太阳有哪些特点和作用

太阳，太阳系的中心天体，是行星的光和热的源泉。它是银河 系中的一颗普通恒位于距银心约10千秒差距，银道面以北约8秒 差距处,并与其他恒星一起绕银心转动。太阳是一个直径约1.4×106 公里的气体球，由于引力的作用，太阳的密度和温度是向内增加的。 表面温度约6000k，密度极其稀薄。在这样高的温度下不可能存在固 体和液体，在太阳表面温度最低的区域有少量的分子,但绝大多数物 质以原子的形式存在。在太阳中心，温度超过1.5×107k,压力约3.4 ×1012牛顿/平方厘米，密度达160克/立方厘米,在这种高温、高压、 高密度的环境中,发生着氢变为氦的热核反应，释放出大量的能量， 这些能量主要以辐射的形式稳定地向空间发射,其中约22亿分之一的 能量到达地球,是地球上的生物所需的光和热的主要来源。太阳是除 地球以外与人类关系最密切的天体,而且是唯一的可以详细考查其表 面结构的恒星，所以对太阳的研究人们历来十分重视。 我们能够直接观测的是太阳的大气层,它从里向外可分为光球、 色球、日冕三层。从总体来说太阳是稳定的,但它的大气层却处于 激烈的局部运动之中,黑子、耀斑等日面活动现象就是这种运动的 结果。通过太阳光谱分析得知太阳大气的化学组成情况.其中含量 最丰富的元素是氢,其次是氦、氧、氮和碳及其他金属和非金属元 素。按质量计，氢占71%，氦占26.5%，其他元素占2.5 %。已经确 定存在于太阳大气的元素约有69 种，它们在地球上都能找到。目 前还无法直接探测太阳内部的情况,但一般认为太阳内部与太阳大 气的物质组成相差不大。太阳的自转非常缓慢,而且不同纬度处自 转的周期不同。在赤道上，自转一周要25天,而两极附近自转一周 需35天。太阳的寿命估计为100亿年，目前已度过了约50亿年。目 前太阳是一颗黄矮星，在氢原料耗尽之后,将由氦和其他较重元素 的核反应维持其能源,变成一颗红巨星，然后再转变为红超巨星。 当太阳上所有的核能都耗尽时,它将坍缩成一颗密度很高的白矮星， 并释放出引力势能。最后，白矮星的收缩停止,变成一个不发光的 黑矮星，太阳的生命也就终止了。给予世界光和热.给予世界时间.给予心灵希望和健康还有梦想. 太 阳 能 太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3。8×10^23kw的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10^13kw。20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。从资源、 环境、 社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。 一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。 太阳幅射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的作用，故能够直接到达地表的太阳幅射能仅存三分之一，又其中70％是照射在海洋上，于是仅剩下约1．5×10^17千瓦．小时，数值约为美国1978年所消费能6000倍。未被吸收或散射而能够直达地表的太阳幅射能称为「直接」幅射能；而被散射的幅射能，则称为「漫射」（diffuse）幅射能，地表上各点的总太阳幅射能即为直接和漫射幅射能二者的总和。 太 阳 能 热 利 用 (一)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。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需 。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工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和聚光型集热器两种。另外还有一种真空集热器 一个好的太阳能集热器应该能用20-30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40-50年且很少进行维修。 (二)太阳能热水系统 早期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。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种： （a）自然循环式 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像（thermosiphon），促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。 （b）强制循环式 热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀（check valve）以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处；，但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。 (三)、暖房 太阳能暖房系统（space－heateng）利用太阳能作房间冬天暖房之用，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，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。