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第42章 生生不息的太阳能

第一篇第四十章生生不息的太阳能

 太阳能简介

太阳表面温度高达6 000℃,内部不断进行核聚变反应,并且以辐射方式向宇宙空间发射

出巨大的能量。据估计,每三天太阳向地球辐射的能量,就相当于地球所有矿物燃料能量的

总和。人类利用太阳能有三个途径:光热转换、光电转换和光化转换。

1光热转换

光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来,用收集到的热能为人类服务。

早期最广泛的太阳能应用是将水加热,现今全世界已有数百万个太阳能热水装置。太阳

能热水系统主要包括收集器、储存装置及循环管路三部分。

利用太阳能作冬天采暖之用,在许多寒冷地区已施行多年。因寒带地区冬季气温甚低,

室内必须有暖气设备,要减少化石能源的消耗,可设法利用太阳能。大多数太阳能暖

房使用热水系统,也有使用热空气系统的例子。太阳能暖房系统由太阳能收集器、热存储装

置、辅助能源系统及室内暖房风扇系统组成。太阳辐射热经过收集器内的工作流体储存,然

后向房间供热。

目前,美国已兴建100多万个主动式太阳能采暖系统和超过25万个依靠冷热空气自然流

动的被动式太阳能住宅。

2光电转换

光电转换即将太阳能转换成电能。目前,太阳能用于发电的途径有二:一是热发电,就

是先用聚热器把太阳能变成热能,再通过汽轮机将热能转变为电能;二是光发电,就是利用

太阳能电池的光电效应,将太阳能直接转变为电能。

太阳能电池的主要原理是:通过使用半导体材料,将较薄的N型半导体置于较厚的P型半

导体上,当光子撞击该装置的表面时,P型和N型半导体的接合面有电子扩散产生电流,可利

用上下两端的金属导体将电流引出利用。目前,太阳能电池的成本还较高,要达到足够的功

率,需要相当大的面积放置电池。

1953年,美国贝尔实验室研制出世界上第一个硅太阳能电池,转换效率为05%。1994

年太阳能电池的转换效率已提高到17%。

3光化转换

光化转换即先将太阳能转换成化学能,再转换为电能等其他能量。我们知道,植物靠叶

绿素把光能转化成化学能,实现自身的生长与繁衍,若能揭示光化转换的奥秘,便可实现人

造叶绿素发电。目前,太阳能光化转换正在积极探索、研究中。

 太阳能知识

一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。太阳辐射能穿越大气层,因受到吸收、散射

及反射的作用,故能够直接到达地表的太阳辐射能仅存三分之一,其中70%又是照射在海

洋上,于是辐射到陆地上的仅剩下约1.5×1017千瓦/小时,数值约为美国1978

年所消费量的6 000倍。未被吸收或散射而能够直达地表的太阳辐射能称为“直接”辐

射能;而被散射的辐射能,则称为“漫射”辐射能。地表上各点的总太阳辐射能即为直接和

漫射辐射能二者的总和。

 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。

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。

20世纪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,并没有像平板集热器和真空管集热器那样大量

使用。

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。显然,玻璃

透镜比较重,制造工艺复杂,造价高,很难做得很大。

我国从20世纪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

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10~100。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。

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