4、光-生物质转换

主要是通过地球上众多植物的光合作用，将太阳辐射能转化为生物质能。其中大面积培植速生薪柴林，平均每年可以增高1m以上，不仅可以大大改善陆地绿化状况，减少大气污染，而且还可供给广大农村和偏远地区的炊事和生活用能。特别是，利用秸秆的气化燃烧，还可以用来进行小规模发电，满足家庭用电需要。此外，在海洋上大面积繁殖藻类，更可以解决全球日益增长的食品需要，尤其是补充蛋白质的不足，都将对于保证人类社会能够健康、平稳地可持续发展作出巨大的贡献。

3、光－化学转换

利用太阳辐射能直接分解水制氢，是一种很有前途的光-化学转换方式。另外，利用太阳能中的紫外线处理不能降解的“白色污染”－塑料包装，大大降低了治理费用。

2、光－电转换

光电转换即将太阳能转换成电能。目前，太阳能发电有两种方式：

光一热一电转换方式：利用太阳辐射热能发电，一般是由太阳能集热器将吸收热后产生的蒸汽，驱动汽轮机发电，其中后一过程与火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率低而成本高，其成本至少比普通火电站高5~10倍。

光一电直接转换方式：其基本原理是利用光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换成电能。光一电转换的主要装置就是太阳能电池，它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中继站、高山气象站、人造卫星、宇宙飞船等，尤其可以分散在边远山区、沙漠、海岛和农村使用，以节省一些造价很高的输电线路。

太阳辐射能的直接利用，基本上有四种方式。

1、光－热转换

光热转换的基本原理是将太阳辐射能收集起来，利用温室效应来加热物体而获得热能。这是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式。例如地膜、大棚、温室等。目前使用较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板型集热器，例如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器以及箱式太阳灶等；另一种是聚焦型集热器，例如太阳能开水器、太阳能理疗器以及反射式太阳灶、高温太阳炉等。　　　　　　　　　

1、太阳能资源的优点：与常规能源相比较，太阳能资源的优点很多，并且都是一般的常规能源所无法比拟的。概括起来，可以归纳为以下四个方面：

1)数量巨大：每年到达地球表面的太阳辐射能约为130万亿吨标准煤或3600Q，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的1×104倍。

2)时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约50亿年左右。太阳能的根源是在太阳内部的高温(-2×107K)和高压(-3×1016Pa)条件下进行的由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的热核反应。根据目前太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持1011年之久。对于人类存在的年代来说，确实可以认为是“取之不尽，用之不竭”的。

3)普照大地：太阳辐射能“送货上门”，既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，都“一视同仁”。既无“专利”可言，也不可能进行垄断，开发和利用都极为方便。

4)清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全。

2 太阳能资源的缺点

太阳能资源虽然具有上述几方面常规能源所无法比拟的优点，但也存在着相当严重的缺点和问题，主要有以下三个方面：

1)分散性：到达地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但是能流密度却很低。平均说来，北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐照度最大，约为l.1-1.2kW·m^-2，即投射到地球表面1m²面积上的太阳能功率仅为1kW左右；冬季大致只有一半，而阴天则往往只有1／5左右。因此，想要得到一定的辐射功率，就只有两种可行的办法：或者使采光面积增大，或者使采光面的集光比增大(即提高聚焦程度)。但是前者将需占用较大的地面，而后者则会使成本大大提高。

2)间断性和不稳定性：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，太阳辐射既是间断的又是不稳定的。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独立能源，就必须很好地解决贮能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用。但就目前而论，贮能恰好是太阳能利用中最薄弱的环节之一。

3)效率低和成本高：就太阳能利用的目前发展水平来说，有些方面虽然在理论上是可行的，技术上也是成熟的，但是因为效率普遍较低，成本普遍较高，所以经济性较差，还不能(至少不容易)与常规能源相竞争。在今后相当长的一段时期内，太阳能利用的进一步发展，或是大规模的推广使用，主要受到经济性的制约。因此，当前的研究重点之一，就是尽可能地提高效率和降低成本，加强经济上的竞争力。　

1)太阳辐射能和到达地球的太阳能

整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达37.3×10⁶兆焦，相当于每秒钟燃烧1.28亿吨标准煤所放出的能量。

