第一章 神奇的太陽能

一、太陽能簡介

與原子核反應有關的能源正是核能。地球本身蘊藏的能量一般指與地球內部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的那些能源。

原子核的結構發生變化時往往能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡稱核能，俗稱原子能。目前核能最大的用途是發電。它來自地殼中儲存的鈾、钚等發生裂變反應時的核裂變能資源，還有海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發生聚變反應時的核聚變能資源。通常，這些物質在發生原子核反應時釋放出能量。而且，還可以用作其他類型的動力源、熱源等。

現在，太陽能的利用還不是很普及。主要原因是太陽能的利用成本高，而且能量的轉換效率也比較低，但是太陽能電池在為人造衛星提供能源方面得到了應用。

太陽內部或者表面的黑子連續不斷的核聚變反應過程產生的能量就是我們所說的太陽能。地球赤道的周長為40，000km，地球軌道上的平均太陽輻射強度為1，369W/㎡從而可計算出，地球獲得的能量可達173，000TW。如果是在海平面上，那么，標準峰值強度能夠達到1kW/m2，地球表面某一點24小時的年平均輻射強度為0.20kW/㎡，相當于有102，000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外），雖然太陽能資源總量相當于現在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因時而變，因地而異，這就為太陽能的開發利用帶來了巨大困難。

盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173，000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于 500萬 t煤，每秒照射到地球的能量則為499，400，00，000J。然而，太陽能過于分散的特點會使我們人類利用太陽能變得十分有限。

廣義的太陽能包括的范圍非常大。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能。狹義的太陽能則范圍很小，它只限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

太陽能資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。它既是一次能源，又是可再生能源。太陽能的利用為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。

在浩瀚的太陽系里，太陽是唯一能夠發出光和熱的星體。太陽給地球帶來無窮的光與熱，除了原子能、地熱和火山爆發等少數能量外，地球上的大部分能量都直接或間接與太陽有關。從這個意義上來說，太陽絕對稱得上是名副其實的地球能源之母。

植物的葉子含有葉綠素，所以它們絕大多數是綠色的。葉綠素只有利用太陽光的能量進行光合作用，才能合成生長需要的各種物質。據計算，整個世界的綠色植物每天可以產生約4億t的碳水化合物、蛋白質和脂肪，與此同時，還能向空氣中釋放出近5億t的氧氣，為人和動物提供了充足的食物和氧氣。煤炭、石油、天然氣、油頁巖等燃料實際上是古代生物存下來的太陽能，因為它們由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代而形成的。

太陽表面每平方米面積就相當于一個6萬kW的動力站。太陽每秒輻射到太空的熱量相當于1.28億億噸標準煤完全燃燒產生熱量的總和，這是一個具有3.9×1011萬億kW的發動機的功率。然而地球能接受到的只是這些能量的22億分之一。

地球的外部被厚厚的大氣層包圍，像一層棉被一樣，所以，絕大部分的太陽光輻射能量都被大氣層反射和吸收了，即使這樣，到達地球范圍內的太陽總輻射能量也十分驚人，據相關專業人士測算，到達地球范圍的太陽能總輻射高達173萬億kW，不過直接到達地球陸地表面的只有17萬億kW左右，大約占到達地球范圍內的太陽總輻射能量的10%。

在陸地表面所接受的這部分太陽輻射能中，被植物吸收的僅占0.015%，被人們利用作為燃料和食物的僅占0.002%，已利用的比重微乎其微。我們可千萬不要小看這到達陸地表面的這17萬億kW，這可相當于目前全世界一年內消耗的各種能源所產生的總能量的2.5萬多倍。由此也不難看出，利用太陽能的潛力是相當大的。太陽能取之不盡，用之不竭，又無污染，是未來十分理想的能源。

二、太陽能資源的優點

與那些常規能源相比較，太陽能資源的優點非常多，并且都是一般的常規能源所無法比擬的。一般概括起來，可以歸納為以下四個方面：

（一）時間長久

根據天文學的研究結果可知，太陽系已存在了50億年左右的時間。根據目前太陽輻射的總功率以及太陽上氫的總含量進行估算，太陽能資源尚可繼續維持600億年之久。對于人類存在的年代來說，真的是取之不盡，用之不竭。

