选修课 太阳能与人类生活考试资料

太阳能与人类生活

1.1 能源(energy source)

能源：是指自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

能的形式：机械能、光能、声能、热能、电能……

物质资源：煤、石油、天然气、太阳能、风能等。

为了便于运输和使用，经上述资源加工可得到一些

更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、沼气等。

1.2 常规能源的有限性

1.3 环境污染

空气质量等级24小时PM2.5平均值标准值

优0~35微克（ug）/每立方

良35~75微克（ug）/每立方

轻度污染75~115微克（ug）/每立方

中度污染115~150微克（ug）/每立方

重度污染150~250微克（ug）/每立方

严重污染250及以上微克（ug）/每立方

PM2.5：这是一种对空气直径小于或等于2.5um的固体颗粒或液滴的总称。

第二节太阳能概述

内部构造

（1）太阳是太阳系中唯一的恒星和会发光的天体，是太阳系的中心天体，太阳系质量的99.86%都集中在太阳。太阳系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天体以及星际尘埃等，都围绕着太阳运行（公转）。而太阳则围绕着银河系的中心运行，也就是公转。（2）太阳是位于太阳系中心的恒星，它几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。

（3）太阳是一个炽热的气态球体，没有固体的星体或核心。

（4）它的直径约为1.39×106km，是地球的109倍，质量约为2.2×l027t，为地球质量的33万倍，体积则是地球的130万倍，平均密度为地球的1/4。

（5从化学组成来看，现在太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%。

内部构造

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（光球上亮的区域叫光斑，暗的黑斑叫太阳黑子）、色球层（日珥、耀斑）和日冕层（冕洞是太阳风的风源）。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，几乎全是由光球层发出的。光球层厚约500千米，平均温度

约为6000度，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。第三节太阳能的分布及利用

我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。根据中国气象科学研究院的研究，有2/3以上国土面积，年日照在2000小时以上，年平均辐射量超过0.6MJ/cm2，各地太阳年辐射量大致在930-2330kW·h/m2之间。

从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。

太阳能丰富区：在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡／平方厘米以上。

太阳能较丰富区：北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130～150千卡／平方厘米。

太阳能可利用区：分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110～130 千卡／平方厘米。

3.2 太阳能的利用

太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用---光热利用、光电利用和光化学利用。

太阳能传输：应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输（适用于较短距离），或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输（适用于各种不同距离）。

3.3 太阳能的利用方式

光热转换利用太阳能（内能）：利用太阳辐射能加热集热器，把吸收的热能转换为机械能或电能。

例如太阳能烘干机可以烘干粮食、烟叶、干果、农副产品及木材等；

主动和被动的太阳房是利用太阳能采暖，是空调的一种简单、经济、有实效的项目；

可利用太阳能蒸馏器，用于海水淡化。

光电转换利用太阳能（电能）：即通过半导体材料直接将太阳辐射能转变为电能(直流电)。

目前太阳能电池的种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等电池。

电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。

生物转换利用太阳能（化学能/内能）：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和汽油合成汽车用油。

光化学转换利用太阳能（化学能）：通过光解或电解作用的热化学方法制造氢气，是对未来能源发展具有战略意义的一个途径。

意大利和瑞士发明了一种有效地利用太阳能分解水中氢气的方法，从生态角度上看，氢气一直被认为是理想的燃料，因为氢不产生有害废弃物，它燃烧后的唯一副产品是水，所以氢是一种清洁的燃料。

第二章太阳能的利用

第一节太阳能光热利用

基本原理是将太阳辐射能收集起来，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（＜200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（＞800℃）。

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，高温利用主要有高温太阳炉等。

•太阳灶

•太阳能热水器

•太阳能暖房

•太阳能光热发电

1.2 太阳热水器

根据集热器的结构不同，太阳热水器可分为闷晒式、平板式和真空管式。

根据热水器的承压能力不同，可分为承压热水器和非承压热水器。

根据运行方式不同，可分为自然循环方式、直流方式和强制循环方式。

根据是否循环，可分为非循环型热水器和循环型热水器。

目前我国太阳热水器生产企业所生产和销售的家用太阳热水器大体上有3大类：(一）闷晒式太阳热水器（第一代）

闷晒式太阳热水器是一种容易普及推广的太阳热水装置。从结构看，它的集热器和水箱合二为一，冷热水的循环流动是在水箱内部进行的（自然循环）。经过一天的闷晒（即内循环）容器中的水能被加热到一定的温度。

闷晒式太阳热水器的优点是结构简单，造价低廉，易于推广和使用；其缺点是装置的保温效果差，热损失大，热水只能在当天晚上使用。尽管这种热水器结构简单，但其类型和品种也很复杂，若使它完全可靠地工作，也有许多技术、材料和工艺方面的问题需要认真研究。在这里我们只简要地介绍几种有代表性的闷晒式太阳热水器。

1. 塑料袋式热水器

打开阀门后，自来水进入袋内，当

溢流管有水流出时，表示水已充满，经过一定时

间的太阳照晒，水被加热，打开阀门即可使用。

一般盛水袋上面采用透明塑料，下面采用黑色塑

料，为了防止底部散热，最好在下面放一块保温

板。这种热水器的最大特点是价格低廉，重量轻，

便于携带，很适合旅游、野外作业等外出使用；

缺点是保温性能差，使用寿命短。

塑料袋式太阳热水器改进方案：

在塑料袋表面加上透明隔热膜，以弥补袋

式热水器散热快的不足，水箱为自动给水方式。

隔热膜除具有隔热效果外，还能提高塑料袋的

耐久性。反射板的作用是增大采光量以提高热

水器的获热量。