太阳能的热利用

1、专业：热能与动力工程成 员： 指导教师：贾 力完成时间：2022年3月2日太阳能的热利用摘要：太阳能是一种清洁的可再生能源，对于人类社会来说，太阳能是万物生长的源泉，是取之不尽，用之不竭的。太阳能热利用是指将太阳辐射直接转换为热能供人类使用，它是目前无论在理论上还是在实践中都是最成熟，成本最低，应用最广的一种太阳能利用模式。本文从热辐射特性、太阳能的热辐射以及太阳能热利用的几种技术方法介绍了太阳能的热利用。并分析了利用光化作用产生新能源的研究。关键词：热辐射特性、太阳辐射、太阳能利用1、 热辐射特性1.1 热辐射的概念热辐射(thermal radiation )，物体由于具有温度而辐射电磁波

2、的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式1。1.2 热辐射的特点热辐射有如下特点：（1） 不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。（2） 在辐射传热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。 辐射：辐射体内热能辐射能 吸收：辐射能受射体内热能（3） 只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低

3、温物体辐射热能，低温物体也能向高温物体辐射热能。（4） 物体的辐射能力与其温度性质有关，与绝对温度的四次方成正比。1.3 热辐射定律关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4 个定律，有时统称为热辐射定律。 物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。但是，在热平衡状态下，辐射体的光谱辐射出射度（见辐射度学和光度学）r（，T）与其光谱吸收比a（，T）的比值则只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关。上述规律称为基尔霍夫辐射定律，由德国物理学家G.R.基尔霍夫于

4、1859年建立。式中吸收比a 的定义是：被物体吸收的单位波长间隔内的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比。该定律表明，热辐射辐出度大的物体其吸收比也大，反之亦然。黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1。黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物。即在一封闭空腔壁上开一小孔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁反复反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量 。对空腔外的观察者而言，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看作是黑体。将基尔霍夫辐射定律应用于黑体，由此可见，基尔霍夫

5、辐射定律中的函数f（，T）即黑体的光谱辐射出射度。2、 太阳辐射2.1 太阳辐射简介太阳辐射(英语：Solar radiation)指太阳从核融合所产生的能量，经由电磁波传递到各地的辐射能（Radiant energy）。太阳辐射的光学频谱接近温度5800K的黑体辐射。大约有一半的频谱是电磁波谱中的可见光，而另一半有红外线与紫外线等频谱。如果紫外线没有被大气层或是其他的保护装置吸收，它会影响人体皮肤的色素的变化。测量上通常都用全天日射计（Pyranometer）与银盘日射计（Silver-disk pyrheliometer）等仪器来测量太阳辐射。2.2太阳辐射光谱和太阳常数辐射光谱 太阳是个

6、炽热的大火球，它的表面温度可达6000K，它以辐射的方式不断地把巨大的能量传送到地球上来，哺育着万物的生长。太阳辐射的波长范围，大约在0.15-4微米之间。在这段波长范围内，又可分为三个主要区域，即波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区和介于二者之间的可见光区。太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的50，后者占43。紫外区只占能量的7。在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为3.0卡/cm2.分以上。太阳辐射强度和太阳常数 太阳辐射强度就是太阳在垂直照射情况下在单位时间(一分钟、一天、一个月或者一年)内，一平方厘米的面积上所得到的辐射能量。如果在特定

7、的情况下测量太阳辐射强度，就叫做太阳常数。也就是说，必须是在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的1平方厘米的面积上，在1分钟内所接受的太阳辐射能量，就称为太阳常数。它是用来表达太阳辐射能量的一个物理量。 大气上界水平面上的太阳辐射强度，随太阳高度角的增大而增强。当太阳高度角 为90时，太阳辐射强度就等于太阳常数。因此，太阳常数就是到达水平面上的太阳辐射强度的最大值。到达大气上界的太阳辐射，就是太阳常 数。但是因为到达大气上界的太阳辐射与日地距离的平方成反比，因此，在远日点和在近日点的太阳辐射强度与太阳常数就有一定差异。在近日点垂直于大气上界的太阳辐射强度比太阳常数大3.4；而

8、在远日点则比太阳常数小3.52。根据上述太阳辐射强度和太阳常数的关系公式，到达大气上界的太阳辐射与太阳高度角的正弦成正比。太阳高度角随纬度和时间而变化。因此，在不同纬度上不同时间的太阳辐射强度都不同。由于南、北回归线之间地区的太阳高度角较大，而北回归线以北和南回归线以南地区的太阳高度角随纬度增高而减小，所以，到达地球大气上界的太阳辐射沿纬度的分布是不均匀的，低纬度多，随纬度的增高而减少；由于南、北回归线之间地区的太阳高度角在一年中的变化较小，而中、高纬度地区的太阳高度角在一年中的变化较大，因而，低纬地区太阳辐射强度的年变化小，高纬地区太阳辐射强度的年变化大。 3、 太阳能利用技术 太阳能热利用

