绿色电力 第04章++太阳能发电.ppt

绿色电力,武汉大学电气工程学院,第四章太阳能发电,太阳的构造太阳辐射的特性太阳能简介太阳能利用历史回顾我国的太阳能资源太阳能发电简介太阳能发电现状与展望,绿色电力,武汉大学电气工程学院,新华社2007-10-20电,绿色电力,武汉大学电气工程学院,美国最大太阳能发电站,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,位于佛罗里达州西南、坦帕东南80英里约合130公里处，占地面积约为180英亩。有着“阳光之州”的美誉，但佛罗里达州并未处于太阳能发展的总前沿。佛罗里达州距美国迄今最大太阳能发电站的头衔越来越近。德索托下一代太阳能中心和佛罗里达电力及照明公司旗下另外两个太阳能发电项目的发电总量将达到110兆瓦，由此减排超过350万吨。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,打算在2016年前提供200兆瓦的电力，在15年内满足25万个家庭的用电。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,日本要在太空“玩转”太阳能,2030年之前在太空中搭建太阳能电站，然后利用激光和微波技术将电力输送回地球，“有史以来最为大胆的计划”，涉及的资金投入将高达几十亿美元。太空中没有云层和气流交锋，损失很小，大致为5倍。预计在2020年左右建成1万千瓦的太阳能发电系统。2030年则要实现建成100万千瓦太空太阳能发电站的终极目标，届时每度电的发电成本仅为8美分，比当前低6倍。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,撒哈拉沙漠计划建造世界最大太阳能电厂,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,撒哈拉沙漠却是一座能源宝库。只要0.3的撒哈拉沙漠得以开发建设太阳能电厂，就能满足全欧洲电能之需。世界上最大的太阳能电站项目，比美国加州莫哈韦沙漠计划修建的太阳能电厂要大80倍。发出的电可以通过高压直流线跨越地中海输送到欧洲，单单只是这一家电厂发的电就能满足欧洲15的能源需求。这个电厂项目需要10到15年的时间才能并网供电。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,美国已提出宏伟计划，到2050年使太阳能发电提供美国电力的69和其总能源（包括运输业）的35。预计太阳能销售给用户的费用将相当于当前常规的电力费用，约为5美分/KWh。如果风能、生物质能和地热能也被开发，则到2100年可再生能源可100地提供美国电力和其能源的90。为实现2050年计划，美国在今后40年内将必须投资超过4000亿美元。投资是巨大的，但回报也是很大的。太阳能发电设施消费燃料极少或不消费，每年可节约数十亿美元。该基础设施可替代300座大型燃煤电厂和300多座大型天然气燃用设施和消费的所有燃料。这一计划旨在有力地避免全部石油进口。因为太阳能技术几乎无污染，故这一计划也可每年减少来自电厂的温室气体排放17亿吨和减少来自汽油汽车的排放19亿吨，后者可采用太阳能发电电网由组合式混合动力车充电来替代。到2050年，美国二氧化碳排放将可比2005年水平低62，为遏制全球变暖作出努力。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,卡塔尔正在考虑兴建一座太阳能发电厂，以满足该国日益增长的能源需求。计划中的这座发电厂是世界最大的太阳能发电厂之一，建成后可以缓解卡塔尔能源短缺的现状。受石油美元的影响，海湾各国都面临着现有能源无法满足其快速经济增长的问题。据预测，卡塔尔在今后30年内的能源需求量可能会增加4倍。虽然海湾阿拉伯国家拥有丰富的油气资源，其石油、天然气储量分别占世界总储量的30％和8％，但海湾国家目前的能源和水利建设相对其经济发展速度来说仍然滞后，因此寻找替代能源是海湾各国目前努力的方向。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳的构造,太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39106km，质量约为2.2l027t，为地球质量的3.32105倍，体积则比地球大1.3106倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约80％）和氦（约19％）。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.00729。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳的结构图,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳的结构如上图所示。在太阳平均半径23％（0.23R）的区域内是太阳的内核，其温度约为8106～4107K，密度为水的80～100倍，占太阳全部质量的40％，总体积的15％。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90％。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,氢聚合时放出γ射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成X射线或紫外线及可见光。辐射输能区从0.23～0.7R的区域。温度降到1.3105K，密度下降为0.079g/cm3。对流区0.7～1.0R之间的区域。温度下降到5103K，密度下降到10-8g/cm3。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约1～1.5104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.3～3μm的黑体。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳辐射的特性,太阳常数到达地面的太阳辐射波长分布,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳常数,昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈2327′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23．5。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化（见下图）。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球绕太阳运行的示意图,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度2327′之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区（在南北半球大于902327′），冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间长。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。由于日地间距离太大（平均距离为1.5108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球大气层上方的太阳辐射强度可用“太阳常数”描述。所谓“太阳常数”是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过标准值的3.4％。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,到达地面的太阳辐射或称“日射”,太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由直达日射和漫射日射两部分组成。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，一方面使辐射强度减弱，另一方面还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；漫射是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。它由三部分组成太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光）；地平圈散射（地平圈周围的天空亮光或暗光）；其他的天空散射辐射。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,大气质量示意图如下图所示。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,大气质量图中A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。