太阳辐射到达地球陆地表面的能量，大约为17万亿千瓦，仅占到达地球大气外层表面总辐射量的10%。即使这样，它也相当目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。

2)太阳常数

太阳常数是指在太阳地球间平均距离外，在地球大气层以上垂直于太阳光线的平面上，单位面积，单位时间内的太阳辐射能的数值，该数值是个常数，一般取1367瓦/米²。 由于通过地球外大气层吸收反射，太阳光到达地面的辐射强度大大降低。

太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。

太阳能是最重要的基本能源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且包括像所有矿物燃料能、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，还应包括通过绿色植物的光合作用所固定下来的能量即生物质能。

现在广泛开采并使用的煤炭、石油、天然气等等，也都是古老的太阳能资源的产物，即由千百万年前动、植物本体所吸收的太阳辐射能转换而成的。水能是由水位的高差所产生的，由于受到太阳辐射的结果，地球表面上(包括海洋)的水份被加热而蒸发，形成雨云在高山地区降水后，即形成水能的主要来源。风能是由于受到太阳辐射的强弱程度不同，在大气中形成温差和压差，从而造成空气的流动所产生的。海洋能主要包括波浪能和海水温差能，后者可以利用一般海水表面的“高温”(与大气温度基本相同)和海水表面以下数十米处的“低温”(一般在7-10℃)之间的温差，用低温差发电机发电。潮汐能则是由于太阳和月亮对于地球上海水的万有引力作用的结果。

总之，严格地说来，除了地热能和原子核能以外，地球上的所有其他能源全部来自太阳能。这也称为“广义太阳能”，以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别。　

(三)交流小结　　

1、学生分组交流各自课题的研究结果(以下课题供参考，详见附录)

l　　　　 子课题1：太阳能利用的相关知识

包括：1)太阳能的含义

2)太阳辐射与太阳常数

3)太阳能的优缺点

4)太阳能的利用途径

5)太阳能利用所涉及的技术问题

6)太阳能利用的发展史等。

l　　　　 子课题2：太阳能的热利用

1)太阳能热利用在生活中的应用

搜集并展示有关太阳能热利用的产品或图片，让学生充分认识到太阳能热利用就在生活中。例如：太阳灶，太阳能干燥器，太阳能温室，太阳房等。

2)实验探究

²　　　　 研究影响太阳能转化为热能的效率因素(见课本P112页)，填写《探究太阳能利用效率活动任务单》，完成探究任务。

²　　　　 研究上海地区太阳辐射的特点(见课本P114)，设计并填写《研究上海地区太阳辐射特性活动任务单》，完成探究任务。

3)小制作、小发明参考

²　　　　 简易闷晒式太阳能集热箱的制作参考：研究不同颜色的材料对太阳辐射吸收的状况，思考如何合理利用太阳能(见课本P115)。用DIS温度传感器测试自制的闷晒式太阳能集热箱的效率和性能，与其他小组的作品比一比谁的集热箱的性能更好。

²　　　　 简易太阳灶的制作参考

²　　　　 简易太阳能热水器的制作参考：思考采取哪些措施可以提高热水器的热水温度和出水量。

²　　　　 太阳能热水瓶的制作参考。

4)调查研究

向家长或安装太阳能系列产品的家庭或单位进行调查访问活动，比较太阳能热水器、电热水器、燃气热水器在使用中的优缺点。

l　　　　 子课题3：太阳能发电

1)太阳能发电在生活中的应用

搜集并展示有关太阳能发电的产品或图片，让学生充分认识到太阳能发电就在生活中。例如：太阳能计算器、太阳能灯系列(草坪灯、观景灯、路灯、交通灯)、太阳能时钟、太阳能汽车、太阳能自行车太阳能发电厂、太阳能空调器、太阳能电视机、太阳能换气扇、太阳能收音机、太阳能电话机、太阳能照像机等。

2)太阳能电池介绍

包括太阳能电池的种类，原理、太阳能电池的应用和发展，国内、国外对太阳能电池的研究等，详见附录。

3)小制作、小发明参考

自己设计几个用太阳能电池供电的电路，画出电路原理图，寻找材料并动手制作。如太阳能小车，太阳能凉帽、太阳能风车、太阳能石英钟。也可以创作广告，画，歌曲、诗词、小品(但一定要和主题相关)。

