太阳能发电技术.docx

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太阳能发电技术

太阳能发电技术

Solarpowergenerationtechnology

热动0941孙辉0903411126

摘要随着人类经济科技的不断进步，对于能源的需求量越来越大。

作为传统能源的煤，石油，天然气即将消耗殆尽了。

而且与此同时大量的使用化石燃料也带来了严重的环境污染。

如果不尽快摆脱这种高耗能高污染的生产模式，人类的生存发展即将面临严重的考验。

人类要发展要生存就需要能源。

能不能找到一种可替代的洁净的能源为人类做贡献将是我们每个人应该考虑的问题。

太阳能作为一种最清洁最高效的能源形式正在受到人们越来越多的关注。

究其数量之大，分布范围之广是其它能源无可比拟的。

人类利用太阳能以及在太阳能利用技术此课题的发展从未停止过，并且取得了很大的成就。

利用转化效率越来越高，设备修建维修费用越来越低，我们有理由相信21世纪将是一个人与自然和谐相处的年代。

AbstractAsthehumaneconomy,scienceandtechnologyprogress,thegrowingdemandforenergy.Asthetraditionalenergyofcoal,oil,naturalgasisusedup.Andatthesametimeusealotoffossilfuelalsoposesaseriousenvironmentalpollution.Ifyoudon'tgetridofthiskindofhighpollutionwillassoonaspossibletheproductionmode,thesurvivalanddevelopmentofhumanwillfaceserioustest.Humandevelopmenttosurvive,theneedtoenergy.Canyoufindacleanenergyalternativesforhumancontributionwilldoiseveryoneshouldconsiderthequestion.Solarenergyasoneofthemostcleanthemostefficientformofenergyisunderpeoplemoreandmoreattention.Investigateitsthegreatnumberofthem,theextentofthedistributionisotherenergyisincomparable.Peopleusesolarenergyandsolarenergytechnologyinthedevelopmentofthesubjecthasneverstopped,andmadegreatachievements.Usetheefficiencyofconversionfrommoreandmorehigh,equipmentmaintenancecosttobuildmoreandmorelow,wehavereasontobelievethatthe21stcenturywillbeaharmoniousrelationshipbetweenhumanandnature.

关键词太阳能涡旋引擎，太阳能热发电技术，半导体温差发电技术，蓄能式太阳能热动力发电技术，太阳能电池，太阳能发电卫星。

KeywordsSolarenergyvortexengine,solarthermalpowergenerationtechnology,semiconductortemperaturedifferencepowergenerationtechnology,energystoragetypesolarenergydynamictechnology,solar,solarpowersatellite.

1.太阳能概述

太阳是一个巨大的能源，其总辐射能量约为3.75×

MW.虽然太阳辐射到地球大气层的能量仅为总辐射能的22亿分之一，相当于每秒5.9×

t标准煤燃烧产生的热量。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，对环境无任何污染。

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已经知道利用铜制凹面镜聚焦太阳光来点火：

利用太阳能来干燥农副产品。

2.太阳能热力发电

太阳能热力发电是利用集热器把太阳辐射能转变成热能，然后通过汽轮机、发电机来发电。

根据集热的温度不同，太阳能热力发电可分为高温发电和低温发电两类。

按太阳能采集方式划分，太阳能热力发电站主要有塔式，槽式和盘式三类。

2.1.塔式太阳能光热发电系统

塔式太阳能光热发电系统也称为集中式太阳能光热发电，利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上，聚焦的辐射能转变成热能，然后传递给热力循环的工质，再驱动汽轮机做功发电。

塔式太阳能光热发电系统主要分：

熔盐系统、空气系统和水蒸汽系统。

无论采用哪种工质，系统的蓄热至关重要。

由于太阳能的间歇性，必须由蓄热器提供足够的热能来补充乌云遮挡及夜晚时太阳能的不足，否则发电系统将无法正常工作。

以熔盐为吸热、传热介质，主要有以下几个优点：

①除克服流动阻力外，系统无压运行，安全性提高；②传热工质在整个吸热、传热循环中无相变，且熔盐热容大，吸热器可承受较高的热流密度，从而使吸热器可做得更紧凑，减少制造成本，降低热损；③熔盐本身是很好的蓄热材料，系统传热、蓄热可共用同一工质，使系统极大的简化。

但是，熔盐介质也有其缺点：

①熔盐的高温分解和腐蚀问题，相关材料必须耐高温和耐腐蚀，使系统成本增加、可靠性降低；②熔盐的低温凝固问题，在夜间停机时高、低温熔盐储罐必须保温，以防止熔盐凝固，清晨开机时也必须对全部管道进行预热，这都将增加系统的伴生电耗。

