新能源技術(shù)(第二版)完整版課件(全)

1、新能源技術(shù) 第一章緒 論 1.1 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì) 在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，黨中央提出發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略目標(biāo)，”十一五”規(guī)劃中確定了單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比十五期末降低20%左右的指標(biāo)。 這要求我們必須對能源使用狀況和未來的趨勢有清醒和客觀的認(rèn)識，制定中民期的能源利用和節(jié)能政策，發(fā)揮政府調(diào)控和市場機(jī)制的作用，把節(jié)能事業(yè)充分融入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，以優(yōu)化我國的經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量。 自1973年的石油危機(jī)以來，西方國家都把提高能源效率、節(jié)約能源作為其能源戰(zhàn)略的重要目標(biāo)和措施。多數(shù)歐盟成員國設(shè)定了與歐盟一致的或更高的能源使用和節(jié)能目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)國家

2、的可持續(xù)發(fā)展。 奧地利采用的是四倍躍進(jìn)戰(zhàn)略，丹麥準(zhǔn)備把資源能源的消耗降低到目前的25%； 德國計(jì)劃在2020年把能源和自然資源的利用率提高2倍，而意大利計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)10倍躍進(jìn)戰(zhàn)略。 歐盟的能源戰(zhàn)略在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用，歐盟在20世紀(jì)80、 90年代保持了經(jīng)濟(jì)的快速增長，而經(jīng)濟(jì)增長與資源、能源消耗之間的關(guān)系較以往有所弱化，雖然它們之間依然存在正相關(guān)關(guān)系，但資源與能源的消耗并沒有隨著經(jīng)濟(jì)的增長而大幅度增加。 大部分發(fā)展中國家處于工業(yè)化的初期階段，主要依靠資源優(yōu)勢，大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和重工業(yè)以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這一特征在我國顯得尤為突出，而相對薄弱的環(huán)境保護(hù)能力使得經(jīng)濟(jì)的發(fā)展多伴隨

3、著環(huán)境的破壞和資源的過度開發(fā)。因此，我國在建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的過程中，應(yīng)將節(jié)能、提高能效與環(huán)境保護(hù)結(jié)合起來，才能使這兩個(gè)重要事業(yè)相互促進(jìn)、共同發(fā)展。 能源的開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化和生活進(jìn)步的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，它的發(fā)展程度已成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。能源的開發(fā)利用程度，尤其是石油的長期穩(wěn)定供給和高效利用直接關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展、國家戰(zhàn)略安全等深層次問題，而且能源的利用狀況對于資源利用、環(huán)境保護(hù)都起到重要的影響作用。 Energy Consumption versus GNP 1. 2 地球上的化石能源到底能隨人類社會(huì)走多遠(yuǎn)? 地球上的化石能源（包括煤、石油

4、、天然氣）在不久的將來就要被人類開采殆盡。地球上的化石能源到底能隨人類社會(huì)走多遠(yuǎn)? 據(jù)說，最多也就200多年。當(dāng)然，這是根據(jù)人類己經(jīng)探明的儲藏量以及人類的利用速度計(jì)算出來的。 When is the end of oil supply ? Energy for the future Combustion - air pollution Annual emissions （tons）Natural Combustion In atmosphere CO2 1x1012 0.03x1012 （3%） 320 ppmCO 7.5x107 28.0 x107 （79%） 0.1 ppmNOx 1.8x

5、107 5.3x107 （75%） 0.006 ppmSO2 1.5x107 1.5x107 （50%） 0.0002 ppmHC 4.8x108 0.9x108 （15%） - 如果人類不能發(fā)現(xiàn)更多的化石能源，而且能源的消耗速度按照人們頂期的那樣發(fā)展，那么再過200多年，人類不得不采用新的能源了。目前能夠使用的能源中，最有可能擔(dān)此重任的無疑是可再生能源新能源。 2007年9月，國家發(fā)改委公布了可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃（簡稱規(guī)劃），為我國的各種可再生能源的發(fā)展制定了目標(biāo)。 規(guī)劃總的目標(biāo)是：提高可再生能源在能源消費(fèi)中的比重，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無電人口用電問題和農(nóng)村生活燃料短缺問題，推行有機(jī)廢棄物的能源

6、化利用，推進(jìn)可再生能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。 具體發(fā)展目標(biāo)： （1）充分利用水電、沼氣、太陽能熱利用和地?zé)崮艿燃夹g(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好的可再生能源，加快推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、太陽能發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，逐步提高優(yōu)質(zhì)清潔可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例，力爭到2010年使可再生能源消費(fèi)量達(dá)到能源消費(fèi)總量的10%左右，到2020年達(dá)到15%左右。 （2）因地制宜利用可再生能源解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無電人口的供電問題和農(nóng)村生活燃料知缺問題，并使生態(tài)環(huán)境得到有效保護(hù)。 按循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式推行有機(jī)廢棄物的能源化利用，基本消除有機(jī)廢物造成的環(huán)境污染。 （3）2010-2020年光伏發(fā)電發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域: 采用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)或建設(shè)小型

7、光伏電站，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無電村和無電戶的供電問題，重點(diǎn)地區(qū)是西藏、青海、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、甘肅、石南等?。▍^(qū)、市）。建設(shè)太陽能光伏發(fā)電約10萬千瓦，解決約100萬戶偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民生活用電問題。 到2010年，偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到15萬千瓦，到2020年達(dá)到30萬千瓦。 在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、現(xiàn)代化水平較高的大中城市，建設(shè)與建筑物一體化的屋頂太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電設(shè)施，首先在公益性建筑物上應(yīng)用，然后逐漸推廣到其它建筑物，同時(shí)在道路、公園、車站等公共設(shè)施照明中推廣使用光伏電源?！笆?一五”時(shí)期，重點(diǎn)在北京、上海、江蘇、廣東、山東等地區(qū)開展城市建筑屋頂光伏發(fā)電試點(diǎn)。 到2010年，全國建成1000個(gè)屋

8、頂光伏發(fā)電項(xiàng)目，總?cè)萘?萬千瓦。到2020年，全國建成2萬個(gè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目，總?cè)萘?00萬千瓦。 建設(shè)較大規(guī)模的太陽能光伏電站和太陽能熱發(fā)電電站?！笆?一五”時(shí)期，在甘肅敦煌和西藏拉薩（或阿里）建設(shè)大型并網(wǎng)型太陽能光伏電站示范項(xiàng)目；在內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等地選擇荒漠、戈壁、荒灘等空閑土地，建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目。到2010年，建成大型并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘?萬千瓦、太陽能熱發(fā)電總?cè)萘?萬千瓦。 到2020年，全國太陽能光伏電站總?cè)萘窟_(dá)到20萬千瓦，太陽能熱發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到20萬千瓦； 另外，光伏發(fā)電在通訊、氣象、長距離管線、鐵路、公路等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)2010年，這些商業(yè)領(lǐng)域的光伏應(yīng)用將

9、累計(jì)達(dá)到3萬千瓦，到2020年將達(dá)到10萬千瓦。 （4）風(fēng)電 根據(jù)中國氣象利學(xué)研究院繪制的全國平均風(fēng)功率密度分布圖，中國陸地10米高度層的風(fēng)能總儲量為32.26億kW（千瓦），這個(gè)儲量稱作“理論可開發(fā)總量”，實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能資源儲量為2. 53億kW。 近海風(fēng)場的可開發(fā)風(fēng)能資源是陸上的3倍，據(jù)此，中國可開發(fā)的風(fēng)能資源約為10億kW。 2006年，中國新增風(fēng)電裝機(jī)1.337MW，占全球新增裝機(jī)的8. 9%，同比增長165. 83%；2006年中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到2.604MW，占全球風(fēng)電裝機(jī)的3. 5%，累計(jì)裝機(jī)增長105.29%。 根據(jù)這個(gè)增速，中國的能源規(guī)劃至2010年風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到5.OOO

