2011太阳能资源开发利用与气象业务发展.ppt
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1、太阳能资源开发利用 及其气象服务需求,(湖北省气象能源技术开发中心,武汉),2011-10,提纲,一、认识太阳能 二、太阳能开发利用方式 三、太阳能开发利用进展 四、对气象服务的需求分析,JRC预测: 未来百年世界能源结构,目前,太阳能资源(SES)开发利用在整个可再生能源(RE)投资中增速最快。 到2030年,RE将占30%以上,太阳能发电提供10%以上的电力。 到2040年,RE将占50%以上,太阳能发电提供20%的电力。 到本世纪末,RE将占80%以上,太阳能发电将占60%以上。,欧盟联合研究中心(EU, JRC),2004,IEA预测: 光伏发电将成为主要的电力来源。,2010-205
2、0年光伏发电及占电力比重(IEA, Technology Roadmap Solar photovoltaic energy, 2010年),假定下个十年光伏市场平均增长17%,到2020年全球累计光伏安装容量为200GW。 下下个十年光伏市场平均增长率为11%,则2030年全球累计光伏安装容量将为900GW,同时每年新增安装量100 GW,这样到2040年全球光伏安装量将为2000 GW,到2050年可达到3000 GW。 2030年光伏发电将提供全球5%的电力,到2050年光伏发电提供的电力将占11%。,过去十年的事实证明:所有机构都低估了太阳能发电的快速发展趋势。,一、认识太阳能,太阳中
3、氢原子核在超高温时聚变释放巨大能量,源源不断地向宇宙空间放射电磁波或粒子,称为太阳辐射。 太阳每秒释放的能量是3.8651026J,1/22亿到达地球大气层,强度为173亿kW。年到达量相当于130万亿吨煤,是目前全球能耗的1万倍。,水,金,地,火,木,土,天王,海王,冥王,广义太阳能包括地球上绝大多数能量,还包括风能,化学能(化石能源、生物能),热能、光伏发电、聚光热发电、水势能等。太阳能是人类能源的宝库,未来的希望。 太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量。,太阳能的定义,太阳能的光谱特性,到达地表的太阳辐射波长范围0.15-4m,辐射能主要集中在可见光区和红外光区。
4、又称短波辐射。 生物利用主要集中在可见光区(效率1-1.5%); 光热利用为全波段; 光伏利用只集中在0.32-1.1m(15-20%;聚光光伏25-40%)。,7% 50% 43%,全球太阳能资源空间分布,全球太阳能资源最丰富的地区位于美国西南部、非洲、澳洲、我国西北部、中东等(即sun belt),平均总辐射量在2000 kWh/m2/a以上。 其中撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛地区在2500 kWh/m2/a以上。,全球太阳能总辐射年总量空间分布(1981-2000),换算关系:1kWh=3.6MJ,中国太阳能资源空间分布,我国年平均总辐射量空间分布 (气候学方法推算结果),我国年平均总日照时数
5、空间分布 (实测结果),据测算,我国太阳能理论捕获量达每年17000亿吨标准煤,年平均日辐射量在4kWh/m2以上,与美国相近,比欧洲、日本优越,开发潜能巨大。潜在可发电量42000TWh/a,远大于目前的年用电需求5000TWh/a。 我国的新疆东南部、内蒙古西部、甘肃西部、青海和西藏大部分地区太阳能资源最丰富区或很丰富区,约占国土面积的20%;四川盆地的太阳能资源相对一般;其它地区均为丰富区。,太阳能资源丰富程度等级表 太阳能资源评估方法(QX/T 89-2008),太阳辐射的时间变化,太阳辐射具有明显的日、季周期变化,也有年代际变化; 太阳辐射随天气具有波动性、随机性乃至间歇性。,武汉站
6、2010年8月1-7日逐时太阳辐射变化,武汉站太阳辐射季节变化 (1981-2010年平均),日周期变化,随机性,季周期变化,间歇性,优势 能量巨大:每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤,是现今世界上可以开发的最大能源。 可再生:据估算太阳中氢的贮量能维持上百亿年,可以说太阳的能量是用之不竭的。 无处不在:阳光普照大地,没有地域的限制,可直接开发和利用,无须开采和运输。 清洁无害:不会产生有害气体和废渣,因而不污染环境,为“干净能源”。几乎没有噪音,没有户外旋转部件,不会对鸟类产生生态危害。,太阳能优缺点,缺点 能流密度低:尽管太阳能总量很大,但能量密度最大夏季为1kW/m2,
