誰知道人類利用太陽能的歷史?太陽灶是誰發(fā)明的?

【專家解說】：近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī) 算起。該發(fā)明是一臺(tái)利用太陽能加熱空氣使其膨脹作功而抽水的機(jī)器。在1615年-1900年之間，世界上又研制 成多臺(tái)太陽能動(dòng)力裝置和一些其它太陽能裝置。這些動(dòng)力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發(fā)動(dòng)機(jī)功率 不大，工質(zhì)主要是水蒸汽，價(jià)格昂貴，實(shí)用價(jià)值不大，大部分為太陽能愛好者個(gè)人研究制造。20世紀(jì)的100年 間，太陽能科技發(fā)展歷史大體可分為七個(gè)階段，下面分別予以介紹。 1．1第一階段1900-1920 在這一階段，世界上太陽能研究的重點(diǎn)仍是太陽能動(dòng)力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平 板集熱器和低沸點(diǎn)工質(zhì)，裝置逐漸擴(kuò)大，最大輸出功率達(dá)73.64kW，實(shí)用目的比較明確，造價(jià)仍然很高。建造 的典型裝置有：1901年，在美國加州建成一臺(tái)太陽能抽水裝置，采用截頭圓錐聚光器，功率：7.36kW；1902 -1908年，在美國建造了五套雙循環(huán)太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)，采用平板集熱器和低沸點(diǎn)工質(zhì)；1913年，在埃及開羅以南 建成一臺(tái)由5個(gè)拋物槽鏡組成的太陽能水泵，每個(gè)長62.5m，寬4m，總采光面積達(dá)1250m2。 1．2第二階段（1920-1945） 在這20多年中，太陽能研究工作處于低潮，參加研究工作的人數(shù)和研究項(xiàng)目大為減少，其原因與礦物燃 料的大量開發(fā)利用和發(fā)生第二次世界大戰(zhàn)（1935-1945）有關(guān)，而太陽能又不能解決當(dāng)時(shí)對能源的急需，因此 使太陽能研究工作逐漸受到冷落。 1．3第三階段（1945-1965） 在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的20年中，一些有遠(yuǎn)見的人士已經(jīng)注意到石油和天然氣資源正在迅速減少， 呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動(dòng)了太陽能研究工作的恢復(fù)和開展，并且成立太陽能學(xué)術(shù)組織，舉辦學(xué) 術(shù)交流和展覽會(huì)，再次興起太陽能研究熱潮。 在這一階段，太陽能研究工作取得一些重大進(jìn)展，比較突出的有：1955年，以色列泰伯等在第一次國際太陽 熱科學(xué)會(huì)議上提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論，并研制成實(shí)用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了 條件；1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 此外，在這一階段里還有其它一些重要成果，比較突出的有： 1952年，法國國家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽爐。 1960年，在美國佛羅里達(dá)建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨-水吸收式空調(diào)系統(tǒng)，制冷能力為5冷噸。 1961年，一臺(tái)帶有石英窗的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)問世。 在這一階段里，加強(qiáng)了太陽能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究，取得了如太陽選擇性涂層和硅太陽電池等技術(shù)上 的重大突破。平板集熱器有了很大的發(fā)展，技術(shù)上逐漸成熟。太陽能吸收式空調(diào)的研究取得進(jìn)展，建成 一批實(shí)驗(yàn)性太陽房。對難度較大的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了初步研究。 1．4第四階段門(1965-1973） 這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資 大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。 1．5第五階段（1973-1980） 自從石油在世界能源結(jié)構(gòu)中擔(dān)當(dāng)主角之后，石油就成了左右經(jīng)濟(jì)和決定一個(gè)國家生死存亡、發(fā)展和衰退 的關(guān)鍵因素，1973年10月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭，石油輸出國組織采取石油減產(chǎn)、提價(jià)等辦法，支持中東人民的斗 爭，維護(hù)本國的利益。