能源與環(huán)境概論 教學課件 ppt 作者 李潤東 可欣 主編第四章 可再生能源與環(huán)境保護2

1、1,第四章 可再生能源與環(huán)境保護,能源危機已成為21世紀全球的主要問題，解決能源危機的辦法：一是提高燃燒效率以減少資源消耗，實現(xiàn)清潔燃燒以減少污染；二是開發(fā)新能源，積極利用可再生能源。,2,主要內容：,4.1 可再生能源概述4.2 太陽能4.3 生物質能4.4 風能4.5 水能4.6 地熱能4.7 海洋能4.8 可再生能源與環(huán)境,,,,3,本次課主要內容,4.1 可再生能源概述講述可再生能源的基本含義；主要特點

2、；種類；4.2 太陽能什么是太陽能？利用太陽能的主要方法有哪些？太陽能發(fā)電的兩種方法及原理:光熱電轉換和光伏發(fā)電,4,4.1 可再生能源概述,一、可再生能源的基本含義常規(guī)能源（傳統(tǒng)能源） ：已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源?？稍偕茉矗鹤匀唤缰锌梢圆粩嗬?、循環(huán)再生的一種能源形式，具有自我恢復原有特性并可持續(xù)利用的一次能源。 可再生能源是指在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用、

3、取之不盡、用之不竭的資源，它對環(huán)境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用?？稍偕茉粗饕ㄌ柲?、風能、水能、生物質能、地熱能和海洋能等。問題：氫能屬于可再生能源嗎？,5,二、可再生能源的主要特點：1.能量密度較低且高度分散；2.資源豐富，可以再生；3.清潔干凈，使用中幾乎沒有損害生態(tài)環(huán)境的污染物排放；4.太陽能、風能、潮汐能等能源資源具有間歇性和隨機性；5.開發(fā)利用的難度大。,6,開發(fā)可再生能源,太陽能,生

4、物質能(沼氣),地熱,潮汐,風能,7,2008年全球可再生能源生產(chǎn)結構圖,（其中乙醇燃料為6%）,8,9,4.2 太陽能,10,,,11,一、什么是太陽能在太陽內部進行的由“氫”聚變成“氦”的原子核反應，不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽內部的這種核聚變反應，可以維持上百億年的時間。太陽向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8×1023kW的輻射值，其中20億分之一到達地球大氣層。到達地球大氣層的太陽能，30%被

5、大氣層反射，23%被大氣層吸收，其余的到達地球表面，其功率為8.1×1013kW。太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于燃燒500萬噸煤釋放的熱量,相當于2.5億桶石油。,12,★廣義上的太陽能:是地球上許多能量的來源，如風能，化學能，水的勢能，生物質能等等?！铼M義的太陽能:則限于太陽輻射能的光-熱、光-電和光-化學的直接轉換。狹義的太陽能是我們在此討論的太陽能。,13,太陽是太陽系的中心天體,是太陽系里唯一的一顆恒

6、星,也是離地球最近的一顆恒星。,14,太陽是一個熾熱的氣態(tài)球體，沒有固體的星體或核心。它的直徑約為1.39×106km，是地球的109倍，質量約為2.2×l027t，為地球質量的3.32×105倍，體積則比地球大1.3×106倍，平均密度為地球的1/4。其主要組成氣體為氫（約71％）和氦（約27％）。,15,16,太陽能利用方式主要有光熱轉換和光電轉換兩種方式?！锕怆娹D換（光伏發(fā)電、太陽電池）

7、：將太陽能直接轉換為電能，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能；★光熱利用：太陽光的熱量加熱水，并利用熱水發(fā)電；太陽能熱水系統(tǒng)；太陽能取暖、制冷；太陽能煙囪；太陽能熱發(fā)電。,二、太陽能的利用方式,存在問題：太陽能的利用還逐步普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉換效率低的問題。,17,太陽能,太陽灶,航天器,太陽能熱水器,太陽能發(fā)電裝置,18,,,19,,,20,,,21,三、太陽能資源,太陽能資源豐富，全國三分之二日照小時數(shù)大于

