清洁能源概论全套课件

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1.1概述1.2清洁能源发展概况1.3清洁能源发展过程中存在的主要问题复习思考题第一章绪论清洁能源：是指能源高效、清洁、系统化利用的技术体系。广义概念：清洁能源是指基本的开发和利用的整个过程中一般不会或很少污染环境和生态，或产生的污染程度小于被利用的能源，如地热能、天然气、生物质能等。清洁能源实质上是能源利用的技术体系，而不是能源的分类。狭义概念：清洁能源是指在开采、运输、使用和排放过程中不会对环境和生态造成任何污染的能源，如太阳能、风能、水能、地热能、生物质能以及海洋波浪、海流、海水温差、潮汐等能源。1.1概述1.1.1清洁能源的概念一、清洁能源的概念清洁能源具体可从以下三个方面进行阐述：1.清洁能源是一种关于能源利用的技术体系，并不是对能源进行简单的人为分类。2.清洁能源同时进行了环保和经济两方面的强调。3.清洁能源的排放标准是有具体要求的，必须在排放要求范围内。清洁能源实质上是能源利用的技术体系，而不是能源的分类。换言之，清洁能源严格来说是指整个贯穿首尾的能源利用系统，并非指能源利用的源头。1.1概述1.1.1清洁能源的概念一、清洁能源的概念1.1概述1.1.1清洁能源的概念二、清洁能源的特点标准化的排放自然属性1.1概述1.1.2发展清洁能源的意义保障能源供应安全实现15%清洁能源承诺改善环境质量我国正处于工业化和城镇化快速发展的重要时期，能源需求具有刚性增长特征，然而受资源储量、生态环境、开发条件等诸多因素的制约，我国国内常规化石能源可持续供应能力远低于未来国内能源潜在需求。预计到2020年，我国清洁能源的开发利用总量可达6.7~7.4亿t标准煤，可补充能源供应缺口的60~70%，有效保障能源供应安全。研究表明，为实现2020年我国非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右的目标，清洁能源发电装机规模将达到6亿kW，占全国发电装机容量的1/3以上，清洁能源发电占一次能源消费总量的12.5%左右，转化为电力的清洁能源比重超过80%。发展清洁能源可以减少化石能源消费带来的二氧化硫、氮氧化物与烟尘等环境污染排放量。研究表明，2020年清洁能源发电可每年减少二氧化硫排放200万t。我国清洁能源资源主要分布在西部和北部地区，大力开发清洁能源可为中东部地区提供清洁电力，缓解中东部地区的环境压力。1.2清洁能源发展概况1.2.1清洁能源利用现状一、太阳能并网光伏发电是目前世界上发展最快速的能源技术。典型的并网光伏发电系统结构包括：光伏阵列、DC/DC变换器（directcurrent-directcurrentconverter）、蓄电池组、直流汇流母线、DC/AC逆变器（directcurrent-alternatingcurrentinverter）、控制器和检测系统等。1.2清洁能源发展概况一、太阳能图1—1典型并网光伏发电系统1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况一、太阳能2017年，全球光伏市场全年新增装机容量超过98GW，同比增长28.95%，全球累计装机容量已经超过402.5GW。传统市场，如美国、日本新增装机容量分别达到10.6GW和7GW。新兴市场，如印度和巴西2017年新增装机容量分别约为9.1GW和0.9GW。根据国际能源署的预测，到2030年全球光伏累计装机量有望达到1721GW，到2050年将进一步增加至4670GW。1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况一、太阳能2017年，我国新增装机容量为53GW，占全球总新增装机容量54.08%；累计装机容量为131GW，占全球总累计装机容量的32.57%。均处于市场第一位。美国累计装机容量51GW，占全球总累计装机容量的12.67%日本累计装机容量49GW，占全球总累计装机容量的12.17%德国累计装机容量位列全球第四，为42GW，占全球总累计装机容量的10.43%印度累计装机容量位列全球第六，为18.3GW，占全球总累计装机容量的4.55%1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况二、风能风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。风能资源集中区域：沿海和开阔大陆的收缩地带分布：主要在北美洲、亚洲、拉丁美洲等地方据相关估算，全世界风能总量约为1300亿kW，其中可利用的风能为200亿kW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，高达每年53万亿kW·h。1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况二、风能图1-2典型风力发电系统的构造1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况二、风能截至2018年底，全球风电装机总容量达到600GW。2018年全球新增风电装机容量为51.3GW，同比下降3.6%，其中陆上风电装机总量为46.8GW，比2017年下降了3.9%，海上风力发电场装机总量为4.5GW，增长0.5%。根据全球风能理事会预计，到2023年，全球风电装机容量每年至少增加55GW。值得一提的是，中国是目前最大的风电市场，2018年新增装机容量为25.9GW，占全球总装机容量的一半。同时，中国是全球首个风电装机容量超过200GW的国家。毫无争议，中国稳居世界风电领导者的地位，累计风电装机容量高达221GW。美国是全球风电第二大市场，其总装机容量达96GW，2017年新增装机6.7GW，2018年新增装机则增长至7.6GW。1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况1.2.1清洁能源利用现状三、地热能分为：浅层地热能、水热型地热能、干热岩型地热能。特点：供能持续稳定、高效循环利用、可再生优点：可减少温室气体排放、改善生态环境地热能利用：发电和热利用地热能是蕴藏在地球内部的热能，是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全优质的可再生能源。1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况三、地热能

