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05％。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１．５×１０17千瓦/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15m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。