第一節 太陽的光和熱 第二節 太陽能的利用 第三節 太陽能發電 萬世長青的太陽能 大 綱 第一節　太陽的光和熱 第二節　太陽能的利用 第三節　太陽能發電

第一節 太陽的光和熱 一、光輝的母親──太陽 太陽的半徑大約為69.598萬公里，是地球半徑（6371公里）的109倍。太陽的體積為141×108億立方公里，是地球體積（1.083×1012立方公里）的130萬倍。 關於太陽的質量。組成太陽的物質比較稀疏，平均每立方公分的太陽物質重1.4克，相當於水的1.4倍。太陽中心和表面的密度變化很大。太陽中心密度為每立方公分99克左右，在表面為每立方公分7～10克。總的來說，太陽質量大約是2×1027噸。這個數位是太陽系中所有行星和衛星總質量的750倍，占整個太陽系質量的99.86%。

關於太陽的內部結構。當我們仰望天空中的太陽時，所看到的那個光耀奪目的圓盤，就是包括光球(photosphere)、色球(chromosphere)和日冕(corona)的大氣層（圖2-1）。 圖2-1　太陽的日珥

太陽能量知多少 科學家研究證實，太陽內部蘊藏著的大量氫，是維持太陽生命的「糧食」。在太陽內部高溫高壓的條件下，那裏正在進行著熱核反應(thermonuclear reaction)，4個氫原子核融合為1個氦原子核（圖2-2）。熱核反應進行的時候，釋放出大量的能量，但是，這種反應比較緩慢。幾百億年以後，當這種反應停止了，太陽中心就形成氦核(helium nucleus)，不再產生能量了，太陽表面積迅速增大，成為紅巨星。這時它的表面溫度變低，顏色偏紅，體積很大，平均密度很小。此後，大約經過10億年，經過爆發，變成白矮星(white dwarf)，再變成黑矮星(black dwarf)，最後消失。隨之太陽的光和熱也就消失了。

圖2-2　氫聚變形成氦

二、灑向人間光和熱 太陽一年發出的能量，相當於現在整個地球上人類所使用的總能量的6×105億倍。這些能量的絕大部分都輻射到太陽系的宇宙空間了。其中約有二十二億分之一輻射到地球上，相當於現在地球上所使用的總能量的3萬倍。

圖2-3　輻射到地球的太陽能

細節說明如下： 1.在到達地球表面之前：被大氣和雲霧反射回去的太陽能約為30%，這些能量以原來的短波返回宇宙空間。此外，被大氣和雲霧吸收的太陽能約為20%，結果，在到達地球表面之前，被大氣和雲霧反射和吸收的太陽能為全部（即二十二億分之一）的51%。 2.在到達地球表面上的太陽能約為全部的49%中，又有2%從地面直接反射而返回宇宙空間。剩下的47%左右都輻射到地面上了。現在人們利用專門的儀器──光功率計(power meter)，可以測量太陽光給地面帶來的熱量。當陽光嚴格垂直照射並且在地球四周沒有大氣的條件下，這個測量的結果是：在1平方公分的地面上，每分鐘可以獲得2卡（8焦耳多）的熱量。經過多年的測量，這個資料始終沒有顯著的改變，因此，「2卡」被稱為「太陽常數(solar constant)」。

然而，到達地球表面的陽光和熱量，是經常受大氣層的變化而變化的。例如，晴天、陰天，地面上接收到的太陽能是不一樣的。此外，地球上緯度不同的地方所受的日光照射也有所不同。在赤道附近所得到的熱量多些，而在兩極附近則較少。造成這種差異的原因，一是地球公轉時地軸是傾斜的，而不垂直於軌道平面；二是地球是個圓球。由於這兩個原因，太陽光並不是以相同的角度射到地面的各個區域，因而強度不免有大小的區別。同一數量的光線所射到的面積越小，其熱量就越集中，強度也就越大；反之，強度則越小。

