當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)展的成果

【專(zhuān)家解說(shuō)】：20世紀(jì)太陽(yáng)能科技發(fā)展的回顧與展望 據(jù)記載，人類(lèi)利用太陽(yáng)能已有3000多年的歷史。將太陽(yáng)能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽(yáng)能作為“近期急需的補(bǔ)充能源”，“未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”，則是近來(lái)的事。20世紀(jì)70年代以來(lái)，太陽(yáng)能科技突飛猛進(jìn)，太陽(yáng)能利用日新月異?；仡櫤涂偨Y(jié)本世紀(jì)太陽(yáng)能科技發(fā)展的歷程，對(duì)21世紀(jì)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展十分有意義，本文對(duì)此作了嘗試。 1.歷史回顧 近代太陽(yáng)能利用歷史可以從1615年法國(guó)工程師所羅門(mén)?德?考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能動(dòng)力裝置和一些其它太陽(yáng)能裝置。這些動(dòng)力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽(yáng)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(yáng)能愛(ài)好者個(gè)人研究制造。20世紀(jì)的100年間，太陽(yáng)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(yáng)能研究的重點(diǎn)仍是太陽(yáng)能動(dòng)力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開(kāi)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(guó)加州建成一臺(tái)太陽(yáng)能抽水裝置，采用截頭圓錐聚光器，功率:7.36kW;1902-1908年，在美國(guó)建造了五套雙循環(huán)太陽(yáng)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(kāi)羅以南建成一臺(tái)由5個(gè)拋物槽鏡組成的太陽(yáng)能水泵，每個(gè)長(zhǎng)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(yáng)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(kāi)發(fā)利用和發(fā)生第二次世界(1935-1945)有關(guān)，而太陽(yáng)能又不能解決當(dāng)時(shí)對(duì)能源的急需，因此使太陽(yáng)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(jiàn)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(wèn)題，從而逐漸推動(dòng)了太陽(yáng)能研究工作的恢復(fù)和開(kāi)展，并且成立太陽(yáng)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(yáng)能研究熱潮。在這一階段，太陽(yáng)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(guó)際太陽(yáng)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽(yáng)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(guó)國(guó)家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽(yáng)爐。1960年，在美國(guó)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(wèn)世。在這一階段里，加強(qiáng)了太陽(yáng)能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究，取得了如太陽(yáng)選擇性涂層和硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)房。對(duì)難度較大的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了初步研究。 1.4第四階段門(mén)(1965-1973) 這一階段，太陽(yáng)能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽(yáng)能利用技術(shù)處于成長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)，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(guó)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(zhēng)，石油輸出國(guó)組織采取石油減產(chǎn)、提價(jià)等辦法，支持中東人民的斗爭(zhēng)，維護(hù)本國(guó)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(guó)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(chēng)“石油危機(jī)”)。這次“危機(jī)”在客觀上使人們認(rèn)識(shí)到:現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來(lái)能源結(jié)構(gòu)過(guò)渡。從而使許多國(guó)家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，重新加強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)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(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮。 1973年，美國(guó)制定了政府級(jí)陽(yáng)光發(fā)電計(jì)劃，太陽(yáng)能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長(zhǎng)，并且成立太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)銀行，促進(jìn)太陽(yáng)能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽(yáng)光計(jì)劃”，其中太陽(yáng)能的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有:太陽(yáng)房、工業(yè)太陽(yáng)能系統(tǒng)、太陽(yáng)熱發(fā)電、太陽(yáng)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(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮，對(duì)我國(guó)也產(chǎn)生了巨大影響。一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的科技人員，紛紛投身太陽(yáng)能事業(yè)，積極向政府有關(guān)部門(mén)提建議，出書(shū)辦刊，介紹國(guó)際上太陽(yáng)能利用動(dòng)態(tài);在農(nóng)村推廣應(yīng)用太陽(yáng)灶，在城市研制開(kāi)發(fā)太陽(yáng)熱水器，空間用的太陽(yáng)電池開(kāi)始在地面應(yīng)用……。 1975年，在河南安陽(yáng)召開(kāi)“全國(guó)第一次太陽(yáng)能利用工作經(jīng)驗(yàn)交流大會(huì)”，進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展。這次會(huì)議之后，太陽(yáng)能研究和推廣工作納入了我國(guó)政府計(jì)劃，獲得了專(zhuān)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(yáng)能課題組和研究室，有的地方開(kāi)始籌建太陽(yáng)能研究所。當(dāng)時(shí)，我國(guó)也興起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮。 這一時(shí)期，太陽(yáng)能開(kāi)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(guó)加強(qiáng)了太陽(yáng)能研究工作的計(jì)劃性，不少?lài)?guó)家制定了近期和遠(yuǎn)期陽(yáng)光計(jì)劃。開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能成為政府行為，支持力度大大加強(qiáng)。國(guó)際間的合作十分活躍，一些第三世界國(guó)家開(kāi)始積極參與太陽(yáng)能開(kāi)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(yáng)電池、光解水制氫、太陽(yáng)能熱發(fā)電等。 (3)各國(guó)制定的太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃，普遍存在要求過(guò)高、過(guò)急問(wèn)題，對(duì)實(shí)施過(guò)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(yáng)能。例如，美國(guó)曾計(jì)劃在1985年建造一座小型太陽(yáng)能示范衛(wèi)星電站，1995年建成一座500萬(wàn)kW空間太陽(yáng)能電站。