《新能源工学基础》课件

《新能源工学基础》1《新能源工学基础》教学大纲课程的性质和任务：新能源技术是自然科学和工程学的结合，其理论基础宽广，工程实践综合性强。随着新能源开发的飞跃发展，最新技术和基本原理越来越受到关注和重视。如何展示和讲解科学技术领域的发明发现，

最新技术和基本原理，特别是理工学方面的基础知识，是一个非常有意义的过程。本课程将以一种易懂的方式讲述及普及新能源工学领域的基础知识，

为学生了解新能源设备在工学领域的特性、规律提供帮助及启发。本课程分别介绍了多种类的新型能源在现今生活中的应用和发展，太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等自然能源是怎样帮助

我

们

改

变

生

活

的

。然后，带着好奇、疑惑、不解和期待探究新能源

工学中的奥妙：光、风、水、电、能量、运动、能量交换及守恒、新能源发电及技术特点等。这样有利于学生对自己将要从事的专业有全面认识，以激

发他们对后续的基础课程、专业课程的学习兴趣。通过本课程的学习，学生需对以下方面有全面的了解和认识：1.

了解新能源科学与工程学科的分类、应用等，2.掌握新能源科学与工程涉及的原理及初步的工学基础，3.

具备一定的描述新能源利用技术中物理现象与解决问题方法的能力。2序号教学内容学时1第1章能量与新能源能量、新能源、如何利用新能源，教学大纲、

教学日历解读22第2章分布式能源系统及智能化分布式能源、智能电网、智能微电网、物联网

基础知识43第3章光与能量转换光辐射描述及诸参数求解、太阳能发电、太阳

能光伏电站与投资方案设计84第4章风与能量转换风能与风功率、风力发电、风力发电数值仿真

与虚实结合技术85第5章水与能量转换水电站与水轮机、水轮机理论与特性、水电站水轮机选型、水轮机组选型设计、水轮机的虚实结合与数值仿真86第6章热与能量转换生物质利用、地源热泵与地源能利用、温差热

电技术与温差热电制冷技术简介、核能利用基

础简介67现场教学实验室现场演示实验：流体力学基础、热工学基础、光伏发电、风力发电、发电设备物联网

及控制等4共计40教学内容及学时安排3能量是什么?能量是事物运动的基础。宇宙中的一切，包括你的身体，都蕴藏着能量。能量存在的形式有许多种：光能、热能、电能、声能、动能

等，能量是表示物体做功能力大小的物理量，包括动能、势能、热能、电能、光能、化学能、核能等多种形式。这本书中将与你一起认识这些能量、告诉我们是如何获得能量的，能量是如何转换的，转换工程的实行，转换能力的评价。能量无处不在，能量在世界各地不停地循环从一种形式转换为另一种形式，可以说能量是一切事情发生的必备条件。科学家们正在努力于所有研究范围内进行追寻，争取破译能量产生、流动、交换、耗散的复杂过程。我们将探究不同种类的新能源具有的能量形态与能量转换时的原理及特点、

数学表达与量化等，各种新能源在进行能量转换时涉及到的工学领域方面的基础知识。学习目标

了解能量及新能源的定义，理解为什么要发展新能源。第一章能量与新能源4任何能量都是从物质中获取任何能量都是从物质中获得。能源是各种能量形式的载体，那么能量当然就储存在能源中了。因此在我们所处的日常生活中的能

量范围内给出一个能量概念，是一件有意义的事情。理论上说，太阳所发出的辐射是地球上绝大多数能量的源头，堪称“能源之源”

。太阳给了地球上的植物以巨大的能量，植物将这些能量积聚在体

内，长高长大，这些能量又成为地球上其它生物的能量基础。2020/5/1

5能量评价能量与我们的生活息息相关，比如，

一瓶汽水含有837.36J,1升汽油含有约3.24×104kJ的能量，利用217个“巨无霸”大号汉堡中的能量，能够驾车行驶35

km。

简单地说，4.1868J的能量或热量可将1g水在一个标准大气压下升高1℃,(4.1868J=1cal)。一般来说，成人每天至少需要6280.2

kJ的能量来维持身体机能，这是因为即使躺着不动，人的身体仍需能量来保持体温，心肺功能和大脑运作。我们知道的能量有动能和位能，热是能量的一种形态，原子和分子的内动能和内位能是热的根源，热力系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量，单位为焦耳，符号为J。2020/5/1

