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一．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3.75×1026W)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500万吨煤。图4-9是地球上的能流图。从图上可以看出，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(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用铜制凹面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光化学利用，太阳能的光电利用和太阳能的光热利用等。在高科技的支持下．可以期望太阳能将成为2l世纪的最主要的辅助能源。
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| 太阳能电站 |
太阳能赛车 |
太阳能收音机 |
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二．太阳辐射
1．太阳
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，体积则比地璋大1.3倍，平均密度为地球的1/4。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，温度也从中心向裹面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氢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连率估算，其氢的储量足够维持600亿年．因此大阳能可以说是用之不竭的。
太阳的结构如图4-10所示。在大阳平均半径23%(0．23R)的区域内是太阳的内核，
其温度约为8×106-4×107，密度为水的80-100倍，占太阳全部质量的40%，总体积的15%。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90%。氢聚合时放出γ射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成x射线或紫外线及可见光。从0.23-0.7R的区域称为“辐射输能区，温度降到1.3×105K，密度下降为0.079g/cm3。0.7-1.0R之间称为“对流区”，温度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。
太阳的外部是一光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，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。光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色璋层”，厚约1～1.5×104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。
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0.3-3m的黑体。
2．太阳常数
众所周知，地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23.5°。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化(见图4-11)。
由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意昧着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大(平均距离为1.5×108KM)，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353W/m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过±3.4%。
3．到达地面的太阳辐射
太阳辐射穿过大气层面到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。
到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的大阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看图4-12，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。当大阳位于S΄点时，其穿过大气层到达A点的路径周为O΄A。O΄A与OA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和00C时晦平面上太阳垂直入射时，大气质量m=1。从图4-12可知：
