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20世紀(jì)太陽(yáng)能科技發(fā)展的回顧與展望
作者: 李錦堂(北京市太陽(yáng)能研究所，北京100033)【摘要】 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)生第二次世界大戰(zhàn)（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(guān)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(guān)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(mǎn)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(xiàn)，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(xiàn)。 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(xiàn)正在加緊進(jìn)行建設(shè)，產(chǎn)品即將投放市場(chǎng)。 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(lèi)，每一類(lèi)中按照聚光器的不同又可分為若干種。為了滿(mǎn)足太陽(yáng)能利用的要求， 簡(jiǎn)化跟蹤機(jī)構(gòu)，提高可靠性，降低成本，在本世紀(jì)研制開(kāi)發(fā)的聚光集熱器品種很多，但推廣應(yīng)用的數(shù)量遠(yuǎn)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(diǎn)聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器 （線(xiàn)聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進(jìn)行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進(jìn)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(lái)進(jìn)行了許多改進(jìn)，如提高反射面加工精度，研制高反射材料，開(kāi)發(fā)高可靠性 跟蹤機(jī)構(gòu)等，現(xiàn)在這兩種拋物面鏡聚光集熱器完全能滿(mǎn)足各種中、高溫太陽(yáng)能利用的要求，但由于造價(jià)高，限 制了它們的廣泛應(yīng)用。 70年代，國(guó)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(yáng)，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(shí)可以固定安裝，不作調(diào)整。當(dāng)時(shí)，不少人對(duì)CPC評(píng)價(jià)很高，甚至認(rèn)為是太陽(yáng)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(guò)去了，CPC仍只是在少數(shù)示范工程中得到應(yīng)用，并沒(méi)有象平板集 熱器和真空管集熱器那樣大量使用。我國(guó)不少單位在七八十年代曾對(duì)CPC進(jìn)行過(guò)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(yáng)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(jì)算機(jī)控制下這些反射鏡將陽(yáng)光都反射至同一吸收器上，吸收器可以達(dá)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(guó)巴黎用二塊透鏡聚集陽(yáng)光進(jìn)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(yáng)能高溫爐。顯然，玻璃透鏡比較重，制造工藝復(fù)雜，造 價(jià)高，很難做得很大。所以，折射式聚光器長(zhǎng)期沒(méi)有什么發(fā)展。70年代，國(guó)際上有人研制大型菲涅耳透鏡，試 圖用于制作太陽(yáng)能聚光集熱器。菲涅耳透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價(jià)格比較低，也有點(diǎn)聚焦和線(xiàn)聚焦之 分，一般由有機(jī)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(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)。 我國(guó)從70年代直至90年代，對(duì)用于太陽(yáng)能裝置的菲涅耳透鏡開(kāi)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(diǎn)聚焦菲涅耳透鏡，結(jié)果都不大 理想。近來(lái)，有人采用模壓方法加工線(xiàn)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(jì)的新型太陽(yáng)能聚光器，雖然尚未獲得實(shí)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(yáng)光通過(guò)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(shí)際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機(jī)玻璃），可吸收太陽(yáng)光中與 熒光吸收帶波長(zhǎng)一致的部分，然后以比吸收帶波長(zhǎng)更長(zhǎng)的發(fā)射帶波長(zhǎng)放出熒光。放出的熒光由于板和周?chē)? 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(dá)到10一100，這種平板對(duì)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(yáng)。 2．2太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換 太陽(yáng)能是一種輻射能，具有即時(shí)性，必須即時(shí)轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和貯存。將太陽(yáng)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(guò)吸收面可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，利用光伏效應(yīng)太陽(yáng)電池 可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)光合作用植物可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)能，等等。原則上，太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率便越低。 2．2．1 太陽(yáng)能-熱能轉(zhuǎn)換 黑色吸收面吸收太陽(yáng)輻射，可以將太陽(yáng)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(yáng)能吸收面。 選擇性吸收面具有高的太陽(yáng)吸收比和低的發(fā)射比，吸收太陽(yáng)輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理 想的太陽(yáng)能吸收面。這種吸收面由選擇性吸收材料制成，簡(jiǎn)稱(chēng)為選擇性涂層。它是在本世紀(jì)40年代提出的， 1955年達(dá)到實(shí)用要求，70年代以后研制成許多新型選擇性涂層并進(jìn)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(guó)自70年代開(kāi)始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽(yáng)集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。 