20世纪太阳能科技发展的回顾与展望
时间：2015-12-20 23:41:14 所属分类：石油 浏览量:
作者: 李锦堂(北京市太阳能研究所，北京100033) 【摘要】 据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基
作者: 李锦堂(北京市太阳能研究所，北京100033)
【摘要】 据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。回顾和总结本世纪太阳能科技发展的历程，对21世纪太阳能事业的发展十分有意义，本文对此作了尝试。
1 历史回顾 近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。在1615年-1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段，下面分别予以介绍。1．1第一阶段1900-1920 在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；1902-1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。1．2第二阶段（1920-1945） 在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。1．3第三阶段（1945-1965） 在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有：1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。1．4第四阶段门(1965-1973）这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。1．5第五阶段（1973-1980）自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。 1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电他生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用……。 1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：（1）各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。（2）研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。（3）各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。（4）太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想1．6第六阶段（1980-1992）70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。 导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响。 这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。1． 7第七阶段（1992- 至今） 由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，《2I世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。 世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》（1996- 2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。 1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言）｝，会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》（1996- 2005），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。 1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。 通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。2太阳能科技进步 太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用。2．1太阳能采集 太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装置（集热器），对太阳能进行采集。集热器按是否聚光，可以划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。非聚光集热器（平板集热器，真空管集热器）能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射，集热温度较低；聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。2．1．1平板集热器 历史上早期出现的太阳能装置，主要为太阳能动力装置，大部分采用聚光集热器，只有少数采用平板集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。