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。

2. 浅池式太阳热水器浅池式热水器就好像一个盛水的浅池子，它既能贮水又能集热。

池底部和四壁加上防水层和进行保温处理，涂上黑色涂料，并与外壳做成一个整体。

在距底面约10cm 左右处安装一个溢流管，用来保持池中的容水量。

这种热水器的特点：结构简单，成本低廉，特别适合农村使用；由于它是水平放置，因此在高纬度地区不能充分利用太阳能，玻璃内表面上常常有水雾，影响透光，池内易长青苔，使水质和使用寿命受到影响，要经常清理3. 筒式太阳热水器筒式热水器比浅池式热水器有所改进，即由敞开式改为密闭式。

水质清洁，不长青苔。

这种热水器比前两种热效率高，保温性能好。

筒式热水器可以根据需要做成单筒，双筒或多筒，盛水筒可以横放，也可以南北方向倾斜放置。

4. 真空管闷晒式太阳热水器外径126mm 的真空玻璃管内，装有直径100mm的不锈钢筒，其表面有选择性涂层（吸收率0.91、发射率0.12），两个筒间抽成真空。

每支管容水量约为25kg。

不锈钢筒内装1根进水管，可以用进水将热水顶出使用。

该产品的热损失比以上闷晒热水器的热损失小得多，保温性能很好。

（二）家用平板太阳热水器热水器集热器和水箱紧密结合，上下循环管很短，不仅节省了材料，而且可以减少管路的热损失。

水箱前板能把阳光反射到集热器表面，提高热水器的性能。

该产品有承压和非承压2种，还可以根据需要，制成集热器与水箱分离的产品。

为了使热水器具有防冻、抗冻功能，可采用双循环系统，在水箱中设置换热器，其换热面积一般不超过采光面积的一半，防冻介质一般可用乙二醇，丙三醇等溶液。

由太阳能板集热器，导管，储水箱三部分组成。

优点：1、节省空间，集热器与储水箱相分离，解决高层用户的安装烦恼;2、集热器可悬挂在阳台或室外墙体上，减小风阻，美观大方；3、集热器并不与导管内的水直接接触，而是通过传导液将热能传导到冷凝端，由冷凝端将热能传导到导管内，不会产生水垢；4、储水箱内配有辅助电加热系统，即使阳光不足时开启辅助系统也可正常使用热水器；5、储水箱内的由搪瓷内胆结构组成，将水电隔离，安全可靠；6、整套系统承压使用，不会出现储水箱因缺水而导致水箱空烧现象，使用更安全。

（三）家用真空管式太阳热水器真空管式太阳热水器有全玻璃真空管和热管真空管两种。

这两类热水器水箱的容水量，也就是热水器每天所获得的热水量，主要取决于管子尺寸和数量。

市场上全玻璃真空管的外径有47，58，70，100 mm，长度有1.2，1.5，1.8，2.0m等尺寸。

对真空管式太阳热水器，要特别注意炸管、管中结垢、颗粒悬浮物沉淀和跑水现象。

为此，有的企业已研制了“三防”产品，极大地减少了维修的工作量，值得推广应用。

热管真空管太阳热水器有两个值得注意的产品质量问题：热管的寿命不能和热水器寿命同样长；热管与水箱内胆结合处的密封胶圈易被高温烫坏。

太阳能热水器为什么能使水变热？利用太阳能的热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，当集热器吸收太阳光以后，集热器内的温度上升，水温也随之升高。

水温升高后，便由上升水管进入循环水箱的上部。

而循环水箱下部的冷水就由水箱下部流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。

这样不断地对流循环，水温逐渐升高太阳能热水器在使用过程中应注意哪些问题？注意上水时间。

由于真空管在空晒时，管内温度能达到250℃左右，故在水箱内无水或第一次上水时必须在日出前或太阳落山半小时后进行。

根据天气情况，决定上水量，保证洗浴时适当的水温；定期检查热水器的管道，排气孔等元件是否正常工作；大气污染严重或风沙大、干燥地区定期冲洗真空管；热水器安装后，非专业人员不要轻易挪动、装卸整机，以免损坏关键元件。