2．2．2太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽(yáng)能的重 要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國(guó)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(diǎn)介紹 光電直接轉(zhuǎn)換器件--太陽(yáng)電池。 世界上，1941年出現(xiàn)有關(guān)硅太陽(yáng)電池報(bào)道，1954年研制成效率達(dá)6％的單晶硅太陽(yáng)電池，1958年太陽(yáng)電 池應(yīng)用于衛(wèi)星供電。在70年代以前，由于太陽(yáng)電池效率低，售價(jià)昂貴，主要應(yīng)用在空間。70年代以后，對(duì)太陽(yáng) 電池材料、結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了廣泛研究，在提高效率和降低成本方面取得較大進(jìn)展，地面應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大， 但從大規(guī)模利用太陽(yáng)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(yáng)電他的實(shí)驗(yàn)室效率最高水平為：?jiǎn)尉Ч桦姵?4％（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(jī)納米電池10．96％。 我國(guó)于1958年開(kāi)始太陽(yáng)電他的研究，40多年來(lái)取得不少成果。目前，我國(guó)太陽(yáng)電他的實(shí)驗(yàn)室效率最高 水平為：?jiǎn)尉Ч桦姵?0．4％（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(jī)電池10％（1cm×1cm）。 2．2．3太陽(yáng)能一氫能轉(zhuǎn)換 氫能是一·種高品位能源。太陽(yáng)能可以通過(guò)分解水或其它途徑轉(zhuǎn)換成氫能，即太陽(yáng)能制氫，其主要方法如 下： （1）太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電的成本大幅度下降后，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫。 （2）太陽(yáng)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(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫 為了降低太陽(yáng)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(dá)到的溫度，其分 解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要問(wèn)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(bǔ)充，這將影響氫的價(jià)格，并造成環(huán)境污染。 （4）太陽(yáng)能光化學(xué)分解水制氫 這一制氫過(guò)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(duì)陽(yáng)光中長(zhǎng) 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(duì)光的敏感性，設(shè)計(jì)了一套包括光化學(xué)、熱電反應(yīng)的綜 合制氫流程，每小時(shí)可產(chǎn)氫97升，效率達(dá)10％左右。 （5）太陽(yáng)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(yáng)極，而以鉑黑作陰極，制成太陽(yáng)能光電化 學(xué)電池，在太陽(yáng)光照射下，陰極產(chǎn)生氫氣，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，兩電極用導(dǎo)線(xiàn)連接便有電流通過(guò)，即光電化學(xué)電池 在太陽(yáng)光的照射下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起世界各國(guó)科學(xué)家高度重視， 認(rèn)為是太陽(yáng)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(yáng)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(dá)到實(shí)用要求。 （6）太陽(yáng)光絡(luò)合催化分解水制氫 從1972年以來(lái)，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(guò)程進(jìn)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(guò)一系列偶聯(lián)過(guò)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(jìn)行。 （7）生物光合作用制氫 40多年前發(fā)現(xiàn)綠藻在無(wú)氧條件下，經(jīng)太陽(yáng)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(lèi)在 無(wú)氧環(huán)境中適應(yīng)一段時(shí)間，在一定條件下都有光合放氫作用。 目前，由于對(duì)光合作用和藻類(lèi)放氫機(jī)理了解還不夠，藻類(lèi)放氫的效率很低，要實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫還有相當(dāng) 大的距離。據(jù)估計(jì)，如藻類(lèi)光合作用產(chǎn)氫效率提高到10％，則每天每平方米藻類(lèi)可產(chǎn)氫9克分子，用5萬(wàn)平 方公里接受的太陽(yáng)能，通過(guò)光合放氫工程即可滿(mǎn)足美國(guó)的全部燃料需要。 2．2．4太陽(yáng)能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換 通過(guò)植物的光合作用，太陽(yáng)能把二氧化碳和水合成有機(jī)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(yáng)能的過(guò)程，現(xiàn)代人類(lèi)所用燃料是遠(yuǎn)古和當(dāng)今光合作用固定的太陽(yáng)能，目前，光合作用機(jī)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(duì)其機(jī)理的研究具有重大的理論意義和實(shí)際意義。 2．2．5太陽(yáng)能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換 20世紀(jì)初，俄國(guó)物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)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(yáng)帆，在陽(yáng)光的壓力作用下可推動(dòng)宇宙飛船前進(jìn)，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。科學(xué)家估計(jì)，在未來(lái) 10～20年內(nèi)，太陽(yáng)帆設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)。 通常，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要通過(guò)中間過(guò)程進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。 2．