为了提高效率，降低成本，或者为了满足特定的使用要求，开发研制了许多种平板集热器： 按工质划分有空气集热器和液体集热器，目前大量使用的是液体集热器； 按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等； 按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器，还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等； 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。 目前，国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，国外一般采用高频焊，国内以往采用介质焊，199S年我国也开发成功全铜高频焊集热器。1937年从加拿大引进铜铝复合生产线，通过消化吸收，现在国内已建成十几条铜铝复合生产线。 为了减少集热器的热损失，可以采用中空玻璃、聚碳酸酯阳光板以及透明蜂窝等作为盖板材料，但这些材料价格较高，一时难以推广应用。2．1．2真空管集热器 为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上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。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。 真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管，玻璃七型管真空集热管，玻璃。金属热管真空集热管，直通式真空集热管和贮热式真空集热管。最近，我国还研制成全玻璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集热管。 我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来，经20多年的努力，我国已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业，用于生产集热管的磁控溅射镀膜机在百台以上，产品质量达世界先进水平，产量雄居世界首位。 我国自80年代中期开始研制热管真空集热管，经过十几年的努力，攻克了热压封等许多技术难关，建立了拥有全部知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。 目前，直通式真空集热管生产线正在加紧进行建设，产品即将投放市场。2。1．3聚光集热器 聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。为了满足太阳能利用的要求，简化跟踪机构，提高可靠性，降低成本，在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多，但推广应用的数量远比平板集热器少，商业化程度也低。 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（点聚焦）和槽形抛物面镜聚光集热器（线聚焦）。前者可以获得高温，但要进行二维跟踪；后者可以获得中温，只要进行一维跟踪。这两种聚光集热器在本世纪初就有应用，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，但由于造价高，限制了它们的广泛应用。 70年代，国际上出现一种“复合抛物面镜聚光集热器”（CPC），它由二片槽形抛物面反射镜组成，不需要跟踪太阳，最多只需要随季节作稍许调整，便可聚光，获得较高的温度。其聚光比一般在10以下，当聚光比在3以下时可以固定安装，不作调整。当时，不少人对CPC评价很高，甚至认为是太阳能热利用技术的一次重大突破，预言将得到广泛应用。但几十年过去了，CPC仍只是在少数示范工程中得到应用，并没有象平板集热器和真空管集热器那样大量使用。我国不少单位在七八十年代曾对CPC进行过研制，也有少量应用，但现在基本都已停用。 其它反射式聚光器还有圆锥反射镜、球面反射镜、条形反射镜、斗式槽形反射镜、平面。抛物面镜聚光器等。此外，还有一种应用在塔式太阳能发电站的聚光镜--定日镜。定日镜由许多平面反射镜或曲面反射镜组成，在计算机控制下这些反射镜将阳光都反射至同一吸收器上，吸收器可以达到很高的温度，获得很大的能量。 利用光的折射原理可以制成折射式聚光器，历史上曾有人在法国巴黎用二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。显然，玻璃透镜比较重，制造工艺复杂，造价高，很难做得很大。所以，折射式聚光器长期没有什么发展。70年代，国际上有人研制大型菲涅耳透镜，试图用于制作太阳能聚光集热器。菲涅耳透镜是平面化的聚光镜，重量轻，价格比较低，也有点聚焦和线聚焦之分，一般由有机玻璃或其它透明塑料制成，也有用玻璃制作的，主要用于聚光太阳电池发电系统。 我国从70年代直至90年代，对用于太阳能装置的菲涅耳透镜开展了研制。有人采用模压方法加工大面积的柔性透明塑料菲涅耳透镜，也有人采用组合成型刀具加工直径1.5m的点聚焦菲涅耳透镜，结果都不大理想。近来，有人采用模压方法加工线性玻璃菲涅耳透镜，但精度不够，尚需提高。 还有两种利用全反射原理设计的新型太阳能聚光器，虽然尚未获得实际应用，但具有一定启发性。一种是光导纤维聚光器，它由光导纤维透镜和与之相连的光导纤维组成，阳光通过光纤透镜聚焦后由光纤传至使用处。另一种是荧光聚光器，它实际上是一种添加荧光色素的透明板（一般为有机玻璃），可吸收太阳光中与荧光吸收带波长一致的部分，然后以比吸收带波长更长的发射带波长放出荧光。放出的荧光由于板和周围介质的差异，而在板内以全反射的方式导向平板的边缘面，其聚光比取决于平板面积和边缘面积之比，很容易达到10一100，这种平板对不同方向的入射光都能吸收，也能吸收散射光，不需要跟踪太阳。2．