新能源發(fā)電技術(shù)于立軍工學(xué)博士副教授

上海交通大學(xué)熱能所機(jī)械大樓331房間辦公室：34206287

手機(jī)jyu@7/23/2023石油工業(yè)如果計(jì)劃能夠順利轉(zhuǎn)成現(xiàn)實(shí)，俄羅斯每年出口中國(guó)的石油量將暴漲20倍，由150萬(wàn)噸擴(kuò)大至3000萬(wàn)噸，從而徹底改變俄羅斯原油出口中國(guó)全靠火車運(yùn)輸?shù)木置妗Ｖ泄凸艿?004年9月開(kāi)工，預(yù)計(jì)2005年年底建成。管道投入運(yùn)營(yíng)后將保證每年向中方輸出1000萬(wàn)噸原油。7/23/2023第三章：太陽(yáng)能發(fā)電

§3.1太陽(yáng)能概述§3.2有關(guān)太陽(yáng)能輻射的基本知識(shí)§3.3太陽(yáng)能集熱器§3.4太陽(yáng)能電池

§3.5太陽(yáng)能制氫§3.6太陽(yáng)能電池發(fā)電的前景思考題7/23/2023§3.1太陽(yáng)能概述太陽(yáng)能是太陽(yáng)輻射出的能量。在地球上，除了原子能以外，太陽(yáng)能是其它各種能量（燃料能、風(fēng)能、水能）的來(lái)源。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的熾熱的氣體星球，它源源不斷地以電磁波的形式向宇宙空間放射能量，這稱為太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)輻射僅有極微小的部分（約二十億分之一）到達(dá)地球，是地球上最主要的能量源泉。太陽(yáng)每分鐘向地球輸送的能量，大約相當(dāng)于燃燒

4億噸煤產(chǎn)生的熱量。

太陽(yáng)能的利用手段主要是光-熱轉(zhuǎn)換（太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)房）、光-電轉(zhuǎn)換（單晶硅太陽(yáng)能電池，理論效率28%）和太陽(yáng)能-氫能系統(tǒng)。

32008年奧運(yùn)新能源建設(shè)從太陽(yáng)中心至1/4太陽(yáng)半徑處，集中了太陽(yáng)物質(zhì)質(zhì)量的一半，這里的溫度高達(dá)1500萬(wàn)度，壓強(qiáng)達(dá)2500億個(gè)大氣壓（離它2000千米以內(nèi)的所有東西都將全部被燒焦），稱此區(qū)域?yàn)楹朔磻?yīng)區(qū)，太陽(yáng)所發(fā)射的能量的99%在這里產(chǎn)生。1萬(wàn)平方公里等于5個(gè)三峽發(fā)電量7/23/2023§3.2有關(guān)太陽(yáng)能輻射的基本知識(shí)

33.2.1太陽(yáng)輻射通量和太陽(yáng)常數(shù)3.2.2大氣層外太陽(yáng)輻射光譜3.2.3大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的消弱作用3.2.4大氣對(duì)地面的保溫作用3.2.5太陽(yáng)直接輻射通量3.2.6氣溫的日變化和年變化我國(guó)的太陽(yáng)能資源7/23/2023§3.3太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃3.3.1平板型太陽(yáng)集熱器3.3.2全玻璃真空太陽(yáng)集熱管3.3.3聚焦型集熱器3大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)我國(guó)的太陽(yáng)能資源“能源革命迫在眉睫”地球的能流圖7/23/2023§3.4太陽(yáng)能電池3.4.1太陽(yáng)能電池發(fā)電原理3.4.2太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率3.4.3種類豐富的太陽(yáng)能電池3.4.4太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成3.4.5光波發(fā)電優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)3優(yōu)點(diǎn)：1.資源免費(fèi)、永久使用；2.發(fā)電效率與發(fā)電規(guī)模無(wú)關(guān)；3.無(wú)NOx、Sox排放；4.無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)、無(wú)噪音。缺點(diǎn)：1.能量密度低；2.發(fā)電效率低；3.受氣候影響；4.需要輔助發(fā)電設(shè)備；5.發(fā)電成本高。所謂的太陽(yáng)能電池就是通過(guò)半導(dǎo)體，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。7/23/2023§3.5太陽(yáng)能制氫

