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太阳能发电及利用技术

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太阳能发电及利用技术. 专题讲座. 李克军:淄博华电华源环境设备有限公司. 主要内容. 一、太阳能光伏发电历史与现状 二、太阳能光伏发电系统的组成 三、太阳能光伏发电优缺点 四、太阳能电池发电原理 五、太阳能电池发电分类 六、太阳能发电系统 七、空间电站 — 未来能源基地 八 、太阳能热动力发电 九、太阳能新产品. 太阳能的利用方式与 技术环节. 太阳能利用技术环节 :太阳能利用涉及的技术问题很多,但根据太阳能的特点,具有共性的技术主要有四项,即 太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输 ,

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太阳能发电及利用技术

专题讲座

李克军:淄博华电华源环境设备有限公司

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主要内容

一、太阳能光伏发电历史与现状

二、太阳能光伏发电系统的组成

三、太阳能光伏发电优缺点

四、太阳能电池发电原理

五、太阳能电池发电分类

六、太阳能发电系统

七、空间电站—未来能源基地

八 、太阳能热动力发电

九、太阳能新产品

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太阳能的利用方式与技术环节
  • 太阳能利用技术环节:太阳能利用涉及的技术问题很多,但根据太阳能的特点,具有共性的技术主要有四项,即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输,
  • 太阳能利用方式:将这些技术与其它相关技术结合在一起,便能进行太阳能的实际利用---光热利用、光电利用、光化学利用、光--生物利用和光—光利用等。
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太阳能利用的重点方向
  • 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),这是主要重点方向。
  • 专家们预测,到2050年,可再生能源占总一次能源的比例约为54%,其中太阳能在一次能源中的比例约为13%-15%;到2100年,可再生能源将占86%,太阳能占70%,其中太阳能发电占64%。
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一、太阳能光伏发电历史与现状
  • 利用太阳光发电是人类梦寐以求的愿望。从二十世纪五十年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑,世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。
  • 90年代以来,太阳能光伏发电的发展很快,已广泛用于航天、通讯、交通,以及偏远地区居民的供电等领域,近年来又开辟了太阳能路灯、草坪灯和屋顶太阳能光伏发电等新的应用领域。
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中国太阳能利用现状

目前太阳能利用方式主要有光热利用和光电利用两种:

  • 到2003年底,全国已安装光伏电池约55MWp,主要为边远地区居民及交通、通讯等领域提供电力,现在已开始进行并网光伏发电系统的试验和示范工作。
  • 全国已有太阳能电池生产及组装厂10多家,制造能力超过100MWp。到2003年底,全国太阳热水器使用量为5200万平方米,约占全球使用量的40%,年生产量为1200万平方米。
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国内光伏市场的组成

1)通信和工业应用(大约占到36%):

  • 微波中继站;
  • 光缆通信系统;
  • 无线寻呼台站;
  • 卫星通信和卫星电视接收系统;
  • 农村程控电话系统;
  • 部队通信系统;
  • 铁路和公路信号系统;
  • 灯塔和航标灯电源;
  • 气象、地震台站;
  • 水文观测系统;
  • 水闸阴极保护和石油管道阴极保护。
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国内光伏市场的组成

2)农村和边远地区应用(大约占51%):

  • 独立光伏电站(村庄供电系统);
  • 小型风光互补发电系统;
  • 太阳能户用系统;
  • 太阳能照明灯 ;
  • 太阳能水泵 ;
  • 农村社团 (学校、医院、饭馆、旅社、商店、卡拉OK歌舞厅等)
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国内光伏市场的组成

3)光伏并网发电系统(4%)

当前处于试验示范阶段,全国总装机容量大约仅有约2MWp。

4)太阳能商品及其它(大约占到9%)

太阳帽;太阳能充电器;太阳能手表、计算器;太阳能路灯;太阳能钟;太阳能庭院;汽车换气扇;太阳能电动汽车;太阳能游艇;太阳能玩具。

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二、太阳能光伏发电系统的组成
  • 一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成 :