2太阳能转换 太阳能是一种辐射能，具有即时性，必须即时转换成其它形式能量才能利用和贮存。将太阳能转换成不同形式的能量需要不同的能量转换器，集热器通过吸收面可以将太阳能转换成热能，利用光伏效应太阳电池可以将太阳能转换成电能，通过光合作用植物可以将太阳能转换成生物质能，等等。原则上，太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量，但转换次数越多，最终太阳能转换的效率便越低。2．2．1 太阳能-热能转换 黑色吸收面吸收太阳辐射，可以将太阳能转换成热能，其吸收性能好，但辐射热损失大，所以黑色吸收面不是理想的太阳能吸收面。 选择性吸收面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。这种吸收面由选择性吸收材料制成，简称为选择性涂层。它是在本世纪40年代提出的，1955年达到实用要求，70年代以后研制成许多新型选择性涂层并进行批量生产和推广应用，目前已研制成上百种选择性涂层。 我国自70年代开始研制选择性涂层，取得了许多成果，并在太阳集热器上广泛使用，效果十分显著。2．2．2太阳能一电能转换 电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十分重视，其转换途径很多，有光电直接转换，有光热电间接转换等。这里重点介绍光电直接转换器件--太阳电池。 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，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，成本仍然大高。 目前，世界上太阳电他的实验室效率最高水平为：单晶硅电池24％（4cm2)，多晶硅电池18。6％（4cm2），InGaP／GaAs双结电池30． 28％（AM1），非晶硅电池14．5％（初始）、12．8（稳定），碲化镐电池15．8％，硅带电池14．6％，二氧化钛有机纳米电池10．96％。 我国于1958年开始太阳电他的研究，40多年来取得不少成果。目前，我国太阳电他的实验室效率最高水平为：单晶硅电池20．4％（2cm×2cm），多晶硅电池14．5％（2cm×2cm）、12％（10cm×10cm），GaAs电池20．1％（lcm×cm），GaAs／Ge电池19．5％（AM0），CulnSe电池9％（lcm×1cm），多晶硅薄膜电池13．6％（lcm×1cm，非活性硅衬底），非晶硅电池8．6％（10cm×10cm）、7．9％（20cm×20cm）、6．2％
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（30cm×30cm），二氧化钛纳米有机电池10％（1cm×1cm）。2．2．3太阳能一氢能转换 氢能是一·种高品位能源。太阳能可以通过分解水或其它途径转换成氢能，即太阳能制氢，其主要方法如下： （1）太阳能电解水制氢 电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法，效率较高（75％-85％），但耗电大，用常规电制氢，从能量利用而言得不偿失。所以，只有当太阳能发电的成本大幅度下降后，才能实现大规模电解水制氢。 （2）太阳能热分解水制氢 将水或水蒸汽加热到3000K以上，水中的氢和氧便能分解。这种方法制氢效率高，但需要高倍聚光器才能获得如此高的温度，一般不采用这种方法制氢。 （3）太阳能热化学循环制氢 为了降低太阳能直接热分解水制氢要求的高温，发展了一种热化学循环制氢方法，即在水中加入一种或几种中间物，然后加热到较低温度，经历不同的反应阶段，最终将水分解成氢和氧，而中间物不消耗，可循环使用。热化学循环分解的温度大致为900-1200K，这是普通旋转抛物面镜聚光器比较容易达到的温度，其分解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要问题是中间物的还原，即使按99．9％-99． 99％还原，也还要作0.1％-0.01％的补充，这将影响氢的价格，并造成环境污染。 （4）太阳能光化学分解水制氢 这一制氢过程与上述热化学循环制氢有相似之处，在水中添加某种光敏物质作催化剂，增加对阳光中长波光能的吸收，利用光化学反应制氢。日本有人利用碘对光的敏感性，设计了一套包括光化学、热电反应的综合制氢流程，每小时可产氢97升，效率达10％左右。 （5）太阳能光电化学电池分解水制氢 1972年，日本本多健一等人利用n型二氧化钛半导体电极作阳极，而以铂黑作阴极，制成太阳能光电化学电池，在太阳光照射下，阴极产生氢气，阳极产生氧气，两电极用导线连接便有电流通过，即光电化学电池在太阳光的照射下同时实现了分解水制氢、制氧和获得电能。这一实验结果引起世界各国科学家高度重视，认为是太阳能技术上的一次突破。但是，光电化学电他制氢效率很低，仅0．4％，只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光，且电极易受腐蚀，性能不稳定，所以至今尚未达到实用要求。 （6）太阳光络合催化分解水制氢 从1972年以来，科学家发现三联毗啶钉络合物的激发态具有电子转移能力，并从络合催化电荷转移反应，提出利用这一过程进行光解水制氢。这种络合物是一种催化剂，它的作用是吸收光能、产生电荷分离、电荷转移和集结，并通过一系列偶联过程，最终使水分解为氢和氧。络合催化分解水制氢尚不成熟，研究工作正在继续进行。 （7）生物光合作用制氢 40多年前发现绿藻在无氧条件下，经太阳光照射可以放出氢气；十多年前又发现，兰绿藻等许多藻类在无氧环境中适应一段时间，在一定条件下都有光合放氢作用。 目前，由于对光合作用和藻类放氢机理了解还不够，藻类放氢的效率很低，要实现工程化产氢还有相当大的距离。据估计，如藻类光合作用产氢效率提高到10％，则每天每平方米藻类可产氢9克分子，用5万平方公里接受的太阳能，通过光合放氢工程即可满足美国的全部燃料需要。