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第二章 太阳能的利用 一、太阳能资源的优点及局限 一、太阳能资源的优点及局限 我国的开发现状和前景 中国能源研究会理事长黄毅诚近日提出，应加速开发无污染、可再生的太阳能资源，力争到２０２０年建成５００万千瓦的太阳能发电容量，使太阳能成为我国最大的可再生能源。 北京太阳能研究所研究员赵玉文用“近有实效，前有远景”来形容太阳能资源在我国的开发现状和前景。 我国的开发现状 我国目前具有１.５万千瓦的太阳能发电容量，虽然光电成本仍然高于煤电，但在边远地区，与拉设电网相比，小型太阳能发电设施仍然相对便宜适用，在西藏地区已经有７个县靠太阳能解决了用电困难。另外，太阳能热水器已经成为国内太阳能利用中应用最为广泛、产业化发展最迅速的领域，１９９８年我国的热水器产量就已占据世界第一位，去年这个产业的总销售额达到３５亿元。 我国的开发前景 随着当前世界光电技术及其应用材料的飞速发展，光电材料成本大幅下降，光电转换率不断提高，这将带来太阳能发电成本的大幅度下降。据预计，不到１０年，太阳能发电的成本就会接近或低于煤电，这将有利于我国太阳能资源的开发。 辐射强度的计算－－地球的自转与公转 辐射强度的计算－－地球的自转与公转 太阳热发电 入射到地球表面的太阳能是 广泛而分散的，要充分收集并使之发挥热能效益，就必须采取一种一种能把太阳光发射并集中在一起，变成热能的系统。一种方法是采取一种能把太阳光发射并集中集中加热 ，转换成为高温水蒸气，以蒸汽涡轮机变换为电。也可以采用抛物面型的 聚光镜将太阳热集中，使用计算机让聚光镜追随太阳转动。后者的热效率很高，将引擎放置 在焦点的技术发展的可能性最大。 热力学定律 开放系统 :在边界面有质量和能量交换 封闭系统 :在边界面无质量交换，有能量交换 孤立系统 :在边界面无质量、能量交换 热力学平衡 热力学平衡：系统同时存在力学平衡、热平衡、化学平衡 ， 即系统中各点的温度、压强、浓度处处相等。 例如： 导热的金属棒，不处在热力学平衡，因为棒内存在温度梯度。 室温下的氢氧混合气体不处在热力学平衡，因为如果混合物一旦引燃，内部将发生化学反应。 热力学主要关注处于平衡态的系统，或处于局部平衡的 状态，即可逆过程热力学。 热力学过程、可逆和不可逆 可逆过程：如果在一个过程中系统经历了一系列连续的平衡态，这些态可在相应的系统坐标图中定位，而连接所有点的曲线代表过程的路径，称为可逆过程，如图(a)所示。 不可逆过程：系统被连接初态和终态的一系列断续线来表达。断续线表示中间状态是不确定的，如图(b)所示。 热力学定律 热力学第零定律：如果两个热力学系统分别与第三个系统温度相 等，那么这两个系统温度也相等，或者说两者处于热力学平衡。 热力学第一定律（能量守恒定律）：在存在着物质进出、做功交换和热量传递的热力学系统，其内能的变化（增加）恒等于物质进出系统所带入的净的能量、传递给系统的净的热量、外界对系统所做的净功这三者之和。 热力学第二定律：有开尔文—普朗克表述和克劳休斯表述，对能量转换的方向提出了限制。 热力学第三定律：当温度趋向于绝对零度时，凝聚态的熵变也趋向于零。 热 力 学 定 律 的 形 象 表 示 热机(a)和热泵(b) 热力学第二定律及其推论 开尔文叙述:热机必须工作于高温热源和低温冷源之间。热机从高温热源获得热量，向外做功，同时必须向低温冷源放热，排出部分热量，因此热机效率永远小于1。 克劳休斯叙述：热只能从高温自发地传到低温，而不能相反。把热从低温物体传到高温物体是可能的，但要对外界产生其它影响。 太阳能集热器 收集太阳能是进行热电转换的第一步：把太阳能转化为载热介质的热能 平板型和聚焦型 热发电中多用聚焦型；民用太阳能以平板型为多 青岛市劈柴院供热工程 青岛市沙子口某家庭公寓供热工程 太阳能发电 要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。 目前，太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高，已达２０％以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到１０％，每瓦发电设备价格降到１－２美元时，便足以同现在的发电方式竞争。估计本世纪末便可达到这一水平。 太阳能发电 当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电池，光电变换效率可达３６％，快赶上了燃煤发电的效率。但由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。 太阳能光电转换原理 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过