6新能源的由来能源在哪里?或者说，哪些物质或物质形式才是能源，它们是

什么样子的?人类为了满足自身的需要一直在孜孜不倦地寻找能源

,征服能源在人类社会的发展中起到了关键作用，随着需求的不断

增加及环境的要求，必须不断开发新能源。现在的能源面貌已经或开始发生深刻的变化，可再生能源在其中占据了举足轻重之地，今后可能会成为重要领地的持有者。如果自然界中的一种能源能再生或更新，它就可被视为可再生

能源，这样的能源就有太阳能、风能、水能、生物能和地热能。诸

如太阳、地球、月亮这些天体便是这些能源的发源地。太阳是一台

巨大无比的机器，它每秒能把几百万吨的物质转化为热量，其中心

温度高达几千万摄氏度。这个热量通过辐射发送到太空。来自太阳

的辐射中只有非常小的一部分被地球截取到。太阳在一小时内输送

给地球的能量等于人类一年所消耗的能量。无论天气如何，地球在

一年中接收到的能量是恒定的。这个能量可以转化为热量、机械能

,还可以变成电能。2020/5/1

7新能源的形成太阳辐射能够让植物通过光合作用得到生长，这个从光开始的神奇的物质变化是所有植物生长的由来，它是所有生物能的来源。来自太阳的热量维持了水的循环，这个热量能使水蒸

发到空中变成水汽，水汽进入大气后，成云致雨，雨水流入江河湖海成为水能的源头。地面和海洋面吸收的来自太阳的热量

使得周围气团温度升高，对大气压带来影响，两个气团之间存

在压力差会引起气团之间的空气流动，即形成了风，这便是风

能的来源。地球中放射元素衰变释放出热量使得地球中心温度

超过7000摄氏度，成为地热能的来源。2020/5/1

8可再生能源按照是否可以再生，能源可以分为可再生及非再生能源。可再生能源是指在自然界中可以不断得到补充或能在较短周期内再

产生，取之不尽、用之不竭的能源，如太阳能、风能、水能、生

物质能、地热能、海洋能等。煤炭、石油、天然气、核能等，它

们经过亿万年形成而在短期内无法恢复再生，用掉一点便少一点

,对于这些能源的清洁高效利用显得十分重要，受到重视。2020/5/1

9新能源与常规能源根据开发利用的广泛程度不同，能源可以分为常规能源和新能源。常规能源是指开发利用时间长、技术成熟，已经大规模生产并得到广泛使用的能源，如煤炭、石油、天然气、水能与核能等，目前这些能源几乎支持着全世界的能源消费。所说新能源，就是目前还没有大规模利用、正在积极研究开发的能源，或者采用新技术和新材料，在新技术基础上系统地开发利用的能源。新能源是相对于常规能源而言的，在不同历史时期和科技水平下，新能源的含义也不相同。当今社会新能源主要指太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能、小水能等。其中核能利用技术十分复杂，核裂变技术已广泛使用，而可控核聚变反应至今未能实现，所以，目前主流观点是将核裂变能看成常规能源，而将核聚变能视为新能源。2020/5/1

10新能源开发特点新能源除了其清洁、可持续循环利用的特点以外，开发这些新能源需要新理念、新高科技理论、新开发技术才能达到高品质

开发，也是其重要特点。新的认识与开发方法可以让新能源获得

新的利用途径，发挥新的效能。2020/5/1

11如何利用这些新能源如何利用这些能源呢?按照国际能源署(IEA)的推荐，新能源和可再生能源可分为三类：第一类是大中型水电、第二类是传统的生物质能，这两类称为旧的可再生能源；第三类是新的可再生能源，包括太阳能、风能、现代生物质能、氢能、地热能、海洋能和小水电等。新能源是今后最具发展前景的能源。但是开发新能源也会遇到“瓶颈”,许多新能源在开发过程中遇到了各种困难，要想以新能源逐步代替传统能源，需要长期探索，还有很长的路要走。下图中分别表示了风力发电、太阳能发电、生物质能发电、抽水蓄能等新能源发电家族成员。2020/5/1

