06 可再生能源利用技术16春.docx
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06可再生能源利用技术16春
§6.1太阳能的利用技术
§6.2地热能利用技术
§6.3可再生能源综合利用技术
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第6章可再生能源利用技术
一、太阳能资源及其开发利用
1.充分利用太阳能的优点：
（1）太阳能能量密度高；
（2）太阳能为清洁能源；
（3）太阳能廉价；
（4）太阳能有利于人体健康；
（5）太阳能的利用非常现实。
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§6.1太阳能的利用技术
2、太阳能资源的开发利用
太阳辐射是地球表面能量的主要来源。
人类利用太阳能已有3000多年的历史，但是真正意识到太阳能是不可再生能源的补充能源，是未
来能源结构的基础，则始于上世纪中叶。
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§6.1太阳能的利用技术
世界环境与发展大会（1992年）后，我国政府对环境与发展十分重视，国务院批准了《中国环境发展十大对策》明确提出要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物能等洁净能源
”。
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年）》
，明确提出了我国在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。
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二、太阳能光电利用技术
§6.1太阳能的利用技术
太阳能光电利用技术是指通过转换装置把太阳能辐
射能转换成电能利用，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称为太阳能光伏发电。
太阳能光伏发电系统是利用半导体器件的光生伏打效应原理直接将太阳光辐射能转换为电能的发电系统，由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器
、逆变器等设备组成，有独立运行和并网运行两种运行方式。
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§6.1太阳能的利用技术
1、太阳能光伏发电系统的组成
⑴太阳能电池
太阳能电池利用光生伏打效应把光能转换为电能，
是太阳能光伏发电的最基本元件。
光生伏打效应：
物质吸收光能产生电动势的现象。
这种现象在液体和固体中都会发生，但是只有在固
体中，特别是半导体中才能有高能量的转化率。
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⑵蓄电池组
§6.1太阳能的利用技术
蓄电池组的作用是贮存太阳能电池阵列受光照时所
发的电能，并可随时向负载供电，满足用电负载的需求。
在光伏发电系统中，蓄电处于浮充放电状态，即将蓄电池和充电装置并联，负荷由充电装置供给；同时以较小的电流向蓄电池充电，使蓄电池经常处于满充状态，白天太阳能电池方阵给负载提供的供电的同时给蓄电池充电，晚上负载用电由蓄电池供给
。
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§6.1太阳能的利用技术
⑶逆变器※
逆变器是将直流电源转换成交流电的设备。
由于太阳能电池和和蓄电池是直流电源，如
果负载是交流负载则需要用逆变器将直流电源转换为交流电。
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§6.1太阳能的利用技术
⑷充放电控制器
光伏发电系统中的充放电控制器是对太阳能光伏发电系统进行控制与管理的设备，由于控制器可以采用多种技术方式实行控制，同时实际应用对控制器的要求也不尽相同，因而控制器所完成的功能也不完全相同。
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控制器的功能：
§6.1太阳能的利用技术
①将所发的电能送往直流负载或交流负载，将多
余的能量送往蓄电池贮存；
②当光伏发电系统所发的电能不能满足负载需要时，将蓄电池的电能送往负载；
③保护蓄电池，当蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过放电。
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§6.1太阳能的利用技术
2、光伏发电系统的分类及其工作原理
⑴独立光伏发电系统独立光伏发电系统将光伏电池板产生的电能通过控
制器直接给负载供电，在满足负载需求的情况下将
多余的电能给蓄电池充电；当日照不足或者在夜间时，则由蓄电池直接给直流
负载供电或者通过逆变器给交流负载供电。
独立光伏发电系统，由光伏阵列、蓄电池、负载、控制器和逆变器组成。
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⑵并网光伏发电系统
§6.1太阳能的利用技术
并网光伏发电系统，是由光伏电池方阵、控制器、
并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。
