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1、华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *1 太阳能发电技术 第一节、概述 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 我国太阳电池的研究开发始于1958年，1971年就成 功地将自主研发的太阳电池首次应用于我国发射的 东方红二号卫星上。 1973年开始将太阳电池用于地面。自1981年开始， 太阳电池及其应用开始列入国家的科技攻关计划。 2000年以后国家科技部又启动了国家“863”计划和 “973”计划，分别对 光伏发电 的产业 化技术和基础 性研究给以支持。 *2 华北电力大学 能源动力与机械
2、工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 现阶 段进入民用领域的太阳电池主要是晶体硅太阳 电池，占目前产量的90%以上。 薄膜太阳电池已被公认为 未来太阳电池发展的主要 方向之一，具有省材、低能耗，便于大面积连续 生 产、原材料丰富、无毒、无污染等优点，生产制造 成本低，在建筑光伏一体化（BIPV）、荒漠电站等 方面具有广泛的应用前景，是目前研发领 域的主要 研究内容之一 *3 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 晶体硅太阳电池是在单晶或多晶体硅片上通过扩 散 制结而制成的 2006年为369.5MW
3、，2007年产量超过1GW，2008 年超过2GW *4 单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 太阳能光伏发电转换 效率在12%至16%，实验 室可 以达到20%左右。 硅类电 池的成本问题 始终是制约其进一步发展的最 主要的因素，发电 成本在3元左右 *5 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 在多晶硅生产环节 ，由于基础薄弱，高端生产技术和设备 基本依赖进 口且受到限制，国产设备 在技术性能、工艺、 产能等方面与国际先进水平差距明显，致
4、使物料及电力消 耗大、生产规 模小、超高纯产 品难以获得、生产成本高、 污染大、竞争力差。 在硅材料加工环节 ，主要设备 有长晶设备 和硅片（锭、棒 ）切割设备 两种。 用于单晶生长的国产单 晶炉以优良的性能价格比占据 了国内绝大部分市场且开始批量出口周边亚 洲国家；用 于多晶生长的多晶硅铸锭 炉尽管起步较晚，总体技术 水平如单位功耗、稳定性、出料率等方面与国外尚有差 距，但进步迅速. 切割设备 需要从国外进口 *6 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 在电池制造环节 ，我国光伏设备 企业在短短的数年 内已基本具备晶体硅太阳电池制
5、造设备 的整线装备 能力，且已出口到了新加坡、印度和台湾等地，国 产设备 在自动化、设备 精细化方面与进口设备 仍 有差距。 *7 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 奥运主体育馆光伏幕墙和奥运中心区景观灯 *8 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能光伏 西藏羊八井100kW和甘肃武威500kW大型荒漠电站 *9 羊八井 甘肃武威 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能热发电 国际：聚光型聚光型太阳能热发电 （CSP）
6、在西班牙的良 好发展和美国的巨大应用潜力的引领下，已进入了 新的发展阶段，预计 到2020年有望达到25 GW。 西班牙目前有22个项目，总计 1037 MW正在建设中 。这些项目预计 均将在2010年底前并入电网。 美国正在建设中目前有75 MW装机容量，处于准备 阶段的项目8.5 GW。 目前，CSP的发电 成本在11-25美分/kWh之间 。 *10 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 概述-太阳能热发电 国内：目前标志性的项目是正在开展1MW塔式电站 的研究，发电 工质参数390C, 2.35MPa，将于2010 年发电 。 *11 电工研
7、究所和皇明太阳能集团联 合研制的可沿高度角翻转180的 定日镜（125m2） 电工研究所和皇明太阳能集团联 合研制的可沿高度角翻转90的高 光效定日镜（100m2） 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *12 第二节、关于太阳辐射的基本知识 太阳辐射通量：单位面积单 位时间 内所截获的太阳 辐射能，I ，W/m2。 太阳常数：当日地距离为一个天文单位距离时，在 地球大气层上界，垂直于太阳辐射的截面上的太阳 辐射通量，I0 ， I0=1353 W/m2。 太阳常数的修正： n为从一月一日算起到该计算日的天数 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程
8、热物理教研室 solar energy * 13 地球表面上的太阳辐射 大气层对 太阳辐射的削弱作用 大气质量m:太阳辐射到达地面时在地球大气中穿行的 相对距离。 简化计算（偏于保守）： 推荐计算公式 ： 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *14 大气透明度P: P1表示一个大气质量时的大气 透明度，即太阳辐射穿过一个大气质量之后的 辐射通量I1和大气上界的辐射通量I0之比 m个大气质量时的大气透明度: 太阳辐射穿过个大气质量之后的辐射通量: 在一般的情况下，最好的晴天可取P1=0.85，较好的晴天取 P1=0.80，中等的晴天取P1=0.65，
