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)明第一臺太陽能驅動的發(fā)動機 算起。該發(fā)明是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹作功而抽水的機器。在1615年-1900年之間，世界上又研制 成多臺太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。這些動力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發(fā)動機功率 不大，工質主要是水蒸汽，價格昂貴，實用價值不大，大部分為太陽能愛好者個人研究制造。20世紀的100年 間，太陽能科技發(fā)展歷史大體可分為七個階段，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仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平 板集熱器和低沸點工質，裝置逐漸擴大，最大輸出功率達73.64kW，實用目的比較明確，造價仍然很高。建造 的典型裝置有：1901年，在美國加州建成一臺太陽能抽水裝置，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)動機，采用平板集熱器和低沸點工質；1913年，在埃及開羅以南 建成一臺由5個拋物槽鏡組成的太陽能水泵，每個長62.5m，寬4m，總采光面積達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和研究項目大為減少，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，而太陽能又不能解決當時對能源的急需，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)結束后的20年中，一些有遠見的人士已經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，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復和開展，并且成立太陽能學術組織，舉辦學 術交流和展覽會，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 熱科學會議上提出選擇性涂層的基礎理論，并研制成實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，美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應用奠定了基礎。 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，在美國佛羅里達建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨-水吸收式空調系統(tǒng)，制冷能力為5冷噸。 1961年，一臺帶有石英窗的斯特林發(fā)動機問世。 在這一階段里，加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究，取得了如太陽選擇性涂層和硅太陽電池等技術上 的重大突破。平板集熱器有了很大的發(fā)展，技術上逐漸成熟。太陽能吸收式空調的研究取得進展，建成 一批實驗性太陽房。對難度較大的斯特林發(fā)動機和塔式太陽能熱發(fā)電技術進行了初步研究。 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構中擔當主角之后，石油就成了左右經濟和決定一個國家生死存亡、發(fā)展和衰退 的關鍵因素，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、提價等辦法，支持中東人民的斗 爭，維護本國的利益。其結果是使那些依靠從中東地區(qū)大量進口廉價石油的國家，在經濟上遭到沉重打擊。 于是，西方一些人驚呼：世界發(fā)生了“能源危機”（有的稱“石油危機”）。這次“危機”在客觀上使人們 認識到：現有的能源結構必須徹底改變，應加速向未來能源結構過渡。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達國 家，重新加強了對太陽能及其它可再生能源技術發(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)電計劃，太陽能研究經費大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進太 陽能產品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽光計劃”，其中太陽能的研究開發(fā)項目有：太陽房 、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電他生產系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。為實施這一計劃，日 本政府投入了大量人力、物力和財力。 70年代初世界上出現的開發(fā)利用太陽能熱潮，對我國也產生了巨大影響。一些有遠見的科技人員，紛紛投身 太陽能事業(yè)，積極向政府有關部門提建議，出書辦刊，介紹國際上太陽能利用動態(tài)；在農村推廣應用太陽灶 ，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用……。1975年，在河南安陽召開“全國 第一次太陽能利用工作經驗交流大會”，進一步推動了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展。這次會議之后，太陽能研究 和推廣工作納入了我國政府計劃，獲得了專項經費和物資支持。一些大學和科研院所，紛紛設立太陽能課題 組和研究室，有的地方開始籌建太陽能研究所。當時，我國也興起了開發(fā)利用太陽能的熱潮。 這一時期，太陽能開發(fā)利用工作處于前所未有的大發(fā)展時期，具有以下特點： （1）各國加強了太陽能研究工作的計劃性，不少國家制定了近期和遠期陽光計劃。開發(fā)利用太陽能成為 政府行為，支持力度大大加強。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）研究領域不斷擴大，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)展計劃，普遍存在要求過高、過急問題，對實施過程中的困難估計不足，希望在 較短的時間內取代礦物能源，實現大規(guī)模利用太陽能。例如，美國曾計劃在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。事實上，這一計劃后來進行了調整，至今空間太陽 能電站還未升空。 （4）太陽熱水器、太陽電他等產品開始實現商業(yè)化，太陽能產業(yè)初步建立，但規(guī)模較小，經濟效益尚不理想 1．6第六階段（1980-1992） 70年代興起的開發(fā)利用太陽能熱潮，進入80年代后不久開始落潮，逐漸進入低谷。世界上許多國家相 繼大幅度削減太陽能研究經費，其中美國最為突出。 導致這種現象的主要原因是：世界石油價格大幅度回落，而太陽能產品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽 能技術沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標沒有實現，以致動搖了一些人開發(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，認為太陽能是未來能源，主張外國研究成功后我國引進技術。雖 然，持這種觀點的人是少數，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)研究經費大幅度削減，但研究工作并未中斷，有的項目還進展較大，而且促使 人們認真地去審視以往的計劃和制定的目標，調整研究工作重點，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)展構成威脅。在這樣 背景下，1992年聯合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，會議通過了《里約熱內盧環(huán)境與發(fā)展宣言》， 《2I世紀議程》和《聯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。這次會議之后，世界各國加強了清潔能源技術的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護結合在 一起，使太陽能利用工作走出低谷，逐漸得到加強。 世界環(huán)發(fā)大會之后，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、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等清潔能源”，制定了《中國21世紀議程》，進一步明確 了太陽能重點發(fā)展項目。