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⑶混合供电系统
§6.1太阳能的利用技术
混合供电系统可以是光伏发电系统、风力发电系统
或者生物智能系统等相组合，或者是共同组合而成
。
光伏发电系统和风力发电系统组合而成的混合系统
，由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、
蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。
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3、建筑一体化光伏发电系统
§6.1太阳能的利用技术
建筑一体化光伏发电系统，是利用建筑物光照面积
实现分布式发电，由于光伏发电系统装设在建筑物上，接近电力负荷，无需额外的输电投资，也减少了输电过程的电能损失。
另外，安装了太阳能电池板的屋顶和外墙，直接降低了建筑物外围护结构的温度，减少了室内空调负荷，而且光照强度与负荷强度吻合，有调峰的功效
，因而很有发展前景。
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§6.1太阳能的利用技术
建筑一体化光伏系统可以分为建筑附加光伏系统
（BAPV）和建筑集成光伏系统（BIPV）两种。
⑴建筑附加光伏系统（BAPV）：
把光伏系统安装在建筑的屋顶或外墙上，建筑物作为光伏组件的载体，起到支撑作用。
光伏本身并不作为建筑的构成，也就是说如果拆除光伏系统后，建筑物任能正常使用。
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§6.1太阳能的利用技术
⑵建筑集成光伏系统（BIPV）：
是指将光伏系统与建筑物集成在一起，光伏组件成为建筑结构不可分割的一部分。
如光伏组件与屋面一体化、光伏组件与幕墙一体化，光伏瓦、光伏与遮阳装置一体化等
，如果拆除光伏系统，则建筑本身就不能正常使用。
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三、太阳能光热利用技术
§6.1太阳能的利用技术
太阳能光热利用的基本原理是通过太阳能集热器将
太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转化为热能加以利用。
1、太阳能集热器太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热量传递到传热工质的装置，是组成各种太阳能热利用系统
的关键部件。
目前使用最多的太阳能收集装置主要是平板型集热器和真空管集热器。
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2、太阳能热水系统
§6.1太阳能的利用技术
太阳能热水系统，是利用太阳能集热器收集太阳辐
射，把水加热的一种装置，是目前太阳能应用发展中最具有价值、技术最成熟，且已商业化的一项应用产品。
使用太阳能热水系统不仅节约不可再生能源，而且相对使用燃气和电力要更加安全，相对于使用化石燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体CO2的产生，具有环保效益。
§6.1太阳能的利用技术
•太阳能热水系统通常由太阳能集热器、传热工质
、贮热水箱，补给水箱和连接管路等组成。
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§6.1太阳能的利用技术
•太阳能热水器的工作原理过程：
在太阳辐射下，集热器吸收太阳能并转换成热能，并将热传递给集热器内的传热工质，传热工质受热后通过自然循环（或强迫循环）方式，将贮水箱中的水加热。
•太阳能热水系统根据加热循环方式的不同可以分为
：
自然循环系统、强制循环系统和直流式循环系统三类。
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•在我国，家用太阳能热水器和小型太阳能热水器多采用自然循环式，而大中型太阳能热水器多采用强制循环式。
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•3、太阳能采暖
§6.1太阳能的利用技术
•太阳能采暖分为被动式太阳能采暖和主动式太
阳能采暖。
–主动式运行中需要机械动力
–被动式运行中不需要机械动力
Ø直接受益式
Ø间接受益式
–集热墙
–附加日光间
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–水墙21
（1）被动式太阳能
§6.1太阳能的利用技术
被动式太阳能的热量传递不需要借助于机械动
力，通过建造朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理，以及结构构造和建造材料的恰当选择，使建筑物以完全自然的方式，解决冬季采暖，夏季遮阳、散热、降温的问题。
被动式太阳能采暖依靠建筑物的方位、本身结构和材料的热工性能，吸收和贮存太阳辐射的能量，以达到采暖的目的，也称为太阳能自然采暖。
让建筑物本身作为一个利用太阳能的系统。
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①直接受益式
建筑物利用太阳能采暖的最普通、最简单的方式，就是让阳光透过窗户照射进来。
如图示：
图3-27
§6.1太阳能的利用技术
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②集热墙式
