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20世紀(jì)太陽能科技發(fā)展的回顧與展望
作者: 李錦堂(北京市太陽能研究所，北京100033)【摘要】 據(jù)記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”，“未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”，則是近來的事。20世紀(jì)70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異�；仡櫤涂偨Y(jié)本世紀(jì)太陽能科技發(fā)展的歷程，對21世紀(jì)太陽能事業(yè)的發(fā)展十分有意義，本文對此作了嘗試。
1 歷史回顧
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(qū)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(zhì)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(jì)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(zhì)，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(zhì)；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(shù)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(guān)，而太陽能又不能解決當(dāng)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(jié)束后的20年中，一些有遠見的人士已經(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，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(xué)會議上提出選擇性涂層的基礎(chǔ)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(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(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(shù)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(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)濟和決定一個國家生死存亡、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)、提價等辦法，支持中東人民的斗 爭，維護本國的利益。其結(jié)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(jīng)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(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)達國 家，重新加強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)電計劃，太陽能研究經(jīng)費大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進太 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(chǎn)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(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(jīng)費和物資支持。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，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(lǐng)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(nèi)取代礦物能源，實現(xiàn)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(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(jīng)費，其中美國最為突出。 導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是：世界石油價格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價格居高不下，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)沒有實現(xiàn)，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(shù)。雖 然，持這種觀點的人是少數(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(biāo)，調(diào)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(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”，會議通過了《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。