10、MW；2020年達(dá)到30.OOOMW的目標(biāo)將輕易被突破。 屆時(shí)，我國的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將接近現(xiàn)在的火電裝機(jī)容量?？梢?，我國對風(fēng)力發(fā)電寄予厚望，其在我國未來的電力供應(yīng)中將扮演重要角色。如果規(guī)劃的目標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)，那么水電和風(fēng)電聯(lián)手就能解決中國90%以上的電力需求。 （5）水電 據(jù)國際大壩委員會(huì)統(tǒng)計(jì)的資料，截至2003年，全世界己經(jīng)修建了約49697座大壩（高于15m的壩或庫容大于100萬m3的低壩），分布在140多個(gè)國家，其中中國的大壩有25800多座。 世界上有24個(gè)國家依靠水電為其提供90%以上的能源，如巴西、挪威；有55個(gè)國家依靠水電為其提供50%以上的能源，包括加拿大、瑞士、瑞典等國；有62

11、個(gè)國家依靠水電為其提供40%以上的能源，包括南美的大部分國家。 全世界水電的發(fā)電量占所有發(fā)電量總和的19%，水電總裝機(jī)容量為728.49GW。 發(fā)達(dá)國家水電的平均開發(fā)度己在60%以上，其中美國水電資源己開發(fā)約82%，日木約84%，加拿大約65%，德國約73%，法國、挪威、瑞土也均在80%以上。 可見，在世界范圍內(nèi)，水力發(fā)電有著舉足輕重的作用。在我國，水電每年提供的電力儀次于火電，居第二位。 由于水電是可再生能源，所以，當(dāng)化石能源枯竭以后，它仍然能夠發(fā)揮作用。 到目前為止，我國的水電開發(fā)度不到25%。所以還有很大的發(fā)展空間。 在可再生能源中，水電的成本是相對很低，而且許多國家的經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)展水電

12、也是可行的，所以在資源條件允許的地區(qū)，它是優(yōu)先發(fā)展的能源，但是在開發(fā)利用過程中要采取合適的方式，要注意對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。同時(shí)，由于水力資源的限制，盡管水力發(fā)電的發(fā)展?jié)摿艽螅K究是有限的。 1.3 能源 能源與新材料、生物技術(shù)、信息技術(shù)一起構(gòu)成了文明社會(huì)的四大支柱。能源是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源技術(shù)的每次進(jìn)步都帶動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。隨著煤炭、石油和天然氣等化石燃料資源面臨不可再生的消耗和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要，新能源的開發(fā)將促進(jìn)世界能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，新能源技術(shù)的日臻成熟將帶來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的革命性變化。 能源有多種分類方法，按形成方式可分為一次能源（如煤、石油、天然氣、太陽能等）和二次

13、能源（電、煤氣、蒸汽等）；按循環(huán)方式可分為不可再生能源（化石燃料）和可再生能源（生物質(zhì)能、氫能、化學(xué)能源）；按使用性質(zhì)可分為含能體能源（煤炭、石油等）和過程能源（太陽能、電能等）； 按環(huán)境保護(hù)的要求，能源可分為清潔能源（又稱綠色能源，如太陽能、氫能、風(fēng)能、潮汐能等，也包括垃圾處理等）和非清潔能源； 按現(xiàn)階段的成熟程度可分為常規(guī)能源和新能源。 1.4 新能源 新能源與常規(guī)能源是一個(gè)相對的概念，隨著時(shí)代的發(fā)展，新能源的內(nèi)涵不斷變化和更新。目前，新能源主要包括太陽能、氫能、核能、化學(xué)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?。新能源的開發(fā)是解決能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問題的金鑰匙。 （1）太陽能 太陽能是人類最

14、主要的可再生能源。太陽每年輸出的能量約為3.75*1026W，到達(dá)地球的能量大約是總能量的22億分之一，其中輻射到地球陸地上的能量大約為8.51016W。這個(gè)數(shù)量遠(yuǎn)大于人類目前消耗的能量的總和，相當(dāng)于1.71018 t標(biāo)準(zhǔn)煤。 （2）氫能 氫是未來最理想的二次能源。氫以化合物的形式儲存于地球上最廣泛的物質(zhì)水中。如果把海水中的氫全部提取出來，總熱量是地球現(xiàn)有化石燃料的9000倍。 （3）核能 核能是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)放出的能量。核能釋放包括核裂變和核聚變。核裂變所用原料鈾1g就可釋放相當(dāng)于30t煤的能量，而核聚變所用的氘僅用560t就可以為全世界提供一年消耗的能量。海洋中氘的儲量可供人類使用幾

15、十億年，同樣是“取之不盡，用之不竭”的清潔能源。 （4）生物質(zhì)能 生物質(zhì)能目前占世界能源中消耗量的14%。估計(jì)地球每年植物光合作用固定的碳達(dá)到2*1012t，含能量31021 J。 地球上的植物每年生產(chǎn)的能量是目前人類消耗礦物能的20倍。 （5）化學(xué)能源 化學(xué)能源實(shí)際是直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娔艿难b置，也叫電池。 化學(xué)能源已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的重要的組成部分，同時(shí)化學(xué)能源還將承擔(dān)其它新能源的貯存功能。 （6）風(fēng)能 風(fēng)能是大氣流動(dòng)的動(dòng)能，是來源于太陽能的可再生能源。估計(jì)全球風(fēng)能儲量為1014 MW，如有千萬分人之一被人類利用，就有106 MW的可利用風(fēng)能，這是全球目前的電能總需求量，也

16、是水利資源可利用量的10倍。 （7）地?zé)崮?地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮?。全世界地?zé)豳Y源總量大約1.451026 J，相當(dāng)于全球煤熱能的1.7億倍，是分布廣、潔凈、熱流密度大、使用方便的新能源。 （8）海洋能 海洋能是依附在海水中的可再生能源，包括潮汐能、潮流、海流、波浪、海水溫差和海水鹽差能。估計(jì)全世界海洋能的理論可再生量為7.61013 W，相當(dāng)于目前人類對電能的總需求量。 （9）可燃冰 可燃冰是天然氣的水合物。它在海底分布范圍占海洋總面積的10%，相當(dāng)于4000萬平方公里，它的儲量夠人類使用1000年。 1.5 新能源技術(shù) 新能源的分布廣、儲量大和清潔環(huán)保，將為人類提供發(fā)展的動(dòng)力。實(shí)

17、現(xiàn)新能源的利用需要新技術(shù)支撐，新能源技術(shù)是人類開發(fā)新能源的基礎(chǔ)和保障。 （1）太陽能利用技術(shù) 太陽能利用技術(shù)主要包括：太陽能熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)即通過轉(zhuǎn)換裝置將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能加以利用，例如太陽能熱發(fā)電、太陽能采暖技術(shù)、太陽能制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽灶和太陽房等；太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，即太陽能電池，包括應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體太陽能電池和光化學(xué)電池的制備技術(shù)；太陽能化學(xué)能轉(zhuǎn)化技術(shù)，例如光化學(xué)作用、光合作用和光電轉(zhuǎn)換等。 （2）氫能利用技術(shù) 氫能利用技術(shù)包括制氫技術(shù)、氫提純技術(shù)和氫儲存與輸運(yùn)技術(shù)。制氫技術(shù)范圍很廣：化石燃料制氫技術(shù)、電解水制氫、固體聚合物電解質(zhì)電解制氫、高溫水蒸汽電