(一)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。
  • 一般根据用户需要,将若干太阳电池板按一定方式连接,组成太阳能电池方阵,再配上适当的支架及接线盒组成。
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(二)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;

(三)蓄电池:

  • 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,到需要的时候再释放出来。
  • 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。
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(四)逆变器:
  • 在很多场合,都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。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的电能转换成5VDC的电能。
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三、太阳能光伏发电优缺点

1、太阳能光伏发电的主要优点:

(1)结构简单.体积小且轻。

(2)易安装,易运输,建设周期短。

(3)容易启动,维护简单,随时使用,保证供应。

(4)清洁,安全,无噪声。

(5)可靠件高,寿命长。

(6)太阳能无处不有,应用范围广。

(7)降价速度快,能量偿还时间有可能缩短。

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2、太阳能光伏发电的主要缺点

(1)能量分散,占地面积大。

(2)间歇性大。除了昼夜这种周期变化外,太阳能光伏发电还常常受云层变化的影响。小功率光伏发电系统可用蓄电池补充,大功率光伏电站的控制运行比常规火电厂、水电站、核电厂要复杂。

(3)地域性强。

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四、太阳能电池发电原理
  • 当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
  • 这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。
  • 能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。
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光伏效应
  • 早在1839年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。
  • 太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应,就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
  • 即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时,就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压,使PN结短路,就会产生电流。
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太阳光发电方式
  • 太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。
  • 它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。
  • 时下,人们通常所说太阳光发电就是太阳能光伏发电,亦称太阳能电池发电。
  • 以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括:单晶硅太阳电池,铸造多晶硅太阳能电池,非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。
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晶体硅材料制备的太阳能电池比较
  • 单晶硅电池具有电池转换效率高,稳定性好,但是成本较高;
  • 非晶硅太阳电池则具有生产效率高,成本低廉,但是转换效率较低,而且效率衰减得比较快;
  • 铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换的效率,而且性能价格比最高;
  • 薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。

硅系列太阳能电池中,单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位,单晶硅和多晶硅的比例已超过80%,而这一发展趋势还在继续增长。

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五、太阳能电池发电分类
  • 常用太阳电池按其材料可以分为:

1)硅太阳能电池;2)以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3)功能高分子材料制备的大阳能电池;4)纳米晶太阳能电池等。

如:晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。

  • 晶体硅电池应用最广,其中单晶硅的光电转换效率实验室已高达24.2%,工厂规模化生产的单晶硅电池其效率也在12%以上。
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太阳电池串联
  • 由于各种不同材料制成的太阳电池所吸收的太阳光谱是不同的,因此将不同材料的电池串联起来,就可以充分利用太阳光谱的能量,大大提高太阳电池的效率,
  • 因此叠层串联电池的研究已引起世界各国的重视,成为最有前途的太阳电池。
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太阳能电池特点与应用
  • 太阳电池重量轻,无活动部件,使用安全。单位质量输出功率大,即可作小型电源,又可组合成大型电站。
  • 目前其应用已从航天领域走向各行各业,走向千家万户,太阳能汽车,太阳能游艇,太阳能自行车,太阳能飞机都相继问世,它们中有的已进入市场。然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。
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太阳能电池制造工艺
  • 1、硅材料制备

硅材料来源: 硅材料来源于优质石英砂,也称硅砂。在我国山东、江苏、沏北、云南、内蒙古、海南等省区都有分布。将硅砂转换成可用的硅材料的工艺流程为:

硅砂→硅铁(冶金硅)(含硅 97%-99%) →三氯氢硅→(CH4硅烷) →多晶硅.