12s电刷集电环电流计核能：利用风险系数较高，铀矿生成周期

长且量少。煤炭、石油、天然气

能：可再生周期以亿年为单位。风力发电太阳能发电

抽水蓄能电站超低落差水力发电新能源发电厂家族生物质发电厂电磁感应发电输电线路2020/5/1

13风力发电风光2020/5/1

14分类投入商业运营的程度光伏发电技术太阳能技术不太成熟，制约了太阳能发电的经济性，与其他能源相比还不具有竞争力。但光伏发电产业是规模经济效应明显的产业，随着技术提升、市场扩大，太阳能发电的成本不断下降，经济性逐渐显现。政府对太阳能光伏发电产业的激励政策驱动了市场发展，各种力量及资金

汇集，太阳能光伏发电即将进入井喷时代风力发电技术技术较为成熟，应用性较强，发电成本有一定的市场竞争力光热发电技术处于技术研发与集成示范的产业化导人时期，完善产业链暂未形成，市场潜力大电化学储能技术处于技术研发和产业化导人阶段，已经初步形成从原材料、产品到产业的完善链条水力发电技术水力发电开发历史悠久，技术成熟，产业化效果良好各类主要新能源产业发展阶段2020/5/1

15第二章分布式能源系统及智能化学习目标

了解分布式能源系统的内涵及特点，理解发展智能电网、智能微电网的重要性。2020/5/1

16电力系统及其构成电力系统是由发电厂、变电站、输电网、配电网和电力用户等环节组成

的电能生产、传输与利用系统，见下图所示。发电厂将自然界的一次能源通过发电动力装置转换成电能由输电系统、变电系统、将电能输送到负荷中心

,再由变电站向客户供配电。输电系统、变电系统、配电系统称为电力网络

或简称电网，是电力系统重要的一部分。2020/5/1

17用户群(充电桩)杆上变压器输电网变电站配电站发电厂电力系统成员及作用发电厂产生电能。发电有多种方式，如风能、太阳能、化石燃料、水能、核能等。变电站的任务是汇集电源、变换电压、分配电能。输电网负责电能输送，电流沿着高压输电线路流

动，将电能输送至各个方向。配电站在电力系统中与用户相连

并向用户分配电能。杆上变压器再次降低电压以供用户使用。用户群，也可视为电力系统中广大用户使用的各种电气设备。2020/5/1

18传统电网变电调

度智能电网变电智能管理工业用电居民用电风光储能

电动汽车双向信息流火电水电新能源可再生能源能量流信息流传统电网与智能电网的区别输电：输电配电实时调度、

管

理2020/5/1

19工业用电居民用电配

电火

水电电智能电网的特点智能电网是一个完全自动化的电能传输网络，它能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个发电、输电、配电过程中所有节点之间信息的双向流动，向用户有效的提供安全优质的电能。还有，智能电网中支持多种可再生新能源、储能系统的接入，为新能源走进能源大家族提供了可靠的技术保证，也将为挑战新一代能源危机、环境危机做出重要贡献。与传统电网相比，智能电网体现出电力流、信息流和业务流的高度融合的显著特点，能够适应大规模清洁能源和可再生能源的接入，可获取电网的全景信息，运行管理与控制灵活，能及时发现、预见故障，并能实现自我恢复，电网的坚强性得到巩固和提升，双向通信系统使得服务项目更加快速便捷。2020/5/1

