1.3　太陽能轉換與利用方式

自從地球上有了生命，地球就開始了太陽能利用，或者說正是由于太陽能提供給地球光能、熱能，地球才有了生命現象。綠色植物通過光合作用源源不斷地合成自身的有機體，也提供給人類與其他動物食物、能量、氧氣、物質資源等，從而使地球的生態圈得以延續。人類有意識地利用太陽能已有很久遠的歷史，傳說早在公元前200多年阿基米德就已利用聚焦的太陽光來燒毀敵人的船只。發展到現在，太陽能轉換與利用的形式更是多種多樣，歸納起來，主要可以分為光熱轉換、光電轉換、光熱電轉換、光化學轉換、光生物轉換以及其他轉換或直接利用方式。其中，太陽能光熱轉換，包括太陽能熱水器、太陽能空調、太陽能溫室、太陽能供暖房、太陽能海水淡化、太陽灶、太陽能干燥器等，主要是將光能轉換為熱能；太陽能光伏轉換，主要指太陽電池通過半導體的光伏效應將太陽能直接轉換為電能；太陽能光熱電轉換，包括聚焦太陽能熱發電、半導體溫差發電、太陽能煙囪發電等，先將光能轉換為熱能，再轉換為電能；光化學轉換，主要指太陽能光催化或光電催化作用，包括光合成、光分解、光敏化等，將光能轉換為化學能儲存在化學鍵中；光生物轉換，主要指綠色植物、微生物的光合作用，將光能儲存在生物體中；光能直接利用是指直接利用光能或光子進行白天室內外的采光照明、殺菌等。

1.3.1　太陽能光熱轉換與利用

太陽能的光熱轉換與利用是將太陽能轉換成熱能，供熱水器、冷熱空調系統等使用。這種利用方式普及性高、發展得較為成熟工業化程度較高。在太陽能熱利用中，可通過反射、吸收等方式收集太陽能，然后將其轉化成熱能，在生活中的應用非常廣泛。如太陽能集熱器、太陽能供暖房、太陽灶、太陽能干燥器、太陽能溫室、太陽能蒸發器、太陽能水泵和太陽能熱機、太陽爐、太陽能海水淡化、太陽能光熱（冷、暖）空調等。

通常情況下，太陽能光熱轉換與利用提供的熱能溫度都較低，小于或等于100℃。相對來說，低溫利用比較容易，但由于溫度較低也會限制其使用范圍。太陽能光熱轉換與利用主要通過太陽能集熱器來實現。太陽能集熱器包括太陽能平板集熱器以及太陽能聚光集熱器。平板集熱器吸收太陽輻射的面積與采集太陽輻射的面積相等，不聚光，主要用于太陽能熱水、采暖和制冷等方面。為了在較高溫度條件下利用太陽能，聚光集熱器被廣泛應用。它可將太陽光聚集在比較小的吸熱面上，散熱損失少，吸熱效率高，從而達到較高的溫度。但這會增加技術難度，并且成本高。因此，聚光集熱器可利用廉價反射器代替昂貴的集熱器來降低成本。

目前，在世界范圍內，太陽能制冷及在空調降溫上的應用還處在示范階段，其商業化程度遠不如熱水器那樣成熟，主要問題在于其成本較高。但在缺電和無電地區，太陽能的光熱利用與建筑結合起來考慮，其市場潛力比較大。

太陽能光熱（冷、暖）空調由太陽能集熱器，紅外輻射、吸收或吸附式轉換器，控制系統和終端組成。其以太陽能為主要驅動能源，紅外輻射熱能轉換器為輔助熱源，節能可達70%以上。冬天供暖的熱源主要來自太陽能集熱器，通過太陽能集熱器加熱的專用熱介質流入儲箱，當其溫度達到一定值時，直接通入專用空調柜機或掛機實現采暖。當天氣變壞太陽能效果變差，太陽能集熱器提供的熱能不足以滿足室內采暖負荷要求時，可以由輔助紅外輻射熱能轉換器直接提供熱量補充。夏天采用溴化鋰吸收式制冷，即使熱媒水在接近真空的低壓環境中蒸發氣化以實現制冷目的，從吸收式制冷機流出的冷媒水通入專用空調柜機或掛機實現制冷。當太陽能集熱器提供的熱能不足以直接驅動吸收式制冷機時，可以由儲能與轉換器提供熱量。因此，太陽能光熱空調不僅能實現夏日制冷、冬天供暖，還可以提供日常生活溫水、洗浴熱水、飲用開水，以及調節室內濕度等。太陽能光熱空調實物如圖1.9所示。