圖2-4　萬物生長靠太陽

萬物生長靠太陽 1.輻射到地球表面上的太陽能約有以熱的形式被地面和海洋所吸收，使地面和海水變暖。 2.同海水、河川、湖沼等的水分蒸發，以及降雨、降雪有關的太陽能約為23%。這些能量的一部分作為河川的水利用於水力發電等。 3.能引起風和波浪有關的太陽能約為0.2%。由於太陽能的輻射能為其他可再生能（如風力、地熱、海洋能、生物質能等地球可得到的潔淨的能源）提供了極為豐富的資源。 4. 植物是利用太陽能、水和二氧化碳進行光合作用而生長的。不過植物利用的太陽能是極少的，只有0.02%～0.03%。 5.太陽對地球來說，除了給予光和熱，還向地球發射X射線、電波和太陽風等離子體狀的粒子。而且由於上述太陽的光斑(facula)、日珥(prominence)和黑子(sunspot)等的活動，使包圍地球的上層大氣經常受到影響。

太陽能的特點 1.太陽能作為直接能源或間接能源，對人類起著非常重要的作用 2.太陽能的廣泛性 3.太陽能具有分散的特點 4.太陽能具有清潔性 5.太陽能的地區性 6.太陽能的間歇性

圖2-6　地理氣候帶的劃分示意圖

第二節 太陽能的利用 一、太陽能的利用方法 太陽的利用目前有三種方法： 1.把太陽的輻射能變成熱能，叫做光熱轉換； 2.把太陽的輻射能變成電能，叫做光電轉換； 3.把太陽的輻射能轉變成化學能，叫做光化學轉換。

1.光熱轉換 這種方法是利用集熱器或者聚光器來得到100℃以下的低溫熱源和1000～4000℃的高溫熱源。它是目前應用比較普遍的一種辦法，被廣泛地用在做飯、烘乾穀物、供應熱水、供室內取暖、空調、太陽熱能發電、輸出機械能和高溫熱處理等方面。農業上直接利用太陽輻射能的例子就是太陽能溫室和太陽能水泵。此外，太陽能還可以用在海水淡化等方面。 高溫太陽爐(solar furnace)是一種難得的沒有雜質的高溫熱源，可以用在科學研究和冶金工業上。這種熱源既能夠在很短的時間內達到幾千度的高溫，又能夠在很短的時間內把熱源切斷（圖2-7）。

圖2-7　太陽能爐灶

2.光電轉換 這種方法就是把太陽光能直接變成電能。光電轉換是利用太陽輻射能的一個重要方法，到今天為止，這種方法也才不過40年的歷史。它是利用某些物質的光電效應(photovoltaic effect)把太陽輻射能直接變成電能，它的核心就是太陽能電池(solar cell)。目前，主要的太陽能電池有矽電池、硫化鎘電池、砷化鎵電池和砷化鎵-砷化鋁鎵電池。 光電轉換效率，因材料而不同，一般約為10%，僅作為小功率的特殊電源。目前太陽能電池已應用在燈塔、航標、微波中繼站、電圍欄、鐵路信號、無線電話、電視差轉、電視接收、無人氣象站、金屬陰極保護以及電子玩具、計算器、電子錶等方面。隨著技術的發展和材料價格的降低，太陽能電池必將向較大功率的應用方面發展。

3.光化學轉換 綠色植物的光合作用就是一個光化學轉換過程。光合作用就是植物利用太陽光把二氧化碳和水變成有機物質。 目前，許多科學家正在用這個辦法生產燃料。其辦法是，在那些不跟糧食生產爭地的荒山、荒地、荒灘和湖泊等地方，種植綠色植物，然後再把收穫來的綠色植物用化學方法或者生物方法處理，就可得到固體燃料、液體燃料、肥料和石油化工等代用品。例如，菲律賓大量種植銀合歡樹（生長特別快），為工業提供木柴。巴西利用該國大面積種植的甘蔗來發展酒精燃料(alcohol fuel)工業。1983年巴西的1/4汽車燃料就是靠280家酒精廠提供的。

二、集熱器 太陽能是比較分散的能源，必須設法把它集中起來才能使用。集熱器就是各種利用太陽能裝置的關鍵部分。 什麼是集熱器呢？集熱器是吸收太陽輻射能(solar radiant energy)並向工作介質（水）傳遞熱量的裝置。它是熱水器的「心臟」。因為集熱器中的工作介質（水）與遠距離的太陽進行交換，所以它又是一種熱交換器。