20智能电网的结构中心服务器

采集服务器SCADA服务器集群调度台操作维护工作站核心网IP承载网鲁基站

基站

基站发电

配电用电电力用户集中器PLC采集器电量表用电信息采集器配电变电站配网自动化圣愉电线路指挥调度输电变电站视频监控2020/5/1

21DTUFTU发电厂分布式发电与微电网·分布式发电是一种新兴的能源利用方式，其定义可概括为：直接布置的配

电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电。分布式发电

系统中的发电设施称为分布式电源，主要包括风力发电、太阳能发电、燃料

电池、微型燃气轮机等。这些电源通常发电规模小且靠近用户，一般可以直接向其附近的负荷供电或根据需要向电网输出电能。·微电网是一种新型电力网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制

装置构成的系统单元。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治

系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网是相对传统大

电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组

成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。由上图可以看出微电网由分布

式电源、储能装置、能量转换装置、监控及保护装置汇集而成的小型发配电系

统

。2020/5/1

22智能微电网·

智能微电网就是微电网的智能化，它的原理、特点与智能电网相

似。它是将可再生清洁能源发电技术，如风力发电、光伏发电、

生物质能、燃气轮机、燃料电池等能源管理系统(EMS)

和输配

电设施高度集成的新型电网。智能微电网可以看作是一个小型的

电力系统，它具备完整的发、输、配电功能，可以实现局部的功

率平衡与能量的优化，在大电网系统中微电网又可以看成为一个

电源或负荷。·

作为小型完整的电力系统，智能微电网依靠自身的控制及管理功

能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质

量治理等方面的功能。除了高可靠性供电，还具备高效率能量管

理功能，可以显著提高能源利用率，并具备在线电能质量监测与

优化功能，可通过计算机云服务与手机客户终端实现数据监测与

管理，可对多种能源发电进行实时监控及调度运行。下图中表示

了一例智能微电网的系统结构图。2020/5/1

23智能微电网的系统结构图智能微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、监控及保护装置汇集而成的小型发配电系统。调度中心

EMS监控平台

环境检测仪

10kV/

电网35kVAC400V变压器2020/5/1

24柴油机

光伏阵列

风力发电机

蓄电池1锂电池n

BMS

负荷端智能配电柜

风力逆变器n储能变流器n,

负荷配电柜光伏逆变器1储能变流器1微电网与大电网的关系大型电厂

升压变枢纽变电站大电网

配电变压器，

配电变压器微网光伏电站商业建筑

光伏电站储能

商业建筑燃气轮机工厂企业光伏电池燃料

电

池

居民风力

发电配电变压器2020/5/1

25分布式电站能源管理系统通过能量管理控制可以充分利用分布式新能源发电、实现发电调峰及负荷不间断优质供电、实现系统智能化保护与运行，实

现发电及用电效益最大化。微电网行业研究分析认为，微电网是

大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。随着微电网关键

技术研发进度加快，预计智能微电网将进入快速发展期。2020/5/1

26智能微电网能源管理系统架构下图表示了多种分布式电站智能微电网能源管理系统

(EMS)

的整体架构，目标是实现多种能源最大化利用的目的。华南理工大学与科远公司合作开发了智能微电网分布式能源管理系统，系统由风电系统、光伏发电系统、热伏系统、火电系统、水电系统、储能系统(蓄电池，储能变流器)、负荷中心管理系统、配电开关柜系统等主要部分组成。能源管理系统同期并网柜

快速开关柜AC380V母线气象单元风机变频器光伏逆变器热伏逆变器汽轮发电机

水轮发电机储能变流器模拟负载10kw20kw20kw50kw50kw4004H直驱风机

光伏组件

热伏组件

汽轮机

水轮机蓄电池组2020/5/1

27智能微网控制及能量管理系统界面智能微电网控制及能量管理画面表示在下图中，负荷管理系统具

备“智能感知、智能处理、智能判断”的特点，能实现智能决策及运

行管理及确保安全、可靠、经济地运行。2020/5/1

28综合能源能量管理监控主界面发电功率日发电累计发电并网次数累计并网时长0.00.0181.720

次67.3并网次数社会贡献SocialContribution园区电量储能系统减少标准煤133.9t监控主画面2020/5/129光伏发电能量控制管理界面光伏控制画面实时光照强度100.0