與傳統空調相比較，太陽能光熱空調主要有以下優勢：

（1）在主動力源裝置結構和環境影響方面，它利用太陽能光熱作為主動力源，無壓縮機和動力機械裝置，因而運行時無噪音和污染物排放，使用安靜、清潔。

（2）在能量轉換方式和用途方面，不同于傳統空調靠壓縮機機械運動將電能轉換為冷、熱量，它是依靠介質分子蒸發、吸收的物理過程，將太陽能熱能轉換為室內冷、熱量。

（3）在使用效果及自然環境要求方面，在-40～40℃，陰雨、雪天等環境下，太陽能光熱空調都能正常運行，全年365天均可使用，保持室內16～26℃，溫濕度適當，感覺舒適宜人。

（4）在使用成本和使用壽命方面，以室內面積150m2/戶計算，它平均投入3萬元/戶左右，使用成本不高于1500元/年，因磨損小、振動小、腐蝕輕、維修少，一般能正常運行20～30年，而傳統空調產品同面積平均投入2.5萬元/戶，使用成本一般在4500元/年左右，有機械運動、磨損、振動等，需經常維修保養，國家規定壽命10～15年。

（5）在節能、減排方面，太陽能光熱空調以太陽能光熱為主驅動動力源、紅外輻射熱能轉換器為輔助熱源，因而比傳統空調節能70%以上，節能效果突出，同時強有力地展現了減排、低碳與環保效力。

1.3.2　太陽能光電轉換與利用

利用太陽的光能進行發電，即利用太陽電池，將太陽的光能轉換成電能的發電方式。

太陽能光發電通過太陽電池將光能轉換成電能，以分散電源系統的形式向負載提供電能。太陽電池產生電力與火力、水力、風力、核能等的發電原理存在著本質的差別。其工作原理主要基于“光生伏打效應”，這種效應在固體、液體和氣體中均可產生。太陽電池產品在國際、國內太陽能利用市場上均扮演著重要角色，因而是今后太陽能利用的重要發展方向之一。由于太陽光發電獲得的電能利用率相當高，因此其應用領域寬、范圍廣、工業化程度高、發展較快且前景十分樂觀。常見的應用有燈塔、微波站、鐵路信號、電視信號、管路保護等野外工作臺站的供電；海島、山區、草原、雪山和沙漠等邊遠地區的生活用電；手表、計算器、太陽能汽車和衛星等儀器設備的電源；以及太陽能電站并網發電等。

1.3.3　太陽能光熱電轉換與利用

太陽能光熱電方式是指利用太陽的熱能進行發電，即利用聚光得到高溫熱能，將其轉換成電能的發電方式。

在太陽能光熱發電中，其先把太陽能轉換為熱能，然后再利用熱力發電進而轉換為電能。由于它中間環節相對較多，系統復雜等原因，發展相對比較緩慢。

太陽能光熱發電的發電原理是通過反射鏡將太陽光匯聚到太陽能收集裝置，利用太陽能加熱收集裝置內的傳熱介質（液體或氣體），加熱水形成蒸汽帶動或者直接帶動發電機發電。前一過程為光—熱轉換，后一過程為熱—電轉換。由此發展起來的光熱電站，根據太陽能光熱發電原理采用“光—熱—電”的方式發電。采用太陽能光熱發電技術，避免了昂貴的晶硅材料光電轉換工藝，可以大大降低太陽能發電的成本。太陽能光熱發電方式依據聚光形式的不同，可分為槽式、塔式、碟式（盤式）、菲涅爾式等幾種方式，太陽能光熱發電的主要形式如圖1.10所示。