這次會議之后，世界各國加強了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護結(jié)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(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(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(lián)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(lián)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(jié)合，全球共同行動，為實現(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(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進程，擴大太陽能利用領(lǐng)域和規(guī)模，經(jīng)濟 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出現(xiàn)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(fù) 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(nèi)很難實現(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 太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀(jì)都大。 2太陽能科技進步 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，具有共性的技術(shù)主要有四項，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(shù)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(xiàn)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(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(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 材料價格較高，一時難以推廣應(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在百臺以上，產(chǎn)品質(zhì)量達世 界先進水平，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)量達到世界先進水平，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(jì)初就有應(yīng)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(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以下時可以固定安裝，不作調(diào)整。當(dāng)時，不少人對CPC評價很高，甚至認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(fù)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(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)計的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實際應(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(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，具有即時性，必須即時轉(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(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)硅太陽電池報道，1954年研制成效率達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)和工藝進行了廣泛研究，在提高效率和降低成本方面取得較大進展，地面應(yīng)用規(guī)模逐漸擴大， 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驗室效率最高水平為：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，我國太陽電他的實驗室效率最高 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％的補充，這將影響氫的價格，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)計了一套包括光化學(xué)、熱電反應(yīng)的綜 合制氫流程，每小時可產(chǎn)氫97升，效率達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實現(xiàn)了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實驗結(jié)果引起世界各國科學(xué)家高度重視， 認為是太陽能技術(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，所以至今尚未達到實用要求。 （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理了解還不夠，藻類放氫的效率很低，要實現(xiàn)工程化產(chǎn)氫還有相當(dāng) 大的距離。據(jù)估計，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古和當(dāng)今光合作用固定的太陽能，目前，光合作用機理尚 不完全清楚，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有百分之幾，今后對其機理的研究具有重大的理論意義和實際意義。 