18、解制氫、生物制氫技術(shù)、生物質(zhì)制氫、熱化學(xué)分解水制氫及甲醇重整、H2S分解制氫等。 氫的儲存是氫能利用的重要保障，主要技術(shù)包括液化儲氫、壓縮氫氣儲存、金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫、物理吸附儲氫、有機(jī)物儲氫和玻璃微球儲氫等。氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)（蒸汽輪機(jī)）發(fā)電、MH/Ni電池、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等。 （3）核電技術(shù) 核電技術(shù)主要有核裂變和核聚變。自20世紀(jì)50年代第一座核電站誕生以來，全球核裂變發(fā)電迅速發(fā)展，核電技術(shù)不斷完善，各種類型的反應(yīng)堆相繼出現(xiàn)，如壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆、氣冷堆及快中子堆等，其中，以輕水（H2O）作為慢化劑和載熱劑的輕水反應(yīng)堆（包括壓水堆和沸水堆

19、）應(yīng)用最多，技術(shù)相對完善。 人類實(shí)現(xiàn)核聚變并進(jìn)行控制其難度非常大，采用等離子體最有希望實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)。將等離子體加熱到點(diǎn)火溫度，采用一定的裝置和方法來控制反應(yīng)物的密度和維持此密度的時(shí)間，目前人們使用得最多的是應(yīng)用磁約束和慣性約束。 （4）化學(xué)電能技術(shù) 化學(xué)電能技術(shù)即電池制備技術(shù)，目前以下幾種電池研究活躍并具有發(fā)展前景：金屬氫化物鎳電池、鋰離子二次電池、燃料電池（包括堿性燃料電池，簡稱AFC；質(zhì)子交換膜燃料電池，簡稱PEMFC；磷酸燃料電池，簡稱PAFC；熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC；固體氧化物燃料電池，簡稱SOFC）和鋁電池。 （5）生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù) 生物質(zhì)能的開發(fā)利用在許多國家得到高度重

20、視，生物質(zhì)能有可能成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的主要成員，擴(kuò)大其利用是減排CO2的最重要的途徑。生物質(zhì)能的開發(fā)技術(shù)有生物質(zhì)氣化技術(shù)、生物質(zhì)固化技術(shù)、生物質(zhì)熱解技術(shù)、生物質(zhì)液化技術(shù)和沼氣技術(shù)等。 （6）風(fēng)能、海洋能與地?zé)崮軕?yīng)用技術(shù) 風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)主要為風(fēng)力發(fā)電，如海上風(fēng)力發(fā)電、小型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和渦輪風(fēng)力發(fā)電等。 海洋能作為一種特殊的能源，它的能量主要來自潮汐、涌流和波濤的沖擊力，溫度差及海水中溶解的化學(xué)成分。在上述能源中，目前僅有潮汐能被大規(guī)模利用，即潮汐能發(fā)電技術(shù)。波浪能發(fā)電、溫差能發(fā)電和鹽差能發(fā)電技術(shù)仍處于研發(fā)階段。 地?zé)衢_發(fā)技術(shù)集中在地?zé)岚l(fā)電、地?zé)岵膳?、供熱和供熱水的技術(shù)。第2章 太陽能 2.1.1

21、太陽和太陽輻射能 太陽是離地球最近的恒星，日地間的距離大約為1.5108 km。從地球上望去，太陽的張角為0.0093弧度（32），乘以日地距離，便得太陽的直徑為1.4106 km，約為地球直徑的109倍。就體積而論，太陽的體積是地球的130多萬倍。 根據(jù)萬有引力定律，在已知地球質(zhì)量的情況下，推算出太陽的質(zhì)量為1.991030 kg，即為地球質(zhì)量的33萬倍。太陽的平均密度是1.4103 kg/m3，是地球平均密度的四分之一。 太陽的結(jié)構(gòu)分內(nèi)部和大氣兩大部分。自里向外，內(nèi)部又分為內(nèi)核、中介層和對流層3個(gè)層次； 大氣可分為光球、色球和日冕3個(gè)層次。設(shè)太陽內(nèi)部部分的半徑為R，在00.23 R的區(qū)域內(nèi)

22、是太陽的核心。 核心內(nèi)的溫度高達(dá)4*107K，中心處壓力達(dá)3*1014kPa，密度是水的100倍，質(zhì)量占整個(gè)太陽質(zhì)量的40%。 由于這里溫度極高，壓力極大，物質(zhì)離子化并呈等離子態(tài)。 不同的原子核在這里相互碰撞，引起一系列熱核反應(yīng)，釋放出巨大的能量。這部分產(chǎn)生的能量占太陽產(chǎn)生總能量的90%，并以對流和輻射的方式向外傳遞。核反應(yīng)中產(chǎn)生的-射線，在通過其他幾個(gè)較冷區(qū)域時(shí)，消耗能量，增加波長，變成X射線、紫外線和可見光。 中介層在0.23 R0.7 R區(qū)域，這部分也稱為輻射輸能區(qū)。這里溫度下降到1.3*105K，密度下降到79 kg.m-3。 從0.7 R1 R之間的區(qū)域稱為對流層，對流層的溫度下降到

23、6000 K，密度為lkg.m-3。 太陽大氣的最內(nèi)層是光球?qū)?，這是人們看到的太陽表面，這里的溫度為6000 K，密度為10-3 kg.m-3，厚約500 km。 光球?qū)佑蓮?qiáng)烈電離的氣體組成，并能吸收和發(fā)射連續(xù)的輻射光譜，太陽能的絕大部分能量都由此輻射到太空。 光球?qū)油饷媸巧驅(qū)?，厚約11041.5104 km，大部分由氫和氦組成。 這里的溫度為5000 K，密度只有10-5 kg.m-3。 色球?qū)佑袝r(shí)出現(xiàn)極猛烈噴射的日焰，此時(shí)太陽的輻射量最大。有些太陽上的電子流到太空，形成太陽風(fēng)，打擊到地球大氣層上緣，產(chǎn)生磁暴和極光。 色球?qū)油馐巧烊胩盏你y白色的日冕，那里的溫度達(dá)105K；有時(shí)高度可達(dá)幾十

24、個(gè)太陽半徑。 由此看來，太陽并不是一個(gè)一定溫度的黑體，而是許多層不同波長發(fā)射和吸收的輻射體。 但在應(yīng)用太陽能系統(tǒng)時(shí)，通常把它看成是溫度為6000 K的黑色輻射體。 太陽物質(zhì)的組成，就質(zhì)量說，氫占78.4%；氦占19.8%；至于種類繁多的金屬和其他元素，總計(jì)僅占1.8%。 太陽的能源主要來自兩種熱核反應(yīng)：一是質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)； 另一是碳-氮循環(huán)。 質(zhì)子一質(zhì)子循環(huán)過程，可寫成如下的核反應(yīng)方程式： H11+ H11 D12+e+-+h DD12+ H11 He23+Y He23十He23He24+ 2H11 式中D12是氘，e+是正電子，-是中微子，h是光子。 碳一氮循環(huán)過程由6個(gè)步驟組成，它們的核反