9、技术包括太阳能热水器、太阳能建筑(太阳能采暖空调)、太阳能热发电等。其中热水器是太阳能热利用技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术。其他技术还包括利用热箱原理（也称温室效应）或者聚焦原理制造的集热器4，直接利用太阳能进行采暖和空气调节产生冬暖夏凉功能的环保节能建筑太阳房5，利用太阳能辐射，通过聚光获取的热能进行烹饪食物的太阳灶，直接利用热能驱动制冷机得太阳能空调，将太阳能转换成其他形式能量进行储存的太阳能储存6手段等等。4、利用光化作用产生新能源的研究光化作用是物质在光的照射下产生化学变化的作用，包括光合作用和光解作用。绿色植物的叶绿素在可见光的作用下将c02和H20转换成碳水化合物就是

10、光合作用的结果。在产生碳水化合物的同时还产生氧、自由的质子和电子。石油、煤、天然气等化石燃料就是自然界留给我们的光合作用的产物。在光合作用中，叶绿素吸收太阳光后把光能转化为电能失去两个电子，产生了电子转移过程，在这过程中H20被分解(光解水)成可作为燃料的氢气和氧气。因此说，光化作用可以产生能源物质，而且近几十年来人们已进行了利用光化作用制取能源的研究，光解水制氢就是一个典型的例子。4.1 光解水制氢研究概况氢能是一种最理想的绿色能源，大量存在于各种水中。虽然可通过电解等方法从水中获取氢气，但需很大的能量供给，成本极高，因而，实现方便、廉价的制氢方法，则成为能源和环境科学工作者梦寐以求的愿望。

11、自1972年日本东京大学Fujishima和Honda教授首次报导光照Ti02单晶电极导致水分解从而产生氢气这一现象后，光解水制氢得到了较快的发展，主要经历了光电化学池，光助络合催化、半导体光催化及光热化学多步循环等发展阶段，并在光催化剂制备、改性和光催化理论方面取得了不少成果，但距实际应用仍存在较大差距，原因主要是大多数光催化剂仅能吸收仅占太阳光3左右的紫外光，光电转化效率低；高温下氢氧分离较难实现；催化剂成本居高不下，因此，仍需要寻找切实可行的途径。4.2 半导体光催化制氢原理图3所示为半导体光催化制氢反应的基本过程：半导体吸收能量等于或大于禁带宽度( Eg ) 的光子，将发生电子由价带向

12、导带的跃迁，这种光吸收称为本征吸收。本征吸收在价带生成空穴h+VB ,在导带生成电子e-CB , 这种光生电子-空穴对具有很强的还原和氧化活性，由其趋动的还原氧化反应称为光催化反应。如图 3所示，光催化反应包括，生电子还原电子受体H+和光生空穴氧化电子给体D-的电子转移反应 ,这两个反应分别称为光催化还原和光催化氧化。根据激发态的电子转移反应的热力学限制，光催化还原反应要求导带电位比受体的E(H+/H2 ) 偏负，光催化氧化反应要求价带电位比给体的E(D/D-) 偏正；换句话说，导带底能级要比受体的E ( H+/H2 ) 能级高，价带顶能级要比给体的E(D/D-) 能级低。在实际反应过程中，由

13、于半导体能带弯曲及表面过电位等因素的影响，对禁带宽度的要求往往要比理论值大7 。 图3 半导体光催化制氢反应过程示意图84.3 光解水制氢的催化剂 由 TiO2-Pt电极对的光解水模式演变形成了固体粉末光催化剂Pt/TiO2（TiO2表面负载Pt体系），并成为光催化剂的典型代表。但最初人们只能从水的分解中检测到氢气而未有氧气。最初报道由水的完全分解而同时产生氢气和氧气的是 Pt/TiO2在硫酸水溶液系统中。1980年Sato等将Pt/TiO2表面覆置 NaOH， 在水蒸汽中进行光分解实验，发现了氢气和氧气的同时产生。几乎同时，报道了利用TiO2表面同时负载Pt和RuO2的光催化剂得到了水的完全

14、分解。表面负载Rh、NiOx以及在水中添加 Na2CO3将明显提高水的分解速度。继TiO2后，具有钙钛矿型结构的SrTiO3也被广泛的研究。Domen等发现了 NiO/SrTiO3具有较高的光催化活性，并能完全分解水。Lehn等研究了SrTiO3 负载各种贵金属后的光解水特性，结果表明Rh/SrTiO3具有更高的光催化效率。同属钙钛矿型KTaO3的光解水性能也被证实，并且Zr、Hf等的掺入将促进光催化反应。至今的光解水反应一般是采用内部光照射法，其光源为紫外线较强的高压汞灯或比较接近太阳光的氙灯。各研究者所使用的光源、光反应器以及所用的催化剂和水的量等都不一样，因此各个结果之间无法进行比较。另

