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4、光-生物質(zhì)轉(zhuǎn)換

主要是通過地球上眾多植物的光合作用，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。其中大面積培植速生薪柴林，平均每年可以增高1m以上，不僅可以大大改善陸地綠化狀況，減少大氣污染，而且還可供給廣大農(nóng)村和偏遠地區(qū)的炊事和生活用能。特別是，利用秸稈的氣化燃燒，還可以用來進行小規(guī)模發(fā)電，滿足家庭用電需要。此外，在海洋上大面積繁殖藻類，更可以解決全球日益增長的食品需要，尤其是補充蛋白質(zhì)的不足，都將對于保證人類社會能夠健康、平穩(wěn)地可持續(xù)發(fā)展作出巨大的貢獻。

3、光－化學轉(zhuǎn)換

利用太陽輻射能直接分解水制氫，是一種很有前途的光-化學轉(zhuǎn)換方式。另外，利用太陽能中的紫外線處理不能降解的“白色污染”－塑料包裝，大大降低了治理費用。

2、光－電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換即將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。目前，太陽能發(fā)電有兩種方式：

光一熱一電轉(zhuǎn)換方式：利用太陽輻射熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將吸收熱后產(chǎn)生的蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電，其中后一過程與火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率低而成本高，其成本至少比普通火電站高5~10倍。

光一電直接轉(zhuǎn)換方式：其基本原理是利用光生伏打效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。光一電轉(zhuǎn)換的主要裝置就是太陽能電池，它適用于電子儀表、光電信號器件、無人中繼站、高山氣象站、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等，尤其可以分散在邊遠山區(qū)、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省一些造價很高的輸電線路。

太陽輻射能的直接利用，基本上有四種方式。

1、光－熱轉(zhuǎn)換

光熱轉(zhuǎn)換的基本原理是將太陽輻射能收集起來，利用溫室效應(yīng)來加熱物體而獲得熱能。這是目前技術(shù)最為成熟、成本最為低廉、因而應(yīng)用最為廣泛的形式。例如地膜、大棚、溫室等。目前使用較多的太陽能收集裝置有兩種：一種是平板型集熱器，例如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器以及箱式太陽灶等；另一種是聚焦型集熱器，例如太陽能開水器、太陽能理療器以及反射式太陽灶、高溫太陽爐等�！　　　　　　　　�

1、太陽能資源的優(yōu)點：與常規(guī)能源相比較，太陽能資源的優(yōu)點很多，并且都是一般的常規(guī)能源所無法比擬的。概括起來，可以歸納為以下四個方面：

1)數(shù)量巨大：每年到達地球表面的太陽輻射能約為130萬億噸標準煤或3600Q，即約為目前全世界所消費的各種能量總和的1×104倍。

2)時間長久：根據(jù)天文學的研究結(jié)果，可知太陽系已存在大約50億年左右。太陽能的根源是在太陽內(nèi)部的高溫(-2×107K)和高壓(-3×1016Pa)條件下進行的由四個氫原子核聚變成一個氦原子核的熱核反應(yīng)。根據(jù)目前太陽輻射的總功率以及太陽上氫的總含量進行估算，尚可繼續(xù)維持1011年之久。對于人類存在的年代來說，確實可以認為是“取之不盡，用之不竭”的。

3)普照大地：太陽輻射能“送貨上門”，既不需要開采和挖掘，也不需要運輸。普天之下，無論大陸或海洋，無論高山或島嶼，都“一視同仁”。既無“專利”可言，也不可能進行壟斷，開發(fā)和利用都極為方便。