²　　　　 太阳能凉帽的制作参考。

²　　　　 太阳能石英钟的制作参考。

²　　　　 太阳花的制作参考。

²　　　　 太阳能模型赛车的制作参考。

²　　　　 风能、光能两用发电机组的制作参考。

4)调查研究

通过搜集资料，比较太阳能发电，与水力发电、火力发电的优缺点。

2、师生评价

由师生组成的评审团以投票方式对各组成果进行评议，根据成果交流情况评出各奖项，进行表彰和鼓励，点评并提出改进意见。

3、理解太阳辐射与太阳常数

通过实例分析，引入物理模型、等效替代等物理思想，理解太阳辐射和“太阳常量”的概念。

例题：太阳内部不停地进行着热核反应(氘核和氚核结合成氦核)，同时释放出巨大的能量。地球平均每平方米所接受的太阳能的功率P₀=1.353*10³W/m²(即所谓的“太阳常量” )，若将这一功率视为在地球上垂直于太阳光线方向射到地球表面上的能量，已知太阳到地球的距离d=1.5*10¹¹m,地球的半径R＝6.4*10⁶m，求：

1)太阳在一年时间内向外辐射能量约为多少？

2)地球平均每年接受的太阳的能量是多少？

解：1)建立太阳的辐射物理模型

太阳在一年内向外辐射的能量E

2)理解“太阳常量”的概念: 将地球接受太阳能量的面积等效替代为一个半径为地球半径的截面的面积。

4、拓展延伸

介绍几个主要的国内外太阳能网站的地址，激发学生利用与开发太阳能的兴趣，增强保护环境、节能的使命感。

附录

附1：子课题资料参考

子课题1：太阳能利用的相关知识

(二)实践探究

l　　　 各课题组制定研究方案，自主开展研究活动。学生可以到阅览室、图书馆或通过上网查阅太阳能能源的相关资料，了解太阳能这一新型能源的开发和利用情况。也可以实验探究影响太阳能转化为热能效率的因素、上海地区太阳辐射的特点以及测试闷晒式太阳能集热箱效率和性能。还可以利用太阳能的相关知识，进行小制作，小改造和小发明。作品可以是制作模型，也可以绘制设计图，讲解设计思路和科学原理等。

l　　　 以课题组为单位，归纳整理收集到的信息资料，将研究结果以word，Powerpoint、flash、网页、作品等形式加以总结，便于小结交流。

(一)问题探讨

1、学生方面所做的准备

l　　　 学生分组：以自愿结合为原则，每4-6人分为一组。

l　　　 角色和任务分工：根据自身的特点，学生自主选择和承担对应子课题的各项任务。每组可设资料搜集员，整理员、展示员，实验员、制作发明员、组长(兼)等。

l　　　 课题选题：包括教师指定选题和学生自主选题。教师可根据学生的知识水平和研究能力，可以提供一系列可操作的课题供学生选择，也可以由学生自主选择有兴趣、能操作的课题，然后填写选题意向表。其他课题：需由指导老师主持开题评审会对学生课题研究方案进行评审。

2、教师方面所做的准备

l　　　 创设学习的情境：从本节课的生活背景出发，激发学生学习“太阳能利用”的兴趣。

l　　　 编写课前导学：学生自主学习应考虑时间的合理性，高中生课后作业较多，为了让学生有宽裕的课前自主时间，开展研究性学习。教师应根据具体要求，编写了“课前导学”，在“课前导学”中为学生提供了学法指导，针对所学内容，提供一些相关的学习方法让学生参考，重在引导学生围绕重点、难点展开思考，发现疑点，提高学习效率。

l　　　 教师搜集选题意向表：按照学生的意向分组，最后宣布分组名单。

l　　　 评价方式：成立课题评审团。由每个课题组的一名代表和指导老师组成评审团，一方面对学生开题报告进行评审，另一方面以投票方式对各组交流展示的成果进行评议。根据成果交流情况评出各奖项，进行表彰和鼓励，点评并提出改进意见。