（二）清潔安全

太陽能素有“干凈能源”和“安全能源”之稱。它不僅毫無污染，遠比常規能源清潔，也毫無危險，比原子核能安全得多。

（三）普照大地

太陽輻射能“送貨上門”，既不需要我們開采和挖掘，也不需要運輸。普天之下，無論高山或島嶼，無論大陸或海洋，都一視同仁，既無“專利”可言，也不可能進行壟斷，而且開發與利用都極為方便。

（四）數量巨大

每年到達地球表面的太陽輻射能約為3630萬億t標準煤，被陸地表面接受的太陽輻射能也達到762萬億t標準煤。

三、太陽能資源的缺點

（一）效率低與成本高

現在太陽能利用的發展水平，有些方面在理論上是可行的，技術上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經濟性還不能與常規能源相競爭。在今后相當一段時期內，太陽能利用的進一步發展，主要受到經濟性的制約。

（二）不穩定性

因為受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，因此，到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩定的，這給太陽能的大規模應用增加了一些難度。為了使太陽能成為連續、穩定的能源，從而最終成為能夠與常規能源相競爭的替代能源，那么，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡可能地貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但現在蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的一個環節。

（三）分散性

到達地球表面的太陽輻射的總量雖然很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1平方米面積上接收到的太陽能平均有1，000W；若按全年日夜平均，則只有200W。而在冬季大致只有一半，陰天一般只有1/5左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉換功率，往往需要面積相當大的一套收集和轉換設備，但這往往造價較高。

四、太陽能利用的途徑

太陽能的利用現在涉及很多高精尖的技術問題，但根據太陽能的特點，具有共性的技術目前主要有四項，即太陽能采集、太陽能貯存、太陽能轉換和太陽能傳輸。所以有效利用太陽能的方式就是將這些技術與其他相關技術結合在一起，主要方式有光生物利用、光化學利用、光熱利用、光電利用和發電技術等。

（一）生物轉換利用太陽能

通過光合作用可以使太陽能吸收和儲存在生物質內，經過一些化學和生物處理，制成液體或固體燃料。

1.將高等有機廢物進行分解，在厭氧微生物的作用下，可產生沼氣。

2.發展薪炭林。燒炭是一種比較古老的生物能利用方式，如果有計劃地發展薪炭林，不僅可提供燃料，而且還能保護環境，從而減少水土流失。

3.將糖類作物、谷物和植物纖維作為原料，生產燃料酒精，摻加到汽油中合成酒精汽油，例如巴西已從甘蔗中提煉酒精和汽油合成汽車用油。

4.尚在研究利用藻類和某些微生物的光合作用，在陽光下進行分解制氫，提供燃料。

（二）光熱轉換利用太陽能

這是現在技術最為成熟、成本最為低廉，而且應用最為廣泛的太陽能利用形式。其基本原理是將太陽的輻射能收集起來作為一種熱能以加熱物體。

1.太陽能蒸餾器，可用于海水淡化。

2.太陽能烘干機可以烘干糧食、煙葉、干果、農副產品及木材等。

3.利用太陽輻射能加熱的集熱器，如太陽能熱水器、太陽灶器以及高溫太陽爐等。

4.主動和被動的太陽房都是利用太陽能進行采暖，是一種簡單、經濟、有實效的取暖方式。

（三）光電轉換利用太陽能

通常通過半導體材料直接將太陽輻射能轉變為電能（直流電）。

1.現在太陽能電池的種類主要有硅、硫化鎘、砷化鎵等電池。

2.電池技術現在已較為成熟，主要用于航天、無人氣象站、無人燈塔、無線電中繼站、浮標和電圍欄等的電源。

（四）光化學轉換利用太陽能

1.通過光解或電解作用的熱化學方法制造一些氫氣，是對未來能源發展具有戰略意義的一個重要途徑。

2.從生態角度上看，氫氣一直被認為是理想的燃料，目前，意大利和瑞士發明了一種有效利用太陽能分解水中所含氫氣的方法，因為氫不產生有害廢棄物，它燃燒后的唯一副產品是水，因此，氫是一種清潔的燃料。

（五）太陽能發電方式

1.太陽能熱發電：就是利用太陽輻射產生的熱能發電，通常是由太陽能集熱器將所吸收的熱能把水加熱成蒸汽，然后再驅動汽輪機發電。前一個過程就是光—熱轉換過程，后一個過程就是熱—電轉換過程，與那些普通的火力發電一樣。