m=  （4-2）
式中，h为太阳的高度角。
显然地球上不同的地区、不同的季节、不同的气象条件下到达地面的太阳辐射强度是不同的。表4-5给出了热带、温带和比较寒冷地带的太阳平均辐射强度。
通常根据各地的地理和气象情况已将到达地面的太阳辐射强度制成各种可供工程使用的图表，它们不但对太阳能利用，而且对建筑物的采暖、空调设计也是至关重要的数据。
我国太阳能资源丰富，全国有2/3地区全年日照在2200h以上，最长的高达2800-3300h，其中华北、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏和青藏高原都是日照充足．气温较低．极有利于太阳能利用的地区。
三．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。
(1)平板集热器
平板集热器是非聚光类集热嚣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。典型的平板集热器如图4—13所示，它由集热板 、透明盖板、隔热层、外壳四部分组成。
经过多年发展，平板集热器的性能日益提高，型式多样，规格齐全，能满足各种太阳能热利用装置的需要。近年来真空管平板集热器有了很大发展，它是将单根真空管装配在复合抛物面反射镜的底部，兼有平板和固定式聚光的特点。它能吸收太阳光的直射和80%的散射。由于复合抛物面反射镜，是一种性能优良的广角聚光镜，集热管又为双层玻璃真空绝热，隔热性能优良，工作流体通道采用不锈钢管，集热面为选择性吸收热表面，因此这种真空管平板集热器性能优良，工作温度最高可超过175℃。即使在环境温度比较低和风速较高的情况下，也有较高的效率，已广泛用于家庭热水采暖、空调和工业热利用中。
(2)聚光集热器
平板集热器直接采集自然阳光，集热面积等于散热面积，理论上不可能获得较高的运行温度。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；跟踪系统面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入射太阳辐射总是互相垂直的。
提高自然阳光能量密度的聚光方式很多，根据光学原理可以分为反射式和折射式两大类。所谓反射式，是指依靠镜面反射将阳光聚集到吸收器上。常用的有：槽形抛物面和旋转抛物面反射镜；圆椎反射镜；球面反射镜等。折射式则是利用制成棱状面的透射材料或一组透镜使入射阳光产生折射再聚集到吸收器上。
2．太阳能热水器
太阳能热利用中历史最悠久，应用得最广泛的就是太阳能热水器。自1891年美国马里兰州的肯普发明第一台太阳能热水器以来至今已有一百多年的历史。发展到今天日本就有一千万幢以上的住宅安装了太阳能热水器。
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。
(1)闷晒式
闷晒式的特点是水在集热器中不流动，闷在其中受热升温．故称闷晒式。这种热水器结构十分简单，当集热器中的水升温到一定值时即可放水使用。
(2)直流式
直流式热水器由集热器、蓄热水箱和相应的管道组成。水在这种系统中并不循环，故称直流式。为使集热器中出是自然循环式太阳能热水器的示意图。水箱中的冷水从集热器的
底部进入，吸收太阳能后量度升高，密度降低，与冷水之间形成的密度差构成了循环的动力。当循环水箱顶部的水温达到使用温度的上限时，则由温控器打开电磁阀使热水流人热水箱，与此同时补给水箱自动补水。当水温低于使用温度的下限时，温控器使电磁阀关闭。这种装置可使用户得到所需温度的热水，使用起来非常方便。
(3)循环式
循环式太阳能热器是应用广的热水器。按照水循环的动力又可分为自然循环和强迫循环。 因为自然循环压头小，对于大型太阳能供热水系境通常就需要采用强迫循环，由泵提供水循环的动力。
3．太阳房
直接利用太阳能进行采暖、供热水、供冷与空调的住宅广义上统称为太阳房。根据太阳房的工作方式可以分为被动式太阳房和主动式太阳房两大类。在被动式太阳房中热以自然对流的形式传递，无需额外的动力；而在主动式太阳房中用由机械带动热循环系境。
(1)被动式太阳房
人类利用太阳能采暖已有悠久的历史，例如将房屋砌向朝阳，并开一个巨大的窗户，自然地将太阳能引入室内采暖，这就是最原始的被动式太阳房。由于没有专设的集热装置以及隔热措施和贮热设备，这种原始的被动式太阳房既不能充分利用太阳能，也不能将白天的太阳能保留到晚上。现代的被动式太阳房由于采取了一系列的措施，已取得良好的采暖效果。
图4-15是最简单的自然供暖的被动式太阳房的示意图。这种太阳房白天的中午直接依靠太阳辐射供暖，多余的热量为热容量大的建筑物本体(如墙、天花板、地基)及由碎石填充的蓄 热槽吸收；夜间通过自然对流放热使室内保持一定的温度，达到采暖的目的。这种太阳房构造简单，取材方便，造价便宜，无需维修，有自然的舒适感，特别适合发展中国家的广大农村。
