太陽能的原理與應(yīng)用（越多越好）

【專家解說】：太陽能的獲取目前有三種模式，第一是光伏轉(zhuǎn)換，就是光電效應(yīng)，通過光電池直接把部分的光能轉(zhuǎn)換成電能，目前的技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率大約在百分之十左右。第二是光轉(zhuǎn)換成熱能，這是利用了太陽光中的長波部分（近紅外線）的熱效應(yīng)，得到熱能，第三是太陽能照明，通過光導(dǎo)纖維直接傳導(dǎo)陽光，引入室內(nèi)照明。太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為： （一）太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本； （二）太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項； （三）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。 （四）逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮如下因素： Q1、 太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用？該地日光輻射情況如何？ Q2、 系統(tǒng)的負載功率多大？ Q3、 系統(tǒng)的輸出電壓是多少，直流還是交流？ Q4、 系統(tǒng)每天需要工作多少小時？ Q5、 如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天？ Q6、 負載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流多大？ Q7、 系統(tǒng)需求的數(shù)量。 太陽熱水器，就是通過光熱轉(zhuǎn)換，利用太陽能把水加熱的一種裝置。 普通的太陽熱水器是由平板集熱器、蓄水箱和連接管道組成，不同的連接方式構(gòu)成了不同的熱水裝置類型。太陽熱水器就其水的流動方式而言大體可分為三類：循環(huán)式、直流式、整體式。 １．循環(huán)式：按水循環(huán)的動力可分為自然循環(huán)式和強制循環(huán)式。 （１）自然循環(huán)式： 自然循環(huán)式熱水裝置，它的蓄水箱置于集熱器的上方，水在集熱器受太陽熱能的輻射溫度升高。由于集熱器與蓄水箱中的水的溫差，形成系統(tǒng)的熱虹吸壓頭，使熱水由上循環(huán)管進入水箱的上部，同時箱底的冷水由下循環(huán)管流入集熱器形成循環(huán)。在運行過程中系統(tǒng)和水溫逐漸升高，經(jīng)過一段時間后，水箱上部的熱水即可使用。在用水的同時由補給水箱向蓄水箱補充冷水。 這類裝置優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠且不需要外來能源。缺點是：為了防止系統(tǒng)在夜間產(chǎn)生倒流現(xiàn)象及維持必要的溫度，熱虹吸壓頭蓄水箱必須置于集熱器的上方，這對于大型的裝置，由于水箱過大，在建筑布置及用負荷考慮都會帶來一些問題。此外自然循環(huán)熱水裝置中的水箱大多置于室外，要求有良好的保溫設(shè)施。 （２）強制循環(huán)式： 這種熱水裝置靠水泵使水壓集熱器與蓄水間循環(huán)。系統(tǒng)中備有控制裝置，當(dāng)集熱器頂端的水溫比蓄水箱底部的水溫高出若干度時，控制裝置啟動水泵。反之，兩者的溫差低于限定值時水泵停止運行。 ２．直流式（亦稱一次式） 直流式太陽熱水器又可分為熱虹吸型和定溫放水型兩種。 （１）熱虹吸型 熱虹吸型是由集熱器、補水箱、蓄水箱與連接管道組成開式熱系統(tǒng)。補給水箱的水位由浮球閥控制，使水位與集熱器出口熱水管（上升管）的最高位置處于同一水平。無陽光照射時，根據(jù)連通器原理，集熱器、上升管和下降管均充滿水，但不流動。當(dāng)集熱器接受熱量后，其內(nèi)部水溫上升，系統(tǒng)中形成熱虹吸壓頭，從而使上升管中的熱水流入蓄熱水箱，而補水箱的冷水則經(jīng)下降管進入集熱器。