新能源与分布式发电技术02太阳能及其利用

§2太阳能及其利用关注的问题太阳的能量是怎样形成的？有多少赐予了地球上的人类？什么时候人类开始了太阳能的利用？太阳能利用的方式有哪些？太阳能热发电和光伏发电的原理是怎样的？经历了怎样的发展历程，发展状况如何？教学目标了解太阳能资源及分布情况，掌握太阳能利用的多种方式及各自原理和主要设备，理解太阳能发电的重要意义。2§2.1

太阳能利用的历史古人对太阳非常崇拜，有很多关于太阳的传说。世界上最早利用太阳能的国家可能就是中国。《周礼》有用“夫燧”向太阳取明火的记载。说明至少在3000多年前的周代，我们的祖先就已经开始利用太阳能了。早期的应用主要是在白天接受太阳的烘晒和取暖。从世界范围来看，将太阳能作为一种能源动力加以利用，不到400年的历史。3§2.1

太阳能利用的历史二战后，开始出现太阳能学术组织。对太阳能真正意义上的大规模开发利用渐渐开始。1952年法国建成一座功率为50kW的太阳炉。1954年美国研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。后来由于太阳能利用技术尚不成熟，投资大、效果不佳，发展再度停滞。51973年中东战争爆发，引发了“能源危机”。许多工业发达国家，重新加强了对太阳能等可再生能源技术发展的支持。1973年美国制定了政府的阳光发电计划。1974年日本政府制定了“阳光计划”。我国也于1975年在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”。20世纪80年代以后，石油价格大幅度回落，使尚未取得重大进展的太阳能利用技术再度受到冷落。直到全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁，才又得到人们的重视。§2.1

太阳能利用的历史6§2.1

太阳能利用的历史1992年在巴西召开的联合国“世界环境与发展大会”，通过了一系列重要文件。1996年“世界太阳能高峰会议”，发表了《太阳能与持续发展宣言》,并讨论了《世界太阳能10年行动计划》，《国际太阳能公约》,《世界太阳能战略规划》等重要文件。我国也提出10年对策和措施，明确要因地制宜的开发和推广太阳能等清洁能源，并制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展目标。太阳能利用的主要形式，包括太阳能供热、太阳能热发电、太阳能光伏发电。其中以太阳能供热技术最为成熟。7§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.1

太阳能概述风能、水能、生物质能、海洋能等可再生能源，都来自太阳能的转化。就连煤、石油等化石燃料，也是远古贮存下来的太阳能。广义的太阳能，包括上述各种能源。当把太阳能作为可再生能源的一种进行讨论时，太阳能指的是直接照射到地球表面的太阳辐射能（包括光和热）；通常所说的太阳能利用，是指太阳辐射能的直接转化和利用。太阳的能量，来自其内部的热核反应。以光辐射的形式，每秒钟向太空发射约3.74×1026J的能量。9§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.1

太阳能概述因距离遥远，太阳释放的能量只有22亿分之一投射到地球。到达大气层上界的太阳辐射功率，经过大气层的反射和吸收，能够投射到地面的只有47%左右。尽管如此，每年到达地球表面的太阳能仍高达……kWh，相当于1300万亿吨标准煤，是全球能耗的上万倍。陆地面积只占地球表面的21％，再除去沙漠、森林、山地及江河湖泊，实际到达人类居住区域的太阳辐射功率，约占到达地球大气层的太阳总辐射功率的5％～6％。10§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.1

太阳能概述太阳大约还可以持续100亿年。相对于人类发展历史而言，可以说是“无穷无尽”了。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，其分布最广，也最容易获取。如果能有效地利用太阳提供的能量，那么人类未来就不会为能源的枯竭问题担忧了。11§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.2

世界太阳能资源分布就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。美国NASA建有一个包含各地日照数据的数据库。其中给出部分城市的日照时间，详见教材中的表2-1。13§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.3

我国太阳能资源分布我国陆地大部分处于北温带，太阳能资源十分丰富，每年陆地接收的太阳辐射总量，大约是1.9×1016kWh。全国各地太阳年辐射总量基本都在3000～8500MJ/m2

之间，平均值超过5000MJ/m2。而且大部分国土面积年日照时间都超过2200小时。14§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.3

我国太阳能资源分布据来自中国气象局太阳能风能资源评估中心的资料，我国的太阳能资源全年总辐射量分布如图所示。各地的日照时间参见教材的图2.5。我国的太阳能全年总辐射量分布图15§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.3