2．2．5太陽能-機械能轉(zhuǎn)換 20世紀(jì)初，俄國物理學(xué)家實驗證明光具有壓力。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宇宙飛船前進，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成機械能�？茖W(xué)家估計，在未來 10～20年內(nèi)，太陽帆設(shè)想可以實現(xiàn)。 通常，太陽能轉(zhuǎn)換為機械能，需要通過中間過程進行間接轉(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、長時間、經(jīng)濟地貯存太陽能，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。 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行跨季節(jié)貯存太陽能的報道。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)貯熱 利用化學(xué)反應(yīng)貯熱，貯熱量大，體積小，重量輕，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物可分離貯存，需要時才發(fā)生放熱反應(yīng)，貯存 時間長。 真正能用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)必須滿足以下條件：反應(yīng)可逆性好，無副反應(yīng)；反應(yīng)迅速；反應(yīng)生成物易分離 且能穩(wěn)
定貯存；反應(yīng)物和生成物無毒、無腐蝕、無可燃性；反應(yīng)熱大，反應(yīng)物價格低等，目前已篩選出一些化學(xué) 吸熱 反應(yīng)能基本滿足上述條件，如Ca(OH)2的熱分解反應(yīng)：Ca(0H）2＋63.6kJ←----→cao＋H2O 放熱 利用上述吸熱反應(yīng)貯存熱能，用熱時則通過放熱反應(yīng)釋放熱能。但是，Ca（OH)2在大氣壓脫水反應(yīng)溫 度高于500℃，利用太陽能在這一溫度下實現(xiàn)脫水十分困難，加入催化劑可降低反應(yīng)溫度，但仍相當(dāng)高。所 以，對化學(xué)反應(yīng)貯存熱能尚需進行深入研究，一時難以實用。 其它可用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)還有金屬氫化物的熱分解反應(yīng)、硫酸氫鉸循環(huán)反應(yīng)等。 （4）塑晶貯熱 1984年，美國在市場上推出一種塑晶家庭取暖材料。塑晶學(xué)名為新戊二醇（NPG），它和液晶相似，有晶 體的三維周期性，但力學(xué)性質(zhì)象塑料。它能在恒定溫度下貯熱和放熱，但不是依靠固一液相變貯熱，而是通過 塑晶分子構(gòu)型發(fā)生固-固相變貯熱。塑晶在恒溫44℃時，白天吸收太陽能而貯存熱能，晚上則放出白天貯存 的熱能。 美國對NPG的貯熱性能和應(yīng)用進行了廣泛的研究，將塑晶熔化到玻璃和有機纖維墻板中可用于貯熱， 將調(diào)整配比后的塑晶加入玻璃和纖維制成的墻板中，能制冷降溫。 我國對塑晶也開展了一些實驗研究，但尚未實際應(yīng)用。 （5）太陽池貯熱 ，太陽池是一種具有一定鹽濃度梯度的鹽水池，可用于采集和貯存太陽能。由于它簡單、造價低和宜于大 規(guī)模使用，引起人們的重視。60年代以后，許多國家對太陽池開展了研究，以色列還建成三座太陽池發(fā)電站。 70年代以后，我國對太陽池也開展了研究，初步得到一些應(yīng)用。 2．3．2電能貯存 電能貯存比熱能貯存困難，常用的是蓄電池，正在研究開發(fā)的是超導(dǎo)貯能。 世界上鉛酸蓄電池的發(fā)明已有100多年的歷史，它利用化學(xué)能和電能的可逆轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)充電和放電。鉛 酸蓄電池價格較低，但使用壽命短，重量大，需要經(jīng)常維護。近來開發(fā)成功少維護、免維護鉛酸蓄電池，使其性 能有一定提高。目前，與光伏發(fā)電系統(tǒng)配套的貯能裝置，大部分為鉛酸蓄電池。 1908年發(fā)明鎳-銅、鎳-鐵堿性蓄電池，其使用維護方便，壽命長，重量輕，但價格較貴，一般在貯能量小的 情況下使用。 現(xiàn)有的蓄電池貯能密度較低，難以滿足大容量、長時間貯存電能的要求。新近開發(fā)的蓄電池有銀鋅電池、 鉀電池、鈉硫電池等。 某些金屬或合金在極低溫度下成為超導(dǎo)體，理論上電能可以在一個超導(dǎo)無電阻的線圈內(nèi)貯存無限長的 時間。這種超導(dǎo)貯能不經(jīng)過任何其它能量轉(zhuǎn)換直接貯存電能，效率高，起動迅速，可以安裝在任何地點，尤其 是消費中心附近，不產(chǎn)生任何污染，但目前超導(dǎo)貯能在技術(shù)上尚不成熟，需要繼續(xù)研究開發(fā)。 2．3．3氫能貯存 氫可以大量、長時間貯存。它能以氣相、液相、固相（氫化物）或化合物（如氨、甲醇等）形式貯存。 氣相貯存：貯氫量少時，可以采用常壓濕式氣柜、高壓容器貯存；大量貯存時，可以貯存在地下貯倉、由不 漏水土層復(fù)蓋的含水層、鹽穴和人工洞穴內(nèi)。 液相貯存：液氫具有較高的單位體積貯氫量，但蒸發(fā)損失大。將氫氣轉(zhuǎn)化為液氫需要進行氫的純化和壓 縮，正氫-仲氫轉(zhuǎn)化，最后進行液化。液氫生產(chǎn)過程復(fù)雜，成本高，目前主要用作火箭發(fā)動機燃料。 固相貯氫：利用金屬氫化物固相貯氫，貯氫密度高，安全性好。目前，基本能滿足固相貯氫要求的材料主 要是稀土系合金和鈦系合金。金屬氫化物貯氫技術(shù)研究已有30余年歷史，取得了不少成果，但仍有許多課題 有待研究解決。我國對金屬氫化物貯氫技術(shù)進行了多年研究，取得一些成果，目前研究開發(fā)工作正在深入。 2．3．4機械能貯存 太陽能轉(zhuǎn)換為電能，推動電動水泵將低位水抽至高位，便能以位能的形式貯存太陽能；太陽能轉(zhuǎn)換為熱 能，推動熱機壓縮空氣，也能貯存太陽能。