2.太陽能技術能源與機械工程學院李傳統2.太陽能2.1概述2.2太陽能熱利用2.3太陽能光電轉換2.4其他形式的太陽能轉換2.5影響太陽能利用的因素2.1概述2.1.1太陽能特點太陽能形式：太陽表面高溫（約6000K）輻射電磁波，電磁波攜帶的電磁能量到達地面以后轉變成熱能太陽能的特點：數量大、能量密度低、因地而異、因時而變2.1.2太陽能資源總量：總量約為3.75×1026W到達地球表面的太陽能：為其總能量的22億分之一，每秒相當于500萬噸標準煤的熱值量。我國的太陽能資源：陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018kJ，全國太陽年輻射總量為(3.35～8.37)×106kJ／m2，平均值為5.86×106kJ／m2。全球太陽能資源分布2.1.3我國的太陽能資源分布西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽輻射總量大。青藏高原最大，平均海拔高度在4000m以上，世界著名的日光城－拉薩，年平均日照時間為3005.7h，年太陽總輻射為8.16×106kJ／m2

。四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小，素有“霧都”之稱的成都，年平均日照時數僅為1152.2h。我國的太陽能資源分布

分布的主要特點為：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯22°～35°一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻射總量，西部地區高于東部地區，除西藏和新疆兩個自治區外，基本上是南部低于北部；南方多數地區云霧雨多，在北緯30°～40°地區，太陽能的分布情況與一般的太陽能隨緯度而變化的規律相反，太陽能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增長。我國的太陽能資源分區一類地區全年日照時數為3200～3300小時，年輻射量在（6.70～8.37)×106kJ／m2。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地，是我國太陽能資源最豐富的地區，與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當。特別是西藏，地勢高，太陽光的透明度也好，太陽年輻射總量最高值達9.21×106kJ／m2，僅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位。我國的太陽能資源分布二類地區全年日照時數為3000～3200小時，年輻射量在（5.86～6.70)×106kJ／m2，主要包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地，為我國太陽能資源較豐富區。我國的太陽能資源分布三類地區全年日照時數為2200～3000小時，輻射量在(5.02～5.86)×106kJ／m2，主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部和安徽北部等地。我國的太陽能資源分布四類地區全年日照時數為1400～2200小時，輻射量在(4.19～5.02))×106kJ／m2。主要是長江中下游、福建、浙江和廣東的一部分地區，春夏多陰雨，太陽能資源少，秋冬季太陽能資源還可以。我國的太陽能資源分布五類地區全年日照時數約1000～1400小時，輻射量在(3.35～4.19)×106kJ／m2。主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區?？偨Y：

一、二、三類地區，年日照時數大于2000小時，輻射總量高于5.86×106kJ／m2，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區，面積較大，約占全國總面積的2／3以上，具有利用太陽能的良好條件。四、五類地區雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價值

2.2太陽能熱利用2.2.1太陽能的利用方式太陽能－熱能轉換：熱水器、空調系統、熱力發電太陽能－電能轉換：太陽能電池目前最大轉換效率可達24％以上太陽能氫能轉換：電解水制氫、分解水制氫、熱化學循環制氫、化學分解水制氫、太陽能－生物質能轉換：光合作用2.2.2太陽能的熱利用一、太陽能采集太陽輻射的能流密度低，在利用太陽能時為了獲得足夠的能量，或者為了提高溫度，必須采用一定的技術和裝置（集熱器），對太陽能進行采集。集熱器按是否聚光，可分為聚光集熱器和非聚光集熱器兩大類。非聚光集熱器（平板集熱器，真空管集熱器）能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低；聚光集熱器能將陽光會聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽。二、平板集熱器平板集熱器是在17世紀后期發明的，但直至1960年以后才真正進行深入研究和規?；瘧谩Ｔ谔柲艿蜏乩妙I域，平板集熱器的技術經濟性能遠比聚光集熱器好。按工質劃分有空氣集熱器和液體集熱器，目前大量使用的是液體集熱器；按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復合、不銹鋼、塑料及其它非金屬集熱器等；按結構劃分有管板式、扁盒式、管翅式、熱管翅片式、蛇形管式集熱器，還有帶平面反射鏡集熱器和逆平板集熱器等；按蓋板劃分有單層或多層玻璃、玻璃鋼或高分子透明材料、透明隔熱材料集熱器等。三、真空管集熱器為減少平板集熱器熱損，提高集熱溫度，國際上20世紀70年代研制成功真空集熱管，其吸熱體被封閉在高真空的玻璃真空管內，提高了熱性能。將若干支真空集熱管組裝在一起，即構成真空管集熱器，為了增加太陽光的采集量，有的在真空集熱管的背部還加裝了反光板。真空集熱管大體可分為全玻璃真空集熱管，玻璃-U型管真空集熱管，玻璃。金屬熱管真空集熱管，直通式真空集熱管和貯熱式真空集熱管。最近，我國還研制成全玻璃熱管真空集熱管和新型全玻璃直通式真空集熱管。我國現擁有全部知識產權的熱管真空管生產基地，產品質量達到世界先進水平，生產能力居世界首位。目前，直通式真空集熱管產品已投放市場。四、聚光集熱器聚光集熱器由聚光器、吸收器和跟蹤系統三大部分組成。按照聚光原理可分為反射聚光和折射聚光兩大類，每一類中按照聚光器的不同又可分為若干種。為滿足太陽能利用的要求，簡化跟蹤機構，提高可靠性，降低成本，研制開發的聚光集熱器品種很多，但推廣應用的數量遠比平板集熱器少，商業化程度也低。在反射式聚光集熱器中，應用較多的是旋轉拋物面鏡聚光集熱器（點聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器（線聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進行一維跟蹤。因造價高，限制了它們的廣泛應用。五、太陽灶－悶曬式悶曬式太陽灶：其的工作原理是把太陽的輻射能，即陽光，主要是可見光和近紅外線，幾乎能夠全部透過平板玻璃（如果玻璃的透光率很高）。當陽光透過玻璃進入保溫箱體后，遇到黑色的吸收體，光即轉變為熱。溫度可達150度，箱體尺寸一般為100厘米×70厘米×30厘米，做一次米飯要用3個小時，僅適合農村用。六、聚光式太陽灶聚光式太陽灶是將較大面積的陽光聚焦到鍋底，使溫度越到較高的程度，以滿足炊事要求。關鍵部件是聚光鏡，不僅有鏡面材料的選擇和幾何形狀的設計。最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。設計一個500～700W的聚光式太陽灶，通常采光面積約為1.5～2.0m2。七、熱管式太陽灶