主要形式包括塔式發電、熱光伏發電、拋物面聚光發電、熱離子發電、太陽能煙囪發電、太陽池發電等。

2.不通過熱過程發電：光電轉換的基本裝置就是太陽電池。基本原理是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能。

主要形式有：光伏發電、光化學發電、光感應發電、光生物發電等。

五、太陽能的具體利用

（一）太陽灶

太陽灶就是利用太陽能的輻射，通過聚光獲取熱量來烹飪食物的特殊裝置：它不燒任何燃料，沒有任何污染，正常使用時加熱速度要高于傳統的蜂窩煤爐，和煤氣灶速度相當。人類利用太陽灶已有200多年的歷史，特別是近幾十年來，世界各國都先后研制生產了各種不同類型的太陽灶。太陽灶受到了人們的好評，并得到了比較好的推廣和應用。

（二）太陽能的熱水系統

人類利用太陽來加熱水，然后熱水洗澡，這是最早利用太陽能的方式。中國自從1958年研制出第一臺太陽能熱水器后，經過幾十年的努力，太陽能熱水器產銷量目前均占世界首位。

太陽能熱水系統（器）包括太陽能儲熱裝置、集熱裝置、循環管路裝置等。由于太陽能熱水系統在運行中受天氣的影響比較大，其獨立應用存在間歇性、地區差異性、穩定性，在太陽能應用中除利用集熱器將太陽能轉換成熱能外，應采取一些輔助加熱系統和儲熱措施來確保太陽能熱水系統全天候可以穩定地供應熱水。

（三）太陽能照明

讓太陽照亮黑夜，這聽起來像是童話世界的事，但是現在已變成事實。在上海世博會上，宏偉壯觀的主題館屋頂上的一體化太陽能電池組件，實現了建筑功能和美學的完全融合；綠樹成蔭的世博會公園里，太陽能應用的庭院燈、路燈、草坪燈、滅蚊燈等照明系統，如星辰般點綴在夜空。

太陽能照明燈以太陽能為能源，白天充電晚上使用，無需外接電源，安全可靠，綠色節能。充電及開關燈無需人工操作，使用壽命長，是現代生活中理想的照明工具。

太陽能照明系統是獨立的、全自動的工作系統，只要設定工作模式該系統就能自動進行工作。

（四）太陽能與建筑的一體化設計

太陽能與建筑一體化就是將太陽能利用設施與建筑進行一個有機結合，目前主要有兩種體現形式：一是光伏建筑一體化，即將太陽能光伏產品集成到建筑上，充分利用建筑外表面，安裝多種光伏發電產品，所產生的電能可以供自身使用，也可以并網輸送。二是光熱建筑一體化，利用太陽能集熱器替代屋頂覆蓋層和屋頂保溫層，這樣既消除了太陽能裝置對建筑物形象的影響，同時又避免了重復投資，降低了成本。隨著“太陽能屋頂計劃”和“金太陽”工程的實施，太陽能與建筑一體化的應用呈現出快速增長的勢頭。

太陽能與建筑的一體化也可簡稱為太陽房，是未來太陽能技術發展的一個方向。

（五）太陽能海水淡化

地球上的水量雖然非常大，但是97%是海水，淡水僅占3%，而且分布不均勻，世界上很多地方淡水資源極為缺乏。尤其是一些缺乏飲用水的海島和內陸干旱地區，淡水缺乏已成為威脅人畜生存的重要問題。

人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是對海水進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。與傳統動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環保等優點，將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術依靠不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。

中國于1977年在海南島上建成一座面積為385m2的太陽能海水蒸餾試驗裝置，日產淡水1t左右。

（六）太陽能溫室

太陽能溫室就是利用太陽的能量，提高塑料大棚或玻璃房室內的溫度，從而來滿足動植物生長對溫度的要求，因此人們往往把它稱之為人工暖房。

太陽能溫室是根據溫室效應的原理來進行建造的。

白天太陽輻射的熱量往往超過溫室通過各種形式向外界散失的那些熱量，這時溫室就會持續處于升溫狀態，有時因為溫度太高，還要人為地放走一部分熱量，從而來適應動植物生長的需要。