2．2．4太阳能-生物质能转换 通过植物的光合作用，太阳能把二氧化碳和水合成有机物（生物质能）并放出氧气。光合作用是地球上最大规模转换太阳能的过程，现代人类所用燃料是远古和当今光合作用固定的太阳能，目前，光合作用机理尚不完全清楚，能量转换效率一般只有百分之几，今后对其机理的研究具有重大的理论意义和实际意义。2．2．5太阳能-机械能转换 20世纪初，俄国物理学家实验证明光具有压力。20年代，前苏联物理学家提出，利用在宇宙空间中巨大的太阳帆，在阳光的压力作用下可推动宇宙飞船前进，将太阳能直接转换成机械能。科学家估计，在未来10～20年内，太阳帆设想可以实现。 通常，太阳能转换为机械能，需要通过中间过程进行间接转换。2．3太阳能贮有 地面上接受到的太阳能，受气候、昼夜、季节的影响，具有间断性和不稳定性。因此，太阳能贮存十分必要，尤其对于大规模利用太阳能更为必要。 太阳能不能直接贮存，必须转换成其它形式能量才能贮存。大容量、长时间、经济地贮存太阳能，在技术上比较困难。本世纪初建造的太阳能装置几乎都不考虑太阳能贮存问题，目前太阳能贮存技术也还未成熟，发展比较缓慢，研究工作有待加强。2.3.1 太阳能贮热 （1）显热贮存 利用材料的显热贮能是最简单的贮能方法。在实际应用中，水、沙、石子、土壤等都可作为贮能材料，其中水的比热容最大，应用较多。七八十年代曾有利用水和土壤进行跨季节贮存太阳能的报道。但材料显热较小，贮能量受到一定限制。 （2）潜热贮存 利用材料在相变时放出和吸入的潜热贮能，其贮能量大，且在温度不变情况下放热。 在太阳能低温贮存中常用含结晶水的盐类贮能，如10水硫酸钠／水氯化钙、12水磷酸氢钠等。但在使用中要解决过冷和分层问题，以保证工作温度和使用寿命。 太阳能中温贮存温度一般在100℃以上、500℃以下，通常在300℃左右。适宜于中温贮存的材料有：高压热水、有机流体、共晶盐等。 太阳能高温贮存温度一般在500℃以上，目前正在试验的材料有：金属钠、熔融盐等。 1000℃以上极高温贮存，可以采用氧化铝和氧化锗耐火球。 （3）化学贮热 利用化学反应贮热，贮热量大，体积小，重量轻，化学反应产物可分离贮存，需要时才发生放热反应，贮存时间长。 真正能用于贮热的化学反应必须满足以下条件：反应可逆性好，无副反应；反应迅速；反应生成物易分离且能稳定贮存；反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性；反应热大，反应物价格低等，目前已筛选出一些化学 吸热 反应能基本满足上述条件，如Ca(OH)2的热分解反应：Ca(0H）2＋63.6kJ←----→cao＋H2O 放热 利用上述吸热反应贮存热能，用热时则通过放热反应释放热能。但是，Ca（OH)2在大气压脱水反应温度高于500℃，利用太阳能在这一温度下实现脱水十分困难，加入催化剂可降低反应温度，但仍相当高。所以，对化学反应贮存热能尚需进行深入研究，一时难以实用。 其它可用于贮热的化学反应还有金属氢化物的热分解反应、硫酸氢铰循环反应等。 （4）塑晶贮热 1984年，美国在市场上推出一种塑晶家庭取暖材料。塑晶学名为新戊二醇（NPG），它和液晶相似，有晶体的三维周期性，但力学性质象塑料。它能在恒定温度下贮热和放热，但不是依靠固一液相变贮热，而是通过塑晶分子构型发生固-固相变贮热。塑晶在恒温44℃时，白天吸收太阳能而贮存热能，晚上则放出白天贮存的热能。 美国对NPG的贮热性能和应用进行了广泛的研究，将塑晶熔化到玻璃和有机纤维墙板中可用于贮热，将调整配比后的塑晶加入玻璃和纤维制成的墙板中，能制冷降温。 我国对塑晶也开展了一些实验研究，但尚未实际应用。 （5）太阳池贮热 ，太阳池是一种具有一定盐浓度梯度的盐水池，可用于采集和贮存太阳能。由于它简单、造价低和宜于大规模使用，引起人们的重视。60年代以后，许多国家对太阳池开展了研究，以色列还建成三座太阳池发电站。 70年代以后，我国对太阳池也开展了研究，初步得到一些应用。2．3．2电能贮存 电能贮存比热能贮存困难，常用的是蓄电池，正在研究开发的是超导贮能。 世界上铅酸蓄电池的发明已有100多年的历史，它利用化学能和电能的可逆转换，实现充电和放电。铅酸蓄电池价格较低，但使用寿命短，重量大，需要经常维护。近来开发成功少维护、免维护铅酸蓄电池，使其性能有一定提高。目前，与光伏发电系统配套的贮能装置，大部分为铅酸蓄电池。 1908年发明镍-铜、镍-铁碱性蓄电池，其使用维护方便，寿命长，重量轻，但价格较贵，一般在贮能量小的情况下使用。 现有的蓄电池贮能密度较低，难以满足大容量、长时间贮存电能的要求。新近开发的蓄电池有银锌电池、钾电池、钠硫电池等。 某些金属或合金在极低温度下成为超导体，理论上电能可以在一个超导无电阻的线圈内贮存无限长的时间。这种超导贮能不经过任何其它能量转换直接贮存电能，效率高，起动迅速，可以安装在任何地点，尤其是消费中心附近，不产生任何污染，但目前超导贮能在技术上尚不成熟，需要继续研究开发。2．3．3氢能贮存 氢可以大量、长时间贮存。它能以气相、液相、固相（氢化物）或化合物（如氨、甲醇等）形式贮存。 气相贮存：贮氢量少时，可以采用常压湿式气柜、高压容器贮存；大量贮存时，可以贮存在地下贮仓、由不漏水土层复盖的含水层、盐穴和人工洞穴内。 液相贮存：液氢具有较高的单位体积贮氢量，但蒸发损失大。将氢气转化为液氢需要进行氢的纯化和压缩，正氢-仲氢转化，最后进行液化。液氢生产过程复杂，成本高，目前主要用作火箭发动机燃料。 固相贮氢：利用金属氢化物固相贮氢，贮氢密度高，安全性好。目前，基本能满足固相贮氢要求的材料主要是稀土系合金和钛系合金。金属氢化物贮氢技术研究已有30余年历史，取得了不少成果，但仍有许多课题有待研究解决。我国对金属氢化物贮氢技术进行了多年研究，取得一些成果，目前研究开发工作正在深入。2．3．4机械能贮存 太阳能转换为电能，推动电动水泵将低位水抽至高位，便能以位能的形式贮存太阳能；太阳能转换为热能，推动热机压缩空气，也能贮存太阳能。