(完整版)新能源技术-2015

新能源技术袁芳能源与动力工程学院工程热物理系RenewableEnergyTechnology2025/2/262能源科学能源技术：研究各种能源的开发、生产、转换、储存和综合利用。研究目的：

1.提高现有能源的利用效率

2.寻找新的能源及其利用方式研究再生能源技术的目标：寻找实现能量的高效率低成本的转换技术2025/2/263本课程主要内容风能利用技术核能利用技术氢能利用技术太阳能利用技术海洋能利用技术地热能利用技术生物质能利用技术2025/2/264补充基础知识：传热学、流体力学、热力学、半导体物理、电化学反应基础相关专业：能源、电气、材料、交通、物理、化学、建筑、光电、……2025/2/265§1.太阳能基础知识§2.太阳能的热利用§3.太阳能的热发电§4.太阳能光伏发电§5.太阳能热气流发电太阳能利用技术

TechnologyofSolarEnergyUtilization2025/2/266§1.太阳能基础知识§1-1.热辐射的基本概念§1-2.太阳能的基本概念2025/2/267太阳基本参数日地距离约：1.5×108km。从地球上望：太阳的张角0.0093弧度。太阳直径：1.4×106km(地球的109倍)太阳体积：地球体积的1302500倍太阳质量：1.99×1030kg(地球的33万倍)平均密度：1.4×103kg/m3(地球的0.25倍)太阳温度:5770℃(表面)1560万℃(核心)总辐射功率:3.83×1026J/s太阳年龄:约50亿年§1-2.太阳能的基本概念2025/2/268太阳能太阳能是一种清洁的可再生能源。从广义上讲：太阳能不仅包括直接投射到地球表面的辐射能，还包括像生物质能、水能、风能、海浪能等同样起源于太阳辐射的间接的太阳能量；而且像现在广泛使用的石油、天然气和煤炭等化石能源，也都是古代太阳能资源的产物。从狭义上讲：太阳能指的是直接投射到地球表面的太阳辐射能。可再生能源技术领域讲述的太阳能指的是狭义的太阳能。太阳能两个主要缺点：一是能流密度低；二是能流波动大。2025/2/269太阳构造内部大气内核中介层对流层光球层色球层日冕层0~0.23R，T=4×107K，P=3×1014Pa，

=1×105kg/m3，物质处于等离子体状态，热核反应，产生能量占太阳产生能量的90%。0.23R~0.7R，辐射输能区，T=1.3×105K，

=79kg/m3。0.7R~1R，T=6000K，

=1kg/m3。肉眼所见太阳表面，T=6000K，

=10-3kg/m3，厚度500km，由强烈电离的气体组成，能吸收和发射连续的辐射光谱，太阳能的绝大部分能量由此辐射到天空。厚度约1×104~1.5×104km，大部分由氢和氦组成。温度为5000K，

=10-5kg/m3。有时出现极猛烈的日焰，此时太阳辐射量最大，有些太阳上的电子流到太空，形成太阳风，打击到地球大气层上缘，产生磁暴和极光。伸入太空的银白色日冕，温度1×106K，高度达几十个太阳半径2025/2/2610太阳辐射能太阳物质组成：氢占78.4%，氦占19.8%，金属和其他元素占1.8%。两种热核反应：质子-质子循环，碳-氦循环。太阳辐射功率：3.74×1026W，相当于每秒钟燃烧1.28×1015吨标煤放出的能量。太阳辐射波长范围：自0.1nm以下的宇宙射线~无线电波。太阳辐射具有波动性和粒子性。2025/2/2611太阳常数太阳本身的活动会引起太阳辐射强度发生波动。观测表明，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射量大2.5%。在一般的太阳辐射计算中，可近似认为太阳辐射稳定，在地球大气层外的太阳辐射强度为一个常数。太阳常数：指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气外层平面上，单位时间、单位面积上所接受的太阳辐射能，单位为W/m2。太阳常数取值：1357W/m2。具有平均值意义2025/2/2612大气层外太阳辐射强度计算大气层外，单位时间、单位垂直面积上所接受到的太阳辐射能I随地球与太阳的距离而变化。计算方法：D为日地距离；D0为日地平均距离；Ic为太阳常数；n为从元旦算起的天数。2025/2/2613大气质量设A为地球表面海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳垂直入射，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径OA。当太阳位于任一位置S’时，其穿过大气层到达A点的路径为OA’。大气质量定义为两者之比：设定在1atm和0℃，海平面上太阳垂直入射，此时大气质量AM=1，简称AM1。2025/2/2614太阳高度角太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h，则有：当h=90°时，AM=1；当h=30°时，AM=2。2025/2/2615太阳辐射强度太阳辐射强度I：定义为单位时间地球表面上单位面积上所入射的太阳辐射功率，单位为W/m2。I0为大气质量为AM=1的海平面上的太阳辐射强度。结论：到达地球表面任意一点的太阳辐射强度与该点的大气质量成反比。大气质量越大，到达该点的太阳辐射强度越小。2025/2/2616大气透明度太阳辐射强度除了与大气质量有关外，大气中含有的各种气体和固体尘埃都会影响太阳光的透过量。定义P为大气透明度。当大气质量AM=m时，太阳直接辐射强度可表示为：P1为大气质量为1时的大气透明度，Pm为大气质量为m时的大气透明度。P值越大，大气越透明。P永远小于1，一般为0.3~0.85。0.85相当于大气最清净时的透明程度。最好的晴天，P1=0.85；一般的晴天，P1=0.65；较差的晴天P1=0.532。海拔越高，P1大，反之则越小。2025/2/2617太阳高度角h的计算太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h。Ψ为当地的纬度角；ω为时角，每小时的时角为15°，即地球每小时自转15°。δ为赤纬角。2025/2/2618赤纬角δ赤纬角δ的变化范围：δ为赤纬角，定义为正午时太阳-地球连线与地球赤道平面所夹的圆心角。当太阳垂直照射在地球赤道上时，赤纬角为0°，从赤道向北δ取正值，向南则δ取负值。太阳赤纬角δ的计算：n表示一年从元旦算起的第几天。冬至日2025/2/2619太阳入射角太阳入射角：定义为太阳光线与被照射的平面法线之间的夹角。对于倾斜平面，该平面上太阳辐射能与太阳入射角之间的计算关系：若已知Ψ为纬度角；δ为赤纬角；ω为时角，则：2025/2/2620经验：为了接受更多的太阳能，在北半球实际太阳能集热面都是朝南倾斜的，在春天和秋天，如果集热面倾角等于地球纬度角，则太阳辐射正好与集热面垂直。一般来说，在夏天集热面要更水平一些，在冬季要更垂直一些，这样可接受更多的太阳辐射。若集热面朝向正南，与水平面的倾角为，则该斜面上太阳辐射的入射角计算：正午时刻，ω=0，太阳入射角为：2025/2/2621我国太阳能资源分布类型地区年日照时数（h/a）年辐射总量（kWh/m2•a）

