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小型家庭内太阳能应用系统研究
武汉轻工大学毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
小型家庭内太阳能应用系统研究
姓名李权
学号____111204220_____
院(系)电气与电子工程学院
专业电子信息科学与技术
指导教师______陈良艳______
2015年5月15日
摘要
本文主要是小型家庭内太阳能系统应用的研究。
首先简单介绍了化石能源,然后说明化石能源的弊端,接着讲述了开发可持续能源的必要性,重点谈到了可持续能源中的太阳能。
经过简单的介绍我国太阳能分布状况后,接着论文中我们也谈到了关于利用太阳能时的节能效益分析和环境效益分析,我们举了几个典型省份的例子,如山东省、浙江省、江苏省,还有上海市的分析,我们对其成本进行了简单的分析,说明了其可应用于家庭建筑的可行性,以及环境还有其他效益的分析,对比了太阳能热水器与电热水器、燃气热水器、锅炉耗煤等的具体成本计算。
讲解了太阳能应用的几个方面,重点讲到了光热系统、光伏系统、光热发电等。
关键词:
化石能源;可持续能源;太阳能;光热系统;光伏系统
Abstract
This paper is to study the solar system within the small family applications. First, a brief introduction to fossil fuels, and then explain the drawbacks of fossil fuels, and then tells the need to develop sustainable energy sources, focused on the sustainable energy in solar energy. After a brief introduction after the distribution of solar energy, followed by paper, we also spoke about energy efficiency and environmental benefits of using solar energy analysis when the analysis, we give several examples of typical provinces, such as Shandong Province, Zhejiang Province, Jiangsu Province, there Shanghai analysis, we conducted a simple analysis of its costs, to prove the feasibility of its construction can be used in homes, as well as other environmental benefit analysis, comparing the solar water heaters and electric water heaters, gas water heaters, boilers specific cost of coal and other calculations. Explain a few aspects of solar energy applications, focusing down to light and heat systems, photovoltaic systems, solar thermal power generation.
Keywords:
fossil energy; sustainable energy; solar energy; thermal systems; photovoltaic systems
1.引言
