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利用高海拔处的太阳能发电 摘要——作为格拉泽太阳能卫星发电和地面光伏发电的中间解决方案，本文将探讨利用高空空气静力学平台来收集太阳能，介绍一种根据实验数据来计算中高对流层中的光照的过程。结果显示这种光复系统所收集的能量是安装在地面的同种设备的四至六倍，是安装在卫星上同样设施所收集能量的1／3到1／2.本文将利用联系主要工程参数／变量的方程来对太阳能发电气球的概念进行简单的描述，利用输入的工程参数得出安装在海拔6KM处的发电设施的预算规模及成本。 Ⅰ、导论 新型低成本的新能源利用技术的发展，对于支撑社会发展的能源供应来说已经变得非常关键，而太阳能发电就是能够满足我们未来能源需求的主要能源之一。 利用地面光伏板来获取太阳能存在的一个主要问题就是能量密度相对较低，这是因为它的能量输出深受纬度和天气条件的影响，这些因素阻碍了光伏发电在一些多云气候国家中的普及发展。而另一方面，拥有高强度阳光照射的地区由于距离用户较远，长距离的电缆传输将引起巨大的电能损耗，而且如此庞大的工程将牵扯到复杂的政治因素，这些都严重削弱了太阳能发电的经济优势。 在20世纪70年代，格拉泽提出了一种完全不同的方法，他的提议至今仍被科学家们所采用。其基本内容就是利用一颗大卫星来收集太阳能（该卫星能够收集太阳辐射的全部能量），并利用微波辐射将能量传递到地面。然后地面接收站将微波辐射能量转变为可利用的电能。随着科技的进步，在1995年这份提议的内容得到了进一步的补充完善，而且这方面的研究工作仍在继续进行。然而，由于其涉及的科学技术极其复杂，存在安全隐患且成本极高，因而此项技术难以在实际中得到应用。成本问题是阻挠其实际应用的一个巨大障碍，因为它需要在能获得任何收益之前预付巨额的资金。 作为格拉泽太阳能卫星和地面光伏设施的中间方案，在本文中我们提出利用高空气球来收集太阳能。这种方法能够解决大多数与天气条件有关的难题，因为这个平台位于云层之上。同时，由于该平台也高于大气层中的密集层，想必于地面，光能在大气层中的传播距离将大大缩减，从而进一步提高了能量的输出。所以该方法将比地面装置收集到更多的太阳能（在本文中将高空海拔设定为6KM，在此海拔处收集到的太阳能是英国地面光伏设施的4倍）。另外，该平台与地面的连接电缆将会在相对安全和低电能损耗的前提下将电能输送到地面。尽管该装置收集到的太阳能是太阳能卫星的25%到50%，然而其成本却大大的降低，因而具有重大的实用价值。 现在大多数研究者倡议利用由高空大气层中的强风驱动的飞翔发电机来获取能量，这种发电机能够收集海拔几百米到10KM以至更高处的风能。 尽管利用这种类型的设备来获取能量是可行的，而且成本也很可能不会太高，但其实现技术却相对比较复杂，其中的一个问题就是当风速比较低时，该发电设备需要反过来从地面吸取能量来提供足够的浮力是自身悬浮于空中。解决这个问题的一种方法就是利用一种比空气轻的材料来制造发电设备以使其总是悬浮于空中，然而即便如此仍然有许多其他的重大技术难题需要去克服。 为了使高海拔处太阳能的利用在技术方面变得简单一些，而且提供可靠性更高的能量，实现该目标的关键一步就是解决某一海拔处可获取太阳能量的计算问题。这也是本文第一部分的主题内容。紧接着我们将联同联系主要工程参数变量的等式来介绍太阳能发电的相关内容。最后，我们将通过成本的分析来说明为什么这种方法是可行的。 Ⅱ、不同海拔处的光照差异 太阳能辐射在大气层中传播，其能量衰减有两种主要的形式。第一种被称作散射，它涉及到的是空气分子和那些能改变光子传播方向的微粒。另一种形式是分子合并，在此过程中光子能量转变为其他形式的能量。在这两种过程中，能量都从光线中转移出来。光线在地球大气层中的衰减主要归因于散射。上述过程将洒落在地球表面的阳光辐射划分为两个主要的部分：直射和漫射。当光线直射角度较低或遇到多云天气时，太阳直射部分变得十分微弱，此时地表所获得大多数光能来自于漫射部分。 光子的散射与合并都与光线穿过的大气层的特点有密切联系。因此，研究不同海拔处的大气层特点是十分重要的。然而，现在已出的大多数资料数据是有关地面光照强度研究的，在本文中，我们需要测算气囊所在海拔处的阳光辐射值。可以将描述光能在晴朗的天气条件中穿过大气层时衰减的数学模型与在实际多云的情况下衰减的测量准确值联合起来获得在特定海拔处的太阳辐射能量的准确值。上面所提的数学模型将在下一部分中进行介绍，受云层影响的不同海拔处的太阳辐射能量的准确测量值是由Cloudnet Project提供的，该数据考虑了大气层消光因素的影响。 大气层的消光模型 阳光在大气层中的散射被称作大气层消光，可以用消光角α来进行定量描述。散射带来的光强损失可以用下面的微分式来描述： dI／I= ?αdz.