但在機械能貯存中最受人關(guān)注的是飛輪貯能。 早在50年代有人提出利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪貯能設(shè)想，但一直沒有突破性進展。近年來，由于高強度碳纖 維和玻璃纖維的出現(xiàn)，用其制造的飛輪轉(zhuǎn)速大大提高，增加了單位質(zhì)量的動能貯量；電磁懸浮、超導(dǎo)磁浮技術(shù) 的發(fā)展，結(jié)合真空技術(shù)，極大地降低了摩擦阻力和風(fēng)力損耗；電力電子的新進展，使飛輪電機與系統(tǒng)的能量交 換更加靈活。所以，近來飛輪技術(shù)已成為國際上研究熱點，美國有20多個單位從事這項研究工作，已研制成 貯能20kWh飛輪，正在研制5MWh～100MWh超導(dǎo)飛輪。我國已研制成貯能0． 3kwh的小型實驗飛輪。 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，飛輪可以代替蓄電池用于蓄電。 2．4太陽能傳輸 太陽能不象煤和石油一樣用交通工具進行運輸，而是應(yīng)用光學(xué)原理，通過光的反射和折射進行直接傳 輸，或者將太陽能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量進行間接傳輸。 直接傳輸適用于較短距離，基本上有三種方法：通過反射鏡及其它光學(xué)元件組合，改變陽光的傳播方向， 達到用能地點；通過光導(dǎo)纖維，可以將入射在其一端的陽光傳輸?shù)搅硪欢�，傳輸時光導(dǎo)纖維可任意彎曲；采用 表面鍍有高反射涂層的光導(dǎo)管，通過反射可以將陽光導(dǎo)入室內(nèi)。 間接傳輸適用于各種不同距離。將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱管可將太陽能傳輸?shù)绞覂?nèi)；將太陽能轉(zhuǎn)換 為氫能或其它載能化學(xué)材料，通過車輛或管道等可輸送到用能地點；空間電站將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過微 波或激光將電能傳輸?shù)降孛妗? 太陽能傳輸包含許多復(fù)雜的技術(shù)問題，應(yīng)認真進行研究，這樣才能更好地利用太陽能。 3太陽能利用 在過去的100年間，人們對各種太陽能利用方式進行了廣泛的探索，逐步明確了發(fā)展方向，初步得到一 些利用。70年代以后，世界各國加大了對太陽能研究開發(fā)的投入，太陽能熱水、太陽能建筑、太陽能光伏發(fā)電 等利用項目發(fā)展速度加快，規(guī)模逐漸擴大。但從總體而言，目前太陽能利用的規(guī)模還不大，技術(shù)尚不完善，商 品化程度較低，需要繼續(xù)努力。 3．1太陽能熱發(fā)電 太陽能熱發(fā)電是太陽能利用中的重要項目，只要將太陽能聚集起來，加熱工質(zhì)，驅(qū)動汽輪發(fā)電機即能發(fā) 電。 1950年，原蘇聯(lián)設(shè)計了世界上第一座太陽能塔式電站，建造了一個小型試驗裝置。 70年代，太陽電池價 格昂貴，效率較低，相對
而言，太陽熱發(fā)電效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當(dāng)時許多工業(yè)發(fā)達國家都將太陽熱 發(fā)電作為重點，投資興建了一批試驗性太陽能熱發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1981～1991年，全世界建造的太 陽能熱發(fā)電站（500kw以上）約有20余座，發(fā)電功率最大達80MW0 按太陽能采集方式劃分，太陽能熱發(fā)電站主要有塔式、槽式和盤式三類。這些電站基本上都是試驗性的。 例如，日本按照陽光計劃建造的一座IMW塔式電站，一座IMW槽式電站，完成了試驗工作后即停止運行。 美國10MW太陽1號塔式電站，進行一段時間試驗運行后及時進行技術(shù)總結(jié)，很快將它改建為太陽：號電 站，并于1996年1月投入運行。 80年代中期，人們對建成的太陽能熱發(fā)電站進行技術(shù)總結(jié)后認為，雖然太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上可行，但 投資過大（美國太陽：號電站投資為1． 42億美元），且降低造價十分困難，所以各國都改變了原來的計劃，使 太陽能熱發(fā)電站的建設(shè)逐漸冷落下來。例如，美國原計劃在1983～1995年建成5～10萬kW和10～30萬 kw太陽能熱電站，結(jié)果沒有實現(xiàn)。 正當(dāng)人們懷疑太陽能熱發(fā)電的時候，美國和以色列聯(lián)合組成的路茲太陽能熱發(fā)電國際有限公司，自 1980年開始進行太陽熱發(fā)電技術(shù)研究，主要開發(fā)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，5年后奇跡般地進入商品化階段。 該公司從1985年至1991年在美國加州沙漠建成9座槽式太陽能熱電站，總裝機容量353． 8MW。電站的投 資由：號電站的5976美元／kW，降到8號電站的3011美元／kW，發(fā)電成本從26．5美分／kWh降到8．9美分 ／kwh。該公司滿懷信心，計劃到2000年，在加州建成裝機容量達800Mw槽式太陽能熱發(fā)電站，發(fā)電成本降 到5～6美分／kWh。遺憾的是，1991年因路茲公司破產(chǎn)而使計劃中斷。 路茲熱電站的成功實踐表明，不能簡單地否定太陽能熱發(fā)電技術(shù)，而應(yīng)繼續(xù)進行研究開發(fā)，不斷完善，使 其早日實現(xiàn)商業(yè)化。為此，以色列、德國和美國幾家公司進行合作，繼續(xù)推動太陽能熱發(fā)電的發(fā)展，他們計劃 在美國內(nèi)華達州建造兩座80MW槽式太陽能熱電站，兩座100MW太陽能與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站。在西 班牙和摩洛哥分別建造135MW和18MW太陽能熱發(fā)電站各一座。 盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)功率較小，一般為5～50kW，可以單獨分散發(fā)電，也可以組成較大的發(fā)電系統(tǒng)。 美國、澳大利亞等國都有一些應(yīng)用，但規(guī)模不大。 研究表明，盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于空間，與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，具有氣動阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運 行費用便宜等優(yōu)點，美國從1988年開始進行可行性研究，計劃在近期進行發(fā)射試驗。 在太陽能低溫發(fā)電計劃中，以色列在死海沿岸先后建造了三座太陽池發(fā)電站，第一座功率為150kW，于 1979年投入運行。以色列曾計劃圍繞死海建造一系列太陽池電站，以提供以色列全國三分之一用電需要。美 國也曾計劃將加州南部薩爾頓海的一部分變?yōu)樘柍�，建�?0～600萬kW太陽池電站。后來，以色列和美 國太陽池發(fā)電計劃均作了改變。 除了以上幾種太陽能熱發(fā)電方式外，1983年在西班牙建成一座太陽能抽風(fēng)式熱電站；以色列、美國等計 劃建造太陽能磁流體熱發(fā)電試驗裝置；還開展了太陽能海水溫差發(fā)電研究。適用于小功率的太陽能熱發(fā)電技 術(shù)還有太陽能熱離子發(fā)電和溫差發(fā)電，它們在特殊場合得到了一些應(yīng)用。 我國在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域受經(jīng)費和技術(shù)條件的限制，開展的工作比較少。在“六五”期間建立了一套功率 為lkW的太陽能塔式熱發(fā)電模擬裝置和一套功率為lkW的平板式太陽能低溫?zé)岚l(fā)電模擬裝置。此外，我國 還與美國合作設(shè)計并試制成功率為5kW的盤式太陽能發(fā)電裝置樣機。 3．2太陽能光伏發(fā)電 自從實用性的硅太陽電池問世以來，世界上很快就開始太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用。發(fā)展初期，因太陽電池 價格昂貴，光伏發(fā)電主要限于在空間為衛(wèi)星供電。隨著太陽電池技術(shù)提高，價格下降，光伏發(fā)電逐漸在地面得 到應(yīng)用，規(guī)模也日益擴大。據(jù)報道，1998年，全世界太陽電池組件生產(chǎn)量達到157． 8MW，是1992年58。 2MW 的近3倍。近幾年國際上光伏發(fā)電加速發(fā)展，美國計劃到2010年安裝1000～3000MW太陽能電池，而日本 計劃到2010年安裝7600MW太陽電池。 光伏發(fā)電不消耗燃料，不受地域限制，規(guī)模大小隨意，可以獨立發(fā)電或并網(wǎng)發(fā)電，無噪聲、無污染，建設(shè)周 期短，不用架設(shè)輸電線路，安全可靠，維護簡便，可以無人值守……，具有其它發(fā)電方式無可比擬的優(yōu)點。它是 大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎(chǔ)。 從1958年美國發(fā)射的衛(wèi)星上首次使用太陽電池開始，至今全世界發(fā)射的4000余顆衛(wèi)星，90％以上采用 光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。所用太陽電池，大部分為硅單晶電池，近來開始采用砷化錠和磷化鋼電池。太陽電池方 陣組裝方式有體裝式和帆板式兩種，功卒小至數(shù)瓦，大至上千瓦、幾十千瓦�？臻g光伏發(fā)電用的太陽電池要求， 轉(zhuǎn)換效率高，重量輕，耐輻照性能好，溫度系數(shù)小等，今后發(fā)展重點是薄膜太陽電池。 在衛(wèi)星上成功地實現(xiàn)光伏發(fā)電后，人們自然會提出建造空間電站的設(shè)想，利用空間太陽輻射強、不受晝 夜、氣候、季節(jié)影響的有利條件，在空間將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再用微波或激光傳輸?shù)降孛妗? 70年代，美國提 出建造一座500萬kW空間電站的計劃，但經(jīng)過深入的分析論證，到1981年得出結(jié)論，認為近期內(nèi)研制空間 電站為時過早，經(jīng)濟上得不償失，以致后來改變了計劃。 光伏發(fā)電用于地面之后，因價格貴而首先在一些特殊領(lǐng)域獲得應(yīng)用，如海上導(dǎo)航，牧區(qū)電圍欄，微波通 訊，管道陰極保護等。隨著價格的下降，光伏發(fā)電逐漸擴大應(yīng)用領(lǐng)域，目前主要用于以下四個方面： 消費性產(chǎn)品，如非晶硅太陽電池供電的計算器，太陽能鐘表，太陽能照明燈具，太陽能收音機、電視機等， 這類產(chǎn)品約占世界光伏產(chǎn)品銷售量的14％； 遠離電網(wǎng)居民供電系統(tǒng)，包括家庭分散供電和獨立光伏電站集中供電，其占世界光伏產(chǎn)品銷售量的 35％； 離網(wǎng)工業(yè)供電系統(tǒng)，其占世界光伏產(chǎn)品銷售量的33％： 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其占世界光伏產(chǎn)品銷售量的18％。 隨著光伏發(fā)電規(guī)模的擴大，井網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將快速發(fā)展。80年代，一些工業(yè)發(fā)達國家建設(shè)的并網(wǎng)光伏電站 規(guī)模從100kw到1MW不等，現(xiàn)在正計劃建設(shè)10MW并網(wǎng)光伏電站。此外，美國、德國、日本等國計劃建設(shè) 的“太陽屋頂”，都采用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。 光伏發(fā)電在發(fā)展中國家也得到了一些應(yīng)用，但應(yīng)用重點是小型系統(tǒng)，主要解決無電或嚴(yán)重缺電地區(qū)家庭 用電的需要。 我國在1971年發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上首次應(yīng)用太陽電池，1973年光伏發(fā)電開始在地面應(yīng)用。 1985年以 前，主要應(yīng)用在航
