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太阳能（solarenergy）是一种可再生能源，是指太阳的热辐射能（热量传递的途径有三种：传导、对流、辐射），主要表现就是常说的太阳光线，在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能产生的，来自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。
自地球上的生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存。人类自古就懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。图1-1 是太阳能发电站（光热电站）。
图1-1 太阳能发电站（光热电站）
张强是一名小学全科教师，在给学生讲解自然科学——太阳能制热原理时，学生对抽象的知识不好理解，请帮助学生完成太阳能制热模型的制作。
1.学习太阳能制热的原理。
2.学习要准备哪些材料才能使吸管里的水变热。
3.学习太阳能在极寒地区给人们生活带来了哪些便利。
光具有分散性，到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，就需要制作一个光能量的收集装置。将太阳的能量收集起来，这样就可以利用太阳的能量了。
太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递给传热工质的装置，也是太阳能热利用中的关键设备。全玻璃真空太阳集热管就是这样一个能量收集装置，其结构及实物如图1-2 所示。
图1-2 全玻璃真空太阳集热管结构及实物图
1—内玻璃管；2—太阳选择性吸收涂层﹔3—真空夹层﹔4—罩玻璃管﹔5—支承件﹔6—吸气剂；7—吸气镜面
全玻璃真空太阳集热管由具有太阳选择性吸收涂层的内玻璃管和同轴的罩玻璃管构成。内玻璃管一端为封闭的圆顶形状，由罩玻璃管封离端内带吸气剂的支承件支承，另一端与罩玻璃管的一端熔封成为环状的开口端。目前集热效果较好的是Al-N/Al真空溅射选择性镀膜，利用该膜的玻璃真空管，其吸收率≥ 0.93；红外发射率ε<0.6；平均热损 U LT ≤ 0.9 W/（m 2 ·℃）；真空度 p <5×10 -3 Pa。全玻璃真空太阳集热管由高硼硅 3.3 特硬玻璃制造，采用真空溅射选择性镀膜工艺，该工艺分为铝氮单靶镀膜和铜、铝、不锈钢三靶镀膜两种。
全玻璃真空太阳集热管像一个被拉长的热水壶内胆，由一大一小两支玻璃管套合而成，外层透明，内层涂有对光谱有选择性吸收的涂层，内外管之间抽成真空，可最大限度地吸收太阳光辐射后的热能。相较于国内的解决方案，国外成熟的集热器都是平板集热器，平板集热器具有寿命长、稳定性高、可回收等优点。
目前国内生产的很多平板集热器性能不佳，影响了平板集热器在国内的发展，但是平板集热器在太阳能光热行业的发展潜力是不可低估的。表1-1 为真空太阳能集热器和平板太阳能集热器的对比。
表1-1 真空太阳能集热器和平板太阳能集热器的对比
平板太阳能集热器是针对小高层住宅配套设计开发的，其集热器与水箱互相分离，均可灵活安装在屋顶、天窗、阳台或墙壁上，不受位置限制，达到了与高层建筑及环境一体化的完美结合。
（1）普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，处处皆有，可直接开发和利用，便于采集，且无须开采和运输。
（2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。
（3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿t煤，其总量是现今世界上可以开发的最大能源。
（4）长久：根据太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
储水箱又称保温水箱，是储存热水的装置，是太阳能热水器的重要部件，因为太阳能热水器只能在白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温层把太阳能集热器在白天产出的热水储存起来。储水箱的容积是每天晚上用热水量的总和。储水箱的结构设计、保温材料的选择将直接影响太阳能热水器的性能和使用寿命。
太阳能热水器的储水箱由外壳、内胆、保温层三部分组成。储水箱外壳采用 0.5 mm厚彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板制成，强度高、耐腐蚀。储水箱内胆采用 0.5 mm厚的 304 不锈钢板经自动氩弧焊焊接加工制成，304 不锈钢板含碳量低，因此焊缝质量高，不易锈蚀。储水箱保温层采用 45 mm优质聚氨酯整体发泡形成，保证了太阳能热水器的热效率大于50%。太阳能热水器结构及其储水箱剖视图如图1-3 所示。
图1-3 太阳能热水器
内胆和保温层是储水箱储存热水的重要部分，其材料强度和耐腐蚀性至关重要。内胆目前市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层材料的质量直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的北方尤其重要，目前较好的保温材料是采用优质聚氨酯整体自动化发泡工艺制成的。太阳能热水器储水箱要求保温效果好，耐腐蚀，对水质无污染，使用寿命可达到20 年以上。
储水箱还有一个值得关注的问题——水垢，用户在使用几年后，会发现储水箱内有一层厚厚的水垢。为了保证用户用水放心或避免热水管道堵塞，可以定期清理，一般 1～2年清理一次即可。
（1）连接管路。连接管路将热水从集热器输送到储水箱，将冷水从储水箱输送到集热器，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管路对太阳能热水器达到最佳工作状态至关重要。热水管路必须做保温处理，并且质量必须符合标准，保证有 20 年以上的使用寿命。
（2）支架。支架的作用是支撑储水箱、固定集热器，保证二者连为整体。支架设计应合理，还应有足够的强度和刚度。太阳能热水器支架要求结构牢固、抗风吹、耐老化、不生锈。支架的材质一般为彩钢板或铝合金，使用寿命要求达到 20 年。
