1、太阳能利用技术太阳能利用技术2012.4第一章第一章 绪绪 论论参考：太阳能原理与技术，施钰川，2009太阳及太阳能一、太阳的结构一、太阳的结构 太阳是一个巨大且炽热的气体球，它的直太阳是一个巨大且炽热的气体球，它的直径约为径约为1.41.410106 6kmkm，是地球直径的是地球直径的109109倍；体倍；体积为积为1.481.4810101818kmkm3 3,是地球体积的是地球体积的130130万倍；万倍；质量为质量为1.9891.98910102727t,t,是地球质量的是地球质量的3333万倍。万倍。二、太阳的化学组成二、太阳的化学组成太阳光谱学分析：氢太阳光谱学分析：氢75%75
2、%，氦，氦24.25%24.25%；其他；其他6060多种元素。多种元素。亮度亮度：光球层色球层日冕层温度温度100万热力学万热力学K为什么太阳温度从表面向日冕递增？为什么太阳温度从表面向日冕递增？波加热的观点：波加热的观点：太阳拥有的强大磁场能够带走太阳表面溢太阳拥有的强大磁场能够带走太阳表面溢出的波，这些出的波，这些波将自身波将自身的能量倾泻在日冕中，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。加热呈电离状态的气体，使其温度极度升高。太阳磁场极端扭曲的观点：太阳磁场极端扭曲的观点：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
3、会突然断裂，爆炸式生扭曲，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。地释放能量，迅速加热日冕气体。1.1.核反应区：核反应区：体积占体积占1.6%1.6%，质量占，质量占50%50%高温高温(80080015001500万万K)K)、高压高压(3.3(3.310101111atm)atm)下的热核反应，氢核聚变成氦下的热核反应，氢核聚变成氦核，释放巨大的能量。核，释放巨大的能量。2.2.辐射区：辐射区：体积占一半，质量占体积占一半，质量占49.9%49.9%温度温度7070万万K K，以辐射的形式向外传递能量，以辐射的形式向外传递能量。3.3.对流区：对流区：体积占体积占4
4、8.4%48.4%，质量仅占，质量仅占0.1%0.1%温度温度7070万万K K6 6000K000K，以对流的形式将能量，以对流的形式将能量传递到光球的底层，向外辐射。传递到光球的底层，向外辐射。二、太阳辐射能二、太阳辐射能(solar radiation)1.太阳风太阳风(solar wind)太阳日冕以每天约太阳日冕以每天约5107km的速度不断地的速度不断地发射被电离的微粒子流，主要由电子和质子发射被电离的微粒子流，主要由电子和质子组成组成，大约需大约需3天到达地球。当吹到地球附天到达地球。当吹到地球附近时，与地磁场发生相互作用，产生大气电近时，与地磁场发生相互作用，产生大气电离层的扰
5、动和极光现象。离层的扰动和极光现象。太阳风与地球磁场的相互作用太阳风与地球磁场的相互作用太阳风太阳风2.2.电磁波电磁波 (electromagnetic wave)(electromagnetic wave)由不同波长的射线组成由不同波长的射线组成，是太阳输送给地球能量的，是太阳输送给地球能量的主要方式。影响地球表层系主要方式。影响地球表层系统的太阳辐射主要在紫外统的太阳辐射主要在紫外(8(8)、可见光、可见光(47(47)和近红和近红外外(45(45)范围内。范围内。波长越短，频率越高；波长越短，频率越高；波长越长，频率越低。波长越长，频率越低。波长波长长波长波波长波长短波短波紫外紫外近红
6、近红外外可见光可见光 维恩定律：黑体辐射能力最大值对应的波长维恩定律：黑体辐射能力最大值对应的波长Max与辐射体表面的绝对温度与辐射体表面的绝对温度T成反比，比例常成反比，比例常数数C2897.8mK。太阳辐射称为短波辐太阳辐射称为短波辐射。地球表面辐射称为射。地球表面辐射称为长波辐射。长波辐射。MaxC=T三、太阳常数和太阳活动三、太阳常数和太阳活动1 1.太阳常数太阳常数 定义：当地球处于日地平均距离处，在定义：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面上，单位面积在单位时间内所接受的太阳辐射。太阳辐
7、射。量值：量值：1367 1367 WmWm-2-2（1969-19801969-1980年）年），标标准差准差1.6 Wm1.6 Wm-2-2，最大偏差，最大偏差7 Wm7 Wm-2-2。太阳常数的基本恒定是地球表层系统维持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。自稳定状态的主要原因。太阳常数的温度效应：太阳常数变化太阳常数的温度效应：太阳常数变化1%1%，全球平均地面气温将变化全球平均地面气温将变化0.65-2.00.65-2.0。太阳常数变化的主要原因：太阳常数变化的主要原因：太阳活动太阳活动2 2.太阳活动太阳活动 概念：太阳光球层的黑子、光斑，色球层概念：太阳光球层
8、的黑子、光斑，色球层的日珥、耀斑等的的日珥、耀斑等的生、消、聚、散生、消、聚、散变化。变化。地球地球太阳黑子太阳黑子 对太阳常数的影响：对太阳常数的影响：太阳黑子活动强时，太阳黑子活动强时，太阳辐射强度增加，太阳辐射强度增加，太阳常数增大。太阳常数增大。对近地面气候的影响：对近地面气候的影响：统计分析为主，机理仍不清楚。例如：太统计分析为主，机理仍不清楚。例如：太阳黑子低值年对应我国南涝北旱，高值年对阳黑子低值年对应我国南涝北旱，高值年对应南旱北涝。应南旱北涝。大气圈顶太阳辐射时空分布的特点大气圈顶太阳辐射时空分布的特点(W Wm m-2-2d d-1-1)全年日辐射总量低纬大于高纬全年日辐射