3太陽(yáng)能貯有 地面上接受到的太陽(yáng)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(yáng)能貯存十分必 要，尤其對(duì)于大規(guī)模利用太陽(yáng)能更為必要。 太陽(yáng)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(zhǎng)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)地貯存太陽(yáng)能，在技術(shù) 上比較困難。本世紀(jì)初建造的太陽(yáng)能裝置幾乎都不考慮太陽(yáng)能貯存問(wèn)題，目前太陽(yáng)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(qiáng)。 2.3.1 太陽(yáng)能貯熱 （1）顯熱貯存 利用材料的顯熱貯能是最簡(jiǎn)單的貯能方法。在實(shí)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(jìn)行跨季節(jié)貯存太陽(yáng)能的報(bào)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(shí)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(yáng)能低溫貯存中常用含結(jié)晶水的鹽類(lèi)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(guò)冷和分層問(wèn)題，以保證工作溫度和使用壽命。 太陽(yáng)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(jī)流體、共晶鹽等。 太陽(yáng)能高溫貯存溫度一般在500℃以上，目前正在試驗(yàn)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(shí)才發(fā)生放熱反應(yīng)，貯存 時(shí)間長(zhǎng)。 真正能用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)必須滿(mǎn)足以下條件：反應(yīng)可逆性好，無(wú)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(wú)毒、無(wú)腐蝕、無(wú)可燃性；反應(yīng)熱大，反應(yīng)物價(jià)格低等，目前已篩選出一些化學(xué) 吸熱 反應(yīng)能基本滿(mǎn)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(shí)則通過(guò)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(yáng)能在這一溫度下實(shí)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(duì)化學(xué)反應(yīng)貯存熱能尚需進(jìn)行深入研究，一時(shí)難以實(shí)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(guó)在市場(chǎng)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(guò) 塑晶分子構(gòu)型發(fā)生固-固相變貯熱。塑晶在恒溫44℃時(shí)，白天吸收太陽(yáng)能而貯存熱能，晚上則放出白天貯存 的熱能。 美國(guó)對(duì)NPG的貯熱性能和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究，將塑晶熔化到玻璃和有機(jī)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(guó)對(duì)塑晶也開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)研究，但尚未實(shí)際應(yīng)用。 （5）太陽(yáng)池貯熱 ，太陽(yáng)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(yáng)能。由于它簡(jiǎn)單、造價(jià)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(guó)家對(duì)太陽(yáng)池開(kāi)展了研究，以色列還建成三座太陽(yáng)池發(fā)電站。 70年代以后，我國(guó)對(duì)太陽(yáng)池也開(kāi)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(kāi)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(shí)現(xiàn)充電和放電。鉛 酸蓄電池價(jià)格較低，但使用壽命短，重量大，需要經(jīng)常維護(hù)。近來(lái)開(kāi)發(fā)成功少維護(hù)、免維護(hù)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(hù)方便，壽命長(zhǎng)，重量輕，但價(jià)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(mǎn)足大容量、長(zhǎng)時(shí)間貯存電能的要求。新近開(kāi)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(gè)超導(dǎo)無(wú)電阻的線(xiàn)圈內(nèi)貯存無(wú)限長(zhǎng)的 時(shí)間。這種超導(dǎo)貯能不經(jīng)過(guò)任何其它能量轉(zhuǎn)換直接貯存電能，效率高，起動(dòng)迅速，可以安裝在任何地點(diǎn)，尤其 是消費(fèi)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(kāi)發(fā)。 2．3．3氫能貯存 氫可以大量、長(zhǎng)時(shí)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(shí)，可以采用常壓濕式氣柜、高壓容器貯存；大量貯存時(shí)，可以貯存在地下貯倉(cāng)、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(jìn)行氫的純化和壓 縮，正氫-仲氫轉(zhuǎn)化，最后進(jìn)行液化。液氫生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，成本高，目前主要用作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(mǎn)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(guó)對(duì)金屬氫化物貯氫技術(shù)進(jìn)行了多年研究，取得一些成果，目前研究開(kāi)發(fā)工作正在深入。 2．3．4機(jī)械能貯存 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，推動(dòng)電動(dòng)水泵將低位水抽至高位，便能以位能的形式貯存太陽(yáng)能；太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱 能，推動(dòng)熱機(jī)壓縮空氣，也能貯存太陽(yáng)能。但在機(jī)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(méi)有突破性進(jìn)展。近年來(lái)，由于高強(qiáng)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(dòng)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(jìn)展，使飛輪電機(jī)與系統(tǒng)的能量交 換更加靈活。所以，近來(lái)飛輪技術(shù)已成為國(guó)際上研究熱點(diǎn)，美國(guó)有20多個(gè)單位從事這項(xiàng)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(guó)已研制成貯能0． 3kwh的小型實(shí)驗(yàn)飛輪。 