（3）电加热装置。在储水箱内部还有一套电加热装置，这是为了确保在阴雨天气时和一些南方地区、光照条件有限的地区或山区也能够用上热水。太阳能在工作时，无论是否有阳光，电源都是一直接通的。光照条件好的时候，电加热是不会启动的，只有在天气欠佳的情况下，才使用电进行加热。
（4）其他辅助配置。其他辅助配置是用来提升太阳能热水器性能，简化操作，有助于实现太阳能热水器自动全天候运行。一般情况下厂家都是根据产品性能提供相应的辅助配置，以使辅助装置与产品相结合达到合理使用，既能发挥最大效能，又不会产生浪费。
（1）分散性。到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向 1 m 2 面积上接收到的太阳能平均有 1 000 W；若按全年日夜平均，则只有 200 W。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有 1/5 左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。
（2）不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量储存起来，以供夜间或阴雨天使用，但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
（3）效率低和成本高。太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，现在的实验室利用效率也不超过 30%，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当长一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。
（4）太阳能板污染。现阶段，太阳能板是有一定寿命的，一般 3～5 年就需要换一次，而换下来的太阳能板则难以被大自然分解，从而造成相当大的污染。
1.制作简易太阳能收集装置。
2.制作太阳能热水生成装置。
3.观察家里或邻居家的太阳能热水器，说说它的组成。
（1）按结构分。
①普通式太阳能热水器。普通式太阳能热水器就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是目前最常规的热水器。
②分体式太阳能热水器。分体式太阳能热水器是为了满足非顶层用户也能使用太阳能热水器的需要而诞生的。分体式的循环有两种，一种是靠水的自然循环，这种热水器一般热交换效率比较低；另一种是靠泵循环热交换，这也是为了解决自然循环效率低的问题。使用泵循环，可以明显改善水的热交换率。
（2）按水箱受压分。
①承压式太阳能热水器。承压式太阳能热水器必须使用承压式水箱来增加用水压力，解决水循环问题，使供水正常，用水更加方便。
②非承压式太阳能热水器。目前装在屋顶的普通式太阳能热水器都属于非承压式热水器，其水箱有一根管子与大气相通，是利用屋顶和家里的高度落差，使用水时产生压力。
太阳能反射塔如图1-4 所示。
图1-4 太阳能反射塔
我们现在提起热水器，大多数人想到的还是电热水器和燃气热水器，但实际上在 10 多年前，还有一种太阳能热水器（图1-5），记得太阳能热水器刚推出时，可以说是风靡全国，它以环保、节能的特性深受大众喜爱，很多人都会在家里安装太阳能热水器，但是经过 10多年的发展，我们会发现，使用太阳能热水器的用户越来越少了，尤其是城市用户，现在再看一些人装修新房，基本都不会选择太阳能热水器了，那么是什么原因导致的呢？为什么现在没有人再去安装太阳能热水器了呢？原因很简单，可惜很多人不清楚。
图1-5 太阳能热水器
（1）浪费水。我们知道，太阳能热水器的安装一般是在屋顶，所以它的连接水管是非常长的，水管长就需要先放很长一段时间的冷水，才会有热水出来，尤其是离太阳能热水器距离远的低楼层用户。每次使用时都要浪费一些冷水，一天下来，使用次数多了，浪费得就更多了。
（2）冬天没热水。太阳能热水器的使用具有很大的限制性，相信使用过太阳能热水器的朋友都深有体会，这种热水器受季节和天气的影响非常大，一般来说夏天的热水是比较多的，而且会发烫。但到了冬天就苦不堪言了，尤其是阴雨天比较多的地区，基本上就没有什么热水，冬天使用起来还要插电烧水才行，加上它的保温性能很差，很多人就觉得太阳能热水器不实用。
（3）容易坏，维修费用比较高。太阳能热水器虽然很节能，但是它却很容易损坏，毕竟长期暴晒在户外，经过风吹雨打，容易损坏很正常。可是，损坏之后的维修费用非常高，看上去它是省电省钱的，但实际上一次维修花费的钱够交很长时间的电费、燃气费了。
平板太阳能热水器由太阳能集热板、集热水箱、控制器、外壳等几部分组成（图1-6）平板太阳能热水器按吸热板的结构不同，可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。
吸热板也称吸热芯板，是吸收太阳辐射能并向水传递热量的部件。
图1-6 平板太阳能热水器
吸热板要有一定的承压能力，与水的相容性好，热工性能优良，加工工艺简单，成本合理。常用材料是铜、铝合金、不锈钢、镀锌板，沿海水质较差的地方也有用塑料或玻璃钢等材料。为增加吸热板的热性能，往往在金属表面喷刷涂层。涂层分选择性涂层和非选择性涂层两种。平板集热器根据涂层种类分为两类，即俗称的黑膜和蓝膜（黑铬、阳极氧化）。
吸热体是平板太阳能热水器的核心部件，其先完成光热转换，再将热能传给待加热的水。吸热体主要由金属材料制成，初期为钢管板绑扎结构，后来出现了焊接式、铝翼式、铜铝复合式等结构，各有千秋。有的结合热导差、有的能耗太高、有的耗材太多、有的工艺复杂，但共同点是传热比玻璃高几十倍至几百倍，如铜的导热系数在 320 左右，铝在160 左右，铜在 40 左右，而玻璃只有 0.64。而耐压能力可达 10 kg/cm 2 ，玻璃连 0.5 kg/cm 2 压力也承受不了。故金属吸热体可进行自然循环、强制循环和直流式工作。因流速与传热系数成正比，所以金属吸热体传热效率也高得多。吸热体的管板结合新工艺，只需 1 台冲床，2 套模具即可批量生产，可谓设备少，投资省；只有冲、穿、压 3 道工序即可完成，可谓简单、易行；不需要焊接或其他辅助材料，可谓省工节能；以薄壁紫铜管为排管、薄铝板为翅片，可谓配伍科学，耐腐蚀、传热好、材料省。