其中，地热发电作为清洁的发电技术之一，有极大潜力成为一种快速商业化并能够并网发电的可再生能源的优先选项。另外，地热发电也可以说是可靠的（甚至强于水电）可再生能源来源，可以向电网不断输送电力，不像其他方式存在间歇性和不确定性，几乎完全不受气候的影响。截至2015年底，全球地热发电累计装机量达到13.4GW，比2014年增长了5.51%2017年的《地热能开发利用“十三五”规划》指出：到2020年，我国地热发电装机容量约为530MW。主要包括中高温地热发电、中低温地热发电以及干热岩发电等。地热能还可作为建筑制冷和制热的主要来源，其工作原理如图1-3所示。1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况三、地热能图1-3地源热泵作为建筑制冷和制热的工作原理图1.2.1清洁能源利用现状1.2清洁能源发展概况四、生物质能生物质能是一种重要的可再生能源，直接或间接来自植物的光合作用，一般取材于农林废弃物、生活垃圾及畜禽粪便等，可通过一系列的转换技术（图1-4）将其转化为固态、液态和气态燃料。特点：环境友好、成本低廉、碳中性等近年来，全球生物质能的开发利用技术取得了飞速发展，应用成本快速下降，以生物质产业为支撑的“生物质经济”被国际学界认为是正在到来的“接棒”石化基“烃经济”的下一个经济形态。《生物质能“十三五”规划》预计到2020年，生物质能基本实现商业化和规模化利用。1.2.1清洁能源利用现状四、生物质能1.2清洁能源发展概况生物质能年利用量约为5800万t标准煤。生物质发电总装机容量达1500万kW，年发电量900亿kW·h。与2016年已有的生物质发电装机容量1214万kW相比，有23.56%的增长空间。图1-4生物质能转换技术图1.2.1清洁能源利用现状五、潮汐能1.2清洁能源发展概况据有资料显示，全球潮汐能资源总储量巨大，若利用充分可以发电10亿kW以上优点：潮汐能本身不会因为洪水、汛期等水文因素的变化而变化，所以其社会效益和经济效益的优势越来越明显。苏格兰和英格兰已发展为全世界海洋能源主要的开发基地。利用潮汐能发电的原理如图1-5所示。图1-5潮汐发电示意图1.2.1清洁能源利用现状六、煤层气1.2清洁能源发展概况煤层气是与煤伴生、共生的气体资源，是一种潜在的洁净能源；同时它又是一种温室气体，在体积相同条件下，其温室效应是CO2的24.5倍。2010~2015年，我国煤层气抽采量从92亿m3跃升至180亿m3利用量则从37亿m3攀升至86亿m3，同比增长135%。根据《页岩气“十三五”发展规划》与《煤层气开发利用“十三五”规划》，“十三五”期间，新增煤层气探明地质储量4200亿m3，建成2~3个煤层气产业化基地。2020年，煤层气（煤矿瓦斯）抽采量达到240亿m3，其中地面煤层气产量100亿m3，煤矿瓦斯抽采140亿m3。1.2.1清洁能源利用现状六、煤层气1.2清洁能源发展概况到2020年，两大产业化基地煤层气产量达到83亿m3。此外，规划提出新建贵州毕水兴、新疆准噶尔盆地南缘煤层气产业化基地。在内蒙古、四川等地区建设煤层气开发试验区，到2020年煤层气产量达到11亿m3。1.2.1清洁能源利用现状一、发电技术1.2

清洁能源发展概况主要包括水力发电、风力发电、太阳能发电和生物质能发电。

（1）水力发电水力发电是技术成熟、运行灵活的清洁低碳可再生能源，具有防洪、供水、航运、灌溉等综合利用功能，经济、社会、生态效益显著。目前，全球常规水力发电装机容量约1000GW，年发电量约4万亿kW•h，开发程度为26%（按发电量计算），欧洲、北美洲水力发电开发程度分别达54和39%，南美洲、亚洲和非洲水力发电开发程度分别为26、20和9%。发达国家水能资源开发程度总体较高，如瑞士达到92%、法国88%、意大利86%、德国74%、日本73%、美国67%。发展中国家水力发电开发程度普遍较低，我国水力发电开发程度为37%，与发达国家相比仍有较大差距，还有较广阔的发展前景。今后全球水力发电开发将集中于亚洲、非洲、南美洲等资源开发程度不高、能源需求增长快的发展中国家，预测2050年全球水力发电装机容量将达2050GW。1.2.2

国际清洁能源技术及产业发展状况1.2

清洁能源发展概况（2）风力发电目前，风力发电技术比较成熟，成本不断下降，是应用规模最大的清洁能源发电方式。

发展风力发电已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国深入推进能源生产和消费革命、促进大气污染防治的重要手段。到2015年底，全球风力发电累计装机容量达432GW，遍布100多个国家和地区。随着技术的发展，发电成本的降低，风力发电在未来的清洁能源领域将发挥较强的市场竞争力。1.2.2

国际清洁能源技术及产业发展状况1.2清洁能源发展概况（3）太阳能发电

在今后一定时期内，太阳能发电技术主要是依靠光伏发电。目前，光伏发电全面进入规模化发展阶段，中国、欧洲、美国、日本等传统光伏发电市场继续保持快速增长，东南亚、拉丁美洲、中东和非洲等地区光伏发电新兴市场也快速启动。太阳能热发电产业发展开始加速，一大批商业化太阳能热发电工程已建成或正在建设，太阳能热发电已具备作为可调节电源的潜在优势。在不考虑土地成本的前提下，目前我国光伏电站的发电成本已经控制在1元以下，未来力争将光伏发电成本降在0.7元以下，这将为以后的大规模发展奠定基础。

（4）生物质能发电生物质能是世界上重要的清洁能源，技术成熟，应用广泛，在应对全球气候变化、能源供需矛盾、保护生态环境等方面发挥着重要作用，是全球继石油、煤炭、天然气之后的第四大能源，成为国际能源转型的重要力量。截至2015年，全球生物质发电装机容量约100GW，其中美国15.9GW、巴西11.0GW。生物质热电联产已成为欧洲，特别是北欧国家重要的供热方式。生物质燃气和生物质固体燃料与煤混燃发电效率较高，因此这将是目前生物质发电的主要发展方向。1.2.2

国际清洁能源技术及产业发展状况二、供热技术1.2清洁能源发展概况主要是太阳能热水器、生物质燃料和地热供热。优点：技术成熟，生产规模不断扩大，产业体系不断完善，在市场上的竞争力不断提升。分类：燃用生物质木炭的壁炉和热电联产集中供热等。1.2.2

国际清洁能源技术及产业发展状况三、供气技术1.2清洁能源发展概况供气技术主要包括制氢技术、生物天然气技术、煤层气开发技术和天然气清洁生产技术。氢能作为一种来源广泛、清洁无碳的二次能源，有利于降低传统化石能源比重、提高清洁能源应用水平，发展氢能是我们应对气候变化、优化能源结构的重要手段。