在太陽(yáng)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(yáng)能傳輸 太陽(yáng)能不象煤和石油一樣用交通工具進(jìn)行運(yùn)輸，而是應(yīng)用光學(xué)原理，通過(guò)光的反射和折射進(jìn)行直接傳 輸，或者將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量進(jìn)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(guò)反射鏡及其它光學(xué)元件組合，改變陽(yáng)光的傳播方向， 達(dá)到用能地點(diǎn)；通過(guò)光導(dǎo)纖維，可以將入射在其一端的陽(yáng)光傳輸?shù)搅硪欢�，傳輸時(shí)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(guò)反射可以將陽(yáng)光導(dǎo)入室內(nèi)。 間接傳輸適用于各種不同距離。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱管可將太陽(yáng)能傳輸?shù)绞覂?nèi)；將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換 為氫能或其它載能化學(xué)材料，通過(guò)車(chē)輛或管道等可輸送到用能地點(diǎn)；空間電站將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)微 波或激光將電能傳輸?shù)降孛妗? 太陽(yáng)能傳輸包含許多復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行研究，這樣才能更好地利用太陽(yáng)能。 3太陽(yáng)能利用 在過(guò)去的100年間，人們對(duì)各種太陽(yáng)能利用方式進(jìn)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(guó)加大了對(duì)太陽(yáng)能研究開(kāi)發(fā)的投入，太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能光伏發(fā)電 等利用項(xiàng)目發(fā)展速度加快，規(guī)模逐漸擴(kuò)大。但從總體而言，目前太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電 太陽(yáng)能熱發(fā)電是太陽(yáng)能利用中的重要項(xiàng)目，只要將太陽(yáng)能聚集起來(lái)，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)即能發(fā) 電。 1950年，原蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座太陽(yáng)能塔式電站，建造了一個(gè)小型試驗(yàn)裝置。 70年代，太陽(yáng)電池價(jià) 格昂貴，效率較低，相對(duì)
而言，太陽(yáng)熱發(fā)電效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當(dāng)時(shí)許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都將太陽(yáng)熱 發(fā)電作為重點(diǎn)，投資興建了一批試驗(yàn)性太陽(yáng)能熱發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1981～1991年，全世界建造的太 陽(yáng)能熱發(fā)電站（500kw以上）約有20余座，發(fā)電功率最大達(dá)80MW0 按太陽(yáng)能采集方式劃分，太陽(yáng)能熱發(fā)電站主要有塔式、槽式和盤(pán)式三類(lèi)。這些電站基本上都是試驗(yàn)性的。 例如，日本按照陽(yáng)光計(jì)劃建造的一座IMW塔式電站，一座IMW槽式電站，完成了試驗(yàn)工作后即停止運(yùn)行。 美國(guó)10MW太陽(yáng)1號(hào)塔式電站，進(jìn)行一段時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行后及時(shí)進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，很快將它改建為太陽(yáng)：號(hào)電 站，并于1996年1月投入運(yùn)行。 80年代中期，人們對(duì)建成的太陽(yáng)能熱發(fā)電站進(jìn)行技術(shù)總結(jié)后認(rèn)為，雖然太陽(yáng)能熱發(fā)電在技術(shù)上可行，但 投資過(guò)大（美國(guó)太陽(yáng)：號(hào)電站投資為1． 42億美元），且降低造價(jià)十分困難，所以各國(guó)都改變了原來(lái)的計(jì)劃，使 太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設(shè)逐漸冷落下來(lái)。例如，美國(guó)原計(jì)劃在1983～1995年建成5～10萬(wàn)kW和10～30萬(wàn) kw太陽(yáng)能熱電站，結(jié)果沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。 正當(dāng)人們懷疑太陽(yáng)能熱發(fā)電的時(shí)候，美國(guó)和以色列聯(lián)合組成的路茲太陽(yáng)能熱發(fā)電國(guó)際有限公司，自 1980年開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)研究，主要開(kāi)發(fā)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，5年后奇跡般地進(jìn)入商品化階段。 該公司從1985年至1991年在美國(guó)加州沙漠建成9座槽式太陽(yáng)能熱電站，總裝機(jī)容量353． 8MW。電站的投 資由：號(hào)電站的5976美元／kW，降到8號(hào)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(mǎn)懷信心，計(jì)劃到2000年，在加州建成裝機(jī)容量達(dá)800Mw槽式太陽(yáng)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(jì)劃中斷。 路茲熱電站的成功實(shí)踐表明，不能簡(jiǎn)單地否定太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，而應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，不斷完善，使 其早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。為此，以色列、德國(guó)和美國(guó)幾家公司進(jìn)行合作，繼續(xù)推動(dòng)太陽(yáng)能熱發(fā)電的發(fā)展，他們計(jì)劃 在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州建造兩座80MW槽式太陽(yáng)能熱電站，兩座100MW太陽(yáng)能與燃?xì)廨啓C(jī)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(yáng)能熱發(fā)電站各一座。 盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)功率較小，一般為5～50kW，可以單獨(dú)分散發(fā)電，也可以組成較大的發(fā)電系統(tǒng)。 美國(guó)、澳大利亞等國(guó)都有一些應(yīng)用，但規(guī)模不大。 研究表明，盤(pán)式太陽(yáng)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(dòng)阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運(yùn) 行費(fèi)用便宜等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)從1988年開(kāi)始進(jìn)行可行性研究，計(jì)劃在近期進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。 