1.平板集熱器： 罩在菜地暖房上的透明塑膠薄膜屬此類，取暖房的那幾扇大窗戶玻璃板也屬於平板型集熱器。它不僅可以收集太陽的直射輻射，而且可以收集太陽的散射輻射。平板型太陽能集熱器是根據「熱箱原理」設計的。所謂熱箱，就是一面面向太陽光並透明的蓋板，可使用玻璃、玻璃鋼或塑膠薄膜作蓋板，另三面內壁塗黑且為不透氣的保溫層。當太陽光透過玻璃進入箱內，使被內壁塗層吸收，轉為熱能。如果箱內盛水，水就被加熱（圖2-8）。

圖2-8　帶有熱管的平板集熱器結構

2.真空管太陽能集熱器： 是在平板型太陽能集熱器基礎上發展起來的。利用真空隔熱，並採用選擇性吸收塗層來提高集熱效率和集熱溫度的新型太陽能集熱裝置。構成這種集熱器的核心部件是真空管，它主要由內部的吸熱體和外層的玻璃管組成（圖2-9）。 按吸熱體的材料不同，真空管太陽能集熱器可分為全玻璃真空太陽集熱管和玻璃—金屬真空太陽集熱管兩大類。 玻璃—金屬真空管是國際上繼全玻璃真空管之後發展起來的新一代真空管。由於吸熱體採用金屬材料，而且真空管之間也都用金屬件連接，所以用這些真空管組成的集熱器具有工作溫度高、承壓能力大、耐熱衝擊性能好等優點。

圖2-9　真空管式集熱器結構圖

三、太陽能的儲存 目前，太陽能的儲存方法主要有兩大類，一是將太陽能的熱能直接儲存；二是將太陽能轉換成其他形式的能量儲存。 把太陽能轉變成其他能，再加以儲存，這是目前的重要選擇。最常見的是太陽能發電，然後用蓄電池蓄電。也可以利用太陽能提水的方法，白天利用太陽能把水從低處提到高處的儲水池中，夜間從水庫放水，用水的落差進行水力發電，這叫做蓄能發電。

具有更深遠意義的是太陽能的生物儲存和化學儲存。生物儲存是指利用植物的光合作用培育能源作物，或將太陽能產生的某些有機物經過微生物發酵製取沼氣或酒精，以獲得氣體燃料或液體燃料。 太陽能高溫分解水製氫，以及絡合催化分解水製氫等辦法，都是太陽能的高級轉換和儲存。 隨著科學技術的蓬勃發展，大容量、長時間的太陽能儲存問題很快就能解決。

太陽池　 太陽池(solar pond)是一種收集和儲存太陽能，並作為熱源用的水池。通常太陽池中的水是鹽水，利用這種水中鹽濃度呈穩定狀態，而吸收太陽的輻射熱。在池子的底層用隔熱材料，使熱留在底層水中防止對流損失。

圖2-10　太陽池發電示意圖

太陽灶　 太陽能的熱利用，是將太陽的輻射能轉換為熱能，實現這個目的的器件叫「集熱器」。由於使用的目的不同，集熱器和與之匹配的系統類型繁多，名稱也各不相同。例如，太陽能用於炊事，就叫「太陽灶」；用於產生熱水，就叫「太陽熱水器」；為烘乾用的設備，就稱為「太陽能乾燥器」。 利用太陽能做飯、炒菜和燒開水，在廣大農村，特別是在燃料缺乏地區，具有很大的實用價值。

1.箱式太陽灶 又叫悶曬式太陽灶，它的形狀像一個熱箱（圖2-11）。它的工作方式是置於太陽光下長時間地悶曬，緩慢地積蓄熱量。箱內溫度一般可達120～150℃，適合於悶蒸食品或作為保溫器和醫療器具的消毒用。 箱式太陽灶構造比較簡單。首先製造一個四周和底層保溫的箱體，保溫材料可選用棉花或其他無異味、不揮發的保溫材料。箱內安裝鍋架。箱蓋裝有雙層玻璃，箱式太陽灶的工作原理是：太陽光（可見光和近紅外線）幾乎全部透過平板玻璃，進入保溫箱體後，遇到黑色的吸收體，光轉變為熱。