0

W/a²MPT

模式MPPT

模

式MPPT

模

式2020/5/1

30风力发电能量控制管理界面MPT

模式MPPT模

式MP

广植式贴PT横武总有功

48

k总无功

KVar311.22kw0.40

kVar10

c0

m/s2020/5/1MPPT

横

式智能微电网核心是大量接入新能源与电网智能技术微电网把分布式电源、负荷、储能设备及控制系统结合起来，构成了小型电力系统。微电网核心功能是大量接入风力、太阳能等分布

式的发电方式，提高了分布式能源发电方式的渗透率及电网智能技术的快速发展。微电网支持并网(并入大电网系统)运行与孤网(微电

网单独运行)运行两种模式：在并网工作模式下，与中、低压配电网并网运行，互为支撑，实现能量的双向交换。当外部电网故障或调度条件发生变化时可转换成孤网运行模式，继续为本地微电网内的重要负荷提供电能。管理平台通过采取先进的控制策略和控制手段，可以保证微电网内的高质量电能供电特性，另外对应并网、孤网两种运行模式的无缝切换也能够快捷实现。具体内容专业课中将会进行介绍。2020/5/132智能微电网前景从全球来看，智能微电网主要处于实验和示范阶段，市场规模稳步增长。当下世界范围的能源电力需求及新能源发电使用量增大，智能微电网技术应用前景看好。随着新能源分布式电站及电网智能技术的不断快速发展，各种分布式电站如雨后春笋出现,太阳能光伏发电、风力发电、光热转换发电等分布式电站的智能、经济运行更加被期待，各国都在抓紧研究，仍需大踏步前进O2020/5/133让新能源设备和谐进行能量转换实际上能源依据能量转换原理的不同其发电设备构造也不同。我们的任务是，了解能源的能量转

换原理、条件及特点，寻求使能量更加和谐的转换

过程，让新能源、清洁能源发电设备更好地融入电

力系统大家族，以更好的姿态服务于社会。2020/5/134○学习目标

了解太阳能的能量描述方法及重要参数的表达、太阳能转换成电能时

能量参数与设备参数最佳方案的探讨，会进行一些基础设计，有条件时参加有关实

验及实训提高动手能力。第三章光与能量转换2020/5/135光与能量转换一太阳能利用94%,这是目前我国火电占装机总容量的比例。这样的一种能源结构，让我们在取得经济高速增长的同时，也付出了环境代价。怎样让电力更清洁、更环保?俗话说得好，万物生长靠太阳，所

以太阳也被称作“能源之母”。太阳能是地球上许多能源的来源，

如风能、化学能，水能等等。太阳能是最理想的能源，在可再生

能源的有效利用中，不管是从资源的数量、分布的普遍性，还是

从清洁性、技术的可靠性来看，太阳能都比其它可再生能源更具

优越性。它是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价，人类能够自

由地利用的能源。2020/5/136太阳能利用形势广东省出台的《关于促进光伏产业健康发展的实施意见》规划到2015年，全省光伏发电总装机容

量争取达到1GW,2020年达到4GW。粗略按10元/瓦

计算，到2015年广东省光伏发电市场规模将达到100

亿元，2020年将达到400亿元。依现在国家对光伏发

电产业的支持，估计发展增速会更快。2020/5/137太阳常数太阳常数是进入地球大气的太阳辐射在单位面积

内的总量，要在地球大气层之外，垂直于入射光的平

面上测量。·

1981年，世界气象组织(WMO)

公布的太阳常数值是1368w/m²。·

到达地球大气外圈的太阳光能量(太阳常数)约13.7kW/m²。2020/5/138到达地球表面太阳光能密度·

照射在地球表面的太阳光，在穿过大气层的时候，部分能

量被大气层中存在的各种气体分子吸收，使到达地球表面

的太阳光能密度比大气层外的密度值小，到达地球表面的太阳光能密度大约为1kW/m²。·

如果太阳能电池的转换效率是100%的话，光照射在1m²面积上就可以获得1kW

的电能。可是，家庭中实际使用的太

阳能电池转换效率是10%～20%,所以，

一块边长为1m²的

正方形太阳能电池板上可以获得的太阳能是100W～200W。2020/5/139太阳高度角ah与

辐射强度的关系太阳高度角ah、

方位角Y

的关系热面积大，光热分散，获得太阳辐射能量少，因此太阳

辐射强度小太阳高度角大，受热面积小，光热集中，获得太阳辐射

能量多，因此太阳

辐射强度大太阳高度角ah、

天顶角θ天顶太阳天顶角θAna

地表太阳视位置(高度角)参数关系2020/5/1

40太阳高度角与太阳辐射强度的关系太阳视位置(太阳高度角)求解sinαh=sinδsinφ+太阳高度(角)