本章节我们要讨论的是课题的来源,长久以来,人类使用的能源大多数是化石能源,其造成的环境影响如温室效应等给我们的生活造成了很多困扰,威胁了我们的生存环境和健康,而且化石能源的开发和利用也不是无穷尽的,所以对新型能源的开发和利用提到了各个国家的日程上来,我国的太阳能资源分布广泛,尤其是青海西藏新疆等地更适合大量应用太阳能资源,太阳能的利用大体有两个方面,一个是光热系统,另一个是光伏系统,我们会简单的介绍其在国内外的发展及应用。
1.1.研究背景
在世界上各个国家的能源应用中,化石能源的应用是最多的,化石能源的产生是动植物的遗体埋在地下千百万年后形成的,但是,随着时间的向后推移,化石能源会变得越来越稀缺,越来越金贵,这种性质我们能简单的从化石能源商品的价格上明显的看出来,而且化石能源的应用还带来了很多对环境的影响,比如我们熟悉的温室效应、酸雨以及粉尘问题,其次,按当前的消费水平,煤炭最多也只能维持200年左右的时间就会被开采完,如果年开采量维持在2.3亿万立方米,则天然气将在80年内枯竭。
可再生能源就是可循环再生供人们利用的能源,通常这些能源有很多自己的优点,比如对于太阳能来说,用太阳能转化成其他能源的速度快,又如风能,对风能的开采利用成本很低,最重要的是污染极小。
提到风能,就不得不提及水能和地热能,水能对水和空气的污染小,地热能更是用之不竭没有污染。
关于这些能源在我国的开发和利用也是有很大的进展,如风力——我国的风电装机容量在世界上排在第十位,还在准备开发兆瓦级的发电设备;如水力发电,根据最新的报告显示,2014年中国水电装机容量达到了301830MW,中国水电年发电量达到了10661TWh。
事物都有两面性,有优点必然也有缺点,之所以这些可再生能源没有大众化普及,根本原因有几个,第一就是成本高,第二就是很多关键性的部件我们还都依赖外国,第三个就是并网难的问题。
单从太阳能方向的发展来看,我国的太阳能热利用系统已经发展的比较成熟,有了属于自己的完整产业体系,目前在我国应用最广泛的就是大家熟知的就是太阳能热水器,我国的太阳能使用已经达到了世界总量的百分之七十六,并且年产量也在世界总量的一半以上,这仅仅是光热效应的利用上来看。
之所以太阳能的应用如此之大,是因为太阳能有很多自身的优点,首先,太阳能是具有普遍性的,而且还没有地域上的限制,无论是在高山、海洋、陆地还是岛屿上,都能接收到阳光的照射,不用运输,就地取材就可以应用。
其次是太阳能的无毒害性,利用太阳能不会产生诸如粉尘,二氧化碳等造成温室效应的副产品,能够很好的缓解环境污染问题,这也是称太阳能为最清洁能源之一的原因。
第三点就是太阳能的总量巨大的性质,每年能达到地球表面的太阳辐射能相当于一百三十亿万吨煤炭所产生的能量,这个量在当今算得上是可以开发的最大能源了,而且在过去的那些年当中,太阳只消耗了自身百分之二的能量。
还有最重要的一个特性就是太阳能的长久性,根据科学家的计算,太阳能最少还有六百万年的期限,这个时间对于我们人来而言,可以说是长久的。
1.2中国太阳能资源的分布特点
在地球表面,不同的纬度接收到的太阳能辐射是不一样的,纬度越小,也就是越靠近赤道,所接受的太阳能辐射时间越长,接收到的辐射量也越大,其次,接收到的太阳能辐射也与海拔和不同地域的地理情况有关,比如青海西藏那些高海拔地区,每年接受的太阳能辐射很充足,相反的,四川属于盆地地区,其接收到的太阳能微乎其微。
就我国的情况而言,我国的太阳能资源十分丰富,属于全世界太阳能辐射度强的国家之一,百分之六十七以上的地区每年的日照时间超过的两千个小时。
中国有较丰富的太阳能资源,如果我们能将照射在我国陆地面积上的太阳能全部接受并保存起来,其能量值相当于我们日常生活所需用的能源的的两千多倍。
以我国国家气象局的标准,将我国的地区按照接受太阳辐射的量分为五个等级,第一类地区,也叫做资源丰富带,这类地区的年辐射量在6700MJ到8400MJ每平方米左右,相当于250倍燃烧标准煤炭所产生的能量,如大西北等地;第二类地区,也叫做资源较富带,这类地区的年辐射量在5900MJ到6700MJ每平方米左右,相当于200到230倍燃烧标准煤炭所产生的能量,如河北山西等地;第三类地区,也叫做资源一般带,这类地区的年辐射量在5000MJ到5900MJ每平方米左右,相当于170到200倍燃烧标准煤炭所产生的能量,如吉林辽宁等地;还有第四类地区,这类地区的年辐射量在4200MJ到5000MJ每平方米左右,相当于140到170倍燃烧标准煤炭所产生的能量,如湖南湖北等地;最后一个等级就是4200MJ每平方米年辐射量以下的了,最具有代表性的就是我国的四川盆地,当然这类地区不适合使用太阳能。
