光能的几种利用分析

太阳能是一种可持续利用的清洁能源，在寻求人类社会持续发展的进程中，节能建筑对太阳能的利用日益受到世界各国的重视。太阳能基本知识：太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等都来自太阳能，太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700亿吨标准煤，但十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000瓦左右。同时，地面上太阳能还受季节、昼夜、气候等影响，时阴时晴，时强时弱，具有不稳定性。根据太阳能的特点，必须解决以下四个基本技术问题，才能有效地加以利用。1、 太阳能米集2、 太阳能转换3、 太阳能贮存4、 太阳能输运。太阳能开发利用是当今国际上一大热点，经过最近20多年的努力，太阳能技术有了长足进步，太阳能利用领域已由生活热水，建筑采暖等扩展到工农业生产许多部门，人们已经强烈意识到，一个广泛利用太阳能和可再生能源的新时代一一太阳能时代即将来到。太阳能利用的基本知识（1）xx的基本结构太阳能是一个炽热气体构成的球体，主要由氢和氦组成，其中氢占80%，氦占19%。（2） xx常数太阳常数是指在太阳地球间平均距离外，在地球大气层以上垂直于太阳光线的平面上，单位面积，单位时间内的太阳辐射能的数值，该数值是个常数，一般取1367瓦/米2。（4920千焦/米2时）。由于通过地球外大气层吸收反射，太阳光到达地面的辐射强度大大降低。（3） xx辐射能和到达地球的xx能整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.826x1033尔格或37.3x106兆焦，相当于每秒钟燃烧1.28亿吨标准煤所放出的能量。太阳辐射到达地球陆地表面的能量，大约为17万亿千瓦，仅占到达地球大气外层表面总辐射量的10%。即使这样，它也相当目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。（4） 我国的太阳能资源我国太阳能资源十分丰富，全国有以上的地区，年辐照总量大于502万千焦/米2，年日照时数在2000小时以上。（5） 太阳能的特点太阳能的优点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的缺点太阳能的利用有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。（6）、太阳能利用的技术领域人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器，采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。下面就介绍一下太阳能的各种利用状况：一、太阳能能源在我国建筑中的利用我国的第一幢被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙的组合式太阳房。在20世纪80年代初，又通过国际合作项目，如中德新能源村、联合国开发署支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的建立使太阳房得到进一步发展。在"六五〃、"七五〃、"八五〃，包括到"十一五〃期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目，取得了一系列成效。当前，我国被动式太阳房已进入规模普及阶段。由群体太阳能建筑向太阳能住宅小区、太阳村、太阳城发展。特别是常规能源相对缺乏、经济相对落后、环境污染比较严重的西部地区，发展速度更为迅速，有的地区年平均递增率达15%。各地还制定了包括推广太阳能建筑的阳光计划，如投资额达4.28亿元的兰州市“阳光计划〃，甘肃省临夏市建成了占地9.8公顷、建筑面积9.2万扩的太阳能小区，以及西藏计划投资900万元资助新建太阳房27万平方米等大型工程项目。