新能源发电及其应用.docx
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新能源发电及其应用
网络高等教育
专科生毕业大作业
题目新能源发电及其应用
学习中心：
乌鲁木齐奥鹏学习中心
层次：
高中起点专科
专业：
电力系统自动化技术
年级：
2009年秋季
学号：
学生：
豆天鑫
指导教师：
王凯
完成日期：
2012年8月8日
内容摘要
随着时代的进步，科技的发展，今天的人类正面临着全球气温上升、海洋变酸、冰
原融化等严重威胁，对此我们能做些什么呢科学家提出，使用可再生能源（清洁能源）
是向着削减二氧化碳排放量迈出的正确一步。
在帮助地球降温时，利用和开发太阳能是
必不可少的。
可以说，太阳能是取之不尽，用之不竭的，并且是无污染的能源，是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术之一。
平均而言，地球上暴露在太阳光下的每一平方米面积每年都能够接收到1700kWh的能量。
据欧洲能源研究中心预测，到2050年,太阳能电池将为人类提供总电能需求的20%~30%所以说，太阳光的充分利用对减少二氧化碳起着举足轻重的作用。
关键词：
新能源；太阳能发电；太阳能发电原理
内容摘要
引言
一新能源的利用形式及现状
二太阳能发电
1太阳能发电系统
2太阳能发电原理3
3太阳能发电形式4
3.1太阳能热发电4
3.2太阳能光伏发电5
3.3太阳能电池6
4太阳能的优越性及其发展的两大重点方向7
5太阳能的缺点7
6太阳能与建筑的结合8
7太阳能发电市场的前景9
三结语10
参考文献10
引言
能源是现代社会存在和发展的基石。
随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。
随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。
在化石能源供应日趋紧张的背景下,大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。
下面我们对太阳能发电技术的现状及应用前景进行分析和探讨。
一新能源的利用形式及现状
1980年联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为：
以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能。
新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能、等能源，称为常规能源。
随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。
日前在中国，可以形成产业的新能源主要包括水能（主要指小型水电站）、风
能、生物质能、太阳能、地热能等，是可循环利用的清洁能源。
新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。
一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。
因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。
随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，作为一种能源资源化利用的物质而受到深入的研究和开发利用，因此，废弃物的资源化利用也可看作是新能源技术的一种形式。
二太阳能发电
我们常说的太阳能发电大致分两类，一种是太阳能光伏发电，另一种是太阳能集热发电。
光伏发电是利用光能驱动半导体的电荷运动产生电能。
集热发电是利用太阳能把水加温，利用热能转化为机械能再进行发电。
1太阳能发电系统
太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。
如输出电源为交流220V或？
110V,还需要配置逆变器。
1.1太阳能电池板：
太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定
整个系统的质量和成本。
？
1.2太阳能控制器：
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
1.3蓄电池：
一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，至V需要的时候再释放出来。
1.4逆变器：
在很多场合，都需要提供220VAC110VAC的交流电源。
由于太阳能的直接输出一般都是12VDC24VDC48VDC为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC
逆变器。
在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如
将24VDC勺电能转换成5VDC勺电能。
2太阳能发电原理
太阳能光利用最成功的是用光一电转换原理制成的太阳电池（又称光电池）。
太
阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。
这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久，从而
彻底取代了只能连续工作几天的化学电池，为航天事业的发展提供了一种新的能源动力。
太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“P—N结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞硅原子中
的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。
3太阳能发电形式
3.1太阳能热发电
目前，太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是：
①30~80MW转焦
抛物面槽式太阳能热发电技术（简称抛物面槽式）：
②30~200MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术（简称塔式）：
③7.5~25kW的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术（筒称抛物面盘式）。
除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外，太阳能
烟囱发电、太阳池发电等新领域的研究也有进展。
3.1.1太阳能烟囱发电
太阳能烟囱发电技术由温室、烟囱和风力发电技术三者结合为一体，该系统由集热棚、烟囱、发电系统组成。
集热棚用玻璃或塑料等透明材料建成，并用金属框架
作为支撑，集热棚四周与地面留有一定的间隙，大约90%勺可见光能够进入集热棚，被棚内地面吸收，同时由于温室效应，集热棚能够很好地阻隔地面发出的长波辐射。
这样集热棚就成了一个有效的捕捉和储存系统。
棚内被加热的地面与棚内空气之间的热交换使集热棚内的空气温度升高，受热空气由于密度下降而上升，进入
集热棚中部的烟囱，带动烟囱内安装的涡轮发电机发电。
同时棚外的冷空气通过四周的间隙进入集热棚，这样就形成了集热棚内空气的连续流动。
太阳能烟囱发电系统可建于人口稀少地区，其设备较其它发电技术简单，运行费用低，而且设备规模越大，功率越大，发电的功率也越高。