9、总量低纬大于高纬,季节变化季节变化低纬小于高纬。低纬小于高纬。日辐射总量夏季大于冬季，其纬向梯度冬日辐射总量夏季大于冬季，其纬向梯度冬季大于夏季。季大于夏季。春分日和秋分日赤道日辐射总量最大，向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。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，南极圈内为零；向北递增，北半球高纬最大。最大。冬至日的日辐射总量从南回归线向北递减冬至日的日辐射总量从南回归线向北递减，北极圈内为零；向南递增，南半球高纬，北极圈内为零；向南递增，南半球高纬最大。最大。日照长度及其季节变
10、化：一天之内的日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。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。北极圈以北夏至日的极昼现象。根本原因根本原因 黄赤交角和地球的公转黄赤交角和地球的公转,使太阳高度角和日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。节而变化的特点。地球的自转：地球的自转：地球自转产生昼夜地球自转产生昼夜的更替，从而使地的更替，从而使地球上太阳辐射的季球上太阳辐射的季节变化成为全球共节变化成为
11、全球共有的现象。有的现象。太阳能特点太阳能特点 广泛性广泛性 清洁性清洁性 分散性分散性 间歇性间歇性 地区性地区性 永久性永久性太阳辐射能太阳辐射能 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（H2O）；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 太阳太阳 辐射到地球大气层外界的
12、能量仅为辐射到地球大气层外界的能量仅为 其其总射能量（约总射能量（约 为为 3.751014TW）的的 22亿分亿分之一，但其辐之一，但其辐 射通量已高达射通量已高达1.73105TW，即太阳每秒钟投射到地球上的能量相当即太阳每秒钟投射到地球上的能量相当5.9106吨煤。吨煤。全年的总辐照量全年的总辐照量MJ/（m2.a）、）、KW.h/（m2.a）或全年日照小时数；）或全年日照小时数；一天内太阳直射光线照射地面的时间。以小时为单位。一天内太阳直射光线照射地面的时间。以小时为单位。我国的太阳能资源我国的太阳能资源太阳的内部构造太阳的构造太阳的构造 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度从太阳的构
13、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。发射和吸收的辐射体。在太阳能利用中通常在太阳能利用中通常将它视为一个温度为将它视为一个温度为6000K，发射波长为发射波长为0.33m的黑体的黑体。太阳能直接传输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：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。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
14、导纤维可任意弯曲传输到另一端，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。射可以将阳光导入室内。太阳能间接传输太阳能间接传输间接传输适用于各种不同距离：间接传输适用于各种不同距离：将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内。能传输到室内。将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料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。，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。
15、或激光将电能传输到地面。生物转换利用太阳能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，制成液体或质内，经过化学和生物处理，制成液体或固体燃料固体燃料。将糖类作物、谷物和植物纤维作原料，生将糖类作物、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。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，与汽油例如，巴西已从甘蔗中提炼酒精，与汽油合成汽车用油。合成汽车用油。生物转换利用太阳能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
16、，不仅可作燃料用方式。若有计划的植林，不仅可作燃料以及作为酒精沼气原料，而且还能保护环以及作为酒精沼气原料，而且还能保护环境，防止水土流失。境，防止水土流失。将高等有机废物进行分解，在厌氧微生物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。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。用，在阳光下分解制氢，提供燃料。太阳能的利用方式太阳能的利用方式 光光-热转换（热利用、热发电）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 光光-电转换电转换 发展速度快、前景
17、乐观 光化学利用光化学利用 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）
