新能源全部课件1

新能源技术明廷臻能源与动力工程学院工程热物理系RenewableEnergyTechnology2020/2/242任课教师：明廷臻所在单位：能源与动力工程学院工程热物理系研究方向：可再生能源发电及其应用高能耗工业设备强化传热多孔介质热、质迁移理论联系电话：63921098E-mail：[e-mail]QQ:48305047个人简介2020/2/243现代科学技术的四大支柱信息科学材料科学生命科学能源科学2020/2/244能源科学能源技术：研究各种能源的开发、生产、转换、储存和综合利用。研究目的：1.提高现有能源的利用效率2.寻找新的能源及其利用方式研究再生能源技术的目标：寻找实现能量的高效率低成本的转换技术2020/2/245本课程主要内容风能利用技术核能利用技术氢能利用技术太阳能利用技术海洋能利用技术地热能利用技术生物质能利用技术2020/2/246学时安排核能利用技术（2学时）氢能利用技术（2学时）太阳能利用技术（6学时）海洋能利用技术（2学时）应用与前沿举例（2学时）2020/2/247补充基础知识：传热学、流体力学、热力学、半导体物理、电化学反应基础相关专业：能源、电气、材料、交通、物理、化学、建筑、光电、……2020/2/248§1.太阳能基础知识§2.太阳能的热利用§3.太阳能的热发电§4.太阳能光伏发电§5.太阳能热气流发电太阳能利用技术TechnologyofSolarEnergyUtilization2020/2/249§1.太阳能基础知识§1-1.热辐射的基本概念§1-2.太阳能的基本概念2020/2/2410太阳基本参数日地距离约：1.5×108km。从地球上望：太阳的张角0.0093弧度。太阳直径：1.4×106km(地球的109倍)太阳体积：地球体积的1302500倍太阳质量：1.99×1030kg(地球的33万倍)平均密度：1.4×103kg/m3(地球的0.25倍)太阳温度:5770℃(表面)1560万℃(核心)总辐射功率:3.83×1026J/s太阳年龄:约50亿年§1-2.太阳能的基本概念2020/2/2411太阳能太阳能是一种清洁的可再生能源。从广义上讲：太阳能不仅包括直接投射到地球表面的辐射能，还包括像生物质能、水能、风能、海浪能等同样起源于太阳辐射的间接的太阳能量；而且像现在广泛使用的石油、天然气和煤炭等化石能源，也都是古代太阳能资源的产物。从狭义上讲：太阳能指的是直接投射到地球表面的太阳辐射能。可再生能源技术领域讲述的太阳能指的是狭义的太阳能。太阳能两个主要缺点：一是能流密度低；二是能流波动大。2020/2/2412太阳构造内部大气内核中介层对流层光球层色球层日冕层0~0.23R，T=4×107K，P=3×1014Pa，=1×105kg/m3，物质处于等离子体状态，热核反应，产生能量占太阳产生能量的90%。0.23R~0.7R，辐射输能区，T=1.3×105K，=79kg/m3。0.7R~1R，T=6000K，=1kg/m3。肉眼所见太阳表面，T=6000K，=10-3kg/m3，厚度500km，由强烈电离的气体组成，能吸收和发射连续的辐射光谱，太阳能的绝大部分能量由此辐射到天空。厚度约1×104~1.5×104km，大部分由氢和氦组成。温度为5000K，=10-5kg/m3。有时出现极猛烈的日焰，此时太阳辐射量最大，有些太阳上的电子流到太空，形成太阳风，打击到地球大气层上缘，产生磁暴和极光。伸入太空的银白色日冕，温度1×106K，高度达几十个太阳半径2020/2/2413太阳辐射能太阳物质组成：氢占78.4%，氦占19.8%，金属和其他元素占1.8%。两种热核反应：质子-质子循环，碳-氦循环。太阳辐射功率：3.74×1026W，相当于每秒钟燃烧1.28×1015吨标煤放出的能量。太阳辐射波长范围：自0.1nm以下的宇宙射线~无线电波。太阳辐射具有波动性和粒子性。2020/2/2414太阳常数太阳本身的活动会引起太阳辐射强度发生波动。观测表明，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射量大2.5%。在一般的太阳辐射计算中，可近似认为太阳辐射稳定，在地球大气层外的太阳辐射强度为一个常数。太阳常数：指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气外层平面上，单位时间、单位面积上所接受的太阳辐射能，单位为W/m2。太阳常数取值：1357W/m2。具有平均值意义2020/2/2415大气层外太阳辐射强度计算大气层外，单位时间、单位垂直面积上所接受到的太阳辐射能I随地球与太阳的距离而变化。计算方法：36010.034cos365.25CnID为日地距离；D0为日地平均距离；Ic为太阳常数；n为从元旦算起的天数。20CDIID2020/2/2416大气质量设A为地球表面海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳垂直入射，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径OA。当太阳位于任一位置S’时，其穿过大气层到达A点的路径为OA’。大气质量定义为两者之比：OAAMOA设定在1atm和0℃，海平面上太阳垂直入射，此时大气质量AM=1，简称AM1。2020/2/2417太阳高度角太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h，则有：1sinhAM当h=90°时，AM=1；当h=30°时，AM=2。2020/2/2418太阳辐射强度太阳辐射强度I：定义为单位时间地球表面上单位面积上所入射的太阳辐射功率，单位为W/m2。00sinhIIIAMI0为大气质量为AM1的海平面上的太阳辐射强度。结论：到达地球表面任意一点的太阳辐射强度与该点的大气质量成反比。