8、2200小時。2004年底，太陽光伏發(fā)電裝機為6.5萬千瓦。主要用于解決偏遠地區(qū)和特殊行業(yè)用電問題,,,22,23,四、太陽能利用,二 太陽能熱水器,三 太陽房,四 太陽能干燥,五 太陽能海水淡化,六 太陽能制冷,七 鹽梯度太陽池,一 太陽能集熱器,八 太陽能發(fā)電,24,① 透明面板： 透光率高達90%的太陽能專用強化玻璃。② 邊框： 鋁材，與建筑物完美結合。③ 密封條： 采用強密封、耐高溫、抗老化型

9、硅膠條。④ 吸熱板芯： 銅鋁復合板，選擇性吸收膜，吸收率大于94%。⑤ 背板： 優(yōu)質鍍鋁板，外型美觀，耐腐蝕能力強。⑥ 保溫層： 特有超細玻璃棉復合保溫材料，比普通單層式保溫效果更勝一籌。⑦ 隔熱層： 反射鋁箔紙，將陽光有效進行二次反射，提高熱效率。,一、太陽能集熱器,25,太陽能集熱器可分為平板型和聚光型,1、吸熱體,作用：熱交換器,組成：,材料：,選擇性涂層，管板,涂層：無光黑漆。盡量

10、薄，減小熱量傳遞阻力,選擇性涂層（小于2微米）：電鍍二氧化鉻等,（一）平板型集熱器組成,對吸熱體基本要求：,1 上下水管要粗，壓力降是總壓的10%左右,2 選擇性涂層太陽輻射吸收率必須大于0.95，熱發(fā)射率小于0.2,26,,,2、透明蓋板,,,,,,1cm,2-4cm,最佳距離：2cm時，只有導熱和輻射換熱； 4cm時，熱阻更大但是存在對流換熱。,材料：,一般是玻璃，缺點是重量大，易碎,薄膜塑料的透過率高于玻璃，但

11、缺點是容易積塵，松垂。,27,抗老化(特別是抗紫外線老化)。抗化學腐蝕和拉裂，特別是在遭受雨淋、遇到大氣污染物、打掃透光而；鳥類、接觸到密封材料和涂料等情況時。容忍高溫和低溫變化，如一20℃一100℃)而不碎、不老化和不蠕變。抗沖擊，具有堅固的表面以防止偶然的或人為的破壞以及在清洗表面時的損害。用于表面授蓋時必須有一定的防火能力。,透明蓋板的基本要求,28,透明蓋板的面積選擇： 受風雪等自然條件，蓋板的厚度，材料等影響。在

12、北歐天氣條件下傾角45?的以玻璃為透光層的集熱器的最大采光面積是0.6m2(4mm厚)和1.4m2(6mm厚)．鋼化破璃的采光面積可以適當增大一些；我國的實踐表明上述數(shù)據(jù)可以更大一些，例如許多產(chǎn)品中5mm厚玻璃的面積達到1.2m2。,29,3、隔熱層隔熱層可降低熱損失、提高集熱效率，要求材料具有較好的絕熱性能和較低的導熱系數(shù)。一般要求，隔熱層的熱流量在0.5-1.0W/m2,相當于40-80mm厚玻璃纖維隔熱層。要求能夠承受200

13、?C的高溫?？勺龈魺釋拥牟牧习ǎ翰ＡЮw維、石棉、硬質泡沫塑料等。,30,（二）全玻璃真空管平板集熱器,提出：普通平板集熱器，熱損失較大，單層6-8W/m2℃, 選擇性涂層4-5w/m2℃,主要熱損失來源：夾層中的空氣,真空管：切斷集熱器與透明蓋板之間的導熱和對流換熱熱橋。,全玻璃真空管的構造由內玻璃管、太陽選擇性吸收涂層、真空夾層、罩玻璃管、支承件（彈簧卡子）、吸氣劑等部分組成。,選擇性吸收涂層：氧化銅、