但在机械能贮存中最受人关注的是飞轮贮能。 早在50年代有人提出利用高速旋转的飞轮贮能设想，但一直没有突破性进展。近年来，由于高强度碳纤维和玻璃纤维的出现，用其制造的飞轮转速大大提高，增加了单位质量的动能贮量；电磁悬浮、超导磁浮技术的发展，结合真空技术，极大地降低了摩擦阻力和风力损耗；电力电子的新进展，使飞轮电机与系统的能量交换更加灵活。所以，近来飞轮技术已成为国际上研究热点，美国有20多个单位从事这项研究工作，已研制成贮能20kWh飞轮，正在研制5MWh～100MWh超导飞轮。我国已研制成贮能0． 3kwh的小型实验飞轮。 在太阳能光伏发电系统中，飞轮可以代替蓄电池用于蓄电。2．4太阳能传输 太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。 直接传输适用于较短距离，基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。 间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。 太阳能传输包含许多复杂的技术问题，应认真进行研究，这样才能更好地利用太阳能。3太阳能利用 在过去的100年间，人们对各种太阳能利用方式进行了广泛的探索，逐步明确了发展方向，初步得到一些利用。70年代以后，世界各国加大了对太阳能研究开发的投入，太阳能热水、太阳能建筑、太阳能光伏发电等利用项目发展速度加快，规模逐渐扩大。但从总体而言，目前太阳能利用的规模还不大，技术尚不完善，商品化程度较低，需要继续努力。3．1太阳能热发电 太阳能热发电是太阳能利用中的重要项目，只要将太阳能聚集起来，加热工质，驱动汽轮发电机即能发电。 1950年，原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站，建造了一个小型试验装置。 70年代，太阳电池价格昂贵，效率较低，相对而言，太阳热发电效率较高，技术比较成熟，因此当时许多工业发达国家都将太阳热发电作为重点，投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，从1981～1991年，全世界建造的太阳能热发电站（500kw以上）约有20余座，发电功率最大达80MW0 按太阳能采集方式划分，太阳能热发电站主要有塔式、槽式和盘式三类。这些电站基本上都是试验性的。例如，日本按照阳光计划建造的一座IMW塔式电站，一座IMW槽式电站，完成了试验工作后即停止运行。美国10MW太阳1号塔式电站，进行一段时间试验运行后及时进行技术总结，很快将它改建为太阳：号电站，并于1996年1月投入运行。 80年代中期，人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为，虽然太阳能热发电在技术上可行，但投资过大（美国太阳：号电站投资为1． 42亿美元），且降低造价十分困难，所以各国都改变了原来的计划，使太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。例如，美国原计划在1983～1995年建成5～10万kW和10～30万kw太阳能热电站，结果没有实现。 正当人们怀疑太阳能热发电的时候，美国和以色列联合组成的路兹太阳能热发电国际有限公司，自1980年开始进行太阳热发电技术研究，主要开发槽式太阳能热发电系统，5年后奇迹般地进入商品化阶段。该公司从1985年至1991年在美国加州沙漠建成9座槽式太阳能热电站，总装机容量353． 8MW。电站的投资由：号电站的5976美元／kW，降到8号电站的3011美元／kW，发电成本从26．5美分／kWh降到8．9美分／kwh。该公司满怀信心，计划到2000年，在加州建成装机容量达800Mw槽式太阳能热发电站，发电成本降到5～6美分／kWh。遗憾的是，1991年因路兹公司破产而使计划中断。 路兹热电站的成功实践表明，不能简单地否定太阳能热发电技术，而应继续进行研究开发，不断完善，使其早日实现商业化。为此，以色列、德国和美国几家公司进行合作，继续推动太阳能热发电的发展，他们计划在美国内华达州建造两座80MW槽式太阳能热电站，两座100MW太阳能与燃气轮机联合循环电站。在西班牙和摩洛哥分别建造135MW和18MW太阳能热发电站各一座。 盘式太阳能热发电系统功率较小，一般为5～50kW，可以单独分散发电，也可以组成较大的发电系统。美国、澳大利亚等国都有一些应用，但规模不大。 研究表明，盘式太阳能热发电系统应用于空间，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点，美国从1988年开始进行可行性研究，计划在近期进行发射试验。 在太阳能低温发电计划中，以色列在死海沿岸先后建造了三座太阳池发电站，第一座功率为150kW，于1979年投入运行。以色列曾计划围绕死海建造一系列太阳池电站，以提供以色列全国三分之一用电需要。美国也曾计划将加州南部萨尔顿海的一部分变为太阳池，建造80～600万kW太阳池电站。后来，以色列和美国太阳池发电计划均作了改变。 除了以上几种太阳能热发电方式外，1983年在西班牙建成一座太阳能抽风式热电站；以色列、美国等计划建造太阳能磁流体热发电试验装置；还开展了太阳能海水温差发电研究。适用于小功率的太阳能热发电技术还有太阳能热离子发电和温差发电，它们在特殊场合得到了一些应用。 我国在太阳能热发电领域受经费和技术条件的限制，开展的工作比较少。在“六五”期间建立了一套功率为lkW的太阳能塔式热发电模拟装置和一套功率为lkW的平板式太阳能低温热发电模拟装置。此外，我国还与美国合作设计并试制成功率为5kW的盘式太阳能发电装置样机。3．2太阳能光伏发电 自从实用性的硅太阳电池问世以来，世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。发展初期，因太阳电池价格昂贵，光伏发电主要限于在空间为卫星供电。