不但白天能够发电，而且晚上也能释放能量保证发电机组的连续运转，因此特别适合于我国西部荒漠地区。
3.1.2太阳池发电
简单地说,太阳池是一种池内水体加盐（一般用NaCI、CaCh、MgCI2、Na2CO和芒硝等盐类）使对流受到抑制的太阳能集聚工程。
它可以兼作太阳集热器和储热器，并且构造简单，操作方便，宜于大规模开发，所以近年来得到快速发展。
太阳池发电的突出优点，一是建造发电站的成本较低，几乎无需使用价格昂贵的不锈钢、玻璃等材料，只需要一处浅水池和发电设备即可；二是由于它能够储
存大量的热能，再利用池中特定介质汽化后相互对流产生的能量推动气轮机运转发电，所以对光照的强度要求不高，即便是在夜晚和阴雨雪天也能照常进行工作。
太阳池的应用也有一定的局限性：
一是在高纬度地区，只能水平设置的太阳池接收的太阳辐射较少；二是在某些有地下流动含水层的地区，如果太阳池发生泄露，会造成水源污染和严重的热损失；三是大型太阳池只能建造在土壤贫瘠又无矿藏的地区，以免占用耕地、影响开矿以及引起生态环境和地球物理方面的变化
[1]
。
3.2太阳能光伏发电
半导体在太阳光照射下产生电位差的现象被称为光伏效应，太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。
一套基本的太阳能发电系统是由太阳能光伏板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成，下面对各部分的功能做一个简单的介绍：
3.2.1太阳能光伏板
太阳光伏板的作用是将太阳辐射能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄
电池内备用。
太阳能光伏板一般又分为：
单晶硅电池光伏板、多晶硅电池光伏板和非晶硅光伏板。
这些光伏板因为组成的不同因而具有不同的外观和发电效率，它们的特点为：
321.1单晶硅光伏电池：
表面规则稳定，通常为黑色。
电池形状为10cm〜
15cm的方形或圆形单元。
效率约为14%〜17%
3.2.1.2多晶硅光伏电池：
结构清晰，通常呈蓝色，晶状结构形成美丽的图案。
电池的尺寸可任意裁剪，可以无固定的大小单元。
效率约为12%〜14%
3.2.1.3非晶硅光伏电池：
具有透光性，透光度可从5%〜75%当然，随着透光性的增加，光电池的转化效率会随着下降，运用到建筑上的最理想的透光度为25%效率约为5%〜7%。
3.2.2充电控制器
在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。
充电控制器主要由电子元件、仪表、继电器、开关等组成。
在太阳能光伏发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过
充电和过放电现象的发生。
如果用户使用直流负载，通过充电控制器还能为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。
3.2.3逆变器
逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220
伏交流电，供给交流负载使用。
3.2.4蓄电池组
蓄电池组是将太阳能光伏方阵发出直流电贮藏起来，供负载使用。
在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出。
白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，（同时方阵还要给负载用电），晚上负载用电全部由蓄电池供给。
因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。
常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍锅蓄电池。
3.3太阳能电池
太阳能电池的原理基十半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能降。
在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以p型硅和n型硅对外
部来说是电中性的。
如果将p型硅或n型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。
尽管光的能量通过电子从化学键中被释放，由此产生电子一空穴对，但在很短的时间内（在微秒范围内）电子又被捕获，即电子和“空穴”“复合”。
当p型材料和n型材料相接，将在晶体中p型和n型材料之间形成界面，即p-n结。
此时在界面层n型材料中的自由电子和P型材料中的空穴相对应。
由十正负电荷之间的吸引力，在界面层附近n型材料中的电子扩散到P型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与P型材料中的电子缺乏实现平衡。
与此相反，空穴扩散到n型材料中与自由电子复合。
这样在界面层周围形成一个无电荷区域。
在之前P型材料和n型材料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区：
通过电子到P型材料的迁移在n型形成一个正的空间电荷区和在p型区形成一个负空间电荷区。
对不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。
，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，p区的电子向n区运动，最后造成在太阳能电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。
如在电池上、下表面引出金属电极，并用导线连接负载，在负载上就有电流通过。
只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。
4太阳能的优越性及其发展的两大重点方向
在太阳能、风能、生物质能、潮汐能等各类可再生能源中，太阳能成为专家们的
首选。
不管从资源的数量、分布的普遍性，还是从清洁性、技术的可靠性来看，太阳能都比其它可再生能源更具有优越性。
我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3
x103~8.4x106kJ/（m2•a）之间,相当于2.4x104亿t标准煤,属太阳能资源丰富的国家之一。
全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2200h,日照在5X106kJ/（m2-a）以上。
我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其它地区为资源较富和中等区。
太阳能的利用主要有两大重点方向，一是把太阳能转化为热能，另一个就是将
太阳能转化为电能（即通常所说的光伏发电），其中重点是后者。
目前我国能源结构极不合理，煤炭年消耗量约为13亿t，在我国能源总量中的比重超过60%我国已成为世界第二大二氧化碳排放国。
二氧化碳产生的污染不仅对我国的居民健康和工农业生产造成严重损害，还使我们面临巨大的国际压力。
太阳能资源理论存储总量达每年17000亿t标准煤，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。
专家统计，如果把全国1%勺荒漠中的太阳能用于发电，就可以发出相当于2003年全年的耗电量。