另外，我国首座全太阳能建筑已在北京落成，其占地8000平方米。该全太阳能建筑，主体建筑室内的洗浴、供热、供电等所有能源都由太阳能来提供。太阳能新村建筑南墙、屋顶坡面等位置都安装着数个太阳能集热器。这些集热器在夏季可为空调设备提供驱动热源，在冬季可为采暖提供保障。此外，建筑内还安装了全国最大的太阳能发电系统，投入运营后可提供50千瓦的电力，满足日常用电所需。该工程是奥运场馆的试验性建筑，并且今年我国奥运场馆的部分项目也将使用太阳能技术。当然，我国太阳能建筑开发利用的过程中也存在一定的问题，与国外太阳能利用比较成功的国家相比，还存在很大的不足，如人们对太阳能利用认识不高，开发商缺少积极性，而对于已建的一些太阳房由于档次太低，功能单一，重社会效益，轻经济效益，形成缺钱的建不起、有钱的不愿建的局面。尤其核心技术掌握在老外手里！另外，太阳能热水器到处乱装，与建筑缺乏统一性，破坏建筑外观也是太阳能利用中的一个很大的问题。针对目前存在的问题，今后我国发展太阳能建筑应注意以下几点：一、加强宣传，提高人们对开发利用太阳能和其它可再生能源重要性的认识。由主管部门负责组织实施及提供技术支持，充分利用现有的科研成果，加快太阳房发展步伐。二、发展多层次多功能太阳房，以满足不同的需要。高档太阳房具有采暖、空调、供热水和供电等功能；中档太阳房可以用燃油炉和电暖器作为辅助热源，与太阳能互补；低档太阳房采用被动太阳房，再增加一套太阳能热水器。对于新建建筑，解决的办法是预先将太阳能装置的布置考虑到建筑设计中去，实现太阳能系统与建筑的一体化。对于既有建筑，要考虑利用建筑的既有设施，进行改造，达到节能的目的。目前，在江苏，浙江，安徽，山东和北京等地已有一些太阳热水器生产厂商主动联合当地的建筑设计院进行太阳热水器与小区住宅一体化设计的试点和示范，取得了较好的效果。太阳能在降低建筑能耗上的作用是不可低估的，相对其他可再生能源来说，太阳能具有一些特有的优势，更利于与建筑结合，应用到建筑领域，因而大力发展太阳能是我国乃至全世界发展可再生能源、实现建筑能源管理的重要方向。二、太阳能能源在农业气象中的利用提高农作物光能利用率，是当前农业气象研究的一个重要课题。它对于发展农业生产、提高农作物总产量和单产量都具有十分重要的意义。提高作物光能利用率的途径主要有以下几个方面：（一） 是改变农作物种植制度和种植方式。这里主要包括作物间作、套种和复种，这对于提高光能利用率来说，其好处是能充分利用生长季节，使地面上经常有一定的作物覆盖着。比如小麦、玉米、高粱和大豆多茬套作，全年叶面积此起彼伏、交替兴衰，这样就增加了作物光合作用的效果。通过间、套、复种，使田间作物有高秆、矮秆互相间隔，宽行、窄行互相间隔，从而使作物密度增大，叶面积增大，边行增多，这就增加了边行受光与多层受光，增加了直接光照面积。此外，还要根据地形，合理安排作物行向、行距，提高光能利用率。（二） 是培育高光效作物品种。选育光合作用能力强、呼吸消耗低，叶面积适当、株型和叶型合理、适合高密度种植不倒伏的品种，这样也能提高光能利用率。（三） 是采用合理的栽培技术措施。在不妨碍田间二氧化碳流动的前提下，扩大田间叶面积系数（绿色叶面积和农田面积之比），使作物形成合理的空间结构，增加对太阳光能的吸收部分，减少反射、透射的部分，减小顶层光强超过饱和和下层光强不足的矛盾，这样就有利于农作物干物质的积累，从而提高农作物产量。（四） 是提高叶绿素的光合效能。比如，利用人造光源补充田间光照，可提高光合效能，还可以通过调节播种时间，改变光照时段，也能影响作物的开花和结实时间，有效地增加产量.提高农作物对光能利用率的措施：（一）提高光能利用率的途径1、 延长光合时间（1） 提高单位面积的土地利用率。如：轮、间、套种，一年内巧妙地搭配多种作物，从时间上和空间上更好地利用光能，缩短田地空闲时间，减少漏光率。