1995年國家計委、國家科委和國家經貿委制定了《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、任務以及相應的對策和措施 。這些文件的制定和實施，對進一步推動我國太陽能事業(yè)發(fā)揮了重要作用。 1996年，聯合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會議”，會后發(fā)表了《哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言 ）｝，會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》（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。這次會議進一步表明了聯合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅定決心，要求全球共同行動 ，廣泛利用太陽能。 1992年以后，世界太陽能利用又進入一個發(fā)展期，其特點是：太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護 緊密結合，全球共同行動，為實現世界太陽能發(fā)展戰(zhàn)略而努力；太陽能發(fā)展目標明確，重點突出，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，注意科技成果轉化為生產力，發(fā)展太陽能產業(yè)，加速商業(yè)化進程，擴大太陽能利用領域和規(guī)模，經濟 效益逐漸提高；國際太陽能領域的合作空前活躍，規(guī)模擴大，效果明顯。 通過以上回顧可知，在本世紀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出現低潮期， 處于低潮的時間大約有45年。太陽能利用的發(fā)展歷程與煤、石油、核能完全不同，人們對其認識差別大，反復 多，發(fā)展時間長。這一方面說明太陽能開發(fā)難度大，短時間內很難實現大規(guī)模利用；另一方面也說明太陽能利 用還受礦物能源供應，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世紀取得的 太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都大。 2太陽能科技進步 太陽能利用涉及的技術問題很多，但根據太陽能的特點，具有共性的技術主要有四項，即太陽能采集、太 陽能轉換、太陽能貯存和太陽能傳輸，將這些技術與其它相關技術結合在一起，便能進行太陽能的實際利用。 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 術和裝置（集熱器），對太陽能進行采集。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 歷史上早期出現的太陽能裝置，主要為太陽能動力裝置，大部分采用聚光集熱器，只有少數采用平板集 熱器。平板集熱器是在17世紀后期發(fā)明的，但直至1960年以后才真正進行深入研究和規(guī)?；瘧?。在太陽 能低溫利用領域，平板集熱器的技術經濟性能遠比聚光集熱器好。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、銅鋁復合、不銹鋼、塑料及其它非金屬集熱器等； 按結構劃分有管板式、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，國內外使用比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復合集熱器。銅翅和銅管的結合，國外一般采用高頻 焊，國內以往采用介質焊，199S年我國也開發(fā)成功全銅高頻焊集熱器。1937年從加拿大引進銅鋁復合生產 線，通過消化吸收，現在國內已建成十幾條銅鋁復合生產線。 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 材料價格較高，一時難以推廣應用。 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，大大提高了熱性能。將若干支真空集熱管組裝在一起，即構成真空管集熱器，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年從美國引進全玻璃真空集熱管的樣管以來，經20多年的努力，我國已經建立了擁有自主 知識產權的現代化全玻璃真空集熱管的產業(yè)，用于生產集熱管的磁控濺射鍍膜機在百臺以上，產品質量達世 界先進水平，產量雄居世界首位。 我國自80年代中期開始研制熱管真空集熱管，經過十幾年的努力，攻克了熱壓封等許多技術難關，建立 了擁有全部知識產權的熱管真空管生產基地，產品質量達到世界先進水平，生產能力居世界首位。 目前，直通式真空集熱管生產線正在加緊進行建設，產品即將投放市場。 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， 簡化跟蹤機構，提高可靠性，降低成本，在本世紀研制開發(fā)的聚光集熱器品種很多，但推廣應用的數量遠比平 板集熱器少，商業(yè)化程度也低。 在反射式聚光集熱器中應用較多的是旋轉拋物面鏡聚光集熱器（點聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器 （線聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進行一維跟蹤。這兩種聚光集熱 器在本世紀初就有應用，幾十年來進行了許多改進，如提高反射面加工精度，研制高反射材料，開發(fā)高可靠性 跟蹤機構等，現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，但由于造價高，限 制了它們的廣泛應用。 70年代，國際上出現一種“復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)作稍許調整，便可聚光，獲得較高的溫度。其聚光比一般在10以下，當聚光比在 3以下時可以固定安裝，不作調整。當時，不少人對CPC評價很高，甚至認為是太陽能熱利用技術的一次重 大突破，預言將得到廣泛應用。但幾十年過去了，CPC仍只是在少數示范工程中得到應用，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進行過研制，也有少量應用，但現 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，在計算機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，制造工藝復雜，造 價高，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，價格比較低，也有點聚焦和線聚焦之 分，一般由有機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的點聚焦菲涅耳透鏡，結果都不大 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計的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實際應用，但具有一定啟發(fā)性。一種 是光導纖維聚光器，它由光導纖維透鏡和與之相連的光導纖維組成，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，它實際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機玻璃），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 質的差異，而在板內以全反射的方式導向平板的邊緣面，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太陽能轉換 太陽能是一種輻射能，具有即時性，必須即時轉換成其它形式能量才能利用和貯存。將太陽能轉換成不 同形式的能量需要不同的能量轉換器，集熱器通過吸收面可以將太陽能轉換成熱能，利用光伏效應太陽電池 可以將太陽能轉換成電能，通過光合作用植物可以將太陽能轉換成生物質能，等等。原則上，太陽能可以直接 或間接轉換成任何形式的能量，但轉換次數越多，最終太陽能轉換的效率便越低。 2．2．1太陽能-熱能轉換 黑色吸收面吸收太陽輻射，可以將太陽能轉換成熱能，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40年代提出的， 1955年達到實用要求，70年代以后研制成許多新型選擇性涂層并進行批量生產和推廣應用，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。