在太陽(yáng)能低溫發(fā)電計(jì)劃中，以色列在死海沿岸先后建造了三座太陽(yáng)池發(fā)電站，第一座功率為150kW，于 1979年投入運(yùn)行。以色列曾計(jì)劃圍繞死海建造一系列太陽(yáng)池電站，以提供以色列全國(guó)三分之一用電需要。美 國(guó)也曾計(jì)劃將加州南部薩爾頓海的一部分變?yōu)樘?yáng)池，建造80～600萬(wàn)kW太陽(yáng)池電站。后來(lái)，以色列和美 國(guó)太陽(yáng)池發(fā)電計(jì)劃均作了改變。 除了以上幾種太陽(yáng)能熱發(fā)電方式外，1983年在西班牙建成一座太陽(yáng)能抽風(fēng)式熱電站；以色列、美國(guó)等計(jì) 劃建造太陽(yáng)能磁流體熱發(fā)電試驗(yàn)裝置；還開(kāi)展了太陽(yáng)能海水溫差發(fā)電研究。適用于小功率的太陽(yáng)能熱發(fā)電技 術(shù)還有太陽(yáng)能熱離子發(fā)電和溫差發(fā)電，它們?cè)谔厥鈭?chǎng)合得到了一些應(yīng)用。 我國(guó)在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域受經(jīng)費(fèi)和技術(shù)條件的限制，開(kāi)展的工作比較少。在“六五”期間建立了一套功率 為lkW的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電模擬裝置和一套功率為lkW的平板式太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電模擬裝置。此外，我國(guó) 還與美國(guó)合作設(shè)計(jì)并試制成功率為5kW的盤(pán)式太陽(yáng)能發(fā)電裝置樣機(jī)。 3．2太陽(yáng)能光伏發(fā)電 自從實(shí)用性的硅太陽(yáng)電池問(wèn)世以來(lái)，世界上很快就開(kāi)始太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用。發(fā)展初期，因太陽(yáng)電池 價(jià)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(yáng)電池技術(shù)提高，價(jià)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(kuò)大。據(jù)報(bào)道，1998年，全世界太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)量達(dá)到157． 8MW，是1992年58。 2MW 的近3倍。近幾年國(guó)際上光伏發(fā)電加速發(fā)展，美國(guó)計(jì)劃到2010年安裝1000～3000MW太陽(yáng)能電池，而日本 計(jì)劃到2010年安裝7600MW太陽(yáng)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(dú)立發(fā)電或并網(wǎng)發(fā)電，無(wú)噪聲、無(wú)污染，建設(shè)周 期短，不用架設(shè)輸電線(xiàn)路，安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，可以無(wú)人值守……，具有其它發(fā)電方式無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它是 大規(guī)模利用太陽(yáng)能的重要技術(shù)基礎(chǔ)。 從1958年美國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星上首次使用太陽(yáng)電池開(kāi)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(yáng)電池，大部分為硅單晶電池，近來(lái)開(kāi)始采用砷化錠和磷化鋼電池。太陽(yáng)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(yáng)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(diǎn)是薄膜太陽(yáng)電池。 在衛(wèi)星上成功地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電后，人們自然會(huì)提出建造空間電站的設(shè)想，利用空間太陽(yáng)輻射強(qiáng)、不受晝 夜、氣候、季節(jié)影響的有利條件，在空間將太陽(yáng)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(guó)提 出建造一座500萬(wàn)kW空間電站的計(jì)劃，但經(jīng)過(guò)深入的分析論證，到1981年得出結(jié)論，認(rèn)為近期內(nèi)研制空間 電站為時(shí)過(guò)早，經(jīng)濟(jì)上得不償失，以致后來(lái)改變了計(jì)劃。 光伏發(fā)電用于地面之后，因價(jià)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(hù)等。隨著價(jià)格的下降，光伏發(fā)電逐漸擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，目前主要用于以下四個(gè)方面： 消費(fèi)性產(chǎn)品，如非晶硅太陽(yáng)電池供電的計(jì)算器，太陽(yáng)能鐘表，太陽(yáng)能照明燈具，太陽(yáng)能收音機(jī)、電視機(jī)等， 這類(lèi)產(chǎn)品約占世界光伏產(chǎn)品銷(xiāo)售量的14％； 遠(yuǎn)離電網(wǎng)居民供電系統(tǒng)，包括家庭分散供電和獨(dú)立光伏電站集中供電，其占世界光伏產(chǎn)品銷(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)售量的18％。 隨著光伏發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)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(dá)國(guó)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(jì)劃建設(shè)10MW并網(wǎng)光伏電站。此外，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)計(jì)劃建設(shè) 的“太陽(yáng)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(guó)家也得到了一些應(yīng)用，但應(yīng)用重點(diǎn)是小型系統(tǒng)，主要解決無(wú)電或嚴(yán)重缺電地區(qū)家庭 用電的需要。 我國(guó)在1971年發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上首次應(yīng)用太陽(yáng)電池，1973年光伏發(fā)電開(kāi)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(hào)燈、黑光燈、電圍欄、小型通信機(jī)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(lái)，光伏發(fā)電逐漸擴(kuò)展到通信、交通、石油、氣象、國(guó)防、農(nóng)村電氣化等許多方面，太陽(yáng)電池使用 量每年以高于20％的速率增長(zhǎng)，到1998年底，我國(guó)太陽(yáng)電池累計(jì)用量達(dá)13． 2MW。以地區(qū)而言，當(dāng)前我國(guó)光 伏發(fā)電的重點(diǎn)在青海、西藏、新疆、內(nèi)蒙、甘肅等無(wú)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(wàn)臺(tái)，總功率達(dá)2．9Mw。 3．3太閑能水泵 在天氣炎熱干旱太陽(yáng)輻射強(qiáng)的時(shí)候，正是太陽(yáng)能水泵大顯身手之際。