標(biāo)燈、鐵路信號燈、黑光燈、電圍欄、小型通信機等特殊領(lǐng)域，也建立了少量光伏發(fā)電示范工 程。 90年代以來，光伏發(fā)電逐漸擴展到通信、交通、石油、氣象、國防、農(nóng)村電氣化等許多方面，太陽電池使用 量每年以高于20％的速率增長，到1998年底，我國太陽電池累計用量達13． 2MW。以地區(qū)而言，當(dāng)前我國光 伏發(fā)電的重點在青海、西藏、新疆、內(nèi)蒙、甘肅等無電和嚴(yán)重缺電的農(nóng)牧區(qū)。在這些地區(qū)已建成10～100kW光 伏電站40多座，推廣家用光伏電源15萬臺，總功率達2．9Mw。 3．3太閑能水泵 在天氣炎熱干旱太陽輻射強的時候，正是太陽能水泵大顯身手之際。因此，在近代開發(fā)利用太陽能早期， 人們就十分重視太陽能水泵的研制。1615年，世界上第一臺太陽能動力機就是一部抽水機；1901年在美國加 州建成一臺每分鐘抽水5300升的太陽能水泵。以后，在世界各地又陸續(xù)建成一批太陽能水泵，這些水泵都是 熱動力泵。1975年光伏水泵面世，批量投入生產(chǎn)，使用數(shù)量日益增多，大有取代太陽能熱動力水泵之勢。 太陽能熱動力泵按工作溫度劃分有低溫、中溫和高溫三類。到1981年，全世界已安裝太陽能熱動力水泵 100多臺，這些水泵主要分布在第三世界國家。 80年代，非洲曾計劃建造5000臺太陽能熱動力水泵，印度計 劃在1985年前興建2000座太陽能熱動力水泵。美國也計劃建造1000個太陽能熱動力灌溉系統(tǒng)。法國有幾 家公司生產(chǎn)太陽能熱動力水泵，能提供6～83kw水泵系列產(chǎn)品，但太陽能熱動力水泵系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本 高，廣泛應(yīng)用受到限制。 80年代以后，聯(lián)合國開發(fā)署、世界銀行等國際組織經(jīng)過論證，確認光伏水泵的先進性、合理性和良好發(fā) 展前景，從而大大推動了光伏水泵的應(yīng)用。一些工業(yè)發(fā)達國家推出了一批光伏水泵產(chǎn)品，其中丹麥的一家公 司在世界各地銷售了數(shù)干臺光伏水泵。目前，全世界已有數(shù)萬臺光伏水泵在各地運行。印度計劃在現(xiàn)有4000 臺光伏水泵的基礎(chǔ)上，政府給予補貼，再推廣安裝50000臺光伏水泵。 我國在80年代開展了太陽能熱動力水泵的研究，試制成平板集熱器型低溫太陽能熱動力水泵，采用隔 膜泵抽水，晴好天氣，每天可抽水3～7噸，揚程達18米。同時，也開展了中溫太陽能水泵的研制。在北京還 建成由德國提供的風(fēng)能。太陽能熱動力混合式水泵一臺，功率為3kW。在90年代，我國開展了光伏水泵的研 究，先后試制成百瓦級和干瓦級光伏水泵，并建立了光伏水泵生產(chǎn)企業(yè)，能批量生產(chǎn)百瓦級光伏水泵。目前， 我國研制的2． 5kW光伏水泵正在新疆運行。 3．4太陽能熱水 世界上第一臺太陽熱水器在100多年前誕生于美國，它是一種悶曬式熱水器。 70年代未，全世界約有 300萬臺太陽熱水器。 80年代中期以后，工業(yè)發(fā)達國家太陽熱水器年銷售量徘徊在數(shù)十萬m2，其中美國約 15萬m2，歐共體7。5萬m2艿?⒄共黃膠猓?殼耙隕?刑?羧人?韉鈉占奧室汛?0％。 我國第一臺太陽熱水器出現(xiàn)在1958年。 70年代興起開發(fā)利用太陽能熱潮，各地研制成多種熱水器樣機 并有小規(guī)模應(yīng)用，1979年我國太陽熱水器的產(chǎn)量僅之萬m2。 1987年，我國從加拿大引進銅鋁復(fù)合太陽條帶 生產(chǎn)線；90年代，我國建立了全玻璃真空集熱管和熱管一玻璃真空集熱管工業(yè)，使我國太陽熱水器推廣應(yīng)用 上了一個新臺階。據(jù)不完全統(tǒng)計，1992年我國太陽能熱水器銷售量超過50萬m2；1997年達350萬m2，其中 悶曬式熱水器約90萬m2，平板熱水器約160萬m2，真空管熱水器100萬m2。近來，真空管熱水器銷量增長 更快，平板熱水器的銷量有下降趨勢。目前，我國太陽熱水器產(chǎn)銷量均居世界首位。 為了進一步擴大太陽熱水器的應(yīng)用，應(yīng)在以下方面進行努力：將太陽熱水器與建筑有機結(jié)合，完善太陽 熱水器功能，提高大陽熱水器的可靠性和耐久性，擴大太陽熱水器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。 3．5太陽能建筑 早在本世紀(jì)30年代，美國就開始太陽房的試驗研究，先后建成一批實驗太陽房。 70年代，一些工業(yè)發(fā)達 國家都將太陽房列入發(fā)展研究計劃，到80年代世界上建成的太陽房超過萬座。90年代后期，世界上又興起 一股“太陽屋頂”熱，一些國家相繼提出“1萬屋頂”、“10萬屋頂”和“百萬屋頂”計劃，將太陽能建筑的發(fā)展推 向一個新階段。、 太陽能建筑基本上有三種形式： （1）被動式，這是一種構(gòu)造簡單、造價低、不需要任何輔助能源的建筑，通 過建筑方位合理布置和建筑構(gòu)件的恰當(dāng)處理，以自然熱交換方式來獲得太陽能。 70年代以來，在相當(dāng)長時間 內(nèi)它成為太陽能建筑發(fā)展的主流。（2）主動式，這是一種構(gòu)造較復(fù)雜，造價較高，需要用電作為輔助能源的建 筑。采暖降溫系統(tǒng)由太陽集熱器、風(fēng)機、泵、散熱器及貯熱器等組成。 （3）“零能建筑”，這種建筑由“太陽屋 頂”提供全部建筑所需要的能量，一般在屋頂安裝2～4kW太陽電池，且與電網(wǎng)井網(wǎng)。當(dāng)晴好天氣陽光充足 時，太陽電池可滿足一個家庭全部能量需要，富裕的電能可輸送給電網(wǎng)；當(dāng)天氣不好陽光不足時，則由電網(wǎng)供 電。有的建筑還裝有太陽集熱器，為建筑供熱。由于目前太陽電池價格較高，普遍推廣“零能建筑”還有困難。 我國第一座被動式太陽房建于1977年，地點在甘肅民勤縣， 1977-1987年間，我國建成各種被動式太 陽能采暖房約400棟，建筑面積10萬m2。