我国太阳能资源分布根据20世纪末期的太阳能分布数据，我国划分为4个太阳能资源带，如图2.6所示。各太阳能资源带的全年太阳能总辐射量如表所示。前3类地区覆盖大面积国土，有利用太阳能的良好条件。IV类地区太阳能资源较差，有的地方也有太阳能可开发利用。17§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.4

太阳能资源的特点与常规能源相比，太阳能具有如下优点：（1）储量丰富。（2）维持长久。（3）分布广泛。（4）维护方便，运行成本低。（5）清洁，无污染。18§2.2

太阳能资源及其分布§2.2.4

太阳能资源的特点太阳的主要缺点：（1）能量的分散性（能量密度低）。（2）能量的不稳定性。（3）能量的间歇性，不连续。19§2.3

太阳能的利用方式§2.3.2

太阳能发电（1）太阳能热发电太阳能热发电就是利用太阳辐射所产生的热能发电，是在太阳能热利用的基础上实现的。一般需要先将太阳辐射能转变为热能，然后再将热能转变为电能，实际上是“光－热－电”的转换过程。太阳能热发电有两种类型：一类是蒸汽热动力发电，一类是热电直接转换。21§2.3

太阳能的利用方式§2.3.2

太阳能发电（1）太阳能热发电——蒸汽热动力发电，先利用太阳能提供的热量产生蒸汽，再利用蒸汽驱动发电机。——热电直接转换，即利用太阳能提供的热量直接发电（多是依靠特殊的物理现象或化学反应。这类发电方式的优点是发电装置本体没有活动部件，但一般发电量都很小，有的方法尚处于原理性试验阶段。相对成熟一些的，主要是半导体温差发电。22§2.3

太阳能的利用方式§2.3.2

太阳能发电（2）太阳能光发电太阳能光发电是指不通过热过程而直接将光能转变为电能的发电方式。广义的光发电，包括:——光化学发电和光生物转换，主要通过光化转换过程实现。——光感应发电，是利用某些有机高分子团吸收太阳的光能后变成光极化偶极子的现象。——光伏发电，是利用某些物质的光电效应（光生伏打效应），将太阳光辐射能直接转变成电能的发电方式。23§2.3

太阳能的利用方式§2.3.3

光化学转换（2）光生物发电绿色植物的光合作用也是一种光化学转换过程。通过光合作用将太阳能转换成为生物质的过程，称为光生物利用。光生物发电，通常是指叶绿素电池发电，也是一种光化学转换过程。叶绿素在光照作用下能产生电流，这是最普遍的生物现象之一。要做成稳定的叶绿素电池目前还比较困难(为什么？)。25§2.4

太阳能直接热利用太阳能的热利用，基本原理是利用集热装置将太阳辐射能收集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能，进行直接或间接的利用。根据集热器所能达到的温度和用途，通常可把太阳能热利用分为低温利用、中温利用（200～800℃）和高温利用。26§2.4

太阳能直接热利用§2.4.1

集热器类型（2）真空管集热器其核心部件是真空管，按照材料来分，有全玻璃真空管和金属真空管两类。比较常见的是黑色镀膜的真空玻璃管。29§2.4

太阳能直接热利用§2.4.1

集热器类型（3）聚焦型集热器采用特定的聚焦结构设计，将太阳辐射聚集到较小的集热面上，从而获得很高的能流密度和集热温度。常见的聚焦结构设计，包括：①点聚焦结构,如复合抛物面反射镜,菲涅尔透镜,定日镜等；②线聚焦结构,如槽型抛物面反射镜和柱状抛物面反射镜。30§2.4

太阳能直接热利用§2.4.2

太阳灶和热水器§2.4.2.1

太阳能热水器太阳能热水器就是利用太阳辐射的热量进行加热从而提供热水的设备。由于可以节省用于加热的电能，太阳能热水器被认为是最重要的环保节能措施之一。在太阳能热利用的各种方式中，发展和应用最完善的就是太阳能热水器。我国的太阳能热水器应用稳居世界第一。（详见教材）31§2.4

太阳能直接热利用§2.4.2.1

太阳能热水器常见的太阳能热水器系统的结构如图所示。32§2.4

太阳能直接热利用§2.4.2.2

太阳灶太阳灶是一种收集太阳能并将吸收的热量用于炊事的装置。常采用球面的点聚焦型集热器，如图所示。33§2.4

太阳能直接热利用§2.4.3

太阳能空调太阳能空调是比较常见的利用太阳能制冷的方式。太阳能空调的能量需求和太阳能的供应比较一致。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。从这方面来看，太阳能空调应该是最合理的太阳能应用方案之一。目前的太阳能空调技术，主要采用太阳能吸收式制冷和光电转化电能驱动制冷。34§2.4