在直接受益式太阳窗后面筑起一道重型结构墙，阳光透过透明盖层后照射在集热墙（蓄热体）上，该墙外表面涂有吸收率高的涂层，其顶部和底部分别开有通风孔，并设有可控制的开启门。
§6.1太阳能的利用技术
图3-28
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③附加日光间式
§6.1太阳能的利用技术
附加阳光间式是直
接受益式太阳房和集热蓄热墙体的混合产物，即在房间南侧附建一个阳光间，中间用混凝土或砖等重质密实材料墙隔开。
隔墙上下部设有可开启的通气孔。
顶部设置采光窗，窗玻璃常采用双层中空玻璃。
图3-29
阳光间既可供给室内太阳热能，又可作为一个缓冲区，减少房间热损失。
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§6.1太阳能的利用技术
被动式太阳能采暖与建筑设计相结合
•直接受益式、集热墙式、附加日光间式是被动式太阳房采暖的三种主要方式。
在建筑设计中，常常有效的综合被动式太阳能三种采暖方式，使建筑物形成一个组合式的太阳房，使其本身成为一个利用太阳能的系统。
•在被动式太阳能采暖设计中关键是建筑物内应具布置足够的蓄热体：
房间的进深、蓄热体的材料、颜色，蓄热体的位置、蓄热墙的最佳厚度等都是建
筑师设计时必须综合考虑的因素。
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（2）主动式太阳能采暖系统
§6.1太阳能的利用技术
主动式太阳能利用主要有太阳
能光热系统和太阳能光伏发电系统两大类。
太阳能光热系统可提供生活热水、供暖等，其中以太阳能热水器系统最为普遍；太阳能光伏发电系统可发电，用于照明、家用电器等。
图3-12
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§6.1太阳能的利用技术
•主动式太阳能采暖系统由太阳能集热器、穿热工质
、贮热水箱、补水水箱和连接管路、阀门、水泵、控制系统等组成。
•太阳能集热器获取太阳
的热量，通过配热系统送至室内进行采暖。
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•过剩热量贮存在贮热器内，当收集的热量小于采暖负荷时，由贮存的热量来补充，热量不足时由备用的辅助热源提
供。
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§6.1太阳能的利用技术
•太阳能采暖系统按其集热工质的不同分类：
•①空气加热采暖系统：
以空气为集热介质的采暖系统。
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§6.1太阳能的利用技术
•②水加热采暖系统：
是指通过集热器先把太阳能转
化为热水，再将热水输送到发热末端（如地板采暖系统、散热器系统等）提供房间采暖的系统。
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§6.1太阳能的利用技术
•③太阳能热泵系统：
利用太阳能与热泵联合运行作为供暖热源的采暖系统。
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•4、太阳能制冷
§6.1太阳能的利用技术
•制冷是指使某一系统的温度低于周围环境介质的温
度并维持这个低温，为了使这一系统达到并维持所需要的低温，需要不断地从它们中间取出热量并将热量转移到环境介质中去，这个不断从被冷却系统中取出热量并转移热量的过程，称之为制冷。
•自然界中，热量不能自发地从低温物体转移到高位物体，因此要实现制冷目标，只有靠消耗功来实现
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。
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§6.1太阳能的利用技术
•太阳能制冷主要是通过光-电和光-热转换两种途径来实现。
•太阳能光-电转换制冷：
首先通过太阳能电池将太阳能转化为电能，再用电能驱动常规的压缩式制冷机，这种太阳能光电转换制冷系统的成本高，未达到广泛使用和推广。
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•太阳能光-热转换制冷：
首先是将太阳能转化为热能（或机械能），再利用热能（机械能）作为外界的补偿，使系统达到并维持所需的低温。
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•⑴太阳能吸热式制冷系统
§6.1太阳能的利用技术
•吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为
工质来进行的。
这两种物质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组成称为为吸收剂，低沸点的组分称为制冷剂。
•常用的吸收剂-制冷剂的组合有两种，一种是溴化锂-水，通常适用于大型中央空调；另一种是水-氨，通常适用于小型空调。
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•吸收式制冷机组成：
发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器。
34
35
§6.1太阳能的利用技术