发展生物天然气，规模化处理有机废弃物，能有效解决粪污、秸秆露天焚烧等引起的环境污染问题，保护城乡生态环境。此外，生物天然气不断拓展车用燃气和天然气供应等市场领域。

煤层气作为高成长、高回报的清洁新能源，是常规天然气最重要的补充和替代气源，也是国家“十三五”规划重点发展的清洁能源。在国外，煤层气的使用技术非常成熟。

天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，可与核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互补，是能源供应清洁化的最现实选择。1.2.2

国际清洁能源技术及产业发展状况四、液体燃料技术1.2清洁能源发展概况

主要是指燃料酒精、生物质燃料油等。乙醇技术以速生植物为原料，也必将是液体燃料的主要发展方向。美国把玉米作为主要原料来制取车用乙醇燃料，而巴西则利用低成本的生物质资源（木薯、甘蔗等）制取车用乙醇燃料。综上所述，在21世纪初期，很多的清洁能源利用技术不断进步，产业规模不断扩大，经济价值逐步提升，市场化较为明显，预计在未来的10年间，大多数清洁能源技术的市场竞争力还将会提升，在未来的20年以后发展会更加迅速。1.2.2

国际清洁能源技术及产业发展状况1.3清洁能源发展过程中存在的主要问题

1.部分清洁能源亟需寻找替代原料例如，玉米等粮食作物是乙醇的主要原料，但是目前世界粮食总量不足，粮食问题依然存在，那么这样的清洁能源原料就与经济的发展存在着一定程度的矛盾，于是，寻找可替代玉米的原料就显得尤为迫切。2.部分清洁能源的技术问题需要突破例如，太阳能光伏发电需要继续开发太阳能电池等新材料，那么电池的光电转化效率技术就必须突破；再如，风能发电所需设备中的齿轮箱等核心部件的国产零件损坏率很高，目前很难自给，那么就需要对该技术进行深入研发。1.3清洁能源发展过程中存在的主要问题

3.清洁能源的经济性难以解决从目前来看，清洁能源的前期对研发资金的投资和设备原料的投入远远高于传统能源。从发达国家的清洁能源发展经验来看，有一大部分高科技企业在清洁能源的研发和生产领域占据着重要地位，那么怎样加大投入力度，用激励政策来调动广大企业的积极性依然是当前的主要课题。4.清洁能源的发展缺少相应的政策支持这个问题在清洁能源行动中得到暴露，地方政府在做清洁能源决策时缺乏经验，从而造成政策支持不够，影响到清洁能源的发展。清洁能源行动是一项庞大的系统工程，需要各方面政策的支持。要利用好、协调好相关政策的作用。其中特别要注意以下政策作用的发挥和应用。一是国家相关的法律、法规和规定，如西部大开发、振兴东北老工业区以及关于节能与能效、热电联产、集中供热、清洁能源、环境保护等一系列的政策和规定。二是地方相关行业，如电力、煤炭、热力、天然气等行业的相关政策和规定，尽量做到协调一致，共同促进清洁能源的开发和利用。1.3清洁能源发展过程中存在的主要问题5.清洁能源的法律法规有待进一步的完善在当前一个阶段，现行的有关清洁能源的法律法规依然存在着不同程度的问题。要想顺利推动清洁能源产业化，就要结合不同清洁能源的发展现状和发展特点，需要制定合乎发展的法律法规才能对清洁能源实行倾斜性的保护。复习思考题123简述清洁能源发展过程中面临的问题、机遇和挑战。简要论述清洁能源的概念以及发展清洁能源的意义。通过调查我国清洁能源的发展概况，论述清洁能源的发展趋势和前景。目录