大气质量越大，到达该点的太阳辐射强度越小。2020/2/2419大气透明度太阳辐射强度除了与大气质量有关外，大气中含有的各种气体和固体尘埃都会影响太阳光的透过量。定义P为大气透明度。当大气质量AM=m时，太阳直接辐射强度可表示为：001mmIIPIPP1为大气质量为1时的大气透明度，Pm为大气质量为m时的大气透明度。P值越大，大气越透明。P永远小于1，一般为0.3~0.85。0.85相当于大气最清净时的透明程度。最好的晴天，P1=0.85；一般的晴天，P1=0.65；较差的晴天P1=0.532。海拔越高，P1大，反之则越小。2020/2/2420太阳高度角h的计算sinhsinsincoscoscos太阳高度角：定义为太阳辐射到达海平面A点的入射线和海平面A点切线方向的夹角h。Ψ为当地的纬度角；ω为时角，每小时的时角为15°，即地球每小时自转15°。δ为赤纬角。2020/2/2421赤纬角δ赤纬角δ的变化范围：δ为赤纬角，定义为正午时太阳-地球连线与地球赤道平面所夹的圆心角。当太阳垂直照射在地球赤道上时，赤纬角为0°，从赤道向北δ取正值，向南则δ取负值。0023272327太阳赤纬角δ的计算：028423.45sin360365DD表示一年的第几天。冬至日2020/2/2422太阳入射角太阳入射角：定义为太阳光线与被照射的平面法线之间的夹角。0cosII00sinhIIIAM对于倾斜平面，该平面上太阳辐射能与太阳入射角之间的计算关系：cossinsincoscoscos若已知Ψ为纬度角；δ为赤纬角；ω为时角，则：2020/2/2423经验：为了接受更多的太阳能，在北半球实际太阳能集热面都是朝南倾斜的，在春天和秋天，如果集热面倾角等于地球纬度角，则太阳辐射正好与集热面垂直。一般来说，在夏天集热面要更水平一些，在冬季要更垂直一些，这样可接受更多的太阳辐射。若集热面朝向正南，与水平面的倾角为，则该斜面上太阳辐射的入射角计算：cossinsincoscoscos正午时刻，ω=0，太阳入射角为：2020/2/2424我国太阳能资源分布类型地区年日照时数（h/a）年辐射总量（kWh/m2•a）1西藏西部、新疆东南部、宁夏北部、青海西部、甘肃北部3200～33001856～23332西藏东南部、新疆南部、宁夏南部、青海东部、甘肃中部、内蒙古南部、河北西北部3000～32001626～18563新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、江苏北部、安徽北部2200～30005000～58504湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部1400～22004200～50005四川、贵州1000～14003350～4200我国西部的太阳能非常丰富，多数地区的年日照时数在3000小时以上我国的太阳能资源是风力资源的1400倍、水力资源的3300倍2020/2/2425太阳能的利用历史中国是世界上最早利用太阳能的国家之一。远在3000多年前的西周时代（公元前11世纪），就已有了“阳燧取火”技术的记载，所谓“阳隧”，就是形似凹面镜的金属圆盘，对着太阳聚光，在聚光点点燃艾绒等易燃物，取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位。2020/2/2426国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。公元前215～210年，古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛，派了一支舰队攻打希库扎港，著名学者阿基米德为了保卫家乡，他让每个士兵用擦亮的铜盾，排列在城堡上，把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上，结果使舰船起火，敌人仓惶逃跑。1973年希腊科学家萨克斯博士，雇了50多名水手，各持一块长方形铜镜，聚焦一只木船，结果木船起火。此可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的。以上说明太阳能利用技术古已存在。但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用，还是起于1615年。法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人。从此，太阳能利用进入了一个新的历史时期。2020/2/2427太阳能利用的主要形式人类直接利用太阳能有四大技术领域，即光热转换、光电转换、光化学转换和储能技术。太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。太阳能化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。2020/2/2428§2.太阳能的热利用§2-1.平板型集热器§2-2.真空管集热器§2-3.太阳能热水器§2-4.太阳房太阳灶§2-5.太阳能干燥§2-6.太阳能储存2020/2/2429§2-1.平板型集热器太阳能集热器的分类按集热方式分类：平板型集热器和聚光型集热器按所能达到的集热温度分类：低温集热器（集热温度100℃）；中温集热器（集热温度100~500℃）；高温集热器（集热温度500℃）按结构分类：直晒式平板集热器（温升0~10℃）；透明盖板式集热器（水温升0~50℃）；透明盖板集热器（空气温升0~50℃）；真空管集热器（温升10~150℃）；点聚焦集热器（温升150℃）；线聚焦集热器（温升50~150℃）2020/2/2430聚光集热器(小补充)提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失。聚光集热器通常由三部分组成：聚光