因此，在近代開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能早期， 人們就十分重視太陽(yáng)能水泵的研制。1615年，世界上第一臺(tái)太陽(yáng)能動(dòng)力機(jī)就是一部抽水機(jī)；1901年在美國(guó)加 州建成一臺(tái)每分鐘抽水5300升的太陽(yáng)能水泵。以后，在世界各地又陸續(xù)建成一批太陽(yáng)能水泵，這些水泵都是 熱動(dòng)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(yáng)能熱動(dòng)力水泵之勢(shì)。 太陽(yáng)能熱動(dòng)力泵按工作溫度劃分有低溫、中溫和高溫三類(lèi)。到1981年，全世界已安裝太陽(yáng)能熱動(dòng)力水泵 100多臺(tái)，這些水泵主要分布在第三世界國(guó)家。 80年代，非洲曾計(jì)劃建造5000臺(tái)太陽(yáng)能熱動(dòng)力水泵，印度計(jì) 劃在1985年前興建2000座太陽(yáng)能熱動(dòng)力水泵。美國(guó)也計(jì)劃建造1000個(gè)太陽(yáng)能熱動(dòng)力灌溉系統(tǒng)。法國(guó)有幾 家公司生產(chǎn)太陽(yáng)能熱動(dòng)力水泵，能提供6～83kw水泵系列產(chǎn)品，但太陽(yáng)能熱動(dòng)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(guó)開(kāi)發(fā)署、世界銀行等國(guó)際組織經(jīng)過(guò)論證，確認(rèn)光伏水泵的先進(jìn)性、合理性和良好發(fā) 展前景，從而大大推動(dòng)了光伏水泵的應(yīng)用。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(xiāo)售了數(shù)干臺(tái)光伏水泵。目前，全世界已有數(shù)萬(wàn)臺(tái)光伏水泵在各地運(yùn)行。印度計(jì)劃在現(xiàn)有4000 臺(tái)光伏水泵的基礎(chǔ)上，政府給予補(bǔ)貼，再推廣安裝50000臺(tái)光伏水泵。 我國(guó)在80年代開(kāi)展了太陽(yáng)能熱動(dòng)力水泵的研究，試制成平板集熱器型低溫太陽(yáng)能熱動(dòng)力水泵，采用隔 膜泵抽水，晴好天氣，每天可抽水3～7噸，揚(yáng)程達(dá)18米。同時(shí)，也開(kāi)展了中溫太陽(yáng)能水泵的研制。在北京還 建成由德國(guó)提供的風(fēng)能。太陽(yáng)能熱動(dòng)力混合式水泵一臺(tái)，功率為3kW。在90年代，我國(guó)開(kāi)展了光伏水泵的研 究，先后試制成百瓦級(jí)和干瓦級(jí)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(jí)光伏水泵。目前， 我國(guó)研制的2． 5kW光伏水泵正在新疆運(yùn)行。 3．4太陽(yáng)能熱水 世界上第一臺(tái)太陽(yáng)熱水器在100多年前誕生于美國(guó)，它是一種悶曬式熱水器。 70年代未，全世界約有 300萬(wàn)臺(tái)太陽(yáng)熱水器。 80年代中期以后，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家太陽(yáng)熱水器年銷(xiāo)售量徘徊在數(shù)十萬(wàn)m2，其中美國(guó)約 15萬(wàn)m2，歐共體7。5萬(wàn)m2艿?⒄共黃膠猓?殼耙隕?刑?羧人?韉鈉占奧室汛?0％。 我國(guó)第一臺(tái)太陽(yáng)熱水器出現(xiàn)在1958年。 70年代興起開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮，各地研制成多種熱水器樣機(jī) 并有小規(guī)模應(yīng)用，1979年我國(guó)太陽(yáng)熱水器的產(chǎn)量?jī)H之萬(wàn)m2。 1987年，我國(guó)從加拿大引進(jìn)銅鋁復(fù)合太陽(yáng)條帶 生產(chǎn)線(xiàn)；90年代，我國(guó)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(guó)太陽(yáng)熱水器推廣應(yīng)用 上了一個(gè)新臺(tái)階。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1992年我國(guó)太陽(yáng)能熱水器銷(xiāo)售量超過(guò)50萬(wàn)m2；1997年達(dá)350萬(wàn)m2，其中 悶曬式熱水器約90萬(wàn)m2，平板熱水器約160萬(wàn)m2，真空管熱水器100萬(wàn)m2。近來(lái)，真空管熱水器銷(xiāo)量增長(zhǎng) 更快，平板熱水器的銷(xiāo)量有下降趨勢(shì)。目前，我國(guó)太陽(yáng)熱水器產(chǎn)銷(xiāo)量均居世界首位。 為了進(jìn)一步擴(kuò)大太陽(yáng)熱水器的應(yīng)用，應(yīng)在以下方面進(jìn)行努力：將太陽(yáng)熱水器與建筑有機(jī)結(jié)合，完善太陽(yáng) 熱水器功能，提高大陽(yáng)熱水器的可靠性和耐久性，擴(kuò)大太陽(yáng)熱水器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。 3．5太陽(yáng)能建筑 早在本世紀(jì)30年代，美國(guó)就開(kāi)始太陽(yáng)房的試驗(yàn)研究，先后建成一批實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)房。 70年代，一些工業(yè)發(fā)達(dá) 國(guó)家都將太陽(yáng)房列入發(fā)展研究計(jì)劃，到80年代世界上建成的太陽(yáng)房超過(guò)萬(wàn)座。90年代后期，世界上又興起 一股“太陽(yáng)屋頂”熱，一些國(guó)家相繼提出“1萬(wàn)屋頂”、“10萬(wàn)屋頂”和“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃，將太陽(yáng)能建筑的發(fā)展推 向一個(gè)新階段。、 太陽(yáng)能建筑基本上有三種形式： （1）被動(dòng)式，這是一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、不需要任何輔助能源的建筑，通 過(guò)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(lái)獲得太陽(yáng)能。 70年代以來(lái)，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間 內(nèi)它成為太陽(yáng)能建筑發(fā)展的主流。（2）主動(dòng)式，這是一種構(gòu)造較復(fù)雜，造價(jià)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(yáng)集熱器、風(fēng)機(jī)、泵、散熱器及貯熱器等組成。 （3）“零能建筑”，這種建筑由“太陽(yáng)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(yáng)電池，且與電網(wǎng)井網(wǎng)。當(dāng)晴好天氣陽(yáng)光充足 時(shí)，太陽(yáng)電池可滿(mǎn)足一個(gè)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(yáng)光不足時(shí)，則由電網(wǎng)供 電。有的建筑還裝有太陽(yáng)集熱器，為建筑供熱。由于目前太陽(yáng)電池價(jià)格較高，普遍推廣“零能建筑”還有困難。 我國(guó)第一座被動(dòng)式太陽(yáng)房建于1977年，地點(diǎn)在甘肅民勤縣， 1977-1987年間，我國(guó)建成各種被動(dòng)式太 陽(yáng)能采暖房約400棟，建筑面積10萬(wàn)m2。到1996年底，全國(guó)建成不同類(lèi)型被動(dòng)式太陽(yáng)房約1．5萬(wàn)棟，建筑 面積超過(guò)455萬(wàn)m2。 3．6太陽(yáng)灶 世界上第一臺(tái)太陽(yáng)灶的設(shè)計(jì)者是法國(guó)人穆肖，他在1860年奉法皇之命開(kāi)發(fā)拋物鏡太陽(yáng)灶，供在非洲的 法軍使用。