22.3 太阳能 学习任务单（无答案）

学习任务单
课程基本信息
学科 物理 年级 九年级 学期 秋季
课题 太阳能
学习目标
1.知道太阳能的由来及其特点。 2.了解利用太阳能的方式及其新进展；通过对太阳能及其转化情况的讨论，能用能量转化观 点分析问题。 3.通过自制太阳能集热器的实验，经历科学探究的过程，会用科学方法解决问题。 4.对于能源的开发与利用有可持续发展的意识。
课前学习任务
1.预习本课教材内容。 2.收集生活中利用太阳能的例子。
课上学习任务
【学习任务一】 观看科普纪录片片段《宇宙与人》中有关太阳的介绍，阅读课本中的内容，回答问题。 1、太阳的结构是怎样的？ 2、地球距离太阳有多远？ 3、太阳有多大？ 4、太阳有多热？ 5、太阳的能量来源是什么？ 6、太阳的年龄是多少？它还能燃烧多少年？
【学习任务二】 请解释地球上的能量是怎样转化和守恒的？为什么我们现在开采的煤、石油等化石能源实际 上都是来源于上亿年前太阳上的核能？ 【学习任务三】 人类直接利用太阳能的两种方式？ 自制太阳能集热器，探究黑色和白色对太阳能的吸收有什么不同？ 数据记录及实验结论。 颜色初始水温 T1/℃最终水温 T1/℃黑白
【学习任务四】 课堂小结，记录笔记。 (
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) 1、 人造太阳 “ 国际热核聚变实验堆（ITER）计划 ”是一个能产生大规模核聚变反应的工程计划，其 主要实验装置俗称“人造太阳 ”。 核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作内容。与 不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核 废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一。开发利用聚变能，是目前人类认知到的可以 最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。ITER 计 划集成了当今国际受控磁约束热核聚变研究的主要科学和技术成果，拥有可靠的科学依据并 具备坚实的技术基础。
中国新一代“人造太阳 ”实验装置 EAST 是由中国科 学家独立设计、 自主建造的。2006 年 9 月 28 日，EAST 首次成功完成放电实验，获得大小为 200kA、持续时间接 近 3s 的电流，成为世界上第一个建成并真正运行的全超 导非圆截面核聚变实验装置。 2、太阳能的利用 太阳是离地球最近的一颗恒星，是个不断进行核聚变反应的巨大的炽热的球状气团。由 于其内部深处的极高温度（约 2×107 ℃) 和极高压力（约 2×1016 Pa，相当于标准大气压 2000 亿倍），使原子的热核反应得以不断进行，从而通过太阳表面以光的形式向宇宙空间辐射出巨 大的能量，这就是太阳能。据粗略估计，太阳向地球表面辐射功率为 1.7×1014kW。我国幅员 辽阔， 日照充足，一年可获得的太阳能约为 1016kW·h，相当于 1.2x1012t 标准煤释放的能量。 随着生产和技术的发展，人们已开始将太阳能转化为其他能量形式加以利用。例如，将 太阳能转化为化学能、 内能、电能等。这种能量的转化过程分别叫作光化转化、光热转化、 光电转化。其中光化转化最常见的是通过植物的光合作用进行的。例如“燃料栽培 ”法就是 利用太阳能催长草木和藻类，然后将草木进行高温分解，制得木炭、燃气等燃料；将藻类进 行发酵，制得沼气和氢气。这样“栽培 ”出来的燃料减少了污染，用完了还可再生。不过自 然界中植物通过光合作用将太阳能转化成自身的化学能的效率是很低的，只有千分之几。 在光热转化中，我们把实现这种转化的装置称为太阳能集热器。用它来把太阳辐射能转 化为内能，再把水或其他介质加热，或转化为其他形式的能量加以利用。简单的平板型集热 器， 由一块金属板（铜、铝、钢板等）构成。如图所示。朝太阳的一面处理成吸收系数大的 黑色表面，以充分吸收太阳的辐射能。当水流过金属板背面时，金属板吸收的太阳能就把水 加热。为了充分把收集的太阳热量传给介质，金属板朝太阳的一面装上一层或多层玻璃或塑 料板，背面和四周加保温设备以减少热量损失，保持一定的加热温度。平板型集热器可用于 加热水、咸水淡化、房屋采暖、干燥以及制冰等。除平板型集热器外，还有聚光式集热器。 聚光式集热器常用透镜、抛物面反射镜或多块平面反射聚 光镜，作为获得能量密度较高的收集器，可以获得上千度 的高温。 把太阳能转化成电能有两种基本的途径：一种是光电