14、黑鎳、黑鉻、黑鋅、黑銅等太陽選擇性吸收涂料,31,將涂有選擇性涂層的內玻璃管封入罩玻璃內，然后將內外玻璃管之間抽成真空，形成真空度為0.05Pa的真空夾層，以減少由于空氣對流和傳導而引起的熱損失，這與熱水瓶的原理相似；,真空管在受熱后，原來被吸附在管壁上的微量氣體（主要是水蒸氣）會釋放出來，影響真空度，吸氣劑和吸氣膜就是用來吸收這些被釋放出來的氣體，以保持集熱管內的高真空。,32,（三）聚焦型集熱器,優(yōu)點：增大能量密度；減小散熱損失；提

15、高載熱介質溫度缺點：結構復雜，造價高，多數(shù)不能吸收漫射輻射 分類 ：按聚光的方法：反射聚光和折射聚光按焦像的形狀：點聚光、線聚光聚焦型集熱器的組成①聚光器；②接收器；③跟蹤系統(tǒng),33,中心接收定日鏡陣聚光系統(tǒng),主要用于大功率的熱發(fā)電系統(tǒng) 聚光比高，可達100～1000；可以達到較高的吸熱介質溫度，通常在500℃以上。定日鏡的控制精度要求高，難度大定日鏡的制作成本高,Power tower in Barstow,

16、California.,34,二 太陽能熱水器累計6500萬平方米，年生產(chǎn)能力1500萬平方米。生產(chǎn)量和使用量均為世界第一產(chǎn)業(yè)體系較完整,35,1悶曬式：所謂悶曬熱水器就是集熱器和水箱合二為一，冷熱水的循環(huán)和流動加熱過程是在水箱內部進行。經(jīng)過一天的自然循環(huán)，將水加熱到供用的溫度。悶曬太陽能熱水器的優(yōu)點是結構簡單，造價低廉，易于推廣和使用。缺點是保溫效果差，熱量損失比較大，所獲得的熱水只能在當天晚上上半夜以前使用。,36,特點:

17、熱損失低于1W/m2℃,易結水垢,可以用于寒冷季節(jié)和地區(qū).應用:生活熱水,除濕,干燥,空調,制冷,暖房種植,養(yǎng)殖和海水淡化等方面.,2、全玻璃真空管熱水器,37,1) 玻璃: 要求:承壓,溫差熱應力,一般是高硼硅玻璃,中國最早是80年代初期由美籍華人貝聿昆送給一些研究所，然后由沈陽玻璃計器廠試制成功的,2) 玻璃管,長度:初期1.2m，現(xiàn)在有1.5-1.8m,內外管間距離:只要內外壁不接觸,0.2mm即可,管間距離:不可密排,要

18、留有間隙,38,3、熱管式真空管熱水器,工作原理:熱管強化傳熱,優(yōu)點:傳熱效率高,抗凍,無結垢問題,安裝角度要大于10度,日平均熱效率50-56%,39,4 新型平板熱水器,原理,特點,1) 平板熱水器更安全,使用壽命長,真空玻璃管容易破裂，存在安全隱患,2) 從能源利用角度看，平板遠遠優(yōu)于太陽能，在技術成熟的條件下，目前真空管的熱效率最高只有45%左右，而平板熱效率至少在50%以上，極端條件可達到80%。3) 容易結垢,不好清理。

19、 4) 對水質要求高,腐蝕容易漏水,40,三、太陽房,主動式,被動式,,用泵將太陽能加熱過的空氣或者水送入室內達到加熱的目的。,全靠太陽能采暖不需要其它輔助能源。,1、被動式太陽房,1）直接受益式,晝夜溫差較大要求墻體的隔熱性能好,41,2）Trombe墻（集熱蓄熱墻）,42,1、太陽能干燥的優(yōu)點,1）節(jié)約燃料2）干凈衛(wèi)生3）提高產(chǎn)品質量,2、太陽能干燥的適用范圍,：干燥溫度在60度以下，更高溫度需要集熱器型干燥系統(tǒng)。,3、