如果溫室內安裝儲熱裝置，這部分多余的熱量就可以儲存起來以備將來使用。

由于太陽能溫室能很好地利用太陽的輻射然后再輔以其他手段就可以確保室內所需的溫度，同時對室內的水分、溫度、光照還可以進行調節，完全可以滿足植物生長發育所必需的各種生態條件，這樣實際上是等于創造了人工的小氣候環境，從而讓一些不能在當地生長的植物能夠正常生長，并可以縮短或延長植物的生長期，為農業產業產業化和市場化運作、提高產品質量開辟了廣闊的前景。

太陽能溫室對養殖業同樣很有作用，它不僅能縮短畜禽生長期，還會對提高繁殖率、降低死亡率產生非常明顯的效果。

所以，太陽能溫室已成為農、牧、漁業現代化發展不可缺少的技術裝備。

（七）太陽能電池

要將太陽能轉變成電能，就需要采用能量轉換裝置。太陽能電池實際上就是一種把光能變換成電能的能量轉換器。這種電池是利用“光生伏打效應”的原理制成的：光生伏打效應就是指當物體受到光照射時，物體就會產生電動勢或電流的現象。

單晶硅太陽能電池是目前世界上所用的太陽能電池的典型代表，使用較普遍。它的性能穩定可靠，轉換效率較高，并可進行批量生產。提純硅結晶后，內部的成分不同，分為多晶硅和單晶硅。目前，單晶硅太陽能電池的光電轉換率為15%左右，最高可達24%，使用壽命一般可達15年，最高可長達25年，比轉換率僅12%左右的多晶硅太陽能電池的綜合性能價格比還要高。

（八）太陽能空調

傳統的空調制冷一般都是用電，如今有一種新型空調——太陽能制冷空調。

太陽能制冷一般可以分為兩大類：一類是利用太陽能集熱器提供的熱能去驅動制冷系統；另一類是先利用太陽能發電，而后再利用電能制冷。其中前者最常用的制冷系統有太陽能吸收式制冷系統和太陽能吸附式制冷系統。太陽能吸收式制冷系統通常采用溴化鋰—水，或氨—水做工質。太陽能吸收式空調與那些常規空調相比，具有以下三大明顯的優點。

1.傳統的壓縮式制冷機一般以氟利昂為介質，它會對大氣層產生極大的破壞，而吸收式制冷機則以無毒、無害的溴化鋰為介質，它對保護環境非常有利。

2.太陽能空調的季節適應性比較好，也就是說，系統制冷能力隨著太陽輻射能的增加而增大，而這正好與夏季人們對空調的迫切要求一致。

3.同一套太陽能吸收式空調系統就可以將夏季制冷、冬季采暖和其他季節提供熱水結合起來，從而顯著地提高了太陽能系統的利用率和經濟性。

利用太陽能作為能源的這種空調系統，它的獨特之處就在于越是太陽能輻射強烈的時候，環境氣溫就會越高，人們的生活越需要空調，而恰在此時，太陽能空調的制冷能力就越強。這是一種人與自然和諧相處的理想境界。使用太陽能空調，既可以創造室內宜人的溫度，同時又能降低大氣的環境溫度，還可以有效減弱城市中的熱島效應。更為可取的是，這樣既節約了能源，還不使用破壞大氣層的氟利昂等一些有害物質，是名副其實的一種綠色空調。

（九）冶煉金屬的太陽能高溫爐

據說公元前214年，古羅馬派船隊去攻打古希臘所屬的西西里島，當時，阿基米德指揮島上所有婦女手拿磨得錚亮的金屬鏡子，對著火熱的太陽開始調整角度，將太陽光反射到古羅馬的那些戰船上，使戰船被從天而降的大火點燃。當然這只是一個民間傳說，真實性值得我們懷疑，而且鏡子也很難達到使船燃燒起來的溫度。但早在15世紀，人們就已經采用聚光鏡將陽光集聚起來使堅硬的鉆石熔化。而到了17世紀，法國人愛倫費里德利用直徑76cm的透鏡聚集陽光，從而將陶瓷熔化。這使人們開始認識到太陽光所具有的那種巨大熱能。后來，有人又用愛倫費里德的透鏡熔化了銅、鐵、金、銀、錫等礦石，為用太陽能熔煉金屬開了先河。