25、應(yīng)方程式如下： H11 +C612N713+ N714+ H11 0815+ N713 C613+e+ O815N715+e+ C613 + H11 N714 + N715 + H11 C612 +He24 （2-2）這個(gè)核反應(yīng)中，參與反應(yīng)的碳、氮總量不變。 兩種熱核反應(yīng)都是使4個(gè)氫原子核合成1個(gè)氦原子核（a粒子）。 在合成的過程中，質(zhì)量虧損0.7%。根據(jù)愛因斯坦定律： E=mc2 1kg質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為91016J的能量，在消耗1 kg氫元素時(shí)轉(zhuǎn)化的能量為： 91016 J0.7% = 6.31014 J 太陽的輻射功率為3.81026W，每秒鐘要消耗6l011kg氫核燃料，實(shí)際質(zhì)量損失為4.2

26、109kg。 太陽上氫的儲量極為豐富，按目前的輻射水平，太陽的壽命可達(dá)幾十億年。 太陽的能量以電磁波的形式向外輻射，它的輻射波長范圍從0.1nm以下的宇宙射線直至無線電波的絕大部分，人眼所能感覺到的可見光（波長從400780 m）只占整個(gè)電磁輻射的很小部分。 2.1.2 到達(dá)地球的太陽輻射能 地球是太陽系的一顆行星，只能接受太陽總輻射量的1/22億，即有1.731017W到達(dá)地球大氣層上緣。由于穿越大氣層時(shí)的衰減，最后約有一半的能量，即8.51016W到達(dá)地球表面。 這個(gè)數(shù)量相當(dāng)目前全世界總發(fā)電量的幾十萬倍。 地球在繞太陽運(yùn)行過程中，與太陽間的距離變化不大，到達(dá)地球大氣層上界的太陽輻射強(qiáng)度幾乎

27、是一個(gè)常量，用太陽常數(shù)Isc來表示。 太陽常數(shù)的數(shù)值是指在平均日地距離時(shí)，地球大氣層上界垂直太陽光線的單位面積表面、單位時(shí)間內(nèi)所接受到的太陽能。 近年來測得的太陽常數(shù)值Isc = 1.35103W.m-2，日地距離的變化造成的影響不超過3.4%。 太陽輻射穿過地球大氣層時(shí)，不僅受到大氣層中的空氣分子、水汽及灰塵所散射，而且受到大氣中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收。具體地講，太陽光譜中的X射線及其他波長更短的輻射，因在電離層被氮、氧及其他大氣分子強(qiáng)烈吸收而不能穿越大氣到達(dá)地表，大部分紫外線被臭氧吸收。 可見光能量減弱，主要是地球大氣強(qiáng)烈散射引起的；紅外光譜能量減弱，主要是由于水汽對太陽輻射選擇性吸

28、收的結(jié)果； 波長超過2500 m的輻射，在大氣上界本來就很低，加上二氧化碳和水對它的強(qiáng)烈吸收，能到達(dá)地面的能量就更小。 因此，到達(dá)地面的太陽能，只考慮290-2500 m的輻射就行了。 這部分太陽輻射透過大氣層時(shí)，由于大氣的散射和吸收，能量同樣衰減。 要討論這部分輻射到達(dá)地面的衰減情況也很困難，其中影響最大的是云產(chǎn)生的散射和吸收。 在整個(gè)天空被厚云復(fù)蓋時(shí)，到達(dá)地表的太陽輻射量還不及入射量的1/10；而在積云散開時(shí)，從云側(cè)面向地面的反射量強(qiáng)，有時(shí)局部地區(qū)得到的太陽輻射比無云時(shí)還強(qiáng)。 可見，云效應(yīng)的表現(xiàn)方式非常復(fù)雜、變化量也很大。另外，大氣的壓強(qiáng)、溫度、濕度及灰塵微粒的含量，對太陽輻射的散射和吸收

29、的影響也不小，變化也很復(fù)雜，這就使計(jì)算到達(dá)地表的太陽輻射強(qiáng)度格外困難。 目前，人們根據(jù)實(shí)際測量和一些經(jīng)驗(yàn)公式，將世界部分地區(qū)的太陽輻射日總量、月總量和年總量制成表格，以便查找。從測量結(jié)果看，中國大部分地區(qū)的太陽輻射量都比較大，最高地區(qū)在青藏高原，年輻射總量達(dá)9109 J.m-2a-1。如此豐富的太陽能資源，對開發(fā)利用太陽能提供了良好的條件。 2.1.3太陽能的利用 太陽能是一種潔凈的自然再生能源，取之不盡，用之不竭，而且太陽能是所有國家和個(gè)人都能夠得以分享的能源。 為了能夠經(jīng)濟(jì)有效地利用這一能源，人們從科學(xué)技術(shù)上著手研究太陽能的收集、轉(zhuǎn)換、貯存及輸送，已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，這無疑對人類的文明具有重

30、大意義。 太陽能有直接太陽能和廣義太陽能之分。所謂直接太陽能，就是指太陽直接輻射能量。而廣義太陽能，即由太陽輻射能所產(chǎn)生的其他自然能，例如水力、風(fēng)能、波浪能、海洋溫差和生物質(zhì)能等。它們的利用方式有很大區(qū)別，這里的太陽能利用僅指直接太陽能。直接太陽能的利用又分為熱利用和光利用兩個(gè)主要方面。 （1）太陽能的熱利用 太陽能熱利用系統(tǒng)根據(jù)溫區(qū)不同又分為： 低溫太陽能利用系統(tǒng)（80以下）； 中溫太陽能利用系統(tǒng)（80-350）； 高溫太陽利用系統(tǒng)（350以上）。 低溫太陽能利用系統(tǒng) 這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括熱水器、被動(dòng)式太陽房、太陽能干燥、太陽能制冷等。 近年來，低溫太陽能利用系統(tǒng)的主要研究發(fā)展任務(wù)是：降

31、低太陽能集熱器的制造成本、提高運(yùn)行效率和可靠性，簡化設(shè)備安裝的方法。 低溫太陽能利用系統(tǒng)中，決定成本和效率的關(guān)鍵部件是平板集熱器。目前的平板集熱器全部采用鋁擠壓件，這使制造工藝簡化，而且為裝配玻璃板和集熱板提供了良好的支架。另外，密封技術(shù)取得了很大進(jìn)展，吸熱涂料的性能大為提高。這些成果標(biāo)志著低溫太陽能利用技術(shù)日趨成熟。 中溫太陽能利用系統(tǒng) 這個(gè)系統(tǒng)主要給工業(yè)生產(chǎn)提供中溫用熱，例如木材的干燥、紡織品的漂白印染、塑料制品的熱壓成形和化工的蒸餾等。中溫太陽能利用系統(tǒng)的集熱器都要一定程度的聚光，近幾年來，聚光集熱器的研制有了很大的進(jìn)展，開始由實(shí)驗(yàn)室走向市場。但聚光集熱器的成本遠(yuǎn)高于平板集熱器，而且中溫

32、系統(tǒng)的蓄熱比低溫系統(tǒng)困難得多，這些問題的解決還有待進(jìn)一步研究。 高溫太陽能利用系統(tǒng) 高溫太陽能利用系統(tǒng)主要用于大型熱發(fā)電，它的集熱系統(tǒng)需建造大型的旋轉(zhuǎn)物面聚光集熱器和定日鏡場。這兩者（特別是定日鏡）的投資耗費(fèi)太大，它的應(yīng)用目前尚處在實(shí)驗(yàn)階段。近幾年來，集中目標(biāo)在研究技術(shù)先進(jìn)、成本較低的定日鏡。 （2）太陽能的光利用 太陽能的光利用有兩個(gè)方面：一是太陽能電池，二是光化學(xué)利用。 太陽能電池 太陽能電池具有方便、不需燃料和無污染等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來得到很大發(fā)展，有可能成為未來社會(huì)能源結(jié)構(gòu)中的主要成員。 太陽電池種類繁多，主要光電池系列有：單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅薄膜電池、砷化鎵電池和硫化鎘電池等。

