第一章 太阳能和太阳光谱

Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳光谱2太阳能资源分布4太阳能利用方式及分类31太阳辐射能的测量与计算33第1章太阳能和太阳光谱1、太阳能利用方式及分类主要有三种利用方式：“光-热”转换、“光-电”转换、“光-化学”转换（1）“光-热”转换：是太阳能热利用的基本方式利用太阳能将水（或其它液体溶液）加热，以便利用广泛用于：采暖、制冷、干燥、温室、烹饪、工农业等应用实例：太阳能热水器、太阳能制冷空调系统、太阳能干燥、太阳房、太阳灶、太阳能聚光热转换装置，等。Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能热水器Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能制冷空调系统Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能干燥Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳房Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳房Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳灶Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能聚光热转换装置Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能聚光热转换装置Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能聚光热转换装置Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.太阳能聚光热转换装置Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.（1）“光-热”转换（续）：按照温度高低可分为高温利用：＞800℃；中温利用：200～800℃低温利用：200℃以下（2）“光-电”转换：太阳能电池及其并网发电，是典型的太阳能“光-电”转换物理基础是“光电效应”可直接利用，也可将电能存储下来有两种利用方式：1）直接光发电：光伏发电、光偶极子发电2）间接光发电：光热动力、光热离子、热光伏、光热温差、光化间接、光生物Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Solar光电转换装置Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.（3）“光-化学”转换：处于研究开发阶段一个设想是：用半导体材料制成特殊“电极”，太阳能（可能辅以聚光作用）光照下产生有效电能。产生的电极输出电能，可以：电解水而制氢可以构建电解质储能，如利用Ca(OH)2或金属氢化物热分解储能利用方式：动力应用——热力机-斯特林发电机、光压转轮化学应用——光聚合、光分解生物应用——速生植物、油料植物Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.2、太阳光谱万物生长靠太阳！太阳对地球来说，是唯一永恒的能源！太阳结构、太阳活动规律、太阳辐射性质、太阳与地球相对运动规律、地球表面太阳辐射特点等，我们了解多少？2.1太阳的结构和辐射能来源太阳的结构至今还远远没有弄清楚！地球上已发现的109种元素，17种为人造元素，其余92种太阳里都有！太阳是距离地球最近的一颗恒星，日地距离1.49597892×108km；太阳直径是地球的109倍，体积比地球大130多万倍；太阳内部密度160g/cm3，日心引力比地心引力大29倍左右。Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.2.1太阳的结构和辐射能来源（续）一般认为：太阳是处于高温高压下的一个大火球Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.2.1太阳的结构和辐射能来源（续）2.1.1太阳结构（依据上图）（1）太阳核热核反应区，半径0.2Rd温度高达数千万度，压强高达数亿个大气压，物质以离子态存在以对流和辐射的形式向外释放伽马射线（2）吸收层（辐射层）厚度约0.6Rd，温度约70×104℃，压强数十万个大气压对伽马射线的吸收、再发射，实现能量传递，是一个漫长的过程（一个光子脱离太阳可能需要1000年的时间）高能伽马射线经过X射线、极紫外线、紫外线，逐渐变为可见光和其它形式的辐射——太阳是地球生植物可见天体！Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.（3）对流层吸收层外至1倍太阳直径的范围内温度、压力和密度变化梯度很大，物质处于剧烈上下对流状态对流产生的低频声波，可通过光球层传输到太阳的外层大气（4）光球层厚度约为500km表面温度接近6000℃，这是太阳的平均有效温度光球内温度梯度较大，大气透明度有限，有临边昏暗现象几乎全部可见光从光球层发射出去存在太阳黑子现象，具有强磁场的低温漩涡（4000℃），对地球气候和生态影响较大光球面上的热气团产生于对流层，时隐时现Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.（5）色球层光球层以外，厚度2000km，几乎透明，全日食能看见，或使用专门滤光镜观察温度从底层的数千度上升到顶部的数万度玫瑰红色舌状气体叫日珥，可高于光球几十万公里；也有针状的高温等离子小日珥，高达9000km，宽约1000km，平均寿命5min色球与日冕之间发生的剧烈爆发，称为耀斑，此时从射电波段到辐射通量会突然增强，高能粒子和等离子喷发，对地球空间环境产生很大影响（6）日冕色球外是伸入太空的银白色日冕由各种微粒构成：太阳尘埃质点、电离粒子和电子温度高达100多万度日冕有时伸入太空几万公里，形成太阳风，打击到地球大气层，产生磁暴或极光，影响地球磁场和通讯Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.2.1.2太阳辐射能来源来源于高温高压下进行的热核聚变反应：“碳-氮循环”、“质子-质子循环”（1）碳-氮循环12113617CHN131376NCe13114617CHN14115718NHO151587ONe1511247162NHCHe整个过程中，12C并未消耗，只起触媒作用，而N,O等是中间产物。最终结果是4个氢核聚变变成1个氦核。Schl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.式中，是重氢（氘，氢的同位素）整个过程中，2D并未消耗，只起触媒作用。最终结果也是4个氢核聚变变成1个氦核。（2）质子-质子循环112111HHDeh213112DHHe334122212HeHeHeH21DSchl.ofOptoelectronicInform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室StateKeyLab.ofETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.（3）核聚变反应能量损耗计算氢核的质量：1.672×10-24g氦核的质量：6.644×10-24g反应的质量损失：△m=(4×1.672-6.644)×10-24g=0.044×10-24g爱因斯坦质量定律：E=mc2计算表明：1g氢质量，可转换为9×1013J能量热核反应中，质量损耗0.7%所以：1g氢原子在反应中产生6.3×1011J能量可以计算得出：太阳上的氢含量足够维持800亿年的辐射损耗。（地球的地质年龄约为40亿年）Schl.ofOptoelectr