太阳能的原理与应用（越多越好）

【专家解说】：太阳能的获取目前有三种模式，第一是光伏转换，就是光电效应，通过光电池直接把部分的光能转换成电能，目前的技术，转化效率大约在百分之十左右。第二是光转换成热能，这是利用了太阳光中的长波部分（近红外线）的热效应，得到热能，第三是太阳能照明，通过光导纤维直接传导阳光，引入室内照明。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为： （一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本； （二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项； （三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 （四）逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。 太阳能发电系统的设计需要考虑如下因素： Q1、 太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？ Q2、 系统的负载功率多大？ Q3、 系统的输出电压是多少，直流还是交流？ Q4、 系统每天需要工作多少小时？ Q5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？ Q6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？ Q7、 系统需求的数量。 太阳热水器，就是通过光热转换，利用太阳能把水加热的一种装置。 普通的太阳热水器是由平板集热器、蓄水箱和连接管道组成，不同的连接方式构成了不同的热水装置类型。太阳热水器就其水的流动方式而言大体可分为三类：循环式、直流式、整体式。 １．循环式：按水循环的动力可分为自然循环式和强制循环式。 （１）自然循环式： 自然循环式热水装置，它的蓄水箱置于集热器的上方，水在集热器受太阳热能的辐射温度升高。由于集热器与蓄水箱中的水的温差，形成系统的热虹吸压头，使热水由上循环管进入水箱的上部，同时箱底的冷水由下循环管流入集热器形成循环。在运行过程中系统和水温逐渐升高，经过一段时间后，水箱上部的热水即可使用。在用水的同时由补给水箱向蓄水箱补充冷水。 这类装置优点是结构简单，运行可靠且不需要外来能源。缺点是：为了防止系统在夜间产生倒流现象及维持必要的温度，热虹吸压头蓄水箱必须置于集热器的上方，这对于大型的装置，由于水箱过大，在建筑布置及用负荷考虑都会带来一些问题。此外自然循环热水装置中的水箱大多置于室外，要求有良好的保温设施。 （２）强制循环式： 这种热水装置靠水泵使水压集热器与蓄水间循环。系统中备有控制装置，当集热器顶端的水温比蓄水箱底部的水温高出若干度时，控制装置启动水泵。反之，两者的温差低于限定值时水泵停止运行。 ２．直流式（亦称一次式） 直流式太阳热水器又可分为热虹吸型和定温放水型两种。 （１）热虹吸型 热虹吸型是由集热器、补水箱、蓄水箱与连接管道组成开式热系统。补给水箱的水位由浮球阀控制，使水位与集热器出口热水管（上升管）的最高位置处于同一水平。无阳光照射时，根据连通器原理，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动。当集热器接受热量后，其内部水温上升，系统中形成热虹吸压头，从而使上升管中的热水流入蓄热水箱，而补水箱的冷水则经下降管进入集热器。日照愈强，所得热水温度愈高，数量也愈多，太阳升起一段时间以后在蓄热水箱中，即可收集到一定数量的热水供使用。 （２）定温放水型 为了得到符合使用要求的热水，在集热器出口安装温度敏感元件，通过控制器操纵装在集热器入口管路上的电动阀的开度，根据出口温度来调节流量，使出口水温始终保持一定。在这种系统中可以取消补水箱，补冷水管直接接在自来水管，它的可靠性亦取决于电动阀的质量。 直流式太阳热水器，既不需要水泵，又可避免自然循环的缺点，在具备可靠工作的电动阀的备件下，应是结构合理、值得推广的太阳热水器装置形式。 ３．整体式 整体式热水装置特点是集热器与蓄水箱合二为一。简言之，它实际上是一个表面涂黑的贮水容器。水在容器内不流动。靠容器壁吸收太阳辐射后对它传热，经过一个白天整容器内的水被加热，到傍晚即可使用。 整体式热水器又可分为开放型、塑料薄膜型、三角形、圆筒型、棒槌型等类型。 整体式太阳热水器的优点是：结构简单，成本低；缺点是装置保温性能差，夜间水温不能保持，只能在傍晚时刻及时使用热水，它的使用范围受到限制。但对于农村，或经济不发达地区还有一定的使用价值。 太阳热水器就其发展来看，在太阳能利用中是迅速的，正在一日千里地飞速发展。目前已发展到第三代产品。如果我们把第一、第二代产品作为昨天的太阳热水器，第三代产品就是今日大家熟知的真空管、热管太阳热水器的应用情况。顺便再展示一下未来太阳热水器的发展作为明天，就更能看清太阳能的利用前途是无限广阔的，太阳能将成为人类最重要的基础能源。 第一代产品，是闷晒式太阳热水器，即上述的整体式，是集热器与贮水箱合为一体，结构简单，价格便宜，太阳一晒就热，风一吹就凉，这是我国太阳能利用的初级阶段。上世纪六七十年代多用多扁盒式、管板式、塑料薄膜式、圆筒型、红泥塑料袋式等。 第二代产品，是平板型太阳热水器，是由平板型集热器和水箱组合而成。可分为自然循环与强迫循环等形式。由于集热器内被加热的水直接进入贮水箱，集热箱及流道内易结垢，降低集热效果，尤其管板结合不紧密，热效率更低。在１９８５年北京召开国际太阳能学会会议后，我国引进加拿大铜铝复合工艺，使集热板与铜管结合紧密，提高太阳能的热效率。其作法是把通水的铜管夹在两张薄铝板中间，压成一体，然后再把铜管吹胀，要铜管与铝结合为一体，不用焊接或倾扎，提高了热效率。但是冬季防冻问题仍不能很好地解决，尤其在北方寒冷地区冬天水箱中水难免在夜间结冰，于是就产生了第三代产品。 第三代产品是当前正推广使用的产品，它是真空管和热管太阳热水器，主要是由玻璃真空管和保温贮水箱组成。 全玻璃真空管自１９７９年从国外引进，到１９８６年才研制成我国自己的产品，由于技术不过关，价格昂贵，迟迟不能推广。上世纪９０年代初实行产业化，清华大学组织力量集中研究解决了真空管的镀膜和真空度问题，加强了国产真空管的耐冻、耐压、耐冷热冲击性能。在真空管内插入热管，并把与热管连成一体的金属板，紧靠在玻璃内管的内表面来获得热量，再将热管冷凝后插入水箱，在水箱内腔有密封圈，真空管采用全无毒设计，达到国家饮用水标准。这就大大提高了太阳热水器的性能和使用范围，把产品推进到一个新的境界，达到国际先进水平并打入国际市场。