4)清潔安全：太陽能素有“干凈能源”和“安全能源”之稱。它不僅毫無污染，遠比常規(guī)能源清潔；也毫無危險，遠比原子核能安全。

2 太陽能資源的缺點

太陽能資源雖然具有上述幾方面常規(guī)能源所無法比擬的優(yōu)點，但也存在著相當嚴重的缺點和問題，主要有以下三個方面：

1)分散性：到達地球表面的太陽輻射能的總量盡管很大，但是能流密度卻很低。平均說來，北回歸線附近夏季晴天中午的太陽輻照度最大，約為l.1-1.2kW·m^-2，即投射到地球表面1m²面積上的太陽能功率僅為1kW左右；冬季大致只有一半，而陰天則往往只有1／5左右。因此，想要得到一定的輻射功率，就只有兩種可行的辦法：或者使采光面積增大，或者使采光面的集光比增大(即提高聚焦程度)。但是前者將需占用較大的地面，而后者則會使成本大大提高。

2)間斷性和不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴陰云雨等隨機因素的影響，太陽輻射既是間斷的又是不穩(wěn)定的。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的獨立能源，就必須很好地解決貯能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來以供夜間或陰雨天使用。但就目前而論，貯能恰好是太陽能利用中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

3)效率低和成本高：就太陽能利用的目前發(fā)展水平來說，有些方面雖然在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的，但是因為效率普遍較低，成本普遍較高，所以經(jīng)濟性較差，還不能(至少不容易)與常規(guī)能源相競爭。在今后相當長的一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步發(fā)展，或是大規(guī)模的推廣使用，主要受到經(jīng)濟性的制約。因此，當前的研究重點之一，就是盡可能地提高效率和降低成本，加強經(jīng)濟上的競爭力�！�

1)太陽輻射能和到達地球的太陽能

整個太陽每秒鐘釋放出來的能量是無比巨大的，高達37.3×10⁶兆焦，相當于每秒鐘燃燒1.28億噸標準煤所放出的能量。

太陽輻射到達地球陸地表面的能量，大約為17萬億千瓦，僅占到達地球大氣外層表面總輻射量的10%。即使這樣，它也相當目前全世界一年內(nèi)能源總消耗量的3.5萬倍。

2)太陽常數(shù)

太陽常數(shù)是指在太陽地球間平均距離外，在地球大氣層以上垂直于太陽光線的平面上，單位面積，單位時間內(nèi)的太陽輻射能的數(shù)值，該數(shù)值是個常數(shù)，一般取1367瓦/米²。 由于通過地球外大氣層吸收反射，太陽光到達地面的輻射強度大大降低。

太陽內(nèi)部進行著由氫聚變成氦的原子核反應(yīng)，不停地釋放出巨大的能量，不斷地向宇宙空間輻射能量，這就是太陽能。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)可以維持很長時間，據(jù)估計約有幾十億至幾百億年，相對于人類的有限生存時間而言，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的。

太陽能是最重要的基本能源，不僅包括直接投射到地球表面上的太陽輻射能，而且包括像所有礦物燃料能、水能、風能、海洋能、潮汐能等間接的太陽能資源，還應(yīng)包括通過綠色植物的光合作用所固定下來的能量即生物質(zhì)能。

現(xiàn)在廣泛開采并使用的煤炭、石油、天然氣等等，也都是古老的太陽能資源的產(chǎn)物，即由千百萬年前動、植物本體所吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)換而成的。水能是由水位的高差所產(chǎn)生的，由于受到太陽輻射的結(jié)果，地球表面上(包括海洋)的水份被加熱而蒸發(fā)，形成雨云在高山地區(qū)降水后，即形成水能的主要來源。風能是由于受到太陽輻射的強弱程度不同，在大氣中形成溫差和壓差，從而造成空氣的流動所產(chǎn)生的。海洋能主要包括波浪能和海水溫差能，后者可以利用一般海水表面的“高溫”(與大氣溫度基本相同)和海水表面以下數(shù)十米處的“低溫”(一般在7-10℃)之間的溫差，用低溫差發(fā)電機發(fā)電。潮汐能則是由于太陽和月亮對于地球上海水的萬有引力作用的結(jié)果。

總之，嚴格地說來，除了地熱能和原子核能以外，地球上的所有其他能源全部來自太陽能。這也稱為“廣義太陽能”，以便與僅指太陽輻射能的“狹義太陽能”相區(qū)別�！�

(三)交流小結(jié)　　