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，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冷暖房的热（heat pump）装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），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，在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，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。 太 阳 能 电 池 的 开 发 太阳能电池是一种有效地稀收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件.下面介绍北京太阳能光电研究中心对太阳能电池的研究情况.晶体硅高效太阳电池和多晶硅薄膜太阳电池的研究开发以及研究成果向产业化转化。 1.高效晶体硅太阳电池 光电中心高效晶体硅太阳电池研究开发项目有钝化发射区太阳电池（pesc）、埋栅太阳电池（bcsc）及多晶硅太阳电池。●钝化发射区太阳电池（pesc）光电中心研究钝化发射区太阳电池（pesc）的基本目的是探索影响电池效率的各种机制，为降低太阳电池成本提供理论和工艺依据，推动太阳电池理论的发展。实验中采用的材料为区熔（fz）、p-型（掺硼）〔100〕单晶硅，电阻率ρ＝0．2～1．2ωcm，厚度t＝280－350μm，双面抛光。电池工艺包括正面倒金字塔织构化、前后表面钝化、制备选择性发射区、减反射表面、背场、前后金属接触等。目前电池达到的水平见表1。 表1 pesc电池的性能（测试条件am1.5，25℃） voc(mv) jsc(ma/cm2) ff η(%) a(cm2) 测试单位 656.1 37.4 0.806 19.79 4.04 北京市太阳能研究所 * voc 开路电压，jsc 短路电流密度，ff 填充因子，η 转换效率，a 太阳电池面积（下同） ●埋栅太阳电池（bcsc）埋栅电池的制作工艺省去了复杂的多次光刻和蒸发电极步骤，减少了高温氧化次数，使整个电池制作工艺大大简化；埋栅不仅减小了电极阴影面积，还可减小欧姆接触电阻，是一种可实现产业化的高效电池技术。实验中使用的材料分别为：①区熔（fz）、p-型（掺硼）〔100〕单晶硅，厚度t＝300－400μm；②直拉（cz）、p-型（掺硼）〔100〕单晶硅，厚度t＝300—400μm；③太阳级（复拉）、p-型p〔100〕单晶硅，厚度t＝300—400μm。电池的工艺包括表面织构化、钝化，制备选择性发射区、减反射表面、背表面场和金属化等。目前电池所达到的水平见表2。 表2 不同材料的bcsc电池的性能（测试条件：am1.5，25℃） 材料(刻槽) voc(mv) jsc(ma/cm2) ff(%) η(%) a(cm2) ρ(ω.cm) 测试单位 fz(激光) 663.8 35.6 80.58 18.6 25 0.2 a fz(机械) 621.9 37.0 80.02 18.47 4 0.5 b cz(激光) 622.9 35.2 79.27 17.22 25 0.8 b 太阳级 (激光) 624.1 35.4 75.44 16.59 25 0.4 b * a：美国**可再生能源实验室， b：北京市太阳能研究所 ●多晶硅太阳电池 在pesc电池和bcsc电池的基础上，光电中心开展了多晶硅太阳电池的研究，以适应我国未来多晶硅太阳电池发展的需要。实验中使用的材料为bayer公司p-型多晶硅片，厚340μm，电池制作工艺过程包括吸杂、制备p-n结、钝化、形成背场和金属化等。实验制备的最好电池的特性见表3。 表3 pesc电池的性能（测试条件：am1．5，25℃） voc(mv) jsc(ma/cm2) ff η(%) a(cm2) 测试单位 595.0 34.23 0.7129 14.53 1.0 北京市太阳能研究所 581.0 29.92 0.6787 11.8 10×10 (与北京有色金属研究总院合作项目) 2.多晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池既具有体材料晶体硅电池性能稳定、工艺成熟和高效的优点，又有大幅度减少材料用量从而大幅度降低成本的潜力，因而成为目前光伏界的研究热点。光电中心采用快速热化学气相沉积（rtcvd）、等离子增强化学气相沉积（pecvd）和a-si／μc-si迭层电池等不同工艺对多晶硅薄膜太阳电池进行了研究。rtcvd多晶硅薄膜以sih2cl2或sicl4为原料气体在石英管反应室内沉积而成。研究工作初期，以重掺杂非活性硅为衬底，电池性能列于表4。图1 rtcvd多晶硅薄膜太阳电池的结构 pecvd多晶硅薄膜太阳电池的结构为：（al／ag）／ito／p-a-si：h／n-a-si：h／n-poly-si／n＋＋非活性si衬底（0.005ωcm）／ti-pd-ag。其中n型poly-si薄膜（～10μm）采用快速pecvd和固相晶化法制备。电池的性能列于表4。a-si／μc-si迭层电池（与**科学院半导体研究所合作）结构为：玻璃／sno2膜／p-i-n a-si：h电池炖p-i-n μc-si：h电池炖al。