太陽能專題講座：太陽能及其利用

太陽能及其利用概述太陽是一個巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量(約為3.75×l026W)的22億分之一，但已高達(dá)1.73×1017W，換句話說，太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬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源于太陽；即使是地球上的化石燃料從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。但太陽能也有兩個主要缺點：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。這兩大缺點大大限制了太陽能的有效利用。

太陽的構(gòu)造太陽是一個熾熱的氣態(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，每1g質(zhì)量將虧損0.0072g。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲量足夠維持600億年，因此太陽能可以說是用之不竭的。

太陽內(nèi)部有“里三層”。從中心向外，依次是核反應(yīng)區(qū)，這里是太陽熱能產(chǎn)生的基地。輻射區(qū)，太陽能先通過這里傳播出去。對流區(qū)，太陽能經(jīng)過這里向太陽表層傳播，它們是“輸送帶”。太陽外部有“外三層”。依次為光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋?。人們?nèi)庋劭梢姷拿髁帘砻婢褪枪馇驅(qū)?，我們所見到太陽的可見光，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，太陽能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。從太陽的構(gòu)造可見，太陽并不是一個溫度恒定的黑體，而是一個多層的有不同波長發(fā)射和吸收的輻射體。不過在太陽能利用中通常將它視為一個溫度為6000K，發(fā)射波長為0.3～3μm的黑體。太陽能利用人類對太陽能的利用已有悠久歷史。太陽能利用主要包括太陽能熱利用和太陽能光利用。太陽能熱利用應(yīng)用很廣，如太陽能熱水、供暖和制冷；太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品、藥材和木材；太陽能淡化海水；太陽能熱動力發(fā)電等。太陽能光利用主要是太陽能光伏發(fā)電和太陽能制氫。太陽能熱利用1.太陽能集熱器

太陽能集熱器是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備，它是太陽能熱利用中的關(guān)鍵設(shè)備。太陽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單且應(yīng)用最廣的集熱器。它吸收太陽輻射的面積與采集太陽輻射的面積相等，能利用太陽的直射和漫射輻射。

為了更有效地利用太陽能就必須提高入射陽光的能量密度，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。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，自然陽光經(jīng)聚光器聚焦到吸收器上，并加熱吸收器內(nèi)流動的集熱介質(zhì)；跟蹤系統(tǒng)則根據(jù)太陽的方位隨時調(diào)節(jié)聚光器的位置，以保證聚光器的開口面與人射太陽輻射總是互相垂直的。

2.太陽能熱水器

太陽熱水器于1920年代即流行于美國的西南部地區(qū)。隨著石油和電力價格的上升，更有效率的「太陽能熱水器」和「太陽能熱暖器」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。于美國北部，每平方公尺的太陽能熱接收器，每六個月可節(jié)省30.5公升的熱氣用的汽油，或是215千瓦小時的電力。太陽能熱水器通常由平板集熱器、蓄熱水箱和連接管道組成。按照流體流動的方式分類，可將太陽能熱水器分成三大類：悶曬式、直流式和循環(huán)式。3.太陽能采暖

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

4.太陽能干燥

近年來世界各國對太陽能干燥進(jìn)行了許多研究。太陽能干燥不但可以節(jié)約燃料，縮短干燥時間，而且由于采用專門的干燥室，因此干凈衛(wèi)生，必要時還可采用殺蟲滅菌措施，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可延長產(chǎn)品貯存時間。

太陽能干燥按干燥器（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)重的缺水問題，海水淡化越來越受重視。

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

。太陽能海水淡化裝置中最簡單的是池式太陽能蒸餾器

。還有另一類多效太陽能蒸餾器。它是一種間接太陽能蒸餾器，主要由吸收太陽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能溫室結(jié)合起來非常有前途。

6.太陽能熱動力發(fā)電

太陽能熱動力發(fā)電一直是太陽能熱利用的主要研究方向，根據(jù)太陽能熱動力發(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，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，這些定日鏡始終對準(zhǔn)太陽，把入射光反射到位于場地中心附近的高塔頂端的接受器上。

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

另一種有前途的太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)是太陽能煙囪發(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加熱的空氣通過煙囪被抽走，驅(qū)動風(fēng)力透平機(jī)發(fā)電。這種發(fā)電裝置簡單可靠，在西班牙已建有一座容量為100kW的試驗電站。顯然這種發(fā)電方式非常適合于我國廣大的西部地區(qū)。

PowerTowers太陽能光利用

太陽能光利用最成功的是用光—電轉(zhuǎn)換原理制成的太陽電池（又稱光電池）。太陽電池1954年誕生于美國貝爾實驗室，隨后1958年被用作“先鋒1號”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力。

太陽電池是利用半導(dǎo)體內(nèi)部的光電效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射到一種稱為“P—N結(jié)”的半導(dǎo)體上時，波長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“價電子”使“價電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產(chǎn)生電子流動。

常用太陽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