地理 | 以图解法辨析：塔式光热发电vs光伏发电

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高福梅，任教于江苏省江阴市第一中学，无锡市教学新秀，数篇论文在省级期刊发表。

本文已刊载于《教学考试》杂志（高考地理）2024年5期

2023年6月浙江省选考选择题第15,16题是一组很经典的跨学科融合试题,第16题融合了物理学(光的反射定律)和几何学。但笔者发现,网上部分解析错误地将定日镜理解成了传统光伏发电的太阳能电池板,故笔者企图通过图解法辨析塔式光热发电和光伏发电与太阳周日视运动方向、太阳光线之间的关系,破解这两个容易被混淆的地理问题。

塔式光热发电

塔式光热发电是根据太阳能光热发电原理,把光能转换为热能,再把热能转换为电能,利用众多的定日镜(是一种将太阳光反射到固定方向的光学仪器)把太阳光反射聚集到位于集热塔顶的吸热器表面,太阳能被塔中的熔盐物质(硝酸钾和亚硝酸钠)吸收,加热熔盐到500~1000℃,把太阳能转换成热能,高温的熔盐通过蒸汽发生系统产生高温高压的蒸汽,推动汽轮发电机组发电。其核心是“反射聚光、转能发电”。

每个定日镜都是一个独立的单元,各自配有跟踪设备,能实时准确地将光反射到电站中心集热塔顶部的吸热器上(见图1)。定日镜水平方向转动的角度是方位角,垂直方向转动的角度是仰视角。定日镜水平和垂直转动都是为了将太阳光能反射聚集到集热塔上,从而提高太阳能的转化利用率。

【例1】(2023年6月浙江省选考,15,16题)塔式光热发电是利用成千上万个独立跟踪太阳的定日镜,将阳光聚集到镜场中心的集热塔,通过能量转换来发电。图2为青海某地塔式光热发电场景观图,图3为定日镜工作原理示意图。据此完成15,16题。

15.与浙江省相比,当地布局光热发电场的优势区位因素有()

①土地②太阳辐射

③劳动力④电网分布

A.①②B.①③C.②③D.③④

16.定日镜工作期间,镜面朝向(图3所示)的水平和垂直转动方向分别是()

A.顺时针先逆时针后顺时针

B.顺时针先顺时针后逆时针

C.逆时针先顺时针后逆时针

D.逆时针先逆时针后顺时针

【答案】15.A16.B

【解析】该题组结合光热发电的区位条件,主要考查青海相对于浙江在光热发电方面的区位优势;结合太阳周日视运动方向,融合物理学和几何学相关知识,主要考查镜面朝向的水平和垂直转动方向。

第15题主要涉及大气的物理学特征。由于太阳能能量分散,单位面积、单位时间接收的太阳能较少,故利用太阳能发电所需的土地面积较大;太阳辐射的强弱主要受纬度、地势、天气和地球运动、大气透明度等因素影响。青海相对于浙江来说,人口稀少,荒漠面积大,土地租金低;青海地势高,空气密度小,多晴天,地面获得的太阳辐射能资源多,太阳能资源丰富,故第15题的正确选项为A项。

定日镜水平转动是为了“追日”,其转动的角速度与太阳周日视运动的角度相等,垂直转动是为了将太阳光反射聚集到镜场中心集热塔上的集热器位置。该题设问十分精确,“定日镜工作期间”即从日出到日落,太阳高度先增大、后减小;“镜面朝向(图3所示)”即图3所示位置,因为成千上万个定日镜呈同心圆状围绕集热塔布局,不同的定日镜相对位置是不同的,因此其镜面的朝向也不相同,垂直转动存在差异。为了在白天持续发电,定日镜需不断转动跟踪太阳(面向太阳),地球自西向东自转,生活在地球上的人们看到太阳东升西落,即太阳周日视运动方向与地球自转方向相反,从北极及其上空看,地球自转的时针方向为逆时针方向,故在青海定日镜的水平转动方向为顺时针方向。

如果定日镜转动是为了与太阳光线保持垂直,按照反射原理,太阳光将被原路发射回大气,太阳光热无法被反射聚集到集热塔。假设定日镜的中点为平面镜,它与集热塔上某点的连线为太阳光的反射路线,其与地面的夹角不变。图4、图5是按照光的反射定律(法线与镜面垂直,反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线的两侧;入射角等于反射角)和图3所示位置绘制的示意图,图4、图5分别代表太阳高度角比较低、比较高时定日镜反射太阳光线到集热塔的示意图,从图4到图5可以总结出太阳高度增大时,定日镜朝向的垂直转动方向为顺时针方向;从图5到图4可以总结出太阳高度减小时,定日镜朝向的垂直转动方向为逆时针方向,故第16题的正确选项为B项。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应(半导体在受到光照射时产生电动势的现象)将光能直接转变为电能的一种技术,即“吸光、直转电能”。太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分,为了使太阳能电池板能追踪太阳,需要让太阳能电池板水平转动以便能正面对着太阳,也就是说太阳能电池板水平转动方向与塔式光热发电系统中定日镜的水平转动方向相同,即与地球自转方向相反,与太阳周日视运动方向相同,北半球为顺时针方向。