33、 光化學(xué)制氫 光化學(xué)制氫有幾種途徑：一是光化學(xué)分解水制氫，這是利用光直接照在電解液上，通過電解質(zhì)的作用，將其中的水分解為氫和氧；二是光電化學(xué)電池分解水制氫，這是通過光電化學(xué)電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能； 三是太陽光絡(luò)合催化分解水制氫，這是通過絡(luò)合物（催化劑）吸收光能，產(chǎn)生電荷分離、轉(zhuǎn)移和集結(jié)，并通過一系列偶聯(lián)過程，最終使水分解為氧和氫。 2.2太陽能-熱能交換技術(shù) 通過轉(zhuǎn)換裝置將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能加以利用，稱為太陽能熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)，也稱為太陽能光熱利用技術(shù)。太陽能光熱利用主要包括：太陽能熱發(fā)電、太陽能采暖技術(shù)、太陽能制冷與空調(diào)技術(shù)、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽灶和太陽房等。 2.2.1太陽能

34、熱發(fā)電技術(shù) 2.2.1.1太陽能熱發(fā)電的類型和特點(diǎn) 太陽能熱動(dòng)力發(fā)電，利用反射鏡或集熱器將陽光聚集起來，加熱水或其他介質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽或熱氣流以推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電； 利用熱電直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，將聚集的太陽光和熱直接發(fā)電。例如溫差發(fā)電、熱離子發(fā)電和磁流體發(fā)電等。 目前太陽能熱發(fā)電技術(shù)主要為熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。 太陽輻射能很容易以極高的效率轉(zhuǎn)換為熱能，但把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣t受到限制。 熱力學(xué)第二定律和卡諾定律闡述了熱轉(zhuǎn)換為功的條件和最大轉(zhuǎn)換效率，提高熱機(jī)效率的主要途徑是提高熱源溫度。太陽能是一種能流密度很低的能源，若要提高經(jīng)濟(jì)效益，就必須提高熱機(jī)效率和規(guī)模大型化. 太陽能熱發(fā)電還需考慮太陽能的間隙性的不利

35、因素，為保證正常供電和發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，理論上有三種選擇： 配置蓄電裝置，把多余的電能貯存起來以供需要； 在太陽能集熱器與熱機(jī)之間設(shè)置貯熱裝置，把電負(fù)荷較低時(shí)多余的熱能貯存起來，使發(fā)電機(jī)在用電高峰時(shí)能以更大的功率發(fā)電； 把太陽能發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)并聯(lián)。 2.2.1.2太陽能熱發(fā)電原理 太陽能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，再通過熱力循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。熱源采用太陽能向蒸發(fā)器供熱，工質(zhì)（通常是水）在蒸發(fā)器（或鍋爐）中蒸發(fā)為蒸汽并過熱，進(jìn)入透平，通過噴管加速后驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。離開透平的工質(zhì)成為飽和蒸汽，進(jìn)入冷凝器后向冷卻介質(zhì)（水或空氣）釋放潛熱，凝結(jié)為液體工質(zhì)并重新回到蒸發(fā)器中循

36、環(huán)使用。 2.2.1.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括：集熱系統(tǒng)，熱傳輸系統(tǒng)，蓄熱與熱交換系統(tǒng)，汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。它的功能是把太陽光反射、集中并能變成熱能，再把熱能儲存和轉(zhuǎn)變成高溫水蒸氣，實(shí)現(xiàn)蓄熱和熱交換。 目前，世界上的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有四類：塔式電站、碟式電站、槽式電站和太陽能煙囪。 塔式電站是利用獨(dú)立跟蹤太陽能的定日鏡，將太陽能聚焦到一個(gè)固定在塔頂部的接收器上，以產(chǎn)生很高的溫度。 碟式電站是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡，接收器設(shè)在拋物面的焦點(diǎn)處，其內(nèi)部工質(zhì)被加熱到750左右，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電； 槽式電站是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀接收器上，將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，

37、推動(dòng)常規(guī)汽輪發(fā)電； 太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)由煙囪、集熱器（平面溫室）和發(fā)電機(jī)及儲能系統(tǒng)組成，被溫室加熱的空氣在溫室中心和煙囪底部產(chǎn)生氣流，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 （1）塔式電站 塔式電站用一個(gè)中心吸收器取代火力發(fā)電站的鍋爐。吸收器利用由許多反射鏡聚集的陽光把其中的介質(zhì)（如水）加熱，并產(chǎn)生溫度和壓力卻相當(dāng)高的蒸汽。蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。 塔式電站的聚光倍數(shù)高（10003000），其介質(zhì)工作溫度通常大于350，因此通常被稱為高溫太陽能熱發(fā)電。 塔式電站的優(yōu)點(diǎn)是聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到較高的工作溫度；能量集中過程由反射光一次完成，方法簡捷有效；吸收器散熱器面積相對較小，光熱轉(zhuǎn)換效率高。 但塔式電站建設(shè)費(fèi)用高，

38、其中反射鏡的費(fèi)用占50%以上。太陽能塔式電站的總體效率可以達(dá)到20%。 塔式電站可以實(shí)現(xiàn)把反射鏡聚集的陽光都集中在中心塔頂?shù)慕篃崞飨到y(tǒng)上，獲得的水蒸氣溫度較高（達(dá)到259），發(fā)電能力大。 目前世界上較大的太陽能塔式電站功率已達(dá)到104kW，太陽能的直輻射通過多個(gè)反射鏡聚集到放置在高塔頂?shù)闹行奈掌魃稀?計(jì)算機(jī)控制每塊反射鏡都能獨(dú)立的根據(jù)太陽的位置來調(diào)整各自的方位和傾角，這保障了每塊反射鏡都能隨時(shí)把太陽能反射到吸收器上。 但這無疑增加了成本，塔式電站的致命缺點(diǎn)是太陽能電站規(guī)模越大，反射鏡陣列的占的面積越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一個(gè)計(jì)劃中的1MW的塔式電站，要用2.93萬塊反射鏡，單鏡面積

39、為30m2。這些反射鏡布置在3km2的場地上，塔的高度為305m。圖2-1為太陽能塔式電站示意圖。 圖2-1.太陽能塔式電站示意圖（2）碟式電站 碟式電站采用碟狀（也稱盤狀）拋物鏡作集熱器。如果建立一個(gè)100MW的碟狀拋物鏡集熱器分散布置的太陽能電站，約需要1-2萬個(gè)直徑為6m的拋物鏡。每個(gè)拋物鏡上需要裝一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的高溫吸收器，實(shí)現(xiàn)匯集上萬個(gè)吸收器內(nèi)的高溫工作介質(zhì)，不僅系統(tǒng)復(fù)雜，而且管路和絕熱材料費(fèi)用很高，目前仍未廣泛推廣。圖2-2為碟式電站示意圖。 圖2-2碟式電站示意圖（3）槽式電站 槽式電站與碟式電站相似，它把聚焦器分散布置，使載熱介質(zhì)在單個(gè)分散的太陽能聚焦集熱器中加熱成蒸汽，再匯集至