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六、太阳能发电系统
  • 太阳能电源是由太阳能电池发电,经蓄电池贮能,从而给负载供电的一种新型电源,广泛应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、也可为无电山区、村庄、

海岛提供电力。

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太阳能供电系统的特点型
  • 特点:

1)不必拉设电线,不必挖开马路,安装 使用方便;

2)一次性投资,可保证二十年不间断供电(蓄电池一般为5年需更换);

3)免维护,无任何污染。

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太阳能供电系统的类型

1)按供电类型分:

  • 直流供电系统
  • 交直流供电系统

2)按供电特点分:

  • 独立光伏发电系统
  • 并网光伏发电系统
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独立光伏发电系统
  • 独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统,在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。
  • 从电力系统来说,kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。
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并网光伏发电系统

光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统:

  • 太阳能电池所发的电是直流,必须通过逆变装置变换成交流,再同电网的交流电合起来使用,这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。
  • 并网光伏系统可分为:住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统(电站)两大类。
  • 前者的特点:是光伏系统发的电直接被分配到住宅内的用电负载上,多余或不足的电力通过连接电网来调节:
  • 后者的特点:是光伏系统发的电直接被输送到电网上,由电网把电力统一分配到各个用电单位。
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七、空间电站

——未来能源基地

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太阳空间电站的原理
  • 随着地球上石油、煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧,人类把目光投向太空,预计到下个世纪初将建成空间电站,以解决日益紧张的能源问题。
  • 空间电站实际上是利用太阳能发电的卫星,这些卫星表面覆盖有太阳能电池板,能够吸收积聚大量太阳能并将其转化为电能,通过微波束将电能传送回地面。
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太阳空间电站传输
  • 它是由永远朝向太阳的太阳电池列阵,能把直流电转换成微波能的微波转换站,发射微波束能的列阵天线等三部分组成,通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。
  • 太空太阳电站是十分巨大的,据计算一座8×1010W的太空太阳电站其太阳电池的列阵面积即达64km2,要装配几百亿个电池片,把微波发往地球的天线列阵面积需2.6 km2。
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太阳空间电站的优点
  • 空间发电有两大优点:一是可以充分利用太阳能,同时又不会污染环境,二是 不用架设输电线路,可直接向空中的飞 船和飞机提供电力,也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。
  • 科学家预测,一旦建成空间电站,人类可以不断获得能源,地球能源利用将产生革命性变化。
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空间电站碰到的问题
  • (1)空间运输成本问题 。法国电力公司课题研究部顾问吕西安·德尚说,要使太阳能卫星变得可行,空间运输成本最少也得降低99%。
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碰到的问题
  • (2)能量转换的效率问题 。美国慕尼黑理工大学空间技术研究所名誉所长哈里·鲁普认为,在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题。他还担心微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人"烤熟"并可能引起电磁干扰,扰乱飞机的雷达系统。
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八 、太阳能热动力发电

1、太阳能热发电概念和分类

  • 概念:太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电,是太阳能热利用的重要方面。
  • 分类:根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同,该系统可以分为分散型和集中型两大类。
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太阳能热发电类型
  • 分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组,然后把这些集热器串联和并联起来,以满足所需的供热温度。
  • 集中型发电系统也称为塔式接受器系统,它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列,这些定日镜始终对准太阳,把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。
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2、太阳能热发电系统组成
  • 典型太阳能热发电系统由以下4部分组成:

聚光集热子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统和汽轮发电子系统。

(1)聚光集热子系统

聚光集热子系统包括聚光器、接收器和跟踪装置。

  • 聚光器:聚光器用于收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上,以提高单位面积上的太阳辐照度,从而提高被加热工质的工作温度。
  • 最常用的聚光方式有两种,即平面反射镜和曲面反射镜。
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接收器:
  • 接收器是通过接收经过聚焦的阳光,将太阳辐射能转变为热能,并传递给工质的部件。在这里,工质被太阳辐射能加热,变成过热蒸汽,再经管道送往汽轮机。
  • 跟踪装置:为了使一天中所有时到的太阳辐射都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上,反射镜必须设置跟踪机构。
  • 太阳聚光器的跟踪方式有两种,即单轴跟踪和双轴跟踪。
  • 从实现跟踪的方式上讲,有程序控制方式和传感器控制方式两种。
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(2)蓄热子系统
  • 蓄热系统在集热器和汽轮发电机组之间提供一个缓冲环节(蓄热和放热作用),保证机组稳定运行。
  • 因为太阳能热发电系统在早晚和白天云逛间歇的时间内,都必须依靠储存的太阳能来维持正常运行。至于夜间和阴雨天,一般考虑采用常规燃料作辅助能源。
  • 目前、可采用的蓄热方式有3种:显热蓄热、潜热蓄热和化学储能。对不同的蓄热方式,应选用相应不同的蓄热材料。
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(3)辅助能源子系统
  • 太阳能热发电系统除要配置蓄热于系统外,还需配置辅助能源于系以维持电站能够一直持续运行。
  • 太阳能系统要求的蓄热子系统容量太大,以致投资巨大。
  • 所以.在太阳能热发电系统中采用常规燃料作辅助能源,是个极为可取的方案。
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(4)汽轮发电子系统

