太阳能及应用

      一、当今社会的主要能源

      现代工农业、运输业、建筑业、通讯等方面的发展，愈来愈需要消耗大量的能源。现在我们所消耗的能量，其中90％以上来源于矿物燃烧，如煤、石油、天然气。但矿物燃料的蕴藏量总是有限的，继续消耗这些燃料就意味着我们在靠“存货”维持生活。目前的开采速度，煤和石油的贮藏量正在迅速减少。其实，煤、石油不仅仅是燃料，还是重要的化工原料。仅仅将其作为燃料，而且某些地区还造成了严重的环境污染。目前这种状况主要由于社会分工太细造成的，人类应当从生存、发展的长远利益考虑，开发新的能源，比如太阳能。

      二、太阳辐射能

      能量在需要时就应得到是当然之事。重要的就是通过何种渠道获得能量。太阳能是我们应及早利用的最廉价、最优质的能量。地球以1.73×10[15]瓦的功率接收来自太阳的辐射能。约有30％以原来的波长反射回去。约有47％的太阳辐射能被大气和地球表面吸收，使温度升高，然后重新辐射回空间。只有23％的太阳辐射能到达了地球表面，成为风、气流、水波的原动力，形成气候并造成水文循环。仅有0.02％的能量通过光合作用进入生物系统。

      大气层外的太阳辐射光谱十分接近于6000K黑体的辐射光谱。 这几乎是一个连续光谱，从波长约为200毫微米的紫外区直至3000 毫微米的红外区，其峰值位于500毫微米附近。 由于大气吸收在某种程度上具有选择性，所以接收到的辐射能不仅在数量上，而且在光谱的组分方面也有所改变。图1表示地面上的太阳光谱与全电磁辐射波谱之间的比较。 图中下面一条曲线上的缺口部分表示典型的大气吸收带区。这些气体包括有氧气、氮气、二氧化碳，但主要是水蒸气。利用大气的这个特性可以制成气体成分分析仪。如二氧化碳气体分析仪，用于检测空气二氧化碳含量。

      

      电磁辐射（例如光线）显示出双重特性，这些特性可以用微粒说和波动说加以解释。辐射的能量由波长决定。在没有辐射数据而仅有日照时间记录的情况下，可采用下列公式估算辐射日总量。

      Q＝Q[,sc]（0.29cosφ＋0.52n/N）

      式中：Q——水平面上的辐射日总量（瓦时/米[2]日）；

      Q[,sc]——“太阳常数”，取9830瓦时/米[2]日；

      φ——地理纬度；

      N——一天内可能的日照时间；

      n——一天内实际的日照时间。

      三、太阳能收集方法及应用

      1 化学转化方法及应用

      太阳能的化学转化最重要的是光合作用。

      

      就中国而言，目前生态环境破坏严重，植被减少，太阳能通过光合作用转化为化学能的量愈来愈少，水土流失现象日趋严重，因此保护环境、恢复生态已迫在眉睫。

      2 电转化及应用

      太刚辐射可以利用两种方法直接转化成电，即热电转化和光电转化。

      目前已制造出许多不同类型的太阳能电池。但成本高，利用率还不很高。

      3 热转化及应用

      热转化是当今除光合作用外对太阳能利用率最高的一种方法。

      当太阳能辐射到无光泽的黑体表面上时，大部分能量被吸收了，同时伴随损耗，而且随采热板材料的种类而变化。

      （1）农业方面

      如果采热板的表面覆盖一层玻璃，则大大减少了热损耗，而热输入减少不多。这是由于玻璃具有选择性透射能力之故。玻璃盖板同时减少了对流，这就是众所周知的“温室效应”，目前在农业上已广泛应用；太阳能还常用来干燥农产品。

      （2）建筑业方面

      ①家庭用水加热

      最简单的虹吸式热水系统：由一块收集板和一个水箱组成。 如图2，水箱必须位于收集器板顶部之上。水在收集器因受热后变轻而上升，并由从水箱底部流出的较冷（较重）的水来代替。高度差（d）越大， 流量就越大（因为温差保持不变）。目前这种装置在我国中部地区已使用，而且成本低，宜于家用。

      

      ②游泳池加热

      游泳池加热需大量的能量。一个标准的容纳85米[3] 水的小型游泳池，温度每升高1℃就几乎需要100千瓦时的热量。舒适的池温介于21℃和25℃之间；而提供的热量只要高于此温度就可以了。由于收集温度最低时太阳能收集器的效率最高，所以利用太阳能收集器加热游泳池十分有利。其结构比家用热水器更为简单。

      ③供暖

      利用太阳辐射供暖一般有3种方法：

      一是将建筑物作为收集器。