到1996年底，全國建成不同類型被動式太陽房約1．5萬棟，建筑 面積超過455萬m2。 3．6太陽灶 世界上第一臺太陽灶的設(shè)計者是法國人穆肖，他在1860年奉法皇之命開發(fā)拋物鏡太陽灶，供在非洲的 法軍使用。本世紀(jì)以來，不少國家對太陽灶進行了研究，有的還利用熱管技術(shù)和光學(xué)原理研制室內(nèi)太陽灶，但 從總體而言，世界上太陽灶使用量不大。 我國第一臺太陽灶于1956年誕生在上海。經(jīng)過幾十年的努力，目前全國太陽灶的保有量達到30余萬 臺，成為世界上推廣應(yīng)用太陽灶最多的國家。 太陽灶基本上可分為熱箱式和聚光式兩大類：熱箱式太陽灶結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便，但功率有限， 溫度不高，只適合蒸、炯、烤食物，而且炊事時間長，使用上限制較大。現(xiàn)在絕大多數(shù)使用的是聚光式太陽灶， 其炊事功率大，溫度高，炊事時間短，適用性強。我國在拋物鏡聚光太陽灶設(shè)計中提出的“偏軸聚光”和“三圓 計算作圖法”具有獨創(chuàng)性，豐富了太陽灶的設(shè)計理論，提高了太陽灶的使用性能。 3．7太陽能干燥 70年代以后，世界上建成一批太陽
能干燥裝置。到80年代未、國外建成面積超過500m2的太陽能干燥 器有7座，其中美國4座，印度2座，阿根廷1座。1978年投入運行的美國加州太陽能葡萄干燥器，是世界上 最大的太陽能干燥器，集熱器面積達1951m2，有396m2巖石貯熱床，每天可干燥6-7噸葡萄。此外，國外也 有一些小型太陽能干燥器，如巴西有一種商用小型香蕉干燥器，集熱器面積3． 5m2，干燥箱體積1m3，干燥 500個香蕉兩天后即可出售。 70年代以后，我國太陽能干燥器迅速發(fā)展，尤其在農(nóng)村，對許多農(nóng)副產(chǎn)品開展了太陽能干燥試驗。 1976一1986年間，各地建成60座左右太陽能干燥器，總采光面積達5000m2，但由于缺乏理論指導(dǎo)，這些干 燥器大部分設(shè)計不夠合理，使用效果較差，有的很快不能使用。經(jīng)過“六五”科技攻關(guān)，我國太陽能干燥的 研究和應(yīng)用水平有了較大提高，尤其建成的多座太陽能干燥示范裝置，起到了示范推動作用。目前全國建成 的太陽能干燥裝置，總采光面積已達15000m2，但由于干燥物料的多樣性和干燥工藝不同，農(nóng)副產(chǎn)品的干燥又 有季節(jié)性特點，太陽能干燥器在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面困難較大。 3．8太陽能制冷與空調(diào) 1960年，世界上第一套太陽能氨一水吸收式空調(diào)系統(tǒng)在美國建成，制冷能力為5冷噸。 70年代以后，隨著 主動式太陽房的發(fā)展，太陽能制冷與空調(diào)也得到了發(fā)展，如日本在1974年竣工的八崎太陽房，裝有澳化臥 水太陽能吸收式制冷裝置，制冷能力為1．3冷噸，1978年以后日本興建了80座八崎太陽房。1984-1990年 在美國加州建成帶貯熱裝置和輔助能源的三套太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)，其中一套集熱面積為149m2，以天然 氣為輔助能源，制冷能力10冷噸。 70年代以后，我國也開始進行太陽能制冷和空調(diào)研究，研制成幾臺小型實驗性制冰機，其中有氨。水和 澳化鉀-水吸收式制冰機以及固體吸附式制冰機。同時，對太陽能空調(diào)也進行了試驗研究，先后建成幾套小型 空調(diào)系統(tǒng)。此外，還開展了太陽能除濕式降溫和輻射降溫試驗。1998年，廣東江門100kw太陽能空調(diào)系統(tǒng)投 入運行，采用500m2集熱器供熱，燃油爐作為輔助熱源，兩級吸收式澳化鉀制冷機制冷，達到了實用要求。 1999年，山東乳山100kw太陽能空調(diào)系統(tǒng)投入運行，采用熱管式真空管集熱器供熱，目前，家用太陽能吸附 式空調(diào)樣機已研制成功，即將投入商業(yè)化生產(chǎn)。 3．9太陽能其它利用 （1）海水淡化 地球上97％是海水，淡水僅占3％，而且分布不均勻，有的地方淡水資源極為缺乏。于是，在1872年世界 上第一座太陽能蒸餾器在智利誕生了，利用太陽能進行海水淡化，日產(chǎn)淡水17．7噸，一直工作到1910年。到 1974年，世界上建造的大型太陽能蒸餾器已有25座，其中日產(chǎn)淡水：噸以上的有十幾座，最大的一座面積 達8640m2，日產(chǎn)淡水28． 08噸。 80年代以后，建造大型太陽能海水淡化裝置的報道較少。 70年代，我國在海南歧蜈洲島和西沙中建島分別建成蒸發(fā)面積385m2、日產(chǎn)淡水1噸和蒸發(fā)面積50m2、 日產(chǎn)淡水0.2噸太陽能蒸餾器各一座。 （2）太陽爐 將陽光高倍聚光，在焦斑處可獲得高溫，最高達3500℃左右。利用這一高溫能進行冶金、耐火材料、高溫 化學(xué)反應(yīng)等實驗，且實驗環(huán)境特別潔凈。1921年，德國科學(xué)家設(shè)計了一個由拋物面聚光器和透鏡組成的太陽 爐。 1933年又建造了一座聚光器和定日鏡組成的太陽爐。1951年，美國制成開口直徑3m的拋物鏡太陽爐。 1952年，法國在比利牛斯山上建成世界上第一座大型太陽爐，功率達50kW，此后，美國、日本也相繼建成了 一批功率為60-100kW的大型太陽爐。70年代，法國又在比利牛斯山奧德約設(shè)計建造了目前世界上最大的 太陽爐，輸出功率達1000kW。估計全世界建造的太陽爐有數(shù)十座，但80年代以后鮮見報道／ 我國有兩臺小型太陽爐，直徑分別為0． 95m和1． 5m，焦斑處溫度高于3000℃，主要用于材料的高溫試 驗。 （3）太陽光催化治理環(huán)境 80年代初，人們開始研究光催化治理環(huán)境，但以應(yīng)用人工光源中的紫外光為主，效果雖顯著，耗能卻很 大，費用較高。因此，國內(nèi)外研究者提出將太陽能與保護環(huán)境結(jié)合，開發(fā)太陽光催化降解治理環(huán)境污染技術(shù)。 美國率先進行了實驗，他們將被三氯乙烯嚴(yán)重污染的地下水泵出地面，加入TiO2粉未催化劑，利用槽式拋物 面聚光鏡會聚陽光，令污水流過設(shè)置在焦線上的玻璃管，進行光催化反應(yīng)，結(jié)果使水中三氯乙烯濃度從 180ppb降到0． 