1.3太阳能的综合利用
1.3.1光热系统应用
太阳能的光热利用就是把光能转换成热能供大家使用。
例如用太阳能储热器原理形成的采暖技术,用太阳能集热器做成的太阳能热水器等,以及太阳灶和太阳房等。
太阳房就是一个典型的例子,它是把整个屋子看成一个整体,当成集热器,利用储能材料,外面包裹着隔热材料和透光材料,把吸收的太阳能储存在内部,使房屋尽可能多的吸收太阳能,尽可能少的散发太阳能,达到很好的保存能量的效果。
这种是房屋和能量一体化的方式形成了一个新的领域,我们称之为太阳能建筑领域,这个领域受到了两个领域的一致关注。
上述的这种太阳房能节约正常房屋百分之八十左右的能量消耗,其效益十分可观,并且不会产生危害环境和人类健康的副产物。
在太阳能与建筑一体化的方向上,我国的很多技术还比不上国外的,如欧洲国家的隔热材料等方面都处在全世界领先的位置,而且我国很多的太阳能材料部件还依赖于那些国家,例如日本,他们利用太阳能技术建造的太阳能房屋已经有上万套,目前还在筹备其他太阳能节能建筑。
我国正在大力推荐开发和利用太阳能设备在建筑上,并使其在提高转换效率的基础上,尽量不依靠我们常用的能源,尤其是化石能源,彻底实现建造出环保的建筑。
在这里面我们简单介绍一种——被动式太阳房。
被动式的太阳房主要的工作原理和温室效应差不多,它主要是采集太阳能辐射的能量,尽可能多的依赖自身建筑的材料的性质,较少能量的耗散,如下图所示那样,在间层的空气得到太阳的辐射,热空气循环进入到里面,使房屋内部的温度高于外部的温度。
关于太阳能集热器的应用,大家最耳熟能详的当然就是太阳能热水器了,它是通过吸收太阳的辐射能,将水加热,这种应用早就在上个世纪五十年代末就出现在了我国,对我国的太阳能发展起了举足轻重的作用。
在最近的十几年内,用全玻璃真空管型集热器做成的太阳能热水器由于成本的逐渐降低,以及热性能的相对较高,很大程度上的冲击了对平板型太阳能集热器做成的太阳能热水器的市场,这对我们家庭式住房的老百姓来说是个好事。
图1.1被动式太阳房原理图
太阳灶是利用太阳能辐射,将光的能量聚集起来,对食物进行烘烤的一种设备,在阳光足够强的地方,不需要其他的辅助材料,其煮熟食物的速度不比家用天然气慢,在二十世纪五十年代中国的第一台太阳灶生产至今,其工艺已经经过了推广和发展,得到了各国的一致好评。
1.3.2光伏系统应用
光伏系统的应用得到迅速发展主要体现在我国的西北地区,那里的经济比较落后,生活条件不好,而通过小型光伏系统做成的几百瓦的独立电源,在那里得到了广泛的应用,很大程度上的改善了当地的生活质量,形成了中规模型的产业市场,在国家政策的支持下,在当地有一些小型的企业承包了光伏系统从研发到生产再到供应及销售一体化的服务,对光伏系统发展的推动起了积极的作用,但是产品的性质及质量没有达到研发时设计的要求,使的小型光伏系统产业进入到了停滞阶段,后期又经过企业内部的调整,使生产出来的产品得到了改进,再加上国家新出台的政策的支持,使我国的光伏发电系统的应用具备了国际竞争力。
随着科学技术的进步,我国的光伏发电系统从最开始的百分之三十左右的效率,逐步提高,由小型的、独立的光伏发电系统,一步步的研发成大型的发电站,目前正在向城市化发展,在国家的重视和政策的支持下,很多地区实行了屋顶并网式的太阳能发电项目,使得对太阳能在发电技术这一方面向前迈进了一大步,但与国外的产品相比,无论是质量还是效率,我国的产品还存在一定的差距,很多已经进入平民百姓家的产品部件依然来源于国外。
总结我国光伏发电系统产品落后的原因,一个是因为我国的光伏产品基本集中在我国大西北地区,那里的经济落后,生产产品都是一些小型企业,没有专业化的管理制度,也没有过硬的设施,生产方式也很落后,再加上后期的检测设备的缺乏,所以生产出来的产品质量差,性能也不稳定,转换效率低,另一个是因为他们的生产标准不统一,没有一个规范类型,检测体系跟不上,所以为了光伏发电产品的发展,我们该投入一定的资金,将其生产模式规模化,加大监管检测制度,完善生产体系。