分為兩個部分：（1）室外收集太陽能的集熱器，即自動跟蹤的聚光式太陽灶。（2）熱管。

熱管是一種高效傳熱件，它把熱量從管的一端傳到另一端。熱管的受熱端于聚光太陽灶的焦點處，而把釋熱端置于散熱處或蓄熱器中。把太陽的熱能從戶外引入室內，使用較為方便。有的將蓄熱器置于地下，利用大地作絕熱保溫器，其中填以硝酸鈉、硝酸鉀和亞硝酸鈉的混合物作蓄熱材料。當熱管傳給的熱量熔化了這些鹽類，鹽熔液就把蛇形管內的載熱介質加熱，載熱介質流經爐盤，爐盤受熱即可作炊事用。全國各種太陽能灶超過15萬個，主要集中在青海和西藏。八、太陽能熱水器悶曬式熱水器管板式熱水器聚光式熱水器真空管式熱水器熱管式熱水器FlatPlateCollectorsEvacuatedTubeCollectorsViessman

Vitosol300,Cut-away

ViewEvacuatedTubeCollectorsHighTemperature(ConcentratingSystems),IndustrialPowerGeneration,HotWater,ProcessHeat九、太陽能干燥器

干燥過程分為兩個階段：1、對空氣加熱；2、熱空氣把待干燥物中的水分帶走。加熱空氣有兩種辦法：1、直接加熱空氣，即把待干燥物放在干燥室內，直接受陽光輻射；2、間接加熱空氣，利用空氣集熱器把空氣的溫度提高，并降低待干燥物的相對濕度。分類：從結構上說，太陽能干燥器分高溫型和低溫型兩大類。高溫太陽能干燥器為聚焦型，常采用拋物柱面聚光器，對太陽進行自動跟蹤，待干燥物多為顆粒狀，如糧食之類，用螺旋輸送機把物料趕到線狀聚焦面，邊行進邊干燥，效率較高。但是，這種干燥裝置比較復雜、龐大，造價也高，實際推廣有困難。低溫太陽能干燥器，一般要求溫度40～65℃，常用空氣集熱器或隧道溫室作干燥器的主體，它特別適合果品干燥和農副產品加工需要，目前國內外研制的多屬低溫型干燥器。

十、太陽能溫室屋脊型棚圓拱型大棚大型塑料棚管架大棚十一、太陽房太陽房是利用太陽能采暖和降溫的房子。人們的生活能耗中，用于采暖和降溫的能源占有相當大的比重。特別對于氣候寒冷或炎熱的地區，采暖和降溫的能耗就更大。太陽房既可采暖，也能降溫，最簡便的一種太陽房叫被動式太陽房，建造容易，不需要安裝特殊的動力設備。比較復雜一點，使用方便舒適的另一種太陽房叫主動式太陽房。更為講究高級的一種太陽房，則為空調制冷式太陽房。太陽能與民用建筑的結合十二、太陽能制冷太陽能制冷與一般電制冷原理相同，只是所用能源不同，帶來一些結構上的變化。目前太陽能制冷方法有壓縮式致冷、蒸汽噴射式致冷、吸收式致冷等。壓縮式致冷要求集熱溫度高，除采用真空管集熱器或聚焦型集熱器外，一般太陽能集熱方式不易實現，所以造價較高；蒸汽噴射式致冷不僅要求集熱溫度高，而且制冷效率也很低；吸收式致冷系統所需集熱溫度較低，大約70～90℃即可，使用平板式集熱器也可滿足其要求，而且熱利用較好，制作容易，所以采用較多；缺點是設備龐大，影響推廣。十三、太陽能蒸餾—海水淡化

