第七章-新能源与可再生能源利用.ppt

1、第七章新能源和可再生能源的利用，7.1太阳能，7.2风力能源，7.3生物量，7.4地热能源，7.6氢能源和燃料电池，7.5水力能源，7.1太阳能，7.1.1概说，地球上的地热能源(1)太阳能的特征1数量巨大，但2小时非常分散，不稳定3清洁安全，免费使用，但初始投资高(2)太阳能利用的方式1太阳能向热能的转换2太阳能向化学能源的转换，7.1.2太阳能地球的自转轴及其公转轨道平面的法线形成2327的角度。 太阳和地球之间的距离，一年中随着季节而变化。 所谓太阳常数，是指白天的平均距离，地球大气层外与太阳光线垂直的单位面积，单位时间内受到的太阳放射度。 太阳常数的标准值为1353 W/m2，用Esc

2、表示。 大气层外的太阳辐射度根据季节用下式计算：2太阳辐射光谱太阳辐射，约43个太阳辐射因反射和散射返回到宇宙空间，只有57个左右进入地表和大气，其中14个被大气吸收，其馀43个直接辐射以27和扩散辐射16的比例到达地面3太阳高度角和日照时间的太阳高度角的定义是太阳光线和地表面之间的角度，也简称为太阳高度。 日照时间是从日出到日落的时间。 日照时间因纬度地区而异。4地球表面的太阳辐射和大气质量到达地面的太阳辐射实际上由两部分构成。 一部分是从太阳直接放射出来的，被称为直射放射的另一部分是分子、灰尘、水滴等散射的物质叫做扩散放射。 太阳光通过大气层的程度直接影响到达地面的太阳的辐射。 太阳辐射体

3、验大气的程度总是用大气的质量来表示。 大气质量是太阳光线通过地球大气的距离和垂直方向上经历的大气距离之比，用常用符号m表示。 海面上空的垂直方向的m为1，如图71中的OP所示。 在任意高度角下对应的大气质量m可以用以下公式近似计算：图71的大气质量示意图，(二)太阳能集热器原理的典型集热器形式为平板型，聚焦型和真空管型。 1平板集热器的基本构造如图72所示，平板集热器通常由三部分构成：图72平板集热器，1-透明罩2-吸热罩3-绝热框体，(1)透明罩起到使太阳辐射透过，防止吸热板的热辐射的透过和对流损失的作用。 以低铁玻璃为盖，可以很好地发挥这个功能。 (2)吸热板的作用是吸收透过盖板的太阳的辐

4、射，变换成热能，传递给其中流动的工作水、空气等。 吸热板必须是对太阳辐射吸收率高、对红外线辐射辐射率低的选择性表面。 (3)隔热框体支承固定罩、吸热板，起到防止侧面、底部的散热的作用。、插图71平板集热器和水箱，2平板集热器的基本能量平衡方程式相对于采光面积为的平板集热器，能量平衡方程式是集热器效率是测量集热器性能的重要参数，在某一时间内， 定义为能量对投影在集热器的面积上的太阳辐射能的比率：3平板集热器的太阳辐射度的工程计算表示进行此计算的方程式(1)入射角的计算太阳入射角I是太阳被照射为了计算入射角，需要知道太阳的高度的角度(h，即地表面和太阳线的角度)、太阳的方位角(即太阳线和正南的角度

5、)、倾斜面的方位角(即倾斜面的法线面和正南的角度)、倾斜面的倾斜角() 从、图73的太阳入射角等模式图中，任意取向表面的太阳放射入射角I的通式，(2)太阳的直射放射度的计算式是式中，外观的太阳放射度(Wm2 )。 b的值与月亮有关。 4平板集热器的效率计算平板集热器中工作流体的温度范围为3090，因集热器的形式和用途而异。 在带双重罩的平板集热器中，集热器效率按定义可以表现为将液体作为热载体使用的集热器，FR值约为0.9。 k的值可通过实验确定，工程估计：没有盖子时，最大约15 W(m2K )单层盖子、67 W(m2K )双层盖子、34 W(m2K )。、例7-1太阳能供给用的1m2m地板式板

