能源资源科学概论第三章新能源(第一节太阳能).ppt
第三章 新能源,第一节 太阳能,太阳是距离地球最近的恒星，有磁场和自转。直径约140万公里，相当于109个地球直径之和，是太阳系内最大的天体，包含了太阳系将近98的质量，它的内部则能容纳超过130万个地球。太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停的释放出巨大的能量并向宇宙空间辐射，这就是太阳能。太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能都来自太阳能。科学家研究表明，太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量。,太阳的内部构造,太阳内部有“里三层”。从中心向外，依次是：核反应区太阳热能产生的基地。辐射区太阳能先通过这里传播出去。对流区太阳能经过这里向太阳表层传播，是“输送带”。,太阳表面结构,光球、色球和日冕,太阳黑子,色 球 层,日珥,日 珥,太阳的巨大喷发,太阳的物质抛射形成环形突出,太阳耀斑,1973年12月一个巨大的日珥跨越日面588000km,1970年3月7日日全食日冕太阳活动极大年的日冕,太阳风和极光,当太阳上有强烈爆发和日冕物质抛射时，太阳风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。这时，在地球两极则可看见瑰丽无比的极光。,美丽的极光,美丽的极光,美丽的极光,美丽的极光,太 阳 活 动 预 报,日地空间环境状态的变化对现代生活、生产所依赖的现代尖端技术显得越来越重要。前面已提到，X射线耀斑直接引起地球电离层骚扰，从而影响地球短波通讯。太阳质子事件会危及宇航员和宇宙飞行器上的传感器及控制设备，对在高纬地区飞行的旅客和乘务人员也构成辐射威胁。另外有人统计，剧烈的太阳活动与地震、火山爆发、旱涝灾害、心脏和神经系统疾病的发生及交通事故都有关系。所以，太阳活动和日地物理预报是非常重要的。太阳活动预报分为长期、中期、短期预报和警报。,日地空间环境作为系统的科学研究对象是在1957年人类进入太空开始的。50至70年代是探索阶段，人们逐步认识到太空环境的重要性。在大量探测的基础上建立了描述环境的静态模式，对一些重大的航天活动做了安全性的预报。80年代以后，在需求的推动下，日地空间环境的研究得到迅速的发展。自1979年开始每隔四年一次的国际日地预报会议均如期举行，规模逐次扩大。为了联合和协调各主要国家的工作，成立了联合的预报中心。总部设在美国，有10个区域警报中心分布于全球。我们北京区域警报中心是其中之一。进入90年代以后科学家们形象地称之为“空间天气。虽然取得了一些成绩，但预报水平仍亟待提高。,二、太阳能资源,取之不尽，用之不竭；无所不在，不需运输；清洁能源，对环境没有任何污染。,太阳能资源的优点：,太阳的能量来源 太阳的能源问题一向很吸引人。最早有人提出太阳能量是由其自身物质向中心收缩产生的。然而，这样的能源只可维持大约3000万年,而地球上最古老的岩石年龄已有38亿年了。此后的一些假说，同样难以自圆其说。后来人们才知道，太阳能源来自它直径不到50万千米的核心部分，其核心温度极高，压力极大，发生了热核反应：每4个氢原子核结合成一个氦原子核，同时释放出巨大的能量。这一过程足足可以进行100亿年。,一些国家、地区太阳能资源量估计,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。根据中国气象科学研究院的研究，有2/3以上国土面积，年日照在2000小时以上，年平均辐射量超过0.6GJ/cm2，各地太阳年辐射量大致在9302330kWh/m2之间。,从全国太阳年辐射总量的分布来看，藏、青、疆、内蒙南部、晋、陕北部、冀、鲁、辽、林西部、滇中部和西南部、闽东南部、琼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。