太陽能蒸餾器有兩種，一種叫頂棚式（或熱箱式），另一種是聚光式。頂棚式是以水泥淺池為基礎，上面蓋以玻璃頂棚，頂棚分單斜坡和雙斜坡。其工作原理是：太陽光透過玻璃頂棚照射到涂有黑色的水泥池底，光線經黑體吸收，變為熱能傳遞給水。由于池子四周密封，實為一個熱箱，水溫逐漸升高，使水不斷蒸發。從結構上看，類似于淺池式太陽熱水器。但蒸餾器的水層要求更淺，以使水分的大量蒸發。同時，蓋面玻璃是斜坡式，當上升的水蒸氣遇到較涼的玻璃頂棚時，立即冷凝成水珠，并受重力影響水珠下移，匯聚成較大水珠，逐漸流入玻璃板下沿的集水槽，于是得到淡水。這種淡水實為蒸餾水，如要飲用，還應礦化處理。。

聚光式蒸餾器是利用聚光器獲得高溫，再把咸水燒成蒸汽，然后經過冷凝成淡水。這種裝置是強化蒸餾，效率雖然較高，但裝置的造價昂貴。十四、太陽能發電太陽能發電是利用集熱器把太陽輻射能轉變成熱能，然后通過汽輪機、發電機來發電。根據集熱的溫度不同，太陽熱發電可分為高溫熱發電和低溫熱發電兩大類。按太陽能采集方式劃分，太陽能熱發電站主要有塔式、槽式和盤式三類。SchottSolarPowerPlantHighTemperature(ConcentratingSystems),IndustrialPowerGeneration,HotWater,ProcessHeat十五、太陽能熱力機太陽能熱力機是一種以太陽輻射熱作動力的機械。它的種類很多，用途也可以各不相同，有的直接提供動力，有的用作太陽泵，也有的作小型發電設備。但是，它們的基本原理不外乎朗肯循環和斯特林發動機。不過，近年來也還出現了直接的太陽氣壓泵、太陽隔膜泵和太陽氫氣發動機等。斯特林發動機是一種用外部加熱使活塞往復運動的外燃機，1916年由蘇格蘭人羅伯特·斯特林發明而命名。這種發動機可以利用各種能源，特別是因為它是外燃式，使用聚光太陽能更為方便。其特點是體積小，效率高（最高可達40％，用它作水泵，比其它太陽能水泵的效率要高5～10倍）。斯特林發動機的循環回路由膨脹腔、壓縮腔、動力活塞、配氣活塞和回熱器組成。這種發動機需充滿高壓氣體，可采用空氣、氫氣、氦氣或氮氣。膨脹腔也叫熱腔，在受到聚焦的太陽光輻射后，腔內的工質被加熱，引起膨脹，推動配氣活塞。因而壓縮腔（也叫“冷腔”）內的工質受到壓縮，于是向冷卻水放熱。配氣活塞的質量大于動力活塞，兩者之間沒有任何一機械連接，完全處于“自由”狀態。在太陽能加熱和冷卻水冷卻下，膨脹與壓縮交替，活塞就自行運動，動力活塞輸出功率。配氣活塞上下運動分配氣體工質，使工質在熱腔與冷腔之間交替移動。回熱器是一關鍵部件，一般用多層金屬網做成，它起著儲熱和放熱的雙重作用。當工質由熱腔通過回熱器進入冷腔時，它就起吸熱作用。反之，它就向工質放熱。反彈器是由空氣彈簧構成，它借助器內的工質具有一定的壓力。以保證兩個活塞的正常動作。動力活塞輸出的功，可以用于發電，也可用于水泵。所以斯特林發動機能構成單獨的太陽能發電機，功率由幾百瓦到數十千瓦。也能配成太陽能水泵。SterlingEngineStirlingEngine十六、太陽能熱利用現狀和趨勢太陽能熱水器發展快：以色列80％家庭，日本20％用太陽能熱水器，我國的太陽能熱水器數量距世界第一位太陽能空調發展減緩：有待于技術完善和降低成本太陽能發電還不具競爭力市場潛力巨大2.3太陽能電池和光伏發電一、太陽能電池發電的特點太陽能電池發電獨具許多優點，如安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，不受地域限制，無需消耗燃料，無機械轉動部件，故障率低，維護簡便，可以無人值守，建設周期短，規模大小隨意，無需架設輸電線路，可以方便地與建筑物相結合等。這些優點都是常規發電和其它發電方式所不及的。

