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(共36张PPT)
5.2 能源的利用与开发
第1课时 全球能源概况、太阳能的开发和利用
人类活动需要各种能源提供动力，但地球资源有限。不可再生的化石能源，消耗一点就少一点，化石能源在使用过程中还会对环境造成严重的污染。人类还有其他的能源利用方式吗 如何利用与开发新能源
一、全球能源概况
1、全球消耗的能源以化石燃料为主；
人类的生存与发展需要能源。时至今日，全球消耗的能源仍以化石燃料为主。2022年，化石燃料在全球能源消耗中的比例约为 。世界各国都十分重视可再生能源的开发，2022年，可再生能源（不包括水力发电）使用量约占全球能源消耗量。
各国能源结构
2、我国能源消耗概况：
（1）火电是我国的主力能源。
2022年，我国火力发电约占电力供应的66.55%，火电仍是我国的主力能源。
图5.2-1 2022年我国各种方式发电量占比
（2）我国正积极推动煤炭和新能源优化组合，建立以可再生能源为主体的绿色电力系统。
（3）我国有丰富的可再生能源资源，如太阳能、风能、水能等。
表5.2-1 我国可再生能源的可开发量
图5.2-2 能源开发
（4）我国积极推行可再生能源的开发，将太阳能发电和风力发电作为主要发展方向。可再生能源将在我国社会发展中担当大任。
二、太阳能的开发与利用
太阳能的开发利用对环境影响较小。我国大部分地区纬度较低，太阳光照强，太阳能资源丰富，尤其在西部地区和广大农村，开发利用太阳能解决能源不足的问题大有可为。
1.从图5.2-3中可以看出，我国太阳能的分布有什么规律
我国太阳能资源分布整体呈现 西部多于东部、高原大于平原，从东南沿海向西北内陆逐渐增强 的核心规律。
图5.2-3 我国太阳能的分布
太阳能资源最丰富区集中在高原、干旱半干旱内陆地区；最贫乏区集中在湿润多雨的盆地与山区。
特殊纬度规律 ：在北纬30°～40°区间，太阳能分布打破“随纬度升高而减少”的常规规律，反而随纬度增加而增长。
2.我国哪些地区具有太阳能资源的
优势
我国太阳能资源优势区域集中分布在 西部高原、干旱少雨的北方内陆地带 。包括：西藏大部、青海中部及北部、内蒙古西部、新疆南部与东部、甘肃北部、宁夏北部等地。
图5.2-3 我国太阳能的分布
3.在你的家乡，人们是怎样利用太阳能的
①户用分布式光伏 ：大量居民在自家屋顶、阳台安装小型光伏系统，采用“自发
自用、余电上网”模式。
②太阳能路灯：村庄、小区、公园、道路两旁普遍使用，白天蓄能、夜晚照明，
无需电网接入。
③传统太阳能光热 ：太阳能热水器是浙江家庭的常见配置，是普及率最高的太阳
能利用方式。
④公共机构光伏覆盖 ：杭州钱塘区等区域推动政府办公楼、学校、医院等公共建
筑屋顶“应上尽上”，优化审批流程，大幅降低开发门槛。
1、太阳能热水器
家用太阳能热水器是一种直接利用太阳能的装置。
在我国西藏仲巴县，县城所有的供热都是由太阳能来提供的。左侧黑色处是面积为3.5万平方米的太阳能集热器。它收集太阳的热能后，储存在彩色的罐子里，给县城24小时供热采暖。
图5.2-4 西藏仲巴县利用太阳能供热
2、太阳能光热发电：
（1）原理：
太阳能光热发电是利用大规模阵列反射镜收集太阳热能，通过换热装置产生水蒸气，推动汽轮发电机发电。
国内单机规模最大的塔式光热发电项目
（2）过程：
图5.2-5 光热发电
太阳光经反射镜反射聚集在吸热塔上，吸热塔上的熔盐被太阳能加热，加热后的熔盐储存在高温熔盐储存罐里，高温熔盐通过蒸汽发生器，加热水产生水蒸气，水蒸气驱动汽轮发电机发电。光热装置能够储热，可以实现连续发电。
（3）能量转化：
光能热能机械能电能。
如图5.2-6所示是我国甘肃敦煌100兆瓦光热电站，它由1.2万多面反射镜（定日镜）以同心圆状围绕吸热塔排列，把太阳光光聚集在吸热塔上，加热熔盐。
图5.2-6 甘肃敦煌100兆瓦光热发电站
3、太阳能光伏发电：
（1）原理：
利用太阳能电池，将太阳能直接转变为电能。
（2）能量转化：
目前，我国是世界上最大的光伏发电系统的制造国。至2021年底，我国光伏发电装机总量达到3.06亿千瓦，稳居全球第一。
（3）缺点：
在夜间或阴雨天时无法实现发电。