随着太阳电池技术提高，价格下降，光伏发电逐渐在地面得到应用，规模也日益扩大。据报道，1998年，全世界太阳电池组件生产量达到157． 8MW，是1992年58。 2MW的近3倍。近几年国际上光伏发电加速发展，美国计划到2010年安装1000～3000MW太阳能电池，而日本计划到2010年安装7600MW太阳电池。 光伏发电不消耗燃料，不受地域限制，规模大小随意，可以独立发电或并网发电，无噪声、无污染，建设周期短，不用架设输电线路，安全可靠，维护简便，可以无人值守……，具有其它发电方式无可比拟的优点。它是大规模利用太阳能的重要技术基础。 从1958年美国发射的卫星上首次使用太阳电池开始，至今全世界发射的4000余颗卫星，90％以上采用光伏发电系统供电。所用太阳电池，大部分为硅单晶电池，近来开始采用砷化锭和磷化钢电池。太阳电池方阵组装方式有体装式和帆板式两种，功卒小至数瓦，大至上千瓦、几十千瓦。空间光伏发电用的太阳电池要求，转换效率高，重量轻，耐辐照性能好，温度系数小等，今后发展重点是薄膜太阳电池。 在卫星上成功地实现光伏发电后，人们自然会提出建造空间电站的设想，利用空间太阳辐射强、不受昼夜、气候、季节影响的有利条件，在空间将太阳能转换为电能，再用微波或激光传输到地面。 70年代，美国提出建造一座500万kW空间电站的计划，但经过深入的分析论证，到1981年得出结论，认为近期内研制空间电站为时过早，经济上得不偿失，以致后来改变了计划。 光伏发电用于地面之后，因价格贵而首先在一些特殊领域获得应用，如海上导航，牧区电围栏，微波通讯，管道阴极保护等。随着价格的下降，光伏发电逐渐扩大应用领域，目前主要用于以下四个方面： 消费性产品，如非晶硅太阳电池供电的计算器，太阳能钟表，太阳能照明灯具，太阳能收音机、电视机等，这类产品约占世界光伏产品销售量的14％； 远离电网居民供电系统，包括家庭分散供电和独立光伏电站集中供电，其占世界光伏产品销售量的35％； 离网工业供电系统，其占世界光伏产品销售量的33％： 并网光伏发电系统，其占世界光伏产品销售量的18％。 随着光伏发电规模的扩大，井网发电系统将快速发展。80年代，一些工业发达国家建设的并网光伏电站规模从100kw到1MW不等，现在正计划建设10MW并网光伏电站。此外，美国、德国、日本等国计划建设的“太阳屋顶”，都采用并网光伏发电系统。 光伏发电在发展中国家也得到了一些应用，但应用重点是小型系统，主要解决无电或严重缺电地区家庭用电的需要。 我国在1971年发射的第二颗卫星上首次应用太阳电池，1973年光伏发电开始在地面应用。 1985年以前，主要应用在航标灯、铁路信号灯、黑光灯、电围栏、小型通信机等特殊领域，也建立了少量光伏发电示范工程。 90年代以来，光伏发电逐渐扩展到通信、交通、石油、气象、国防、农村电气化等许多方面，太阳电池使用量每年以高于20％的速率增长，到1998年底，我国太阳电池累计用量达13． 2MW。以地区而言，当前我国光伏发电的重点在青海、西藏、新疆、内蒙、甘肃等无电和严重缺电的农牧区。在这些地区已建成10～100kW光伏电站40多座，推广家用光伏电源15万台，总功率达2．9Mw。3．3太闲能水泵 在天气炎热干旱太阳辐射强的时候，正是太阳能水泵大显身手之际。因此，在近代开发利用太阳能早期，人们就十分重视太阳能水泵的研制。1615年，世界上第一台太阳能动力机就是一部抽水机；1901年在美国加州建成一台每分钟抽水5300升的太阳能水泵。以后，在世界各地又陆续建成一批太阳能水泵，这些水泵都是热动力泵。1975年光伏水泵面世，批量投入生产，使用数量日益增多，大有取代太阳能热动力水泵之势。 太阳能热动力泵按工作温度划分有低温、中温和高温三类。到1981年，全世界已安装太阳能热动力水泵100多台，这些水泵主要分布在第三世界国家。 80年代，非洲曾计划建造5000台太阳能热动力水泵，印度计划在1985年前兴建2000座太阳能热动力水泵。美国也计划建造1000个太阳能热动力灌溉系统。法国有几家公司生产太阳能热动力水泵，能提供6～83kw水泵系列产品，但太阳能热动力水泵系统复杂，制造成本高，广泛应用受到限制。 80年代以后，联合国开发署、世界银行等国际组织经过论证，确认光伏水泵的先进性、合理性和良好发展前景，从而大大推动了光伏水泵的应用。一些工业发达国家推出了一批光伏水泵产品，其中丹麦的一家公司在世界各地销售了数干台光伏水泵。目前，全世界已有数万台光伏水泵在各地运行。印度计划在现有4000台光伏水泵的基础上，政府给予补贴，再推广安装50000台光伏水泵。 我国在80年代开展了太阳能热动力水泵的研究，试制成平板集热器型低温太阳能热动力水泵，采用隔膜泵抽水，晴好天气，每天可抽水3～7吨，扬程达18米。同时，也开展了中温太阳能水泵的研制。在北京还建成由德国提供的风能。太阳能热动力混合式水泵一台，功率为3kW。在90年代，我国开展了光伏水泵的研究，先后试制成百瓦级和干瓦级光伏水泵，并建立了光伏水泵生产企业，能批量生产百瓦级光伏水泵。目前，我国研制的2． 5kW光伏水泵正在新疆运行。3．4太阳能热水 世界上第一台太阳热水器在100多年前诞生于美国，它是一种闷晒式热水器。 70年代未，全世界约有300万台太阳热水器。 80年代中期以后，工业发达国家太阳热水器年销售量徘徊在数十万m2，其中美国约15万m2，欧共体7。5万m2艿⒄共黄胶猓壳耙陨刑羧人鞯钠占奥室汛?0％。 我国第一台太阳热水器出现在1958年。 70年代兴起开发利用太阳能热潮，各地研制成多种热水器样机并有小规模应用，1979年我国太阳热水器的产量仅之万m2。 1987年，我国从加拿大引进铜铝复合太阳条带生产线；90年代，我国建立了全玻璃真空集热管和热管一玻璃真空集热管工业，使我国太阳热水器推广应用上了一个新台阶。据不完全统计，1992年我国太阳能热水器销售量超过50万m2；1997年达350万m2，其中闷晒式热水器约90万m2，平板热水器约160万m2，真空管热水器100万m2。近来，真空管热水器销量增长更快，平板热水器的销量有下降趋势。