太阳能的利用，本文主要内容关键词为：太阳能论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一百年来，伴随着全球工业化的进程，能源消耗呈快速增长的趋势，这带来了十分严重的后果：一方面，大量使用化石燃料使得大气中CO[，2]的含量增加，导致温室效应，生态环境恶化；另一方面，常规化石能源储量迅速减少.有数据表明，世界化石燃料耗尽时间从现在开始只有几十年.能源的潜在危机和生态环境的恶化，迫使世界各国积极开发可再生能源.在这种背景下，太阳能以其独特的优势获得了人们的青睐.太阳能既是一次性能源，又是可再生能源.它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，而且可以说是“取之不尽，用之不竭”.专家预测，在今后的20～30年里，全球的能源结构必然发生根本性的变化.在21世纪50年代，包括太阳能在内的新能源与可再生能源在整个能源构成中会占到50％.
一、太阳能的起源和传播
太阳是一个炽热的气态球体，其主要组成气体为氢（约80％）和氦（约19％）.它的直径约为1.
太阳的结构如图1所示.太阳的表面温度约为6400K.越靠近中心，温度就越高，中心处温度约达2×10[7]K，压力高达3×10[16]Pa.在这样的高温高压条件下，太阳内部物质的原子发生剧烈的热核聚变反应，并产生大量的能量，这就是太阳能的起源.核聚变反应方程式为：
图1 太阳的结构
在核聚变过程中发生了质量亏损，每合成
率.从太阳发射出来的总功率中，只有大约二十二亿分之一能够到达地球大气上界.尽管如此，到达地球大气上界的太阳辐射功率仍高达1.73×10[17]W.
由于地球的公转轨道为椭圆形，日地之间的距离有±3.3％的变化；此外，太阳本身的活动也会引起太阳辐射能的波动，这些因素都会导致到达地球大气上界的太阳能的数量发生微小波动.在一般情况下，可以认为太阳辐射量是比较稳定的，人们用“太阳常数”表示到达地球的太阳辐射量，它指的是“在日地平均距离处垂直于太阳光线的平面上，在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能”.近年来，利用人造卫星、火箭和高空气球观测的结果，已将太阳常数的值测定为1357W/m[2].
二、太阳能的利用
从广义上说，太阳能资源不仅包括直接投射到地球表面的太阳辐射能，而且还包括像水能、风能、海洋能、生物质能等间接的太阳能资源，以及石油、天然气和煤炭等矿物燃料.本文所介绍的内容只限于直接投射到地球表面的太阳辐射能.太阳辐射能的直接利用，基本上有三种方式，即太阳能转换成热能，称为“光—热转换”；太阳能转换成电能，称为“光—电转换”；太阳能转换成化学能，称为“光—化学转换”.
（一）光—热转换
这是目前太阳能利用中理论和技术都最为成熟，成本最为低廉，因而应用最为广泛的方式.目前使用得较多的太阳能收集装置有两种，一种是非聚光型集热器，另一种是聚光型集热器.由于它们所能达到的温度不同，因而可以有多方面的用途.根据所能达到的温度的不同，又可分为太阳能的低温热利用（＜100℃）、中温热利用（100℃～500℃）和高温热利用（＞500℃）.
1.非聚光型集热器.
如图2，在金属薄板上涂上黑漆并压凹槽，使一排管子卧在凹槽内并焊接在金属板上.排管一端互相连通，水作为传热介质在管道中流动.当受到阳光的照射时，涂黑的金属板吸收太阳辐射能并把它转换为热能后，把热量传递给管壁，再传给管中的水.这就做成了一个简单的平板集热器.这种热水器与周围环境之间存在传导、辐射和对流等形式的热损失，其中后二者又占有较大的比例.普通黑漆可以将太阳能转换成热能，其吸收性能好，但辐射热损失大，所以不是理想的太阳能吸收面.为了解决这个问题，人们研制出了选择性吸收涂层，它具有高的太阳吸收比和低的发射比，吸收太阳辐射的性能好，且辐射热损失小，是比较理想的太阳能吸收面.目前已研制成上百种选择性涂层.为了减少对流热损失，提高集热温度，国际上20世纪70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能.
图2 平板集热器剖面图
2.聚光型集热器.
聚光型集热器的主要部件是聚光器.按照聚光原理的不同，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类.在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器（点聚集）和槽形抛物面镜聚光集热器（线聚焦）.这两种聚光集热器在20世纪初就有应用.1952年，法国国家研究中心就在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉.几十年来进行了许多改进，如提高反射面加工精度，研制高反射材料，开发高可靠性跟踪机构等，现在这两种抛物面镜聚光集热器完全能满足各种中、高温太阳能利用的要求.折射式聚光器是利用光的折射原理制成的.历史上曾有人在法国巴黎用两块透镜聚集阳光进行熔化金属的表演.有人利用一组透镜并辅以平面镜组装成太阳能高温炉.由于玻璃透镜比较重，而且制造工艺复杂，造价高，所以折射式聚光器长期没有什么发展.