利用太陽(yáng)能制氫，以氫氣作為載能體，大規(guī)模地收集利用太陽(yáng)能，為人類提供了一個(gè)既能滿足能源需求，又不污染環(huán)境的替代能源。德國(guó)一座500kW的太陽(yáng)能制氫試驗(yàn)廠目前已經(jīng)投入試驗(yàn)運(yùn)行。生產(chǎn)的氫氣被用作鍋爐和內(nèi)燃機(jī)的燃料或者用于燃料電池的運(yùn)行。在沙特阿拉伯也建成一個(gè)類似的350kW的太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)。37/23/2023§3.6太陽(yáng)能電池發(fā)電的前景

為了進(jìn)一步普及太陽(yáng)能電池，今后在提高太陽(yáng)能電池效率和降低成本的同時(shí)，提高輔助設(shè)備的性能、降低成本。并盡可能多樣化，如建材一體化型太陽(yáng)能電池模塊的開(kāi)發(fā)。日本打算在2005年將太陽(yáng)能電池的發(fā)電成本降至25日元/kWh，2010年將太陽(yáng)能電池的發(fā)電成本降至20日元/kWh。從而走出一條成本降低需求擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大進(jìn)一步降低成本的良性循環(huán)。37/23/20232008年奧運(yùn)新能源建設(shè)

地?zé)岵膳八礋岜茫褐?008年，全市共完成地?zé)峋?60眼。建設(shè)奧運(yùn)公園地?zé)峁┡こ?，為奧運(yùn)場(chǎng)館提供地?zé)岵膳娣e40萬(wàn)平方米。

太陽(yáng)能利用：大力推進(jìn)太陽(yáng)能利用，實(shí)施光伏發(fā)電示范工程，在奧運(yùn)公園內(nèi)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電3MW，同時(shí)實(shí)現(xiàn)90%的生活熱水由太陽(yáng)能加熱。建設(shè)奧運(yùn)公園光電利用工程、奧運(yùn)公園光熱利用工程。

風(fēng)能發(fā)電：在北京周邊地區(qū)現(xiàn)有及計(jì)劃建設(shè)的風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)容量約為5萬(wàn)kW，其能力基本達(dá)到奧運(yùn)公園所需電力的20%（申奧承諾），爭(zhēng)取在舉辦奧運(yùn)會(huì)期間向周邊地區(qū)購(gòu)買風(fēng)力發(fā)電，同時(shí)積極探索在延慶建設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠的可行性。

生物質(zhì)能：提高農(nóng)村用能品位，改善農(nóng)村大氣環(huán)境和水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源綜合利用。主要實(shí)施生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工程和大型沼氣能環(huán)工程。

燃料電池汽車和電動(dòng)汽車：研究和開(kāi)發(fā)燃料電池汽車和電動(dòng)汽車，以改善交通所造成的污染。

R7/23/2023序號(hào)地區(qū)

年日照時(shí)數(shù)

年輻射總量104kJ/cm2·年

1西藏西部、新疆東南部、青海西部、甘肅西部

2800－3300670～837（相當(dāng)225～285kg標(biāo)準(zhǔn)煤）2西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內(nèi)蒙古、山西北部、河北西北部

3000－3200586～670（相當(dāng)于200～225kg標(biāo)準(zhǔn)煤）3新疆北部、甘肅東南部、山西南部、陜西北部、河北東南部、山東、河南、吉林、遼寧、云南、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、

2200－3000502～586（相當(dāng)于170～200kg標(biāo)準(zhǔn)煤）4湖南、廣西、江西、浙江、湖北、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江

1400－2200419～502（相當(dāng)于140～170kg標(biāo)準(zhǔn)煤）5四川、貴州

1000－1400335～419我國(guó)的太陽(yáng)能資源R7/23/2023地球上的能流圖（單位106MW）R7/23/2023地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的示意圖R7/23/2023太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)15kW

50kWR7/23/2023太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)R7/23/2023大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)R7/23/20233.2.1太陽(yáng)輻射通量和太陽(yáng)常數(shù)近日點(diǎn)：日地距離為1.47億km，視角為32’59”（1月3日）遠(yuǎn)日點(diǎn)：日地距離為1.52億km，視角為31’27”（7月4日）天文單位：視角為31’59”，日地距離為1.50億km，它是日地間的平均距離，也稱為一個(gè)天文單位太陽(yáng)輻射通量：?jiǎn)挝幻娣e單位時(shí)間內(nèi)所獲得的太陽(yáng)輻射能，單位為W/m2