其結(jié)果是使那些依靠從中東地區(qū)大量進(jìn)口廉價(jià)石油的國家，在經(jīng)濟(jì)上遭到沉重打擊。 于是，西方一些人驚呼：世界發(fā)生了“能源危機(jī)”（有的稱“石油危機(jī)”）。這次“危機(jī)”在客觀上使人們 認(rèn)識到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國 家，重新加強(qiáng)了對太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能熱潮。 1973年，美國制定了政府級陽光發(fā)電計(jì)劃，太陽能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進(jìn)太 陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽光計(jì)劃”，其中太陽能的研究開發(fā)項(xiàng)目有：太陽房 、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電他生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。為實(shí)施這一計(jì)劃，日 本政府投入了大量人力、物力和財(cái)力。 70年代初世界上出現(xiàn)的開發(fā)利用太陽能熱潮，對我國也產(chǎn)生了巨大影響。一些有遠(yuǎn)見的科技人員，紛紛投身 太陽能事業(yè)，積極向政府有關(guān)部門提建議，出書辦刊，介紹國際上太陽能利用動(dòng)態(tài)；在農(nóng)村推廣應(yīng)用太陽灶 ，在城市研制開發(fā)太陽熱水器，空間用的太陽電池開始在地面應(yīng)用……。1975年，在河南安陽召開“全國 第一次太陽能利用工作經(jīng)驗(yàn)交流大會(huì)”，進(jìn)一步推動(dòng)了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展。這次會(huì)議之后，太陽能研究 和推廣工作納入了我國政府計(jì)劃，獲得了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和物資支持。一些大學(xué)和科研院所，紛紛設(shè)立太陽能課題 組和研究室，有的地方開始籌建太陽能研究所。當(dāng)時(shí)，我國也興起了開發(fā)利用太陽能的熱潮。 這一時(shí)期，太陽能開發(fā)利用工作處于前所未有的大發(fā)展時(shí)期，具有以下特點(diǎn)： （1）各國加強(qiáng)了太陽能研究工作的計(jì)劃性，不少國家制定了近期和遠(yuǎn)期陽光計(jì)劃。開發(fā)利用太陽能成為 政府行為，支持力度大大加強(qiáng)。國際間的合作十分活躍，一些第三世界國家開始積極參與太陽能開發(fā)利用工 作。 （2）研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究工作日益深入，取得一批較大成果，如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池、 光解水制氫、太陽能熱發(fā)電等。 （3）各國制定的太陽能發(fā)展計(jì)劃，普遍存在要求過高、過急問題，對實(shí)施過程中的困難估計(jì)不足，希望在 較短的時(shí)間內(nèi)取代礦物能源，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用太陽能。例如，美國曾計(jì)劃在1985年建造一座小型太陽能示范 衛(wèi)星電站，1995年建成一座500萬kW空間太陽能電站。事實(shí)上，這一計(jì)劃后來進(jìn)行了調(diào)整，至今空間太陽 能電站還未升空。 （4）太陽熱水器、太陽電他等產(chǎn)品開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，太陽能產(chǎn)業(yè)初步建立，但規(guī)模較小，經(jīng)濟(jì)效益尚不理想 1．6第六階段（1980-1992） 70年代興起的開發(fā)利用太陽能熱潮，進(jìn)入80年代后不久開始落潮，逐漸進(jìn)入低谷。世界上許多國家相 繼大幅度削減太陽能研究經(jīng)費(fèi)，其中美國最為突出。 導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是：世界石油價(jià)格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價(jià)格居高不下，缺乏競爭力；太陽 能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標(biāo)沒有實(shí)現(xiàn)，以致動(dòng)搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核 電發(fā)展較快，對太陽能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。 受80年代國際上太陽能低落的影響，我國太陽能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太陽 能利用投資大、效果差、貯能難、占地廣，認(rèn)為太陽能是未來能源，主張外國研究成功后我國引進(jìn)技術(shù)。