风能及新能源发电技术

电气与新能源学院本科教学课程教案课程名称：风能及新能源发电技术授课教师：王凌云开课时间：二O一一至二O一二学年秋季学期课程基本情况第一章太阳能及其利用教学重点：太阳能的主要利用方式，太阳能热发电技术作业：1.1，1.2，1.5，1.6主要教学内容：第一节太阳能概述一、太阳能利用概述太阳能量来源：核聚变反应H·H →He ；太阳辐射到地球的能量：2.5亿桶（158.98L，128-142kg）石油/天；500万t标煤/s ；风能、水能、海洋能、生物质能、化石燃料等几乎所有的能源均来自太阳；我国太阳能资源丰富，陆地每年辐射总量3.3×103-8.4×106 kJ/（m2·年），相当于2.4×104亿t标煤，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h，日照在5×106kJ/（m2·年）以上；丰富地区：大兴安岭向西南，经北京西侧，兰州，昆明再折向北到西藏南部，这一条线以西、以北广大地区；二、太阳能的特点1、取之不尽、用之不竭；从地球诞生起，太阳已向地球提供能源47亿年，太阳寿命还可有60亿年。

2、清洁、无污染；不会造成环境污染，不影响生态平衡。

3、太阳能能量密度低，并且受地区、昼夜、气候等自然条件限制；即便是晴天中午，每平方米太阳能最多仅1kW。

三、太阳对地球的辐射1、太阳常数指的是地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位面积上每秒所接受的太阳辐射能量强度。

太阳可视为一个温度为5762K的黑体，经长期实测与推算，太阳常数为1353w/m2。

2、大气质量到达地面的太阳辐射受大气层厚度的影响，大气层越厚对太阳辐射的吸收、散射、反射越严重，到达地面的辐射能量就越少；而太阳辐射穿过大气层路径的长短与太阳辐射方向有关。

3、太阳辐射在大气层中的衰减各种气体（臭氧、温室气体、水汽等）、尘埃等对太阳辐射的吸收、反射、散射。

太阳辐射能够到达地面的是很少一部分，波长范围在0.29-2.5µm，占太阳辐射能量的95%，其中紫外区（0.3-0.4µm）能量很少，可见光区（0.4-0.76µm）和红外区（0.76-2.5µm）各占50%。

太阳辐射强度的峰值随太阳高度减少向长波方向移动，因此日出和日落时太阳光呈橘（暗）红色。

4、到达地面太阳辐射（日射）的强度直射（直接接受且方向没有改变）+ 散射（反射和散射，来自半球天空各个方向）四、太阳辐射的测量太阳直射强度：太阳光垂直的表面上单位面积单位时间内所接收到的太阳辐射能。

总辐射强度：水平面上单位面积单位时间内所接收到的来自整个半球形天空的太阳辐射能总和，包括直射和散射。

第二节太阳能集热器太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并转化为热量向工质传热的基本部件。

一、平板型太阳能集热器（一）概述平板型集热器属于非聚光型太阳能集热器，特点是：直接采集自然光，其采光面积= 集热面积= 散热面积，因此，一般集热温度较低（小于100℃）。

1、分类（以工质种类不同）：（1）热水器：工质为液体（一般为水）；（2）空气集热器：工质为气体（常为空气）；2、特点（相对于聚光型）（1）整体结构简单，不许跟踪；（2）可同时利用直射辐射和散射辐射；（3）接受副照度较低，故工质温度较低；（4）成本较低，使用方便，安全可靠。

3、应用范围原则上温度低于100℃的环境都可应用。

（1）供给热水；（生活、工业）（2）工农业生产方面；（干燥、养鱼、温室加温等）（3）采暖、空调与制冷；（室内采暖、泳池加温等）（二）工作原理、结构和温度分级1、工作原理：“热箱”原理。

2、基本结构：由“集热板、透明盖板、隔热层、外壳”四部分组成（1）集热器应符合特性①吸收表面的阳光热吸收率高，热辐射率低；②传热结构设计合理，热效率高；③具有良好的耐候性和耐热性，适合长期自然环境下使用；④对集热介质具有良好的耐腐蚀性；⑤加工工艺简单；⑥省材料，价格便宜。