目前，我国太阳热水器产销量均居世界首位。 为了进一步扩大太阳热水器的应用，应在以下方面进行努力：将太阳热水器与建筑有机结合，完善太阳热水器功能，提高大阳热水器的可靠性和耐久性，扩大太阳热水器在工农业生产中的应用。3．5太阳能建筑 早在本世纪30年代，美国就开始太阳房的试验研究，先后建成一批实验太阳房。 70年代，一些工业发达国家都将太阳房列入发展研究计划，到80年代世界上建成的太阳房超过万座。90年代后期，世界上又兴起一股“太阳屋顶”热，一些国家相继提出“1万屋顶”、“10万屋顶”和“百万屋顶”计划，将太阳能建筑的发展推向一个新阶段。、 太阳能建筑基本上有三种形式： （1）被动式，这是一种构造简单、造价低、不需要任何辅助能源的建筑，通过建筑方位合理布置和建筑构件的恰当处理，以自然热交换方式来获得太阳能。 70年代以来，在相当长时间内它成为太阳能建筑发展的主流。（2）主动式，这是一种构造较复杂，造价较高，需要用电作为辅助能源的建筑。采暖降温系统由太阳集热器、风机、泵、散热器及贮热器等组成。 （3）“零能建筑”，这种建筑由“太阳屋顶”提供全部建筑所需要的能量，一般在屋顶安装2～4kW太阳电池，且与电网井网。当晴好天气阳光充足时，太阳电池可满足一个家庭全部能量需要，富裕的电能可输送给电网；当天气不好阳光不足时，则由电网供电。有的建筑还装有太阳集热器，为建筑供热。由于目前太阳电池价格较高，普遍推广“零能建筑”还有困难。 我国第一座被动式太阳房建于1977年，地点在甘肃民勤县， 1977-1987年间，我国建成各种被动式太阳能采暖房约400栋，建筑面积10万m2。到1996年底，全国建成不同类型被动式太阳房约1．5万栋，建筑面积超过455万m2。3．6太阳灶 世界上第一台太阳灶的设计者是法国人穆肖，他在1860年奉法皇之命开发抛物镜太阳灶，供在非洲的法军使用。本世纪以来，不少国家对太阳灶进行了研究，有的还利用热管技术和光学原理研制室内太阳灶，但从总体而言，世界上太阳灶使用量不大。 我国第一台太阳灶于1956年诞生在上海。经过几十年的努力，目前全国太阳灶的保有量达到30余万台，成为世界上推广应用太阳灶最多的国家。 太阳灶基本上可分为热箱式和聚光式两大类：热箱式太阳灶结构简单、成本低、使用方便，但功率有限，温度不高，只适合蒸、炯、烤食物，而且炊事时间长，使用上限制较大。现在绝大多数使用的是聚光式太阳灶，其炊事功率大，温度高，炊事时间短，适用性强。我国在抛物镜聚光太阳灶设计中提出的“偏轴聚光”和“三圆计算作图法”具有独创性，丰富了太阳灶的设计理论，提高了太阳灶的使用性能。3．7太阳能干燥 70年代以后，世界上建成一批太阳能干燥装置。到80年代未、国外建成面积超过500m2的太阳能干燥器有7座，其中美国4座，印度2座，阿根廷1座。1978年投入运行的美国加州太阳能葡萄干燥器，是世界上最大的太阳能干燥器，集热器面积达1951m2，有396m2岩石贮热床，每天可干燥6-7吨葡萄。此外，国外也有一些小型太阳能干燥器，如巴西有一种商用小型香蕉干燥器，集热器面积3． 5m2，干燥箱体积1m3，干燥500个香蕉两天后即可出售。 70年代以后，我国太阳能干燥器迅速发展，尤其在农村，对许多农副产品开展了太阳能干燥试验。1976一1986年间，各地建成60座左右太阳能干燥器，总采光面积达5000m2，但由于缺乏理论指导，这些干燥器大部分设计不够合理，使用效果较差，有的很快不能使用。经过“六五”科技攻关，我国太阳能干燥的研究和应用水平有了较大提高，尤其建成的多座太阳能干燥示范装置，起到了示范推动作用。目前全国建成的太阳能干燥装置，总采光面积已达15000m2，但由于干燥物料的多样性和干燥工艺不同，农副产品的干燥又有季节性特点，太阳能干燥器在实现产业化和商业化方面困难较大。3．8太阳能制冷与空调 1960年，世界上第一套太阳能氨一水吸收式空调系统在美国建成，制冷能力为5冷吨。 70年代以后，随着主动式太阳房的发展，太阳能制冷与空调也得到了发展，如日本在1974年竣工的八崎太阳房，装有澳化卧水太阳能吸收式制冷装置，制冷能力为1．3冷吨，1978年以后日本兴建了80座八崎太阳房。1984-1990年在美国加州建成带贮热装置和辅助能源的三套太阳能吸收式空调系统，其中一套集热面积为149m2，以天然气为辅助能源，制冷能力10冷吨。 70年代以后，我国也开始进行太阳能制冷和空调研究，研制成几台小型实验性制冰机，其中有氨。水和澳化钾-水吸收式制冰机以及固体吸附式制冰机。同时，对太阳能空调也进行了试验研究，先后建成几套小型空调系统。此外，还开展了太阳能除湿式降温和辐射降温试验。1998年，广东江门100kw太阳能空调系统投入运行，采用500m2集热器供热，燃油炉作为辅助热源，两级吸收式澳化钾制冷机制冷，达到了实用要求。1999年，山东乳山100kw太阳能空调系统投入运行，采用热管式真空管集热器供热，目前，家用太阳能吸附式空调样机已研制成功，即将投入商业化生产。3．9太阳能其它利用 （1）海水淡化 地球上97％是海水，淡水仅占3％，而且分布不均匀，有的地方淡水资源极为缺乏。于是，在1872年世界上第一座太阳能蒸馏器在智利诞生了，利用太阳能进行海水淡化，日产淡水17．7吨，一直工作到1910年。到1974年，世界上建造的大型太阳能蒸馏器已有25座，其中日产淡水：吨以上的有十几座，最大的一座面积达8640m2，日产淡水28． 08吨。 80年代以后，建造大型太阳能海水淡化装置的报道较少。 70年代，我国在海南歧蜈洲岛和西沙中建岛分别建成蒸发面积385m2、日产淡水1吨和蒸发面积50m2、日产淡水0.2吨太阳能蒸馏器各一座。 （2）太阳炉 将阳光高倍聚光，在焦斑处可获得高温，最高达3500℃左右。利用这一高温能进行冶金、耐火材料、高温化学反应等实验，且实验环境特别洁净。1921年，德国科学家设计了一个由抛物面聚光器和透镜组成的太阳炉。 1933年又建造了一座聚光器和定日镜组成的太阳炉。1951年，美国制成开口直径3m的抛物镜太阳炉。