2.1概述2.2太阳能的开发与应用2.3太阳能的发展前景复习思考题第二章太阳能太阳能（solarenergy）：是指来自于太阳的辐射能量，它是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出的巨大核能而产生的，包括光能和热能。太阳能不仅是地球上生命产生和存在的基础，也是人类生存和发展的基础。太阳能是地球上最主要的能量来源，地球上绝大部分能源皆源自于太阳能。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。所以太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则指太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。2.1概述2.1.1太阳能的概念与特点一、太阳能的基本特点1、优点（1）量大：太阳每秒钟照射到地球上的能量为1.465×1014焦，相当于500万吨标准煤，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。（2）清洁：太阳能是一种清洁能源，本身不会污染环境。（3）普遍：太阳能的来源没有地域的限制，便于采集、开发和利用，并且不需要开采和运输。（4）长久：太阳的核聚变还将持续上百亿年，相对于短暂的人类历史来说，太阳能是取之不尽、用之不竭的。2.1概述2、缺点（1）分散：尽管到达地球表面的太阳辐射的总量很大，但是密度很低。因此，在利用太阳能时，就需要提高太阳光的接收面积，造成太阳能利用设备成本的提高。（2）不稳定：太阳能的质量受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。（3）效率低、成本高：目前，太阳能利用装置的效率普遍还比较低，其经济性与常规能源没有优势。在今后相当长的一段时期内，太阳能利用的进一步发展，将主要受到经济性的制约。2.1概述2.1概述2.1.1太阳能的概念与特点二、太阳能利用的基础理论（1）太阳光谱太阳上的物质通过各种聚变产生能量，原子得到能量，发生跃迁，产生各种波频的波，产生太阳光谱。太阳光谱的波长范围很宽，经色散分光后按波长大小排列包括无线、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等几个波谱范围。在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为0.295~2.5μm。短于0.295μm和大于2.5μm波长的太阳辐射，由于地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面。但是太阳辐射能的大小按波长的分配却是不均匀的，在全部辐射能中，波长在0.15~4μm之间的占99%以上，且主要集中在红外区、可见光区和紫外区。其中，可见光区（0.4～0.76μm）占太阳辐射总能量的约50%，红外区（>0.76μm）占约43%，紫外区（<0.4μm）的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。2.1概述2.1.1太阳能的概念与特点（2）太阳能常数与大气质量太阳能常数：太阳光在其到达地球的平均距离处的自由空间中的辐射强度，取值为1367W/m2。大气质量（Airmass，AM）：地球上的太阳辐射受到大气吸收的强烈影响，因此，实际的太阳辐射不仅与时间、地点有关，也与气象条件有关。大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量，其值为AM=1/cosθ，θ是指太阳光入射光线与地面法线间的夹角。AM0：大气质量为零的状态，指的是在地球外空间接收太阳光的情况，适用于人造卫星和宇宙飞船等应用场合。AM1：大气质量为1的状态，是指太阳光直接垂直照射到地球表面的情况，其入射光功率为925W/m2。相当于晴朗夏日在海平面上所承受的太阳光。这两者的区别在于大气对太阳光的衰减，主要包括臭氧层对紫外线的吸收、水蒸气对红外线的吸收以及大气中尘埃和悬浮物的散射等。AM1.5：当θ=48.2°时，大气质量为AM1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1000W/m2，常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准。2.1概述2.1.2太阳能的转换及利用一、光热转换光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程，以有效地满足不同负载的要求。太阳能光热转换在太阳能工程中占有重要的地位，其基本原理是通过特制的太阳能采光面，将投射到该面上的太阳能辐射能作最大限度的采集和吸收，并转换为热能，加热水或空气，为各种生产过程或人类生活提供所需的热能。太阳能的光热利用在日常生活中非常普遍，如太阳能热水器、太阳能灶、太阳能空调、太阳能大棚、太阳能供暖、太阳能海水淡化等。太阳能的光热转换也可以用来发电，即将太阳光进行会聚，得到高温热能，从而加热介质推动涡轮机进行发电。2.1概述2.1.2太阳能的转换及利用二、光电转换太阳能光电转换是通过光伏效应把太阳辐射能直接转换成电能的过程。能够将太阳能直接转换为电能的装置即太阳能电池。目前太阳能电池的工作原理主要分为两种，一种是基于p-n结的“光电效应”，如目前已经商业化各种晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等；另外一种主要是利用光化学效应，如染料敏化太阳能电池，大部分基于后者的太阳能电池还处于萌芽阶段。但太阳能电池的应用目前已经非常普遍，渗透到了交通、通信、林业、农业、电视、气象、地质等各个领域的方方面面，小到计算器、手表、玩具，大到人造卫星、航天飞船、火星探测器，处处都能找到它的身影2.1概述2.1.2太阳能的转换及利用三、光化学转换太阳能的光化学转换是指将太阳的辐射能转化为化学自由能，主要包括光分解反应、光化合反应以及光敏作用三个方面。其基本原理是物质吸收太阳的光子的能量后，跃迁到激发态，激发态的物质不稳定，当物质从激发态跃迁回基态的时候，引发光化学反应。太阳能的光化学转换其实也非常普遍，传统照相底片的显影，利用的就是AgBr见光分解原理；又如利用光分解反应来降解装修产生的甲醛等污染物、利用光降解有机物进行污水处理、利用光解水原理来进行氢气的制取、利用染料分子的光敏效应发明的染料敏化太阳能电池、利用光化合反应实现二氧化碳制取甲醇等等。2.1概述2.1.3太阳能的发展概况阳光是地球上的绿色植物进行光合作用的基础，没有太阳，就没有缤纷多彩的地球生命，没有太阳，也就没有人类的产生。人类对太阳的崇拜可以追溯到人类的起源，19世纪西方宗教研究领域自然神话学派的代表人物麦克斯·缪勒提出，人类所塑造出的最早的神是太阳神，最早的崇拜形式是太阳崇拜。可以说，人类历史发展的各个方面，都得益于太阳和对太阳能的利用。人类利用太阳能虽然已有3000多年的历史，但把太阳能作为一种能源和动力加以利用，却只有不到400年的历史。真正将太阳能作为未来能源结构中的重要一员，则是近年的事。

按照太阳能利用发展和应用的状况，一般把太阳能科技的发展分为八个阶段：2.1概述2.1.3太阳能的发展概况第一阶段（1615年~1900）：近代太阳能的利用历史可以追溯到1615年法国工程师所罗门·德·考克斯发明第一台太阳能驱动的抽水泵，在其后的1615年～1900年间，人们又研制了多台太阳能动力装置和其它一些太阳能装置，这些动力装置大部分为太阳能爱好者个人研究制造，主要采用水蒸气作工质，发动机功率不大，且价格昂贵。第二阶段（1900~1920年）：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样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；1902~1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。2.1概述2.1.3太阳能的发展概况第三阶段（1920~1945年）：这期间太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此太阳能的研究工作受到冷落。第四阶段（1945~1965年）：二战结束后的20年间，许多有远见的人士已经意识到石油和天然气资源的迅速消耗将带来能源短缺问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究的热潮。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电的大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件。2.1概述2.1.3太阳能的发展概况第五阶段（1965~1973年）：太阳能的研究在此期间停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。第六阶段（1973~1980年）：自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护该国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（或称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。2.1概述2.1.3太阳能的发展概况第七阶段（1980~1992年）：70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展也起到了一定的抑制作用。第八阶段（1992~2019年）：由于大量燃烧矿物能源，造成了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。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能的利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环境与发展大会之后，中国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。2.1概述2.1.3太阳能的发展概况通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大、反复多、发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应、政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都快。未来，约从2020年开始起，太阳能热发电，将作为开路先锋，引领全世界综合利用太阳能，进入人类新时代。一、太阳能光热发电2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用

太阳能光热发电的发电原理是：通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热介质（液体或气体），再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。

一般来说，太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式（盘式）、菲涅尔式四种系统。一、太阳能光热发电2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用塔式塔式发电系统：是在地面上安装多面定日镜，将太阳光反射并集中到场地中心的一座高塔顶部的接收器上。接收器将吸收的太阳光能转化成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做工，带动发电机进行发电。一、太阳能光热发电2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用碟式碟式发电系统：由抛物面反射镜接收太阳光，集中反射到抛物面的焦点上，利用焦点处的斯特林机将接收器内的传热工质加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。目前峰值转换效率可达30%以上。一、太阳能光热发电2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用槽式槽式发电系统：是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。槽式聚光器的抛物面对太阳进行的是一维跟踪，温度可以达到400℃。一、太阳能光热发电2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用菲涅尔式菲涅尔式发电系统：工作原理类似槽式光热发电，只是采用菲涅尔结构的聚光镜来替代抛面镜。成本相对来说低廉，但效率也相应降低。二、太阳能光热供暖2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用