6、式集热器，各层的板的透过率为0.87，铝吸热板的0.9、E 800Wm2、t2 10、t1 50。 试验集热器的效率。 解k值为3.5 W(m2K )，取0.9，用效率计算式求出时，在设计时经常使用图74所示的集热器效率图来选择集热器。 图74中的直线切片表示集热器所能得到的最大瞬时效率的直线斜率表示实际运行中集热器的热损失的程度。 从图74可以看出复盖的作用。 Ti-Ta小时，对流损失小，因此没有盖子，或只有单层集热器的效率高时，双盖集热器的效率高。 图74的典型平面型集热器的效率，无a罩的b单层罩，无选择性涂层的c双层罩，无选择性涂层的d双层罩，选择性涂层，图74的直线切片表示得到集热器的

7、最大瞬时效率的直线斜率，表示实际运行中的集热器的如果使用选择性吸热板表面，再加上双重盖，如图74中集热器d的曲线所示，可以大幅度地提高集热器的性能。 例72 1m2m的双重板式集热器，吸热板没有选择性，以水为制冷剂，水的比定压热容量Cp为4186.8 J(kg )。 制冷剂流量qm为0.03 kgs、入口温度为50、太阳放射度为800Wm2的情况。 试验1 )集热速度2 )周围温度为10时，水的出口温度。 解1 ) (ti-ta )/e (50-l0 ) 800 m2/w 0.05 m2 w由图7-4的曲线c得到了c 0.5，因此，集热速度E Ac 80020.5W800W 2)=qm Cp

8、(t0 - ti )出口温度t0(50 8000.034186.8)=56.37 太阳能发电站的最高效率是卡诺热机效率，即卡诺效率E T1集热器输出的最高流体温度T2冷却器的最低散热温度T2。 假设、图75太阳能发电站的热力学原理、1集热器2热机3冷却器、集热器中工作流体的吸热量，则由于发电站的最高效率，需要定义一个太阳能发电站的总效率s，即，以发电站的总效率为最高为目标函数，可求出最佳集热温度。 (2)太阳能发电分类及系统组成1 )按集热温度分类的低温热发电多为平板集热器或平板-圆柱抛物面集热器、集热温度100-150； 中高温热发电用聚焦型集热器。 2 )高温太阳能发电系统以接受太阳光的形

9、式集中，塔式系统(集热器为图78 )以“点”为焦点，聚光倍率高达500以上，能够实现高温太阳能发电。 分散式，例如槽式系统(集热器图77 )和盘式系统(集热器图79 )。 槽式发电站以“线”为焦点，聚光倍数为几十，能够实现中温太阳能发电。 磁盘系统是“点”焦点。典型的太阳能发电系统如图76所示，由集热集热子系统、蓄热子系统、辅助能量子系统和涡轮发电子系统构成。 1集热器2热交换器3涡轮4发电机5冷凝器6泵，图76太阳能发电系统的示意图，图77槽型抛物面集热器，1抛物面集热器2接收器，1接收器2日镜，图78塔型集热器，图79盘型抛物面集热器，1接收器2抛物面阵列，图72槽型太阳能集热器插图73

10、插图74日镜、插图7-5单蝶型太阳能聚光器、插图7-6多蝶型太阳能聚光器、7.1.4太阳能电池通过光电效应将太阳能直接转换成电能，其转换元件称为太阳能电池。 目前，晶体硅电池应用最广泛，发展成熟。 1光电转换的基本原理所谓太阳能的光电转换，是指太阳的放射能光子通过半导体物质转换成电能的过程，在物理学上被称为“光伏效应”，所以也称为太阳能电池。 太阳能电池都是p型和n型半导体相接形成PN结的。 这种半导体一受到阳光，就会发生光电转换。 2太阳能电池的基本构造和形式的硅太阳能电池的基本构造如图711所示，其基底层(或也称为基体)是p型半导体，不照射光，在基体下形成有薄的金属被膜的下电极(正极)的上

11、层是n型半导体，在上部设置格子状的金属网而形成上部电极(负极)， 在n型半导体的上部镀上透明且薄的防反射膜，具有比裸硅更好的光传输性能，能够将光反射抑制在最小限度。 目前，最高效的商业化太阳能电池还由单晶硅制成，其光电转换效率也在12%以上。 图710太阳能电池的基本结构，3太阳能电池的应用，以前太阳能电池主要在宇宙中得到了很多应用，现将民间的几个实例介绍如下。 (1)野外和边疆无电地区的农民用太阳能发电简易供电系统。 (2)野外和户用太阳能发电系统。 图7-11。 图7-11太阳能电池交流供电系统图，(3)太阳能电池并网发电系统(3kW )太阳能电池并网发电系统一般由太阳能电池面板、并网逆变