太陽(yáng)常數(shù)：Io當(dāng)日地距離為平均日地距離時(shí)，在大氣層上界，垂直于太陽(yáng)輻射表面上的太陽(yáng)輻射通量。目前世界公認(rèn)為1353W/m2

地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的示意圖3.27/23/20233.2.2大氣層外太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射的主要波長(zhǎng)范圍是0.15微米～4微米。其中，人眼能看見(jiàn)的光線，波長(zhǎng)在0.4微米～0.76微米之間，叫做可見(jiàn)光線。波長(zhǎng)小于0.4微米的紫外線和大于0.76微米的紅外線，人們?nèi)庋鄱紵o(wú)法看見(jiàn)。由實(shí)驗(yàn)得知，物體的溫度愈高，它的輻射中最強(qiáng)部分的波長(zhǎng)愈短；物質(zhì)溫度愈低，輻射中最強(qiáng)部的波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。太陽(yáng)表面溫度高達(dá)6000K，它的輻射能主要集中在波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)部分，可見(jiàn)光差不多占太陽(yáng)輻射能量的一半。為此，人們把太陽(yáng)輻射稱為短波輻射。3.27/23/20233.2.3大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的消弱作用1.

吸收作用2.

散射作用3.

漫反射作用太陽(yáng)能輻射要穿過(guò)厚厚的大氣層，才能到達(dá)地球表面。太陽(yáng)輻射在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，其中一部分被大氣吸收。大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收具有選擇性，但是大氣直接吸收太陽(yáng)輻射能量是很少的。

吸收：臭氧主要吸收太陽(yáng)輻射較短的紫外線；水汽和二氧化碳主要吸收太陽(yáng)輻射較長(zhǎng)的紅外線；可見(jiàn)光很少被吸收，大部分可見(jiàn)光能夠透過(guò)大氣射到地面上來(lái)。散射：當(dāng)太陽(yáng)輻射在大氣中遇到空氣分子或微小塵埃時(shí)，太陽(yáng)輻射的一部分能量便以這些質(zhì)點(diǎn)為中心，向四面八方散射開(kāi)來(lái)。在太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光中，波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光最容易被散射，所以晴朗的天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。

3.27/23/20233.2.4大氣對(duì)地面的保溫作用地面吸收太陽(yáng)輻射，溫度增高，同時(shí)地面又把熱量向外輻射。由于地球表面的溫度比太陽(yáng)低得多，因此地面輻射的波長(zhǎng)比太陽(yáng)輻射要長(zhǎng)得多，其能量主要集中在紅外線部分。相對(duì)于太陽(yáng)輻射來(lái)說(shuō)，稱為長(zhǎng)波輻射。1、大氣具有溫室一樣的保溫作用2、大氣逆輻射對(duì)流層大氣中的水汽和二氧化碳，對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收能力很差，也就是說(shuō)對(duì)太陽(yáng)輻射是透明的；但對(duì)地面和波輻射的吸收能力很強(qiáng)。據(jù)觀測(cè)，地面輻射的75%～95%都被貼近地面的大氣所吸收，使近地面大氣增溫。近地面大氣又以輻射、對(duì)流等方式，把熱量傳遞給高一層大氣。這樣一層一層地向上傳遞，從而使地面放出的熱量絕大部分保存在大氣中，散失到宇宙空間去的贄量就很少了。

大氣增溫的同時(shí)，也向外輻射熱量。大氣的溫度比地面還低，所以大氣輻射也是紅外線長(zhǎng)波輻射。大氣輻射的一部分向上射向宇宙空間，大部分向下射到地面。射向地面的大氣輻射方向剛好與地面輻射相反，稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射又把熱量還給地面，這就在一定程度上補(bǔ)償了地面輻射損失的熱量，起到了保溫作用，使地面溫度變化比較緩和。天空有云，特別是濃密的低云，逆輻射更強(qiáng)。所以多云的夜晚通常比晴朗的夜晚溫暖些。