第二次世界大戰以后，法國人特朗斯使用那些軍用探照燈的拋物面鏡做聚光器熔煉金屬，從而制成了世界上最早的太陽能高溫爐。這座太陽爐專門用來研究高溫材料，并取得了很好的效果，也迅速引起了人們的注意。這以后，許多國家相繼建造用于冶煉金屬的太陽能高溫爐，而且溫度已可達1000℃～3500℃。中國自行設計制造的太陽能高溫爐，現在可進行鈑、鉑、鍺熱電偶電焊，在不銹鋼無填料對焊及熱處理上，已經取得了一定成果。

因為太陽能高溫爐的溫度高，升溫和降溫速度快，因此成為研究試制導彈、核反應堆等所需要的高溫材料和模擬核爆炸時高溫區狀態的一個較理想設備，它還是研究高溫材料的一個最佳工具，其中對材料的熔點、熱膨脹、熱離子發射、比熱、高溫電導率以及高溫冶金、高溫焊接和高溫熱處理的研究也都是非常適用的。這是因為它是世界上最清潔的一種爐子，在它的高溫區空間沒有其他加熱設備的干擾。然而美中不足的是，因為地面陽光受天氣和夜晚的影響，太陽爐的應用受到一定的限制。所以，人們設想在宇宙空間建造太陽能高溫爐。到那時，一年四季任何時候都有比較充足的陽光，使人們能連續地冶煉高級金屬和一些非金屬材料。

如今，使用太陽能作為動力源的裝置正在逐漸增多，太陽能計算器、太陽能手電筒、太陽能收音機、太陽能充電器等。太陽能電池還被裝在那些人造衛星上，用來為其供電。使用太陽能的新發明現在有如下幾種：

1.太陽能電視機

芬蘭生產的太陽能電視機，只要白天把半導體硅電池放在陽光下，晚上不需要用電便可觀看電視，一般可連續使用3～4小時。

2.太陽能冰箱

印度最早研制成功利用太陽能的冰箱，就是在平底的太陽能收集器里，盛有氨水溶液，太陽光把氨從液體中蒸餾出來，并在另一個容器里面冷藏下來。晚間把液態氨送到冰箱管道里，氨吸收熱量從而使冰箱內部冷卻下來。

3.太陽能收音機

德國曾經開發研制成功一種太陽能收音機，它能把太陽能轉變成直流電，作為收音機的能源。

4.太陽能換氣扇

日本研發并且推出了一種太陽能樓房專用的換氣扇，安裝在有太陽能電池板的窗框上，太陽能電池產生的電流能驅動換氣扇進行旋轉，換氣能力達1m3/min。

5.太陽能照相機

日本已經研制成功了世界上第一架太陽能照相機，重量僅為475克，機內裝有高效率的太陽能電池板和蓄電池，蓄足電力可連續使用4年之久。美國一家公司也生產出了一種新型的照相機，其動力由太陽能電池板供應，只要有光線就能提供一定的動力。

6.太陽能電話機

在法國的圖爾市，現在已經安裝了世界上第一批太陽能電話亭，電話亭的頂端裝設了太陽能電池，電話機完全依靠太陽能作為無線通信的能源。這種電話機話音清晰，而且毫無通話障礙。它在法國各公路沿線普遍設立。而在英國一家無線電公司，也研制成功了類似的電話機。

7.太陽能牙刷

日本科學家最近開發研制出一種太陽能牙刷。這種牙刷的柄腔內放置著一定數量的二氧化鈦，經太陽光照射后鈦的氧化物會放出電子束，這種電子束使牙齒及其周圍形成微小電場，并使牙刷的刷絲硬化。由于電磁效應和機械作用，可迅速清除那些粘在牙齒上的污垢。

8.太陽能汽車

日本東京電機大學曾經設計出一種輕型太陽能轎車，車頂上安裝有兩組蓄電池，利用太陽光充電后兩組電池交替使用。一組蓄電池充電后一般可行駛110km，夏季日照最長季節可達150km，最適宜于日照時間長的地區使用。不用燃油，而且不污染環境。

由澳大利亞悉尼新南威爾士大學的學生自行研發的太陽能汽車，依靠一塊重55磅的400功率的硅電池作為其動力來源，使用碳纖維框架使其重量只有那些普通汽車的1/10。該太陽能汽車以約87km的時速打破了前吉尼斯世界紀錄。