本世紀(jì)以來(lái)，不少?lài)?guó)家對(duì)太陽(yáng)灶進(jìn)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(yáng)灶，但 從總體而言，世界上太陽(yáng)灶使用量不大。 我國(guó)第一臺(tái)太陽(yáng)灶于1956年誕生在上海。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，目前全國(guó)太陽(yáng)灶的保有量達(dá)到30余萬(wàn) 臺(tái)，成為世界上推廣應(yīng)用太陽(yáng)灶最多的國(guó)家。 太陽(yáng)灶基本上可分為熱箱式和聚光式兩大類(lèi)：熱箱式太陽(yáng)灶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)間長(zhǎng)，使用上限制較大�，F(xiàn)在絕大多數(shù)使用的是聚光式太陽(yáng)灶， 其炊事功率大，溫度高，炊事時(shí)間短，適用性強(qiáng)。我國(guó)在拋物鏡聚光太陽(yáng)灶設(shè)計(jì)中提出的“偏軸聚光”和“三圓 計(jì)算作圖法”具有獨(dú)創(chuàng)性，豐富了太陽(yáng)灶的設(shè)計(jì)理論，提高了太陽(yáng)灶的使用性能。 3．7太陽(yáng)能干燥 70年代以后，世界上建成一批太陽(yáng)
能干燥裝置。到80年代未、國(guó)外建成面積超過(guò)500m2的太陽(yáng)能干燥 器有7座，其中美國(guó)4座，印度2座，阿根廷1座。1978年投入運(yùn)行的美國(guó)加州太陽(yáng)能葡萄干燥器，是世界上 最大的太陽(yáng)能干燥器，集熱器面積達(dá)1951m2，有396m2巖石貯熱床，每天可干燥6-7噸葡萄。此外，國(guó)外也 有一些小型太陽(yáng)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(gè)香蕉兩天后即可出售。 70年代以后，我國(guó)太陽(yáng)能干燥器迅速發(fā)展，尤其在農(nóng)村，對(duì)許多農(nóng)副產(chǎn)品開(kāi)展了太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)。 1976一1986年間，各地建成60座左右太陽(yáng)能干燥器，總采光面積達(dá)5000m2，但由于缺乏理論指導(dǎo)，這些干 燥器大部分設(shè)計(jì)不夠合理，使用效果較差，有的很快不能使用。經(jīng)過(guò)“六五”科技攻關(guān)，我國(guó)太陽(yáng)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(yáng)能干燥示范裝置，起到了示范推動(dòng)作用。目前全國(guó)建成 的太陽(yáng)能干燥裝置，總采光面積已達(dá)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(diǎn)，太陽(yáng)能干燥器在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面困難較大。 3．8太陽(yáng)能制冷與空調(diào) 1960年，世界上第一套太陽(yáng)能氨一水吸收式空調(diào)系統(tǒng)在美國(guó)建成，制冷能力為5冷噸。 70年代以后，隨著 主動(dòng)式太陽(yáng)房的發(fā)展，太陽(yáng)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(yáng)房，裝有澳化臥 水太陽(yáng)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(yáng)房。1984-1990年 在美國(guó)加州建成帶貯熱裝置和輔助能源的三套太陽(yáng)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(guó)也開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)能制冷和空調(diào)研究，研制成幾臺(tái)小型實(shí)驗(yàn)性制冰機(jī)，其中有氨。水和 澳化鉀-水吸收式制冰機(jī)以及固體吸附式制冰機(jī)。同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，先后建成幾套小型 空調(diào)系統(tǒng)。此外，還開(kāi)展了太陽(yáng)能除濕式降溫和輻射降溫試驗(yàn)。1998年，廣東江門(mén)100kw太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)投 入運(yùn)行，采用500m2集熱器供熱，燃油爐作為輔助熱源，兩級(jí)吸收式澳化鉀制冷機(jī)制冷，達(dá)到了實(shí)用要求。 1999年，山東乳山100kw太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)投入運(yùn)行，采用熱管式真空管集熱器供熱，目前，家用太陽(yáng)能吸附 式空調(diào)樣機(jī)已研制成功，即將投入商業(yè)化生產(chǎn)。 3．9太陽(yáng)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(yáng)能蒸餾器在智利誕生了，利用太陽(yáng)能進(jìn)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(yáng)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(dá)8640m2，日產(chǎn)淡水28． 08噸。 80年代以后，建造大型太陽(yáng)能海水淡化裝置的報(bào)道較少。 70年代，我國(guó)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(yáng)能蒸餾器各一座。 （2）太陽(yáng)爐 將陽(yáng)光高倍聚光，在焦斑處可獲得高溫，最高達(dá)3500℃左右。利用這一高溫能進(jìn)行冶金、耐火材料、高溫 化學(xué)反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境特別潔凈。1921年，德國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)由拋物面聚光器和透鏡組成的太陽(yáng) 爐。 1933年又建造了一座聚光器和定日鏡組成的太陽(yáng)爐。1951年，美國(guó)制成開(kāi)口直徑3m的拋物鏡太陽(yáng)爐。 1952年，法國(guó)在比利牛斯山上建成世界上第一座大型太陽(yáng)爐，功率達(dá)50kW，此后，美國(guó)、日本也相繼建成了 一批功率為60-100kW的大型太陽(yáng)爐。70年代，法國(guó)又在比利牛斯山奧德約設(shè)計(jì)建造了目前世界上最大的 太陽(yáng)爐，輸出功率達(dá)1000kW。估計(jì)全世界建造的太陽(yáng)爐有數(shù)十座，但80年代以后鮮見(jiàn)報(bào)道／ 我國(guó)有兩臺(tái)小型太陽(yáng)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(yàn)。 （3）太陽(yáng)光催化治理環(huán)境 80年代初，人們開(kāi)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(fèi)用較高。因此，國(guó)內(nèi)外研究者提出將太陽(yáng)能與保護(hù)環(huán)境結(jié)合，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)光催化降解治理環(huán)境污染技術(shù)。 美國(guó)率先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(huì)聚陽(yáng)光，令污水流過(guò)設(shè)置在焦線(xiàn)上的玻璃管，進(jìn)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(guó)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)為6pp匕這是世界上太陽(yáng)光催化成功治理污染水的典型例 子。