40、汽輪機(jī)。如采用雙回路系統(tǒng)，則加熱后的載熱介質(zhì)不直接送到汽輪機(jī)，而是集中在一個(gè)熱交換器內(nèi)，然后把熱量傳遞給汽輪機(jī)回路中的工質(zhì)。 這種槽式拋物鏡焦熱器分散式電站的優(yōu)點(diǎn)是各聚焦集熱器可同步跟蹤，降低了控制代價(jià)； 缺點(diǎn)是能量集中過程依賴于管道和泵，其間熱損失和阻力損失將增加成本。圖2-3為槽形拋物鏡集熱器分散布置式電站原理示意圖。 圖2-3 槽形拋物鏡集熱器分散布置式電站原理示意圖 槽式拋物鏡集熱器是一種線聚焦集熱器，聚光倍數(shù)低于塔式集熱器和碟式集熱器，集熱過程分輻射與傳熱、傳質(zhì)兩步走的方式進(jìn)行，加之吸收器散熱面積較大，所以集熱器能達(dá)到的介質(zhì)工作溫度一般不超過380，因此被稱為中溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

41、比較塔式、槽式和碟式三種電站，人們發(fā)現(xiàn)塔式電站和碟式拋物鏡集熱器分散布置式電站均為點(diǎn)聚焦，聚光倍數(shù)高達(dá)500以上，均為高溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。 但塔式電站的跟蹤代價(jià)高，碟式電站的能量集中代價(jià)大，二者受到了目前技術(shù)水準(zhǔn)的限制，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化尚需時(shí)日。 槽式電站是線聚焦，聚光倍數(shù)小于100，為中溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。 但槽式電站跟蹤精度低，導(dǎo)致控制代價(jià)小，同時(shí)采用管狀吸收器，工作介質(zhì)受熱流動(dòng)同時(shí)集中能量。槽式電站的總體代價(jià)相對小，經(jīng)濟(jì)效益相對提高，所以目前槽式電站發(fā)展迅速。 2-4.建設(shè)中的索拉納（Solana）發(fā)電站 美國亞利桑那州即將興建目前世界上最大的太陽能發(fā)電站（見圖2-4），計(jì)劃于2011年并網(wǎng)

42、發(fā)電。該發(fā)電站已經(jīng)被命名為“索拉納（Solana）”，西班牙語中為“一個(gè)陽光燦爛的地方”，由亞利桑那州同阿文戈亞太陽能公司（AbengoaSolar）合作。它將占地1900英畝，可運(yùn)行兩個(gè)140兆瓦的蒸汽發(fā)電機(jī)組，達(dá)到280兆瓦的總發(fā)電量。 索拉納發(fā)電站將利用阿文戈亞公司的集中太陽能發(fā)電低壓槽技術(shù)，最大程度地收集太陽光。研究人員運(yùn)用數(shù)排鏡子追蹤由東向西的太陽光，以最大限度地將其收集到接收管中。接收管中充滿液體，經(jīng)由太陽能加熱后，流入熱交換器中，生成蒸汽，推動(dòng)發(fā)電渦輪運(yùn)作。 該發(fā)電站還將包括一個(gè)熱儲能系統(tǒng)，以便可以根據(jù)需要隨時(shí)發(fā)電。該系統(tǒng)的主要部分是一個(gè)大型的隔熱罐體，該罐體中充滿溶鹽，和集中太

43、陽能發(fā)電技術(shù)一起用于儲存接收管中液體的熱量。這些熱量可以在太陽光薄弱或是沒有太陽光時(shí)用于發(fā)電。 （4） 煙囪發(fā)電 太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)由太陽能集熱棚、太陽能煙囪和渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組3個(gè)基本部分所構(gòu)成（圖2-5）。 太陽能集熱棚建在一塊太陽輻照強(qiáng)、絕熱性能比較好的土地上；集熱棚和地面有一定間隙，可以讓周圍空氣進(jìn)入系統(tǒng)；集熱棚中間離地面一定距離處安裝煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機(jī)。太陽光照射集熱棚，集熱棚下面的土地吸收透過覆蓋層的太陽能輻射能，并加熱土地和集熱棚。 圖2-5太陽能煙囪發(fā)電基本原理圖 覆蓋層之間的空氣使集熱棚內(nèi)空氣溫度升高，密度下降，并沿著煙囪上升，集熱棚周圍的冷空氣進(jìn)入系統(tǒng)，從而形成空氣循環(huán)

44、流動(dòng)。 由于集熱棚內(nèi)的空間足夠大，當(dāng)集熱棚內(nèi)的空氣流到達(dá)煙囪底部的時(shí)候，在煙囪內(nèi)將形成強(qiáng)大的氣流，利用這股強(qiáng)大的氣流推動(dòng)裝在煙囪底部的渦輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 在空氣流動(dòng)過程中，產(chǎn)生了3個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程：首先空氣被加熱，太陽能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能：由于空氣在煙囪內(nèi)的上升流動(dòng)，內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能；當(dāng)空氣流到達(dá)渦輪機(jī)時(shí)，氣流推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成電能。 太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)中的一個(gè)重要因素是集熱棚表面的覆蓋層，而覆蓋層的花費(fèi)將占到整個(gè)安裝費(fèi)用的45%。目前覆蓋層所用材料的使用壽命為5-7年，如果采取措施，通過技術(shù)改造把覆蓋層的使用壽命提高到20年，太陽能煙囪發(fā)電的成本就會(huì)降低。提高太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)效

45、率的另一個(gè)重要因數(shù)是增加集熱棚面積和煙囪的高度，修建大規(guī)模的電站。 煙囪本身使用時(shí)間長、運(yùn)動(dòng)部件很少、維修費(fèi)用和電站運(yùn)行時(shí)間長是太陽能煙囪發(fā)電的特點(diǎn)。太陽能煙囪發(fā)電站在運(yùn)行過程中不排出SO2等有害氣體，不排放溫室氣體CO2，也不排出固體廢棄物，有利于生態(tài)環(huán)境，荒漠地區(qū)適于建造太陽能煙囪電站。 研究表明，除了進(jìn)行發(fā)電外，太陽能煙囪電站還有其他應(yīng)用： 一是電站能夠通過電解的方法產(chǎn)生氫氣，然后向外輸出氫氣； 二是利用集熱棚周圍的空地，在溫室內(nèi)從事園藝生產(chǎn)，如培育花卉等。 2.2.1.4 太陽能集熱吸收器 太陽能發(fā)電站與火力發(fā)電站之間的最重要的區(qū)別是用集熱器取代鍋爐。 集熱器的功用是有效的吸收太陽能而

46、又不向外擴(kuò)散。集熱器有多種，本章主要介紹真空管吸收器和腔體式吸收器。 （1）真空管吸收器 真空管吸收器的結(jié)構(gòu)如圖2-6。真空管吸收器為一置于同心玻璃管內(nèi)的金屬圓管，其外表面涂有光譜選擇性涂層，夾層抽真空以減少對流熱損。真空管吸收器主要與短焦拋物鏡相配，以此可以增大吸收表面，降低光照處的熱流密度，從而降低熱損；真空管吸收器也可配用長焦拋物鏡。 圖2-6真空管吸收器的結(jié)構(gòu)圖 真空管吸收器的優(yōu)點(diǎn)是金屬管與玻璃管之間不存在對流熱損，玻璃管外徑較小且透明，從而既減少了對陽光的遮影，也通過增大熱阻降低了外表面的對流熱損；有選擇性涂層的金屬管壁對陽光的吸收率很高，但發(fā)射率卻非常低。 真空管吸收器的缺點(diǎn)是由于