塔式太阳热发电系统采用点聚焦方式，聚光倍数高达1000倍以上，介质温度多高于350V，属于高温热发电，总效率在巧15%以上。

它是利用定日镜跟踪太阳，将太阳光聚集在中心接收塔的接收器上，聚集的辐射能被转化为热能，加热介质，驱动汽轮发电机发电。

该系统跟踪定位机构的每块镜面都随太阳运动而独立调节方位及朝向，造价十分昂贵，建设电站的投资很高。

塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温。

80年代初，美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置。

起初，太阳塔采用水一蒸汽系统，发电功率为10兆瓦。

1992年经过改装，用于示范熔盐接收器和储热系统。

由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高达65%。

熔盐在接收器内由288℃加热到565℃，然后用于发电。

第二座太阳塔于1996年开始发电，计划试运行三年,然后进行评估，此发电站的发电的实践不仅证明熔盐技术的正确性，而且将进一步加速30～200兆瓦范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。

2.2.槽式太阳热发电系统

利用槽式抛物面聚光器聚光的太阳能光热发电系统简称分散型系统。

该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置和辅助能源装置（如锅炉）等组成。

槽式抛物面将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦的太阳辐射能，常将众多的槽式聚光器串并联成聚光集热器阵列。

槽式聚光器对太阳辐射进行一维跟踪。

由于槽式聚光器的几何聚光比低即集热温度不高，使得抛物槽式太阳能光热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在35%左右。

因此，单纯的抛物槽式太阳能光热发电系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。

槽式太阳热发电系统采用线聚焦方式，介质温度不超过350℃，属中温热发电系统，效率在13%左右。

它通过槽式聚光镜面将太阳光聚在一条线上，再由焦线上的管状集热器吸收聚焦后的辐射能。

这种集热器的跟踪控制代价较低，也可以实现同步跟踪，但该系统的管道系统复杂，热量的损失大，降低了效率。

2.3.盘式太阳热发电系统

盘式太阳热发电系统也采用点聚焦方式,利用抛物面聚焦温度可达750℃，效率达30%左右。

该系统借助于双轴跟踪，将接收的太阳能集中在其焦点的接收器上，接收器吸收这部分辐射能并转化为热能,再利用发电机转化为电能。

盘式系统的聚焦集热器也可分散布置，控制代价相对要低，但是其吸收器结构较为复杂，造价很高。

碟式太阳能热气机发电系统的主要由二大部分组成：

1）太阳跟踪和聚焦系统：

碟式跟踪聚焦系统有2个旋转轴，可以保证反射镜的光轴直接指向太阳。

而反射镜的形状可使太阳光进入位于反射镜焦点处的空腔接受器。

空腔接受器吸收经过聚焦的太阳光能量，该能量用于加热热气机的工质。

2）能量转换装置：

热气机和发电机系统。

碟式太阳能热气机发电系统所使用的反射镜为点聚焦反射镜。

反射表面采用钢化玻璃或塑料。

由于此类反射镜以2个自由度聚焦太阳光，因此该类聚焦系统以2个旋转轴跟踪太阳的运动。

碟式热气机发电系统的反射镜（聚光镜）大小取决于功率输出所需的最大日照强度以及聚光镜和热气机的效率。

在现行技术下，1套5KW输出功率的碟式太阳能热气机发电系统需要约10m直径的聚光镜，1套25KW输出功率的碟式太阳能热气机发电系统需要约10m直径的聚光镜。

聚光镜一般采用具有较强光反射功能的铝或银镀在玻璃或塑料的正面和背面的技术。

聚光镜理想的形状是抛物面，因为这种形状可将入射的太阳光聚焦在抛物面焦点上一个很小的区域内。

而实际使用中，一般可将抛物面制成多块分开的镜面。

球面形状的表面也可聚焦太阳光。

一些碟式太阳能热气机发电系统使用由多块球面组成的聚光镜，这些聚光镜被安装在框架结构上，而每个镜面可单独聚焦，使多个镜面组合成接近抛物面的形状，这种设计可使镜面的聚焦进行精确调整。

