太阳能原理及其技术

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1、太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。 自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干 物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有 意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两 种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量 的来源，如风能，化学能，水的势能等等。编辑本段简介太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能 量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太 阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天

2、然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的 地质年代形成的。它们实质上是 由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。地球本身蕴藏的能量 通常指与地球内部的 热能有关的能源和与原子 核反应有关的能源。与地球内部的热能有关的能源，我们称之为地热能。 温泉和火山爆发 喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为 地壳、地幔和地核三层，它是一 个大热库。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至 70公里不等。 地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为 2900公里。火山爆发 一般是这沃尔沃推出太阳能概念车部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为

3、2000度。可见，地球上 的地热资源贮量也很大。与原子核反应有关的能源正是核能。原子核的结构发生变化时能释放 出大量的能量，称为原子核能，简称核能，俗称原子能。它则来自于地壳 中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、 氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外，还可以用作其它类型的 动力源、热源等。来自星球引力的能量 指由于地球与月球、太阳等天体相互作用的形成 的能源。地球、月亮、太阳之间有规律的运动，造成相对位置周期性的变 化，它们之间的引力随之变化使海水涨落而形成潮汐能。与上述二类能源 相比，潮汐能的

4、数量很小。全世界的潮汐能折合成煤约为每年30亿吨，而实际可用的只是浅海区那一部分，每年约可折合为6000万吨煤。太阳能利用基本方式可以分为如下4大类。技术原理现在，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低 的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。太阳能是 太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨珠海太阳能热水工程道上的平均太阳辐射强度为1369w/m?。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出， 地球获得的能量可达TW。在海平面上的标准峰值强度为 1kw/m2，地球表面某一点 24h的年平均辐射强度为0.20kw/ ，相当于

5、有TW的能量，人类依赖这些能量维持 生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）,虽然太阳能资源总 量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整 个综合能源体系中的作用受到一定的限制。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总 辐射能量的22亿分之一，但已高达 173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。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（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来

6、贮存下来 的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。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。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。编辑本段太阳能分类太阳能光伏光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间 操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及 计算机提供能源，较复杂的光 伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。光伏板太阳能利用组件可以

7、制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多 电力。近年，天台及建筑物表 面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施 通常被称为附设于建筑物的光伏系统。太阳热能现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生 热水、蒸气和电力。除了运 用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加 入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。编辑本段利弊分析优点(1) 普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论 陆地或海洋，无论高山或岛屿 都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。(2) 无害：开发利用太阳能不会污染环境，

8、它是最清洁能源之一，在环境污染越来 越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3) 巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130万亿吨煤，其总量属现 今世界上可以开发的最大能源。(4) 长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地 球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。缺点(1) 分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是 能流密度很低。平均说来，北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大， 在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有 1000W左右；若按全年 日夜平均，则只有200W左右。而

9、在冬季大致只有一半，阴天一般只有1 / 5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。(2) 不稳定性：由于受到 昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及 晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的 太阳辐照度既是间断的， 又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的 替代能源，就必须很好地解决蓄能 问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄 能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。(3)

10、效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的， 技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说， 经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展， 主要受到经济性的制约。12010年的“黑色春天”成了一些太阳能热水器企业心中永远的痛。在许多企业看 来，行业性下滑已经成为定局。据 嘉兴太阳能协会秘书长徐 朱灵介绍：“目前，嘉兴 的海宁有真空管集热线360条，年产量可配套八百万台太阳能热水器。今年以来产能 严重过剩，产品积压，半停半工，甚至还出现了砸机当废铁卖的惨局。”?编辑本段开发途径光热利用它的基本原来是将太阳辐射能收

11、集起来， 通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的 太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把 太阳能光热利用分为低 温利用（V 200C）、中温利用（200800C）和高温利用（ 800C）。目前低温利用 主要有太阳能热水器、 太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能2太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发 电聚光集热装置等，咼温利用主要有咼温太阳炉等。太阳能发电未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实 用的主要有以下两种。 光一热一电转换。即利用太阳辐

12、射所产生的热能发电。一般是用 太阳能集热器 将所吸收的热能转换为工质的 蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动 发电机发电。前一过 程为光一热转换，后一过程为热一电转换。 光一电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能 它的基本装置是太阳能电池。光化利用这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光一化学转换方式。光生物利用通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。编辑本段开发历史据记载，人类利用太阳能已有 3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和 动力 加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源

13、”，“未来 能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳 能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在 世界上发明第一台太阳能驱动的 发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其 膨胀做功而抽水的机器。在1615年1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力 装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个 人研究制造。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。第一阶段（19001920年）在这一阶段，世界上太

14、阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式 多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质,装置逐渐扩大，最大输出功率达 73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率： 7.36kW ； 1902 1908 年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的 太阳能水泵，每个长62.5m，宽 4m，总采光面积达1250m2。第二阶段（19201945年）在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大 为减少

15、，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发牛第二次世界大战（19351945年） 有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。第三阶段（19451965年）在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然 气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研 究热潮。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为 光伏发电大规模应用奠定了基础;1955 年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研 制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件。此外，在这一阶段 里还有其它一些重要成果，比较突出的有：1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。I960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套 用平板集热器供热的氨 水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，計出nv.w jj-rti 口； rkAAh* 卉HUH太阳能利用示意图一台带有石英窗的 斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础 材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和