太阳能光热供暖是一种利用太阳能集热器收集太阳辐射并转化为热能的供暖技术。一般由太阳能集热器、储热水箱、连接管路、辅助热源、散热部件及控制系统组成。其基本过程是：太阳能集热器获取太阳辐射能而转化的热量，通过散热系统送至室内进行采暖；过剩热量储存在储热水箱中内；当太阳能集热器收集的热量小于供暖负荷时，由储存的热量来补充；若储存的热量不足时，由备用的辅助热源提供。太阳能供暖系统以太阳能集热器作为能源，替代或部分替代以煤、石油、天然气、电力等作为能源的锅炉，这是太阳能供暖系统与常规能源供暖系统的主要区别。太阳能供暖系统结构简单，运行可靠，热流密度较低，即工质的温度也较低，安全可靠，具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑一体化最佳供暖选择之一。三、太阳能光热转换制冷2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用太阳能制冷可由太阳能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种途径来实现。太阳能光热转换制冷是将太阳能转换成热能，再利用热能驱动制冷机制冷，主要有太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统和太阳能喷射式制冷系统。其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用阶段，而太阳能吸附式制冷还处在试验研究阶段。四、太阳能海水淡化2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用太阳能海水淡化技术是利用太阳能产生的热能，直接或间接以驱动海水的相变过程，使海水蒸馏淡化；或是利用太阳能发电以驱动渗析过程，从而制取淡水的过程。由于太阳能系统与海水淡化技术易于结合，突破了原来仅局限于太阳能蒸馏领域的格局，实现了用能方式、结构形式的多样化，使太阳能海水淡化技术逐渐走向成熟。太阳能海水淡化方法分为直接蒸馏法、光热转换法、电转换法三类。五、太阳能节能建筑2.2.1光热转换技术2.2太阳能的开发与应用太阳能建筑是指使用直接获取的太阳能作为优先使用能源，利用太阳能供暖和制冷的建筑的一类建筑。在建筑中应用太阳能供暖、制冷，可节省大量电力、煤炭等能源，而且不污染环境，在年日照时间长、空气洁净度高、阳光充足而缺乏其他能源的地区，采用太阳能供暖、制冷，更加有利。一、光伏效应2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能够使得半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。太阳能电池的基本原理就是光伏效应：当太阳光照在半导体p-n结上，形成新的电子-空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用能够将太阳能直接转换为电能的装置即太阳能电池，太阳能电池工作的基本原理就是“光伏效应”。1、太阳能电池的发展过程太阳能的利用途径主要包括光热转换、光电转换和光化学转换三种利用方式，其中的最佳途径就是设计并组装出具有简单、高效且价格低廉等优点的太阳能电池。自美国贝尔实验室开发出第一块单晶硅太阳能电池开始，人们对于太阳能电池的研究脚步就没有停止过。一般认为太阳能电池发展到现在，经历了三个阶段：（1）第一代太阳能电池以硅片为基础。（2）第二代太阳电池就是基于薄膜技术的一种太阳能电池，其核心是一种可粘接的薄膜。（3）第三代太阳电池是指目前处在概念化和试验研究中的各种新型太阳能电池。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用2、太阳能电池的光电转换过程（1）半导体通常，导电性差的材料，如木头、玻璃、陶瓷、塑料等称为绝缘体；导电性好的材料，如各种金属、溶液、熔融盐等称为导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。如Si（硅）和Ge（锗）最常见的元素半导体；CdS（硫化镉）、GaAs（砷化镓）、CdTe（碲化镉）等属于化合物半导体。以上所列的半导体材料都具有良好的光电转换性能。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用2、太阳能电池的光电转换过程（2）P型半导体与N型半导体半导体中有两种载流子：导带中的电子和价带中的空穴。如果某一类型半导体的导电性主要依靠价带中的空穴，则该类型的半导体就称为P型半导体。“P”表示正电的意思，取自英文Positive的第一个字母。半导体中的空穴来自于受主，凡掺有受主杂质或受主数量多于施主的半导体都是P型半导体。与之相对的，如果某一类型半导体的导电性能主要依靠导带中的电子，则该类型的半导体就称为N型半导体。“N”表示负电的意思，取自英文Negative的第一个字母。半导体中的电子来自于施主，凡掺有施主杂质或施主数量多于受主的半导体都是N型半导体。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用2、太阳能电池的光电转换过程（3）P型硅与N型硅硅原子的最外层有四个电子，在纯净的硅晶体中掺入少量的三价元素，例如硼，使之取代晶格中硅原子的位置，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），就形成了P型硅。在硅中掺入适量的五价元素，例如磷，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，可提供除满足共价键配位以外的一个多余电子，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子，这就形成了半导体中导带电子浓度的增加，形成了N型硅。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用2、太阳能电池的光电转换过程（4）P-N结将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅）基片上，在它们的交界面形成的空间电荷区称为P-N结（PNjunction）。P-N结是太阳能电池光电转换的物质基础。P型半导体内空穴为多数载流子，电子为少数载流子，N型半导体内电子为多数载流子，空穴为少数载流子，则P-N型结就出现了电子和空穴的浓度差。由于浓度差的存在，电子从N型区向P型区扩散，空穴从P型区向N型区扩散，并在界面处复合。P型区失去空穴后，留下了带负电的杂质离子，N型区失去电子后，留下了带正电的杂质离子。由于开路中半导体中的离子不能任意移动，因此这些离子在P区和N区的交界面附近，形成了一个空间电荷区，构成了内建电场，内建电场的方向是从N区指向P区，与电子或空穴扩散的方向相反，对电子和空穴的扩散形成了阻碍。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用另一方面，内建电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。当多数载流子的扩散和少数载流子的漂移达到动态平衡，在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区即是P-N结。P-N结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多数载流子，所以也称耗尽层。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（5）光生伏特效应太阳能电池工作原理的基础是半导体P-N结的“光生伏特效应”。“光生伏特效应”简称“光伏效应”，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。对于半导体P-N结来说，太阳光照射到半导体P-N结上，当光子的能量等于或大于半导体的禁带宽度时，光子就会被吸收，并将价带中的电子激发到导带中，在价带中形成空穴，在P-N结内建电场的作用下，空穴流向P区，电子流向N区，连通外电路后就形成了电流。这就是基于半导体P-N结的太阳能电池的工作原理。