为了最大化利用太阳能发电,太阳能电池板在垂直方向不断转动与太阳光线保持垂直。读图6,∠α为太阳能电池板与地面的夹角,∠h为太阳高度角,因为太阳光线与太阳能电池板垂直,故∠α+∠h=90°,当太阳高度角(∠h)增大时,太阳能电池板与地面的夹角(∠α)减小,太阳能电池板顺时针方向转动;反之,当太阳高度角(∠h)减小时,太阳能电池板与地面的夹角(∠α)增大,太阳能电池板逆时针方向转动,即太阳能电池板垂直转动方向与塔式光热发电系统中的定日镜朝向(图3所示)的垂直转动方向相同,这也是网上错误地解读塔式光热发电系统中定日镜的垂直转动方向却能得出正确答案的原因。

拓展提升

为了帮助学生更好地掌握与运用光热相关的知识解决现实地理问题,笔者总结了以下两方面的内容。

3.1相关考点

结合近几年高考真题和《普通高中地理课程标准(2017年版2020年修订)》,与太阳能光热电站相关的考点有太阳能的特点和分布特征、光热发电场选建的区位条件或区位选择、不同区域选建太阳能光热电站的区位比较、地球运动规律、昼夜长短变化规律、太阳高度角的变化规律、正午太阳高度的分布和变化规律、正午太阳高度和日影长度的计算、太阳周日视运动轨迹和方向、如何利用太阳高度角调整太阳能电池板与地面的夹角、太阳能电池板和塔式光热发电的工作原理、太阳能电池板和塔式光热发电系统中定日镜的水平和垂直转动方向、太阳能光热发电的意义(作用)和影响等。

【例2】(2014年全国卷I,1~3题)太阳能光热电站(见图7)通过数以十万计的反光板聚焦太阳能,给高塔顶端的锅炉加热,产生蒸汽,驱动发电机发电。据此完成1~3题。

1.我国下列地区中,资源条件最适宜建太阳能

光热电站的是(  )

A.柴达木盆地B.黄土高原

C.山东半岛D.东南丘陵

2.太阳能光热电站可能会(  )

A.提升地表温度

B.干扰飞机电子导航

C.误伤途经飞鸟

D.提高作物产量

3.若在北回归线上建一太阳能光热电站,其高塔正午影长与塔高的比值为P,则(  )

A.春、秋分日P=0

B.夏至日P=1

C.全年日P<1

D.冬至日P>1

【答案】1.A2.C3.D

【解析】该题以塔式光热发电站为情境,主要考查太阳能在我国的区域分布状况、太阳能光热电站对区域环境的影响、北回归线上高塔正午影长与塔高比值的年内变化。

第1题,结合影响太阳辐射强弱的因素,我国太阳能资源最丰富的地方在青藏高原,相对于黄土高原、山东半岛和东南丘陵来说,柴达木盆地因地势高,空气干燥,太阳辐射强,地面获得的太阳能更多。故第1题的正确选项为A项。

第2题,反光板将太阳光反射聚焦于集热塔,使地面获得的太阳能减少,可降低地表温度;飞机电子导航主要依靠卫星导航系统,塔式光热发电站不会产生电子信号干扰卫星导航系统;塔式光热发电站是将光热集聚到集热塔,产生高温,会误伤途经飞鸟;塔式光热发电站只提高集热塔极小范围的气温,无法提高作物产量。故第2题的正确选项为C项。

第3题,设北回归线上的正午太阳高度为H,高塔正午影长与塔高的比值P=cotH。利用正午太阳高度计算公式,在北回归线(23°26'N)上,春分日和秋分日时的正午太阳高度为66°34',高塔正午影长与塔高的比值P>0;夏至日时太阳直射北回归线,P=0;一年中北回归线上正午太阳高度随着太阳直射点的南北移动一直处于变化之中,当H>45°时,P<1,当H<45°时,P>1;冬至日时北回归线上的正午太阳高度为43°08',P>1。故第3题的正确选项为D项。

3.2太阳能发电的意义

太阳能虽然分布较分散,开发利用技术难度大、投资大,但太阳能资源总量丰富,属于清洁的、廉价的可再生能源。利用太阳能发电是一个地理热点,原因是太阳能发电属于绿色发电,不燃烧燃料,不排放废气、废水,没有噪声;可优化能源消费结构,减少化石燃料使用量和二氧化碳排放量,减轻温室效应,有效防控大气污染和气候变化;利于实现碳达峰和碳中和的目标;实现能源的可持续利用,确保能源安全;带动相关科技和产业发展;促进太阳能丰富地区(干旱荒漠地区)的太阳能资源开发,变资源优势为经济优势;太阳能光伏电池板可大可小,轻小简单,便于运输和拆装;光伏发电地区适应性强,可就地安装,独立使用,可节约输电成本;屋顶可安装太阳能电池板,使光伏发电与建筑一体化,可少占或不占土地;光伏发电灵活机动,不受地域限制,可为分散居住的居民(牧民)提供电力资源;促进相关产业发展等。

图解法可将抽象的文字直观化,将复杂问题简单化,几何图形可将地理要素间的关系图像化,可总结出要素间的空间关系和数量关系,有利于解决相关的地理问题,这也是学习地理知识和解答地理试题的重要方法。