,我国的太阳能资源分布,太阳能丰富区，在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡平方公分以上。太阳能较丰富区，北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130150千卡平方公分。太阳能可利用区，分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110130 千卡平方公分。,我国太阳能资源的分类,光热转换 光电转换 光化学转换（一）光热转换 太阳光照射物体表面会产生热效应，人们很早就认识到这一点并加以利用。光热转换应用包括：太阳能热水器、干燥器、温室与太阳房、太阳灶、采暖和制冷、海水淡化装置、太阳能热发电装置等。,三、太阳能利用的形式:,1.太阳能热水器 是目前使用最普遍的太阳能产品，它利用太阳辐射将水加热，提供生活用水。,主要有集热器和保温的储水箱组成。集热器吸热板的表面涂有选择性吸收涂层，可以增大吸热表面的吸收率和减少热发射率，从而可以最大限度的吸收太阳辐射的能量。,收集热水采用冷热水密度差的原理。冷水温度上升密度变小,使热水上升冷水下降，形成了自然循环使水不断的加热，从而使储水箱里的水升温，当天气不好时可以采用电保证热水温度。,小常识：适合人洗浴的合适温度是3538,我国自从1958年研制出第一台热水器后，经过四十多年的努力，我国太能热水器产销量均占世界首位。,2.太阳房 在建筑物内配置太阳能的集热、蓄热、供热系统，以实现屋内的热水供应、取暖等功能。早在2500年以前的古希腊，城市中的建筑物就是根据阳光和气候的特点来建造的。被动式 主动式,被动式太阳房,这种太阳房构造简单，造价低，以自然热交换方式来获得能量,取材方便，造价便宜，无需维修，有自然的舒适感，特别适合发展中国家的广大农村。,主动式太阳能采暖,利用集热器产生的热水采暖，结构较复杂，造价较高，需要电做辅助能源；蓄热器置于室外，室内又是由地板供暖，故不占用室内居住面积是这种系统的一大优点。,无辅助锅炉的主动式太阳房,白天吸热和晚上放热的墙壁、大窗户，不需要其它能源共给的太阳房。,3.太阳灶 利用太阳辐射的热能来烧水做饭的太阳炊具装置,4.太阳能游泳池 利用太阳能使游泳池中的水体保持适宜温度,5.太阳能热发电装置 收集太阳辐射的热量，加热热水产生高温水蒸汽，驱动汽轮机发电,塔式太阳能热动力发电的示意图,太阳坑发电技术,在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温蒸气。试验证实太阳坑发电的方案是可行的。,太阳坑发电示意图,太阳能烟囱发电,在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。,太阳能烟囱发电示意图,太阳池,太阳池是一种人造盐水池。它利用具有一定盐浓度梯度的池水作为太阳能的集热器和蓄热器，从而为大规模地廉价利用太阳能开辟了一条广阔的途径。,太阳池是用于接收太阳热力，将之贮存于近100的自然或人为的池中。这个池的不同深度，各有不同浓度的盐份组成。这种分层的盐份层可阻碍热的对流，而将来自太阳的辐射热捕捉在池的底层。池底层的热则可作为发电的能源。目前以色列就运用这种发电方式。,太阳池工作原理,太阳池的应用,太阳池的贮热量很大，因此可以用来采暖、制冷和空调。许多国家都利用太阳池为游泳池提供热量或为健身房供暖，或用于大型温室。其中利用太阳池发电是最为吸引人的。,太阳池环境问题,任何动物(包含人)，若是误闯入太阳池，将有致命的危险。要避免太阳池的盐份，污染地下水和土壤。为避免太阳池，有藻类出现，池内要加入毒性物质。,将阳光直接转变成电能的系统，也就是所说的“光伏系统”，光伏系统的核心是一个叫做“太阳电池”的部件。