雖 然，持這種觀點(diǎn)的人是少數(shù)，但十分有害，對我國太陽能事業(yè)的發(fā)展造成不良影響。 這一階段，雖然太陽能開發(fā)研究經(jīng)費(fèi)大幅度削減，但研究工作并未中斷，有的項(xiàng)目還進(jìn)展較大，而且促使 人們認(rèn)真地去審視以往的計(jì)劃和制定的目標(biāo)，調(diào)整研究工作重點(diǎn)，爭取以較少的投入取得較大的成果。 1．7第七階段（1992-至今） 由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣 背景下，1992年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，會(huì)議通過了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》， 《2I世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了 可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會(huì)議之后，世界各國加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在 一起，使太陽能利用工作走出低谷，逐漸得到加強(qiáng)。 世界環(huán)發(fā)大會(huì)之后，我國政府對環(huán)境與發(fā)展十分重視，提出10條對策和措施，明確要“因地制宜地開發(fā) 和推廣太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、生物質(zhì)能等清潔能源”，制定了《中國21世紀(jì)議程》，進(jìn)一步明確 了太陽能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。1995年國家計(jì)委、國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》 （1996-2010），明確提出我國在1996-2010年新能源和可再生能源的發(fā)展目標(biāo)、任務(wù)以及相應(yīng)的對策和措施 。這些文件的制定和實(shí)施，對進(jìn)一步推動(dòng)我國太陽能事業(yè)發(fā)揮了重要作用。 1996年，聯(lián)合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會(huì)議”，會(huì)后發(fā)表了《哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言 ）｝，會(huì)上討論了《世界太陽能10年行動(dòng)計(jì)劃》（1996-2005），《國際太陽能公約》，《世界太陽能戰(zhàn)略 規(guī)劃》等重要文件。這次會(huì)議進(jìn)一步表明了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅(jiān)定決心，要求全球共同行動(dòng) ，廣泛利用太陽能。 1992年以后，世界太陽能利用又進(jìn)入一個(gè)發(fā)展期，其特點(diǎn)是：太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù) 緊密結(jié)合，全球共同行動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)世界太陽能發(fā)展戰(zhàn)略而努力；太陽能發(fā)展目標(biāo)明確，重點(diǎn)突出，措施得力 ，有利于克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端，保證太陽能事業(yè)的長期發(fā)展；在加大太陽能研究開發(fā)力度的 同時(shí)，注意科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大太陽能利用領(lǐng)域和規(guī)模，經(jīng)濟(jì) 效益逐漸提高；國際太陽能領(lǐng)域的合作空前活躍，規(guī)模擴(kuò)大，效果明顯。 通過以上回顧可知，在本世紀(jì)100年間太陽能發(fā)展道路并不平坦，一般每次高潮期后都會(huì)出現(xiàn)低潮期， 處于低潮的時(shí)間大約有45年。太陽能利用的發(fā)展歷程與煤、石油、核能完全不同，人們對其認(rèn)識差別大，反復(fù) 多，發(fā)展時(shí)間長。這一方面說明太陽能開發(fā)難度大，短時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用；另一方面也說明太陽能利 用還受礦物能源供應(yīng)，政治和戰(zhàn)爭等因素的影響，發(fā)展道路比較曲折。盡管如此，從總體來看，20世紀(jì)取得的 太陽能科技進(jìn)步仍比以往任何一個(gè)世紀(jì)都大。 2太陽能科技進(jìn)步 太陽能利用涉及的技術(shù)問題很多，但根據(jù)太陽能的特點(diǎn)，具有共性的技術(shù)主要有四項(xiàng)，即太陽能采集、太 陽能轉(zhuǎn)換、太陽能貯存和太陽能傳輸，將這些技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，便能進(jìn)行太陽能的實(shí)際利用。 