日照愈強，所得熱水溫度愈高，數(shù)量也愈多，太陽升起一段時間以后在蓄熱水箱中，即可收集到一定數(shù)量的熱水供使用。 （２）定溫放水型 為了得到符合使用要求的熱水，在集熱器出口安裝溫度敏感元件，通過控制器操縱裝在集熱器入口管路上的電動閥的開度，根據(jù)出口溫度來調(diào)節(jié)流量，使出口水溫始終保持一定。在這種系統(tǒng)中可以取消補水箱，補冷水管直接接在自來水管，它的可靠性亦取決于電動閥的質(zhì)量。 直流式太陽熱水器，既不需要水泵，又可避免自然循環(huán)的缺點，在具備可靠工作的電動閥的備件下，應(yīng)是結(jié)構(gòu)合理、值得推廣的太陽熱水器裝置形式。 ３．整體式 整體式熱水裝置特點是集熱器與蓄水箱合二為一。簡言之，它實際上是一個表面涂黑的貯水容器。水在容器內(nèi)不流動?？咳萜鞅谖仗栞椛浜髮λ鼈鳠?，經(jīng)過一個白天整容器內(nèi)的水被加熱，到傍晚即可使用。 整體式熱水器又可分為開放型、塑料薄膜型、三角形、圓筒型、棒槌型等類型。 整體式太陽熱水器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，成本低；缺點是裝置保溫性能差，夜間水溫不能保持，只能在傍晚時刻及時使用熱水，它的使用范圍受到限制。但對于農(nóng)村，或經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)還有一定的使用價值。 太陽熱水器就其發(fā)展來看，在太陽能利用中是迅速的，正在一日千里地飛速發(fā)展。目前已發(fā)展到第三代產(chǎn)品。如果我們把第一、第二代產(chǎn)品作為昨天的太陽熱水器，第三代產(chǎn)品就是今日大家熟知的真空管、熱管太陽熱水器的應(yīng)用情況。順便再展示一下未來太陽熱水器的發(fā)展作為明天，就更能看清太陽能的利用前途是無限廣闊的，太陽能將成為人類最重要的基礎(chǔ)能源。 第一代產(chǎn)品，是悶曬式太陽熱水器，即上述的整體式，是集熱器與貯水箱合為一體，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，太陽一曬就熱，風(fēng)一吹就涼，這是我國太陽能利用的初級階段。上世紀六七十年代多用多扁盒式、管板式、塑料薄膜式、圓筒型、紅泥塑料袋式等。 第二代產(chǎn)品，是平板型太陽熱水器，是由平板型集熱器和水箱組合而成。可分為自然循環(huán)與強迫循環(huán)等形式。由于集熱器內(nèi)被加熱的水直接進入貯水箱，集熱箱及流道內(nèi)易結(jié)垢，降低集熱效果，尤其管板結(jié)合不緊密，熱效率更低。在１９８５年北京召開國際太陽能學(xué)會會議后，我國引進加拿大銅鋁復(fù)合工藝，使集熱板與銅管結(jié)合緊密，提高太陽能的熱效率。其作法是把通水的銅管夾在兩張薄鋁板中間，壓成一體，然后再把銅管吹脹，要銅管與鋁結(jié)合為一體，不用焊接或傾扎，提高了熱效率。但是冬季防凍問題仍不能很好地解決，尤其在北方寒冷地區(qū)冬天水箱中水難免在夜間結(jié)冰，于是就產(chǎn)生了第三代產(chǎn)品。 第三代產(chǎn)品是當(dāng)前正推廣使用的產(chǎn)品，它是真空管和熱管太陽熱水器，主要是由玻璃真空管和保溫貯水箱組成。 全玻璃真空管自１９７９年從國外引進，到１９８６年才研制成我國自己的產(chǎn)品，由于技術(shù)不過關(guān)，價格昂貴，遲遲不能推廣。上世紀９０年代初實行產(chǎn)業(yè)化，清華大學(xué)組織力量集中研究解決了真空管的鍍膜和真空度問題，加強了國產(chǎn)真空管的耐凍、耐壓、耐冷熱沖擊性能。在真空管內(nèi)插入熱管，并把與熱管連成一體的金屬板，緊靠在玻璃內(nèi)管的內(nèi)表面來獲得熱量，再將熱管冷凝后插入水箱，在水箱內(nèi)腔有密封圈，真空管采用全無毒設(shè)計，達到國家飲用水標準。這就大大提高了太陽熱水器的性能和使用范圍，把產(chǎn)品推進到一個新的境界，達到國際先進水平并打入國際市場。