太陽(yáng)能專題講座：太陽(yáng)能及其利用

太陽(yáng)能及其利用概述太陽(yáng)是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無(wú)盡的能源。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量(約為3.75×l026W)的22億分之一，但已高達(dá)1.73×1017W，換句話說(shuō)，太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)t煤。

地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來(lái)源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料從根本上說(shuō)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存下來(lái)的太陽(yáng)能。太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。但太陽(yáng)能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素的影響不能維持常量。這兩大缺點(diǎn)大大限制了太陽(yáng)能的有效利用。

太陽(yáng)的構(gòu)造太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣態(tài)球體，它的直徑約為1.39×106km，質(zhì)量約為2.2×1027t，為地球質(zhì)量的3.32×105倍，體積則比地球大1.3×106倍，平均密度為地球的l/4。其主要組成氣體為氫(約80%)和氦(約19%)。

由于太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，所以不斷地釋放出巨大的能量，并以輻射和對(duì)流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。由核聚變可知，氫聚合成氦在釋放巨大能量的同時(shí)，每1g質(zhì)量將虧損0.0072g。根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲(chǔ)量足夠維持600億年，因此太陽(yáng)能可以說(shuō)是用之不竭的。

太陽(yáng)內(nèi)部有“里三層”。從中心向外，依次是核反應(yīng)區(qū)，這里是太陽(yáng)熱能產(chǎn)生的基地。輻射區(qū)，太陽(yáng)能先通過(guò)這里傳播出去。對(duì)流區(qū)，太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)這里向太陽(yáng)表層傳播，它們是“輸送帶”。太陽(yáng)外部有“外三層”。依次為光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋印Ｈ藗內(nèi)庋劭梢?jiàn)的明亮表面就是光球?qū)?，我們所?jiàn)到太陽(yáng)的可見(jiàn)光，幾乎全是由光球發(fā)出的。光球?qū)雍窦s500千米，溫度為5762K，密度為10-6g/cm3，它是由強(qiáng)烈電離的氣體組成，太陽(yáng)能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。從太陽(yáng)的構(gòu)造可見(jiàn)，太陽(yáng)并不是一個(gè)溫度恒定的黑體，而是一個(gè)多層的有不同波長(zhǎng)發(fā)射和吸收的輻射體。不過(guò)在太陽(yáng)能利用中通常將它視為一個(gè)溫度為6000K，發(fā)射波長(zhǎng)為0.3～3μm的黑體。太陽(yáng)能利用人類對(duì)太陽(yáng)能的利用已有悠久歷史。太陽(yáng)能利用主要包括太陽(yáng)能熱利用和太陽(yáng)能光利用。太陽(yáng)能熱利用應(yīng)用很廣，如太陽(yáng)能熱水、供暖和制冷；太陽(yáng)能干燥農(nóng)副產(chǎn)品、藥材和木材；太陽(yáng)能淡化海水；太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電等。太陽(yáng)能光利用主要是太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能制氫。太陽(yáng)能熱利用1.太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能集熱器是把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備，它是太陽(yáng)能熱利用中的關(guān)鍵設(shè)備。太陽(yáng)能集熱器按是否聚光這一主要特征可以分為非聚光和聚光兩大類。

平板集熱器是非聚光類集熱器中最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣的集熱器。它吸收太陽(yáng)輻射的面積與采集太陽(yáng)輻射的面積相等，能利用太陽(yáng)的直射和漫射輻射。

為了更有效地利用太陽(yáng)能就必須提高入射陽(yáng)光的能量密度，使之聚焦在較小的集熱面上，以獲得較高的集熱溫度，并減少散熱損失，這就是聚光集熱器的特點(diǎn)。聚光集熱器通常由三部分組成：聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)。其工作原理是，自然陽(yáng)光經(jīng)聚光器聚焦到吸收器上，并加熱吸收器內(nèi)流動(dòng)的集熱介質(zhì)；跟蹤系統(tǒng)則根據(jù)太陽(yáng)的方位隨時(shí)調(diào)節(jié)聚光器的位置，以保證聚光器的開(kāi)口面與人射太陽(yáng)輻射總是互相垂直的。

2.太陽(yáng)能熱水器

太陽(yáng)熱水器于1920年代即流行于美國(guó)的西南部地區(qū)。隨著石油和電力價(jià)格的上升，更有效率的「太陽(yáng)能熱水器」和「太陽(yáng)能熱暖器」亦隨之產(chǎn)生。在澳洲、日本、以色列、和前蘇聯(lián)于1970年代就已是普遍的使用。于美國(guó)北部，每平方公尺的太陽(yáng)能熱接收器，每六個(gè)月可節(jié)省30.5公升的熱氣用的汽油，或是215千瓦小時(shí)的電力。太陽(yáng)能熱水器通常由平板集熱器、蓄熱水箱和連接管道組成。按照流體流動(dòng)的方式分類，可將太陽(yáng)能熱水器分成三大類：悶曬式、直流式和循環(huán)式。3.太陽(yáng)能采暖