2．1太陽能采集 太陽輻射的能流密度低，在利用太陽能時(shí)為了獲得足夠的能量，或者為了提高溫度，必須采用一定的技 術(shù)和裝置（集熱器），對太陽能進(jìn)行采集。集熱器按是否聚光，可以劃分為聚光集熱器和非聚光集熱器兩大類。 非聚光集熱器（平板集熱器，真空管集熱器）能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低；聚 光集熱器能將陽光會(huì)聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽。 2．1．1平板集熱器 歷史上早期出現(xiàn)的太陽能裝置，主要為太陽能動(dòng)力裝置，大部分采用聚光集熱器，只有少數(shù)采用平板集 熱器。平板集熱器是在17世紀(jì)后期發(fā)明的，但直至1960年以后才真正進(jìn)行深入研究和規(guī)?；瘧?yīng)用。在太陽 能低溫利用領(lǐng)域，平板集熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能遠(yuǎn)比聚光集熱器好。為了提高效率，降低成本，或者為了滿足特 定的使用要求，開發(fā)研制了許多種平板集熱器： 按工質(zhì)劃分有空氣集熱器和液體集熱器，目前大量使用的是液體集熱器； 按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、塑料及其它非金屬集熱器等； 按結(jié)構(gòu)劃分有管板式、扁盒式、管翅式、熱管翅片式、蛇形管式集熱器，還有帶平面反射鏡集熱器和逆平 板集熱器等； 按蓋板劃分有單層或多層玻璃、玻璃鋼或高分子透明材料、透明隔熱材料集熱器等。 目前，國內(nèi)外使用比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復(fù)合集熱器。銅翅和銅管的結(jié)合，國外一般采用高頻 焊，國內(nèi)以往采用介質(zhì)焊，199S年我國也開發(fā)成功全銅高頻焊集熱器。1937年從加拿大引進(jìn)銅鋁復(fù)合生產(chǎn) 線，通過消化吸收，現(xiàn)在國內(nèi)已建成十幾條銅鋁復(fù)合生產(chǎn)線。 為了減少集熱器的熱損失，可以采用中空玻璃、聚碳酸酯陽光板以及透明蜂窩等作為蓋板材料，但這些 材料價(jià)格較高，一時(shí)難以推廣應(yīng)用。 2．1．2真空管集熱器 為了減少平板集熱器的熱損，提高集熱溫度，國際上70年代研制成功真空集熱管，其吸熱體被封閉在高 真空的玻璃真空管內(nèi)，大大提高了熱性能。將若干支真空集熱管組裝在一起，即構(gòu)成真空管集熱器，為了增 加太陽光的采集量，有的在真空集熱管的背部還加裝了反光板。 真空集熱管大體可分為全玻璃真空集熱管，玻璃七型管真空集熱管，玻璃。金屬熱管真空集熱管，直通 式真空集熱管和貯熱式真空集熱管。最近，我國還研制成全玻璃熱管真空集熱管和新型全玻璃直通式真空集 熱管。 我國自1978年從美國引進(jìn)全玻璃真空集熱管的樣管以來，經(jīng)20多年的努力，我國已經(jīng)建立了擁有自主 知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化全玻璃真空集熱管的產(chǎn)業(yè)，用于生產(chǎn)集熱管的磁控濺射鍍膜機(jī)在百臺(tái)以上，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)世 界先進(jìn)水平，產(chǎn)量雄居世界首位。 我國自80年代中期開始研制熱管真空集熱管，經(jīng)過十幾年的努力，攻克了熱壓封等許多技術(shù)難關(guān)，建立 了擁有全部知識產(chǎn)權(quán)的熱管真空管生產(chǎn)基地，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力居世界首位。 目前，直通式真空集熱管生產(chǎn)線正在加緊進(jìn)行建設(shè)，產(chǎn)品即將投放市場。 2。1．3聚光集熱器 聚光集熱器主要由聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。按照聚光原理區(qū)分，聚光集熱器基本可分 為反射聚光和折射聚光兩大類，每一類中按照聚光器的不同又可分為若干種。為了滿足太陽能利用的要求， 簡化跟蹤機(jī)構(gòu)，提高可靠性，降低成本，在本世紀(jì)研制開發(fā)的聚光集熱器品種很多，但推廣應(yīng)用的數(shù)量遠(yuǎn)比平 板集熱器少，商業(yè)化程度也低。 在反射式聚光集熱器中應(yīng)用較多的是旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光集熱器（點(diǎn)聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器 （線聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進(jìn)行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進(jìn)行一維跟蹤。