1西藏西部、新疆东南部、宁夏北部、青海西部、甘肃北部3200～33001856～2333

2西藏东南部、新疆南部、宁夏南部、青海东部、甘肃中部、内蒙古南部、河北西北部3000～32001626～1856

3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、吉林、辽宁、云南、广东南部、江苏北部、安徽北部

2200～3000

5000～5850

4湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部

1400～2200

4200～5000

5四川、贵州1000～14003350～4200我国西部的太阳能非常丰富，多数地区的年日照时数在3000小时以上我国的太阳能资源是风力资源的1400倍、水力资源的3300倍2025/2/2622太阳能的利用历史中国是世界上最早利用太阳能的国家之一。远在3000多年前的西周时代（公元前11世纪），就已有了“阳燧取火”技术的记载，所谓“阳隧”，就是形似凹面镜的金属圆盘，对着太阳聚光，在聚光点点燃艾绒等易燃物，取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位。2025/2/2623国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。公元前215～210年，古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛，派了一支舰队攻打希库扎港，著名学者阿基米德为了保卫家乡，他让每个士兵用擦亮的铜盾，排列在城堡上，把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上，结果使舰船起火，敌人仓惶逃跑。1973年希腊科学家萨克斯博士，雇了50多名水手，各持一块长方形铜镜，聚焦一只木船，结果木船起火。此可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的。以上说明太阳能利用技术古已存在。但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用，还是起于1615年。法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人。从此，太阳能利用进入了一个新的历史时期。2025/2/2624太阳能利用的主要形式人类直接利用太阳能有四大技术领域，即光热转换、光电转换、光化学转换和储能技术。太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。太阳能化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。2025/2/2625§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存2025/2/2626§2-1.平板型集热器太阳能集热器的分类按集热方式分类：平板型集热器和聚光型集热器按所能达到的集热温度分类：低温集热器（集热温度<100℃）；中温集热器（集热温度100~500℃）；高温集热器（集热温度>500℃）按结构分类：直晒式平板集热器（温升0~10℃）；透明盖板式集热器（水温升0~50℃）；透明盖板集热器（空气温升0~50℃）；真空管集热器（温升10~150℃）；点聚焦集热器（温升>150℃）；线聚焦集热器（温升50~150℃）2025/2/2627聚光集热器(小补充)提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失。聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。工作原理：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与入射太阳辐射总是互相垂直的。2025/2/26282025/2/2629平板型集热器的基本结构基本结构：(1)集热板(2)选择性吸收涂层(3)透明盖板(4)隔热层和外壳平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。2025/2/2630隔热层透明盖板集热板选择性吸收涂层外壳2025/2/2631集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的器件。它包括吸热面板和与吸热面板有良好结合的液体管道或通道。集热板的技术要求：

可以最大限度地吸收太阳辐射；传热性能好，高效传递太阳能给工作介质；好的力学和耐腐蚀性能；加工简单，造价低廉。集热板的材料：铜、铝合金、镀锌铜、铜铝复合板、不锈钢和塑料。其表面涂有选择性或非选择性涂层。(1)集热板2025/2/2632集热板结构形式2025/2/2633为提高集热板吸收太阳辐射的能力，在集热板上都覆盖一层黑色涂层，成为太阳能吸收涂层。太阳能吸收涂层分类：选择性；非选择性。选择性涂层的吸收特性随辐射波长而改变。对太阳短波辐射具有高的吸收比，而本身所在温度的长波发射比却很低的一种涂层。这种涂层既可使吸热面板吸收更多的太阳辐射能，又可减少吸热面板向环境的辐射损失。非选择性涂层对太阳辐射的吸收特性和辐射波长无关。在一定温度下，物体的吸收比等于其发射比。一般平板型集热采用非选择性涂层。只有当工质需要较高的温度或环境温度较低时，才采用选择性涂层。(2)选择性吸收涂层2025/2/2634平板集热器的重要部件。主要功能：(1)透过太阳辐射；(2)保护集热板不受外界灰尘和雨雪侵蚀；(3)形成温室效应。技术要求：(1)太阳辐射的透射率较高；(2)红外辐射的透射率低；(3)导热性能差；(4)耐腐蚀耐冲击性能好。常用材料：

平板玻璃：红外辐射透射率低，导热性能差和耐腐蚀性能好，太阳透射率已达0.9~0.91，但耐冲击性能较差。

玻璃钢板：一种玻璃纤维增强型塑料板，太阳透射率高，导热性能差，耐冲击易加工，但耐蚀性能较差。

透明蜂窝：一种新型透明隔热材料，太阳透射率高，隔热性能最好。一般用聚碳酸酯薄膜(PC)，氟化乙丙烯薄膜(FEP)，聚氯乙烯和薄壁玻璃管制成。(3)透明盖板2025/2/2635隔热层：在集热板的底面和侧面充填有保温材料以减少集热板对周围环境的散热损失。技术要求：保温性能好；性能稳定；不易老化和挥发；不产生有害气体，价格低廉。从传热学角度考虑，设计时一般要求底面的散热是上盖板散热的1／10。常用材料：岩棉、矿棉、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯壳体：固定集热器、透明盖板和隔热层，对集热器起保护作用。常用材料：铝合金、不锈钢和玻璃钢等。(4)隔热层和外壳2025/2/2636平板型集热器的数学模型分析思路：认为管道温度均匀，管与管之间用集热板连接，将集热板的一半以及与之连接的管道抽取出来分析。可将上述模型视为肋片的导热问题。建立肋片的传热数学模型，同时考虑辐射和对流。计算肋片的效率。平板集热器的倾斜度影响集热板表面的对流换热系数。能源专业2025/2/2637问题描述设玻璃盖板的透过率τ，集热板的吸收率α，太阳辐射强度为I透过玻璃盖板照在翼板表面上，冷却流体通过管道吸收热量，环境温度ta为常数，假定沿集热板方向的导热可以忽略不计，材料的导热系数，集热板与环境的对流换热系数为UL，集热板厚度δ，两相邻冷却流体管道之间的距离为2W（非管道中心距离而是边缘距离），流体通道直径为D，流体管道的温度tb0，求集热板温度tp。2025/2/2638平板集热器的效率集热器效率：定义为在稳定工况下，集热器工作介质在单位时间内输出的热量和单位时间入射到集热器的太阳辐射能之比。cp