12、器、户内配电箱和并网控制仪表构成。 如图7图12所示。、图7-12太阳能电池并网发电系统(3kW )、插图77太阳能电池发电系统零件连接，插图78青海共和县4kW太阳能电池发电站，7.1.5太阳能建筑太阳能建筑是太阳能被一部分普通能源取代，暖气、温水太阳能建筑的发展大致可分为三个阶段：第一阶段是被动大太阳室，第二阶段是主动太阳室，第三阶段是太阳能电池的应用。 (1)太阳能温水系统太阳能温水系统由集热器、蓄热箱及连接配管等构成。 根据流体的流动方式，有循环式、直流式、蒸式。 根据流体循环的动力，循环式分为自然循环式和强制循环式。 1、自然循环温水系统图7-13(a )和(b )是自然循环式太阳能

13、温水系统。 这种系统结构简单，可靠性高，不消耗其他资源。 自然循环的动力完全依赖日照。 该温水系统的使用有限，一般适合小型温水系统。 图713(a )自然循环式太阳能温水系统，图713(b )自然循环式太阳能温水系统，2 .强制循环温水系统，在大型供热水系统中必须采用强制循环温水系统。 蓄热罐可以设置在哪里，但是需要消耗电力来启动泵和控制系统，停电系统不工作。 (2)太阳能供暖太阳能供暖系统可以被动和主动分类。 被动太阳能采暖，简称为太阳室。 有源太阳能采暖系统包括集热设备、蓄热用蓄热设备、采暖室的配热设备、辅助热源、输送热载体的动力设备和管道等。根据传热介质热流体，可以分为空气式和温水式两种

14、供暖系统。 图714以空气为介质的有源太阳能供暖系统、1集热器2蓄热装置3辅助加热装置4鼓风机、(3)太阳能制冷的优点是供求比较一致，储藏的要求不像太阳能供暖那样突出。 太阳能冷冻的方法是“光-电-冷”使用光电池产生电流，用温差冷冻器直接冷冻。 “光-热-电-冷”是用太阳热来启动发电机，启动冷冻机，或用太阳热来直接启动压缩式冷冻机。 “光-热-冷”用太阳能直接启动吸收式或喷射式冷冻机进行冷冻。 7.2风能是地球表面大量空气运动的动能。 太阳能是风力的源泉，是丰富清洁的可再生能源之一。 7.2.1概况1风的发生风是大气的运动。 垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风。 大气压差是风

15、形成的主要原因。 2 .风向理论的上风从高压走向低压区。 在北半球，风逆时针旋转旋风(低压)区，顺时针旋转旋风(高压)区。 风向可以利用风向指标(绕立轴旋转的金属片)，从风向和固定主方位指示棒的相对位置测量。 利用各地的每日记录，可描绘显示各种风向发生时间的比例的极线图(数字沿半径线表示)。 3 .风速以米/秒表示空气在单位时间内通过的距离。 风速总是用瞬时风速和平均风速来描述。 瞬时风速是极短时间内的风速，是实际作用的风速。 平均风速是指一定期间内各瞬时风速的平均值。 通常，测量风的高度是10m。 风力转换装置中能够利用的风力能量是从“起动风速”到“停止风速”之间的风速区间，将该风速范围内的

16、平均风力密度称为“有效风力密度”。 风速的变化幅度是风速的变化幅度。 4、风级风级是风对地和海面物体的影响引起的各种现象。 表7-1是风级表现。 5 .风速频度和风玫瑰图风速频度是指某一年(或月)之间具有相同风速的总小时数的比例。 利用各方向的平均风速频率和平均风速立方体值的积，绘制风玫瑰图，可以显示风力资源的状况和能量集中的方向。 图715风力玫瑰图，6 .风力密度是能利用风上面每面积运动的空气的所有动能的最大电力。 风能是实质上流动的空气的动能，但以每立方米流速v流动的空气的动能是垂直于空气流动方向的每平方米流动的空气的流速v，因此风能密度可以综合评价风速状况不同的风力资源。 表72风力资源评价表，我国风力资源的分布一般用有效风力能源密度和年累计有效风速时数两个指标来表现风力资源的潜力和特征。 我国风力密度分布有以下特征： (1)东南沿岸及其岛是我国最强风力能源区。 (2)内蒙和甘肃北部是风力资源的下一个地区。 (3)黑龙江和吉林东部和辽东半岛沿岸的风力也很大。 (4)青藏高原北部、三北地区的北部和沿海是风力