這兩種聚光集熱 器在本世紀(jì)初就有應(yīng)用，幾十年來進(jìn)行了許多改進(jìn)，如提高反射面加工精度，研制高反射材料，開發(fā)高可靠性 跟蹤機(jī)構(gòu)等，現(xiàn)在這兩種拋物面鏡聚光集熱器完全能滿足各種中、高溫太陽能利用的要求，但由于造價(jià)高，限 制了它們的廣泛應(yīng)用。 70年代，國際上出現(xiàn)一種“復(fù)合拋物面鏡聚光集熱器”（CPC），它由二片槽形拋物面反射鏡組成，不需要 跟蹤太陽，最多只需要隨季節(jié)作稍許調(diào)整，便可聚光，獲得較高的溫度。其聚光比一般在10以下，當(dāng)聚光比在 3以下時(shí)可以固定安裝，不作調(diào)整。當(dāng)時(shí)，不少人對CPC評價(jià)很高，甚至認(rèn)為是太陽能熱利用技術(shù)的一次重 大突破，預(yù)言將得到廣泛應(yīng)用。但幾十年過去了，CPC仍只是在少數(shù)示范工程中得到應(yīng)用，并沒有象平板集 熱器和真空管集熱器那樣大量使用。我國不少單位在七八十年代曾對CPC進(jìn)行過研制，也有少量應(yīng)用，但現(xiàn) 在基本都已停用。 其它反射式聚光器還有圓錐反射鏡、球面反射鏡、條形反射鏡、斗式槽形反射鏡、平面。拋物面鏡聚光器 等。此外，還有一種應(yīng)用在塔式太陽能發(fā)電站的聚光鏡--定日鏡。定日鏡由許多平面反射鏡或曲面反射鏡 組成，在計(jì)算機(jī)控制下這些反射鏡將陽光都反射至同一吸收器上，吸收器可以達(dá)到很高的溫度，獲得很大的 能量。 利用光的折射原理可以制成折射式聚光器，歷史上曾有人在法國巴黎用二塊透鏡聚集陽光進(jìn)行熔化金 屬的表演。有人利用一組透鏡并輔以平面鏡組裝成太陽能高溫爐。顯然，玻璃透鏡比較重，制造工藝復(fù)雜，造 價(jià)高，很難做得很大。所以，折射式聚光器長期沒有什么發(fā)展。70年代，國際上有人研制大型菲涅耳透鏡，試 圖用于制作太陽能聚光集熱器。菲涅耳透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價(jià)格比較低，也有點(diǎn)聚焦和線聚焦之 分，一般由有機(jī)玻璃或其它透明塑料制成，也有用玻璃制作的，主要用于聚光太陽電池發(fā)電系統(tǒng)。 我國從70年代直至90年代，對用于太陽能裝置的菲涅耳透鏡開展了研制。有人采用模壓方法加工大面 積的柔性透明塑料菲涅耳透鏡，也有人采用組合成型刀具加工直徑1.5m的點(diǎn)聚焦菲涅耳透鏡，結(jié)果都不大 理想。近來，有人采用模壓方法加工線性玻璃菲涅耳透鏡，但精度不夠，尚需提高。 還有兩種利用全反射原理設(shè)計(jì)的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實(shí)際應(yīng)用，但具有一定啟發(fā)性。一種 是光導(dǎo)纖維聚光器，它由光導(dǎo)纖維透鏡和與之相連的光導(dǎo)纖維組成，陽光通過光纖透鏡聚焦后由光纖傳至使 用處。另一種是熒光聚光器，它實(shí)際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機(jī)玻璃），可吸收太陽光中與 熒光吸收帶波長一致的部分，然后以比吸收帶波長更長的發(fā)射帶波長放出熒光。放出的熒光由于板和周圍介 質(zhì)的差異，而在板內(nèi)以全反射的方式導(dǎo)向平板的邊緣面，其聚光比取決于平板面積和邊緣面積之比，很容易 達(dá)到10一100，這種平板對不同方向的入射光都能吸收，也能吸收散射光，不需要跟蹤太陽。 2．2太陽能轉(zhuǎn)換 太陽能是一種輻射能，具有即時(shí)性，必須即時(shí)轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和貯存。將太陽能轉(zhuǎn)換成不 同形式的能量需要不同的能量轉(zhuǎn)換器，集熱器通過吸收面可以將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，利用光伏效應(yīng)太陽電池 可以將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，通過光合作用植物可以將太陽能轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)能，等等。原則上，太陽能可以直接 或間接轉(zhuǎn)換成任何形式的能量，但轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，最終太陽能轉(zhuǎn)換的效率便越低。 2．2．1太陽能-熱能轉(zhuǎn)換 黑色吸收面吸收太陽輻射，可以將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，其吸收性能好，但輻射熱損失大，所以黑色吸收面 不是理想的太陽能吸收面。 選擇性吸收面具有高的太陽吸收比和低的發(fā)射比，吸收太陽輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理 想的太陽能吸收面。這種吸收面由選擇性吸收材料制成，簡稱為選擇性涂層。它是在本世紀(jì)40年代提出的， 1955年達(dá)到實(shí)用要求，70年代以后研制成許多新型選擇性涂層并進(jìn)行批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，目前已研制成 上百種選擇性涂層。 