槽式太陽能熱發電系統即槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串并聯的排列，加熱工質，產生高溫蒸汽，最后通過汽輪機驅動發電機發電。

塔式熱發電系統是將吸收到的太陽光集中聚焦到塔頂，對傳熱工作介質加熱進而發電的一種聚光太陽能發電技術。不需要管道傳輸系統，熱損較小，系統效率高，同時便于儲存熱量。塔式熱發電系統的工作介質可以為空氣、水或水蒸氣以及熔鹽等。

碟式太陽能熱發電系統即拋物面反射鏡斯特林系統，是由拋物面反射鏡組成的。其工作原理是將太陽光接收在拋物面的焦點上，加熱接收器內的傳熱工質到750℃左右，驅動發動機進行發電。這是世界上最早出現的太陽能動力系統。近年來，碟式太陽能熱發電系統主要研究方向是開發單位功率質量比更小的空間電源。碟式太陽能熱發電系統應用于空間，與光伏發電系統相比，具有氣動阻力低、發射質量小和運行費用低廉等優點。

菲涅爾式太陽能熱發電通過一組平板鏡來取代槽式系統拋物面形的曲面鏡聚焦，調整控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管中。為簡化系統一般采用水或水蒸氣作為吸熱介質。其工作原理類似槽式光熱發電，只是采用菲涅爾結構的聚光鏡來替代拋面鏡。這使得它的成本相對來說比較低廉，但效率也相應降低。此類系統由于聚光倍數只有數十倍，因此加熱的水蒸氣質量不高，使整個系統的年發電效率僅能達到10%左右。但由于系統結構簡單、直接使用導熱介質產生蒸汽等特點，其建設和維護成本也相對較低。

目前，槽式熱發電系統最成熟并實現了商業化，塔式熱發電系統正在進入商業化，而另外兩種熱發電方式還處在示范運行階段，有實現商業化的可能和前景。一般來說，這幾種熱發電系統均可使用太陽能單獨運行，可安裝成燃料混合（如與天然氣、生物質氣等）互補系統是其突出的優點。

太陽能光熱發電之所以能異軍突起，主要原因在于其不同于以往的光伏發電、風力發電。太陽能光熱發電不僅造價低、無污染，而且具備儲能功能，因此它可以實現全天候發電，這是以往新能源發電所不具備的優勢。此外，新能源發電方式中，光伏發電的規模可大可小，從幾千瓦到數百兆瓦不等，但光熱發電卻是典型的規模經濟，隨著規模的增加，發電成本逐漸降低。因此，太陽能光熱發電受到了世界各國的重視，科學家們也正在積極推進太陽能光熱發電的應用研究。2010年8月，在北京延慶建成亞洲第一個塔式太陽能光熱發電站，這也是我國首座具有自主知識產權的光熱電站，由中國科學院、皇明太陽能集團和中國華電集團公司聯合投建。

1.3.4　太陽能其他轉換與利用方式

1.太陽能光化學轉換

太陽能的光化學轉換通常包括光分解反應、光化合反應和光敏作用三個方面。光化學轉換是指在太陽光的照射下，物質發生化學、生物反應，從而將太陽光能轉換成化學能等形式的能量。其反應的本質是物質中的分子、原子吸收太陽光子的能量后變成“受激原子”，“受激原子”中的某些電子能態發生改變，使某些原子的價鍵發生改變，當“受激原子”重新恢復到穩定態時，即產生光化學反應。

（1）光分解反應。光分解反應相當普遍。一些物品必須避光保存；一些塑料制品不能暴曬，這些都是因為存在光解反應所致。人們可以利用光催化反應降解環境污染物，例如有機物或重金屬污水處理、空氣凈化等的光催化降解。還有一個實例是光解水制氫，氫氣是最清潔的燃料、燃燒熱值高，可以利用太陽光子激發半導體的電子—空穴對發生分離，引起水分子發生氧化與還原反應，分別生成氧氣與氫氣，稱為光催化分解水制氫。