太阳能直接热利用§2.4.3.1

太阳能吸收式制冷吸收式制冷，是利用热能直接制冷的最常用方式。比较成熟的是“溴化锂-水溶液”吸收制冷，已经在一些示范工程中应用，效果理想。（具体原理，详见教材）也可以用氨－水溶液，其中氨是制冷剂（沸点33.4oC），水是吸收剂。图2.14为斯里兰卡PowerStar公司设计的太阳能空调。35§2.4

太阳能直接热利用§2.4.3.2光电转化电能驱动制冷光电转换电能驱动制冷，实际是先把太阳能转换为电能（是光伏发电方式），再用电力驱动空调。图为greencore公司设计的10200移动式太阳能空调。36§2.4

太阳能直接热利用§2.4.4

太阳能房太阳能房是综合利用太阳能光热转换、光电转换等过程，实现主动的和被动的太阳能利用的节能建筑。安装太阳能热水器，提供生活热水；安装太阳能空调，调节室内温度；安装太阳电池板，提供生活用电。设计实现最佳采光、采暖，冬暖夏凉。还可结合风力、地热等能源及建筑节能材料，实现零耗能建筑3738§2.4

太阳能直接热利用§2.4.5

太阳池太阳池是一种集中储存太阳能的方式，并可作为热源使用。池水为盐水，一般表层为清水，越往深处盐度越大，底层甚至为饱和状态。池底深而黑，光辐射被池底吸收转变为热能后，除了池底的有限散热，基本不会向水池表面散热（想想：为什么？）。太阳不断辐射、底层水不断储热，水温就越来越高。将池底的热取出，就可以进行各种应用，而且这种热源还比较稳定。世界上最早的太阳池（在死海，详见教材）39§2.5

太阳能热发电§2.5.1太阳能热发电系统的构成太阳能蒸汽热动力发电的原理和传统火力发电的原理类似，所采用的发电机组和动力循环都基本相同。太阳能热发电系统，由集热部分、热传输部分、蓄热与热交换部分和汽轮发电部分组成。40§2.5

太阳能热发电§2.5.1太阳能热发电系统的构成（1）集热部分定日镜（聚光系统）的作用是提高功率密度。集热器的作用是将聚焦后的太阳能辐射吸收，并转换为热能提供给工质。（2）热能传输部分把集热器收集起来的热能传输给蓄热部分。（3）蓄热与热交换部分蓄热装置保证发电系统的热源稳定。热能通过热交换装置，转化为高温高压蒸汽。（4）汽轮发电部分41§2.5

太阳能热发电§2.5.2太阳能热发电系统的基本类型较大规模的热发电系统，往往需要设计大面积的聚光系统，形成一个庞大的太阳能收集场，来实现聚光功能。太阳能热发电系统可以分为三个基本类型：槽式线聚焦系统、塔式定日镜聚焦系统和碟式点聚焦系统。也有一些不用聚焦结构的太阳能发电系统，多采用真空管集热器，如教材上的图2.17所示。42§2.5

太阳能热发电§2.5.2.1槽式太阳能热发电系统整个槽式系统由多个呈抛物线形弯曲的槽型反射镜构成。每个槽式反射镜都将其接收到的太阳光聚集到处于其截面焦点连线的一个管状接收器上。其应用情况，详见教材。43§2.5

太阳能热发电§2.5.2.2塔式太阳能热发电系统一般是在空旷平地上建立高塔，高塔顶上安装接收器；以高塔为中心，在周围地面上布置大量的太阳能反射镜群；把阳光积聚到接收器上，加热工质，产生高温高压蒸汽推动汽轮机发电。塔式系统聚光比高，易于实现较高的工作温度，系统容量大、效率高，因而适用于大规模太阳能热发电系统。最早的和最大的太阳能热电站，都是塔式太阳能热电站。（详见教材）44§2.5

太阳能热发电§2.5.2.3碟式太阳能热发电系统碟式太阳热发电系统，由许多反射镜组成一个大型抛物面，类似大型的抛物面雷达天线，聚光比可达数百倍到数千倍；在该抛物面的焦点上安放热能接收器，利用反射镜把入射的太阳光聚集到热能接收器所在的很小的面积上，收集的热能将接收器内的传热工质加热到很高温度，驱动发动机进行发电。其应用情况参见教材。45§2.6

太阳能光伏发电§2.6.1光伏效应与光伏材料光伏效应，是指当光照在不均匀半导体或半导体与金属组合材料上，在不同的部位之间产生电位差的现象。光伏效应是物质吸收光能产生电动势的现象，是太阳的光辐射能通过半导体物质转变为电能的过程。发现故事：光伏效应