6ppb以下，而美國飲用水的標(biāo)準(zhǔn)為6pp匕這是世界上太陽光催化成功治理污染水的典型例 子。目前，正在開展的太陽光催化降解治理環(huán)境的項目很多，主要有：空氣中有害物質(zhì)的光催化去除，廢水中 有機污染物和金屬污染物降解，飲用水的深度處理等。 我國對太陽光催化治理環(huán)境也開展了實驗研究工作，取得一些成果。 （4）能源植物 為了開辟太陽能利用新途徑，1973年美國諾貝爾獎金獲得者卡爾文博士，提出種植能源作物設(shè)想。他將 通過光合作用產(chǎn)生碳氫化合物的植物統(tǒng)稱為能源植物。目前全世界已知的能源植物有數(shù)千種，它們可以作為 石油一樣的能源資源進行開發(fā)利用。他在美國加州試種了美國香槐（一年生植物），其分泌的汁液與柴油相 似，可以提煉成優(yōu)質(zhì)燃料。古巴香膠樹，高達30余米，在樹上鉆一個直徑約12mm的小孔直至樹心，插一根管 子即會流出黃色油狀液體，一晝夜可收集2025升油，將其放入油箱即可發(fā)動柴油發(fā)動機。金鼠草是一種草 本植物，0．4公頃土地種植的金鼠草，收獲后可提煉0．8噸燃料油。 甜高粱是當(dāng)前世界各國比較關(guān)注的一種能源作物，我國也進行了種植，每畝沈農(nóng)甜雜2號甜高粱，收獲 后可提取267；4升酒精，而酒精是一種十分優(yōu)良的代用燃料。 70年代以來，人們對能源植物進行了廣泛的選取和研究，希望能找到光合作用效率高、利用轉(zhuǎn)化簡便的 植物品種，為此人們?nèi)栽诶^續(xù)努力。 太陽能利用領(lǐng)域極其廣闊，除以上介紹的一些項目外，諸如太陽能汽車、太陽能飛機、太陽能熱泵等還很 多，同時新的利用技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，限于篇幅，本文不能一一予以介紹，請讀者諒解。 4展望 20世紀(jì)太陽能科技發(fā)展和太陽能利用實踐，為21世紀(jì)大規(guī)模利用太陽能奠定了堅實基礎(chǔ)。近來，世界 上一些著名分析預(yù)測研究機構(gòu)、跨國
公司、太陽能專家和一些國家政府紛紛預(yù)測，認為21世紀(jì)中葉即2050 年前后，太陽能（含風(fēng)能、生物質(zhì)能）在世界能源構(gòu)成中將占50％的份額，那時太陽能將成為世界可持續(xù)發(fā)展 的基礎(chǔ)能源。對于這一預(yù)測，有人支持，也有人懷疑，意見不完全一致。為了科學(xué)地看待這一問題，我們可以 從世界礦物能源生產(chǎn)和消費、全球環(huán)境保護以及太陽能科技進步三個方面進行一些分析，以便得出比較客觀 的結(jié)論。 世界能源消費量增長一倍，在本世紀(jì)初大約需要50年，到本世紀(jì)中期縮短到30年，進入80年代大約只 要15年。全球礦物能源的消費量越來越大，而全球礦物能源貯量卻十分有限。全球石油貯量約1300億噸， 目前全球石油的年消耗量約35億噸，而亞洲石油的消耗量在激增之中。如果這種趨勢不變，則在今后25年 中將平均年消耗50億噸石油，足以把全部貯量耗盡。即使在此期間有新油田發(fā)現(xiàn)，專家估計全球石油貯量也 不會超過2000億噸，全球石油資源在三、五十年內(nèi)將枯竭。今后用什么來代替石油？70年代“石油危機”以 后，曾把主要希望寄托在煤的氣化和液化，30年快過去了，而這方面的收效甚微，復(fù)雜的技術(shù)和巨大的投資， 制約了氣化煤和液化煤的廣泛使用。 社會進步和經(jīng)濟發(fā)展，需要能源的支撐。但是，用增加煤炭消耗來彌補石油不足，是一條以環(huán)境為代價的 能源發(fā)展道路，是完全行不通的。據(jù)測定，直接燃燒：噸煤，產(chǎn)生粉塵3-11kg，二氧化硫60kg，二氧化氮3- 9kg，還有大量二氧化碳。我國1995年排放的煙塵為1744萬噸，二氧化硫為2370萬噸，其中燃煤排放的分別 占70％和85％。目前，我國每年燃煤排放的碳已達10億噸。煤炭的大量開發(fā)利用是造成全球環(huán)境惡化的主 要原因。根據(jù)1992年聯(lián)合國召開的世界環(huán)境與發(fā)展大會的要求，煤炭的消費不僅不能增加，而應(yīng)予以限制并 逐步減少。 另外，我們可以通過對太陽能利用中最重要的光伏發(fā)電進行一些分析，以評估太陽能在下一世紀(jì)的發(fā)展 前景。 以70年代不變價計算，近30年間，太陽電池的價格下降了數(shù)十倍。專家預(yù)測，通過擴大生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù) 進步，2030年以后，光伏發(fā)電對常規(guī)發(fā)電開始具有競爭力。2050年，太陽電池的價格將比現(xiàn)在下降1Q倍，即 每瓦4．5元左右，每千瓦時的電價約0；2元左右。從現(xiàn)在起經(jīng)過50年的發(fā)展，那時光伏發(fā)電量將占全球總發(fā) 電量的一半。 以上分析表明，21世紀(jì)全球能源結(jié)構(gòu)必將發(fā)生根本性變化。當(dāng)今占主導(dǎo)地位的石油將逐漸減少直至枯 竭，完成其歷史使命；煤炭的利用將受到限制，但考慮發(fā)展中國家發(fā)展經(jīng)濟的需要，在2030年前可能還會有 所增長，此后將逐漸下降；核能利用，因核安全和核廢料處理技術(shù)尚未完全解決，若無技術(shù)上突破，在今后50 年內(nèi)發(fā)達國家會逐漸關(guān)閉核電站，發(fā)展中國家還會新建一些核電站，二者相抵，總數(shù)上不會有什么增加，相反 還會有所減少；太陽能和其它可再生能源將替代石油和煤炭，逐漸成為世界能源的主角。 對2050年各種一次能源在世界能源構(gòu)成中所占的比例進行預(yù)測，可以得出如下結(jié)果：石油0（或甚微）， 天然氣13％，煤20％，核能10％，水電5％，太陽能（含風(fēng)能、生物質(zhì)能）50％，其它2％。 21世紀(jì)是人類大規(guī)模利用太陽能的世紀(jì)，這是不以任何人的意志為轉(zhuǎn)移的歷史發(fā)展必然結(jié)果。
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