15、外，催化剂-水悬浊液在磁力搅拌下受光照进行反应，更加增大了体系的复杂性。笔者及共同合作者考虑到研究系统能更接近于今后的实际应用状态，采取了无外加动力搅拌的外部垂直照射法，以高压汞灯和太阳光为光源，对一系列半导体氧化物进行了光解水研究。为便于比较和判断，将分别以水银灯下的反应活性和太阳光下的反应活性为横坐标和纵坐标，所得结果如图4所示。可以看出：（1）根据其活性的大小，这些光催化剂大致可分为两组。表面负载Pt、RuO2的K2Ti6O13、Na2Ti6O13以及BaTi4O9等具有较高的光催化活性，负载催化剂的效果明显。这是因为K2Ti6O13、BaTi4O9等属于网状结构，其表面的凹凸不平、均匀

16、分布的纳米级“雀巢”，使负载物同其表面的接触更为紧密，从而加速了自由电子或正孔的迁移速度。（2）各种光催化剂大致在一条直线上的结果， 暗示了太阳光中也仅有紫外线对光催化作贡献。我们用紫外线过滤膜所得到的实验结果证明了这一结论。图4 各种光催化剂分别在高压水银灯和太阳光照射下的光解水速度4.4 能利用可见光的光解水材料经过 30 多年的研究，在紫外光下完全分解水制氢已经取得了较大的进展，获得了较高的量子效率，但是由于紫外光仅占太阳光谱中的大约 4 %，要使更多太阳能得到利用，开发稳定、高活性、廉价的具有可见光响应的光催化剂是实现太阳能光催化制氢的根本途径。为了研制可见光响应的催化剂，对宽禁带半导

17、体进行能带调变是有效的策略之一。一般而言，稳定的半导体氧化物的导带能级主要由过渡金属离子的空轨道构成，价带能级虽与晶体结构及金属离子与氧的成键有关，但主要还是由O的2p轨道构成。调变能级结构可以通过以下几种策略：掺杂过渡金属阳离子以形成新的给体或供体能级；掺杂电负性比 O 低的元素如 C、N、S、P 等提高价带电位 ;用宽窄带隙的半导体形成固溶体来降低禁带宽度，如图5所示。一些硫化物及磷化物半导体是本征吸收可见光的材料，也能用于可见光光催化。通过半导体复合可以提高光生电荷分离效率，扩展光谱响应范围。4.5 最新的太阳能光解水制氢设计尽管真正实现太阳能光解水制氢仍有漫长的路要走，但科学家们仍然在

18、不懈努力，试图有所突破，寻找实用的创新性的太阳能制氢方法。据报导，美国麻省理工学院的Nocem和Kanan最近仿效光合作用中叶绿素吸光后引发光解水的原理，成功地完成了一种简单、经济的快速进行水电解的新型太阳能制氢系统的实验，该系统的设计构思具有创新性，对太阳能制氢这一课题的研究有一定的启发性和引领作用。粗略地讲，这一系统的设计思想是这样的：把用铟和锡的氧化物做成的电极放置在钴离子和磷酸钾的水溶液中，然后在水溶液中通入由普通太阳能系统的太阳电池提供的电流，电流一旦通入，相当于吸光后引发光解水作用的叶绿素媒介立即出现，由此水分解过程立即开始，水被分解成氧气和自由的氢气。在白天，普通太阳能系统获取的

19、太阳能的一部分可用于日常需要，一部分用来将水分解成氢气和氧气并将其储存起来，晚上，可用氢气和氧气燃料发电。储藏的氢气和氧气燃料可运输到任何需要使用的地方。整个工作过程在正常的气压、温度环境下进行。在反应过程中，媒介物质失去了自己的特性，当反应结束时，原来的特性得到恢复，这和自然界中的叶绿素一样。研究人员称，他们能够使用相对便宜的媒介并在通常条件完成太阳能光解水制氢的过程。此外，为开发新能源和解决“温室”效应而进行的植物光合作用的研究最近取得了重大突破美国加州大学伯克利分校的Fleming等利用先进的“两维电子光谱”首次成功地模拟了光合作用的全过程，观察到了植物体内光合作用所产生的能量的传导过程

20、，也解开了植物是如何利用光来产生能量的秘密。由于能量是在色素蛋白复合体的控制下进行传导的，因而传导过程十分复杂，这项研究完成起来极为困难。这项研究的成功，无疑对深入研究太阳能光解水制氢是很有用的，除此之外，还有同样重要的用处在不久的将来，科学家可根据这项研究的成果，制造出人工合成装置，以吸收大气中过多的二氧化碳并放出氧气，同时不断产生出人们所需要的能量，在实现环保的同时解决能源供应问题。5、 总结与思考虽然太阳能利用技术的研究取得了很大进展，但能够取代传统能源的太阳能产品至今并不多见，距离广泛应用于工业和民用的目标仍比较遥远，因此，太阳能利用技术的研究还需要进一步加强，用太阳能产生的实用、廉价的二次能源需要尽可能早些出现。我们认为，太阳能不能得到广泛应用的主要原因是缺乏摆脱了各种制约因素(如价格、效率、易用性、安全性等)的实用的太阳能利用系统。因此，有关太阳能利用的所有研究，都应以研制实用有效的系统为总目标，应由确定、设计、建造利用太阳能生产二次能源的最佳系统的研究来引领6。系统的方案经充