•太阳能吸收式制冷的原理如图
35
•⑵太阳能吸附式制冷系统
§6.1太阳能的利用技术
•太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、
冷凝器、贮液器、蒸发器和阀门等组成。
⑶太阳能蒸汽喷射式制冷
太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射式制冷机两大部分组成。
⑷太阳能蒸汽压缩式制冷
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太阳能蒸汽压缩式制冷系统，主要由太阳集热器、蒸汽轮机和蒸汽压缩式制冷机三大部分组成。
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四、太阳房综合利用
§6.1太阳能的利用技术
•太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。
是一种
既可取暖发电，又可去湿降温、通风换气的节能环保住宅。
•最简便的一种太阳房叫被动式太阳房，建造容易
，不需要安装特殊的动力设备。
•比较复杂一点，使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房。
更为讲究高级的一种太阳房，则为空调致冷式太阳房。
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§6.1太阳能的利用技术
“向日葵式”的太阳房38
§6.1太阳能的利用技术
德国弗莱堡的“向日葵”太阳房
Heliotrop39
第6章可再生能源利用技术
地热能：
是指蕴藏在地球内部巨大的天然热能，
源于地球的熔融岩浆和地表层数百公里内的放射性元素衰变所产生的巨大热能量。
全世界地热资源的总量大约为14.5×1025J，相当于4948×1012吨标准煤燃烧时所放出的热量，是全球煤炭总储量的17000万倍。
特点：
分布广、储量大、可再生、清洁环保、安全适用；不需要消耗燃料生热或发电，利用地热发电不排放二氧化碳和氮氧化合物，二氧化硫排放量也很少
，是最有潜力的可再生洁净能源之一。
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第6章可再生能源利用技术
一、地热资源及其开发利用
1、地热能资源的分类
在地壳中，地温分布可以分为变温带、常温带和增温带。
根据地下储能存在的形式不同，地质学上把地热能分为水热型、地压型、干热岩型、岩浆型四大类。
下页表，给出了常见地热资源的类型、定义以及各自的特征。
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•到目前为止，各国对于地热资源的开发利用，仍
然是以水热型为主，地压型和干热岩型等尚处于试验阶段，开发利用少。
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2、中国地热资源分布
§6.2地热能利用技术
根据我国所处的大地构造位置及地热背景，中国
地热资源分为：
高温对流型地热资源：
主要分布在滇（云南）藏及台湾地区。
中温对流型地热资源：
主要分布在我国东南沿海地区，包括广东、海南、广西以及江南、湖南和
浙江。
中低温热传导型地热资源：
主要埋藏在大中型沉积盆地之中（如华山、松辽、苏北、四川、鄂尔多斯等）。
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•3、世界地热资源开发利用现状
§6.2地热能利用技术
•从世界范围来看，利用温泉洗浴已有数千年的历
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史，但只是在20世纪地热资源才作为能源大规模用于发电、供暖和工农业用热。
•4、地热回灌
§6.2地热能利用技术
•地热回灌就是把地热废水、常温地下水、地表水等
灌入地下储热层中，目的是处理利用后废弃的低温水，避免地热废水直接排放，对环境造成热污染
和化学污染；
•地热回灌可以改善或恢复地下储热层的产热能力，提高地热资源的再利用效率，保持地下储热层流体压力，维持地热资源的开采条件，保证正常的地下水位，实现可循环利用。
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§6.2地热能利用技术
•二、高品位的地热能在建筑中的直接利用
•高品位地热能：
如果地热资源温度较高，可以直接利用，则称之为高品位的地热能。
•低品位的地热能：
那些温度相对较低，与环境温度相近的地热能称为低品位的地热能。
•高品位地热能，可以直接用于采暖、制冷、供热和供热水，是仅次于地热发电的地热利用方式。
•特点：
利用方式简单、经济性好，而且节能、无污染，备受各国重视。
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§6.2地热能利用技术
•高品位的地热能的利用：
位于高寒地区的西方
国家应用广泛，其中冰岛开发利用得最好。
•冰岛首都雷克雅未克于1928年建成了世界上第一个地热供暖系统，现今这一供热系统已经发展得非常完善，每小时可以从地下抽取7740吨80℃的热水，供全市11万居民使用，该市被誉为“世界上最洁净无烟的城市”。
•我国京津地区地热利用比较普遍，主要采用地下水为建筑供暖、制冷和提供建筑内生活热水。
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•三、低品位地热能