20、太陽能干燥系統(tǒng)的基本組成：,1）干燥室2）集熱器3）通風設備4）輔助加熱設備,四、太陽能干燥,43,例303m2太陽能果脯干燥系統(tǒng),4、太陽能干燥的類型,1）溫室型太陽能干燥器,44,2）集熱器型太陽能干燥器,空氣作為傳熱介質,分為直接型（空氣自然對流）和間接型（強迫對流）,45,2）混合式（溫室型與集熱器結合）,自然對流：鹽梯度太陽池-集熱器復合型太陽能干燥系統(tǒng),46,1872年世界上第一座太陽能蒸餾器在智利誕生了，利用太陽能

21、進行海水淡化，日產(chǎn)淡水17．7噸，一直工作到1910年。,1）池式太陽能蒸餾,五、太陽能海水淡化,47,2）幾種太陽能淡化的例子,48,充氣式太陽能蒸餾器,——《漂流：迷失大海76天》,49,吸收式制冷工作原理,利用兩種流體的濃度差和溫度差產(chǎn)生的飽和蒸汽壓差而引起的吸收和蒸發(fā)作用。,六、太陽能吸收式制冷,50,太陽池是一種人造鹽水池，利用具有一定濃度梯度的鹽水作為集熱器和貯熱器的太陽能利用系統(tǒng)。特點：設備簡單，價格低廉，適合于大規(guī)模推

22、廣。應用領域：民用采暖、空調，工業(yè)供熱，發(fā)電。,七、鹽梯度太陽池,51,優(yōu)點可再生吸收并儲存太陽能對環(huán)境無污染,缺點對地理條件要求較高用鹽量大，溫度較低許多技術仍然處于 R & D,基本原理,52,美國德州太陽池The El Paso Solar Pond project is a research, development, and demonstration project initiated by the

23、 University of Texas in 1983.,53,八 太陽能發(fā)電★太陽能發(fā)電有兩種方法。一種是將太陽能轉換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽能熱發(fā)電。另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電。,54,1.太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電也叫做太陽能聚光發(fā)電，是將太陽輻射從面積上濃縮產(chǎn)生高溫發(fā)電的裝置。由于太陽光聚集后可以產(chǎn)生高溫，因此該技術用于與熱發(fā)電機相連來構成發(fā)電系統(tǒng)。太

24、陽能聚光技術最早可以追溯到140年前, 科學家1882年在法國所做的研究工作。在上世紀80年代，由于70年代的石油危機，太陽能熱發(fā)電得到了重視，一批大規(guī)模的太陽聚光器在世界各國安裝。,55,56,當前太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式可劃分為：（1）太陽能塔式發(fā)電；（2）太陽能槽式發(fā)電；（3）太陽能碟式發(fā)電；,57,太陽能熱發(fā)電技術,碟式系統(tǒng)是利用由旋轉拋物面反射鏡將太陽光聚焦到焦點上，加熱位于焦點處接收器內的傳熱工質至較高溫度以驅動

25、發(fā)動機進行發(fā)電。,槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內傳熱工質加熱，在換熱器內產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電。,,,,,,塔式,,,,,,,,,槽式,,,,,,碟式,,,,塔式系統(tǒng)是利用定日鏡將陽光聚焦到塔頂?shù)奈鼰崞魃?。通過集熱器將輻射能轉換成熱能，然后通過汽輪發(fā)電機進行發(fā)電。,58,（1）塔式太陽能熱發(fā)電原理塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。它是利用眾多的平面反射鏡陣列，將太陽輻射反射到

26、置于高塔頂部的太陽能接收器上，加熱工質產(chǎn)生過熱蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉化為電能。塔式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)主要由4部分構成：聚光裝置、集熱裝置、蓄熱裝置和汽輪發(fā)電裝置。,59,（1）塔式太陽能熱發(fā)電熱電站,電站總效率可以達到15%以上。改進的系統(tǒng)總發(fā)電效率可以達到25%～28%,60,61,62,THEMIS,法國,1983,EURELIOS,意大利,1981,SSPS-CRS,西班牙,1981年,Solar on