：流体的比热容：流体进口温度：流体质量流量：流体出口温度A：集热板面积I：太阳辐射强度2025/2/2639§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存2025/2/2640§2-2.真空管集热器平板集热器的缺点散热损失太大；热效率不高，集热温度不高将集热板与盖板、侧壁与地板之间抽真空；将集热板做成圆管形状。由此形成了真空管集热器真空管集热器按材料分类：全玻璃真空管集热器金属真空管集热器改进方法2025/2/2641全玻璃真空管集热器的结构集热管由内外两同心圆玻璃管制成。两玻璃管之间的夹层抽成高度真空，在内管外壁沉积有选择性吸收膜，外管为透明玻璃。两管尾部之间用不锈钢弹簧卡子将内管自由端支撑，卡子顶部带有消气剂，消气剂的作用是吸收集热管在长期使用中产生的气体，以维持夹层内的真空度。2025/2/2642热损失计算以单支真空管集热器为例：qL为单位面积上真空集热管的散热热流密度；UL为热损失系数，Tr为真空集热管温度，Ta为环境温度。UL的计算方法：(注意，有些专著描述有误)UL为从内管外壁面到外部环境流体这个散热损失过程的传热系数。2025/2/2643散热损失过程的三个热阻环节1.集热管对保护套管（外层玻璃管）的辐射热阻r1；2.外层玻璃管的导热热阻r2；3.外层玻璃管与环境之间的辐射和对流复合热阻r3。下标r表示集热管参数；下标e表示外管参数，eo表示外管外壁面，ei表示外管内壁面；a表示环境；R表示半径。2025/2/2644真空集热管实际得到的热流密度：若令qu=0，则集热器开始运行的最小太阳辐射：2025/2/2645热管式真空集热管热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种，它由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分构成，其中热管又包括蒸发段和冷凝段两部分。2025/2/2646热管式真空集热管工作原理太阳辐射穿过玻璃外管后，投射在有涂层的金属集热管4上，集热管将热量传给与其紧密结合的热管蒸发段5，供蒸发段内的工质汽化。工质蒸汽流向热管冷凝段1凝结，凝结放出的热量加热集热器的工作介质。凝结后的液体工质在重力作用下回流到热管蒸发段循环工作。2025/2/2647热管采用热管技术是热管式真空管换热器的最大特点。热管是利用汽化潜热高效传递热能的强化传热元件。在热管式真空集热管中使用的热管一般都是重力热管，也称为热虹吸管。重力热管的特点是管内没有吸液芯，冷凝后的液态工质依靠其自身的重力流回到蒸发段，因而结构简单，制造方便，工作可靠，传热性能优良。目前国内大都使用铜-水热管，国外也有使用有机物质作为热管工质的，但必须满足工质与热管材料的相容性。2025/2/2648热管式真空集热管的优点1.真空集热管内没有水，因而耐冰冻，即使在零下40℃的环境温度下也不冻坏;2.热管工质的热容量小，因而真空集热管启动快;3.热二极管效应：热量只能从下部传递到上部而不能从上部传递到下部，因而真空集热管保温好。注意事项：由于热管的液态工质是依靠其自身的重力流回到蒸发段，所以在安装时要求热管式真空集热管与地面保持一定的倾角。2025/2/2649玻璃-金属封接采用金属吸热板是热管式真空管集热器第二大特点。由于金属和玻璃的热膨胀系数差别很大，所以存在玻璃与金属之间如何实现气密封接的技术难题。玻璃-金属封接技术大体可分为两种:一种是熔封，也称为火封，它是借助一种热膨胀系数介于金属和玻璃之间的过渡材料，利用火焰将玻璃熔化后封接在一起;第二种是热压封，也称为固态封接，它是利用一种塑性较好的金属作为焊料，在加热加压的条件下将金属封盖和玻璃管封接在一起。2025/2/2650目前国内玻璃-金属封接大都采用热压封技术，热压封使用的焊料有铅、铝等。与传统的火封技术相比，热压封技术具有以下几个优点:①封接温度低，封接是在玻璃的应变温度以下进行，封接后不需要经过退火;②封接速度快，封接过程在几分钟内完成，明显提高了生产效率;

③封接材料匹配要求低，对金属封盖和玻璃管之间热膨胀系数的差别要求降低，比较容易找到替代材料。2025/2/2651真空度与消气剂由于热管式真空集热管采用金属吸热板，因而在制造过程中的真空排气工艺不同于全玻璃真空集热管，有其自身独特的真空排气规律。为了使真空集热管长期保持良好的真空性能，热管式真空集热管内一般应同时放置蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂两种。蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的内表面上，像镜面一样，其主要作用是提高真空集热管的初始真空度;非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂，其主要作用是吸收管内各部件工作时释放的残余气体，保持真空集热管的长期真空度。2025/2/2652§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存2025/2/2653§2-3.太阳能热水器

SolarcollectorforheatingwaterAhomeinCaliforniain19062025/2/2654PopularapplicationsintheUnitedStatesincludefacilitiesthatuseagreatdealofhotwater,suchasthisarmylaundryinMassachusetts.ThesolarwaterheaterontheroofofthishouseinIsraelistypicalofthesystemsusedinmanypartsoftheworld.Itconsistsofasolarpanelthatheatsthewaterandatankthatstoresit.2025/2/2655SimplesolarwaterheatersarealsoverycommoninChina.NotethatthestoragetankismountedhorizontallyontheroofofthishomeinBeijing.Twenty-fourrooftopsolarcollectorsprovideabout45percentofthehotwaterusedbythisfast-foodrestaurantinAustralia.2025/2/26562025/2/2657太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：

闷晒式、直流式和循环式。2025/2/2658太阳能游泳池闷晒式：水在集热器中不流动，闷在其中受热升温。2025/2/2659由集热器、蓄热水箱和管道组成。水在这种系统中不循环。当屋顶上集热器的水温高于屋内的储罐水温时，电子控制装置接通水泵向储罐供水。直流式直流式太阳能集热器2025/2/2660循环式：又分为自然循环型和强迫循环型两种形式。(1)自然循环热水系统自然循环太阳能热水系统的储水箱置于集热器上方，水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度升高，形成集热器及储水箱中水温不同。由于密度差而引起浮升力，产生热虹吸现象，使水在储水箱及集热器中作自然流动。2025/2/26612025/2/26622025/2/2663(2)强迫循环热水系统这种系统利用水泵迫使水在集热器与储水箱之间循环。当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。水泵入口处装有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，产生热损失。有数学模型和分析，可自学2025/2/2664全玻璃真空管太阳能热水器的优点真空管热水器一年四季均可使用，其采用高真空双层玻璃管结构，热损失小，保温性能好。集热管为圆形，集热能力受一天中太阳位置变化的影响较小，因而集热时间长。水质清洁，可做生活用水。耐冷热冲击性能好，并可抗冰雹。2025/2/2665§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存2025/2/2666太阳房§2-4.太阳房太阳灶