圖2-11　箱式太陽灶

2.聚光式太陽灶 是將大面積的陽光聚焦到鍋底，使溫度達到較高的程度，一般可達到數百攝氏度以至千攝氏度以上的高溫，以滿足多種炊事用途的裝置。這種太陽灶的關鍵部件是聚光鏡，鏡面材料有拋物面（曲面）鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和薄膜鍍鋁材料等（圖2-12）。

圖2-12　倒立傘式聚光灶結構圖

3.熱管式太陽灶 與前述兩種太陽灶不同之處，在於它由兩個部分組成：(1)室外收集太陽能的集熱器，即自動跟蹤的聚光式太陽灶；(2)熱管(heat pipe)是一根長長的黑色玻璃管，也叫做真空集熱管。它是1964年問世的，由斯貝伊爾創製而成，現已得到廣泛應用。熱管的樣子很像一個長長的熱水瓶膽。在結構上兩者有些相似（圖2-13）。

圖2-13　熱管傳導式太陽灶示意圖

4.儲熱式太陽灶 最近，隨著儲熱技術的發展，科學家研製成一種儲熱太陽灶（圖2-14）。它利用化學熱泵儲熱的原理，可以長期儲存太陽能而沒有熱損失，在需要熱時，便可釋放出供炊事用的熱量。其基本構件有兩個：中心太陽能加熱器和儲熱箱。 中心太陽能加熱器是由塑膠片製成的「菲涅爾透鏡（Fresnel Lens）」，安裝在一個框架上，其長度足以蓋住幾個儲熱箱。

儲熱箱如（圖2-14）所示，箱內有一個化學系統，能吸收和儲存太陽能，並在需要時可以釋放出溫度為300℃的熱量。化學系統所用材料的選擇，建立在最新科研成果的基礎上，如選用氯化鎂和氯化鈣的氨鹽。當儲熱箱充熱時，氨從高溫鹽床（氯化鎂）釋放到低溫鹽床（氯化鈣），並與低溫鹽床的鹽化合，稍加熱低溫鹽床，氨就從中分解出來而回到高溫鹽床，並發生放熱反應，放出熱量，即可用於炊事。

圖2-14　儲熱箱的結構示意圖

四、太陽能熱水器 太陽能熱水器是一種利用太陽能把水加熱的裝置。利用太陽能平板集熱器，可以把水加熱到40～60℃，可以為家庭、機關、企業生活、生產提供洗澡、洗衣、炊事及工藝等用途的熱水，也可以用於太陽屋、溫室、製冷和熱動力等裝置中。太陽能熱水器一般由集熱器、儲水箱、循環管路及輔助裝置組成（圖2-15）。

圖2-15　太陽能熱水器

太陽能熱水器的種類主要有：悶曬式熱水器、無膽悶曬式熱水器、管板式熱水器、聚光式熱水器、真空管式熱水器等。

五、太陽能溫室 圖2-16　有遮光網塑料溫室

所謂太陽能溫室，就是太陽的輻射能——陽光，主要是可見光和近紅外線，通過透明材料被照射到玻璃暖房、花房和塑膠大棚等內部，並被這幢建築物內的物體所吸收，從而物體變暖。 太陽能溫室的結構和形式很多。溫室建築可用木材、鋼材或鋁製構件作為骨架。透光覆蓋物過去多用玻璃，近期發展以透明塑膠為主。在一些工業發達國家，硬質和半硬質塑膠已大規模生產，不僅價格低，而且耐老化和透光性均好，為快速建造輕型溫室提供了方便條件。

六、太陽能乾燥技術 太陽能乾燥技術可分為兩個階段： 加熱空氣又有兩種辦法： 1.對空氣加熱； 2.熱空氣把待乾燥物中的水分帶走。 1.直接加熱空氣：即把待乾燥物放在乾燥室內，直接受陽光輻射； 2.間接加熱空氣：利用空氣集熱器把空氣的溫度提高，並降低待乾燥物的相對濕度。