光能 电能。
视频：光伏发电
我国正以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点，建设大型光伏发电基地，开发可再生能源，改变能源的结构。例如，我国宁夏腾格里沙漠，漫漫黄沙、无边无垠的戈壁沙洲中，人们建造了大型光伏发电基地，人迹罕至的“不毛之地”，涌现出数万亩光伏“蓝海”。
图5.2-7 宁夏腾格里沙漠1000兆瓦光伏发电项目
空间太阳能电站
我国空间技术研究院的科学家提出了建设“多旋转关节空间太阳能电站”的设想。多旋转关节空间太阳能电站是一颗重达104t、宽约12km的卫星，将在距地球3.6×104km的
地球同步轨道上运行，由太阳能电池板
收集太阳光并转化为微波，通过中央发
射器发射到地球。为了让电力持续传输
到地球，光伏板可以相对于微波发射器
不断旋转，始终面向太阳。
图5.2-8 空间太阳能电站示意图
设计和制作校园路灯太阳能发电系统
目标：
经历校园路灯太阳能发电系统的设计与制作，知道设计简单系统的基本方法，增强工程思维能力，树立节能意识和提高能源利用效率的意识。
器材：
太阳能电池，蓄电池，导线，铝合金型材，常用的工具等。
过程：
1.明确问题。
学校开展以“科技创新”为主题的科技活动，同学们学习了能源后，认识到化石能源的大量消耗会引发环境污染，太阳能光伏发电越来越受到人们的重视。科技小组讨论后决定为学校设计校园路灯太阳能发电系统。
2.分析校园路灯太阳能发电系统。
（1）查阅相关资料，了解太阳能发电系统的组成。
（2）对校园路灯太阳能发电系统进行设计分析。例如，为使太阳能发电系统的发电效率尽可能高，太阳能电池面板的最佳倾角是多少？最佳朝向是哪个方向？
（3）根据设计分析，绘制校园路灯太阳能发电系统设计草图。
（4）根据校园路灯太阳能发电系统需要达到的电功率设计要求，计算需要多少块太阳能电池。
（5）为储存太阳能电池所发出的电，为校园路灯太阳能发电系统配备合适的蓄电池。
（6）根据设计要求和设计分析，预估校园路灯太阳能发电系统需要的费用。将投资预算填入表中。
表5.2-2 校园路灯太阳能发电系统的投资预算
3. 设计校园路灯太阳能发电系统。
（1）基于设计要求，分析现有条件。例如，太阳能电池安放位置与地理条件、气候之间的关系，太阳能电池阵列尺寸与校园可供安放的有效空间之间的关系，以及资金投入与效益之间的关系。
（2）根据系统分析，画出校园路灯太阳能发电系统的图示。
4. 优化校园路灯太阳能发电系统。
（1）提升校园路灯太阳能发电系统的发电效率，将会受到哪些因素制约？
（2）要保持太阳光始终直射在太阳能电池上，可以通过什么样的装置来实现？通过哪种方法可以实现太阳能发电系统的自动跟踪控制设计？
（3）太阳能自动跟踪控制系统的机械结构是怎样的？参考图 5.2-9 所示的设计方案示意图，设计校园路灯太阳能自动跟踪系统的机械结构，画出优化后的校园路灯太阳能自动跟踪控制系统的设计方案图示。
图5.2-9 设计方案示意图
5. 制作校园路灯太阳能发电系统。
（1）制作要求：制作给 10 盏 “12 V 5 W” 的 LED 灯供电的有太阳能自动跟踪功能的校园路灯太阳能发电系统模型。
（2）参照主要组成部件的说明书，组装太阳能发电系统。
（3）制作并安装跟踪控制系统机械结构。
（4）制作并安装跟踪控制系统。
6. 测试校园路灯太阳能发电系统。
根据校园路灯太阳能发电系统的功能要求制订测试方案。按照设计方案实施测试，记录测试过程中的数据，总结测试结论，形成测试报告。
校园路灯太阳能发电系统测试报告
示例：
校园路灯太阳能发电系统测试报告
（ 10 盏 12V 5W LED 灯 + 自动跟踪功能）
测试目的：
1.验证校园路灯太阳能发电系统能否稳定为 10 盏 “12V 5W” LED 灯提供持续供电；
2.测试太阳能自动跟踪功能的有效性，对比跟踪 / 非跟踪状态下的发电效率差异；
3.检查系统各部件（光伏板、控制器、蓄电池、跟踪电机）的协同工作稳定性；
4.确认系统在模拟昼夜、阴天等场景下的续航能力与可靠性。
测试准备：
类别 具体内容
测试设备 组装完成的太阳能发电系统模型、万用表、照度计、计时器、笔记本（记录数据）、遮光布（模拟阴天）