在我国部分地区得到广泛应用的太阳灶就是聚光型集热器的一个例子.甘肃陇中地区干旱、缺水、土地贫瘠，恶劣的自然条件和种种历史原因，使这里的物质能源严重短缺，加之煤炭和水电资源匮乏，1988年人均能源资源量仅300kg标煤/（人·年），不到全国平均水平的一半.多年来，农民不得不靠铲草皮、挖草根、乱砍树木以弥补燃料不足.植被的严重破坏、水土的大量流失，反过来又阻碍了农村经济发展，造成农业生态恶性循环.1980年前后，太阳灶在这里开始得到应用.使用情况表明，太阳灶可解决农户全年燃料的15％左右，每户每年可少割50～100亩山坡的柴草，所以很受当地群众欢迎.太阳灶发展最快的永靖县，仅1980年春到1982年秋不到三年的时间，就推广了18371台，普及率为68.73％，居全国之首，至今在县级单位中仍保持着全国推广使用最多、普及率最高的记录.
（二）光—电转换
由于电能的利用、传输和分配都比较方便，将来太阳能的大规模利用，主要是用来发电.利用太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式.
1.光—热—电转换.
光—热—电转换，就是利用太阳辐射所产生的热能发电.一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换成作为工质的蒸气，再驱动汽轮机发电.前一个过程是光—热转换过程，后一个过程是热—电转换过程，与通常的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低，而成本很高，估计它的投资要比普通火电站多5～10倍.因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，例如电力网不能到达的高山峻岭或沙漠地区.
塔式发电站是太阳能热发电的主要方案之一，它是一种将集热器置于塔顶的发电方式，主要由反射镜阵列、高塔、集热器、贮热器和发电机等部分组成.反射镜阵列由许多反射镜（又称“定日镜”）按一定的规律排列而成，它们自动跟踪太阳，以便将反射光能精确地投射到集热器上.集热器吸收太阳光并将其转换为热能，加热流动着的工作介质（如水、熔盐），产生高温蒸气，带动汽轮发电机组发电.
20世纪80年代初，美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置——“太阳1号”.起初，太阳塔采用水—蒸气系统，发电功率为10MW.1992年，太阳1号经过改装，用于示范熔盐接收器和储热系统.由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高达65％.熔盐在接收器内由288℃加热到565℃，然后用于发电.第二座太阳塔“太阳2号”于1996年开始发电，计划试运行三年，然后进行评估.太阳2号发电的实践不仅证明熔盐技术的正确性，而且将进一步加速30MW～200MW范围的塔式太阳能热发电系统的商业化.
图3 太阳1号
2.光—电直接转换.
世界上1941年出现有关硅太阳电池报道，1954年研制成效率达6％的单晶硅太阳电池，1958年太阳电池应用于卫星供电.在20世纪70年代以前，由于太阳电池效率低，售价昂贵，主要应用在空间.70年代以后，科学家对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛研究，在提高效率和降低成本方面取得较大进展，地面应用规模逐渐扩大，但从大规模利用太阳能而言，与常规发电相比，成本仍然太高.我国于1958年开始太阳电池的研究，1971年首次成功地应用于我国发射的第二颗卫星上.
图4 太阳电池原理
太阳电池的基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能.太阳电池把光能转换为电能的过程可以分为以下三个主要步骤：1.半导体中形成p-n结；2.吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子—空穴对，称为“光生载流子”，二者的电性相反；3.光生载流子电子和空穴分别被太阳电池的正、负两极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能.目前常用的是硅太阳电池，其实验室效率最高水平为：单晶硅电池24％，多晶硅电池18.6％，非晶硅电池14.5％.根据最新报道，1998年世界太阳电池组件的总产量达到157.4兆瓦，比1997年增长29％.
美国航空和航天局已研制成遥控太阳能飞机“探路者”.该机的机翼全部为太阳电池覆盖，成功地飞行到29384m的高空，比任何螺旋桨驱动的飞机飞得都高.在高空，太阳电池显示出胜过汽油发动机的优点：在空气稀薄的高空不会减小功率，并且在低温环境下太阳电池能够更好地发挥功效.美国航空和航天局相信，这种太阳能飞机将能连续数日在高空飞行.在飞机飞行期间，太阳电池不仅为螺旋桨提供电力，而且还将燃料电池中的水分解成氢和氧.夜晚，飞机用白天贮存的氢和氧经燃料电池反应产生电力，驱动发动机，同时产生水，供第二天循环使用.这种性能使此类太阳能飞机能完成与卫星同样的工作：远距离通信、对陆地表面进行观察、气象测量.与卫星相比，太阳能飞机的成本低，是非常吸引人的.
我国的光伏技术也取得了一定的进展.1999年3月，在西藏安多建成世界上海拔最高、国内装机容量最大的太阳能光伏电站（图5），装机容量达100kW.该电站自运行以来，日平均发电量达240kW·h，充放电基本达到要求.
图5 安多太阳能光伏电站
（三）光—化学转换
这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式.氢的用途很广，既可作为化工原料，用于合成天然气和合成石油，又可以直接作为燃料.一方面，由于可以用水作为制氢的原料，而水在地球上的储量是极为丰富的；另一方面，氢燃烧后只生成水，是非常清洁的燃料，既便于贮存，又便于运输.所以，利用太阳能的光—化学转换方式制氢，能从根本上改善目前人类利用能源的状况.令人感到遗憾的是，目前这种方法的效率还很低，成本又很高，同时还需消费大量的常规能源，因此还需要经过相当一段时期的努力探索才有可能真正实现.