太阳位于S′点时，其穿过大气层到达A点的路径则为O′A。O′A与OA之比就称之为“大气质量”。大气质量表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O℃时海平面上太阳垂直入射时，大气质量m＝1。由图可知,绿色电力,武汉大学电气工程学院,式中，h为太阳的高度角。,显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。下表给出了热带、温带和比较寒冷地带的太阳平均辐射强度。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,不同地区太阳平均辐射强度,通常根据各地的地理和气象情况已将到达地面的太阳辐射强度制成各种可供工程使用的图表，它们不但对太阳能利用，而且对建筑物的采暖、空调设计也是至关重要的数据。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,波长分布,太阳能的波长分布可以用一个黑体辐射来模拟，黑体的温度为5800K。太阳能波长分布在紫外光、可见光和红外光波段。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。光辐射的大部分可到达地面，但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫外光辐射。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,近年来，由于臭氧层变薄，特别是南极和北极地区，到达地面的紫外光辐射越来越多。入射的红外光辐射，有一部分被二氧化碳、水蒸气和其他气体吸收，而在夜间来自地球表面的较长波长的红外辐射大部分则传到了外空。这些温室气体在上层大气中的积累，可能会使大气吸收能力增加，从而导致全球气候变暖和天气变得多云。虽然臭氧减少对太阳能集热器的影响甚微，但温室效应可能会增大散射辐射，并可能严重影响太阳能集热器的作用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能简介,太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳能的特点太阳能的能量密度低；太阳能因地而异；太阳能因时而变。虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但上述特点是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。下图是地球上的能流图。从图上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球上的能流图（单位106MW）,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能利用历史回顾,太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段第一阶段1900-1920在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率7.36kW；1902-1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。第二阶段（1920-1945）在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,第三阶段（1945-1965）在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,第四阶段1965-1973）这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,第五阶段（1973-1980）自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素。1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于是，西方一些人惊呼世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。1974年，日本公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用。1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,3.各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。4.太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,第六阶段（1980-1992）70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,第七阶段（1992-至今）由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言，21世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国21世纪议程，进一步明确了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要（1996-2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了哈拉雷太阳能与持续发展宣言，会上讨论了世界太阳能10年行动计划（1996-2005），国际太阳能公约，世界太阳能战略规划等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,我国的太阳能资源,我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为501018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2.a，中值为586kJ／cm2.a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ／cm2a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,我国太阳能资源分布的主要特点有太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22～35这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30～40地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区一类地区全年日照时数为3200～330O小时，在每平方米面积上一年内接受的太阳能总辐射量为6680-8400MJ，相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,特别是西藏，地势高，太阳光的透明度也好，太阳辐射总量最高值达8400MJ/m2.a，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉萨是世界著名的阳光城。二类地区全年日照时数为3000～3200小时，在每平方米面积上一年内接受的太阳能总辐射量为5852-6680MJ，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。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。此区为我国太阳能资源较丰富区。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,三类地区全年日照时数为2200～3000小时，在每平方米面积上一年内接受的太阳能总辐射量为5016-5852MJ，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,四类地区全年日照时数为1400～2200小时，在每平方米面积上一年内接受的太阳能总辐射量为4190-5016MJ，相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,五类地区全年日照时数约1000～1400小时，在每平方米面积上一年内接受的太阳能总辐射量为3344-4190MJ，相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总量高于5016MJ/m2.a，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能也有两个主要缺点一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能发电简介,太阳能发电原理太阳能转换为电能的基本途径太阳电池的种类太阳能发电系统的组成部分及其作用太阳能发电系统的基本构成形式,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能发电原理,太阳能发电的原理，是利用太阳的辐射能，通过水或其他介质和装置系统，使之转换成电能。