1、學生分組交流各自課題的研究結(jié)果(以下課題供參考，詳見附錄)

l　　　　 子課題1：太陽能利用的相關(guān)知識

包括：1)太陽能的含義

2)太陽輻射與太陽常數(shù)

3)太陽能的優(yōu)缺點

4)太陽能的利用途徑

5)太陽能利用所涉及的技術(shù)問題

6)太陽能利用的發(fā)展史等。

l　　　　 子課題2：太陽能的熱利用

1)太陽能熱利用在生活中的應(yīng)用

搜集并展示有關(guān)太陽能熱利用的產(chǎn)品或圖片，讓學生充分認識到太陽能熱利用就在生活中。例如：太陽灶，太陽能干燥器，太陽能溫室，太陽房等。

2)實驗探究

²　　　　 研究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的效率因素(見課本P112頁)，填寫《探究太陽能利用效率活動任務(wù)單》，完成探究任務(wù)。

²　　　　 研究上海地區(qū)太陽輻射的特點(見課本P114)，設(shè)計并填寫《研究上海地區(qū)太陽輻射特性活動任務(wù)單》，完成探究任務(wù)。

3)小制作、小發(fā)明參考

²　　　　 簡易悶曬式太陽能集熱箱的制作參考：研究不同顏色的材料對太陽輻射吸收的狀況，思考如何合理利用太陽能(見課本P115)。用DIS溫度傳感器測試自制的悶曬式太陽能集熱箱的效率和性能，與其他小組的作品比一比誰的集熱箱的性能更好。

²　　　　 簡易太陽灶的制作參考

²　　　　 簡易太陽能熱水器的制作參考：思考采取哪些措施可以提高熱水器的熱水溫度和出水量。

²　　　　 太陽能熱水瓶的制作參考。

4)調(diào)查研究

向家長或安裝太陽能系列產(chǎn)品的家庭或單位進行調(diào)查訪問活動，比較太陽能熱水器、電熱水器、燃氣熱水器在使用中的優(yōu)缺點。

l　　　　 子課題3：太陽能發(fā)電

1)太陽能發(fā)電在生活中的應(yīng)用

搜集并展示有關(guān)太陽能發(fā)電的產(chǎn)品或圖片，讓學生充分認識到太陽能發(fā)電就在生活中。例如：太陽能計算器、太陽能燈系列(草坪燈、觀景燈、路燈、交通燈)、太陽能時鐘、太陽能汽車、太陽能自行車太陽能發(fā)電廠、太陽能空調(diào)器、太陽能電視機、太陽能換氣扇、太陽能收音機、太陽能電話機、太陽能照像機等。

2)太陽能電池介紹

包括太陽能電池的種類，原理、太陽能電池的應(yīng)用和發(fā)展，國內(nèi)、國外對太陽能電池的研究等，詳見附錄。

3)小制作、小發(fā)明參考

自己設(shè)計幾個用太陽能電池供電的電路，畫出電路原理圖，尋找材料并動手制作。如太陽能小車，太陽能涼帽、太陽能風車、太陽能石英鐘。也可以創(chuàng)作廣告，畫，歌曲、詩詞、小品(但一定要和主題相關(guān))。

²　　　　 太陽能涼帽的制作參考。

²　　　　 太陽能石英鐘的制作參考。

²　　　　 太陽花的制作參考。

²　　　　 太陽能模型賽車的制作參考。

²　　　　 風能、光能兩用發(fā)電機組的制作參考。

4)調(diào)查研究

通過搜集資料，比較太陽能發(fā)電，與水力發(fā)電、火力發(fā)電的優(yōu)缺點。

2、師生評價

由師生組成的評審團以投票方式對各組成果進行評議，根據(jù)成果交流情況評出各獎項，進行表彰和鼓勵，點評并提出改進意見。

3、理解太陽輻射與太陽常數(shù)