（2）光化合作用。許多有機物分子在吸收太陽光后，共價結構發生變化，失去共振能或使其鍵長、鍵角與正常值發生偏離，甚至使化學鍵斷裂，這就構成新的價鍵異構物。借助于加熱或催化劑的作用，其又能返回原來狀態，并獲得所儲存的能量。如蒽類化合物在光的作用下形成二聚物，將吸收的太陽能部分轉化為二聚物的化學能儲存起來。當二聚物分解時，其化學能又變為熱能釋放出來。但其儲能能力很小，加之蒽類化合物又極易被氧化，因而沒有實用化。可以利用光化合反應，將空氣中的二氧化碳還原合成燃料與其他有用化學品，例如合成乙烯、甲醇等。

（3）光敏作用。光敏作用常常與光分解、光化合有關。日常生活中的照相底片，它的光敏面通常是由含AgBr微粒的乳膠制成。在光的作用下，AgBr層中的溴離子Br-（負離子）吸收了光子的能量后釋放電子，這個電子遷移到銀離子Ag＋（正離子）上，形成中性的銀原子和溴原子，其光化學方程式為

經過顯影和定形之后，留存在乳膠層中的金屬銀，形成一個比較細致的、肉眼可見的圖像。

2.太陽能光生物轉換

太陽能的光生物轉換既包含光化學轉換的三種基本過程，又包含光熱過程、光電過程以及更高級的光生命過程。綠色植物通過光合作用收集與儲存太陽能。地球上的一切生物都是直接或間接地依賴光合作用獲取太陽能，以維持其生存所需要的能量。所謂光合作用，就是綠色植物利用光能，用空氣中的二氧化碳和水合成有機物和氧氣的過程。不僅合成的有機物是動物、植物及微生物賴以生存的物質基礎，而且氧氣也是動物、植物及微生物呼吸作用必不可少的化學物質。此外，40多年前人們發現綠藻在無氧條件下，經太陽光照射可以放出氫氣；10多年前人們又發現蘭綠藻等許多藻類在無氧環境中適應一段時間后，在一定條件下都有光化合放氫作用，這些都屬于光生物轉換。

3.太陽能照明（光導）

太陽能照明指利用太陽光或利用太陽電池器件給室內照明。此外，還可以使用光導纖維將太陽光引入地下室等陰暗處，以解決日照不良區域的照明問題。太陽能照明主要應用于建筑樓道照明、城市亮化照明等方面。太陽能照明燈具中使用的組件由多片太陽電池并聯構成，受目前技術和材料的限制，單一電池的發電量還比較有限。

在太陽能城市亮化照明過程中，白天由太陽電池板作為發電系統，讓電池板電源經過大功率二極管及控制系統給蓄電池充電，當蓄電池電量達到一定程度時，控制系統內設的自動保護系統動作，電池板自動切斷電源，實行自動保護。到晚上，太陽電池板又起到光控作用，給控制系統發出指令，此時控制系統自動開啟，輸出電壓，使各式燈具達到設計的照明效果，并可調節所需的照明時間。這就是太陽能城市亮化照明的工作原理。

太陽能亮化照明技術具有一次性投資、無長期運行費用、安裝方便、免維護、使用壽命長等特點，不會對原有植被、環境造成破壞，同時也降低了各項費用，節約能源，可謂“一舉多得”。隨著太陽能產業化進程和技術開發的深化，太陽能光伏技術的效率、性價比將得到迅速提高。推廣太陽能光伏技術在照明中的應用是一個新課題，也將極大地推動我國“綠色照明工程”的快速發展。

綜上所述，太陽能的利用正得到越來越多的推廣，已經成為現代社會人們可以采取的最安全、最綠色、最理想的發電方式。一旦太陽能在全世界范圍內得到大規模的利用，就能降低因使用化石能源所造成的環境污染，大大改善環境，還有可能開辟一些新的太陽能應用領域。