,（二）光电转换,当阳关照射到太阳电池上的时候，电子（用红圈表示）受到光子的激发而发生迁移，它们向着太阳电池的上表面运动（深蓝色区域），使得太阳电池的,上表面和背面中含有的电子数量不平衡，如果将太阳电池的上下表面用一根导线连接起来，就会在太阳电池的正极和负极之间产生电流。,很多太阳电池组合在一起后形成组件（电池板）和阵列，它们能够为负载提供电压和电流输出。,薄如纸片的太阳电池,在我们的地球上，有二十亿人口处于缺电少电的地区，光伏系统是解决这些偏远地区的能源共给问题的理想方式。,许多国家建立了大型太阳能光伏电站，用以帮助缓解用电高峰和低谷时的问题并减少建设新电站的要求。,墨西哥的光伏系统-风力-柴油互补水利系统，它为全村43户人家、3所学校、2家商店、一个教堂和一个会堂提供能源。,在世界的许多地方，水和能源同样重要，这是以色列采用光伏系统和风能结合的咸水淡化工程。,太阳空间电站,未来能源基地,随着地球上石油、煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，人类把目光投向太空，预计到下个世纪初将建成空间电站，以解决日益紧张的能源问题。,空间电站实际上是利用太阳能发电的卫星，这些卫星表面覆盖有太阳能电池板，能够吸收积聚大量太阳能并将其转化为电能，通过微波束将电能传送回地面。由永远朝向太阳的太阳电池列阵，能把直流电转换成微波能的微波转换站，发射微波束能的列阵天线等三部分组成，通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。,太空太阳电站是十分巨大的。据计算一座81010W的太空太阳电站：太阳电池的列阵面积达64km2；要装配几百亿个电池片；把微波发往地球的天线列阵面积需2.6km2。,在近地轨道直接组装太阳能电站,太阳空间电站优点,可以充分利用太阳能，同时又不会污染环境；不用架设输电线路，可直接向空中的飞 船和飞机提供电力，也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。科学家预测，一旦建成空间电站，人类可以不断获得能源，地球能源利用将产生革命性变化。,碰到的问题,空间运输成本问题 法国电力公司课题研究部顾问吕西安德尚说，要使太阳能卫星变得可行，空间运输成本最少也得降低99。能量转换的效率问题 慕尼黑理工大学空间技术研究所名誉所长哈里鲁普认为，在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题。微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人烤熟并可能引起电磁干扰，扰乱飞机的雷达系统。,6.太阳能干燥器 以太阳能辐射能作为主要能源，以空气作为干燥介质来干燥物料的装置。,7.太阳能制冷 利用太阳能集热器收集的热能驱动制冷机达到制冷的目的，制冷机通过一个制冷循环来实现由热到冷的转换过程。,太阳能氨水吸收式制冷系统,（三）光化学转换,光化学转换技术主要包括光合作用和光电化学转换技术。目前尚处于实验室阶段。,四、太阳能新产品,太阳能是目前发展最快的能源，世界能源专家认为，太阳能将是下个世纪的主要能源。太阳能具有蕴藏丰富、可再生、世界各地均可独立开采、不污染环境等优点，所以世界各国竞相开发利用，各种太阳能产品纷纷问世。,太阳能冰箱：印度研制成功一种太阳能冰箱，在平底的太阳能收集器里，盛有氨和水的溶液，太阳光把氨从液体中蒸馏出来，并在另一个容器里冷藏下来。晚间把液态氨送到冰箱管道里，氨吸收热量使冰箱内部冷却下来。太阳能电视机：芬兰生产的太阳能电视机，只要白天把半导体硅电池放在阳光下，晚上不需要用电便可观看电视，可连续使用34小时。,太阳能空调器：日本夏普电器公司制造的太阳能空调器，当天气晴朗时，全部动力都由太阳能电池供应；多云或阴天时使用一般电源。,太阳能换气扇 日本新近推出一种太阳能楼房专用换气扇，安装在有太阳能电池板的窗框上，太阳能电池产生的电流能驱动换气扇旋转，换气能力达每分钟1立方米。