为进一步提高被动式太阳房的采暖效率，增大接受阳光的窗户面积，同时采用隔热套窗和双层玻璃窗来防止散热是首先应采取的措施。对被动式太阳房的进一步改进是在向阳的垂直的玻璃窗面内装设厚约60cm的混凝土墙，墙涂黑，兼作集热和蓄热壁。玻璃窗面和墙之间留有30～50mm的夹层。墙上下两端开有长方形的通气孔。当墙壁吸收阳光被加热后，夹层中的热空气就通过上端开孔流入房间中；冷空气则从下端开孔流进夹层，构成自然循环，从而达到采暖的目的。
被动式太阳房形式多样，建筑技术简单，便宜、舒适。我国从1977年开始就开展了不同型式太阳房的试验研究和推广工作，建立了几十座试验性太阳房。随着农村经济的发展，可以预料，在我国西北、华北等太阳能丰富的地区将建起更多的被动式太阳房。
(2)主动式太阳房
主动式太阳房的结构型式很多，图4—17是一典型的不带辅助锅炉的主动式太阳房。它利用集热器产生的热水采暖，结构简单，蓄热器置于室外，室内又是由地板供暖，故不占用室内居住面积是这种系统的一大优点。
因为太阳辐射受天气影响很大，为保证室内能稳定供暖，并在供暖的同时还能供热水，因此对比较大的住宅和办公楼通常还需配备辅助热水锅炉。来自太阳能集热器的热水先送至蓄热槽中，再经三通阀将蓄热槽和锅炉的热水混合，然后送到室内暖风机组给房间供热(见图4-18)。这种太阳房可全年供热水。除了上述热水集热、热水供暖的主动式太阳房外，还有热水集热、热风供暖太阳房以及热风集热、热风供暖太阳房。前者的特点是热水集热后．再用热水加热空气，然后向各房间送暖风；后者采用的就是太阳能空气集热器。热风供暖的缺点是送风机噪声大，功率消耗高。
33层顶上安装了全国最高的太阳能热水系统
4．太阳能干燥
自古以来，人们就广泛采用阳光下直接曝晒的方法来干燥各种农副产品。这种传统干燥方法，极易遭受灰尘和虫类的污染以及被阵雨淋湿，严重影响产品质量，干燥时间也长。为此近年来世界各国对太阳能干燥进行了许多研究。太阳能干燥有以下优点：
1)节约燃料
采用吸热干燥的方法，每蒸发1kg的水分，约需243kg的热量。据此估算，干燥1t红枣，需耗煤1t干燥1t烟叶，需耗煤2.5t。因此利用太阳能可以节约大量燃料。
2)缩短干燥时间
由于太阳能干燥的工作温度远高于自然干燥的温度，被干燥物品的水分蒸发大大加快；因此采用太阳能干燥，干燥时间可以大大缩短。表4—6给出了太阳能干燥和自然干燥的干燥速度的比较。
3)提高产品质量
由于太阳能干燥采用专门的干燥室，因此，干净、卫生，还能杀虫灭菌，所以既可提高产品质量，又可延长产品贮存时间。
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，可见太阳能海水淡化的悠久历史。70年代后由于能源危机的出现，太阳能海水淡化也得到了更迅速的发展。
6．太阳炉
与一般工业用电炉、电弧炉不同，太阳炉是利用聚光系统将太阳辐射集中在一个小面积上而获得高温的设备。由于太阳炉无杂质，可以获得3500℃左右的高温，因此在冶金和材料科学领域中倍受重视。
透镜点火就是最早的太阳炉。法国科学家拉瓦锡就曾用一个透镜系统来熔化包括铂在内的各种材料。但透镜材料的吸收及透镜成像的像差都会造成太阳辐射的损耗，因此不易获得更高的温度。此后科学家采用更好的聚光方法和精确的太阳跟踪系统使太阳炉获得更大的功率和更高的温度。1952年在法国南部比利牛斯山建立了世界上第一个大型太阳炉，入射到太阳炉中的太阳辐射约为70kW。70年代法国又在比利牛斯山上建造了世界上最大的巨型太阳炉，输出功率1000kW，最高温度达4000K。每年吸引了许多国家的科学家来此进行高温领域的科学研究。
太阳炉一般可分成两大类，一类是直接入射型，它的聚光器直接朝向太阳。另一类是定日镜型，它是借助于可转动的反射镜或定日镜将太阳辐射反射到固定的聚光器上。
由于太阳炉能获得无污染的高温，并可迅速实现加热和冷却，因此是一种非常理想的从事高温科学研究的工具。例如利用太阳炉熔化高熔点的金属，如钽、钨等；熔化氧化物制取晶体；进行高温下物性的研究等。
7．太阳灶
太阳灶是利用太阳能来烹调食物，在广大农村，特别是燃料缺乏地区有很大的现实意义。然而要使太阳灶在发展中国家能获得大规模的应用，太阳灶本身必须具备以下条件：
(1)太阳灶必须提供足够的能量和温度，能烹煮所需种类和数量的食物；
(2)太阳灶必须坚固耐用，能承受频繁的操作使用以及风和其他外来影响；
(3)太阳灶必须被社会所接受，适应人们的烹饪和饮食习惯，例如能在蔽荫处做饭，最好在没有太阳时也能烹饪；
(4)太阳灶应当制造方便，能利用当地的人力和物力；
(5)太阳灶的价格应能与其他灶具竞争。
为使太阳灶能完全满足上述条件，还需科学家和工程技术人员作更大的努力。
目前市场上太阳灶可以分为两类：热箱式太阳灶和聚光型太阳灶(见图4-24)。前者是利用温室效应将太阳能不断积累起来形成一个热箱，它结构简单，成本低廉，使用方便；但功率有限，箱温不高，只适合于蒸烤食物，且蒸烤时间长。后者利用聚光方法大大提高了太阳灶的温度，便于煮炒食物及烧开水等多种饮食作业，但制作复杂，成本较高。
8．太阳能制冷
太阳能制冷是指利用太阳辐射热作动力来驱动制冷装置工作太阳能制冷之所以前景诱人，就是由于越是太阳辐射强的时候，环境气温越高，越需要制冷。这与太阳能采暖的情况正好相反，越是冬季需要采暖的时候，太阳辐射越弱。但太阳能制冷的 开发利用远不如太阳能采暖，其主要原因是制冷系统和设备比采暖复杂，成本很高。
