第三节 太阳与太阳能

1. 太阳的概况

太阳是离地球最近的一颗恒星，也是太阳系的中心天体，它的质量占太阳系总质量的99.865%。太阳也是太阳系里唯一自己发光的天体，它给地球带来光和热。如果没有太阳光的照射，地面的温度将会很快地降低到接近零开。由于太阳光的照射，地面平均温度才会保持在14℃左右，形成了人类和绝大部分生物生存的环境。

太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球，半径为6.96 × 105 km（是地球半径的109倍），质量约为1.99 × 1027 t（是地球质量的33万倍），平均密度约为地球的1/4。太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，每秒有6.57 × 1011 kg的氢聚合生成6.53 × 1011 kg的氦，连续产生3.90 × 1023 kW的能量。这些能量以电磁波的形式，以3 × 105 km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有1.77 × 1014 kW达到地球大气层上边缘，由于穿越大气层时的衰减，最后约8.5 × 1013 kW到达地球表面，这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。

根据目前太阳产生的核能速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，而地球内部组织因热核反应聚合成氦，它的寿命约为50 亿年。太阳的质量很大，在太阳自身的重力作用下，太阳物质向核心聚集，核心中心的密度和温度很高，使得能够发生原子核反应。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。

（1）核反应区：在太阳半径25%的区域内，是太阳的核心，集中了太阳一半以上的质量。此处温度大约1500万度（K），压力约为2500亿大气压，密度接近158g/cm3。

（2）辐射区：在核反应区的外面是辐射区，所属范围为0.25～0.8R，温度下降到13 万度（K），密度下降为0.079g/cm3。在太阳核心产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。

（3）对流区：在辐射区的外面是对流区（对流层），所属范围为0.8～1.0R，温度下降为5000 度（K），密度为8～10g/cm3。在对流区内，能量主要靠对流传播。

（4）太阳大气：大致可以分为光球、色球、日冕等层次。最底层称为光球，色球是中间层，外层称为日冕。日冕是极端稀薄的气体壳，可以延伸到几个太阳半径之远。可见，太阳并不是一个等温的黑体，而是一个层次丰富，不同波长放射、吸收的辐射体。

2. 太阳光

太阳光是太阳上的核反应“燃烧”发出的光，经很长的距离射向地球，再经大气层过滤后到地面，它的可见光谱段能量分布均匀，所以是白光。由各种光源发出的光，由于光波的长短、强弱、比例性质的不同而形成不同的色光，称为光源色。

光源色是影响物体色彩的重要因素。1666 年，英国科学家艾萨克·牛顿首次完成用三棱镜分离太阳光束的实验，并由此证明，太阳的白光是由各种色光组合而成的。

太阳光是最重要的自然光源，它普照大地，使整个世界姹紫嫣红、五彩缤纷。当光线随时间推移以及天气发生变化时，都会直接影响物象的色彩。除了太阳光之外，还有其他各种光源，如人们日常生活中使用的灯光，它是人工光源，比阳光弱得多，而且所含的可见光比例也和阳光不同。一般白炽灯发出的光常偏红、黄色光，而日光灯发出的光则偏蓝色光。

太阳光是一种电磁波，分为可见光和不可见光，如图1-10所示。可见光是指肉眼看到的，如太阳光中的赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫绚丽的七色彩虹光；不可见光是指肉眼看不到的，如紫外线、红外线等。红外线的波长是0.77～1000μm，分为近红外、中红外、远红外线等，其中远红外线波长为2.5～30μm，占红外线光波的20%左右，经过光的透射、折射、反射及物体的吸收，仅剩很少的一部分还维系着地球上一切生物的生存，包括人类的成长和生命的延续，因此远红外线被称为“生育光线”。

3. 太阳能的利用

就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热器、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。

（1）太阳能集热器：太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。太阳能集热器（Solar Collector）是在太阳能热系统中，接收太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热介质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种，使用寿命为20～30 年。

（2）太阳能热水系统：当前最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万台太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。

（3）太阳能暖房：利用太阳能做冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲减少大量化石能源的消耗，可设法应用太阳辐射热。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，以及室内暖房风扇系统组成的，其过程为太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，它将热水通至储热装置之中，然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，再把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，再利用风扇吹送被加热空气至室内，从而达到暖房效果。

（4）太阳能发电：即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。

4. 太阳能发电系统概述

将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器和用户负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，用户负载为系统终端。

以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳能电池具有生产效率高、成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池近年有了快速发展，但现在还占不到光伏发电的6%。从目前来看，薄膜电池虽有很好的发展潜质，但单晶硅与多晶硅电池仍是较长时间内的主流产品。太阳能光伏发电技术日新月异，企业转换率已达17%，实验室转换率已达24.7%，每年的平均增长速度超过0.2%以上。

由于太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、无机械转动部件、故障率低、维护简便、无人值守、建站周期短、规模大小随意和无须架设输电线路、方便与建筑物结合等特点，它已成为太阳能发电最基本、最普遍和最有前景的应用形式。

太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，现大多可以实现，太阳能发电还有更加激动人心的计划。

一个是日本提出的创世纪计划：准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000 年、2050 年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为65.11万km2、186.79万km2、829.19万km2。829.19万km2 仅占全部海洋面积的2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至仅是撒哈拉沙漠的91.5%。因此这一方案是有可能实现的。

另一个是天上发电方案：早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10km、宽5km的大平板，上面布满太阳能电池，这样便可提供500万kW电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。

练习与思考

1. 太阳从中心到边缘可分为哪几个区域？

2. 对于目前来说，太阳能主要用于哪几方面？

3. 光伏发电系统是由哪几部分组成的？各部分主要功能有什么作用？

阅读材料

一、我国的太阳能资源

在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达到2333kW·h/m2（日辐射量6.4kW·h/m2），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。根据各地接收太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。

一类地区：为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量为6680～8400MJ/m2，相当于日辐射量5.1～6.4kW·h/m2。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地，尤以西藏西部最为丰富。

二类地区：为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为5850～6680MJ/m2，相当于日辐射量4.5～5.1kW·h/m2。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。

三类地区：为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000～5850MJ/m2，相当于日辐射量3.8～4.5kW·h/m2。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。

四类地区：是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量为4200～5000MJ/m2，相当于日辐射量3.2～3.8kW·h/m2。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。

五类地区：主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量为3350～4200 MJ/m2，相当于日辐射量只有2.5～3.2kW·h/m2。

太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kW·h/m2 以上，西藏最高达7kW·h/m2。

二、中国光伏产业发展的关键问题

（1）材料在外、装备在外和市场在外：行业关键技术被国外企业掌握；关键设备尚需进口，装备在外正在解决；市场在外有待解决。

（2）“三顶帽子”高能耗、高污染、高成本：生产光伏电池及组件的能耗问题；生产多晶硅时产生的污染问题；光伏电池组件成本问题。