目前，正在開(kāi)展的太陽(yáng)光催化降解治理環(huán)境的項(xiàng)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(jī)污染物和金屬污染物降解，飲用水的深度處理等。 我國(guó)對(duì)太陽(yáng)光催化治理環(huán)境也開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究工作，取得一些成果。 （4）能源植物 為了開(kāi)辟太陽(yáng)能利用新途徑，1973年美國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者卡爾文博士，提出種植能源作物設(shè)想。他將 通過(guò)光合作用產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏闹参锝y(tǒng)稱(chēng)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(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。他在美國(guó)加州試種了美國(guó)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(shù)，高達(dá)30余米，在樹(shù)上鉆一個(gè)直徑約12mm的小孔直至樹(shù)心，插一根管 子即會(huì)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(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。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(guó)比較關(guān)注的一種能源作物，我國(guó)也進(jìn)行了種植，每畝沈農(nóng)甜雜2號(hào)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(lái)，人們對(duì)能源植物進(jìn)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(jiǎn)便的 植物品種，為此人們?nèi)栽诶^續(xù)努力。 太陽(yáng)能利用領(lǐng)域極其廣闊，除以上介紹的一些項(xiàng)目外，諸如太陽(yáng)能汽車(chē)、太陽(yáng)能飛機(jī)、太陽(yáng)能熱泵等還很 多，同時(shí)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(qǐng)讀者諒解。 4展望 20世紀(jì)太陽(yáng)能科技發(fā)展和太陽(yáng)能利用實(shí)踐，為21世紀(jì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近來(lái)，世界 上一些著名分析預(yù)測(cè)研究機(jī)構(gòu)、跨國(guó)
公司、太陽(yáng)能專(zhuān)家和一些國(guó)家政府紛紛預(yù)測(cè)，認(rèn)為21世紀(jì)中葉即2050 年前后，太陽(yáng)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(shí)太陽(yáng)能將成為世界可持續(xù)發(fā)展 的基礎(chǔ)能源。對(duì)于這一預(yù)測(cè)，有人支持，也有人懷疑，意見(jiàn)不完全一致。為了科學(xué)地看待這一問(wèn)題，我們可以 從世界礦物能源生產(chǎn)和消費(fèi)、全球環(huán)境保護(hù)以及太陽(yáng)能科技進(jìn)步三個(gè)方面進(jìn)行一些分析，以便得出比較客觀(guān) 的結(jié)論。 世界能源消費(fèi)量增長(zhǎng)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(jìn)入80年代大約只 要15年。全球礦物能源的消費(fèi)量越來(lái)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(shì)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(zhuān)家估計(jì)全球石油貯量也 不會(huì)超過(guò)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(lái)代替石油？70年代“石油危機(jī)”以 后，曾把主要希望寄托在煤的氣化和液化，30年快過(guò)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(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要能源的支撐。但是，用增加煤炭消耗來(lái)彌補(bǔ)石油不足，是一條以環(huán)境為代價(jià)的 能源發(fā)展道路，是完全行不通的。據(jù)測(cè)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(guó)1995年排放的煙塵為1744萬(wàn)噸，二氧化硫?yàn)?370萬(wàn)噸，其中燃煤排放的分別 占70％和85％。目前，我國(guó)每年燃煤排放的碳已達(dá)10億噸。煤炭的大量開(kāi)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(guó)召開(kāi)的世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)的要求，煤炭的消費(fèi)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(guò)對(duì)太陽(yáng)能利用中最重要的光伏發(fā)電進(jìn)行一些分析，以評(píng)估太陽(yáng)能在下一世紀(jì)的發(fā)展 前景。 以70年代不變價(jià)計(jì)算，近30年間，太陽(yáng)電池的價(jià)格下降了數(shù)十倍。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，通過(guò)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù) 進(jìn)步，2030年以后，光伏發(fā)電對(duì)常規(guī)發(fā)電開(kāi)始具有競(jìng)爭(zhēng)力。2050年，太陽(yáng)電池的價(jià)格將比現(xiàn)在下降1Q倍，即 每瓦4．5元左右，每千瓦時(shí)的電價(jià)約0；2元左右。從現(xiàn)在起經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，那時(shí)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(guó)家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的需要，在2030年前可能還會(huì)有 所增長(zhǎng)，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(wú)技術(shù)上突破，在今后50 年內(nèi)發(fā)達(dá)國(guó)家會(huì)逐漸關(guān)閉核電站，發(fā)展中國(guó)家還會(huì)新建一些核電站，二者相抵，總數(shù)上不會(huì)有什么增加，相反 還會(huì)有所減少；太陽(yáng)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(duì)2050年各種一次能源在世界能源構(gòu)成中所占的比例進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(yáng)能（含風(fēng)能、生物質(zhì)能）50％，其它2％。 21世紀(jì)是人類(lèi)大規(guī)模利用太陽(yáng)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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