第七章D 学习包——太阳能的利用

本学习包主要学习太阳能的利用，学习过程建议分三个阶段进行：

第一阶段：问题讨论

在20世纪中，人类使用的能源主要有石油、天然气和煤炭三种，而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，地球上这三种能源能供人类开采的年限分别只有30～40年、50～60年和约300年了。所以，开发新能源，已经成为人类发展中的紧迫课题。目前，太阳能已成为人类新能源发展的一个重要方向。

太阳是个巨大的能源。在太阳内部不断地发生热核反应（氢变成氦的聚变反应），由此产生的巨大能量通过辐射到达地球。在地球上，平均每平方米每秒所接受的太阳的辐射能约为1.353 kJ，也就是说，太阳每秒照射到地球上的能量约相当于燃烧6.0×10⁵5 t标准煤释放出的能量。图7-21所示的装置是一个演示太阳辐射的仪器。在球型玻璃罩的中央是一根直立的轴，在轴中部装有可转动的支架，在支架的末端上对称地装有四个叶片，每个叶片均由铝箔制成，叶片的一个表面被涂上了黑色涂料。当太阳光照射在叶片上时，由于黑色和白色物体对热辐射的吸收能力的不同，各部分温度发生的变化不同，从而使球型玻璃罩内的空气形成对流，叶片就会带动支架转动起来。

生活汇总我们可以利用太阳能热水器提高我们的生活质量，图7-22所示是比普通房屋节约75%~90%能耗的新颖太阳房，图7-23所示是在寒冬腊月借助太阳能在大暖棚内种植夏季特有的绿色植物。

如今，我们不仅直接利用太阳辐射的热效应，还可以利用太阳能来发电、驱动飞行器和车辆。在烈日炎炎的夏日，当我们戴上如图7-24所示的太阳能凉帽，一定能感受到新能源的清洁和实惠！图7-25所示是一辆用太阳能电池和电动机驱动的玩具小车。

看完以上材料请同学思考，并提出一些问题进行讨论，例如可以提出：

1．太阳能是取之不尽的吗？

2．为什么现在还不能普遍地用太阳能代替其他能源？

3．如何用人工方法获取并储存太阳能？

4．如何提高太阳能转化为内能的效率？

同学们还可提出其他问题。

针对第4个问题，请同学思考与讨论：如何通过实验来研究提高太阳能转化为内能的效率的方法？

研究方案提示：

我们建议从以下三个方面来设计“提高太阳能转化为内能的效率”的实验，并得出结论。

• 寻找不同的隔热保温材料，比较它们对太阳能转化为内能的效率的影响。
• 改变太阳光辐射角度，探究最佳效果。
• 不同的物体表面对太阳能转化为内能的效率的影响。

第二阶段：探索研究

在睛朗的冬日里，太阳照射在身上时，你会感到很温暖。这是因为阳光携带的能量被你的衣服、皮肤吸收而转化为内能。夏天，人们喜欢穿白色或淡颜色的衣服，是因为白色可以反射阳光，人所吸收的能量减少了，所以会比穿黑衣服凉快些。这个现象反映了物体表面的不同颜色对太阳能转化为内能的效率是不同的。为此，我们提供一个实验设计方案，对如何提高太阳能转化为内能的效率进行研究。

【学生实验】探究太阳能转化为内能的效率

1．实验目的：研究不同表面对太阳能转化为内能的效率的影响。

2．实验器材：太阳能实验器、DIS数据采集器、温度传感器等。

3．实验步骤：

①如图7-26所示，太阳能实验器的支架上装着三只分别涂黑色、灰色、白色的瓶子，将温度传感器插入瓶内，以观察瓶内空气温度的变化。

②调节太阳能实验器的位置与倾角，使太阳光直射在瓶子上。

③开启电源，运行DIS应用软件。点击实验目录中的“太阳能的利用”，显示器界面如图7-27所示；点击“开始记录”，计算机同时显示三只瓶内空气温度升高的变化图线。

④分析、归纳实验数据，得出结论。

4．实验结论：_______________________________。

第三阶段：交流小结

（一）实验展示

把实验过程和结论进行展示交流。

（二）撰写报告

在交流小结结束后完成一份书面结题报告。

（三）学习小结

通过探索研究并结合下列问题检测自己对本学习包的学习情况。

1．通过网络检索太阳能的相关知识，是否比单一从课本上学习所获的知识更丰富？在查阅资料的过程中遇到过什么困难？

2．对学习包中所提供的资料，在阅读理解上是否存在困难？有关太阳能方面的资料还有哪些？有哪些相关的杂志和书籍？

3．你能利用身边的实验器材研究太阳能转变为内能的效率吗？

4．你能够顺利完成“探索研究”中的实验项目吗？你有哪些关于太阳能利用方面的新设想和创意呢？

参考资料

1．太阳能

每年地球所接收的太阳能至少有5.5×10²⁴ J，约相当于燃烧1.9×10¹⁴ t标准煤所释放的能量。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳，地球上的化石燃料（如煤炭、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能。所以，广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能是一种辐射能，具有即时性，必须即时转换成其他形式能量才能利用和储存。将太阳能转换成不同形式的能量，需要不同的能量转换器。图7-28反映了目前利用太阳能的主要途径。

2．我国的太阳能资源

我国幅员广阔，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为5.0×10⁸ kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837 kJ/（cm²·a），中值为586 kJ/（cm²·a）。（a为时间单位“年”的符号）

3．太阳能利用技术发展现状

由于太阳辐射的能流密度低，因此，在利用太阳能时，为了获得足够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装置（集热器），对太阳能进行采集。

（1）全玻璃真空集热管和家用太阳能热水器。

图7-29是20世纪70年代研制成功的全玻璃真空集热管的结构示意图。家用太阳能热水器就是将若干支全玻璃真空集热管组成集热器固定在一块白色漫反射平板上，实现对储水箱中的水进行加热的装置，见图7-30。

（2）太阳能制冷技术。

目前，就世界范围而言，太阳能制冷技术还处于示范阶段。在我国“九五”期间，太阳能空调降温示范工程就已被列入国家科技攻关项目。图7-31所示的是两种类型的太阳能空调器。

（3）太阳能发电。

太阳能发电是太阳能热利用的重要方面，其原理是利用太阳光的热能将传热介质加热产生蒸汽，推动汽轮机，带动发电机发电。

在太阳能利用中，还可以利用光伏电池直接将太阳能转化为电能，给各种用电器供电。例如，图7-32中的太阳能汽车和太阳能飞机，虽然还不具备良好的使用性，但是它们的成功为我们展示了太阳能利用的美好前景。

（4）太阳房。

太阳房是直接利用太阳辐射能的重要应用。把房屋看作一个集热器，通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并储存太阳能，达到房屋采暖目的。

（5）太阳灶。

我国是太阳灶的最大生产国，主要在甘肃、青海、西藏等西北边远地区和农村应用。图7-33所示的太阳灶的主要部件为反射抛物面，其开口面积在1.6～2.5 m²。

英语角

Forms of Energy

Scientists consider energy to exist in several main forms. These include heat energy, which can raise the temperature of matter, electrical energy, which enables charge to flow around a circuit, and chemical energy, contained in fuels. The Sun converts nuclear energy into light, heat, ultraviolet radiation, and other forms of energy as electromagnetic waves.

发布时间：2016/9/28 下午8:53:07  阅读次数：746