过去，一般使用在背面镀银的薄玻璃作为聚光镜的材料。

而现在正设计采用在正反面都镀有铝或银的聚合物薄膜。

在一个已制成抛物面构件的前后覆盖上聚合物薄膜，将薄膜中间抽真空使其形状接近已制成的构件形成所需的球面。

采用多个这样的镜面，并将其焦点调整到一个狭小的区域，可使热气机获得运行所需的足够的热量。

可以通过调整薄膜的内部压力来调整聚光镜的形状，以精确达到所需的太阳光聚焦位置。

除了采用具有较高反射能力的材料来制作聚光镜和制成合适形状的聚光镜，还必须使聚光镜跟踪太阳的轨迹以便获得最大的聚光量。

为跟踪太阳轨迹，聚光镜必须具有2轴的旋转能力，一般来说，有2种方式可以达到上述目的：

第一种是方位角跟踪法。

采用这种方法的系统具有和地球方位角平面平行的旋转平面，而另一个旋转平面则和这一平面垂直，称为俯仰平面。

这使系统的聚光镜具有上、下和左、右的旋转能力。

这两个旋转轴全天都在运动，但运动的轨迹有一定的规律。

第二种是极轨跟踪法。

采用这种方法的系统具有一根和地球自转轴平行的旋转轴，聚光镜围绕这根轴以固定15°/h的速率旋转，和地球的自转速率一致。

系统还有另外一根旋转轴，称为偏角轴，和前一轴垂直。

太阳光接受器具有两个功能：

1〕尽可能多的吸收由聚光镜反射的太阳辐射。

2）将辐射能量以热量的形式传递给热气机的工质。

尽管一个完善的抛物面聚光镜可以将平行的光线聚焦到一点，但由于太阳光线之间并非完全平行，另外现实中的聚光镜也不是完全的理想形状，因此阳光不是聚焦在一个点上，而是分布在一个很小的区域内，在这个区域的中心具有最高的光通量，从中心到边缘光通量则呈指数型下降。

碟式热气机系统的接受器是开有小孔（聚光口）的空腔型接受器。

热气机的吸热器放置在聚光口的后面，避免直接接触经过聚焦的高强度的太阳光，聚光口和热头之间的空腔外面采用绝热材料覆盖，减少热量的损失。

接受器的聚光口经过优化设计，使其直径大到有足够的阳光通过，同时使损失的辐射和对流的热量限制到允许的程度。

目前接受器有两种将太阳辐射热量传递给热气机工质的方法。

第一种形式的接受器称为直接受热管接受器，这种结构中热气机的热头将通过工质的一些小直径的受热管直接置于接受器内经过聚焦的太阳光辐射下。

受热管形成了吸热器的表面。

另外一种接受器则使用了液体金属作为传热介质。

液体金属在吸热器的表面被加热后蒸发并在将热量传递给热气机加热管中的工质后冷凝。

这两种型式的接受器被称为逆流型接受器或热管，因为金属蒸汽冷凝后流回至吸热器表面被再次加热。

理论上，热气机是将热量转换成机械能最有效的动力装置；当然这需要高温。

由于聚光镜可以产生热气机作功所需的高温，因此聚光镜和热气机是将太阳能量转换成电力的一个不错的匹配。

太阳热发电系统除盘式发电系统外，都属于大规模发电系统，只有做成几十到几百兆瓦级的发电站，成本才可能降下来。

总体来看，槽式发电系统技术上最为成熟，且其跟踪机构比较简单易于实现，总体成本最低。

太阳能热发电系统要实现的是低成本的投资和技术上的高可靠性运行。

这要求未来在技术上要进行新型集热材料的研究和开发，快速提高跟踪机构的技术并降低其实现成本。

同时发电产业要努力实现规模化，建立大规模的并网系统，既节约成本，又保证系统平稳安全运行。

3.蓄能式太阳能热动力发电

1）等压闭式循环：

基于氨的等压闭式热化学太阳能蓄能系统操作流程。

在设定的高压操作环境下，液氨可在外界环境温度下从反应气体混合物中冷凝出来，因此而发生的放热和吸热反应热被存储在同一容器中。

从储液器中提取出的液氨再输送至位于太阳能聚光器焦点处的氨吸热分解器。

与这种反应器相配套的是一台逆流热交换器，以预热氨，并在接近环境的温度下输送反应热。

储存器中的气体是一种氢氮比例为3：

1的混合气加上对应于此时容器温度下的氨蒸气组分。

该气体按要求提取出来，然后输送至放热氨合成器。

但是，在输至氨合成器前，首先必须通过冷却分离器，以便氨进一步冷凝前，降低氨蒸气分率。

从放热反应得到的反应热也需通过逆流热交换器，将热量传递给输入的反应物。

2）能量存储：

此系统必须考虑热损及热力学不可逆度。

最大热力学不可逆度发生在系统的蓄能器末端。

在该处，太阳能辐射（可认为是温度5800K的物体的传热〉经反应被转换成化学能，其最大有用再生效率受限制。

由于不可逆度源于反应的选择和系统压力，因此，对于蓄能器末端，主要的问题是热损的大小。

这些来源于两方面，即太阳能接收器本身以及与其相联系的逆流热交换器。

精确的太阳能接收器热效率估计须依靠详细的模型

4.太阳能半导体温差发电

半导体温差发电原理半导体温差发电原理是使用P型和N型型结合的半导体元件发电。

将器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流，即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能在器件内变成电能，通过连接多个这样的元件便可获取更多的电能。