这种小型的家庭式太阳能供电系统的结构十分简单,只有功率不大的几个直流负载存在于系统中,而且容易使用,专门针对于家庭式的用户,不存在控制器,也不存在蓄电池,直接利用光伏系统的器件给用电器供电,比蓄电池的寿命长很多,这就大大提高了能量的利用效率。
在光伏发电系统中我们不得不提到的是光伏并网发电系统,他是通过并网逆变器,将太阳能转换成符合我们市电网络标准的市电供给我们使用,这种系统的好处是能在太阳能充足的地方降低其他能源产生电能的消耗,在阴天下雨的天气下,再由市电网络供电,这就比单一的太阳能供电系统好的多,但其也有自身的缺点,就是他的能量转换效率依赖于并网逆变器。
由于半导体材料能产生光生电的效应,基于这种将光能转换成电能的原理才有了今天的光伏发电,这种理论的技术上应用就是现在的太阳能电池。
这些电池分为不同的型号,可以说只要能用到电池的地方,无论是家里,还是公共场所,公共设施,甚至是航空设备上,都可以应用太阳能电池,我们常在电视上看到的卫星上的太阳能电池板就是最熟悉的例子之一。
这种光伏系统的原理就是我们所学的半导体导电原理,利用扩散工艺将纯正的本征半导体里面参入一定量的杂质,加上外部阳光的照射,产生扩散运动和漂移运动,最后产生一个电动势供我们应用。
太阳能光伏发电系统的基本元件是太阳能电池,其材料分为四种,有单晶硅的、多晶硅的、非晶硅的以及薄膜型的。
当然也有那种由多个太阳能电池组成的太阳能电池,我们通常称之为光伏组件。
表1-1太阳能电池效率
单晶硅电池组件
15%~17%
多晶硅电池组件
13%~15%
双结非晶硅薄膜电池组件
5%~8%
碲化镉(CdTe)薄膜电池
7%~9%
铜铟硒(CIS)薄膜电池
8%~14%
1.3.3太阳能热发电系统应用
太阳能光热发电系统是用太阳能收集装置收集太阳能,用能量给水加热成蒸汽,再利用传统的蒸汽机发电原理发电,这种工艺与光伏系统相比,降低了发电的成本,而且他有一个光伏系统无法比拟的好处,就是他可以将有阳光时的太阳能全部储存在水中,当没有太阳的时候,依然可以使用存在水中的能量,而不像光伏发电系统那样,没有了阳光就不能产生电。
我们一般来说,太阳能光热发电系统有四种形式:
第一种是槽式系统,他是将很多抛物面形状的集热器先经过串联,再经过并联组合在一起,将所吸收的能量给水加热,驱动蒸汽发电机启动发电,这种槽式太阳能系统需要时刻跟踪太能的直射轨迹才能达到高效率的运行,根据有关人员的计算,那种不动式的槽式系统比移动式的槽式系统能量利用率低出接近百分之四十。
第二种是塔式系统,这种系统做出的发电站,由于造价昂贵,而且又很难降低它的成本,所以一度受到冷落,但对塔式发电站的研究依然在继续。
第三种为盘式体统,它是将许多抛物面形状的镜子反射的太阳光聚集在一个焦点上,使得传热介质能被加热到700多度以上,再驱动发电机发电。
第四种是菲涅耳式系统,这种系统的原理和槽式系统的很像,槽式系统的是抛物面形状的镜子,而菲涅耳式系统采用的是菲涅耳结构的聚光镜,这使得它的成本相对来说低廉,但效率也相应降低,也正是因为这个特点,所以菲涅耳式太阳能系统的投资成本以及后期的维修成本也比较低。
下面分别是槽式、塔式、碟式的图片。
图1.2槽式系统图1.3蝶式系统
图1.4塔式系统
1.4研究内容及目的
就目前太阳能应用的两个方面:
一个是光热系统,一个是光电系统。
如果将其应用于家庭式房屋内,存在着几个问题,首先,如果单纯从房屋的结构和占地面积来考虑,就会大大减少太阳能应用系统的效率,如果单纯从太阳能应用系统的效率来考虑,就会影响家庭式建筑的整体外形,在这样的情况下,太阳能应用系统的效率和家庭式住房的整体外形的和谐一体化成为了未来很多年在太阳能技术应用方面的发展方向,在此,我们要研究既能提高家庭式太阳能应用系统的效率,又使得家庭式住房的整体外形尽量不受影响,尽可能的降低运营成本。
既然是和谐一体化,从具体上说,就是要让太阳能系统与家庭式住房一起设计、一起规划、一起施工、一起验收,实现统一的结合,需要将集热器与家庭式住房的外形构造相统一,在不影响美观的情况下合理摆放,还要保证房屋的一切基本功能能正常运行,如承重要求、防水要求等。
与此同时,我们还要考虑太阳能电池板及集热器等抵御自然灾害的能力。
最后使得家庭式太阳能系统达到的要求是:
使个人住宅外观整齐美观,太阳能系统能高效安全稳定的运行,在后期的维修上也能达到易于检查和维修的要求。
2.