§6.2地热能利用技术
•在土壤、地下水和地表水中蕴藏着无穷无尽的低品
位热能，由于这些热能的温度与环境温度相近，因此无法直接利用。
•地源热泵利用地下土壤、地下水或地表水相对稳定的特性，利用埋于建筑物周围的管路系统，通过输入少量的高位电能，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换。
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第6章可再生能源利用技术
可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利
用、取之不尽、用之不竭的资源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。
一、其它可以再生能源的利用
1、风能风能是由于太阳辐射而造成地球各部分受热不均
匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。
风能主要用于风力发电，我国风能资源约为
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16亿kW，可开发利用的风能资源约2.5亿kW。
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•2、水能
§6.3可再生能源综合利用技术
•水的流动可以产生能量，水能可以用于水力发
电。
我国河流众多，落差大，水资源总量居世界前列，已有大量已建和在建的水电站。
•除此之外，水的热能资源还可以作为天然的冷热源
，为暖通空调设备提供热量，地下水和地表水源热泵技术已经得到了快速的发展，目前我国水能资源
开发利用率仅为24%，开发潜力很大。
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•3、生物质能
§6.3可再生能源综合利用技术
•生物质：
是指通过光合作用而形成的各种有机体，
包括所有的动植物和微生物。
•生物质能是以太阳能以是太阳能形式贮存在生物质中的能量形式，它直接或间接来源于绿色植物的光合作用，蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中。
•生物质能发电就是利用生物质本身的能量，将其转化成诸如燃料、燃气、乙醇等可用于驱动发电机发电的能量形式，通过发电机发电并入电网或直接给
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用户电能。
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§6.3可再生能源综合利用技术
•4、海洋能
•海洋能是潮汐能、波浪能、温差能、盐差能和海流能的统称。
•海洋通过各种物理过程接收、贮存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存在于海洋之中。
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•目前，我国对海水温差能、波浪能、盐差能和海流能的开发利用仍处于研究阶段。
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§6.3可再生能源综合利用技术
•二、可再生能源的综合利用
•由于各种再生能源受地域、时间、空间的影响较大
，因此，可再生能源的综合利用非常重要。
•可再生能源综合利用系统通常都采用建筑能源协调控制系统，即将整个建筑看成一个能源体系，调控建筑能源协调控制系统的各个子系统，使之在保证性能、各功能要求和运行安全的前提下，尽量运行在高效运行特性区间内；
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•也可将可再生能源利用系统与采暖、空调、照明控制系统通过建筑智能化系统进行协调控制，实行节
能运行。
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§6.3可再生能源综合利用技术
•常见的可再生能源综合利用系统有：
•1、太阳能地热能的综合利用
•太阳能、地热能在建筑中的综合利用系统是由太阳能系统和地热热泵系统两部分组成实现供暖、制冷、供热水和供电等四种
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功能。
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§6.3可再生能源综合利用技术
•2、太阳能与与风能的综合利用
•将储能系统与风力发电和光伏发电相结合，在负荷低谷时段将风力发电和光伏发电的电量储存，在负荷高峰时段将之释放，这可以有效地减少风力发电和光伏发电对电力系统调峰的影响。
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•太阳能光伏发电风光互补系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。
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太阳能光伏发
电风光互补系统的组成如图示，主要由太阳能光伏列阵
、风力发电机组、控制装置
、蓄电池组四部分组成。
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