（2）透明盖板应具备的特性①阳光透过率高，吸收率和反射率低；②对热辐射具有低的透过率；③具有较强的机械强度，能够抵御风雪载荷及小规模的意外撞击；④不透水；⑤对环境中腐蚀性气体、雨水等具备一定的耐受能力；⑥长期暴露在自然环境中，上述特性无严重恶化。

（3）隔热层应具备特性①材料导热系数低；②工作温度超过200℃；③浸水或受自然环境作用后，无有毒、有害物质泄露。

（4）外壳应具备特性①良好的机械强度；②良好的耐腐蚀性。

（四）平板型太阳能集热器的板型结构1、管板式；2、管式；3、扁盒式二、聚光型太阳能集热器特点：太阳能利用效率更高，能量密度高，吸收器尺寸小，热损低。

（一）聚光型太阳能集热器的构成：聚光器、吸收器、跟踪系统。

（二）聚光系统的分类1、根据所使用光学系统分①抛物面/球形聚光器，反射系统；②菲涅尔透镜，折射系统；2、根据焦斑形状分类①一维聚光（线聚焦）系统；②二维聚光（点聚焦）系统；第三节太阳能热水器一、概述太阳能热水器是现实的、比较经济的，并且已经得到广泛应用的太阳能热利用装置。

1929年，美国加利福尼亚州最早使用；20世纪40年代中期，澳大利亚、以色列、日本等能源短缺国家广泛使用；目前，太阳能热水器已在全球范围内得到普遍关注与大规模应用。

二、太阳能热水器的类型及系统根据流动方式而言，分为三类：循环式、直流式和整体式。

（一）循环式自然循环式和强制循环式。

1、自然循环式：动力来源为“温差压头”。

优点：结构简单、运行可靠且控制不需要外来能源。

缺点：蓄水箱必须置于上方；不适用于大型装置；要求良好保温。

2、自然循环定温放水式原理：在自然循环基础上增加电磁控制阀，当温度达到设定温度时，热水自动流入贮水箱。

3、强制循环式当集热器底部与底部温差达到一定值时，采用水泵强制循环，适用于大型热水系统，例如太阳能集中供热系统。

（二）直流式1、热虹吸式原理：补水箱水位由球阀控制，阳光照射形成温差压头。

2、定温放水型原理：增加电磁控制阀，根据出口温度来控制调节流量。

直流式优点：不需要水泵（仍靠自然循环），但可避免自然循环缺点（水箱必须位于上方、不适用于大型装置等）。

（三）整体式特点：集热器与蓄水箱合二为一。

分类：开放式、塑料薄膜袋式、圆筒式、方箱式。

三、真空管太阳能热水器具有中国特色的太阳能热水器。

（一）类型和结构类型：全玻璃真空管太阳能集热管和玻璃—金属结构真空太阳能集热管。

1、全玻璃真空管太阳能集热管：“拉长的暖水瓶”。

2、玻璃—金属结构太阳能集热管：美国康宁（Corning）公司、日本三洋、（Sanyo）公司、原联邦德国Pring公司、荷兰菲利浦（Philips）公司。

原理：具有选择性吸收层的翅片紧贴金属管，金属管与玻璃真空熔封。

（二）材料与工艺流程概述1、玻璃要求：透光性好，SiO2和B2O3含量超过90%的高硼硅玻璃；热膨胀系数低、耐热冲击；具有较强的机械强度。

2、选择性涂层材料要求：不破坏真空、耐高温（400℃以上）、吸收率高（大于90%）。

工艺：磁控溅射工艺。

目前我国大部分企业采用“铝—氮/铝选择性吸收涂层”，少数企业采用“不锈钢—碳/铝选择性吸收涂层”。

第四节太阳能的热贮存解决地表太阳能受昼夜和季节变化以及天气等随机因素的影响具有的不稳定性、不均匀性。

根据存贮时间长短，分为：1）短期热存贮：贮热时间16h左右，调整1d内热量供给与消费的不平衡；2）中期热存贮：贮热时间3-5d（最多1周），满足阴雨天热负荷需要；3）长期热存贮：贮热时间1个月甚至跨季度几个月，为了调整季度间热量供给和消费之间的不平衡。