转化，即通过光电器件将太阳能直接转化为电能，这叫光发电。另一种是光——热—— 电转 化，即先把太阳能转化为内能，然后直接或间接地转化成电能，这叫热发电。太阳能电池就 是利用光电效应制成的一种发电器件（光电池）。 所谓光电效应，是金属在光的照射下释放出电子的现象。太阳能电池一般由具有扩散结 类型的半导体制成，是一种物理电池，只起能量的转化作用，不发生化学变化。这种电池， 目前已用于人造地球卫星，地面上可作为太阳能航标灯、打火机、手表等的电源。太阳能作 为一种能源，具有来源丰富，不需要运输，不会对环境造成污染等优点。但由于能量比较分 散且受季节、气候和昼夜变化的影响很大，又给大规模利用太阳能带来一些新的技术课题。 3、太阳能电池 在太阳能发电方面， 目前比较成功的是利用太阳能电池发电。太阳能电池是利用光电效 应制成的一种发电器件（光电池）。不过，用金属制成的光电池，效率极低，只有应用了半导 体，才使光电池跨入了实用阶段。 普通的太阳能电池，大多是由两种不同导电类型（电子型和空穴型）的半导体构成的， 如图所示。所谓电子型半导体是以电子导电为主的半导体，也叫 N 型半导体。它的制备是在 一块纯净的半导体（如硅、锗）中掺入某类杂质（如磷、砷、锑等）而成。它们能够提供导 电的电子。所谓空穴型半导体是以空穴导电为主的半导体，也叫 P 型半导体。它的制备是在 一块纯净的半导体中掺入某种提供导电 的空穴的杂质，如在硅中掺入硼。当 P 型 半导体和 N 型半导体接触时，便在交界面 处即 P-N 结附近建立了内电场（或称势垒 电场）。由于此处的电阻特别高，所以也 称为阻挡层。 当太阳光照射在器件上时，半导体内的原子由于获得了光能而释放了电子，这些电子（称 为光电子）在内电场作用下移向器件的一端，使这一端呈现负极性。在器件的另一端， 由于 缺少了电子，呈现出正极性。这样就在器件内形成一个与内电场方向相反的电场即光生电场。 由于在 P 区和 N 区之间产生了光生电动势。如果把器件的这两端用导线连接起来，导线中便 有电流产生。这就是太阳能电池的基本原理。若把几个、几十个这样的电池元件串联、并联 起来，组成太阳能电池群（或称太阳能电池板），在阳光照射下就能产生相当可观的电流。
现在制成的太阳能电池有硅电池、砷化镓电池、硫化镉电池、碲化镉电池、磷化铟电池 等多种，而以硅电池发展得最为成熟。硅太阳能电池是用地球上富有的元素硅制造的，其工 艺比一般晶体管的制造工艺简单。单体硅电池呈平直的片状结构，尺寸有：2cm×2cm、2cm ×4cm、2cm×6cm 等多种，也有制成圆形、半月形、月牙形、多角形的， 以充分利用硅单晶 材料。硅太阳能电池能把太阳能直接转变成直流电。大量生产的硅电池，其光电转化效率一 般为 9％～12％ ，也就是在地面阳光强度为 1kW/m2 的条件下，每平方厘米的硅电池的发电功 率是 10mW。 目前，硅太阳能电池是人造卫星、宇宙飞船上的主要能源装置，在地面上则与蓄电池配 合，作为特殊电源使用。 白天有光照时，硅电池一方面给仪器或设备供电，同时将剩余的电 能贮存在蓄电池里，到夜晚或阴雨天再由蓄电池供电。在一些无电或少电的边远地区，硅太 阳能电池和蓄电池组作为小功率独立电源，可以发挥很大的作用。例如可为无人灯塔、海上 航标灯、山地无人气象站、地震观测站、无线电中继站、沙漠里的抽水机等固定的永久性设 备供电，也可以作为半导体收音机、钟表、打火机、家用照明灯、铁路信号灯等的电源。 太阳能电池对开发利用太阳能意义重大，在许多高技术领域，它是一种清洁的、方便的 能源装置，它作为光电检测元件具有独特的优点，很适于在电影机、雷达、照相机、火灾报 警器、光电跟踪器等仪器中应用。但目前太阳能电池的制造工艺还很复杂，成本很高，这就 影响了它在地面上的推广应用。另外， 日照条件、昼夜的更迭和气候的变化都影响它的工作 效率。太阳能电池的寿命虽然从原理上讲是很长的，然而实际却是有限的，太阳能电池的寿 命会受到雨水、热、紫外线以及脏物、灰尘等的影响。对这些问题科学家正在寻找解决的方 案。