因此，太阳能的光电转换依次主要包括：半导体材料对光子的吸收、电子-空穴对的产生、载流子的扩散漂移、电子-空穴对的分离以及载流子的传输五个过程。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用3、太阳能电池的结构

基于以上太阳能光电转换原理和过程，太阳能电池的结构以半导体P-N结为基础，并在此基础上制备合适的太阳能吸收区和载流子取出结构，其基本结构一般为金属正电极/P型区/光吸收层/N型区/金属负电极。完整的电池组件还包括：钢化玻璃、EVA、电池片、背板、铝合金保护层压件。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用4、太阳能电池的基本特性

太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性：（1）太阳能电池的极性硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（2）太阳电池的性能参数太阳能电池的性能测试目前通用的是使用辐射强度为100mW/cm2的模拟太阳光，即AM1.5太阳光标准。评价的主要指标包括：开路电压（Voc）、短路电流密度（Isc）、填充因子（FillFactor，FF）、单色光转换效率（IPCE）和总光电转换效率（η）。这些参数是衡量太阳能电池性能的标志。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用5、太阳能电池的种类

对太阳能电池材料一般的要求：合适的禁带；较高的光电转换效率；对环境无污染；性能稳定；易于工业化生产。太阳能电池按材料主要分为：晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物类太阳能电池、敏化纳米晶太阳能电池、有机聚合物太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（1）晶硅、非晶硅太阳能电池

晶硅太阳能电池通过在晶体硅片上制作P-N结、光吸收层、电极等结构而制得。根据所用硅片的种类，又可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池的硅片切割于采用直拉法制备的单晶硅棒，而多晶硅太阳能电池的硅片切割于采用铸造法制备的多晶硅硅锭，二者在外观上区别明显。在所有硅基太阳能电池中，单晶硅太阳能电池的转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中占据主导地位。但由于单晶硅材料价格高、电池工艺复杂，导致其成本价格居高不下，并且大幅度降低其成本非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。单晶硅、多晶硅以及非晶硅太阳能电池片二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（2）化合物类太阳能电池除了多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池之外，化合物类太阳能电池也是单晶硅太阳能电池的替代品。其中主要包括砷化镓（GaAs）III-V族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）及铜铟硒（CIS）等。以上电池中，虽然硫化镉、碲化镉太阳能电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池理想的替代产品。而砷化镓及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs太阳能电池组件与CIS太阳能电池组件二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（3）染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池（DyeSensitizedSolarCell，DSC），它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米TiO2多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。染料敏化太阳能电池是一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。Gratzel研究小组开发的DSC二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（4）聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成。结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。由于采用有机聚合物材料为活性层，可与柔性衬底很好结合，因此具有材料来源广泛、结构和制备过程简单、重量轻、可大面积成膜、可制备成柔性器件等突出优点，近年来成为国内外研究热点。目前聚合物太阳能电池的实验室光电转换效率已经达到了16%。有机聚合物太阳能电池二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用（5）钙钛矿太阳能电池在现有的光伏材料中，钙钛矿材料的宽吸收范围、高吸光系数、高载流子迁移率、长扩散距离、低电荷复合等优点使之成为潜力巨大的太阳能电池光伏转换材料，也是近几年光伏转换领域研究中的一种令人追捧的热点材料。钙钛矿太阳能电池的基本结构二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用6、太阳能电池的应用二、太阳能电池2.2.2光电转换技术2.2太阳能的开发与应用6、太阳能电池的应用一、太阳能-氢能转换利用2.2太阳能的开发与应用氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢能经济是20世纪70年代提出的一种可持续能源方案，其构想是以用之不竭的太阳能驱动，利用水制造氢气，氢气使用后又变成水，可以循环使用。传统的制氢方法包括水煤气制氢、石油裂解或甲烷水蒸气重整制氢、电解食盐水制氢、电解水制氢等。太阳能制氢是近三四十年才发展起来的新型氢气制取技术，目前主要的太阳能制氢技术包括：太阳能热分解水制氢、太阳光电电解水制氢、太阳光催化分解水制氢、太阳能生物制氢。2.2.3其他形式的太阳能转换技术二、太阳能电池2.2太阳能的开发与应用1、太阳能热分解制氢太阳能热分解水制氢技术是利用太阳能聚光器收集太阳能，将水加热到2500K以上而分解为氢气和氧气的过程。该技术的主要问题有两个：一是高温下氢气和氧气的分离；二是高温太阳能反应器的材料问题。温度越高，水的分解效率越高，到大约4700K时，水分解反应的吉布斯函数变接近于零。但是与此同时，上述的两个问题也越难于解决。正是由于这个原因，使得这种方法在1971年Ford和Kane提出来以后发展比较缓慢。间接循环热解水示意图2.2.3其他形式的太阳能转换技术二、太阳能电池2.2.3其他形式的太阳能转换技术2.2太阳能的开发与应用2、太阳能光伏制氢太阳能光伏制氢方式有两种，即光电化学制氢和光伏电解水制氢。光电化学制氢（a）与光伏电解水制氢（b）示意图二、太阳能电池2.2太阳能的开发与应用3、太阳能光催化分解水制氢太阳能光催化分解水制氢技术（简称“光解水”）是通过光催化剂粉末或电极吸收太阳能产生光生载流子，继而将水分解成氢气和氧气。光催化分解水原理示意图2.2.3其他形式的太阳能转换技术二、太阳能电池2.2太阳能的开发与应用4、太阳能生物制氢太阳能生物制氢是光合细菌（或藻类）在太阳光的照射下以水做原料，通过光合作用及其特有的产氢酶系，将水分解为氢气和氧气的过程。此制氢过程不产生CO2。其物理机制的基础是这些产氢生物中存在与制氢有关的酶。藻类利用太阳能产氢（a）与光合细菌利用太阳能产氢（b）示意图2.2.3其他形式的太阳能转换技术二、太阳能-生物质能转换利用——人工光合作用2.2太阳能的开发与应用光合作用的本质，是利用光能激发物质中的电子，使之电荷分离，产生电子和空穴，并将此电势能转化为物质中的化学能。人工光合作用是指仿效自然界的光合作用，人为地利用太阳能分解水制造氢气，或固定CO2制造有机物。自然光合作用最终结果是固定CO2生成碳水化合物，同时放出氧气，因此对于光合作用的模拟——人工光合作用，既可得到生物能源又能降低CO2含量。人工光合作用的研究始于20世纪80年代，世界各国对于人工光合作用已进行了多年的探索研究，并取得相当大的成果，有望成为绿色生物工程研发的开端，凭借该技术能够利用太阳能生产具有高附加值的各种精密药品。人工光合作用不仅可以摆脱外界环境条件的限制，而且还可以突破自然光合作用自身的限制。2.2.3其他形式的太阳能转换技术三、太阳能-机械能转换利用2.2太阳能的开发与应用光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力，由此对物体表面产生的压力，称之为光压，也称为辐射压强（辐射压）。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。早在1748年，欧拉就已经指出了光压的存在，并在1901年由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来。光压可以解释彗星的尾巴为什么背着太阳。太阳帆就是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供10e-5~10e-3g左右的加速度。2.2.3其他形式的太阳能转换技术2.3太阳能的发展前景一、太阳能利用的现状和未来

