新能源及分布式发电技术-第二章-太阳能发电

2019/10/141第2章太阳能发电2.1太阳能热发电2.2太阳能光伏发电2.3太阳能制冷空调2019/10/1422019/10/143太阳的内部结构2019/10/144太阳辐射2019/10/145太阳辐射2019/10/146一类地区：全年日照时数为3200～3300小时，辐射量在6700～8370兆焦／平方米·年。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。尤其西藏西部，曝辐射量仅次于撒哈拉大沙漠，位居世界第二。二类地区：全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在5860～6700兆焦／平方米·年。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。我国太阳能资源分布2019/10/147我国太阳能资源分布2019/10/1482.1太阳能热发电定义：太阳辐射能热能机械能电能组成：太阳能集热系统吸热与输送热量子系统蓄热与换热系统蒸汽发生系统动力子系统汽轮机发电系统SolarThermalTechnology2.1.1概念2019/10/149太阳能热动力发电，利用反射镜或集热器将阳光聚集起来，加热水或其它介质，产生蒸汽或热气流以推动涡轮发电机发电；目前太阳能热发电技术主要为热动力发电系统。太阳能热发电的类型和特点2019/10/1410太阳能热动力发电，太阳能是一种能流密度很低的能源，若要提高经济效益，就必须提高热机效率和规模大型化。太阳辐射能很容易以极高的效率转换为热能，但把热能转变为功则受到限制。热力学第二定律和卡诺定律阐述了热转换为功的条件和最大转换效率，提高热机效率的主要途径是提高热源温度。2019/10/1411分类：槽式电站塔式电站碟式电站太阳池发电太阳能烟囱发电系统2019/10/14122.1.2槽式太阳能热发电系统利用槽式抛物面反射镜聚光。组成（1）聚光集热子系统（2）换热子系统（3）发电子系统（4）蓄热子系统（5）辅助能源子系统ParabolicTroughs2019/10/1413槽式太阳能热发电系统示意图2019/10/1414(3)槽式电站槽式电站把聚焦器分散布置，使载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽，再汇集至汽轮机。如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到汽轮机，而是集中在一个热交换器内，然后把热量传递给汽轮机回路中的工质。2019/10/1415槽式聚光器Parabolictroughconcentrator2019/10/1416槽式电站集热器示意图One-axistrackingparabolictroughwithaxisorientedeast-west2019/10/1417CollectorsinsouthernCA2019/10/14182.1.3塔式太阳能热发电系统塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水)加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。塔式电站的聚光倍数高(1000～3000)，其介质工作温度通常大于350℃，因此通常被称为高温太阳能热发电。PowerTowers2019/10/1419塔式太阳能热发电系统示意图2019/10/1420塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法简捷有效；吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。但塔式电站建设费用高，其中定日镜的费用占50%以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%。2019/10/1421PowertowerinBarstow,California2019/10/1422目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到10MW，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角，这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本。塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大，反射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一个计划中的1MW的塔式电站，要用2.93万块反射镜，单镜面积为30m2。这些反射镜布置在3km2的场地上，塔的高度为105m。2019/10/1423100m2定日镜heliostat2019/10/14242019/10/1425我国塔式太阳能热发电：•2005年在南京市江宁太阳能试验场建成国内首座“70kW塔式太阳能热发电系统”。•2012年，“八达岭太阳能热发电实验电站”是我国、也是亚洲首个兆瓦级太阳能塔式热发电站，包括高约１２０米的吸热塔、１万平方米的定日镜、吸热和储热系统、全场控制和发电等单元，目前，已实现１．５兆瓦的汽轮发电机稳定发电运行。•2013年，青海中控德令哈50兆瓦塔式太阳能热发电站一期10兆瓦工程顺利并入青海电网发电。•2014年，首航节能敦煌10MW熔盐塔式太阳能电站正式开建，该项目是全球第四个塔式熔盐电站，也是亚洲和中国首座塔式熔盐光热电站。2019/10/14262.1.4碟式太阳能热发电系统采用碟状(也称盘状)抛物镜作集热器。组成：旋转抛物面聚光器接收器跟踪控制装置热机系统2019/10/1427碟式电站缺点——系统复杂太阳能碟式发电一般通过碟式发射面将阳光反射聚焦到斯特林发动机上带动发电机发电。抛物镜如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳能电站，约需要1～2万个直径为6m的抛物镜。