27、e,美國,1982,80年代的塔式太陽能熱發(fā)電站,,63,目前已商業(yè)化的塔式太陽能熱發(fā)電站,PS20 ,西班牙,2009,PS10,西班牙,2007,,64,(2) 槽式太陽能熱發(fā)電原理：這種集熱方式是橫向線性，使用柱面集熱器，被加熱工質沿聚焦線流動，比塔式的定日鏡聚焦簡便，不要建高塔，以平面裝置，一般直接用水做工質，水在集熱器中受熱后進入過熱器，由過熱器產(chǎn)生蒸汽送入汽輪機，即可帶動發(fā)電機發(fā)電。,65,66,67,68,(3) 碟式

28、發(fā)電原理：該太陽能發(fā)電裝置主要采用碟形聚光器，并在聚焦面上安裝外熱式斯特林發(fā)電機組。碟形聚光器自動調整方向捕捉陽光，將陽光導向一臺接收器，然后將熱能轉入一個充滿氫氣的發(fā)動機,隨著氫氣的受熱和冷卻，發(fā)動機的壓力 也隨之改變，從而驅動活塞運動，為發(fā)電機提供動力,發(fā)電機進行發(fā)電。,69,發(fā)動機內的氣體是循環(huán)加熱的（通過酒精燈）并且膨脹推動動力活塞（圖中藍色）向右運動。當動力活塞運動到最右邊時，黃色連桿迫使松配合的紅色活塞（在機器左半邊內

29、）將氣體擠壓到機器較冷的一邊。在較冷一邊的氣體將熱量散失到外界并且收縮，并把藍色活塞拉向左邊。氣體在此轉移，被擠壓回發(fā)動機的較熱區(qū)域，如此循環(huán)往復。,70,71,,,72,,73,74,75,太陽能電池的發(fā)電原理是基于光伏效應(Photovoltaic Effect)由太陽光與材料相互作用而產(chǎn)生電勢。,2. 太陽能電池,76,2.太陽能電池,定義：太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應把光能轉變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是?/p>

30、陽能光伏發(fā)電的基礎和核心。,77,太陽能電池的結構,78,太陽能電池利用原理,太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下： 　　 圖中，正電荷表示硅原子， 負電荷表示圍繞在硅原子

31、 旁邊的四個電子。,79,晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖：,80,同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。,81,太陽能電池發(fā)電原理,82,太陽能電池的

32、種類,無機太陽能電池半導體硅 (單晶、多晶、非晶、復合型等）化合物半導體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機太陽能電池有機半導體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）光化學太陽能電池（納米TiO2等）,83,無機太陽能電池,工作原理,當太陽能電池受到陽光照射時，光與半導體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對靠半導體內形成的勢壘分開到兩極，正負電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導線流向電

33、負載。,84,有機太陽能電池,工作原理: 有機半導體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導電聚合物的結合處)上分離。 研究進展: 美國加州伯克利分?？茖W家在2002年利用塑料納米技術研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設備及可穿戴式電子設備上。提供0．7V的電壓。

34、特點：價格低、易成型，通過化學修飾調控性能。,85,色素敏化光化學太陽能電池（DSSCs）,陽極：染料敏化半導體薄膜 TiO2、染料 陰極：鍍鉑的導電玻璃電解質：I3-/I-,86,太陽能電池的生產(chǎn)工藝,,,,,,,,,,導電玻璃 膜切割 清洗

35、 檢測 鍍鋁電極 沉積PN結老化 檢測 封裝 成品檢測,87,3.太陽能煙囪發(fā)電,太陽能煙囪發(fā)電技術是通過集熱棚吸取太陽熱能使棚內空氣溫度升高，根據(jù)煙囪的原理，在煙囪內將形成強大的氣流，利用這股氣流形成的風力驅動風機，帶動發(fā)電機發(fā)電。,88,太陽能煙囪式熱風熱力發(fā)電技術,基本原理：利用太陽能集熱棚加熱空氣以及煙囪產(chǎn)生上曳氣流效應，