αn

定义见右上图，可由上式计算得到。式

中

：太阳

时

角W:

@=15⁰×(ST-12)式

中ST

为真太阳时观测地域纬度φ:地域纬度为已知条件，如观测地广州纬度φ为21.4°:定义见右下图，计算式如下，式中参数的决定赤

尾

角

δ

+232020/5/1

41可参考第3章赤尾角计算四象限图。北回归线

赤道南回归线春分

秋分冬至0°45°.45°夏至-23.8赤尾角计算四象限参考图δ=23.45°Ⅱ

夏

至

I6月21日δ=0°春

分3月20日乡从冬至开始计时至秋

分9

月

2

3日从秋

分NⅢ到

春

分.012从冬至到春分的天数IV到

秋

从春分=

2夏.97至5

的天数2020/5/1

42

夏δ=0

°δ=-23.45°

冬

至从秋分开始计时的天数Q的

天

数

α12月22日例：求夏至日太阳赤尾角由赤纬角计算四象限参考图可知，夏至日即6月21日处在第

一

象限末日，公式中a1表示为从春分日开始至夏至经过的天数，N1=92.975

为从春分日到夏至日的天数；可

以看出，此时：αl=92.975,N1=92975(,al=M),α2=0,α3=0,α4=0,即，夏至日太阳赤纬角δ=23.45°。*更多例题详细请参考书第三章节。2020/5/1

43即有

：δ=23.45°太阳能发电形式·

太阳能的利用方式可以分为直接方式和间接方式，直接方式包括太

阳能热水器、太阳能电池等，间接方式有通过水循环进行水力发电，

风循环进行风力发电、帆船行驶等，除此之外，还有利用受惠于太

阳光生长的植物进行的生物质能发电和生物酒精制造等。·

太阳能光伏板发电太阳能电池，是以电能的方式输出太阳能，也可

以说，光伏太阳能在于直接将来自太阳的光转变为电流。这种方式

比直接利用太阳能热更加方便，下页图中表示了太阳光伏板发电的

示意图。·

另外，还有利用月球引力所引起的潮位变化来进行的潮汐发电、利

用地球内部岩浆产生的热进行的地热发电等。2020/5/1

44太阳能光伏板发电2020/5/1

45太阳能屋顶光伏发电2020/5/1

46并网与离网运行·

对于地处偏远，无法使用其它各种能源的地区来说，太阳能是一种

有用的能源。一些太阳能电池板不需与电网连接，它们被安装在住宅屋顶或偏远农场的屋顶，离开公共电网独立运行，称离网运行。·

光伏发电系统与公共电网相连接，共同承担供电任务称为并网运行。

它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段，成为电力系统组成部分之一的重要方向，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的

主流趋势。·

并网运行光伏发电系统具有许多独特的优越性：可以对电网调峰；所发电能回馈电网以电网为储能装置，省掉蓄电池，节省发电成本；光伏电池与建筑完美结合，即可发电又可作为建筑材料，资源充分利用；出入电网灵活，容易实现电力系统的负荷平衡。2020/5/1