通過實例分析，引入物理模型、等效替代等物理思想，理解太陽輻射和“太陽常量”的概念。

例題：太陽內(nèi)部不停地進行著熱核反應(yīng)(氘核和氚核結(jié)合成氦核)，同時釋放出巨大的能量。地球平均每平方米所接受的太陽能的功率P₀=1.353*10³W/m²(即所謂的“太陽常量” )，若將這一功率視為在地球上垂直于太陽光線方向射到地球表面上的能量，已知太陽到地球的距離d=1.5*10¹¹m,地球的半徑R＝6.4*10⁶m，求：

1)太陽在一年時間內(nèi)向外輻射能量約為多少？

2)地球平均每年接受的太陽的能量是多少？

解：1)建立太陽的輻射物理模型

太陽在一年內(nèi)向外輻射的能量E

2)理解“太陽常量”的概念: 將地球接受太陽能量的面積等效替代為一個半徑為地球半徑的截面的面積。

4、拓展延伸

介紹幾個主要的國內(nèi)外太陽能網(wǎng)站的地址，激發(fā)學生利用與開發(fā)太陽能的興趣，增強保護環(huán)境、節(jié)能的使命感。

附錄

附1：子課題資料參考

子課題1：太陽能利用的相關(guān)知識

(二)實踐探究

l　　　 各課題組制定研究方案，自主開展研究活動。學生可以到閱覽室、圖書館或通過上網(wǎng)查閱太陽能能源的相關(guān)資料，了解太陽能這一新型能源的開發(fā)和利用情況。也可以實驗探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。還可以利用太陽能的相關(guān)知識，進行小制作，小改造和小發(fā)明。作品可以是制作模型，也可以繪制設(shè)計圖，講解設(shè)計思路和科學原理等。

l　　　 以課題組為單位，歸納整理收集到的信息資料，將研究結(jié)果以word，Powerpoint、flash、網(wǎng)頁、作品等形式加以總結(jié)，便于小結(jié)交流。

(一)問題探討

1、學生方面所做的準備

l　　　 學生分組：以自愿結(jié)合為原則，每4-6人分為一組。

l　　　 角色和任務(wù)分工：根據(jù)自身的特點，學生自主選擇和承擔對應(yīng)子課題的各項任務(wù)。每組可設(shè)資料搜集員，整理員、展示員，實驗員、制作發(fā)明員、組長(兼)等。

l　　　 課題選題：包括教師指定選題和學生自主選題。教師可根據(jù)學生的知識水平和研究能力，可以提供一系列可操作的課題供學生選擇，也可以由學生自主選擇有興趣、能操作的課題，然后填寫選題意向表。其他課題：需由指導(dǎo)老師主持開題評審會對學生課題研究方案進行評審。

2、教師方面所做的準備

l　　　 創(chuàng)設(shè)學習的情境：從本節(jié)課的生活背景出發(fā)，激發(fā)學生學習“太陽能利用”的興趣。

l　　　 編寫課前導(dǎo)學：學生自主學習應(yīng)考慮時間的合理性，高中生課后作業(yè)較多，為了讓學生有寬裕的課前自主時間，開展研究性學習。教師應(yīng)根據(jù)具體要求，編寫了“課前導(dǎo)學”，在“課前導(dǎo)學”中為學生提供了學法指導(dǎo)，針對所學內(nèi)容，提供一些相關(guān)的學習方法讓學生參考，重在引導(dǎo)學生圍繞重點、難點展開思考，發(fā)現(xiàn)疑點，提高學習效率。

l　　　 教師搜集選題意向表：按照學生的意向分組，最后宣布分組名單。

l　　　 評價方式：成立課題評審團。由每個課題組的一名代表和指導(dǎo)老師組成評審團，一方面對學生開題報告進行評審，另一方面以投票方式對各組交流展示的成果進行評議。根據(jù)成果交流情況評出各獎項，進行表彰和鼓勵，點評并提出改進意見。