聚光原理：

法采用的是旋转抛物面聚光原理。

主轴射向该抛物面，被抛物面反射，并集中到定点的位置，于是形成聚光。

本装置不需要将阳光聚焦在一点上产生很高温度，而是被设计为能形成一定的聚焦面来产生适当的温度〈115℃〜125℃），用于加热半导体的热端。

发电装置工作原理：

在一定的光照强度下，太阳光经过反光板后聚集在一个焦斑区域，处于焦斑区域的半导体发电组接受热量，利用半导体两面温差进行发电。

机械控制系统通过对半导体发电组的上下移动，维持半导体两面的温差，并保护半导体发电片，以达到最大发电效率。

发出的直流电通过稳压电路输出，再经逆变器转换成220V50Hz的交流电后直接供给用户使用。

发电装置主要由半导体发电装置、采光供热模块、低耗单片机机械控制系统和变电输出模块4部分构成。

半导体发电装置半导体发电装置由多片规格为35×35×5，含126对的半导体PN结的半导体发电片、散热片、电路系统等组成。

正面接受太阳光发热,使半导体片两面产生温差而进行发电；反面安装散热片，在半导体工作时同步散热。

发电功率大小由串联半导体片数量决定。

5.太阳能涡旋引擎发电技术

太阳能涡旋引擎发电系统主要是由太阳能集热棚、太阳能涡旋引擎、涡轮发电机组3个基本部分构成。

太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的地面上，集热棚和地面之间有一定的间隙，可以让周围空气进入系统；集热棚采用透光且隔热的材料制成。

涡旋引擎是一种依靠热气涡旋产生旋转升力做功的机械装置。

基本原理是，当一定温度的热气由狭窄通道上升时，气柱内外的温差将产生沿圆周方向的切向力，使得上升气流强烈旋转，离心力的作用使气柱中心压力急剧降低，周围的冷空气在此气压作用下向旋转气柱靠近，随即跟着旋转。

将产生的涡旋稳定在一个固定的容积腔室〈涡旋发生器）中时，空气从腔室入口进入涡旋产生的低压区，在腔室入口安装涡轮机，入口高速气流将推动涡轮机旋转，涡轮机带动发电机发电。