3.27/23/20233.2.5太陽(yáng)直接輻射通量太陽(yáng)直接輻射通量：1個(gè)大氣質(zhì)量時(shí)，大氣的透明度：I1=IoP1

m個(gè)大氣質(zhì)量時(shí)，大氣的透明度：Im=IoPm=IoP1m

其中，Io=1353w/m2m為大氣質(zhì)量，m=1/sin

30o，30o時(shí)，P93斜面投射輻射通量：Im=IoPm=IoP1mcosiP98如果采用斜面傾角、方位角都不變的固定裝置，有要使一年內(nèi)得到最多的入射輻射，傾角接近當(dāng)?shù)氐木暥葧r(shí)最好，方位角應(yīng)正朝南。

斜面傾角、方位角關(guān)系到入射輻射通量的大小。當(dāng)入射角為0時(shí)，可以獲得最大的入射輻射。但地球和太陽(yáng)的相對(duì)位置一直在改變，要使入射角為0，要不斷改變斜面傾角、方位角。

3.27/23/20233.2.6氣溫的日變化和年變化就對(duì)流層大氣來(lái)說(shuō)，直接吸收太陽(yáng)輻射的能量很少，大氣的熱量主要來(lái)自地面輻射。所以說(shuō)，地面是大氣的主要直接熱源。日出以后，隨著太陽(yáng)高度角的逐漸增大，太陽(yáng)輻射不斷增強(qiáng)，地面獲得的熱量不斷增多，地面溫度不斷升高，地面輻射也不斷增強(qiáng)。大氣吸收地面輻射，氣溫也跟著不斷上升。一天中的最高氣溫并不出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的正午，而是出現(xiàn)在午后2點(diǎn)左右。這是因?yàn)檎邕^(guò)后，太陽(yáng)輻射的熱量仍比地面輻射失去的熱量多，地面儲(chǔ)存的熱量繼續(xù)增多，地面溫度繼續(xù)升高，地面輻射繼續(xù)增強(qiáng)，氣溫也繼續(xù)上升。隨著太陽(yáng)輻射的進(jìn)一步減弱，地面獲得太陽(yáng)輻射的熱量開(kāi)始少于地面輻射失去的熱量時(shí)，也就是當(dāng)?shù)孛鏌崃坑捎噢D(zhuǎn)為虧損的時(shí)刻，地面溫度達(dá)到最高值。地面再通過(guò)輻射、對(duì)流等方式將熱量傳給大氣，因此午后2時(shí)左右氣溫才達(dá)到最高值。年變化

3.27/23/2023氣溫年變化R7/23/2023太陽(yáng)能集熱器一般家用生活熱水負(fù)荷為2530立升/日人，對(duì)于四口之家，配備2m2的太陽(yáng)能熱水器就可以滿足需求。此外，太陽(yáng)能熱水器水系統(tǒng)中的儲(chǔ)能工質(zhì)就是水本身，使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。收集太陽(yáng)能進(jìn)行光－熱轉(zhuǎn)換的第一步是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為載熱介質(zhì)的熱能。因此集熱器是太陽(yáng)能利用裝置中最主要的設(shè)備之一。通常的集熱器可以分為平板型、真空管型和聚焦型。其中，民用多為前兩種，聚焦型主要用于熱力發(fā)電站。R7/23/2023太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃

1974年，日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”是一項(xiàng)長(zhǎng)期的大型技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，旨在開(kāi)發(fā)可替代石油的替代能源。它的主要開(kāi)發(fā)目標(biāo)是開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、地?zé)崮?、煤的氣化和液化、氫能，此外還有風(fēng)能、海洋能等。

1978年，制定了有關(guān)節(jié)能的“月光計(jì)劃”，是一項(xiàng)大型的節(jié)能計(jì)劃，研究開(kāi)發(fā)繁榮重點(diǎn)是提高利用效率、燃料電池、熱泵和超導(dǎo)在電力上的應(yīng)用。

1989年，推出“地球環(huán)境技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃”，該計(jì)劃主要側(cè)重于人工光合作用固定二氧化碳、二氧化碳的分離和化學(xué)物質(zhì)的分解等。

