1.1  太阳能简介 　　太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。 　　太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。下图是地球上的能流图。从图上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 地球上的能流图（单位106MW） 　　太阳能既是一次能源，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。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。 　　人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

1.2  太阳的构造 　　太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39×106km，质量约为2.2×l027t，为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约80％）和氦（约19％）。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.00729。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。 　　太阳的结构如上图所示。在太阳平均半径23％（0.23R） 的区域内是太阳的内核，其温度约为8×106～4×107K，密度为水的80～100倍，占太阳全部质量的40％，总体积的15％。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90％。氢聚合时放出γ射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成X射线或紫外线及可见光。从0.23～0.7R的区域称为“辐射输能区”，温度降到1.3×105K，密度下降为0.079g/ cm3。0.7～1.0R之间称为“对流区”，温度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。 太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气， 称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约1～1.5×104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。 　　从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.3～3μm的黑体。

2.1  太阳常数 　　昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23．5°。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化（见下图）。每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度23°27′之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间长。 地球绕太阳运行的示意图 　　由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5 x 108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓 “太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％。

2.2  到达地面的太阳辐射 　　太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成——直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成：太阳周围的散射 （太阳表面周围的天空亮光），地平圈散射（地平圈周围的天空亮光 或暗光），及其他的天空散射辐射。另外，非水平面也接收来自地面的反射辐射。直达日射、漫射日射和反射日射的总和即为总日射或环球日射。可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。如果聚光率很高， 就可获得高能量密度，但却损耗了漫射日射。如果聚光率较低，也可以对部分太阳周围的漫射日射进行聚光。漫射日射的变化范围很大，当天空晴朗无云时，漫射日射为总日射的10％。但当天空 乌云密布见不到太阳时，总日射则等于漫射日射。因此聚式收集 器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但当地面有冰雪覆盖时，垂直面上的反射日射可达总日射的40％。 　　到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的 方向有关。参看下图，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。城阳位于S点时，其穿过大气层到达A点的路径则为0A。 O，A与 OA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O℃时海平面上太阳垂直入射时，大气质量m＝1。从下图可知： 式中，h为太阳的高度角。 大气质量示意图 　　显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。下表给出了热带、温带和比较寒冷地带的太阳平均辐射强度。 不同地区太阳平均辐射强度 地区 太阳平均辐射强度 kwh/(m2xd) w/m2 热带、沙漠 5-6 210-250 温带 3-5 130-210 阳光较少地区（北欧） 2-3 80-130 　　通常根据各地的地理和气象情况已将到达地面的太阳辐射强度制成各种可供工程使用的图表，它们不但对太阳能利用，而且对建筑物的采暖、空调设计也是至关重要的数据。

2.3  波长分布 　　太阳能的波长分布可以用一个黑体辐射来模拟，黑体的温度为5800K。太阳能波长分布在紫外光、可见光和红外光波段。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射的大部分可到达地面，但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫外光辐射。 　　近年来，由于臭氧层变薄，特别是南极和北极地区，到达地面的紫外光辐射越来越多。入射的红外光辐射，有一部分被二氧化碳、水蒸气和其他气体吸收，而在夜间来自地球表面的较长波长的红外辐射大部分则传到了外空。这些温室气体在上层大气中的积累，可能会使大气吸收能力增加，从而导致全球气候变暖和天气变得多云。虽然臭氧减少对太阳能集热器的影响甚微，但温室效应可能会增大散射辐射，并可能严重影响太阳能集热器的作用。

　　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。

　　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。

　　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。

　　第四阶段(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。

　　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、太阳电池生产系统、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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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》， 《21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。

4.1  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。 　　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。 　　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-U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。 　　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。

4.2  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。 　　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。 　　太阳能-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），碲化镉电池15．8％， 硅带电池14．6％，二氧化钛有机纳米电池10．96％。 　　我国于1958年开始太阳电池的研究，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％（30cm×30cm）， 二氧化钛纳米有机电池10％（1cm×1cm）。 　　太阳能-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，光电化学电池制氢效率很低，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。 　　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。 　　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。

4.3  太阳能贮存 　　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。 　　热能贮热 　　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，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、硫酸氢铵循环反应等。 　　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。 　　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。 　　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。 　　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。

4.4  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。

先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨
接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂
把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却

　　第二步：利用天然燃料为二氧化钛着色

如右图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，用一大汤匙的税进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，知道膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以在放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。

　　第三步：制作反电极

电池需要正电极，当然也需要反电极。正电极和反电极一样，是由涂有导电的SnO2膜层构成的，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如突五所示，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。

　　第四步：加入电解质

利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生燃料。如图六所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。

　　第五步：组装电池

把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把反电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就做成了。

　　第六步：电池的测试

在室外太阳光下，可以获得开路电压0.4V,短路电流1mA/cm2的太阳能电池