其能量的转换过程为：

太阳以辐射方式照射集热棚，光线透过集热棚覆盖层照射集热棚下面的储热层，使储热层温度升高。

储热层产生热辐射，以对流方式加热从集热棚四周入口进入集热棚的冷空气。

集热棚的主要作用就是把太阳辐射能转化为气流的内能。

加热后的空气温度上升，密度下降，在浮升力的作用下向上流动，由集热棚出口进入涡旋引擎。

在涡旋引擎涡流发生器中产生龙卷风，气流加速，形成强大的热旋涡气流，即内能转换为机械能过程。

在涡旋发生器入口处安装有风力涡轮发电机，热气流推动风力涡轮发电机运转发电，将机械能转换为电能。

6．太阳能电池

太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，称为光伏效应。

太阳能电池就是利用这种效应制成的一种发电器件，所以也叫光伏电池。

实质上它是一种物理电源，与普通化学电源的干电池、蓄电池是完全不同的。

太阳能电池的工作原理是：

当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射，其余部分北半导体吸收或透过。

被吸收的光子有一些转变为热能，另一些光子则组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。

这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。

如果半导体内存在P-N结，则在P-N结交界面形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。

光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，这样在N区与P区之间的薄层产生所谓光伏电动势。

若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路将有电流通过。

如此形成的一个个电池原件即为太阳能电池。

太阳能电池包括1）硅太阳能电池：

⑴单晶硅太阳能电池，⑵多晶硅太阳能电池，⑶非晶硅太阳能电池。

2）多元化合物太阳能电池：

⑴硫化镉太阳能电池，⑵砷化镓太阳能电池。

3）液结太阳能电池。

4）聚光太阳能电池

7.太阳能发电卫星

宇宙发电是在宇宙空间收集太阳光能和热能（它是地面收到的1.4倍〉，用它产生电能之后.再变换成微波功率,进而传输到地面。

这就是宇宙太阳能发电的设想。

这种发电方式的特点是消除了太阳能到达地面所受到的衰减，也不存在地球日夜变化，气象变化和诸多不稳定因素的影响，从而能充分地收集和利用太阳能。

在利用同步轨道时，在宇宙空间中利用太阳能发电的优点可以得到充分的发挥。

在宇宙空间.如果选择同步轨道，则以春分、秋分为中心，在它们各自的前后45天中，轨道上的发电设施将落在地球的阴影中。

在一天之中，会发生最多72分钟的停止发电时间（蚀期）不过，这个“蚀期”的开始时间和结束时间是可以正确预测的。

这样，在同步轨道上，太阳能发电设施除了“蚀期”外，将可以不分日夜地发电，一年之中，有99%以上的时间把一定的电力输送到地面。

在宇宙空间，对太阳能进行电力变换，并以微波电力输送到地面的宇宙太阳能发电方式有热发电和光发电两种.前者称为热变换型太阳能发电卫星，后者称为光变换型太阳能发电卫星。

前者用太阳能将热机的工质加热膨胀，驱动发电机透平而发电；后者用太阳的光作用于太阳能电池，实行光电变换，将太阳能直接变换为电能。

这两种方式的变换过程虽然不相同，但所获得的电力都变换成微波电力，并高精度、高密度地对准地面接收天线辐射，由地面收电设施进行直流与交流变换，并与输电网联接。

其过程都是相同的。

8.光伏发电与光热发电技术结合

光伏发电和太阳热发电技术的工作原理及系统结构、目前的发展状况和技术上的优势以及缺陷。

容易看出，太阳能光伏发电原理简单，使用灵活方便，但是容易受到影响，尤其在缺乏太阳光时就不能够发电。

而在实际应用中，太阳能电池转换效率比较低，大约20%，80%照射到电池表面上的太阳能未能转换为有用能量，相当一部分能量转化成为热能，使电池温度升高，导致电池效率下降。

为提高太阳能利用效率，充分利用太阳热能并尽可能保持光伏电池的转换效率，可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度，再附设储能装置储存热能,在夜晚或天气不好时用来发电。

由此可以大胆构造出一个太阳能光伏发电和太阳能热发电相结合的联合系统。

这种系统既提高了光伏发电的利用效率又有效利用了吸收的热能，整体效率要比单一的光伏或太阳能热发电要高，同时又可以解决太阳能发电不连续的弱点。

依据上述构想，可以设计这样一种联合的发电系统。

光伏发电和太阳热发电联合系统由太阳能电池板和集热器组合阵列、蓄能装置、低温涡轮发电机、蓄电池、控制器、逆变器以及负载组成。

该系统采用了集光和集热相结合的方式，收集模块上层为光伏电池板，下部分敷设一种国外新型的吸热管，它最大的特点是在温度达到一定程度时直接产生高温高压的水蒸汽，不再需要传热介质回路，节约了系统成本。

低温涡轮发电机是一种特殊的涡轮电机，它在低温35℃左右时仍能够发电。

在白天阳光充足时，光伏电池将照射在表面的太阳光能转化为电能，经逆变器将电能送给用户，对大型系统或可调度系统可加设蓄电池、储蓄电能。

同时吸热管将吸收太阳热能，将产生的水蒸汽经传输设备送到蓄能装置储存起来。

蓄能装置内部装设调节装置，自动或手动调节能量输出，控制低温涡轮发电机发电，在白天无光照时间或者夜间维持系统持续供电。

在理想的条件下，若系统的配置足够合理，可以保证向负载供电，解决太阳能发电不连续的弱点。

同时该系统也可以设计为并网系统，不再装设蓄能装置，最大限度地将太阳能转化为电能，直接输送给电网。

9.结束语

我们生活在地球上，它不仅给与我们生存的空间，还提供给我们丰厚的天然资源。

很多人为追求暂时的利益而无视环境保护，不考虑子孙后代的生存问题。

如此下去人类将面临一场前所未有的浩劫。

我写这篇文章以及收集相关的材料都是建立在改善人类生活环境，实现人与自然和谐发展。

我们不仅要不断的寻求可再生的能源，与此同时还要降低能源的消耗量。

我们亟需提高全民的环境保护，资源保护意识。

为国家的发展，世界的稳定和平作出贡献。

我坚信如果每个人都有这样的意识，我们生活的环境将变得越来越好，也算是留给子孙后世的一笔遗产吧。

参考文献

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