圖2-17　太陽能乾燥器

太陽能乾燥器可分高溫型乾燥器和低溫型乾燥器兩種。 高溫型乾燥器為聚焦型，常採用拋物柱面聚光器，對太陽進行自動跟蹤，待乾燥物多為顆粒狀，如糧食之類，用螺旋輸送機把物料送到線狀聚焦面，邊行進邊乾燥，效率較高。但是，這種乾燥裝置比較複雜、龐大，造價較高，推廣較困難。 低溫型太陽能乾燥器，以空氣作為乾燥介質。這種乾燥工藝設備由兩部分組成，即太陽能空氣集熱器和物料乾燥箱。此外，一般都配備較大風量的風機。溫度一般在40～65℃，特別適合果品乾燥和農副產品加工的需要，如紅棗、荔枝、煙葉、藥材和豆製品等。目前國內外研究的太陽能乾燥器，多屬於低溫型乾燥器。

七、太陽屋 太陽屋是利用太陽能取暖和降溫的房屋建築。 圖2-18　太陽房

1.主動式太陽屋： 圖2-19　 主動式太陽房成行平行的集熱器

2.被動式太陽屋 圖2-20　被動式太陽能供暖系統

八、太陽能製冷 人們知道，當氣體（空氣）或液體（如水、氨溶液、硫氰酸鈉溶液等）被壓縮時，會放出熱量。相反，當氣體或液體膨脹時，要吸收熱量，這叫做氣體或液體壓縮放熱，膨脹吸熱原理。人們利用物質膨脹吸熱的原理，來達到降溫的目的。

九、太陽能蒸餾器 目前，太陽能蒸餾器多用在海水淡化方面。我們知道，地球上總的水量雖然不少，有1.5×1018立方公尺，但其中97.3%都是苦鹹的海水，在剩下2.7%的淡水中，有2%為冰，分布在兩極的冰雪地帶和其他冰山上，只有0.7%的淡水分布在江、河、湖泊中，供人們飲用及農作物灌溉使用，這是遠遠不夠的。另外，隨著世界人口的增加，特別是工業用水的增加，使許多城市用水日漸緊張。因此，海水淡化越來越被人們所重視。

圖2-21　太陽能蒸餾器剖面示意圖

第三節 太陽能發電 一、什麼是太陽能發電  太陽能發電，是利用集熱器把太陽輻射能轉變成熱能，然後通過汽輪機、發電機來發電。它與常規火力發電主要不同之處是：動力來源不是煤或油，而是太陽輻射能，用集熱器和吸收器取代了鍋爐。

目前，將太陽能轉換為電能有兩種基本途徑：一種是把太陽光輻射能轉換為熱能，即太陽熱發電；另一種是通過光電器件將太陽光直接轉換為電能，即太陽光發電。 太陽熱發電又分為兩種類型：一種是太陽熱動力發電，即採用反射鏡把陽光聚集起來加熱水或其他介質，使之產生蒸汽用以推動渦輪機等熱力發動機，再帶動發電機發電；另一種是利用熱電直接轉換，如溫差發電（熱電偶）、熱離子發電、熱電子發電、磁流體發電等原理，將聚集的太陽熱直接轉換成電能。

二、太陽能電池 太陽能的光電轉換，是指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程，通常叫做「光生伏特效應」，太陽電池就是利用這種效應製成的（圖2-23）。當太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射掉，其餘部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，於是產生電子—電洞對。這樣，光能就以產生電子—電洞對的形式轉變為電能。 製造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種，因此，太陽電池的種類也很多。目前，技術最成熟，並具有商業價值的太陽電池要算矽太陽電池。

圖2-23　光電池工作示意圖

太陽電池在地面的主要應用有以下幾個方面： 1.航標燈 2.鐵路信號、自動自動遮斷器（柵欄）、照明、通信等鐵路設施 3.電視差轉 4.通信電源 5.黑光燈 6.光電水泵

三、宇宙發電新技術 圖2-25　宇宙發電設計示意圖

科學家們設想的空間太陽能發電有兩種方案。 四、在月球上發電 科學家們設想的空間太陽能發電有兩種方案。 1.建立太陽能發電衛星，在衛星上用太陽能發電； 2.將月球作為基地，建立太陽能電廠。 這兩種方案的基本構想相同，都是在地球外太空利用太陽能發電，以避免地球氣候的影響，甚至也沒有晝夜的區別，一天24小時都可以發電。然後通過微波和雷射將電能傳輸給地球，在地球上裝有接收器，再將所轉變成的電能供千家萬戶使用。