,太阳能收音机 德国开发研制成功一种太阳能收音机，它能把太阳能转变成直流电，作收音机的能源。,太阳能电话机 在法国的图尔市，新建了世界上第一批太阳能电话机。设有这种电话机的电话亭的顶端装设了太阳能电池，电话机完全依靠太阳能作无线通讯的能源。这种电话机话音清晰，无通话障碍。它将在法国各公路沿线普遍设立。英国一家无线电公司，也研制成功了类似的电话机。,太阳能照像机 日本研制成功世界上第一架太阳能照像机，重最仅475克，机内装有高效太阳能电池板和蓄电池，蓄足电力可连续使用4年。美国一家公司也生产出了一种新型的135照像机，其动力由太阳能电池板供应，只要有光线就能提供能源。,太阳能汽车 日本东京电机大学最近设计出一种轻型太阳能轿车，其车顶上安装了两组蓄电池，利用太阳光充电后交替使用。,一组蓄电池充电后可行驶110公里，夏季日照最长季节可达150公里，最适宜于日照时间长的地区使用。不用燃油，不污染环境。,太阳能自行车 美国科学家最近设计出了一种太阳能自行车。它在普通自行车上装一块由44个光电池组成的电池板，还装置一个铝蓄电池和功率为05马力的小型电动机。这种两用车在平地上行走时可用脚蹬，在上坡或身体疲乏时，则可开启电动机驱动自行车加速行驶。,太阳能牙刷 日本科学家最近开发研制出一种太阳能牙刷。在这种牙刷的柄腔内放置一定数量的二氧化钛，经太阳光照射后钛的氧化物会放出电子束，这种电子束使牙齿及其周围形成微小电场，并使牙刷的刷丝硬化。由于电磁效应和机械作用，可迅速清除粘贴在牙齿上的污垢。,五、太阳能利用的优缺点,（一）优点 普遍性 太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的能源危机。在人类与自然和平共处的原则下，使用太阳能最不伤和气，且若设备使用得当，装置成后所需费用极少，而每年至少可生11017千瓦的电力。,无污染性 现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危险性及污染性。永久性 太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有600万年的期限，对于人类而言，这样的时间可谓是无限。,（二）缺点 稳定性差，受日夜季候的影响，太阳能不断地生变化。装置成本过高，吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果，因此相对地成本提高。有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”，意即庞大的太阳能收集器造成视觉上的污染。,（三）太阳能发电的前景,专家预测，到2050年，全世界消耗电量的1/4将是太阳电，到21世纪末，可能会达到50以上。到那时候，人类居住的房屋将发展成金字塔型。因为外壁用“非晶硅太阳能砖”砌成的这种形状的住宅，可用最大面积采光发电，并用高效的贮电装置贮存起来供人们使用。人类将在宇宙空间建设大型的太阳能发电厂，卫星上的电能将通过微波输电设备，源源不断地送回地球，且损耗率低于2，人们再也不用为地球上能源枯竭和污染问题而发愁了。产生工业三废（废水、废气、废渣）的大批火力发电厂也将退出历史舞台，人类的家园将更加美好。,位于美国加利福尼亚州巴斯托附近沙漠地区的太阳能发电厂，完成于1982年4月，是世界上第一座示范性太阳能发电厂,太阳能利用与建筑一体化 太阳能产品不管怎样发展，最终还是为人们的生活服务的，所以太阳能利用设备和建筑一体化是未来发展的趋势。,太阳能建筑一体化就是将整个建筑物充分利用太阳能，充分利用自然光照明，采用太阳能空调、采暖系统，使用太阳能电池板供电。所有这些系统与建筑有机的融为一体，使建筑总能耗达到最小。,无论世界将怎样发展、变化，有一点可以肯定：它需要某种形式的能源，这种能源将会是什么？答案很明显，它一直就存在于遥远的天空中。,未来的世界是怎样的,?,