1952年，法国在比利牛斯山上建成世界上第一座大型太阳炉，功率达50kW，此后，美国、日本也相继建成了一批功率为60-100kW的大型太阳炉。70年代，法国又在比利牛斯山奥德约设计建造了目前世界上最大的太阳炉，输出功率达1000kW。估计全世界建造的太阳炉有数十座，但80年代以后鲜见报道／ 我国有两台小型太阳炉，直径分别为0． 95m和1． 5m，焦斑处温度高于3000℃，主要用于材料的高温试验。 （3）太阳光催化治理环境 80年代初，人们开始研究光催化治理环境，但以应用人工光源中的紫外光为主，效果虽显著，耗能却很大，费用较高。因此，国内外研究者提出将太阳能与保护环境结合，开发太阳光催化降解治理环境污染技术。美国率先进行了实验，他们将被三氯乙烯严重污染的地下水泵出地面，加入TiO2粉未催化剂，利用槽式抛物面聚光镜会聚阳光，令污水流过设置在焦线上的玻璃管，进行光催化反应，结果使水中三氯乙烯浓度从180ppb降到0． 6ppb以下，而美国饮用水的标准为6pp匕这是世界上太阳光催化成功治理污染水的典型例子。目前，正在开展的太阳光催化降解治理环境的项目很多，主要有：空气中有害物质的光催化去除，废水中有机污染物和金属污染物降解，饮用水的深度处理等。 我国对太阳光催化治理环境也开展了实验研究工作，取得一些成果。 （4）能源植物 为了开辟太阳能利用新途径，1973年美国诺贝尔奖金获得者卡尔文博士，提出种植能源作物设想。他将通过光合作用产生碳氢化合物的植物统称为能源植物。目前全世界已知的能源植物有数千种，它们可以作为石油一样的能源资源进行开发利用。他在美国加州试种了美国香槐（一年生植物），其分泌的汁液与柴油相似，可以提炼成优质燃料。古巴香胶树，高达30余米，在树上钻一个直径约12mm的小孔直至树心，插一根管子即会流出黄色油状液体，一昼夜可收集2025升油，将其放入油箱即可发动柴油发动机。金鼠草是一种草本植物，0．4公顷土地种植的金鼠草，收获后可提炼0．8吨燃料油。 甜高粱是当前世界各国比较关注的一种能源作物，我国也进行了种植，每亩沈农甜杂2号甜高粱，收获后可提取267；4升酒精，而酒精是一种十分优良的代用燃料。 70年代以来，人们对能源植物进行了广泛的选取和研究，希望能找到光合作用效率高、利用转化简便的植物品种，为此人们仍在继续努力。 太阳能利用领域极其广阔，除以上介绍的一些项目外，诸如太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能热泵等还很多，同时新的利用技术还在不断涌现，限于篇幅，本文不能一一予以介绍，请读者谅解。4展望 20世纪太阳能科技发展和太阳能利用实践，为21世纪大规模利用太阳能奠定了坚实基础。近来，世界上一些著名分析预测研究机构、跨国公司、太阳能专家和一些国家政府纷纷预测，认为21世纪中叶即2050年前后，太阳能（含风能、生物质能）在世界能源构成中将占50％的份额，那时太阳能将成为世界可持续发展的基础能源。对于这一预测，有人支持，也有人怀疑，意见不完全一致。为了科学地看待这一问题，我们可以从世界矿物能源生产和消费、全球环境保护以及太阳能科技进步三个方面进行一些分析，以便得出比较客观的结论。 世界能源消费量增长一倍，在本世纪初大约需要50年，到本世纪中期缩短到30年，进入80年代大约只要15年。全球矿物能源的消费量越来越大，而全球矿物能源贮量却十分有限。全球石油贮量约1300亿吨，目前全球石油的年消耗量约35亿吨，而亚洲石油的消耗量在激增之中。如果这种趋势不变，则在今后25年中将平均年消耗50亿吨石油，足以把全部贮量耗尽。即使在此期间有新油田发现，专家估计全球石油贮量也不会超过2000亿吨，全球石油资源在三、五十年内将枯竭。今后用什么来代替石油？70年代“石油危机”以后，曾把主要希望寄托在煤的气化和液化，30年快过去了，而这方面的收效甚微，复杂的技术和巨大的投资，制约了气化煤和液化煤的广泛使用。 社会进步和经济发展，需要能源的支撑。但是，用增加煤炭消耗来弥补石油不足，是一条以环境为代价的能源发展道路，是完全行不通的。据测定，直接燃烧：吨煤，产生粉尘3-11kg，二氧化硫60kg，二氧化氮3-9kg，还有大量二氧化碳。我国1995年排放的烟尘为1744万吨，二氧化硫为2370万吨，其中燃煤排放的分别占70％和85％。目前，我国每年燃煤排放的碳已达10亿吨。煤炭的大量开发利用是造成全球环境恶化的主要原因。根据1992年联合国召开的世界环境与发展大会的要求，煤炭的消费不仅不能增加，而应予以限制并逐步减少。 另外，我们可以通过对太阳能利用中最重要的光伏发电进行一些分析，以评估太阳能在下一世纪的发展前景。 以70年代不变价计算，近30年间，太阳电池的价格下降了数十倍。专家预测，通过扩大生产规模和技术进步，2030年以后，光伏发电对常规发电开始具有竞争力。2050年，太阳电池的价格将比现在下降1Q倍，即每瓦4．5元左右，每千瓦时的电价约0；2元左右。从现在起经过50年的发展，那时光伏发电量将占全球总发电量的一半。 以上分析表明，21世纪全球能源结构必将发生根本性变化。当今占主导地位的石油将逐渐减少直至枯竭，完成其历史使命；煤炭的利用将受到限制，但考虑发展中国家发展经济的需要，在2030年前可能还会有所增长，此后将逐渐下降；核能利用，因核安全和核废料处理技术尚未完全解决，若无技术上突破，在今后50年内发达国家会逐渐关闭核电站，发展中国家还会新建一些核电站，二者相抵，总数上不会有什么增加，相反还会有所减少；太阳能和其它可再生能源将替代石油和煤炭，逐渐成为世界能源的主角。 对2050年各种一次能源在世界能源构成中所占的比例进行预测，可以得出如下结果：石油0（或甚微），天然气13％，煤20％，核能10％，水电5％，太阳能（含风能、生物质能）50％，其它2％。 21世纪是人类大规模利用太阳能的世纪，这是不以任何人的意志为转移的历史发展必然结果。
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