高温接收器管路及绝热材料跟踪控制系统2019/10/1428总结：塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点聚焦，聚光倍数高达500以上。但塔式电站的跟踪代价高，碟式电站的能量集中代价大。熔盐塔式电站近几年发展迅速；碟式电站热电效率高，单机容量小，适应于偏远地区。槽式电站是线聚焦，聚光倍数小于100。但槽式电站跟踪精度低，导致控制代价小。槽式电站的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前槽式电站发展迅速。2019/10/14292.1.5太阳池热发电系统太阳池(solarpond，也称盐田)是一种以太阳辐射为能源的人造的盐水池。它是利用具有一定盐浓度梯度的池水作为集热器和蓄热器的一种太阳能热利用系统。太阳池发电是利用盐水池中上下层液体形成一个温度差来发电。死海2019/10/14302019/10/1431工作过程：先将池底的热盐水抽到蒸发器和工质换热，低沸点工质蒸发成蒸气，由蒸气驱动汽轮机发电，从汽轮机出来的蒸气再和从上层抽来的较冷低盐浓度水在冷凝器中换热，工质冷凝成液体，液态工质再返回蒸发器完成一次循环，过程反复进行。2019/10/14322.1.6烟囱发电Solarthermalchimney太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的J.Schlaich教授于1978年提出2019/10/14332019/10/1434太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上。集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统；集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。太阳能热气流发电技术原理2019/10/14352019/10/1436太阳能热风发电技术优点：太阳能几乎是取之不尽，用之不竭的清洁能源，太阳能热风发电对环境无污染；太阳能热风电厂通过设置蓄热系统，可实现全天候运行；太阳能热风电厂设备简单，透平发电机组是唯一的运动部件，维护费用低；不需冷却水、不产生二氧化碳气体，对缓解全球变暖有积极作用。2019/10/14372019/10/1438定义：将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。2.2太阳能光伏发电2019/10/14392.2.1光伏发电原理——太阳能电池光伏效应，是指当光照在不均匀半导体或半导体与金属组合材料上，在不同的部位之间产生电位差的现象。光伏效应是物质吸收光能产生电动势的现象，是太阳的光辐射能通过半导体物质转变为电能的过程。2019/10/1440一、半导体基础P型硅+N型硅P----N结2019/10/1441二、太阳能电池原理基于半导体的光伏效应，将太阳光辐射直接转换成电能。光照后，PN结接合部位的电子-空穴对分开，造成N区带负电荷，P区带正电荷，两端连上导线有电流通过。2019/10/1442三、太阳能电池的效率太阳能电池转换效率损失的主要原因有以下几种：1.电池表面的光反射作用。2.电池材料的缺陷，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。3.长波的光容易投射到电池底部，变成热量。4.电极接触不良，使串联电阻增加。2019/10/1443单晶硅Singlecrystalsilicon多晶硅multicrystalsilicon非晶硅amorphoussilicon,a-SiⅢ-Ⅴ族化合物（GaAs,InP,InGaP）Ⅱ-Ⅵ族化合物（CdTe,CuInSe2）其它（如染料敏化电池）材料特点：均为半导体！四、太阳电池的种类（按材料的种类来区分）2019/10/1444Sectionfromtheperiodictable.Morecommonsemiconductormaterialsareshowninblue2019/10/14452019/10/1446太阳能电池的生产工艺导电玻璃膜切割清洗检测镀铝电极沉积PN结老化检测封装成品检测2019/10/14472019/10/14482019/10/14492.2.2光伏发电系统2019/10/14502019/10/1451如图所示2.2.3光伏技术应用2019/10/1452光伏航标灯2019/10/1453太阳能电池薄膜太阳能电池2019/10/1454太阳能汽车2019/10/1455航天器上的太阳能电板2019/10/1456上海世博会主体建筑屋顶上的太阳能装置2019/10/1457太阳能路灯2019/10/1458光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉2019/10/1459光电组件发出的直流电通过逆变器变换为交流电后直接并入低压输电网中的发电系统。光伏发电系统的主流发展趋势是并网光伏发电系统：太阳能电池所发的电是直流，必须通过逆变器变换成交流，再同电网的交流电合起来使用，这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。2.2.4并网光伏发电系统2019/10/1460并网光伏系统可分为：住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统(电站)两大类。前者的特点：是光伏系统发的电直接被分配到住宅内的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节：后者的特点：是光伏系统发的电直接被输送到电网上，由电网把电力统一分配到各个用电单位。2019/10/1461住宅用并网光伏系统图2019/10/1462住宅用并网光伏系统供电形式2019/10/1463直流供电系统2019/10/1464交直流供电系统2019/10/1465将太阳能转换为热能、热动力或电能来驱动制冷空调装置以产生低温的技术2.3太阳能制冷空调2.3.1太阳能制冷原理2019/10/14662.3.2太阳能制冷空调的种类一类：光——电——制冷另一类：光——热吸收式蒸汽喷射式吸附式