太阳房是一种直接利用太阳能进行采暖和空气调节的环保型节能建筑，它能使建筑物在一定程度上具有冬暖夏凉的功能。1931年美国麻省理工学院建成了世界上第一座太阳能采暖房。太阳房获取太阳能的基本原理是温室效应。太阳房可分为主动式太阳房和被动式太阳房两类。2025/2/2667补充：温室效应温室效应是指由于玻璃和透明材料对不同波长的电磁波具有选择性吸收和透过能力所导致的热量蓄积的现象。玻璃和透明材料可以让波长较短的太阳辐射透过，而阻挡波长较长的热辐射。这样，用玻璃和透明材料为顶做成的温室，可以让太阳辐射进入温室内部，而室内的长波热辐射则被玻璃阻挡住。进入温室内的能量就大于从温室向外散发的能量，温室内的温度就会逐渐升高而大于环境温度。2025/2/2668大气层温室效应大气层温室效应是指大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体对于短波辐射是透明的，但可以显著地吸收长波辐射（红外线）。而太阳辐射的能量主要集中在可见光和波长更短的辐射，所以大气中的二氧化碳并不显著影响太阳对地球的辐射。而地球表面温度较低，它向太空的辐射几乎全部是红外辐射。大气中的二氧化碳可以吸收地球向太空的红外辐射，大气被加热，其中部分热量又重新辐射回地面，从而产生了地面的保温作用。近两百年以来，研究发现大气中的二氧化碳由于人类活动的影响而异乎寻常的增加，而地面温度也急剧上升，为此人们正在急迫寻找采取措施控制大气层的温室效应。2025/2/2669主动式太阳房与常规能源采暖的区别：以太阳集热器作为热源代替以煤、石油、天然气等常规能源作为燃料的锅炉。主要设备：太阳集热器、储热水箱、辅助热源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等。原理：太阳集热器获取太阳能，通过配热系统送至室内。过剩热量储存于水箱内，当收集的太阳能小于采暖负荷时，由储存的热量来补充，热量不足时由备用的辅助热源提供。或称主动太阳能采暖系统2025/2/2670日本多层太阳能住宅日本在主动式太阳房的研究应用领域处于世界前列。从上世纪70年代开始，日本便按计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直稳步发展，并已应用于大型建筑物上。2025/2/2671主动式太阳房的特点区别：用太阳集热器代替采暖系统中的锅炉（与常规采暖不同之处）。但是，由于地表面上每平方米能够接收到的太阳能量有限，故集热器的面积就要足够大。一般要求太阳能利用率在60%以上，集热采光面积占采暖建筑面积的10~30%，（该比例数大小与当地太阳能资源、建筑物的保温性能、采暖方式、集热器热性能等因素有关）。

蓄热装置：太阳辐射受季节、昼夜、天气的影响。因此，太阳能不能成为连续、稳定的独立能源，要满足连续采暖的需求，系统中必须有贮存热量的设备和辅助热源装置。储热设备通常按可维持2~3天的能量来计算。储热设备一种是贮热水箱，另一种是用卵石槽（工质为空气）。结构简单：太阳房所采用的集热器要求构造简单、性能可靠、价格便宜。由于集热器的集热效率随集热温度升高而降低，因此尽可能降低集热温度，如采用太阳能天棚或地板辐射采暖的集热温度在30~40℃之间就可以了，而采用散热器采暖集热温度必须达到60℃以上。2025/2/2672被动式太阳房被动式太阳房的特点是不需要专门的集热器、热交换器、水泵（或风机）等主动式太阳能采暖系统中所必需的部件，只是依靠建筑方位的合理布置，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（辐射、对流、传导）使建筑物在冬季尽可能多吸收和储存热量，以达到采暖的目的。简而言之，被动式太阳房就是根据当地的气象条件，在基本上不添置附加设备的条件下，只在建筑构造和材料性能上下工夫，使房屋达到一定采暖效果的一种方法。因此，这种太阳能采暖系统构造简单、造价便宜。2025/2/2673被动式太阳房的分类直接受益式：利用南窗直接照射的太阳能集热蓄热墙式：利用南墙进行集热蓄热综合式：温室和前两种相结合的方式屋顶集热蓄热式：利用屋顶进行集热蓄热自然循环式：利用热虹吸作用进行加热循环2025/2/26742025/2/2675直接受益式这是被动式太阳房中最简单的一种形式。就是把房间朝南的窗扩大，或做成落地式大玻璃墙，让阳光直接进到室内加热房间。在冬季晴朗的白天，阳光通过南向的（墙）透过玻璃直接照射到室内的墙壁、地板和家具上，使它们的温度升高，并被用来储存热量，夜间，在窗（墙）上加保温窗帘，当室外和房间温度都下降时、墙和地贮存的热能，通过辐射、对流和传导被释放出来，使室温维持在一定的水平。2025/2/26762025/2/26772025/2/2678集热—蓄热墙式1集热蓄热墙是间接受益太阳能采暖系统的一种。太阳光照射到南向、外面有玻璃的深黑色蓄热墙体上，蓄热墙吸收太阳的辐射热后、通过传导把热量传到墙内一侧，再以对流和热辐射方式向室内供热。另外，在玻璃和墙体的夹层中，被加热的空气上升，由墙上部的通气孔向室内送热，而室内的冷空气则由墙下部的通气孔进入夹层，如此形成向室内输送热风的对流循环。以上是冬天工作的情况。夏天，关闭墙上部的通风孔，室内热空气随设在墙外上端的排气孔排出，使室内得到通风，达到降温的效果。2025/2/26792025/2/2680集热—蓄热墙式2第二种形式是在玻璃后面设置一道“水墙”。特点是墙上不需要开进气口与排气口。“水墙”的表面吸收热量后，由于对流作用，吸收的热量很快地在整个“水墙”内部传播。然后由“水墙”内壁通过辐射和对流，把墙中的热量传到室内。“水墙”内充满水，具有加热快、贮热能力强及均匀的优点。“水墙”也可以用塑料或金属制作，有些设计采用充满水的塑料或金属容器堆积而成，使建筑别具一格。2025/2/26812025/2/2682综合（阳光间）式“综合式被动太阳房”是指附加在房屋南面的温室，既可用于新建的太阳房，又可在改建的旧房上附加上去。实际它是直接受益式（南向的温室部分）和集热—蓄热墙式（后面有集热墙的房间）两种形式的综合。由于温室效应，使室内有效获热量增加，同时减小室温波动。温室可做生活间，也可作为阳光走廊或门斗，温室中种植蔬菜和花草、美化环境增加经济收益，缩短回收年限。附加温室外观立面增加了建筑的造型美、热效率略高于集蓄热墙式，但是温室造价较高，在温室内种植物，湿度大，有气味，使温室的利用受到限制。2025/2/26832025/2/2684屋顶蓄热集热式屋顶做成一个浅池（或将水装入密封的塑料袋内）式集热器，在这种设计中，屋顶不设保温层，只起承重和围护作用，池顶装一个能推拉开关的保温盖板。该系统在冬季取暖，夏季降温。冬季白天打开保温板，让水（或水袋）充分吸收太阳的辐射热；晚间关上保温板，水的热容大，可以储存较多的热量。水中的热量大部分从屋顶辐射到房间内，少量从顶棚到下面房间进行对流散热以满足晚上室内采暖的需要。夏季白天把屋顶保温板盖好，以隔断阳光的直射，由前一天暴露在夜间、较凉爽的水（或水袋）吸收下面室内的热量，使室温下降；晚间打开保温盖板，借助自然对流和向凉爽的夜空进行辐射，冷却了池（水袋）内的水，又为次日白天吸收下面室内的热量做好了准备。该系统适合于武汉夏季较热、冬天又十分寒冷的地区，为一年冬夏两个季节提供冷、热源。2025/2/2685用屋顶作集热和贮热的方法，不受结构和方位的限制。用屋顶作室内散热面，能使室温均匀，也不影响室内的布置。2025/2/2686自然循环（热虹吸）式自然循环被动太阳房的集热器、贮热器是和建筑物分开独立设置的，它适用于建在山坡上的房屋。集热器低于房屋地面，贮热器设在集热器上面，形成高差，利用流体的热对流循环。白天太阳集热器中的空气（或水）被加热后，借助温差产生的热虹吸作用，通过风道（用水时为水管），上升到它的上部岩石贮热层，热空气被岩石堆吸收热量而变冷，再流回集热器的底部，进行下一次循环。夜间岩石贮热器通过送风口向采暖房间以对流方式采暖。该类型太阳房有气体采暖和液体采暖两种，由于其结构复杂，应用受到一定的限制。2025/2/26872025/2/2688太阳灶2025/2/2689太阳灶的基本概念太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，从而进行炊事烹饪食物的一种装置，应能满足烧开水、煮饭及煎、炒、蒸、炸的功能。太阳灶温度要求：如蒸煮或烧开水、要求温度100~150℃；如果需要煎、炒、炸，则需要提供500~600℃的高温。太阳灶功率要求：要根据用户的需求。一般家庭使用的太阳灶，其功率大多为500~1500W之间，截光面积约1~3㎡。太阳灶的热效率：太阳灶提供的有效热能与它接收太阳的能量之比。通过试验和检测，约为50%左右。其他要求：操作方便，如锅灶的高度、它与人体的距离以及便于定时调整角度和方位。耐火性能和抗风载。结构类型：箱式太阳灶、聚光太阳灶和综合型太阳灶。2025/2/2690箱式太阳灶箱式太阳灶的基本结构为一箱体，如图所示。箱体上面有1~3层玻璃（或透明塑料膜）盖板，箱体四周和底部采用保温隔热层，其内表面涂以太阳吸收率比较高（应大于0.9）的黑色涂料，此外还有外壳和支架。2025/2/2691蒸、煮食物可以放在箱内预制好的木架或铅丝弯成的托架上。使用时，将箱体盖板与太阳光垂直方向放置、预热一定时间后，使箱内温度达到100℃时，放入食物，箱子封严后即开始进行蒸煮食物，使用时要进行几次箱体角度的调整，一般1~2小时后即熟。箱式太阳灶可以蒸馒头、包子、焖米饭、炖肉、熬菜和煮红薯等。此外还可以用它蒸煮医疗器具和消毒灭菌之用。2025/2/2692为提高箱式太阳灶的热性能，人们又在箱式太阳灶朝阳玻璃面四周加装平面反射镜1~4块。这样太阳光照射到反射镜后，有很大一部分能量会进入玻璃面，使箱式太阳灶有效能量提高1~2倍。反射式太阳灶2025/2/2693聚光太阳灶

