风能及新能源发电技术教案

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：***

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。