7、冬季为1/2,阴天为1/5,年平均只有200W左右。要得到一定的转换功率,往往需要大面积能量收集和转换设备,造价高,气象环境影响大。 间歇性与不稳定性:由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度、天气变化等限制,到达某地的太阳辐照度具变化大,给大规模应用增加了难度。 成本仍偏高:目前太阳能开发理论上可行,技术成熟,由于以上原因,成本仍较高。当效率提高、规模扩大,成本下降到可与常规能源相比,大规模开发利用将迎来爆炸式增长。,间接利用: 化石能源(煤、石油、天然气等)、水势能、风能等 生物质能再利用:沼气、秸秆发电、油料作物制醇(汽车动力) 直接利用: 被动利用(passive):光合作用、建筑采光
8、主动利用(direct):集热(光热转换)、发电(光伏、聚光热发电、制氢),二、太阳能开发利用方式,化石能源(煤、石油、天然气等) 水势能 风能,被动利用: 光合作用:植物、藻类和某些细菌利用叶绿素,在光的照射下,将二氧化碳、水或是硫化氢转化为碳水化合物。 建筑采光/采暖:通过建筑朝向和周围环境的恰当布置,建筑内、外空间布局的巧妙处理以及围护结构和建筑材料的合理选择,使建筑物本身能在冬季汲取、贮存和分配太阳热能,在夏季又能遮蔽太阳辐射、散逸室内热量。,建筑采光/采暖/通风,植物光合固碳作用,主动利用: 太阳能集热:太阳能热水器、太阳能采暖系统、太阳能灶、太阳能空调 太阳能发电:光伏发电(PV,
9、CPV)、聚光热发电(CSP) 光化学利用:利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。目前主要指利用光伏发电再制氢。,太阳能热利用,将太阳辐射能转化为热能。 传统热利用(低温): 太阳能热水器(目前主流)-关键是集热(集热器)和保温(贮热水箱)。 太阳能供热采暖系统(未来趋势)-由太阳能集热器、贮热水箱、循环管道及相关装置、设备(水泵、控制部件等)和末端散热设备组成。近年来,包括区域供热在内的大型综合系统的工程应用发展较快。 太阳能灶-利用聚光镜获取太阳辐射,加热炊事烹饪食物。,上世纪80年代,我国在太阳能热利用关键技术如新型集热器及制造工艺上取得突破。清华大学发明了“选择性吸收涂层”,真
10、空管式太阳能热水器成为主力产品。 我国是世界上最大太阳能热水器生产国和市场利用国,也是我国唯一在生产能力和利用规模上绝对领先的可再生能源产业。 我国太阳能热水器2010年年产量4900万,占世界年产量80%左右。2010年保有量为16800万,占世界总量60%,每千人均占有量为123.5,高于德国水平。 我国集热器类型:平板型;全玻璃真空管;玻璃一金属真空管。今年底,国家将正式出台该行业第一个强制性国家标准家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级,太阳能供热将持续、快速、规范发展。,太阳能发电技术,光伏发电技术(主流技术),把太阳辐射直接转变为电能的发电方式。分普通光伏发电和聚光光伏发电两种。前
11、者分单晶、多晶、非晶(薄膜、有机)、多结。后者者分低倍、高倍聚光。 聚光热发电(CSP)技术,利用聚光集热器将太阳能聚集起来产生高温热能,加热介质(如蒸汽)来驱动发电机发电的技术,其他组成部分与常规发电设备类似,是从光-热-电的间接发电方式。又分为三种(槽式、塔式、碟式),原理不完全相同。 太阳能发电呈现多样化趋势。,普通光伏发电及并网的基本原理,并网逆变器,实现最大功率点跟踪控制,将光伏阵列输出的直流电进行变换转成交流电后才能接入电网。,光伏效应(PV,Photovaltaic),半导体表面受到太阳光照射时,其内产生大量电子-空穴对,在内建电场作用下运动,产生光生直流电。,1954年研制成效
12、率达6%的单晶硅太阳电池,1958年应用于卫星。70年代以前,效率低,售价昂贵($1360/W),主要应用在空间。 70年代以后,对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛研究,在效率大幅提高和成本急剧($1/W),地面应用规模逐渐扩大。 目前,世界上实验室最高效率为: InGaPGaAs双结电池3028%(AM1) 单晶硅电池24(4cm2),多晶硅电池18.6%(4cm2) 非晶硅电池14.5%(初始)、12.8%(稳定),碲化镉电池15.8%, 硅带电池14.6%,二氧化钛有机纳米电池10.96%。 商品化组件效率从1013%提高到1216%。目前世界上太阳能开发应用最广泛的是太阳电池。,太阳
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