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1、太阳能利用技术2012.4第一章 绪 论参考：太阳能原理与技术，施钰川，2009太阳及太阳能一、太阳的结构太阳是一个巨大且炽热的气体球，它的直 径约为1.4106km，是地球直径的109倍；体 积为1.481018km3,是地球体积的130万倍； 质量为1.9891027t,是地球质量的33万倍。二、太阳的化学组成 太阳光谱学分析：氢75%，氦24.25%；其他 60多种元素。亮度：光球层色球层日冕层温度100万热力学K为什么太阳温度从表面向日冕递增？ 波加热的观点：太阳拥有的强大磁场能够带走太阳表面溢 出的波，这些波将自身的能量倾泻在日冕中， 加热呈电离状态的气体，使其温度极度升高。 太阳磁
2、场极端扭曲的观点：太阳磁场的磁圈向外延伸触及到日冕时产 生扭曲，磁圈极度扭曲就会突然断裂，爆炸式 地释放能量，迅速加热日冕气体。1.核反应区：体积占1.6%，质量占50% 高温(8001500万K)、高压 (3.31011atm)下的热核反应，氢核聚变成氦 核，释放巨大的能量。 2.辐射区：体积占一半，质量占49.9%温度70万K，以辐射的形式向外传递能量。 3.对流区：体积占48.4%，质量仅占0.1% 温度70万K6000K，以对流的形式将能量 传递到光球的底层，向外辐射。二、太阳辐辐射能 (solar radiation)1.太阳风风 (solar wind)太阳日冕以每天约约5107k
3、m的速度不断地 发发射被电电离的微粒子流，主要由电电子和质质 子组组成，大约约需3天到达地球。当吹到地球 附近时时，与地磁场发场发 生相互作用，产产生大 气电电离层层的扰动扰动 和极光现现象。太阳风与地球磁场的相互作用地球地球太阳太阳太阳风太阳风磁力线太阳风磁力线地球磁力线地球磁力线2.电磁波 (electromagnetic wave)由不同波长的射线组成 ，是太阳输送给地球能量的 主要方式。影响地球表层系 统的太阳辐射主要在紫外(8 )、可见光(47)和近红 外(45)范围内。波长越短，频率越高； 波长越长，频率越低。波长长波波长短波紫外近红外可见光 维维恩定律：黑体辐辐射能力最大值对应值
4、对应 的波 长长Max与辐辐射体表面的绝对绝对 温度T成反比，比 例常数C2897.8mK。太阳辐辐射称为为短波辐辐射。地球表面辐辐射称为为长长波辐辐射。 三、太阳常数和太阳活动1.太阳常数 定义：当地球处于日地平均距离处，在大 气圈热成层顶，与辐射方向垂直的平面上 ，单位面积在单位时间内所接受的太阳辐 射。 量值：1367 Wm-2（1969-1980年），标 准差1.6 Wm-2，最大偏差7 Wm-2。 太阳常数的基本恒定是地球表层系统维持 自稳定状态的主要原因。 太阳常数的温度效应：太阳常数变化1%， 全球平均地面气温将变化0.65-2.0。 太阳常数变化的主要原因：太阳活动2.太阳活动
5、 概念：太阳光球层的黑子、光斑，色球层 的日珥、耀斑等的生、消、聚、散变化。地球太阳黑子 对太阳常数的影响：太阳黑子活动强时，太阳辐射强度增加，太阳常数增大。 对近地面气候的影响：统计分析为主，机理仍不清楚。例如：太 阳黑子低值年对应我国南涝北旱，高值年对 应南旱北涝。大气圈顶太阳辐射时空分布的特点(Wm-2d-1) 全年日辐射总量低纬大于高纬, 季节变化低 纬小于高纬。 日辐射总量夏季大于冬季，其纬向梯度冬季 大于夏季。 春分日和秋分日赤道日辐射总量最大，向两 极递减，极点为零。 夏至日的日辐射总量从北回归线向南递减， 南极圈内为零；向北递增，北半球高纬最大 。 冬至日的日辐射总量从南回归线
6、向北递减， 北极圈内为零；向南递增，南半球高纬最大 。日照长度及其季节变化：一天之内的日 照长度越长，接收的太阳辐射越多。北极圈以北夏至日的极昼现象。 根本原因黄赤交角和地球的公转,使太阳高度角和日 照长度随地球在公转轨道上的位置而变化，因 此，地球上各地所获得的太阳辐射才具有随季 节而变化的特点。地球的自转：地球自转产生昼夜 的更替，从而使地 球上太阳辐射的季 节变化成为全球共 有的现象。太阳能特点 广泛性 清洁性 分散性 间歇性 地区性 永久性太阳辐射能 大气的吸收作用 大气的散射作用 大气的反射作用 地球表面的辐射 大气的长波辐射 大气中主要吸收物质是氧（O2）、臭氧（ O3）及水汽（H