太阳能发电的方式通过热过程的“太阳能热发电”塔式发电、抛物面聚光发电、太阳能烟囱发电、热离子发电、热光伏发电、温差发电等,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,不通过热过程的发电光伏发电、光感应发电、光化学及光生物发电等,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能转换为电能的基本途径,转换为电能有两种基本途径一种是光把太阳辐射能转换为热能，即太阳热发电;热发电的两种类型一种是太阳热动力发电，即采用反射镜把阳光聚集起来加热水或其他介质，使之产生蒸汽以推动涡轮机等热力发动机，再带动发电机发电。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,一种是利用热电直接转换，如温差发电（热电偶）、热离子发电、热电子发电、磁流体发电等原理，将聚集的太阳热直接转换成电能。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,一种是太阳光发电，即通过光电器件将太阳光直接转换为电能。光发电也有两种类型。一种是光生伏打电池，俗称太阳电池。一般由具有扩散结类型的半导体制成，是一种物理电池，只起能量转换作用，不发生化学变化，这种电池，目前已在人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机中用作主电源。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,一种是光生伽伐尼电池（光化学电池）它由两个浸于电解液的电极组成，当光照射一电极时，器件便产生电动势，这种电池目前还在探讨中。利用“光电效应”将太阳辐射能直接转换成电能的器件即是太阳电池，也称光电池。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳电池的种类,太阳电池的种类，主要有硅电池、流化镉电池、砷化镓电池、砷化镓－砷化铝镓电池等。常用的太阳电池是单晶硅电池，它的转换效率一般可达13％～17％。20世纪60年代开始，太阳电池就在人造卫星上作主电源使用。在空间应用的基础上，太阳电池在地面的应用也获得了发展，逐步成为一种特殊场合的辅助能源。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,作为小功率的特殊电源，太阳电池已在灯塔、航标、微波中继站、电围栏、铁路信号、电视差转、电视接收、无人气象站、金属阴极保护、抽水灌溉等方面广泛应用。据统计，到90年代中期，世界上100千瓦以上的太阳电池发电站有数十座。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太陽能電池是改採半導體產生PN結來獲得電位。當半導體受到太陽光的照射時，大量的自由電子伴隨而生，而此電子的移動又產生了電流，也就是在PN結處產生電位差。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能发电系统的组成部分及其作用,太阳能发电系统的组成太阳能发电系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳能电池板它是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,太阳能控制器它是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,逆变器在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能光伏发电的历史和现状,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能光伏发电的应用,太阳能电池可以作为独立电源、便携式电源和光电探测器，也可以与公用电网相连并网发电；其容量可以小到若干微瓦，大到数百兆瓦；其应用，从天上到地面，从家庭到公共电力，只要有阳光，均可应用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能光伏发电系统的分类,光伏发电系统，也即太阳能电池应用系统，一般分为如下两大类独立式太阳能发电系统并联式太阳能发电系统,绿色电力,武汉大学电气工程学院,独立式太阳能发电系统,独立式太阳能发电系统,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,所谓独立运行光伏发电系统，是指与电力系统不发生任何关系的闭合系统。它通常用做便携式设备的电源，向远离现有电网的地区或设备供电，以及用于任何不想与电网发生联系的供电场合。独立运行系统的构成，按共用途和设备场所环境的不同而异，如下图所示。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,带专用负载的光伏发电系统带专用负荷的光伏发电系统可能是仅仅按照其负载的要求来构成和设计的。因此，输出功率为直流，或者为任意频率的交流，是较为适用的。带一般负载的光伏发电系统带一般负载的光伏发电系统是以某个范围内不特定的负载作为对象的供电系统。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,独立式太阳能发电系统,适用于乡村的光电发电系统光电发电能力超过10千瓦目标设施乡村用途电灯、电视机、洗衣机、冰箱、路灯优点终端设备/站的负载容量是可变的，可使供电更加灵活可以集中运行和控制光电PV发电系统可以方便地建立设施监控系统,绿色电力,武汉大学电气工程学院,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,适用于学校、医院、公共会堂或私人住宅的光电发电系统光电发电能力1到10千瓦目标设施学校、医院、公共会堂或私人住宅用途电视机、录像机、电信设备、照明,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,优点能够优先向公共建筑和电气设施供电。便于收取以下费用设施使用、食物存藏、充电和水。设施管理人员能够同时控制系统运行。能够显著提高生活水平。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,家用太阳能系统光电发电能力300瓦以下目标设施个人住宅用途照明、电视机、收音机、路灯优点系统结构简单。非常适合分散居住的乡村。使用更精确，因为用户是单独的住户。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,并网式太阳能发电系统,并网运行光伏发电系统实质上与其他类型的发电站一样，可为整个电力系统提供电能。光伏发电并网系统有集中光伏电站并网和屋顶光伏系统联网两种。光伏发电系统联网示意如下图所示。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,并网式太阳能发电系统,绿色电力,武汉大学电气工程学院,并网式太阳能发电系统,太阳能发电系统由太阳能发电模块构成。太阳能发电模块捕获太阳能并生成直流DC电。变换器电力调节器将直流电DC转换成交流电AC，用于运行许多常用电器和设备。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,光电太阳能电池）模块,光电模块将太阳能转换成电能。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,变换器电力调节器）,变换器将光电模块产生的直流电转换成交流电并自动控制整个系统。,室内配电盘,配电盘向家用电器输送适当的电负载。,电度表,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,并网式太阳能发电系统,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能热发电技术,太阳能热发电站基本系统与构成塔式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电系统盘式太阳能热发电系统太阳池热发电系统,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,太阳能热发电站基本系统与构成,太阳能发电的基本原理利用太阳集热器将太阳能收集起来，加热工质，产生过热蒸汽，驱动热动力装置带动发电机发电，从而将太阳能转换为电能。普通热力发电厂兰金循环系统原理图和典型太阳能热发电站热力循环系统原理图分别如下图所示。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,比较两图可见，普通热力发电厂和太阳能热发电站的热循环系统基本相近。太阳能