9、较差的晴天取P1=0.53 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *15 地理几何因素对太阳辐射的影响 日地之间的关系 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 天球： *16 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *17 天球 观察者所在的水平面为天球的水平面，经过 球心与 该水平面垂直的直径的上端点为天顶顶，天球的赤道 面为经过 球心、与地球赤道平面平行的球面。经过 球心、与地球自转轴 平行的直线为 天球的轴线轴线 ，并 与天球交于其南北两极。 经过 天顶以及南北
10、方向线的圆面为天球子午面 经过 天球南北极和太阳的圆称为时时圈，时圈与天球 子午面之间的夹角称为时时角 ，当地真正午时， =0，上午为负 ，下午为正。地球每小时自转15 度 当地地理纬度 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 赤纬角：太阳在天球上的纬度，太阳与观察者的 连线 与天球赤道面的夹角，是日期的函数 d为从元旦到该计算日的天数 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 太阳高度角:即太阳与观察者的连线 与水平面 之间的夹角 : 维度：北半球为正，南半球为负 赤纬角：赤道面以北为正，以南为负 时角：上午为
11、负 ，下午为正 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 太阳时与标准时之间的关系 北京时间是东经120度经线的 太阳时，不是北京当地的太阳 时。北京的地理位置为东经 116度21， 北京太阳时 =北京时间 -4X（120-116.3)+E =北京时间 -14.8 因此北京太阳时比北京时间晚 约14分半钟 太阳时=标准时- 4(标准经度-当地经度)+修正项E 单位：分钟 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 两个特定情况 =0，=：此时大气质量为1，只能在南北回归线 之间的地区实现 =0： 对应 日出和日落的时
12、间 （地球每小时转过 15度 ） 负根对应于日出时刻 正根对应于日落时刻 （小时） 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 纬度为40度地区的日落时间（太阳时） 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 太阳方位角：太阳与观察者之间的连线 在水平 面上的投影和正南方的夹角，规定太阳方位角在 正南以东为 正，以西为负 。 确定了太阳方位角和太阳高度，即 可确定太阳在天空的位置 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *24 太阳在天空中的轨迹：太阳在天球上的运行轨道 华北电
13、力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *25 纬度为40度地区 的太阳轨迹图 太阳轨迹图： 太阳轨迹在水 平面的投影 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *26 我国太阳总辐射的分布 我国陆地地区每年太阳能辐射能的总量分布 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *27 投射到斜面上的太阳辐射 p平面对水平面的倾角为 p斜面的法线方向在水平面上 的投影与正南方的夹角为斜 面的方位角，正南以东为 正，以西为负 p斜面法线与入射太阳光之间 的夹角称为入射角，i 到达斜面的太
14、阳辐射通量为： 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *28 课堂练习 计算2010年3月18日15时15分，在北京的观察者看 到的太阳在天空中的位置（太阳高度和方位角） 此时的大气质量 若此时大气透明度为0.51，计算到达地面的太阳辐 射通量 一个太阳能热水器朝正南放置，与水平面夹角20度 ，计算此时到达热水器表面的太阳辐射通量。 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *29 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 第三节、太阳能集热器 华北电力大学 能源动力与机
15、械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 太阳能的利用通常有两种方式： 光电转换 ，太阳能电池 光热转换 ，太阳能集热器 太阳能集热器的分类： 聚焦 式：提高能量密度，设备 复杂，造价高 不聚焦式（平板式）：造价低、运行维护简单 ， 通常效率较低，不能获得很高的介质温度 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *32 1、平板型集热器 不必跟踪太阳，使用、维护简单方便；投资少 ；不仅可以接收到直接辐射，也可以接收利用 漫射辐射。 平板型集热器不能提高辐射强度，只能提供中 、低温载热介质，主要用于供暖、空调等方面 华北电力大学 能源动力与机
16、械工程学院 工程热物理教研室 solar energy *33 双层玻璃盖集热器的热网络 Qu-可用能，载热介质带走的热量 Tp-吸热元件的温度； Ta-环境温度； Tg1-外层玻璃板的温度； Tg2-第二层玻璃板的温度； Tb-集热器底部温度； R1-吸热板和第二层玻璃板之间的热 阻（对流+辐射）； R2-第二层玻璃板和第一层玻璃板之 间的热阻（对流+辐射）； R3-外层玻璃板和外界空气之间的对 流热阻； R4-集热器底部的导热热阻； R5-集热器底部和环境空气之间的对 流热阻（通常可忽略）； Re-边界的导热热 阻。 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 工程热物理教研室 solar energy 计算集热器热损 失的已知条件为：吸热板的温度Tp， 外界空气温度Ta，外界风速V，以及集热器各部件 的物性参数。 顶部热损
