分被二氧化碳、水蒸气和其他气体吸收，夜间来自地球表面的长波长的红外光的放射的大部分放出了外面。 这些温室气体在上层大气中的蓄积，增加了大气的吸收能力，全球变暖天气有可能变得阴天。 臭氧减少对太阳能集热器的影响很小，但温室效应会增大散射辐射，对太阳能集热器的作用有很大影响。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、太阳能概述、太阳能是太阳内部连续核聚变反应过程中产生的能量。 地球赤道的周长为40000km公里，可以计算出地球得到的能量达到173，000 tw。 海面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某点24h的年平均放射强度为0.20kw/m2，有102，000 tw的能量，人类依赖这些能量维持生存。 其中，其他所有形式的可再生能源(地热资源除外)、绿色电力、武汉大学电气工程学院、太阳能特征：太阳能密度低的太阳能因地区而异，太阳能会随时间而变化。 太阳能资源总量相当于现在人类利用能源的1万倍以上，上述特征是太阳能开发利用面临的主要问题。 太阳能的这些特征在综合能源系统中的作用受到一定的限制。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳巨大，古老，是无限的能源。 太阳向地球大气放射的能量尽管只是其总放射能(约3.751026W )的22亿分之一，但达到了173，000 tw，也就是说太阳每秒照射地球的能量相当于500万吨的煤。 下图显示了地球上的能量的流动。 由图可知，地球上的风能、水力能、海洋温差能、波浪能和生物量能，一部分潮汐能即使是源于太阳的地球上的化石燃料(例如煤、石油、天然气等)，从根本上来说也是太古储藏的太阳能广义太阳能包含的范围很广，狭义的太阳能仅限于太阳能的光热、光电、光化学的直接转换。 绿色电力，武汉大学电气工程学院，地球上的能源地图(单位106MW )，绿色电力，武汉大学电气工程学院，太阳能是一级能源，也是可再生能源。 资源丰富，可以免费使用，也不需要运输，对环境没有任何污染。 但是，太阳能也有两个主要缺点。 一是能量密度低二是其强度受各种因素(季节、场所、气候等)的影响，无法维持常数。 这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、人类对太阳能的利用有着悠久的历史。 我国在两千多年前的战国时代利用知道用钢制四面镜聚集太阳光点火的太阳能来干燥农副产品。 发展到现代，太阳能的利用越来越广泛，包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用、太阳能的光化学利用等。 绿色电力、武汉大学电气工程学院、太阳能利用历史可以大致分为7个阶段：第一阶段(1900-1920 )在这个阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多种多样开始采用平板集热器和低沸点工程，装置逐渐扩大，最大功率达到73.64kW，实用目的比较明确，成本依然很高。建设的典型装置是1901年在美国加利福尼亚州建设了太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，电力： 7.36kW 1902年到1908年，在美国建设了5套双重循环太阳能引擎，采用平板集热器和低沸点工程，绿色电力、 武汉大学电气工程学院，1913年，在埃