详见教材。趣闻：爱因斯坦与光伏效应很多人至今都以为爱因斯坦的获奖是因为他的相对论，可实际上并非如此……46§2.6

太阳能光伏发电§2.6.1光伏效应与光伏材料光伏发电对光伏材料的一般要求是：－要有较高的光电转换效率；－材料本身对环境不造成污染；－材料便于工业化生产，－材料的性能要稳定；等等。制造光伏电池的半导体材料，已知的有十几种。第一代光伏电池主要基于硅晶片，采用单晶硅和多晶硅材料制成，目前仍是光伏产品市场的主流。其它光伏材料，详见教材。47§2.6

太阳能光伏发电§2.6.2光伏电池§2.6.2.1光伏电池的结构和原理光伏电池，是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的器件，也叫太阳能电池，都是由很多单体光伏电池构成的。单体光伏电池是指具有正、负电极，并能把光能转换成电能的最小光伏电池单元。常规的单体硅光伏电池结构示意图48§2.6

太阳能光伏发电§2.6.2.1光伏电池的结构和原理(a)半导体晶片(b)带正电的空穴向P型半导体区移动，带负电的电子向N型半导体区移动(c)电子从N区负电极流出负电，空穴从P区正电极流出正电49§2.6

太阳能光伏发电§2.6.2.2光伏电池的类型按电池的结构（主要是P-N结的特点）分类，有同质结光伏电池、异质结光伏电池、肖特基结光伏电池、薄膜光伏电池、叠层光伏电池湿式光伏电池，等。（详见教材）50§2.6

太阳能光伏发电§2.6.3光伏发电系统光伏发电系统，一般由太阳能电池方阵、储能蓄电池、保护和控制系统、逆变器等设备组成。（1）光伏电池方阵根据功率需要，将多个光伏单体电池经串并联，并封装在一起，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即光伏电池组件。还可把多个电池组件再串、并联起来

并装在支架上，组成光伏电池阵列。51§2.6

太阳能光伏发电§2.6.3光伏发电系统（2）储能蓄电池光伏发电输出功率不稳定性、不连续，独立工作时，常常需要配备储能装置，以保证对用户的可靠供电。阳光充足时，剩余的能量给蓄电池充电。日照缺乏的情况下，由蓄电池向用户补充供电。常用的蓄电池有铅酸蓄电池、硅胶蓄电池和碱性镉镍蓄电池，其中铅酸蓄电池功率价格比最优、应用最广。52§2.6

太阳能光伏发电§2.6.3光伏发电系统（3）保护和控制系统在小型或独立运行的光伏发电系统中，保护和控制功能主要是蓄电池的保护，防止过充电和过放电。对于大中型或并网运行的光伏发电系统，保护和控制系统担负着平衡、管理系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。53§2.6

太阳能光伏发电§2.6.3光伏发电系统（4）逆变器光伏电池和蓄电池输出的都是直流电。逆变器是将直流电变换成交流电的电力电子设备，是光伏电池普及应用的关键技术之一。54§2.6

太阳能光伏发电§2.6.4光伏发电的特点从太阳能资源的角度来看：太阳能是最丰富、最广泛的可再生能源。不仅总量巨大，而且分布广泛，获取容易，不需要开采和运输。从光伏发电系统的角度来看，（1）运输、安装容易（2）运行、维护简单（3）安全，可靠，寿命长（4）清洁，环境污染少（想想，为什么会有这些优点？）55§2.6

太阳能光伏发电§2.6.4光伏发电的特点太阳能光伏发电的不足主要是由太阳能资源本身的弱点造成的。（1）能量分散（能量密度低）。（2）能量不稳定。（3）能量不连续。56§2.7

太阳能光伏发电的发展§2.7.1光伏发电技术的发展历史光伏发电技术的研究历史已经有100多年。1839年，法国物理学家贝克勒尔发现光伏效应。……1950s年代，太阳电池技术出现重大突破。1954年诞生世界上第一个实用的太阳能电池。1960年，硅太阳电池首次实现并网运行。1975年，非晶硅太阳电池问世。1978年，美国建成100kWp地面光伏电站。2000年，太阳电池与建筑相结合的技术正式开始发展。趣闻：美国、日本的太空光伏发电构想(详见教材)57§2.7

太阳能光伏发电的发展§2.7.2光伏发电产业的发展状况太阳能光伏发电技术已历经了半个世纪。2004年，光伏电池在全世界能源市场开始蓬勃发展，产业开始形成。目