太阳能热发电系统用的动力发电装置,可选用的有以下几种:

  • 现代汽轮机;
  • 燃气轮机;
  • 低沸点工质汽轮机;
  • 斯特林发动机。
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塔式太阳能热发电系统构成

(也称集中型太阳能热发电系统)

整个系统出4部分构成:

  • 聚光装置:
  • 集热装置:
  • 蓄热装置:
  • 汽轮发电装置:
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塔式太阳能热动力

发电的示意图

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槽式太阳能热发电系统构成
  • 槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统(SEGS)简称槽式太阳能热发电系统,也称分散型太阳能热发电系统。
  • 整个系统由4部分组成;
  • 聚光集热装置:
  • 辅助能源装置:
  • 蓄热装置:
  • 汽轮发电装置:
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太阳坑发电技术
  • 它是在地面挖一个球形大坑,坑壁贴上许多小反射镜,使大坑成一个巨大的凹面半球镜,它将太阳能聚焦到接受器,以获得高温蒸气。
  • 试验证实太阳坑发电的方案是可行的。
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太阳能烟囱发电
  • 它是在一大片圆形土地上盖满玻璃,圆中心建一高大的烟囱,烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走,驱动风力透平机发电。
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九、太阳能新产品
  • 太阳能汽车:日本东京电机大学最近设计出一种轻型太阳能轿车,其车顶上安装了两组蓄电池,利用太阳光充电后交替使用。一组蓄电池充电后可行驶110公里,夏季日照最长季节可达150公里,最适宜于日照时间长的地区使用。不用燃油,不污染环境。
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太阳能利用的优点
  • 普遍性,太阳光照射的面积散布在地球大部分角落,仅差入射角不同而造成的光能有异,但至少不会被少数国家或地区垄断,造成无谓的能源危机。
  • 永久性,太阳的能量极其庞大,科学家计算出至少有六百万年的期限,对于人类而言,这样的时间可谓是无限。
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太阳能利用的优点
  • 无污染性,现今使用最多的矿物能源,其滋生的问题不外是废物的处理,物体不灭,能源耗竭越多,产生污染也相对增加,太阳能则无危险性及污染性。
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太阳能利用的优点
  • 在人类与自然和平共处的原则下,使用太阳能最不伤和气,且若设备使用得当,装置成后所需费用极少,而每年至少可生1×1017千瓦的电力。
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太阳能利用的缺点
  • 稳定性差,受日夜季候的影响,太阳能不断地生变化。
  • 装置成本过高,吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果,因此相对地成本提高。
  • 有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”,意即庞大的太阳能收集器造成视觉上的污染。
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太阳能发电的前景
  • 专家预测,到2050年,全世界消耗电量的1/4将是太阳电,到21世纪末,可能会达到50%以上。
  • 到那时候,人类居住的房屋将发展成金字塔型。因为外壁用“非晶硅太阳能砖”砌成的这种形状的住宅,可用最大面积采光发电,并用高效的贮电装置贮存起来供人们使用。
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太阳能发电的前景
  • 人类将在宇宙空间建设大型的太阳能发电厂,卫星上的电能将通过微波输电设备,源源不断地送回地球,且损耗率低于2‰,人们再也不用为地球上能源枯竭和污染问题而发愁了。产生工业三废(废水、废气、废渣)的大批火力发电厂也将退出历史舞台,人类的家园将更加美好。
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北京市大兴区50千瓦大型屋顶光伏并网示范电站北京市大兴区50千瓦大型屋顶光伏并网示范电站