事實(shí)上，這一計(jì)劃后來(lái)進(jìn)行了調(diào)整，至今空間太陽(yáng)能電站還未升空。 (4)太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)電他等產(chǎn)品開(kāi)始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，太陽(yáng)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(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮，進(jìn)入80年代后不久開(kāi)始落潮，逐漸進(jìn)入低谷。世界上許多國(guó)家相繼大幅度削減太陽(yáng)能研究經(jīng)費(fèi)，其中美國(guó)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(yáng)能產(chǎn)品價(jià)格居高不下，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力;太陽(yáng)能技術(shù)沒(méi)有重大突破，提高效率和降低成本的目標(biāo)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，以致動(dòng)搖了一些人開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的信心;核電發(fā)展較快，對(duì)太陽(yáng)能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。受80年代國(guó)際上太陽(yáng)能低落的影響，我國(guó)太陽(yáng)能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出:太陽(yáng)能利用投資大、效果差、貯能難、占地廣，認(rèn)為太陽(yáng)能是未來(lái)能源，主張外國(guó)研究成功后我國(guó)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(duì)我國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展造成不良影響。 這一階段，雖然太陽(yáng)能開(kāi)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(zhēng)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(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣背景下，1992年聯(lián)合國(guó)在巴西召開(kāi)“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，會(huì)議通過(guò)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(guó)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(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將利用太陽(yáng)能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起，使太陽(yáng)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(guó)政府對(duì)環(huán)境與發(fā)展十分重視，提出10條對(duì)策和措施，明確要“因地制宜地開(kāi)發(fā)和推廣太陽(yáng)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(guó)21世紀(jì)議程》，進(jìn)一步明確了太陽(yáng)能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。1995年國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委和國(guó)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(guó)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(duì)策和措施。這些文件的制定和實(shí)施，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)發(fā)揮了重要作用。 1996年，聯(lián)合國(guó)在津巴布韋召開(kāi)“世界太陽(yáng)能高峰會(huì)議”，會(huì)后發(fā)表了《哈拉雷太陽(yáng)能與持續(xù)發(fā)展宣言》，會(huì)上討論了《世界太陽(yáng)能10年行動(dòng)計(jì)劃》(1996- 2005)，《國(guó)際太陽(yáng)能公約》，《世界太陽(yáng)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(guó)和世界各國(guó)對(duì)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能的堅(jiān)定決心，要求全球共同行動(dòng)，廣泛利用太陽(yáng)能。 1992年以后，世界太陽(yáng)能利用又進(jìn)入一個(gè)發(fā)展期，其特點(diǎn)是:太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)展戰(zhàn)略而努力;太陽(yáng)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(guò)熱過(guò)急的弊端，保證太陽(yáng)能事業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展;在加大太陽(yáng)能研究開(kāi)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(yáng)能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大太陽(yáng)能利用領(lǐng)域和規(guī)模，經(jīng)濟(jì)效益逐漸提高;國(guó)際太陽(yáng)能領(lǐng)域的合作空前活躍，規(guī)模擴(kuò)大，效果明顯。 通過(guò)以上回顧可知，在本世紀(jì)100年間太陽(yáng)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(yáng)能利用的發(fā)展歷程與煤、石油、核能完全不同，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)差別大，反復(fù)多，發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)。這一方面說(shuō)明太陽(yáng)能開(kāi)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(shuō)明太陽(yáng)能利用還受礦物能源供應(yīng)，政治和戰(zhàn)爭(zhēng)等因素的影響，發(fā)展道路比較曲折。盡管如此，從總體來(lái)看，20世紀(jì)取得的太陽(yáng)能科技進(jìn)步仍比以往任何一個(gè)世紀(jì)都大。 2.太陽(yáng)能科技進(jìn)步 太陽(yáng)能利用涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，但根據(jù)太陽(yáng)能的特點(diǎn)，具有共性的技術(shù)主要有四項(xiàng)，即太陽(yáng)能采集、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能貯存和太陽(yáng)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(yáng)能的實(shí)際利用。 2.1太陽(yáng)能采集 太陽(yáng)輻射的能流密度低，在利用太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(lèi)。非聚光集熱器(平板集熱器，真空管集熱器)能夠利用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)。 2.1.1平板集熱器 歷史上早期出現(xiàn)的太陽(yáng)能裝置，主要為太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)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(guó)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(guó)外一般采用高頻焊，國(guó)內(nèi)以往采用介質(zhì)焊，199S年我國(guó)也開(kāi)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(guò)消化吸收，現(xiàn)在國(guó)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(yáng)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(guó)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(yáng)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(guó)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(guó)自1978年從美國(guó)引進(jìn)全玻璃真空集熱管的樣管以來(lái)，經(jīng)20多年的努力，我國(guó)已經(jīng)建立了擁有自主知識(shí)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(guó)自80年代中期開(kāi)始研制熱管真空集熱管，經(jīng)過(guò)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(shí)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(chǎng)。