太阳能系统利用节能分析
2.1小型家庭内太阳能热水器节能效益和环境效益
2.1.1应用太阳能热水器的意义
太阳能热水器有其自身的优点,首先就是它的来源很广泛,只要是有太阳的地方都能安装太阳能热水器,而且太阳能的量是巨大的,至少在十几亿的时间内,太阳向地球辐射的能量不会有明显的减弱,其次就是用太阳能产生热水是安全的,这种热水器相比传统的燃气热水器,维修成本低,不会出现爆炸等危险事故,应用简单,一学就会,第三点就是它不会产生污染环境的副产品,影响环境和人类的健康,对于我们生活在温室效应里的人们来说,是一个解决这种效应的有效措施,第四点就是为社会节能,传统的能源会随着我们的大量使用在两百年的时间内用尽,应用太阳能热水器可以在减少个人家庭开销的情况下为社会做贡献。
就现在而言,我国的太阳能热水器应用十分普遍,通过几个数字就可以看出它的发展趋势,2009年太阳能的销售利润率为11.42%,而2010年的销售利润率达到了12.61%,2009年的成本费用利润率为5.95%,而2010年的成本费用利润率为7.43%,2009年的总资产报酬率为11.58%,而2010年的总资产报酬率达到了13.7%,2009年太阳能热水器的资本保值增值率为151.58,而2010年的资本保值增值率达到了174.83%,所有的数字显示我国的太阳能热水器的发展趋势是很有前景的,在1997年,我国太阳能热水器的销售面积还排在了世界首位。
2.1.2太阳能热水器效益分析
2.1.2.1太阳能热水器与电热水器的对比计算
我们正常在公共场所的用水量在每人100升到150升左右,而平时的水温应该保持在15摄氏度左右,在此前提下我们看看太阳能热水器与电热水器相比加热100千克热水所能节省的能量和费用,电热水器的比热为860千克每度,我们取它的热效率为98%,则实际消耗的量为3.26度,如果按照0.44元每度电计算,则加热100千克水的费用为1.43元,看似不大的数目,我们可以计算一下,以我校电气与电子工程学院为例,总共有学生约为四百人,我们以每人两天洗澡一次,每人全年洗澡约为188次,每人每年的电费约为:
1.43×188=268.84元,而区区电气学院的学生,一年就能节省下:
400×268.84=107636元,这可是一笔不小的数目,当然,应用太阳能热水器,有些地方还是需要用到电的,所以我们的节约效率差不多在百分之七十左右,算下来约有八万元。
2.1.2.2太阳能热水器与燃气热水器的对比计算
燃气热水器的特点是即开即热,需要多少热水就产生多少热水,水量不受限制,对于用热水量大的用户很是方便,相对价格比较便宜,而且与太阳能热水器相比,体积比较小,太阳能热水器与燃气热水器相比加热100千克热水所能节省的能量和费用:
燃气热水器的比热为8400千克每立方米,我们取它的热效率为90%,则实际消耗量为0.364立方米,如果按照1.8元每立方米计算,则加热100千克水的费用为0.655元。
2.1.2.3太阳能热水器与锅炉耗煤的对比计算
太阳能热水器与锅炉耗煤相比加热100千克热水所能节省的能量和费用:
煤的比热为5500千卡每千克,我们取它的热效率为70%,则实际消耗量为0.7千克,如果按照300元每吨计算,则加热100千克水的费用为0.21元,可以说使用太阳能热水器,基本上当年可收回投资的50%。