47光热发电·

光被聚集起来，温度就会变得更高。温度更高，热量就会更有效

地转化为机械能等能量。装配一套叫“定日镜”的镜子，将反射

的光线射向一个黑色的表面，这个表面就会有效地吸收光线并将

之转化为热量。然后将热量传递给一种流体，它可以是空气、水

或油。以水为例，随着温度的升高，它将化为蒸汽，蒸汽在汽轮

机里膨胀提供了机械能给转轴，机械能转化为电能是由一个交流

发电机来实现的。·

聚集光线必须利用具有几何形状的镜子，按集热方式不同，太阳

能发电站存在三大类：2020/5/1

48碟式太阳能发电厂下图为碟式太阳能发电厂。采用抛物线形的镜子跟踪太阳，在其焦点的位置放

置了一个斯特林机。这个抛物线形状可以使来自太阳的光线聚集在一个焦点，即斯特林机发热的那个部位，其温度可达500～1000摄氏度。斯特林机靠循环气体受热膨胀产生的功来维持其运转，发电原理见下页中图斯特林发电原理实验2020/5/1

49斯特林机发电原理实验2020/5/150塔式太阳能热发电厂下图表示了塔式太阳能热发电厂原理图。塔式太阳能热电站里安装了

一系列定日镜，全天跟踪太阳。这些定日镜把光线反射在一个焦点，即一

个敞开的仓位，在其底部有一组黑色管子收集光线。这些管子将热量传递

给循环于其中的流体，温度可以达到将近1000摄氏度。接收器蒸汽发生器

高温储热器低温储热器透平、发电机塔定日位场2020/5/151集热器及热交换聚集太阳光透明玻璃通回热器管热气缸吸热管接收器外壁2020/5/152集热器及热交换U

形管热气缸钠蒸汽吸热面吸液芯液态钠通回热器管接受器外壳2020/5/153抛物面槽式太阳能发电厂下图为抛物面槽式太阳能发电厂。其聚光集热的实现靠一排横截面为

抛物线的槽型镜来实现，光线被聚集在一条线上。这样，太阳能就被安

置在这些镜子焦点上的一条管道所吸收。这些镜子全天候跟踪太阳，所

达温度在200～400摄氏度之间。2020/5/154太阳能光伏发电利用·

太阳能利用已逐步深入我们的生活，如太阳能充电背包、灯、

充电桩、屋顶光伏电站等等，见下图。·

本节将太阳能光伏发电作为重点叙述。太阳能充电背包

太阳能灯太阳能充电桩屋顶光伏电2020/5/155太阳光线太阳电池结构原理上电极N型硅PN

结P型硅

下电极太阳能光伏电池及组件2020/5/156光伏发电板组件太阳能光伏发电原理日常生活中，我们对灯具通电后发出光的现象习以为常，可是有谁想到

过将光能转变成电能呢?有PN结的半导体硅在太阳光照射下，相互之间竟然

产生了电流!称作太阳能光伏发电机或称其为太阳能光伏电池。太阳能光伏

电池是一种对光有反应并能将光能转换成电能的器件，这种发电称之为太阳

能光伏发电。在自然能源中，最令人期待的就是太阳能光伏电池，太阳能光

伏发电的井喷时代来临了!P型硅半导体涂层为硼，多带正电荷；N型硅半导体涂层为磷，多带电子负电荷。PN硅片叠在一起，成为PN结。PN节的作用是将正、负电荷分离，正

电荷向P型半导体集结，负电荷向N型半导体集结。实际上PN结是一个内建电

场，当光照射PN结时，因光生成的正、负电荷在内建电场的作用下发生分离

,P侧带正电、N侧带负电。内建电场会产生电位差也就是电压，也就是光伏效应。只要用电路连接，这种电位差就会形成电流，如下图所示。2020/5/1

开路电压

57如上图，单个晶硅电池电压只有0.8V,

将25个电池片串联电压可达到20V,再将这样的11个组件串联可得到的输出电压为220V,达到了一般照明所需的电压。电池片串联→电压升高太阳能电池的串并联单个太阳能电池片的输出电压很低，可以通过串联方式提高电压，通过并联形式提高电流，从而增大发电量。实际使用的太阳能电池阵列是由多个太阳能电池组件串、并联配线组成的。2020/5/158电池1

电池2下电极电池3如果想要增大电流，就需要将组件进行并联连接。例如上述220V的5

个组件并联连接后的电流可以达到20V电压。电池片并联

→

电流增加这样，将11个20V电池组件串联可输出