聚光太阳灶是利用抛物面聚光的特性，大大提高了太阳灶的功率和聚光度，使锅圈温度可达500℃以上，大大缩短了炊事作业时间。聚光式太阳灶又可以根据聚光方式的不同，分为旋转抛物面太阳灶、球面太阳灶、抛物柱面太阳灶、圆锥面太阳灶和菲涅耳聚光太阳灶等。由于旋转抛物面太阳灶具有较强的聚光特性、能量大，可获得较高的温度，因此使用最广泛。2025/2/2694提供足够的能量和温度，能烹煮所需种类和数量的食物；坚固耐用，能承受频繁的操作使用以及风和其他外来影响；被社会所接受，适应人们的烹饪和饮食习惯，例如能在蔽荫处做饭，最好在没有太阳时也能烹饪；制造方便，能利用当地的人力和物力；价格应能与其他灶具竞争。聚光太阳灶的设计与制造（略）太阳灶必须具备的条件2025/2/2695§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存2025/2/2696太阳能储存的三个含义：§2-6.太阳能储存将白天接收到的太阳能储存到晚间使用；将晴天接收到的太阳能储存到阴雨天使用；将夏天接收到的太阳能储存到冬天使用。目前的技术发展水平仅限于第一层含义上的储存。太阳能储存的三种方式：显热储存潜热储存化学储存2025/2/2697利用蓄热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热量的储存或释放的过程。对于一定量的蓄热材料，其比热容越大，温度变化越大，储存的热量越多。蓄热材料液体介质：水、油和各种有机溶剂。水的比热容最大，无毒无臭方便易得，价格便宜。固体介质：卵石、砖块、混凝土、土壤等。显热储存2025/2/26982025/2/2699利用蓄热材料在热作用下发生相变而产生的热量储存过程。由于相变潜热比显热变化大得多，因此，潜热储存具有很高的储热密度。一般材料的相变有三种：固气相变、液气相变、固液相变固液相变最常用，固液相变材料常以英文缩小字母PCM表示（Phasechangematerials）。固液相变储能系统包括三个部分：具有适当相变温度范围的相变材料；装载相变材料的容器；换热器。PCM：要求熔化热大、熔点合适、导热性能好、化学性质稳定、无腐蚀、无毒无污染、不易燃烧、价格低廉、容易获得。常用材料：CaCl2.6H2O、Na2CO.10H2O、Na2SO4.10H2O等。潜热储存2025/2/261002025/2/26101利用化学反应热的形式来储存热能。化学储能和释能由两个独立的步骤完成：一是通过化学反应（一般在高温下进行），产生含能的反应产物；二是反应产物发生逆向化学反应又恢复到原先的物质而放出热量。化学能比相变潜热大得多，所以化学储能的能量密度最高。用热水做显热储能的储能密度：58W.h/kg冰的溶解热储能密度：93W.h/kg金属氢化物中轻的化学储能密度：600~2500W.h/kg液态氢的化学储能密度：3300W.h/kg利用太阳能聚焦后的高温进行热分解制氢（温度3000K），将太阳能变成化学能储存与氢中，氢气燃烧可释放大量热能。化学储存2025/2/26102§1.太阳能基础知识§2.太阳能的热利用§3.太阳能的热发电§4.太阳能光伏发电§5.太阳能热气流发电太阳能利用技术