我國自70年代開始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。 2．2．2太陽能一電能轉(zhuǎn)換 電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重 要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國都十分重視，其轉(zhuǎn)換途徑很多，有光電直接轉(zhuǎn)換，有光熱電間接轉(zhuǎn)換等。這里重點(diǎn)介紹 光電直接轉(zhuǎn)換器件--太陽電池。 世界上，1941年出現(xiàn)有關(guān)硅太陽電池報(bào)道，1954年研制成效率達(dá)6％的單晶硅太陽電池，1958年太陽電 池應(yīng)用于衛(wèi)星供電。在70年代以前，由于太陽電池效率低，售價(jià)昂貴，主要應(yīng)用在空間。70年代以后，對太陽 電池材料、結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了廣泛研究，在提高效率和降低成本方面取得較大進(jìn)展，地面應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大， 但從大規(guī)模利用太陽能而言，與常規(guī)發(fā)電相比，成本仍然大高。 目前，世界上太陽電他的實(shí)驗(yàn)室效率最高水平為：單晶硅電池24％（4cm2)，多晶硅電池18。6％（4cm2）， InGaP／GaAs雙結(jié)電池30．28％（AM1），非晶硅電池14．5％（初始）、12．8（穩(wěn)定），碲化鎬電池15．8％， 硅帶電池14．6％，二氧化鈦有機(jī)納米電池10．96％。 我國于1958年開始太陽電他的研究，40多年來取得不少成果。目前，我國太陽電他的實(shí)驗(yàn)室效率最高 水平為：單晶硅電池20．4％（2cm×2cm），多晶硅電池14．5％（2cm×2cm）、12％（10cm×10cm），GaAs電池 20．1％（lcm×cm），GaAs／Ge電池19．5％（AM0），CulnSe電池9％（lcm×1cm），多晶硅薄膜電池13．6％ （lcm×1cm，非活性硅襯底），非晶硅電池8．6％（10cm×10cm）、7．9％（20cm×20cm）、6．2％（30cm×30cm）， 二氧化鈦納米有機(jī)電池10％（1cm×1cm）。 2．2．3太陽能一氫能轉(zhuǎn)換 氫能是一·種高品位能源。太陽能可以通過分解水或其它途徑轉(zhuǎn)換成氫能，即太陽能制氫，其主要方法如 下： （1）太陽能電解水制氫 電解水制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法，效率較高（75％-85％），但耗電大，用常規(guī)電制氫，從能 量利用而言得不償失。所以，只有當(dāng)太陽能發(fā)電的成本大幅度下降后，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫。 （2）太陽能熱分解水制氫 將水或水蒸汽加熱到3000K以上，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才 能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。 （3）太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫 為了降低太陽能直接熱分解水制氫要求的高溫，發(fā)展了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，即在水中加入一種或 幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經(jīng)歷不同的反應(yīng)階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物不消耗，可循環(huán) 使用。熱化學(xué)循環(huán)分解的溫度大致為900-1200K，這是普通旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光器比較容易達(dá)到的溫度，其分 解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要問題是中間物的還原，即使按99．9％-99．99％還原，也還要作 0.1％-0.01％的補(bǔ)充，這將影響氫的價(jià)格，并造成環(huán)境污染。 （4）太陽能光化學(xué)分解水制氫 這一制氫過程與上述熱化學(xué)循環(huán)制氫有相似之處，在水中添加某種光敏物質(zhì)作催化劑，增加對陽光中長 波光能的吸收，利用光化學(xué)反應(yīng)制氫。日本有人利用碘對光的敏感性，設(shè)計(jì)了一套包括光化學(xué)、熱電反應(yīng)的綜 合制氫流程，每小時(shí)可產(chǎn)氫97升，效率達(dá)10％左右。 （5）太陽能光電化學(xué)電池分解水制氫 1972年，日本本多健一等人利用n型二氧化鈦半導(dǎo)體電極作陽極，而以鉑黑作陰極，制成太陽能光電化 學(xué)電池，在太陽光照射下，陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣，兩電極用導(dǎo)線連接便有電流通過，即光電化學(xué)電池 在太陽光的照射下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起世界各國科學(xué)家高度重視， 認(rèn)為是太陽能技術(shù)上的一次突破。