7、2O）； 氧吸收波长小于0.2m的紫外线，在 0.155m处吸收最强； 臭氧在整个光谱范围均有吸收， 0.200.3m是强吸收带，另一个在可见光 0.6m处。占辐射量的2.1%。 水汽是太阳辐射的主要吸收介质，吸收带 在红外和可见光区。太阳高度角较低时， 水汽吸收占20%。高度为h，投影长度为s 太阳 辐辐射到地球大气层层外界的能量仅为仅为 其 总总射能量（约约 为为 3.751014TW） 的 22亿亿 分之一，但其辐辐 射通量已高达1.73105TW ，即太阳每秒钟钟投射到地球上的能量相当 5.9106吨煤。 全年的总辐总辐 照量MJ/（m2.a）、 KW.h/（ m2.a）或全年日照小时
8、时数；一天内太阳直射光线照射地面的时间。以小时为单位。我国的太阳能资源太 阳 的 内 部 构 造太阳表面结构太阳表面结构太阳的构造 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。 在太阳能利用中通常将它视为一个温度为 6000K，发射波长为0.33m的黑体。 太阳能直接传输直接传输适用于较短距离。基本有三种方法： 通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光 的传播方向，达到用能地点。 通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光 传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲 。 采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反 射可以将阳光导入室内。 太阳能间接传输间接
9、传输适用于各种不同距离： 将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳 能传输到室内。 将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料 ，通过车辆或管道等可输送到用能地点。 空间电站将太阳能转换为电能，通过微波 或激光将电能传输到地面。生物转换利用太阳能 通过光合作用使太阳能吸收和储存在生物 质内，经过化学和生物处理，制成液体或 固体燃料 。 将糖类作物、谷物和植物纤维作原料，生 产燃料酒精，渗到汽油中合成酒精汽油。 例如，巴西已从甘蔗中提炼酒精，与汽油 合成汽车用油。生物转换利用太阳能 发展薪炭林。烧炭是一种古老的生物能利 用方式。若有计划的植林，不仅可作燃料 以及作为酒精沼气原料，而且还能保护环 境，防止水
10、土流失。 将高等有机废物进行分解，在厌氧微生物 作用下，可产生沼气。 尚在研究利用藻类和某些微生物的光合作 用，在阳光下分解制氢，提供燃料。太阳能的利用方式 光-热转换（热利用、热发电） 古老、技术成熟、应用广泛、成本低 温度低，能源品味低，适用于直接利用 光-电转换 发展速度快、前景乐观 光化学利用 光解、光合、光敏反应 太阳能热发电 太阳热能直接发电（半导体材料或金属材料的 温差发电、真空器件中热电子和热离子发电、 碱金属的热电转换及磁流体发电） 太阳能热动力发电（利用聚光技术，将工质加 热到数百摄氏度的高温，利用蒸汽发电。）太阳能光伏发电 利用半导体的光生伏打效应； 太阳能电池、控制器、逆变器、储能蓄电 池等构成； 优点：安全可靠、无噪声、无污染；无需 消耗燃料，无机械转动部件，故障率低， 维护简单，建站周期短，规模大小随意， 无需架设输电线路。光伏发电前景 发展迅速（图1-9）； 效率逐步提升（表1-2）； 随着技术进步、产业规模的不断扩大，成 本继续不断降低；中国光伏发电的现状与前景 开展了单晶硅、多晶硅高效电池、非晶硅 薄膜电池、CdTe薄膜电池、CIS薄膜电池， 多晶硅薄膜电池等关键技术研究； 效率对比（表1-4）