2.2小型家庭内太阳能光伏系统节能效益分析
2.2.1国家对工业园区安装太阳能的补贴政策
国家能源局在2011年发布的通知里,明确鼓励各类光伏发电项目,而且还有明确的补助准线,对于太阳能电池片的材料为晶体硅的,每瓦发电量补助9元,而对于太阳能电池材料为非晶硅薄膜型的,每瓦发电量补助8元,这项通知大大增加了各个工业区对光伏系统研究与开发的动力。
2.2.2地方对太阳能光伏项目的补贴政策
2.2.2.1山东省扶持政策
山东省发展改革委在2010发表意见说,在合理的前提下,对光伏系统并网发电的费用实施从国家到省到市的分摊制度,在2010基本确定为1.7元每千万时,除去国家给予的补贴资助外,剩下的费用省里担负百分之五十五,市里担负百分之四十五,到了2011年,基本确定为1.4元每千万时,而2012年度基本确定为1.2元每千万时,在2011年和2012年各级承担的费用额度会根据当年的具体情况而定。
在2014年度的时候,山东省发改委还核准了60个光伏发电项目,其中以临沂市的规模最大。
2.2.2.2浙江省扶持政策
浙江省开始光伏发电产业是从2006年开始的,主要地区是在杭州、临安等地,从以前的60多家发展到现在的200多家,在2009年电池产量达到过全国总产量的四分之一,仅仅低于江苏省,在2013年到2015年,仅一个湖州市就在大力推动光伏发电上发展了四十个项目,总容量超过了50兆瓦。
浙江省发改委在2009年还发出了对于支持浙江省光伏发电项目的扶持政策,和山东省类似,采取了省级补贴的制度,而且大力鼓励加入到国家并网项目,对于所有项目的所在地政府,国家要求对项目进行扶持。
2.2.2.3江苏省扶持政策
江苏省在2009也提出意见:
我们要不断的降低生产成本,加大竞争力,争取达到并网发电的电价在1元每千瓦时。
表2-1江苏省2009-2011年分年度目标电价
年份
地面
屋顶
建筑一体化
2009年
2015
3.7
4.3
2010年
1.7
3
3.5
2011年
1.4
204
2.9
2.2.3成本分析
项目建设成本:
2010年10月20日由国家财政部等联合组织的太阳能设备供应商招标中,有16家生产光伏组件的企业进行招标,各个企业的价格不一,最低价达到了10.5元每瓦,但最后的成交价格在9.5元每瓦上下浮动,有29家生产光伏逆变器的企业参与竞标,带隔离变逆变器成交价格为1元/瓦左右。
其他设备费用约为6元/瓦。
合计建设成本为:
9.5元/瓦+1元/瓦+6元/瓦=16.5元/瓦
国家补贴后建设成本:
9元/瓦。
则业主承担费用为:
16.5元/瓦-9元/瓦=7.5元/瓦。
3.小型家庭内太阳能应用系统
3.1小型家庭内太阳能光热系统应用
3.1.1热管式真空管型太阳能集热器
太阳能热水器就是太阳能在光热系统应用领域发展最前端最贴近我们生活的产品。
太阳能热水器,顾名思义,就是讲太阳的辐射能收集起来,将其传递给导热介质,把水温从低温加热到高温,把太阳能装换为热能的装置,能满足人们对热水的需求,同时对环境进行保护,能源进行充分利用。
太阳能热水器的核心部件是集热器,根据不同的材料,主要有两大种类的太
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