太阳能

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”，“[url=http://baike.baidu.com/view/2929770.htm]未来能源[/url]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。近代太阳能利用历史可以从1615年[url=http://baike.baidu.com/view/64741.htm]法国[/url][url=http://baike.baidu.com/view/25007.htm]工程师[/url]所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的[url=http://baike.baidu.com/view/47475.htm]发动机[/url]算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。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。　　[b]第一阶段(1900~1920年)[/b]　　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[url=http://baike.baidu.com/view/2902726.htm]平板集热器[/url]和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出[url=http://baike.baidu.com/view/44147.htm]功率[/url]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[url=http://baike.baidu.com/view/4387.htm]埃及[/url][url=http://baike.baidu.com/view/19490.htm]开罗[/url]以南建成一台由5个抛物槽镜组成的[url=http://baike.baidu.com/view/874857.htm]太阳能水泵[/url]，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。　　[b]第二阶段（1920~1945年）[/b]　　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[url=http://baike.baidu.com/view/5338.htm]第二次世界大战[/url]（1935~1945年）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。　　[b]第三阶段（1945~1965年）[/b]　　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：1945年，[url=http://baike.baidu.com/view/2398.htm]美国[/url][url=http://baike.baidu.com/view/4646.htm]贝尔[/url]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；1955年，[url=http://baike.baidu.com/view/7835.htm]以色列[/url]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。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[url=http://baike.baidu.com/view/55382.htm]比利牛斯山[/url]东部建成一座功率为50kW的[url=http://baike.baidu.com/view/1301783.htm]太阳炉[/url]。1960年，在美国[url=http://baike.baidu.com/view/98953.htm]佛罗里达[/url]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[url=http://baike.baidu.com/view/117205.htm]斯特林发动机[/url]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。[url=http://baike.baidu.com/view/346382.htm]太阳能吸收式空调[/url]的研究取得进展，建成一批实验性[url=http://baike.baidu.com/view/72329.htm]太阳房[/url]。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。

[b]优点：[/b]　　(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论[url=http://baike.baidu.com/view/94074.htm]陆地[/url]或[url=http://baike.baidu.com/view/2860.htm]海洋[/url]，无论[url=http://baike.baidu.com/view/226164.htm]高山[/url]或[url=http://baike.baidu.com/view/94076.htm]岛屿[/url]，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。　　(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。　　(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。　　(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。　　[b]缺点：[/b]　　(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是[url=http://baike.baidu.com/view/1388375.htm]能流密度[/url]很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1／5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。　　(2)不稳定性：由于受到[url=http://baike.baidu.com/view/366637.htm]昼夜[/url]、[url=http://baike.baidu.com/view/349682.htm]季节[/url]、[url=http://baike.baidu.com/view/959526.htm]地理纬度[/url]和[url=http://baike.baidu.com/view/36833.htm]海拔[/url]高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的[url=http://baike.baidu.com/view/442524.htm]替代能源[/url]，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。　　(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。　　[b]太阳能利用中的经济问题：[/b]　　第一，世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。　　第二，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品[url=http://baike.baidu.com/view/3029909.htm]能源消费[/url]结构的76％，已成为我国[url=http://baike.baidu.com/view/42413.htm]大气污染[/url]的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。

就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、[url=http://baike.baidu.com/view/755498.htm]太阳能热水系统[/url]、太阳能暖房、太阳能发电等方式。　　[b][url=http://baike.baidu.com/view/381741.htm]太阳能集热器[/url] [/b]　　太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备[url=http://baike.baidu.com/view/630637.htm]电厂[/url]不能供电之需 。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。另外还有一种真空集热器:一个好的太阳能集热器应该能用20～30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40～50年且很少进行维修。　　[b]太阳能热水系统 [/b]　　早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如[url=http://baike.baidu.com/view/749185.htm]电热[/url]器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：　　1、自然循环式:　　此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。　　2、强制循环式:　　热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处，但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。　　[b]暖房[/b]　　利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量[url=http://baike.baidu.com/view/1031408.htm]化石能源[/url]的消耗，设法应用太阳辐射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，再加热房间，或透过冷暖房的热装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，再把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。　　[b]太阳能发电[/b]　　即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。　　[b]太阳能[url=http://baike.baidu.com/view/1465373.htm]离网发电[/url]系统[/b]　　太阳能离网发电系统包括1、[url=http://baike.baidu.com/view/1765941.htm]太阳能控制器[/url]([url=http://baike.baidu.com/view/2554460.htm]光伏控制器[/url]和[url=http://baike.baidu.com/view/3091665.htm]风光互补控制器[/url])对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。2、[url=http://baike.baidu.com/view/2992256.htm]太阳能蓄电池[/url]组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。3、[url=http://baike.baidu.com/view/1979577.htm]太阳能逆变器[/url]负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏[url=http://baike.baidu.com/view/248785.htm]风力发电[/url]系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。　　太阳能离网发电系统主要产品分类 A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。　　[b]太阳能并网发电系统[/b]　　可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及[url=http://baike.baidu.com/view/1532.htm]燃料电池[/url]等产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。　　因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。　　太阳能并网发电系统主要产品分类 A、[url=http://baike.baidu.com/view/1818799.htm]光伏并网逆变器[/url] B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器 （双馈变流器，全功率变流器）。