1、世界光伏行业发展现状随着可持续发展观念在世界各国不断深入人心，全球太阳能开发利用规模迅速扩大，技术不断进步，成本显著降低，呈现出良好的发展前景，许多国家将太阳能作为重要的新兴产业。（1）太阳能得到更加广泛应用。（2）太阳能发电规模快速增长。（3）太阳能市场竞争力迅速提高。（4）太阳能产业对经济带动作用显著。2.3太阳能的发展前景一、太阳能利用的现状和未来

2、中国光伏行业发展现状“十二五”时期，国务院发布了《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（国发〔2013〕24号），光伏产业政策体系逐步完善，光伏技术取得显著进步，市场规模快速扩大。太阳能热发电技术和装备实现突破，首座商业化运营的电站投入运行，产业链初步建立。太阳能热利用持续稳定发展，并向供暖、制冷及工农业供热等领域扩展。（1）光伏发电规模快速扩大，市场应用逐步多元化。（2）光伏制造产业化水平不断提高，国际竞争力继续巩固和增强。（3）光伏发电技术进步迅速，成本和价格不断下降。（4）光伏产业政策体系基本建立，发展环境逐步优化。（5）太阳能热发电实现较大突破，初步具备产业化发展基础。（6）太阳能热利用规模持续扩大，应用范围不断拓展。2.3太阳能的发展前景二、中国光伏行业发展面临的形势

“十三五”是我国推进经济转型、能源革命、体制机制创新的重要时期，也是太阳能产业升级的关键阶段，我国太阳能产业迎来难得的发展机遇，也面临严峻挑战。1、发展机遇（1）宏观政策环境为太阳能产业提供了发展机遇。（2）电力体制改革为太阳能发展增添了新动力。（3）全球能源转型为太阳能提供了广阔市场空间。2.3太阳能的发展前景二、中国光伏行业发展面临的形势

2、面临挑战（1）高成本仍是光伏发电发展的主要障碍。（2）并网运行和消纳仍存较多制约。（3）光伏产业面临国际贸易保护压力。（4）太阳能热发电产业化能力较弱。（5）太阳能热利用产业升级缓慢。复习思考题1太阳能的能量转换方式有哪几种？2什么是太阳能制冷？3什么是太阳能海水淡化？4太阳能光热发电的四种形式是什么？5太阳能电池的工作原理是什么？6太阳能电池都有哪些种类？7