1998年全世界的太陽能電池和光伏發電總容量為157.8MW,中國1.8MW;2030年光伏發電在世界總發電量中將占到5一20％。二、我國的太陽能電池研發狀況第一階段（1958~1966）：研制、開發階段，目標以軍用為主，從單晶硅太陽電池開始，提高效率，探索工藝，研制組合方法等。經過努力，單晶硅太陽電池效率達10~13％，貯能電池－Cd－Ni電池已達1Ah~6Ah，。第二階段（1967~1979）：全面開展空間電源系統的研制，除硅太陽電池外還開始研制CdS－Cu23薄膜電池和GaAS電池。1971年我國成功地發射“實踐一號”科學試驗衛星，第一次將光伏電源系統用于空間。電源系統設計壽命為一年，結果在空中飛行了八年零三個月。第三階段（1979~1990）：空間光伏電源系統隨著空間技術的發展，已從試驗應用進入全面應用階段。在這一階段，采用光伏電源的衛星有：“實踐二號”衛星，采用太陽電池方陣，并對太陽電池標定進行研究；我國第一顆通信衛星“東方紅二號”；1988年發射的實用通信衛星“東方紅二號甲”，以后又發射的七顆通信衛星；“風云一號”氣象衛星。第四階段（1990~1999）：采用高新技術，擴大應用，加強國際合作與交流，使空間光伏電源系統技術上了一個新臺階，有些指標達到或接近國際水平。在這一階段采用光伏電源的衛星有：大容量“東方紅三號”衛星，光伏電池方陣功率達2000W以上；用于“風云二號”氣象衛星；“實踐4號”科學衛星；國際合作研制的“資源衛星”、“小型通信衛星”；戰術（導航）、海洋衛星等。

PhotovoltaicCells(SolarCells)SolarCellstransformlighttoelectricityControllerregulateswerethechargeisdirectedBatteriesstoretheenergyInverterconvertsfromDCtoAC三、太陽能光伏技術現狀光伏組件的生產將以20％～30％甚至更高的遞增速度發展，到2010年生產將達到4600MW，總裝機容量達到18000MW。我國：生產規模小、技術水平低、專用原材料國產化率低、成本高、市場培育和發展遲緩國際上：技術發展快、規模大、成本降低、產業前景好廣東深圳園博園光伏發電深圳“園博園”的1兆瓦并網太陽能光伏電站，是2006年全亞洲第一大并網光伏電站。2004年6月開工，2004年8月建成發電。投資6600萬元，總容量1000.322千瓦，發電能力約為100萬千瓦時。光伏發電。光伏機場電站在?？诿捞m機場實現

風光互補路燈系統四、太陽能電池發展趨勢到2010年，中等成本的太陽能熱電站可同中間負荷電站相競爭，到2020年則可同各類條件的常規電站競爭。大約到2020年，則可以取代基本負荷電站；光伏電成本比較圖表明光伏系統發電成本比較多，即使在最好的情況下，如要大規模應用，在2000年以前光伏發電也沒有競爭力。接近2010年時，中等成本的光伏電站開始可與峰值發電競爭；到2020年，光伏系統可大范圍地與峰值負荷電站競爭。美國屋頂計劃的一些指數列表年份199719981999200020052010太陽能建筑物（座）2000850085002350051000101400系統規模（kW）111234年生產力（MW）16.51555270610成本（美元/W）6.55.74.94.32.92.0年CO2少排放量（103t)2133911110373510創造工作機會（個）30018003800110004000071500fossilfuelcost:

escalationratesfrom0.4to1.2%/yequivalentsolarenergycost:

returnoninvestmentfrom6to12%/yStart:2006205020202015Source:

IEA

MED-CSPpossiblefromtoday’sperspectiveIEAscenario2.4其他形式的太陽能轉換

2.4.1太陽能－氫能轉換2.4.2太陽能－生物質能轉換2.4.3太陽能－機械能轉換SolarEnergyUtilizationSolarElectricSolarFuelSolarThermal.001TWPV$0.30/kWhw/ostorageCO2sugarnaturalphotosynthesis50-200°Cspace,waterheating500-3000°Cheatengineselectricitygenerationprocessheat1.5TWelectricity$0.03-$0.06/kWh(fossil)1.4TWsolarfuel(biomass)~14TWadditionalenergyby20500.002TW11TWfossilfuel(presentuse)2TWspaceandwaterheatingH2OO2SolarEnergyCostscompetitiveelectricpower: