第三節(jié) 太陽與太陽能

1. 太陽的概況

太陽是離地球最近的一顆恒星，也是太陽系的中心天體，它的質量占太陽系總質量的99.865%。太陽也是太陽系里唯一自己發(fā)光的天體，它給地球帶來光和熱。如果沒有太陽光的照射，地面的溫度將會很快地降低到接近零開。由于太陽光的照射，地面平均溫度才會保持在14℃左右，形成了人類和絕大部分生物生存的環(huán)境。

太陽是一個主要由氫和氦組成的熾熱的氣體火球，半徑為6.96 × 105 km（是地球半徑的109倍），質量約為1.99 × 1027 t（是地球質量的33萬倍），平均密度約為地球的1/4。太陽的能量主要來源于氫聚變成氦的聚變反應，每秒有6.57 × 1011 kg的氫聚合生成6.53 × 1011 kg的氦，連續(xù)產生3.90 × 1023 kW的能量。這些能量以電磁波的形式，以3 × 105 km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太陽總輻射的二十二億分之一，即有1.77 × 1014 kW達到地球大氣層上邊緣，由于穿越大氣層時的衰減，最后約8.5 × 1013 kW到達地球表面，這個數(shù)量相當于全世界發(fā)電量的幾十萬倍。

根據(jù)目前太陽產生的核能速率估算，其氫的儲量足夠維持600億年，而地球內部組織因熱核反應聚合成氦，它的壽命約為50 億年。太陽的質量很大，在太陽自身的重力作用下，太陽物質向核心聚集，核心中心的密度和溫度很高，使得能夠發(fā)生原子核反應。太陽從中心到邊緣可分為核反應區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)和太陽大氣。

（1）核反應區(qū)：在太陽半徑25%的區(qū)域內，是太陽的核心，集中了太陽一半以上的質量。此處溫度大約1500萬度（K），壓力約為2500億大氣壓，密度接近158g/cm3。

（2）輻射區(qū)：在核反應區(qū)的外面是輻射區(qū)，所屬范圍為0.25～0.8R，溫度下降到13 萬度（K），密度下降為0.079g/cm3。在太陽核心產生的能量通過這個區(qū)域由輻射傳輸出去。

（3）對流區(qū)：在輻射區(qū)的外面是對流區(qū)（對流層），所屬范圍為0.8～1.0R，溫度下降為5000 度（K），密度為8～10g/cm3。在對流區(qū)內，能量主要靠對流傳播。

（4）太陽大氣：大致可以分為光球、色球、日冕等層次。最底層稱為光球，色球是中間層，外層稱為日冕。日冕是極端稀薄的氣體殼，可以延伸到幾個太陽半徑之遠。可見，太陽并不是一個等溫的黑體，而是一個層次豐富，不同波長放射、吸收的輻射體。

2. 太陽光

太陽光是太陽上的核反應“燃燒”發(fā)出的光，經很長的距離射向地球，再經大氣層過濾后到地面，它的可見光譜段能量分布均勻，所以是白光。由各種光源發(fā)出的光，由于光波的長短、強弱、比例性質的不同而形成不同的色光，稱為光源色。

光源色是影響物體色彩的重要因素。1666 年，英國科學家艾薩克·牛頓首次完成用三棱鏡分離太陽光束的實驗，并由此證明，太陽的白光是由各種色光組合而成的。

太陽光是最重要的自然光源，它普照大地，使整個世界姹紫嫣紅、五彩繽紛。當光線隨時間推移以及天氣發(fā)生變化時，都會直接影響物象的色彩。除了太陽光之外，還有其他各種光源，如人們日常生活中使用的燈光，它是人工光源，比陽光弱得多，而且所含的可見光比例也和陽光不同。一般白熾燈發(fā)出的光常偏紅、黃色光，而日光燈發(fā)出的光則偏藍色光。

太陽光是一種電磁波，分為可見光和不可見光，如圖1-10所示。可見光是指肉眼看到的，如太陽光中的赤、橙、黃、綠、青、藍、紫絢麗的七色彩虹光；不可見光是指肉眼看不到的，如紫外線、紅外線等。紅外線的波長是0.77～1000μm，分為近紅外、中紅外、遠紅外線等，其中遠紅外線波長為2.5～30μm，占紅外線光波的20%左右，經過光的透射、折射、反射及物體的吸收，僅剩很少的一部分還維系著地球上一切生物的生存，包括人類的成長和生命的延續(xù)，因此遠紅外線被稱為“生育光線”。

3. 太陽能的利用

就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級階段，主要有太陽能集熱器、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電等方式。

（1）太陽能集熱器：太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道及抽水泵其他部件。太陽能集熱器（Solar Collector）是在太陽能熱系統(tǒng)中，接收太陽輻射并向傳熱工質傳遞熱量的裝置。按傳熱介質可分為液體集熱器和空氣集熱器。按采光方式可分為聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種，使用壽命為20～30 年。

（2）太陽能熱水系統(tǒng)：當前最廣泛的太陽能應用即用于將水加熱，現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬臺太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統(tǒng)主要元件包括收集器、儲存裝置及循環(huán)管路三部分。

（3）太陽能暖房：利用太陽能做冬天暖房之用，在許多寒冷地區(qū)已使用多年。因寒帶地區(qū)冬季氣溫甚低，室內必須有暖氣設備，若欲減少大量化石能源的消耗，可設法應用太陽輻射熱。太陽能暖房系統(tǒng)是由太陽能收集器、熱儲存裝置、輔助能源系統(tǒng)，以及室內暖房風扇系統(tǒng)組成的，其過程為太陽輻射熱傳導，經收集器內的工作流體將熱能儲存，再供熱至房間。最常用的暖房系統(tǒng)為太陽能熱水裝置，它將熱水通至儲熱裝置之中，然后利用風扇將室內或室外空氣驅動至此儲熱裝置中吸熱，再把此熱空氣傳送至室內；或利用另一種液體流至儲熱裝置中吸熱，當熱流體流至室內，再利用風扇吹送被加熱空氣至室內，從而達到暖房效果。

（4）太陽能發(fā)電：即直接將太陽能轉變成電能，并將電能存儲在電容器中，以備需要時使用。

4. 太陽能發(fā)電系統(tǒng)概述

將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電技術。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，用戶負載為系統(tǒng)終端。

以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高；非晶硅太陽能電池具有生產效率高、成本低廉，但是轉換效率較低，而且效率衰減得比較快；多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定的轉換效率，而且性能價格比最高；薄膜晶體硅太陽能電池近年有了快速發(fā)展，但現(xiàn)在還占不到光伏發(fā)電的6%。從目前來看，薄膜電池雖有很好的發(fā)展?jié)撡|，但單晶硅與多晶硅電池仍是較長時間內的主流產品。太陽能光伏發(fā)電技術日新月異，企業(yè)轉換率已達17%，實驗室轉換率已達24.7%，每年的平均增長速度超過0.2%以上。

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機械轉動部件、故障率低、維護簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無須架設輸電線路、方便與建筑物結合等特點，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應用形式。

太陽能的使用主要分為幾個方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統(tǒng)等，現(xiàn)大多可以實現(xiàn)，太陽能發(fā)電還有更加激動人心的計劃。

一個是日本提出的創(chuàng)世紀計劃：準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導電纜將全球太陽能發(fā)電站連成統(tǒng)一電網以便向全球供電。據(jù)測算，到2000 年、2050 年、2100年，即使全用太陽能發(fā)電供給全球能源，占地也不過為65.11萬km2、186.79萬km2、829.19萬km2。829.19萬km2 僅占全部海洋面積的2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至僅是撒哈拉沙漠的91.5%。因此這一方案是有可能實現(xiàn)的。

另一個是天上發(fā)電方案：早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設太陽能發(fā)電站的設想，準備在同步軌道上放一個長10km、寬5km的大平板，上面布滿太陽能電池，這樣便可提供500萬kW電力。但這需要解決向地面無線輸電問題。現(xiàn)已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機實現(xiàn)了短距離、短時間、小功率的微波無線輸電，但離真正實用還有漫長的路程。

練習與思考

1. 太陽從中心到邊緣可分為哪幾個區(qū)域？

2. 對于目前來說，太陽能主要用于哪幾方面？

3. 光伏發(fā)電系統(tǒng)是由哪幾部分組成的？各部分主要功能有什么作用？

閱讀材料

一、我國的太陽能資源

在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達到2333kW·h/m2（日輻射量6.4kW·h/m2），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。根據(jù)各地接收太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區(qū)。

一類地區(qū)：為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量為6680～8400MJ/m2，相當于日輻射量5.1～6.4kW·h/m2。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地，尤以西藏西部最為豐富。

二類地區(qū)：為我國太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量為5850～6680MJ/m2，相當于日輻射量4.5～5.1kW·h/m2。這些地區(qū)包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。

三類地區(qū)：為我國太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5000～5850MJ/m2，相當于日輻射量3.8～4.5kW·h/m2。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。

四類地區(qū)：是我國太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量為4200～5000MJ/m2，相當于日輻射量3.2～3.8kW·h/m2。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地。

五類地區(qū)：主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區(qū)，年太陽輻射總量為3350～4200 MJ/m2，相當于日輻射量只有2.5～3.2kW·h/m2。

太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4kW·h/m2 以上，西藏最高達7kW·h/m2。

二、中國光伏產業(yè)發(fā)展的關鍵問題

（1）材料在外、裝備在外和市場在外：行業(yè)關鍵技術被國外企業(yè)掌握；關鍵設備尚需進口，裝備在外正在解決；市場在外有待解決。

（2）“三頂帽子”高能耗、高污染、高成本：生產光伏電池及組件的能耗問題；生產多晶硅時產生的污染問題；光伏電池組件成本問題。