9.太陽能飛機

在2010年7月8日，世界上最大的太陽能飛機——“太陽驅動”，在首次成功完成夜間飛行后，停在了瑞士帕耶那機場上。它創造了26小時零9分鐘的不間斷飛行紀錄，這也是太陽能飛機持續時間最長、飛行高度最高的世界紀錄。

10.太陽能自行車

美國科學家設計出了一種太陽能自行車。就是在普通自行車上裝了一塊由44個光電池組成的電池板，而且還裝有一個鋁蓄電池和功率為0.5馬力的小型電動機。這種兩用車在平地上行駛時可用腳蹬，在上坡或身體疲乏時，則可開啟太陽能電動機驅動自行車來加速行駛。

11.太陽能游船

在2010年6月5日下午，中國第一艘太陽能動力游船“尚德國盛號”在黃浦江上舉行了盛大的“首航儀式”。據了解，“尚德國盛號”是中國第一艘采用太陽能鋰電池及柴油機組等多種能源混合供電的船舶，其節省的電力和減排量都可以達到30%以上。“尚德國盛號”成為2010屆世博會“魔方”——上海企業聯合館的“移動展館”的指定用船。

六、太陽能的開發歷史

根據史料記載，人類已經擁有3000多年利用太陽能的歷史，但是，把太陽能作為一種能源和動力加以利用卻只有300多年的歷史，而真正把太陽能作為“近期急需的補充能源”“未來能源結構的基礎”則是近年來的事。20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用也是日新月異。近代利用太陽能的歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發明第一臺太陽能驅動的發動機算起，此發明是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機器。1615～1900年間，世界上又研制成多臺太陽能動力裝置和其他一些太陽能裝置。這些動力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，工質主要是水蒸氣，發動機功率不大，價格很昂貴，實用價值卻不是很大，其中的大部分為太陽能愛好者個人所研究制造。20世紀的100年間，太陽能科技發展歷史大體可以分為以下七個階段。

第一階段（1900～1920年），世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，并且開始采用平板集熱器和低沸點工質，裝置逐漸擴大，最大輸出功率達73.64kW，實用目的較明確，造價卻仍很高。建造的典型裝置有：1901年在美國加州建成的一臺太陽能抽水裝置，它采用截頭圓錐聚光器，功率：7.36kW；1902～1908年在美國建造的五套雙循環太陽能發動機，它采用平板集熱器和低沸點工質；1913年在埃及開羅以南建成一臺由5個拋物槽鏡組成的太陽能水泵，它們每個長62.5m，寬4m，總采光面積達1250m2。

第二階段（1920～1945年），這期間，太陽能研究工作一直處于低潮，參加研究工作的人數和研究項目大為減少，其原因與礦物燃料的大量開發利用和第二次世界大戰爆發有關，而太陽能又不能解決當時對能源的急需，因此太陽能研究工作逐漸受到冷落。

第三階段（1945～1965年），第二次世界大戰結束后，一些有遠見的人士開始注意到石油和天然氣資源正在迅速減少，所以呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復和開展，并且成立了太陽能學術組織，舉辦學術交流和展覽會，再次興起太陽能研究熱潮。這一階段，太陽能研究工作取得一些重大進展，比較突出的有：1945年，美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽電池，為光伏發電大規模應用奠定了基礎；1955年，以色列人泰伯等在第一次國際太陽熱科學會議上提出選擇性涂層的基礎理論，并研制成實用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的發展創造了條件。此外，在這一階段還有其他一些重要研究成果，比較突出的有：1952年，法國國家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為50kW的太陽爐。1960年，在美國佛羅里達建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨——水吸收式空調系統，制冷能力為5冷t。1961年，第一臺帶有石英窗的斯特林發動機問世。這一階段里，加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究，取得了如太陽選擇性涂層和硅太陽電池等技術上的重大突破；平板集熱器有了很大的發展，技術上逐漸成熟；太陽能吸收式空調的研究取得進展，建成一批實驗性太陽房；對難度較大的斯特林發動機和塔式太陽能熱發電技術進行了初步研究。

第四階段（1965～1973年），這一階段，太陽能的研究工作始終處于停滯不前的狀態，其主要原因是太陽能利用技術尚且處于成長階段，不成熟且投資大效果不理想，難以與常規能源競爭，因而得不到公眾、企業和政府的重視和支持。