太陽(yáng)能采暖可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。主動(dòng)式是利用太陽(yáng)能集熱器和相應(yīng)的蓄熱裝置作為熱源來(lái)代替常規(guī)熱水（或熱風(fēng)）采暖系統(tǒng)中的鍋爐。而被動(dòng)式則是依靠建筑物結(jié)構(gòu)本身充分利用太陽(yáng)能來(lái)達(dá)到采暖的目的，因此它又稱為被動(dòng)式太陽(yáng)房。

4.太陽(yáng)能干燥

近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能干燥進(jìn)行了許多研究。太陽(yáng)能干燥不但可以節(jié)約燃料，縮短干燥時(shí)間，而且由于采用專門的干燥室，因此干凈衛(wèi)生，必要時(shí)還可采用殺蟲(chóng)滅菌措施，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可延長(zhǎng)產(chǎn)品貯存時(shí)間。

太陽(yáng)能干燥按干燥器（或干燥室）獲得能量的方式可分為：集熱器型干燥器，溫室型干燥器，集熱器—溫室型干燥器。5.太陽(yáng)能海水淡化

地球上的水資源中含鹽的海水占了97%，隨著人口增加，大工業(yè)發(fā)展，使得城市用水日趨緊張。為了解決日益嚴(yán)重的缺水問(wèn)題，海水淡化越來(lái)越受重視。

世界上第一座太陽(yáng)能海水蒸餾器是由瑞典工程師威爾遜設(shè)計(jì)，1872年在北智利建立的，面積為44504m2，日產(chǎn)淡水17.7t。這座太陽(yáng)能蒸餾海水淡化裝置一直工作到1910年

。太陽(yáng)能海水淡化裝置中最簡(jiǎn)單的是池式太陽(yáng)能蒸餾器

。還有另一類多效太陽(yáng)能蒸餾器。它是一種間接太陽(yáng)能蒸餾器，主要由吸收太陽(yáng)能的集熱器和海水蒸發(fā)器組成，并利用集熱器中的熱水將蒸發(fā)器中的海水加熱蒸發(fā)。

在干旱的沙漠地帶將咸水淡化和太陽(yáng)能溫室結(jié)合起來(lái)非常有前途。

6.太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電

太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電一直是太陽(yáng)能熱利用的主要研究方向，根據(jù)太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中所采用的集熱器的型式不同，該系統(tǒng)可以分為分散型和集中型兩大類。分散型發(fā)電系統(tǒng)是將拋物面聚光器配置成很多組，然后把這些集熱器串聯(lián)和并聯(lián)起來(lái)，以滿足所需的供熱溫度。集中型發(fā)電系統(tǒng)也稱為塔式接受器系統(tǒng)，由平面鏡、跟蹤機(jī)構(gòu)、支架等組成定日鏡陣列，這些定日鏡始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，把入射光反射到位于場(chǎng)地中心附近的高塔頂端的接受器上。

為了降低塔式太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)的投資，發(fā)展了一種太陽(yáng)坑發(fā)電技術(shù)。它是在地面挖一個(gè)球形大坑，坑壁貼上許多小反射鏡，使大坑成一個(gè)巨大的凹面半球鏡，它將太陽(yáng)能聚焦到接受器，以獲得高溫蒸氣。試驗(yàn)證實(shí)太陽(yáng)坑發(fā)電的方案是可行的。由于其技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低，有巨大的市場(chǎng)潛力。

另一種有前途的太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能煙囪發(fā)電。它是在一大片圓形土地上蓋滿玻璃，圓中心建一高大的煙囪，煙囪底部裝有風(fēng)力透平機(jī)。透明玻璃蓋板下被太陽(yáng)加熱的空氣通過(guò)煙囪被抽走，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力透平機(jī)發(fā)電。這種發(fā)電裝置簡(jiǎn)單可靠，在西班牙已建有一座容量為100kW的試驗(yàn)電站。顯然這種發(fā)電方式非常適合于我國(guó)廣大的西部地區(qū)。

PowerTowers太陽(yáng)能光利用

太陽(yáng)能光利用最成功的是用光—電轉(zhuǎn)換原理制成的太陽(yáng)電池（又稱光電池）。太陽(yáng)電池1954年誕生于美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，隨后1958年被用作“先鋒1號(hào)”人造衛(wèi)星的電源上了天。這種電池一下子就使人造衛(wèi)星的電源可安全工作達(dá)20年之久，從而徹底取代了只能連續(xù)工作幾天的化學(xué)電池，為航天事業(yè)的發(fā)展提供了一種新的能源動(dòng)力。

太陽(yáng)電池是利用半導(dǎo)體內(nèi)部的光電效應(yīng)，當(dāng)太陽(yáng)光照射到一種稱為“P—N結(jié)”的半導(dǎo)體上時(shí)，波長(zhǎng)極短的光很容易被半導(dǎo)體內(nèi)部吸收，并去碰撞

硅原子中的“價(jià)電子”使“價(jià)電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產(chǎn)生電子流動(dòng)。

常用太陽(yáng)電池按其材料可以分為：晶體硅電池、硫化鎘電池、硫化銻電池、砷化鎵電池、非晶硅電池、硒銦銅電池、疊層串聯(lián)電池