TechnologyofSolarEnergyUtilization2025/2/26103§3.太阳能的热发电§1-1.太阳能热发电技术概况§1-2.太阳能热电站基本系统§1-3.各种太阳能热发电系统§1-4.太阳能热发电技术前景2025/2/26104§1-1.太阳能热发电技术概况太阳能热发电技术：将吸收到的太阳辐射热能转换成电能的发电技术。分类：1.利用太阳热能直接发电。例：半导体或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电、碱金属热电转换、磁流体发电。特点：发电装置本体没有活动部件，但目前发电量小，尚处于原理性试验阶段。2.将太阳能通过热机带动发电机发电。例：塔式发电站、槽式发电站、蝶式发电站，热气流发电站特点：基本组成与常规发电设备类似，所不同的是热能通过太阳能转换而来。2025/2/26105太阳能热发电站的7个发展时期2025/2/261061期1878年，巴黎建立了一个小型太阳能动力系统，盘式抛物面反射镜将太阳光聚焦到置于其焦点处的蒸汽锅炉，由此产生的蒸汽驱动一个很小的交互式蒸汽机运行。1901年，美国研制成功7350W的太阳能蒸汽机，采用70m2的太阳能聚光集热器，该装置安装在美国加州做实验运行。1907~1913年，美国研制成由太阳能驱动的水泵。1913年，研制成36.8kW太阳能动力机，安装在埃及开罗附近，从尼罗河提水灌溉，该装置采用长的槽型抛物面反射镜将太阳光聚焦到中心管上，聚光比为4.5：1。2025/2/261071950年，原苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站小型试验装置，对太阳能热发电技术进行了广泛、基础性的探索和研究。1973年，石油危机。再次兴起太阳能技术研究。20世纪80年代初，以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司。从成立开始，该公司就一刻不停的集中力量研究开发槽式抛物面反射镜热发电系统。1981~1991年，全世界建造了装机容量为MW级的太阳能热发实验电站20余座，最大发电功率为80MW，其中最主要的形式是塔式电站。2期2025/2/261082025/2/261093期20世纪80年代，对已建成的太阳能发电站进行大量的实验研究和分析后，发表了很多技术总结报告，得出基本结论：太阳能热发电在技术上虽然可行，但单位容量投资过大，且降低造价十分困难。之后，关于太阳能热发电站逐渐遭到冷落。美国原计划拟在1983~1995年间，分别建50~100MW和100~300MW的太阳能热电站，结果都没有实现。2025/2/261104期正当人们开始疑虑太阳能热发电前景时，LUZ公司1985~1991年间，在美国加州沙漠相继建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，并投入并网运行。经过努力，电站的初次投资由1号电站的4490美元/kW降到8号电站的2650美元/kW，发电成本从24美分/kWh降至8美分/kWh。计划到2000年，在加州简称总装机容量800MW的槽式太阳能热发电站，将发电成本降至5~6美分/kWh。美国政府和州政府与1991年限后取消对太阳能电站的投资减免税政策，迫使10号电站停建，同年，LUZ公司宣告破产，所有计划全部终止。2025/2/261115期：星星之火对塔式太阳能热发电的研究开发，人们并未因此完全终止，1980年美国在加州建成的太阳Ⅰ号塔式太阳能热发电站，装机容量10MW，经过一段时间试验运行，及时做了技术总结。在此基础上，邮件称了太阳Ⅱ号，并于1996年1月投入试验运行。1992年，德国一家工程公司开发的一种蝶式斯特林太阳能热发电站的发电功率为9kW，到1995年3月底，累计运行了17000小时，峰值净效率20%，月净效率16%，该公司计划用100台这样的发电系统建成一座1MW的蝶式太阳能热发电示范电站。同时产生了一种新型太阳能热发电站称之为：太阳能热气流发电站。1981年建成，1991~1999年美国、以色列、印度、德国、巴西、加拿大都对其产生了研究兴趣。2025/2/261126期进入本世纪以来，许多研究者对太阳能热发电站又开始投入新的热情。2001年，澳大利亚创建SolarMission公司，计划于2003年在澳大利亚Midura建成世界上最高大的太阳能电站——太阳能热气流发电站，发电功率200MW。该电站由集热棚、导流塔（习惯称之为烟囱）、蓄热层和透平发电机组四个关键部件组成。电站导流塔高1000m，外直径170m。集热棚直径7公里。透平叶片长65m。同时，想建200MW太阳能热气流发电站的国家和地区有：南非、巴基斯坦、印度、美国（两度）、巴西、中国。2025/2/261137期？想建200MW太阳能热气流发电站的国家和地区。南非——研究再加研究巴基斯坦——怕打仗印度——还没想好美国（两度）——先霸占了石油再说巴西——目前也就玩玩而已中国——慢慢等决策吧2025/2/26114§3.太阳能的热发电§1-1.太阳能热发电技术概况§1-2.太阳能热电站基本系统§1-3.各种太阳能热发电系统§1-4.太阳能热发电技术前景2025/2/26115§1-2.太阳能热电站基本系统一、电站热系统二、太阳能热发电系统组成2025/2/26116一、电站热系统常规热力发电厂朗肯循环系统2025/2/26117朗肯循环之再热循环2025/2/26118朗肯循环之回热循环2025/2/26119典型太阳能热发电站热力循环系统2025/2/26120太阳能热发电站与常规电站的区别汽轮机发电部分完全一样，都是产生过热蒸汽驱动汽轮发电机组发电。不同点在于：常规电厂燃烧矿物燃料，太阳能热电站收集太阳辐射能为能源。因此，结构上，太阳能热发电站以太阳能收集器代替常规电厂中的普通锅炉。此外，由于太阳辐射能的间断性及周期性特点，需要再设置蓄热子系统或辅助能源子系统。2025/2/26121

冬天太阳辐射低，白天短。因此，早上较晚（8时）系统开始集热，下午较早（17时）停机。白天太阳能只能供给机组满载运行80%的能量，其余由辅助能源供给。2025/2/26122

