太阳能专题讲座：太阳能及其利用

太阳能及其利用概述太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×l026W)的22亿分之一，但已高达1.73×1017W，换句话说，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

太阳的构造太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39×106km，质量约为2.2×1027t，为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的l/4。其主要组成气体为氢(约80%)和氦(约19%)。

由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.0072g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。

太阳内部有“里三层”。从中心向外，依次是核反应区，这里是太阳热能产生的基地。辐射区，太阳能先通过这里传播出去。对流区，太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。太阳外部有“外三层”。依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球层厚约500千米，温度为5762K，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.3～3μm的黑体。太阳能利用人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。太阳能热利用1.太阳能集热器

太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能热利用中的关键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。

平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。

为了更有效地利用太阳能就必须提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是，自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与人射太阳辐射总是互相垂直的。

2.太阳能热水器

太阳热水器于1920年代即流行于美国的西南部地区。随着石油和电力价格的上升，更有效率的「太阳能热水器」和「太阳能热暖器」亦随之产生。在澳洲、日本、以色列、和前苏联于1970年代就已是普遍的使用。于美国北部，每平方公尺的太阳能热接收器，每六个月可节省30.5公升的热气用的汽油，或是215千瓦小时的电力。太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直流式和循环式。3.太阳能采暖

太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。而被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，因此它又称为被动式太阳房。

4.太阳能干燥

近年来世界各国对太阳能干燥进行了许多研究。太阳能干燥不但可以节约燃料，缩短干燥时间，而且由于采用专门的干燥室，因此干净卫生，必要时还可采用杀虫灭菌措施，既可提高产品质量，又可延长产品贮存时间。

太阳能干燥按干燥器（或干燥室）获得能量的方式可分为：集热器型干燥器，温室型干燥器，集热器—温室型干燥器。5.太阳能海水淡化

地球上的水资源中含盐的海水占了97%，随着人口增加，大工业发展，使得城市用水日趋紧张。为了解决日益严重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。

世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计，1872年在北智利建立的，面积为44504m2，日产淡水17.7t。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一直工作到1910年

。太阳能海水淡化装置中最简单的是池式太阳能蒸馏器

。还有另一类多效太阳能蒸馏器。它是一种间接太阳能蒸馏器，主要由吸收太阳能的集热器和海水蒸发器组成，并利用集热器中的热水将蒸发器中的海水加热蒸发。

在干旱的沙漠地带将咸水淡化和太阳能温室结合起来非常有前途。

6.太阳能热动力发电

太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向，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。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，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。

为了降低塔式太阳能热动力系统的投资，发展了一种太阳坑发电技术。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。由于其技术简单，成本低，有巨大的市场潜力。

另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。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。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为100kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。

PowerTowers太阳能光利用

太阳能光利用最成功的是用光—电转换原理制成的太阳电池（又称光电池）。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久，从而彻底取代了只能连续工作几天的化学电池，为航天事业的发展提供了一种新的能源动力。

太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“P—N结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞

硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。

常用太阳电池按其材料可以分为：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