但是，光電化學(xué)電他制氫效率很低，僅0．4％，只能吸收太陽光中的紫外光 和近紫外光，且電極易受腐蝕，性能不穩(wěn)定，所以至今尚未達(dá)到實(shí)用要求。 （6）太陽光絡(luò)合催化分解水制氫 從1972年以來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三聯(lián)毗啶釘絡(luò)合物的激發(fā)態(tài)具有電子轉(zhuǎn)移能力，并從絡(luò)合催化電荷轉(zhuǎn)移反 應(yīng)，提出利用這一過程進(jìn)行光解水制氫。這種絡(luò)合物是一種催化劑，它的作用是吸收光能、產(chǎn)生電荷分離、電 荷轉(zhuǎn)移和集結(jié)，并通過一系列偶聯(lián)過程，最終使水分解為氫和氧。絡(luò)合催化分解水制氫尚不成熟，研究工作正 在繼續(xù)進(jìn)行。 （7）生物光合作用制氫 40多年前發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽光照射可以放出氫氣；十多年前又發(fā)現(xiàn)，蘭綠藻等許多藻類在 無氧環(huán)境中適應(yīng)一段時(shí)間，在一定條件下都有光合放氫作用。 目前，由于對光合作用和藻類放氫機(jī)理了解還不夠，藻類放氫的效率很低，要實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫還有相當(dāng) 大的距離。據(jù)估計(jì)，如藻類光合作用產(chǎn)氫效率提高到10％，則每天每平方米藻類可產(chǎn)氫9克分子，用5萬平 方公里接受的太陽能，通過光合放氫工程即可滿足美國的全部燃料需要。 2．2．4太陽能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換 通過植物的光合作用，太陽能把二氧化碳和水合成有機(jī)物（生物質(zhì)能）并放出氧氣。光合作用是地球上最 大規(guī)模轉(zhuǎn)換太陽能的過程，現(xiàn)代人類所用燃料是遠(yuǎn)古和當(dāng)今光合作用固定的太陽能，目前，光合作用機(jī)理尚 不完全清楚，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有百分之幾，今后對其機(jī)理的研究具有重大的理論意義和實(shí)際意義。 2．2．5太陽能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換 20世紀(jì)初，俄國物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)證明光具有壓力。20年代，前蘇聯(lián)物理學(xué)家提出，利用在宇宙空間中巨大 的太陽帆，在陽光的壓力作用下可推動(dòng)宇宙飛船前進(jìn)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能?？茖W(xué)家估計(jì)，在未來 10～20年內(nèi)，太陽帆設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)。 通常，太陽能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要通過中間過程進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。 2．3太陽能貯有 地面上接受到的太陽能，受氣候、晝夜、季節(jié)的影響，具有間斷性和不穩(wěn)定性。因此，太陽能貯存十分必 要，尤其對于大規(guī)模利用太陽能更為必要。 太陽能不能直接貯存，必須轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能貯存。大容量、長時(shí)間、經(jīng)濟(jì)地貯存太陽能，在技術(shù) 上比較困難。本世紀(jì)初建造的太陽能裝置幾乎都不考慮太陽能貯存問題，目前太陽能貯存技術(shù)也還未成熟， 發(fā)展比較緩慢，研究工作有待加強(qiáng)。 2.3.1太陽能貯熱 （1）顯熱貯存 利用材料的顯熱貯能是最簡單的貯能方法。在實(shí)際應(yīng)用中，水、沙、石子、土壤等都可作為貯能材料，其中 水的比熱容最大，應(yīng)用較多。七八十年代曾有利用水和土壤進(jìn)行跨季節(jié)貯存太陽能的報(bào)道。但材料顯熱較小， 貯能量受到一定限制。 （2）潛熱貯存 利用材料在相變時(shí)放出和吸入的潛熱貯能，其貯能量大，且在溫度不變情況下放熱。 在太陽能低溫貯存中常用含結(jié)晶水的鹽類貯能，如10水硫酸鈉／水氯化鈣、12水磷酸氫鈉等。但在使 用中要解決過冷和分層問題，以保證工作溫度和使用壽命。 太陽能中溫貯存溫度一般在100℃以上、500℃以下，通常在300℃左右。適宜于中溫貯存的材料有：高壓 熱水、有機(jī)流體、共晶鹽等。 太陽能高溫貯存溫度一般在500℃以上，目前正在試驗(yàn)的材料有：金屬鈉、熔融鹽等。 1000℃以上極高溫貯存，可以采用氧化鋁和氧化鍺耐火球。 （3）化學(xué)貯屈/pre> 贊同 27 | 評論