夏天太阳辐射高，白天长。因此，早上较早（7时）系统开始集热，下午较晚（22时30分）停机。白天太阳能不仅可供给机组满载运行，还有多余能量蓄于储热槽中，留待晚上与辅助热源共同供给机组运行，维持到深夜停机。2025/2/26123二、太阳能电站发电系统的组成典型太阳能热发电系统主要由4各部分组成：聚光集热子系统蓄热子系统辅助能源子系统汽轮发电子系统2025/2/26124聚光集热子系统聚光集热子系统包括聚光器、接收器和跟踪装置。聚光器用于收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上，以提高单位面积上的太阳辐照度，从而提高被加热工质的工作温度。聚光方法：平面反射镜、曲面反射镜和菲涅尔透镜，在太阳能热发电系统中，最常用的聚光方式有两种：平面反射镜和曲面反射镜。聚光器是太阳能热发电系统的一个关键部件，入射阳光首先经过它反射到接收器，其性能的优劣明显影响到太阳热发电系统的总体性能。2025/2/26125聚光器的性能要求1.光学性能聚光器的镜面反射率越高越好，一般采用蒸镀银或铝的玻璃或高分子板，为防止氧化，可采用喷涂一层透明硅胶的方法对反射面加以保护。问题：反射镜暴露于环境，保持镜面清洁是难题。2.机械性能反射镜有很好的平整度；具有较高的机械强度和稳定性，能抗大风；发射镜面和保护膜有很强的粘合度。3.化学稳定镜面具有很强的耐腐蚀性能。2025/2/26126接收器接收器是通过接受经过聚焦的阳光，将太阳辐射能转变为热能，并传递给工质的部件。在这里，工质被太阳辐射能加热，变成过热蒸汽，再经管道送往汽轮机。根据不同的聚光方式，接收器的结构有很大的差别。接收器的关键技术，是其接受阳光的表面必须涂覆选择性吸收膜，使对太阳辐射的吸收率比较高，而在接收器表面温度下发射率较低。2025/2/26127跟踪装置为了使一天所有时刻的太阳辐射能都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上，反射镜必须设置跟踪装置。太阳聚光器的跟踪方式有两种：单轴跟踪和双轴跟踪（反射镜面绕一根轴还是两根轴转动）。实现跟踪的方式：程序控制方式和传感器控制方式程序控制方式：计算太阳运动规律来控制跟踪机构的运动。缺点是存在累积误差。传感器跟踪方式：由传感器瞬时测出入射太阳辐射的方向，一次控制跟踪机构的运动。缺点是多云条件下难以准确定位反射镜的方向。最终方式：结合二者，以程序控制为主，以传感器瞬时测量做反馈，对程序进行累积误差修正。2025/2/26128蓄热子系统蓄热子系统是太阳能热发电系统中必不可少的组成部分。早晚和白天云遮间歇的时间内，都必须依靠储存的太阳能来维持正常运行。夜间和阴雨天一般考虑采用常规燃料作辅助能源，否则由于蓄热容量需求太大，将明显加大整个太阳能热发电系统的初投资。蓄热器就是采用真空或隔热材料做良好保温的储热容器。蓄热器中储放蓄热材料，通过特种设计的换热器对蓄热材料进行储热和取热。储热方式：显热储热、潜热储热、化学储能2025/2/26129辅助能源子系统配置辅助能源子系统的目的就是维持电站能够持续运行。太阳能热发电系统要求的蓄热子系统容量太大，以致投资巨大，所以在其中配以常规燃料做辅助能源，是极其可取的方案。辅助能源子系统就是在太阳能热发电系统中增设常规燃料锅炉，用于阴雨天和夜间启动。常规能源根据当地能源资源选定，可选天然气、石油或煤。现代太阳能热发电系统的最新设计概念是建造太阳能和天然气双能源发电站。2025/2/26130汽轮发电子系统太阳能热发电系统的动力发电装置，可选如下几种：现代汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林发动机动力发电装置根据太阳能集热系统可能提供的工质参数选定。现代汽轮机和燃气轮机工作参数高，适用于大型塔式或槽式太阳能热发电系统。斯特林发动机的单机容量小，通常在几十千瓦以下，适用于蝶式抛物面反射镜发电系统。低沸点工质汽轮机适合于太阳池太阳能热发电系统。2025/2/26131§3.太阳能的热发电§1-1.太阳能热发电技术概况§1-2.太阳能热电站基本系统§1-3.各种太阳能热发电系统§1-4.太阳能热发电技术前景2025/2/26132§1-3.各种太阳能热发电系统两种类型的太阳能发电系统分散型发电系统：将抛物面聚光器配置成很多组，然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、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。2025/2/26133集中型发电系统——塔式2025/2/26134PowerTower2025/2/26135它是在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温蒸气。为了降低塔式太阳能热动力系统的投资，发展了一种太阳坑发电技术。2025/2/26136ParabolicTroughConcentratorsAphotovoltaictroughconcentratorsystemattheAustralianNationalUniversity分散型发电系统2025/2/26137ParabolicDishConcentrator

Parabolicdishsystemsarethemostefficientofallsolartechnologies,atapproximately25%efficient,comparedtoaround20%forothersolarthermaltechnologies.

2025/2/26138另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为100kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。2025/2/261392025/2/261402025/2/26141依山而建的太阳能烟囱2025/2/26142太阳能烟囱的综合利用2025/2/26143§3.太阳能的热发电§1-1.太阳能热发电技术概况§1-2.太阳能热电站基本系统§1-3.各种太阳能热发电系统§1-4.太阳能热发电技术前景2025/2/26144§1-4.太阳能热发电技术前景2025/2/261452025/2/261462025/2/261472025/2/26148太阳能热电站发展潜力海洋能利用技术

Oceanenergy明廷臻能源与动力工程学院2025/2/26150海洋能概述各种海洋能2025/2/26151一、海洋能概述一望无际的汪洋大海，不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。2025/2/26152海洋能分类海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。2025/2/26153海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流和波浪为机械能，海水温差为热能，海水盐差为化学能。各种海洋能的蕴藏量是巨大的，据估计有750多亿千瓦，其中波浪能700亿千瓦，温度差能20亿千瓦，海流能10亿千瓦，盐度差能10亿千瓦。2025/2/26154海洋能的特点蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。即要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。具有可再生性。来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，因而取之不尽，用之不竭。2025/2/26155有较稳定与不稳定能源之分。温度差能、盐度差能和海流能较稳定，潮汐能与潮流能不稳定但变化有规律，波浪能既不稳定又无规律。海洋能属于清洁能源，一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。2025/2/26156二、各种海洋能潮汐能波浪能海洋温差能海洋盐差能海流能2025/2/26157潮汐能潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。2025/2/26158潮汐能：因海水涨落及潮水流动所产生的能量。是以位能形态出现的海洋能。潮汐中蕴藏着的巨大能量：涨潮过程中巨大的动能，随着海水水位的升高，就转化为势能，在落潮的过程中，水位逐渐降低，势能又转化为动能。2025/2/26159潮汐电站的优点清洁、可再生能源；虽然有周期性间歇，但具有准确的规律，可用计算机预报，有计划地纳入电网运行；一般离用电中心近，不必远距离输电；无淹没损失、移民等问题；水库内可发展水产养殖、围垦和旅游综合效益。2025/2/26160潮汐电站的缺点发电具有间歇性，这种间歇性周期变化又和日夜昼夜变化不一致；潮汐属于低水头，故发电效率不高；由于涉及大量海工建筑，单位千瓦的造价较常规水电站高。2025/2/26161全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿千瓦，若能充分利用起来，其每年的发电量可达33480万亿度。我国海岸线曲折，漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。理论蕴藏量达1.1×108kW，其中浙江、福建两省蕴藏量最大。2025/2/26162我国主要港口潮差概况（单位：m）

大潮差小潮差湛江4.872.18（平均）黄浦2.500.30高雄0.400.20基隆1.200.30厦门4.602.90福州5.703.60上海3.002.00青岛3.481.91天津