第五階段（1973～1980年），自從石油在世界能源結構中擔任主角之后，石油就成了左右經濟和決定一個國家生死存亡、發展和衰退的關鍵因素，1973年10月中東戰爭爆發，石油輸出國組織采取石油減產、提價等辦法，支持中東人民的斗爭，維護本國的利益。其結果是使那些依靠從中東地區大量進口廉價石油的國家，在經濟上遭到沉重打擊。于是，西方一些人驚呼：世界發生了“能源危機”（有的稱之為“石油危機”）。這次“危機”在客觀上使人們認識到：現有的能源結構必須徹底改變，應加速向未來能源結構過渡。許多國家，尤其是工業發達國家，重新加強了對太陽能及其他可再生能源技術發展的支持，世界上再次興起了開發利用太陽能熱潮。1973年，美國制定了政府級陽光發電計劃，太陽能研究經費大幅度增長，并且成立太陽能開發銀行，促進太陽能產品的商業化。日本在1974年公布了政府制定的“陽光計劃”，其中太陽能的研究開發項目有：太陽房、太陽熱發電、工業太陽能系統、太陽電池生產系統、分散型和大型光伏發電系統等。為實施這一計劃，日本政府投入了大量人力、財力和物力。

20世紀70年代初，世界上出現的開發利用太陽能熱潮對中國也產生了巨大影響。一些有遠見的科技人員紛紛投身到太陽能事業中，他們積極向政府有關部門提建議，并出書辦刊介紹國際上太陽能的利用情況；在農村開始推廣應用太陽灶，在城市研制開發太陽能熱水器，空間用的太陽能電池開始在地面應用。1975年，在河南安陽召開的“全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會”進一步推動了中國太陽能事業的發展。這次會議之后，太陽能研究和推廣工作被納入政府計劃，獲得了專項經費支持。一些大學和科研院所也紛紛設立太陽能課題組和研究室，有的地方更是開始籌建太陽能研究所。這一時期，太陽能開發利用工作處于前所未有的大發展時期，具有以下特點：

研究領域不斷擴大，研究工作日益深入，取得一批較大成果，如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池、光解水制氫、太陽能熱發電等。

各國紛紛加強了太陽能研究工作的計劃性，不少國家制定了近期和遠期陽光計劃。開發利用太陽能成為了政府行為，支持力度大大加強。

國際間的合作十分活躍，一些第三世界國家開始積極參與太陽能開發利用工作。

太陽熱水器、太陽能電池等產品開始實現商業化，太陽能產業初步建立，但規模較小，經濟效益尚不理想。

各國制定的太陽能發展計劃，普遍存在要求過高、過急問題，對實施過程中的困難估計不足，希望在較短的時間內取代礦物能源，實現大規模利用太陽能。例如美國曾計劃：在1985年建造一座小型太陽能示范衛星電站，1995年建成一座500萬 kW空間太陽能電站。事實上，這一計劃后來進行了調整，至今空間太陽能電站還未建成。

第六階段（1980～1992年），太陽能開發利用再次陷入低谷。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經費，其中美國最為突出。導致這種現象的主要原因是：太陽能技術沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標沒有實現，以致動搖了一些人開發利用太陽能的信心；世界石油價格大幅度回落，而太陽能產品價格居高不下，缺乏競爭力；核電發展較快，對太陽能的發展起到了一定的抑制作用。受80年代國際上太陽能低落的影響，中國的太陽能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太陽能利用貯能難、占地廣、投資大、效果差，認為太陽能是未來能源，主張外國研究成功后我們再引進技術。雖然，持這種觀點的人是少數，卻是十分有害的，它對中國太陽能事業的發展勢必造成不良影響。這一階段，雖然太陽能開發研究經費大幅度削減，但研究工作并未中斷，有的項目甚至還進展較大，而且促使人們認真地去審視以往的計劃和制定的目標，開始重新調整研究工作的重點，爭取以較少的投入取得較大的成果。