47、玻璃和金屬的熱膨脹系數(shù)不同，玻璃管與金屬管之間存在溫差，造成中溫時(shí)（略低于350）真空封口處的玻璃容易脆裂，從而難以在室外環(huán)境下長期維持真空度；在中溫時(shí)光學(xué)選擇性涂層容易老化和脫落，難以長期維持大規(guī)模光學(xué)選擇性吸收表面的熱穩(wěn)定性；較大的流通斷面造成工作流體的雷諾數(shù)較低，熱損增大。 （2）腔體式吸收器 腔體式吸收器的結(jié)構(gòu)為一柱形腔體，外表面覆隔熱材料，由于腔體的黑體效應(yīng)，使其能充分吸收聚焦后的陽光。腔體式吸收器主要適用于長焦聚光器。圖2-7為腔體式吸收器集熱器剖面圖。 圖2-7.腔體式吸收器集熱器剖面圖 腔體式吸收器的優(yōu)點(diǎn)是：吸熱過程不是發(fā)生在最強(qiáng)聚焦區(qū)，而是在聚焦過后和發(fā)射時(shí)，并以較大的內(nèi)表面

48、積向工作流體傳熱，致使和真空管吸收器相比具有較低的投射輻射能流密度；腔體壁溫較均勻，可減小與流體之間的溫差，使開口的有效溫度降低，從而最終使熱損降低； 經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的腔體式吸收器，熱性能比真空管吸收器穩(wěn)定，在同樣情況下，工作介質(zhì)平均溫度大于230時(shí)；腔體式吸收器既不需要抽真空，也不需要涂光學(xué)選擇性涂層，僅采用傳統(tǒng)的材料和制造工藝；成本低和便于維護(hù)也是腔體式吸收器的特性。腔體式吸收器的集熱效率大于真空管吸收器，這使它成為槽形拋物鏡集熱器的吸收器。腔體式吸收器的發(fā)展已受到重視。 2.2.1.5太陽能熱電站的發(fā)展趨勢及相關(guān)科學(xué)問題 太陽能熱發(fā)電技術(shù)涉及光學(xué)、熱物理、材料、力學(xué)及自動(dòng)控制等學(xué)科，是一門綜

49、合性的技術(shù)，也是太陽能研究領(lǐng)域的難題。當(dāng)前，太陽發(fā)電技術(shù)的新方案有： （1）以熔鹽為傳熱介質(zhì)的腔體式直接吸收接收器（DAR） 在DAR中有一塊隔熱良好、傾斜放置的吸熱板，來自定日鏡場的高強(qiáng)度太陽輻射經(jīng)腔體內(nèi)壁反射到吸熱板上，吸熱板又傳給板頂端熔融的碳酸鹽。 目前開展的研究是：對熔鹽摻雜，提高熔鹽對太陽輻射的直接吸收能力；研究吸熱板與熔鹽液膜之間強(qiáng)化傳熱的途徑；研究熔鹽在高溫下的熱物性參數(shù)（包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、粘度和熱輻射）。 （2）勃菜敦循環(huán) 該方案是以微粒和惰性氣體組成的固一氣兩相流為工作介質(zhì)，當(dāng)工作介質(zhì)通過接收器時(shí)，強(qiáng)烈地吸收射入接收器窗口的高強(qiáng)度太陽輻射，并在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一高溫狀態(tài)。

50、受熱的工質(zhì)可直接推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)工作。 采用耐高溫且導(dǎo)熱能力強(qiáng)的陶瓷材料（如碳化硅）做吸收器，實(shí)際上它是腔體內(nèi)的一個(gè)換熱器。當(dāng)空氣通過換熱器后，溫度升高到1000，壓力達(dá)1000kPa，可直接供燃?xì)廨啓C(jī)作功。由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度高達(dá)500，利用排氣產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)。這種燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的效率可望達(dá)到40-50%。為強(qiáng)化傳熱，降低熱損和縮短起動(dòng)時(shí)間， 目前開發(fā)成功了一種多腔體容積式太陽能接收器。這種接收器由大量小通道組成的一個(gè)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，小通道的入口面向定日鏡場。當(dāng)空氣被壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)而通過多腔體接收器時(shí)，經(jīng)聚集的高強(qiáng)度太陽輻射照射的腔體壁能使空氣加熱到很高的溫度。 這種多腔體結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是接收器入

51、口所處溫度較低，減小了對環(huán)境的輻射和對流熱損。同時(shí)多腔體結(jié)構(gòu)不需在高壓下工作，不存在腐蝕問題。主要缺點(diǎn)是腔體與空氣之間的換熱性能差。進(jìn)一步的工作是研究接收器的材料、結(jié)構(gòu)及因日照變化而引起的動(dòng)態(tài)反應(yīng)等復(fù)雜問題。 （3）兩級聚光 從熱力學(xué)考慮，應(yīng)盡可能提高工作介質(zhì)的溫度，設(shè)備又不能復(fù)雜?？茖W(xué)家們完成的一種新的兩級光學(xué)的槽型拋物鏡集熱器，使太陽熱電站的轉(zhuǎn)換效率大為提高而且成本降低。這種設(shè)計(jì)能使主級的聚光比增大2至2.5倍，并且主級聚光鏡的張角可保持90甚至120，由于作為第二級的符合拋物鏡可置于真空接受器之內(nèi)，可使熱損大為降低，工作溫度為400增至500，可滿足常規(guī)火電廠所需的蒸汽參數(shù)。 （4）SE

52、GS單回路系統(tǒng) SEGS原來均采用雙回路系統(tǒng)，必須裝備一系列換熱器。采用最新的單回路系統(tǒng)就不再以合成油為傳熱介質(zhì)，而使水直接通過真空集熱管。為實(shí)現(xiàn)這種新方案，必須深入地研究集熱管中的兩相流傳熱和高溫（420）、高壓（1000012000kPa）下的流動(dòng)狀態(tài)、溫度、壓力、汽擊及振動(dòng)等控制問題和日照變化時(shí)工況的適應(yīng)問題。 （5）新一代反光鏡 傳統(tǒng)的玻璃金屬反光鏡價(jià)格高、反射率低，目前一種在聚合物上鍍銀的緊繃式反光鏡不僅重量輕、成本低、反射率高并抗老化，使用兩年后的反射率仍在90以上。 2.2.2太陽能供暖技術(shù) 太陽能采暖技術(shù)直接利用太陽輻射能供暖，也稱太陽房?，F(xiàn)代技術(shù)不斷擴(kuò)展和完善太陽能的功能，新

53、式太陽房具有太陽能收集器、熱儲存器、輔助能源系統(tǒng)和室內(nèi)暖房風(fēng)扇系統(tǒng)，可以節(jié)能75-90%。 太陽房具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為太陽能利用的重要領(lǐng)域。圖2-8為傳統(tǒng)的太陽房。 圖2-8.傳統(tǒng)的太陽能房屋 當(dāng)代世界太陽能科技發(fā)展有兩大基本趨勢，一是光電與光熱結(jié)合，二是太陽能與建筑的結(jié)合。用太陽能代替常規(guī)能源提供建筑物的功能，包括供暖、空調(diào)和照明等，即為太陽能建筑。太陽能建筑的發(fā)展大體可分為三個(gè)階段： （1）被動(dòng)式太陽房,它是一種完全通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置,內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，恰當(dāng)選擇材料，具有集取、蓄存和分配太陽熱能功能的建筑。（2）主動(dòng)式太陽房,以太陽集熱器、管道、風(fēng)機(jī)