2.48秦皇岛

1.00大连2.561.392025/2/26163中国主要潮汐电站表站名潮差（米）容量(MW)投运时间江厦5.13.21980白沙口2.40.641978幸福洋4.51.281989岳浦3.60.151971海山4.90.151975沙山5.10.0419612025/2/26164潮汐能利用的主要方式是发电。通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。2025/2/26165潮汐能利用可分为两种形式：一是利用潮汐的动能，直接利用潮流前进的力量来推动水车、水泵或水轮机发电。二是利用潮汐的位能，在电站上下游有落差时引水发电。由于利用潮汐的动能比较困难，效率又低，所以潮汐发电多采用后一种形式，即利用潮汐的位能。潮汐电站的几种类型2025/2/26166单库单向电站单库双向电站双库连续发电电站潮汐位能电站的分类2025/2/26167在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，将海湾与外海分隔，形成水库。在涨潮时开启闸门将潮水充满水库。落潮时当外海潮位下降，控制水库水位与潮位保持一定落差，利用该落差水流流经厂房时推动机组发电。这种电站只建造一个水库，而且只在落潮时发电，称为单库单向发电。单库单向电站2025/2/26168冲水工况：开启水闸，机组停电，上涨的潮水经水闸进入水库，至库内外水位齐平为止。等候工况：水闸关闭，机组停电，水库内水位保持不变，库外水位因落差逐步下降，待库内外水位差达到一定水头时，启动水轮机发电。发电工况：机组发电，库水位水流外泄，库水位下降，直至与外海潮位的水位差小于机组发电需要的最小水头为止。等候工况：机组停电，库水位保持不变，待库内外水位齐平后，转入下一循环。单库单向电站运行工况2025/2/26169单库单向电站每昼夜发电两次，停电两次，平均每日发电约9~11小时。由于采用单向机组，机组结构简单，发电水头较大，机组效率较高。也可采用涨潮时发电充水，落潮时泄水的形式。多用于小型潮汐电站。电站评述2025/2/26170单库双向电站为了在涨落潮时都能发电，须建造单库双向电站。这种电站一般有两种形式，一种是设置双向发电的水轮发电机组；一种是仍采用单向发电机组，但从水工建筑物布置上使流道在涨潮和或落潮时，都能使水流按同一方向进入和流出水轮机，从而使涨落潮两向均能发电。2025/2/26171单库双向电站每昼夜发电4次，停电4次，平均每日发电约14~16小时。发电小时数约增长1/3，发电量约增加1/5。由于兼顾正反两向发电，所以发电平均水头较单向发电小，相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。设备制造和操作运行技术要求高，宜在大中型电站中采用。电站评述2025/2/26172双库连续发电电站上述单库单向电站和单库双向电站都出现停机状况，给用户和系统带来很大不便。为保证连续供电，可建造双库连续发电电站。在海湾或河口处建造相邻的两个水库，各与外海用一个水闸相通，一个水库专门进潮（称高水库），一个水库专门出潮（称低水库），在两个水库之间设置发电厂房并相连通，在潮汐涨落中，控制进水闸和出水闸，是高水库与低水库间始终保持一定落差，从而在水流由高水库流向低水库时连续不断发电。2025/2/26173电站评述双库连续发电电站的优点十分明显，但缺点时工程建筑物多、分散，工程投资高。由于把海湾或河口分隔成两个水库，使原来一个大水库与外海交换的水量变成两个水库之间的水量交换，因此发电利用的水量约减少了一半，发电量也相应减少较多。双库连续发电宜建设在地形条件十分优越的地方，如何利用天然地形不增建中间堤坝，布置厂房、水闸较方便。一般情况下这种电站单位造价比较昂贵。2025/2/26174是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能2025/2/26175波浪能分布全世界波浪能功率资源：2×1012W，对应于年可利用能源1.75×1013kWh电，相当于全世界一年的用电量。爱尔兰具有欧洲最好的波浪能，近岸波浪能达到每年4.8×1010kWh电，但却有超过90%的能源需要进口。2025/2/26176我国有愈18000km的海岸线，7000多个大小岛屿，我国沿岸和海岛附近的波浪能理论年平均功率约为12.85GW。我国沿海波浪功率可达17~39kW/m，渤海湾更高达42kW/m，利用前景诱人。我国波浪能资源主要分布在经济发达而常规能源缺乏的东南沿海，主要是浙江、福建和广东沿海，以及台湾沿岸。开发波浪能资源，对于我国东南沿海地区的经济发展具有极为重要的意义。2025/2/26177与太阳能、风能等技术相比，波浪能相对较为年轻，目前经济上无法与之竞争。能流密度在可再生能源中最高。波浪发电是波浪能利用的主要方式。此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项，获得专利证书的也达数百件。波浪能利用被称为“发明家的乐园”。2025/2/26178波浪是由于风吹过海面引起。由于风与海面的相互作用，一部分风的能量传给了海水，变成了波浪的动能和势能。动能有海水的运动速度来描述，势能时偏离平均海平面的海水质量的函数。风传给海水的能量取决于风的速度、风与海水作用的路程长度和时间长度。波浪的速度取决于它们的波长——波长愈长，波浪运动愈快。这种现象在飓风中可以看到，此时风暴引起的长波长的波浪传播得比风暴更快，因此风暴前首先到来的是巨大的浪涌。波浪的形成2025/2/26179

波浪发生的三个过程开始时，空气吹过海水表面，由于粘性作用，对海水施加一个切向力。而水的表面张力提供了一个弹簧的恢复力，使水面产生一层微小的涟漪，它是波浪形成的前奏，此时的波称为表面张力波；靠近水表面的湍动的空气流引起剪切力和压力的波动，当这些波动与已有的波浪同相位时，波浪进一步加强；波浪继续受风的剪切力作用，与风共振，从风中吸取能量。波高逐渐加高，波长逐渐加长，最后到达波澜壮阔的情况，此时，迫使水面复原的恢复力为重力，故称为重力波。2025/2/26180波浪分类表面波或涟漪（capillarywave）：当微风吹拂海面或掷一小石子于湖中，水面上一层层涟漪，波长仅数厘米，周期1~2s。恢复力是表面张力。微弱的涟漪是海浪形成的开始。重力波（gravitywave）：一般在海边看到的波浪，其周期从数秒至十数秒，波长由数米之数百米，波高亦可达十数米。恢复力是重力。引起波浪的外力是风，在刮风区的浪称为风浪wave，波浪传递远离刮风区后称之为涌浪swell。涌浪较平滑单周期和波长较长。俗语说：小船怕浪，大船怕涌。即是因为涌浪的波长长之故。2025/2/26181海啸（Tsunami）：因海底地震所引起的波浪，此类波在大洋中并不很可怕，但在近岸浅水海域，波浪因浅化而波高剧增，可造成严重灾害。此波在大洋中传递极快，每秒速度可超过200m，时速逾700km，接近飞机速度