1993年，又將三項(xiàng)計(jì)劃全部納入“新陽(yáng)光計(jì)劃”，計(jì)劃到2020年，每年的費(fèi)用5億多美元?！靶玛?yáng)光計(jì)劃”是一項(xiàng)將對(duì)能源和環(huán)境作出巨大貢獻(xiàn)的綜合性中長(zhǎng)期技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃。R7/23/20233.3.1平板型太陽(yáng)集熱器玻璃蓋板：太陽(yáng)輻射有高的透射率、對(duì)紅外線輻射有高的反射率，此外還應(yīng)有較高的機(jī)械強(qiáng)度。吸熱元件：要求有選擇性吸收材料。有選擇性吸收材料，熱損失以對(duì)流損失為主；沒(méi)有選擇性吸收材料，熱損失以輻射損失為主。3.3P100熱流密度分析緯恩位移定律7/23/20233.3.2全玻璃真空太陽(yáng)集熱管內(nèi)、外套管組成。內(nèi)套管外表面上涂有選擇性吸收表面涂層，內(nèi)部為冷卻劑流道。內(nèi)、外管之間為真空。硼硅玻璃3.3，其膨脹系數(shù)為3.30.110-6℃（膨脹系數(shù)大易爆炸）。具有熔化溫度極高，化學(xué)穩(wěn)定性極佳等特點(diǎn)。日本人稱之為玻璃王，中國(guó)人稱之為特硬玻璃，管狀品每噸高達(dá)7000美元。3.3真空管結(jié)構(gòu)熱水器結(jié)構(gòu)7/23/2023三高真空管普通真空管真空管R7/23/20233.3.3聚焦型集熱器投射到地面上的太陽(yáng)能能量密度很低，這樣低的能量密度對(duì)于宜在高溫下運(yùn)行的熱力發(fā)電站來(lái)說(shuō)是不夠的。因此，應(yīng)采用增大能量密度的聚焦型集熱器。

1.一般工作特性聚光鏡的有效面積是：Ac=aL

接收器的表面是：Ar=dL

令A(yù)c/Ar=cc為聚焦度，它表示能量增加的倍數(shù)。

算例2.光學(xué)跟蹤方式3.材料要求3.37/23/2023算例7/23/2023結(jié)構(gòu)（自然對(duì)流型、無(wú)跟蹤設(shè)備）玻璃蓋板絕熱材料集熱板鰭片平板型集熱器熱流密度分析R7/23/2023緯恩位移定律緯恩位移定律電磁波光譜表7/23/2023光學(xué)跟蹤方式面積相同的兩表面對(duì)于太陽(yáng)光線的位置不同，它們所截獲的太陽(yáng)輻射也完全不同，顯然接收表面與太陽(yáng)光線垂直時(shí)截獲的能量最多。因此太陽(yáng)能熱力發(fā)電裝置中的集熱器都采用跟蹤裝置以求盡可能多地截獲投入輻射。（1）焦線按南北方向傾斜布置，東西跟蹤。P110圖3-23（2）焦線按東西方向水平布置，南北跟蹤。P112圖3-27R7/23/2023材料要求聚焦鏡：鋁、銀等金屬材料。要求是反射率高，易清洗。接收器：短波吸收率高，長(zhǎng)波發(fā)射率低的材料作接收器表面涂層。算例7/23/2023電磁波光譜表R7/23/20233.4.1太陽(yáng)能電池發(fā)電原理所謂的太陽(yáng)能電池，就是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成為電能的裝置。每個(gè)發(fā)電單元都是由稱作cell的單元構(gòu)成。對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，一個(gè)cell相當(dāng)于一個(gè)pn結(jié)。半導(dǎo)體PN結(jié)3.47/23/2023半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體：是帶正電的空穴起支配作用的半導(dǎo)體。例如，在硅中添加適量的硼元素，會(huì)形成一些帶正電的空穴。n型半導(dǎo)體：是帶負(fù)電的電子起支配作用的半導(dǎo)體。例如，在硅中添加磷元素，會(huì)形成一些能自由移動(dòng)的電子。R7/23/2023PN結(jié)輸出電流：由吸收太陽(yáng)光所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)量所決定；輸出電壓：主要由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大小所決定。R7/23/20233.4.2太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率損失的主要原因有以下幾種：

1.電池表面的光反射作用。

2.電池材料的缺陷，所產(chǎn)生的電子及空穴等載流子發(fā)生再結(jié)合作用，使部分載流子消失掉。

3.長(zhǎng)波的光容