环境准备 选择光照充足的室外测试区域（或室内用模拟太阳光光源），标记测试时间节点（早 8 点 - 晚 10 点）
人员准备 2名测试人员，分别负责操作设备、记录数据、观察系统状态
预检查 确认系统接线正确，蓄电池初始电量 50%，跟踪控制系统通电自检正常，LED 灯无损坏
测试过程：
阶段 1：基础供电能力测试（无跟踪功能）
1.关闭太阳能自动跟踪功能，将光伏板固定为正南 30°倾角（浙江省大部分地区大致的最佳固定倾角）；
2.早 8 点启动系统，每 1 小时用万用表测量光伏板输出电压 / 电流、蓄电池电压、LED 灯工作电压；
3.记录 10 盏 LED 灯同时点亮状态（是否闪烁、亮度是否均匀）；
4.下午 6 点停止充电（用遮光布覆盖光伏板），观察 LED 灯持续照明时长，直至蓄电池电压低于 11V（欠压保护）。
阶段 2：自动跟踪功能测试
1.开启太阳能自动跟踪控制系统，复位传感器与电机；
2.从早 8 点至下午 4 点，每 30 分钟记录光伏板朝向、跟踪电机动作状态；
3.同步测量跟踪状态下光伏板的输出功率，与阶段 1 同时间段数据对比；
4.手动调整光源方向（或等待太阳方位变化），验证传感器是否能驱动光伏板快速对准光源。
阶段 3：极端场景模拟测试
1.用遮光布遮挡光伏板 80% 面积（模拟阴天），持续 4 小时，记录蓄电池供电时长；
2.测试系统过充 / 过放保护：持续充电 6 小时，观察控制器是否停止充电；耗尽蓄电池后，观察是否切断 LED 灯供电。
测试记录：
表 1 基础供电测试数据
时间 光伏板输出（V/A） 蓄电池电压（V） LED 灯状态 备注
8:00 18.5/2.2 12.0 全部常亮、亮度正常 初始状态
12:00 19.2/2.8 12.6 全部常亮、亮度正常 光照最强时段
18:00 15.1/1.0 12.4 全部常亮、亮度正常 停止充电前
22:00 0/0 11.8 全部常亮、亮度略降 持续照明 4 小时
23:30 0/0 11.0 自动关闭 欠压保护触发
表 2 跟踪功能对比数据
测试状态 上午 10 点输出功率（W） 下午 2 点输出功率（W） 单日总发电量（Wh）
固定倾角 38.2 35.5 286
自动跟踪 45.8 42.1 352
测试结论：
1.供电能力：该系统可稳定为 10 盏“12V 5W” LED灯供电，无跟踪状态下可实现白天充电、夜间持续照明约 5.5小时，满足校园路灯基础照明需求；
2.跟踪功能：自动跟踪系统有效提升发电效率，单日发电量较固定倾角提升约 23%，传感器与电机响应及时，能精准对准光源；
3.稳定性：系统过充、过放保护功能正常触发，可有效保护蓄电池；阴天场景下仍能维持基础供电，但续航时长略有缩短；
4.优化建议：可适当增加蓄电池容量，提升阴天 / 连续阴雨天气下的续航能力；跟踪电机可优化能耗，进一步提升系统整体效率。
1、“太阳能动力”汽车的车顶上装有太阳能光伏发电板。关于太阳能汽车，下列说法正确的是 ( )
A. 太阳能动力车不能在夜间无太阳时行驶
B. 车顶太阳能电池可将太阳能转化为电能
C. 车内电动机的工作原理是电磁感应现象
D. 汽车外形呈流线型，快速行驶时对地面的压力比静止时大
B
2、如图所示为公路边的“风光互补”照明灯。它“头顶”小风扇，“肩扛”光电池板，“腰挎”照明，“脚踩”蓄电池。下列合理的是（ ）
A. 小风扇利用风力发电，将电能转化为机械能
B. 光电池板将电能转化为光能
C. 太阳能、风能都是清洁的、可再生能源
D. 照明灯消耗的电能是一次能源
C
3、许多城市都在推广利用太阳能，城市交通指示灯及路灯照明系统已大量使用太阳能。下列关于太阳能的说法不正确的是( )
A.太阳是一个巨大的“核能火炉” B.太阳能为二次能源
C.太阳能属于可再生能源 D.太阳能清洁，无污染
4、中国空间站的太阳能电池板将光能转化为电能，下列与此能量转化形式相同的是 ( )
A.火箭发动机将燃料内能转化为机械能
B.嫦娥五号着陆器利用反推发动机减速
C.太阳能热水器将光能转化为内能
D.祝融号火星车的蓄电池放电
B
C
再见

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