（2） 延长生育期在不影响耕作制度前提下，适当延长作物生育期，提高光能利用率。（3） 补充人工光照日光灯光谱成分与日光近似，发热微弱，是理想光源。2、 增加光合面积可采取如下措施，如：合理密植；通过育种，改变株型（如水稻）等。3、 加强光合效率（1） 增加光照强度（2） 增加CO2浓度。空气中CO2浓度较低（0.03%），与最适CO2浓（0.1%）相差较远，采取适当措施增加CO2浓度会提高光合速率。（3） 保证必须矿质元素的供应：如N、P、K、Mg等都和光合作用有密切的关系。我国农业气象方面对太阳能的利用不是很充分，尤其是偏远的地方，因此要大力宣传太阳能在农业气象方面的知识！以提高光能在农业气象方面的应用。三、光能与热转换谈到光能与热转换就要联系到黑色物质。关于黑色物质为什么会吸收大部分的光子而产生热能？这个问题我们还是要通过黑色物质的分子结构谈起。大家知道黑色物质对光线的折射率是很低的，黑色物质将大部分光能转换为热能。黑色物质的特征是物质分子结构的化学反应，同时，它也存在诸多的物理因素变化。我们常见到的石墨、煤炭、石油等有机物都呈现为黑褐色至黑色之间不同的色度等级变化。黑色物质会将光线大部分能量转变为热能，这主要取决于黑色物质分子中最小原子的活跃程度。在自然界中，碳元素比较活跃，所有物质都是以碳基为主要成分的分子结构。也可以说组成人体的碳水化合物以及植物纤维细胞中的碳基化合分子都是以碳元素为主的物质体系，而煤碳和石油也是以碳基为主的可燃物质。然而，以碳基为主的化合物，以及化合物经过化学反应后都会生成黑色的物质。在黑色物质分子中，其原子内部的电子很容易受到外界低能级光粒子的激发作用而形成飘逸态（主要是碳元素），也包括其它的化学物质成分。当原子中的电子在吸收外界能量跃迁后会形成热能的释放并向四周传递，比如太阳能集热器就是一个最简单的例子。在夏季，我们人类将光能变为热能用来增温冷水进行洗浴。在冬季，我们用太阳能集热器集热可以取暖。以往，我们人类只知道黑色物质的光热物理作用，并不知道黑色物质内部的原子活跃性。因为白颜色物质分子结构中的电子对低能级光粒子是很难受激发跃迁的，原子内部的电场对电子的束缚力也非常强，所以就不会形成光与热能的转换使光线大部分折射返回。物质分子的色度越深，其原子内的电子活跃性就越强，就越容易被光子激发飘逸产生热能。也就是说，物质原子的活跃程度越强就越容易使核外电子受能量激发而迁移。另外，原子的活跃程度也取决于原子内部电场对电子的束缚力。束缚力越大，核外电子就越不容易跃迁，也就是核外电子的一种惰性。理论中，从黑色物质过渡到白色物质之间，会形成不同等级光辐射的热能转换是正确的。自然界中物质的不同灰度等级，是从白色到黑色之间的过度变化也是物质分子间的不同化学组合。在自然光的光谱中包含了很多不同频率的射线成分（紫外到红外），白色物体对光线吸收的很少，而黑色物质会将大部分光线吸收，尤其是光谱中紫外线的吸收概率非常高。物质的颜色越深，光能的热转换效率就越高，自然光强度越大，物质的光能转换值也就越大。这里有一个最关键性的问题，那就是太阳的光辐射能。在物理学中，我们了解到了自然光是由不同频率电磁波组成的综合光谱，平时我们看到的只是单一的白色光。而且，光也是电磁波的一种，当物质中的电子在电磁场力的作用下就会形成力学结构变化。因黑色物质的电子非常活跃，在低能级磁场力（一般光强度）的作用下就可产生跃迁运动，这个运动过程也是原子核外层电子的能量转换过程，当核外电子受能激发跃迁时会释放出大量的热能，这就是我们平时所说的太阳能集热原理。其实，我们所说的黑色物质受光照后会产生热能的转变，不如说是由物质电子在电磁场力的作用下形成的热能转换。其实，光与热能转化，不如说是电磁场力对物质内部电子的能量激发。也就是自然界中物质的电子运动构成了在磁场力作用下进行热能和电能的交换。一般说来，物质会将光能转变为热能，我们不如改个说法，那就是物质粒子的跃迁形成磁能的热转移。太阳是一个巨大的发光体也是强大的电磁辐射源，光是某一电磁波的频率段，自然界的温度变化也体现