新型太阳能电池都包括哪些？8太阳能电池发电系统由哪些部分组成？第三章风能制作人：李宁目录01020304CONTENTS概述风能的发展前景复习思考题风力发电技术01概述风能的概念1风能的概念和特点风能(WindEnergy)是空气流动所产生的动能，属于一种太阳能转化的形式。因为在太阳辐射的作用下，地球表面各部分受热不均匀，破坏了大气层中压力分布的平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成风。风能量具有丰富的、取之不尽、广泛分布、干净无污染与缓和温室效应的优点。风能存在地球表面一定范围内，将经过长期测量与统计得出的平均风能密度的概况作为该范围内可利用的依据，通常在地图上用能密度线标示出来。风能的产生：空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，属于可再生能源（包括水能，生物能等），空气流速越高，动能越大。风能资源评估参数1风能的概念和特点风能资源评估是一个分析待评估区域长期的风能资源气象参数的过程。通过对当地的风速、风向、气温、气压、空气密度等观测参数进行处理分析，估算出风功率密度和有效年小时数等量化参数。利用风能资源评估可以确定区域的风能资源储量，更好地为风电场选址、风力发电机组选型，机组排布方案的确定和电量计算提供参考依据。风速风能风速统计概率分布平均风功率密度有效风能可利用小时数风能密度风机可利用率风能的特点1风能的概念和特点风能(WindEnergy)具有能量密度低、稳定性低、分布不均匀的特征，也拥有可再生、无污染、分布广泛、可分散利用、不需能源运输、可和其它能源相互转换的特点。下面着重介绍两大特点：①随机性速度大小和方向随时间不断变化，能量和功率随之发生改变。可能是短时间波动，随昼夜变化，也会随季节变化。风能资源的随机性受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带。8级以上的风能高值区主要分布于南半球中高纬度洋面和北半球的北大西洋、北太平洋以及北冰洋的中高纬度部分洋面上，大陆上风能则一般不超过7级，其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶部和黑海地区等多风地带较大。②随高度的增加而变化风能的特点1风能的概念和特点我国风能资源的分布与天气气候背景有着非常密切的关系，我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在北地区丰富带和沿海及其岛屿地丰富带。世界风能资源分布区和我国风能资源分布区2风能的开发和利用古埃及明朝时期丹麦美国在埃及两千多年前的古老风磨残骸现今尚存“天工开物″中记载，明朝己有很好的风磨十九世纪末的丹麦有三千台工业用风车，1890年丹麦建造了世界第一台风力发电站1939年10月建造了一台1250kw风力发电机早期风力发电机2风能的开发和利用风能(WindEnergy)的利用主要是将风能用作动力和利用风力来发电这两种形式，以风力发电为主。而以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置进行工作，如带动水泵提水，通过水轮机进行发电等。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量达到约10亿kW，包括陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。而2003年底全国电力装机约5.67亿kW，在风力发电的这个领域内我国还有十分巨大的利用前景。随着全球气候变暖和能源危机的加剧，世界各国对于风这种可再生、无污染而且储量巨大的能源都无比关注。全世界范围内都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少使用化石资源，控制二氧化碳等温室气体的排放量，保护我们赖以生存的地球。国内发展状况3风能的发展状况首先，国产风力发电机组技术起步较晚，自主创新能力薄弱。1998年以后国产化机组才有所增加，MW级风电机组的总体设计和重要部件的关键技术还没有掌握，特别是自主创新能力薄弱，具有自主知识产权的风电技术缺乏，关键技术受制于人。其次，尚未形成完整的风电产业链。国内在15年前才将风电场风能资源评估和规划、可行性研究等前期工作逐步规范，并根据一系列前期技术规定，规范了风电开发的前期管理。但整个中国风电产业仍面临缺乏有效的机组检测认证、运行评估与安全鉴定等一系列问题，并在一定程度上构成了风电发展的瓶颈。最后，缺乏持续稳定的市场需求。造成市场容量小的原因，一是风电电价较低，项目将面临亏损的风险。二是电网的制约，电力输送难度大，电网不配套，不能按计划发电。国内外风电政策3风能的发展状况德国一是对设备制造商的补贴二是对风电投资者的补贴三是发电补贴美国一是实行税收减免政策二是优惠电价，推行“绿色电价”三是拨专款支持科学研究印度一是政府提供装备投资补贴二是有些邦还减免销售税三是特设风电最低保护价中国一是国务院电价改革方案：明确风电不参与市场竞争二是税收优惠：增值税减半征收三是风电特许权，政府承担政策变动的风险02风力发电技术风力发电基本原理1风力发电系统风能(WindEnergy)通过风轮时将被转化为机械能，推动发电机发电。风力发电的原理是利用空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。风力发电是利用自然能源，相对普通的发电方式要环保很多。当发生紧急情况时，风力发电机可靠性不如柴油发电机，但却是一种长期可利用的方法。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡。风力发电基础理论1风力发电系统温度、大气压力和空气密度

第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的贝兹于1926年建立的

1.风轮直径与扫掠面积2.轮毂高度与叶片数3.风轮锥角，风轮仰角和风轮偏航角风能计算公式贝兹(Betz)理论其他影响因素我国发展现状1风力发电系统国内风力发电技术集中在小型风力发电厂，上世纪50年代受制于主要工艺、材料应用方面尚未全面实现自主生产，发电机制造、电力并网等关键技术仍依赖进口。到90年代后期，风电发展进入新阶段，电厂规模、机组容量大幅增加。依托于资金的支持技术水平也在快速提升，现如今，我国拥有“甘肃电网接入大规模风电后的系统稳定及运行控制技术研究”的完全自主产权，其部分成果已经达到世界领先水平。在“十三五”规划期间，风电技术逐步向着大型精细化的方向发展，在未来更偏向于单台机组容量、叶轮捕风能力和转换效率等方面的优化。通过大量实践作业，国家风电事业发展势头正猛，但是在技术方面仍旧存在的问题。首先，对于风电场选址规划需要妥善处理。另外，即使在风能丰富的地区，风速和风向的经常性变化，也是对相关风机机组性能的考验。风力发电机的构成2风力发电机风力发电机的主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。风轮发电机塔架尾舵调向机构限速机构逆变器冷却元件风力发电机分类2风力发电机按照风轮形势分类1.水平轴风力发电机指风轮轴线基本与地面平行安置在垂直地面的塔架上的风力发电机组，是目前应用最广泛的风力发电机2.垂直轴风力发电机按形成转矩的机理分为阻力型和升力型按照有无齿轮箱分类目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网。直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。风力发电机分类2风力发电机

水平轴风力发电机机舱结构与设备布置图垂直轴风力发机风力发电机组分类2风力发电机风速、转速以及桨叶倾角等因素对原动机功率会产生影响。在桨叶倾角刀固定为最小值的条件下，风速不同会导致转速有差异，产生的电能也有差异。风力发电机组可以根据风轮与塔架的相对位置，功率调节方式和主轴传动方式进行分类，也可根据安装地理位置，可分为陆上机组和海上机组，其中海上机组有一些特殊性：1）海上风电场一般处于深度小于30m的中浅深海域，海面平坦无障碍物，风况条件优于陆地。但是风场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用，使得海上风电机组运行在随机海浪干扰下载荷条件比较复杂。（2）海上风场遭遇极端气象条件的可能性大，强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都会造成严重破坏，对于机组安全可靠性要求更高。基本特性和参数2风力发电机四1.风轮直径和轮毂高度轮毂用于连接叶片和主轴，承受来自叶片的载荷并将其传递到主轴上。对于变桨距风电机组，轮毂内的空腔部分还用于安装变桨距调节机构。（1）轮毂分类三角形轮毂（图3-7a）：内部空腔小，体积小，制造成本低，适用于定桨距机组；三通式轮毂（图3-7b）：主要用于变桨距机组，其形状如球形，内部空腔大，可以安装变桨距调节机构，承载能力大（2）变桨机构现代大型并网风电机组多数采用变桨距机组，其主要特征是叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节，其结构如图3-8所示，其作用主要有如下两点：一是在正常运行状态下，当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制；二是当风速超过切出风速时，或者风电机组在运行过程出现故障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。基本特性和参数2风力发电机四（3）风轮尺寸风轮尺寸和风电