根据贮热原理不同，分为：显热贮热、潜热贮热和化学贮热。

显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。

它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。

潜热：物质发生相变（物态变化），在温度不发生变化时吸收或放出的热量。

物质由低能状态转变为高能状态时吸收潜热，反之则放出潜热。

例如，液体沸腾时吸收的潜热一部分用来克服分子间的引力，另一部分用来在膨胀过程中反抗大气压强做功。

熔解热、汽化热、升华热都是潜热。

潜热的量值常常用每单位质量的物质或用每摩尔物质在相变时所吸收或放出的热量来表示。

一、显热贮存原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉、实际使用较为普遍。

原理：当对蓄热介质加热时，其温度升高，内能增加，从而将热能以显热的形式贮存起来；分类（存贮介质不同）：液体显热贮热和固体显热贮热；单介质（液体，水）和双介质（固体，岩石）。

低温范围内，显热贮热的液体材料较好，若固体以砂、石较为适宜；当温度较高时，可视情况选用石块、卵石或无机氧化物材料。

（一）液体显热贮热低温贮热，水为介质（经济，既是载体，又是介质）；1、贮热水箱2、地下含水层蓄热原理：通过井孔将温度高于含水层原有温度的热水灌入地下含水层，利用含水层作为贮热介质来贮存热量，待需要时再抽取使用。

可大规模跨季度贮热，贮热温度可达150-200℃，能量回收率达70%。

3、太阳池水温4℃后密度随温度升高而减小，从而引起热损。

采取一定的技术尽量减少或防止吸收到的热量散失掉的水池就是现代意义的太阳池。

（二）固体显热贮热液体贮热具有经济、设备简单、低温效果好的优点，但高温段（100℃以上）其缺点明显：加压防止气化、设备要求较高。

固体介质贮热在岩石等资源丰富地区，成本低廉，使用方便。

3种方式：石块床贮热、被动式太阳房墙体贮热和地下土壤贮热。

地下土壤贮热，当输热管插入土壤深度25m以上时，蓄热效率可达75%以上。

二、潜热贮热原理：利用物质相变时需要吸收（或放出）大量热量的性质来实现贮热和放热，又称为相变贮热或溶解贮热。

优点：蓄能密度高（几百至几千千焦）、温度波动小（2-3℃）；材料多为水合盐类（无机盐水合物）和有机化合物。

（一）水合盐类贮热贮能密度多在120-300kJ/kg，与冰的溶解潜热相当。

常用Na2SO4·10H2O。

（二）有机化合物贮热常用碳氢化合物（石蜡）、某些聚合物（塑料）、天然生成的有机酸等。

三、化学贮热利用可逆的热化学反应贮热：AB+热﹤﹦﹥A+B。

四、长期贮热常采用地下土壤贮热、地下含水层贮热、岩石井孔贮热等。

第五节太阳房一、太阳房概述是一种集取、蓄存和分配太阳能的建筑。

分为被动式太阳房和主动式太阳房。

被动式太阳房：温室，偿还年限短、供暖效果好，易与传统建筑相结合，目前应用较为广泛；主动式太阳房：热泵，供暖、制冷和空调相结合。

集热、贮热、保温是太阳房中三个重要环节，缺一不可。

二、太阳房的分类和构造（一）主动式太阳房组成：太阳能集热器、贮能装置、供暖房间及相关设备；备用系统（辅助热源）（二）被动式太阳房特点：不需要专门的太阳能集热器、热交换器、水泵（或风机）等主动式太阳房所需不见，而是利用建筑物本身作为集热装置，依靠建筑物方位的合理布置，提高建筑物的门、窗、屋顶等构件，以自然热交换方式（辐射、传导、对流）使建筑物在冬季尽可能地多吸收和贮存热量，以达到供暖的目的。