54、或泵、散熱器和貯熱裝置等組成的太陽能采暖系統(tǒng)或與吸收式制冷機(jī)組成的太陽能供暖和空調(diào)的建筑。（3）利用光伏發(fā)電，通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備提供建筑所需的全部能源，完全用太陽能滿足建筑供暖、空調(diào)、照明和用電等一系列功能要求，即“零能房屋”。 2.2.2.1被動(dòng)式太陽房 不用任何機(jī)械動(dòng)力，僅靠太陽能自然供暖的方式稱之為被動(dòng)式太陽房。被動(dòng)式太陽房的結(jié)構(gòu)見圖2-9，被動(dòng)式太陽房是不需輔助能源，主要靠太陽能采暖。 圖2-9利用溫室效應(yīng)被動(dòng)式太陽房的結(jié)構(gòu)示意圖 （1）利用溫室效應(yīng)的被動(dòng)式太陽房 圖2-9所示的太陽房在向陽面利用溫室效應(yīng)建成集熱墻，在集熱墻的上部和下部向室內(nèi)分別開排氣孔和通風(fēng)孔。選擇這兩種通孔時(shí)要考慮到

55、合適位置，當(dāng)太陽照射到集熱墻時(shí)，墻內(nèi)的空氣在被加熱后會(huì)由于冷熱空氣密度不同而產(chǎn)生對流。由于熱的空氣上升，會(huì)源源不斷進(jìn)入室內(nèi)，而室內(nèi)底層的冷空氣則被集熱墻吸收，形成循環(huán)對流后，室內(nèi)的溫度慢慢升高。 當(dāng)沒有陽光時(shí)，關(guān)閉集熱墻的通風(fēng)孔，房屋的四壁和頂蓬的保溫性得到保障，室溫可以保持。當(dāng)天氣炎熱時(shí)，將集熱墻上部通向室內(nèi)的通風(fēng)孔關(guān)閉，再打開頂部的排氣孔，如有地下室還可引入冷空氣。這種集熱墻將起抽風(fēng)作用，使室內(nèi)的空氣加速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到降溫的目的。 （2）自然式被動(dòng)太陽房 圖2-10是另一種結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式太陽房，稱為自然式被動(dòng)太陽房。這種太陽房南面墻采用大面積的落地窗，背面則是較封閉的實(shí)墻。冬天陽光通過落地窗直接

56、進(jìn)入宅內(nèi)，提供熱能。這種太陽房的陽臺根據(jù)太陽高度角設(shè)計(jì)，夏天陽光僅照到陽臺而不進(jìn)室內(nèi)，并且室內(nèi)空氣流通。 圖2-10 自然被動(dòng)式太陽房的結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2.2主動(dòng)式太陽房 主動(dòng)式太陽房不是自然接受太陽能取暖，而是安裝了一套系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)供暖。它通常在建筑物上裝設(shè)一套集熱、蓄熱裝置與輔助能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人類主動(dòng)的利用太陽能。主動(dòng)式太陽房本身就是一個(gè)集熱器，通過建筑設(shè)計(jì)把隔熱材料、遮光材料和儲能材料有機(jī)地用于建筑物，實(shí)現(xiàn)房屋吸收和儲存太陽能。 （1）能源過剩式太陽房 圖2-11是一種能源過剩式太陽房的結(jié)構(gòu)示意圖，被稱為PV系統(tǒng)（Photovoltaic）。利用PV系統(tǒng)能把太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，

57、除用于建筑物自身能耗外，還含有過剩能源，因此被稱為能源過剩住宅。 PV系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來的一種新型的太陽能系統(tǒng)，它的原理是利用特殊的太陽能集熱模塊，把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)保留傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)的供熱和供暖功能。 返回 圖2-11 太陽房的PV系統(tǒng)工作原理示意圖 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PV系統(tǒng)不斷完善。Helitrope式PV系統(tǒng)將房子設(shè)計(jì)成自身可以繞中軸隨太陽旋轉(zhuǎn)360，這種冬天可以使起居室、臥室主要朝南以獲得更多的陽光，夏天則使其背向陽光以減少照射。 在住宅頂部裝有隨太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的集熱板，以保障最大的集熱面積，獲得較多的太陽能；在住宅外墻設(shè)置真空式集熱器作輔助能源，得到的過省能源可輸出公用。 這

58、種PV系統(tǒng)如果安裝54 m2的集熱板，即可獲得120 kW的電能，自身僅消耗20 kW，這遠(yuǎn)低于自身的要求，是典型的能源過剩住宅。 Schcierher能源過剩住宅的設(shè)計(jì)使PV系統(tǒng)的模塊布滿朝陽光的每一寸房頂，同時(shí)住宅具有良好的保濕、隔熱、通風(fēng)系統(tǒng)。PV系統(tǒng)估計(jì)每年產(chǎn)生5700 kW的電能，僅有十分之一用于自身。住宅實(shí)現(xiàn)了在房外-2050的溫度下，室內(nèi)常年保持15 20溫度而不需要外來能源。 （2）低能耗式太陽房 圖2-12是采用空氣工作流來供暖系統(tǒng)太陽房，稱為丹佛太陽房。 丹佛太陽房利用空氣加熱器、卵石床蓄熱器及輔助熱源天然氣爐供暖。集熱器有兩組，總面積為55.7 m2，集熱器相對于屋頂?shù)膬A

59、角為45。卵石蓄熱介質(zhì)為10,640 kg，卵石的平均直徑為2.53.8 cm，熱容為0.75kJ/kg。鼓風(fēng)機(jī)、爐子、風(fēng)閘、冷風(fēng)熱風(fēng)調(diào)節(jié)器為輔件。 圖2-12丹佛太陽房的供暖系統(tǒng)示意圖1-太陽集熱器頂部壓力通風(fēng)系統(tǒng) 2-風(fēng)擋 3-冷氣回流口 4-屋頂 5-熱風(fēng)調(diào)節(jié)器 6-調(diào)節(jié)風(fēng)閘 7-爐子 8-電機(jī)帶動(dòng)的風(fēng)閘 9-鼓風(fēng)機(jī) 10-熱水預(yù)熱器 11-蓄熱器返回 丹佛太陽房的運(yùn)行方式：建筑物不需要取暖并且太陽輻射強(qiáng)勁時(shí)，僅開風(fēng)閘，氣流自集熱器到熱水預(yù)熱器 鼓風(fēng)機(jī) 蓄熱裝置 集熱器。建筑物所需熱量可直接由太陽提供時(shí)，打開或關(guān)閉部分相應(yīng)的風(fēng)閘，氣流經(jīng)集熱器 水預(yù)熱器 鼓風(fēng)機(jī) 爐子 熱風(fēng)調(diào)節(jié)器 冷風(fēng)回流

60、器 集熱器。 太陽能不能利用，需蓄熱器供暖，需打開或關(guān)閉防相應(yīng)風(fēng)閘，來自室內(nèi)的氣流經(jīng)冷氣回流器 蓄熱器 鼓風(fēng)機(jī) 爐子 熱風(fēng)調(diào)節(jié)器 室內(nèi)。太陽能完全不能利用，只能全部利用輔助能源時(shí)，需要點(diǎn)燃爐子，來自室內(nèi)的氣流 冷氣回流器 蓄熱器 鼓風(fēng)機(jī) 爐子 熱風(fēng)調(diào)節(jié)器到室內(nèi)。 丹佛太陽房可采用現(xiàn)成的常規(guī)控制設(shè)備，但它需要較大容量的蓄熱器，鼓風(fēng)費(fèi)用高。 低能耗式太陽房也可以采用熱水供暖系統(tǒng)供暖。圖2-13是 MIT4型房采暖系統(tǒng)。 圖2-13熱水器供暖式太陽房的系統(tǒng)示意圖1-太陽蓄熱水箱（59.4m3） 2-太陽集熱器 3-膨脹水箱 4-輔助水箱 5-燒油的熱水加熱器 熱水器供暖系統(tǒng)包括熱水箱、集熱器、膨脹水