电池的性能列于表4。 表4 多晶硅薄膜太阳电池的性能（测试条件：am1.5，25℃） voc(mv) jsc(ma/cm2) ff η(%) a(cm2) 电池工艺 625.64 26.3 0.7357 12.11 1.0 rtcvd 455.0 21.18 0.6474 6.15 1.0 pecvd 1160 11.4 0.6740 8.91 0.126 recvd(a-si/pc-si) 3.太阳电池性能测试 中心已建立太阳电池和材料测试实验室，购置了必要设备。这些设备包括i-v测试系统，光谱响应测试系统，c-v测试系统，原子力显微镜，膜厚测试系统，保证了研究开发工作的需要。 太 阳 能 热 利 用 技 术 1. 新型高效太阳能集热器 开发和利用丰富、广阔的太阳能，对环境不产生和很少产生污染，既是近期急需的补充能源，又是未来能源结构的基础。国际上，太阳能的使用技术已进入新的发展阶段。在太阳能热利用系统中，重要的一个技术关键是如何高效率地收集太阳光并将其转变为热能。国内平板型太阳能集热器和全玻璃真空管太阳能热水器已形成产业，近20年来产量逐年增长，年产量达80多万平方米。近几年，我国又研制成具有国际先进水平的热管式真空管热水器，具有良好的应用前景。然而，我国太阳能热利用多限于低温范围，“九五”期间应扩大到中温和高温范围。这就要研究开发新型高效太阳能集热器。 2. 目标 研究、开发、应用新型高效太阳能集热器，为逐步扩大热利用的温度范围打下技术基础。研究开发四种新型高效集热器，并应用于太阳能空调及太阳能工业热水及发电系统等。 3.内容 ①直通式真空管集热器 ②同心套管式真空管集热器 ③储热式真空管集热器 ④聚光式真空管集热器 1.太阳能热利用系统研究及示范工程 热利用在太阳能利用技术中占有重要位置，是综合项目。但是，以往所取得的成绩是太阳能低温热水系统，而太阳能中、高温供热系统的研究是与工厂供热系统结合的大型太阳能利用工程，其中太阳能热发电是人类大规模利用太阳能的重要途径，是太阳能热利用的一个重要发展方向。事实上，只有与工业企业结合，太阳能的利用才能有更高的经济效益，更充分发挥出太阳能利用的优势，体现未来能源的意义。2.目标 建立两个太阳能工业用热的示范工程, 功率为200千瓦，工作温度为150一200度。 建立太阳能热发电中试电站。 通过以上两项研究和示范，拓宽我国太阳能热利用的领域。3．内容 ①太阳能工业用热系统的研究及示范工程 功率： 200千瓦 工作温度： 150一200℃ ②太阳能空调系统研究及示范工程 制冷能力： 200千瓦 ③太阳能热发电示范装置 太 阳 能 光 伏 技 术 （一）高效率低成本太阳电池研究与发展 1．背景 太阳能等新能源为世界2000年经济展望中最具决定性影响的五大技术领域之一，而太阳能光伏发电又是其中最受瞩目的项目之一。1994年，世界太阳能电池销售量已达64兆瓦，呈现飞速发展势态。我国太阳能电池销售已超过1．2兆瓦。累计用量约5兆瓦，其应用范围亦在不断扩大。近年来，市场销售量以20％的速度在递增，预计到2000年，我国太阳电池年用量将超过10兆瓦。目前晶体硅太阳电池组件已出现供不应求的短缺局面。为满足日益增长的市场需求，除已有企业要发挥现有生产潜力之外，还要积极研制开发多种高效、低成本的光伏电池，扩大我国太阳电池产业规模，提高技术经济效益。2．目标 提高效率，降低成本，扩大规模，推动我国光伏产业发展发展高效率、低成本多晶硅太阳电池技术，攻关与引进相结合，建立一条年生产能力为兆瓦级的生产线。提高单晶硅太阳电池组件的效率，降低生产成本，发挥现有生产能力，满足市场需求。 3．内容①兆瓦级多晶硅太阳电池组件生产线的建立主要技术经济指标： 组件效率13％ 组件寿命20～25年②单晶硅太阳电池组件生产线的技术改造主要技术经济指标： 组件效率14～15％ 组件寿命20～25年③高效率、低成本新型太阳电池的开发。 (二).太阳电池应用枝木研究及示范 1．背景 我国太阳电池应用领域在不断扩大，已涉及农业、牧业、林业、交通运输、通讯、气象、石油管道、文化教育及家庭电源等诸多方面，光伏发电在解决偏僻边远无电地区供电及许多殊场合用电上已起到引人注目的作用。但从总体的应用技术水平和规模上看，与工业发达**相比仅有很大的差距，主要问题是光伏系统造价偏高、系统配套工程装备没有产业化、应用示范不够和公众对太阳电池应用的巨大潜力缺乏了解以及系统应用仅限于独立运行，还没有并网运行和与建筑业结合。因此，有必要加强太阳电池应用技术研究和示范，推进产业化，拓宽应用领域和市场。 2．目标 通过本项目执行，实现如下目标：小型光电源产业化 100千瓦容量以下的独立运行光伏电站系列化、规范化、商品化研究井网光伏发电技术，为大规模应用做好前期准备 3．内容 ①小功率光伏电源产业化 功率范围：千瓦级、百瓦级 产业规模：总容量大于1兆瓦 系统造价：比“八五”平均价格降低30％以上②独立运行光伏电站系列化、规范化、商品化。功率范围： 10千瓦～100千瓦 系统造价：比“八五”平均价格降低30％以上。③并网光伏发电技术研究和示范。兆瓦级并网光伏电站的前期研究 10千瓦并网光伏示范电站 100千瓦并网光伏电站用逆变器研制” 光伏电站运行及与电力系统相关技术研究。④高扬程光电水泵的研制 主要技术指标：扬程50～100米 太阳电池功率5千瓦～10千瓦。 这些是太阳能的作用,太阳能指的就是太阳能源,不包括阳光的其他作用阳能（solar energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。 20210311