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单晶硅太阳能风扇帽 |
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9．太阳池
太阳池是一种人造盐水池。它利用具有一定盐浓度梯度的池水作为太阳能的集热器和蓄热器，从而为大规模地廉价利用太阳能开辟了一条广阔的途径。
20世纪初匈牙利科学家凯莱辛斯基在考察匈牙利的迈达夫湖时意外发现，夏末在湖深132cm处的水温竟高达70℃ 。但这意外发现一直未受到足够重视，直到60年代初以色列科学家在死海海岸建立了第一座实验池才发现80cm深处，水沮温可达90℃，于是世界上第一座用人造盐水池来收集太阳能的装置就被命名为“太阳池”。此后，美、前苏联、加、法、日、印度等国也对太阳池的各个方面进行了大量的研究。1979年以色列还成 功地用太阳池(深2．7m，面积7000m2)作热源建立了一个150kW的发电站。现在太阳池在采暖、空调和工农业生产用热方面都已得到实际应用，并取得了良好效果。
太阳池的贮热量很大，因此可以用来采暖、制冷和空调。许多国家都利用太阳池为游泳池提供热量或为健身房供暖，或用于大型温室。其中利用太阳池发电是最为吸引人的。
以色列80年代在死海又建了一座功率为5MW的太阳池发电站。2000年以后以色列的太阳池发电将达2000MW。美国已在建单机容量为30MW的太阳池发电站。由于太阳池发电的成本远低于其他太阳热发电方法，其价格还可同燃油电站竞争，因此21世纪将有较大发展。
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| 太阳能供热系统 |
太阳能深水泵 |
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四．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重要的能源动力。
太阳电池不必将太阳光能先转换成热能，再由热能转换成电能，它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”的硅半导体上时，波长极短的光很容易被半导体晶体内部吸收，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。太阳电池质量的一个重要指标是它的光电转换效率，例如单晶硅太阳电池的理论转换效率约为28%，目前硅太阳电池的实际光电转换效率约为15%，还有进一步改进的余地。硅太阳电池目前存在的另一主要问题是价格较贵。为了降低成本，人们开始用非晶硅半导体来代替晶体硅半导体作太阳电池的材料。非晶硅和晶体硅相比，更容易吸收波长更短的光。此外太阳电池的整体厚度采用晶体硅至少要70μm，而采用非晶硅时只需1μm，从而大大节约了原料，降低了成本。但目前非晶硅的光电转换效率还有待提高。
太阳电池不但可以利用太阳光的直射，还可以利用太阳的散射光；它重量轻，无活动部件，使用安全，单位质量有相当大的功率输出，可适用小型或大型发电，因此它一诞生就倍受关注。随着光电技术的不断进步，太阳电池的应用也从航天领域走向各行各业，走向千家万户。太阳能汽车，太阳能游艇，太阳能自行车，太阳能飞机都相继问世，它们中有的已进入市场。太阳能手，太阳能计算器更是进入普通家庭。然而对人类最有吸引力的是所谓跨世纪的太空太阳电站。
因为地面上的日照状况受地球自转、公转和气候的影响很不稳定，于是科学家设想通过航天器在离地球3.58万km的地球同步轨道上建立一个重达万吨的巨型同步卫星太阳电站。它是由永远朝向太阳的太阳电池列阵，能把直流电转换成微波能的微波转换站，发射微波束能的列阵天线等三部分组成，通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。太空太阳电站是十分巨大的，据计算一座8×1010w的太空太阳电站其太阳电池的列阵面积即达64Km2，要装配几百亿个电池片，把微波发往地球的天线列阵面积需2.Km2。从现有科学技术发展的情况看，航天器正在飞速的进步，太阳电池的成本正在不断降低，转换效率也在逐步提高，因此在21世纪建成太空太阳电站是完全可能的。太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况，人类都期待这一天的到来。
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| 太阳能航标灯 |
飞行器上的太阳能电池板 |
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| 太阳能淡水养殖场 |
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视频：能源科学资料集成——太阳能
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