届时，新疆、西藏、甘肃等广大西部地区将成为我国新的能源基地。
此外，目前太
阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术之一。
5太阳能缺点
5.1分散性
到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。
平均说来，
北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，
在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。
而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。
因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。
5.2不稳定性
由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、
云、雨等随机因素的影响，所以，至处某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。
为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
5.3效率低和成本高
目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟
的。
但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。
在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。
就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。
6太阳能与建筑的结合
目前，人类对于太阳能利用的方式有两种：
一种是在荒芜人烟的地区直接安装太阳能设备，另一种则是与建筑融为一体。
由于太阳能设备也需要维护和保养，因
而选择与建筑融为一体更具有发展潜力。
在这方面，德国弗莱堡一一“太阳村”首当其冲，因为它是第一个建筑可旋
转的太阳能屋的地方。
早在1995年村长罗尔夫•迪舒设计出第一座可旋转的太阳
能屋的地方。
，名为“向日葵”，源于希腊语“太阳”和“转动”，最大独特之处是，它能跟随太阳进行缓慢自转，最大地吸取热能。
“向日葵”屋有4层高，
呈圆柱形，屋顶装有太阳能电池板，以最大角度对准太阳，即使在冬季也能吸取足够热量。
“向日葵”屋露台和屋顶隔热一流，不论炎夏达50摄氏度或寒冬至零下20摄氏度，即使没有冷暖空调调节，室内温度都保持在15~25摄氏度。
对于日本，日本政府对住宅太阳能发电大力扶持，采取了各种各样的措施。
首先是住宅安装太阳能电池模板给予补助，太阳能发电1千瓦的装置约需要50多
万日元，每个家庭大约需要3千瓦〜4千瓦的装置。
日本政府为了减轻家庭负担，从2009年1月起每1千瓦的装置补助7万日元，此外，各地方政府机构还有其他补贴制度。
为了鼓励居民使用住宅太阳能设备发电，2009年11月起，日本的电
力公司实施了“固定价格购买制度”，用高出普通电价一倍的价格购买有太阳能设备家庭的剩余电能。
其次是加大力度支持科研，降低太阳能发电的成本。
太阳能住宅在日本前景看好，据经济产业省推算，到2020年，安装太阳能电池模板的
住宅每年将以50万户的速度增长，到2020年可再生能源发电将增加3200万千瓦〜3500万千瓦，二氧化碳排放量将因此减少1.8%至2.2%，生产太阳能发电装置的相关市场规模有望达到10万亿日元。
在我国，2010年9月，深圳决定把所有新建保障性住房建成绿色建筑并安装太阳能热水系统和使用绿色再生建材产品。
按照实施方案，在两年内，深圳要在712万平方米建筑面积上安装可再生能源应用装置。
2010年10月，北京决定苏家
坨B02、B03地块的近5000套保障性住房，将全部采用太阳能热水系统。
这是北京首个整体采用太阳能热水系统的保障房项目。
2011年起，江苏省各地新建的保障性住房一律按成品住房标准建设，并纳入住房保障年度目标任务进行考核。
均需配备陶瓷洗脸盆、淋喷龙头及花洒、节水型坐便器；12层及以下住宅，尽量配备太阳能热水器。
7太阳能发电的市场前景
全球太阳能发电产业发展现状及趋势在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家（德国）和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早，在技术和应用上都处于领先地位。
由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。
从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠。
同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能能源利用的研究。
太阳能发电可以应用在社会很多方面，如太阳能路灯照明，太阳能供暖，太阳能热水器，太阳能空调，太阳能汽车等，应用范围非常广阔。
我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。
我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。
我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。
这必定会促使太阳能发电产业这一朝阳产业得到长足的发展三结语
由于化石能源的储量有限，难以维持人类的可持续发展；同时化石能源的利用产生的大量有毒有害物质，将导致环境污染、温室效应，严重危害地表环境。
人类发展到现在，越来越多的国家都逐渐清醒地认识到，要在有限资源和环保严格要求的双重制约下实现经济和社会可持续发展的关键，就在于寻求清洁环保的可
再生能源。
因此太阳能、风能、生物质能、地热能等可再生洁净能源的大规模利用就显得尤为重要，这其中又以太阳能利用的优势最为明显，它具有以下几个特
点：
①储量的“无限性”相对于常规能源和其它可再生能源的有限性，太阳能具有
储量的“无限性”，取之不尽,用之不竭。
②存在的普遍性相对于其它能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。
③利用的清净性和
经济性太阳能的开发利用几乎不产生任何污染；同时由于其储量无限，利用技术
代价不高，具有良好的经济性。
太阳能也必将由此在世界能源的未结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。
但是，太阳能也存在单位能量强度不高、分布不均、转化利用效率较低等问题，这就要求我们太阳能工作者积极探索，研究出更为科学的集能方式和设备，加快太阳能技术的开发和推广应用。
随着化石能源的减少，太阳能利用的比例将大幅度提高。
参考文献：
[1]纪献兵•太阳能热发电技术[J].阳光能源，2005（4）:
2-3.
[2]罗运俊，何梓年，王长贵•太阳能利用技术[M].北京：
化学工业出版社，2005.
[3]XX文库《太阳能发电优势及应用》；
[4]中国太阳能学会《太阳能学报》；
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