第七階段（1992～至今），由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環境污染和生態破壞，對人類的生存和發展構成威脅。在這樣背景下，1992年聯合國在巴西召開“世界環境與發展大會”，會議通過了《里約熱內盧環境與發展宣言》《21世紀議程》和《聯合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環境與發展納入統一的框架，確立了可持續發展的模式。這次會議之后，世界各國都加強了清潔能源技術的開發，將利用太陽能與環境保護結合在一起，使太陽能利用工作走出了低谷，并逐漸得到加強。國際環境與發展大會之后，中國政府對環境與發展十分重視，提出了10條對策和措施，明確要“因地制宜地開發和推廣太陽能、地熱能、風能、潮汐能、生物質能等清潔能源”，制定《中國21世紀議程》，進一步明確太陽能為重點發展項目。1995年國家計委、國家科委和國家經貿委制定了《新能源和可再生能源發展綱要》，明確提出中國在1996～2010年新能源和可再生能源的發展目標、任務以及相應的對策和措施。這些文件的制定和實施，對進一步推動中國太陽能事業發揮了重要作用。1996年，聯合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會議”，會后發表了《哈拉雷太陽能與持續發展宣言》，會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》《國際太陽能公約》《世界太陽能戰略規劃》等重要文件。這次會議進一步表明了聯合國和世界各國對開發太陽能的堅定決心，要求全球共同行動、廣泛利用太陽能。1992年以后，世界太陽能利用又進入一個發展期，其特點是：太陽能利用與世界可持續發展和環境保護緊密結合，全球共同行動，為實現世界太陽能發展戰略而努力；太陽能發展目標明確，重點突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端，保證太陽能事業的長期發展；在加大太陽能研究開發力度的同時，注意科技成果轉化為生產力，發展太陽能產業，加速商業化進程，擴大太陽能利用領域和規模，經濟效益逐漸提高；國際太陽能領域的合作空前活躍，規模擴大，效果明顯。

從上面的回顧我們可以得知，在本世紀100年間，太陽能的發展道路并不平坦，通常在每次高潮期后都會出現低潮期，處于低潮的時間有45年。太陽能利用的發展歷程與煤、石油、核能完全不同，人們對其認識差別大、反復多、發展時間長。這一方面說明太陽能開發難度大，短時間內很難實現大規模利用；另一方面也說明太陽能利用還受礦物能源供應、政治和戰爭等因素的影響，發展道路比較曲折。盡管如此，從總體來看，20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都快。太陽能如今是人們生活中不可缺少的一部分。

第八階段（未來社會），全世界光伏板并網，貯能難的問題大幅改善。

世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應該是既能滿足社會需要而又不危及后代人前途的社會，故此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設必須遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環境污染也必須增大投資。

中國作為世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭約占商品能源消費結構的76%，且已成為中國大氣污染的主要來源。大力開發新能源和可再生能源的利用技術將成為減少環境污染的重要措施。從長遠看，太陽能利用技術和裝置的大量應用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。

七、太陽能在國外的開發

長時間以來，地球上的人們一直在努力研究太陽能。首先，我們的地球所接受到的太陽能只占太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總能量的3萬 ～4萬倍，可謂是取之不盡、用之不竭；其次，宇宙空間沒有晝夜和四季之分，也沒有烏云和陰影，輻射能量十分穩定，因而發電系統相對說來比地面簡單，而且在無重量、高真空的宇宙環境中，對設備構件的強度要求也不太高；最后，太陽能和石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應”和全球性氣候變化，也不會造成環境污染。因此，太陽能的利用受到許多國家的重視，各國也正在競相開發各種光電新技術和光電新型材料，以擴大太陽能利用的應用領域。特別是在近十多年來，在石油可開采量日趨見底和生態環境日益惡化這兩大危機的夾擊下，我們企盼著“太陽能時代”的到來。

美日等發達國家在1974～1997年間，硅半導體光電池發電成本每瓦特降低了一個數量級：從50美元降到了5美元。此后世界各國專家大都認為，要使太陽能電站與傳統電站相比具有經濟競爭力，還有一段同樣長的路要走——其成本再降低一個數量級才行。目前美國等國家建的利用太陽池發電的項目很多。在死海之畔有一個1979年建的7000m2的實驗太陽池，為一臺150kW發電機供熱，美國計劃將其鹽湖的8.3%面積（約8000km2）建成太陽池，為600MW的發電機組供熱。亞美尼亞已在該國山地開始建造“第一個小型實驗樣板”型工業太陽能電站，該電站使用的渦輪機是使用壽命已屆滿而從直升機上拆下來的渦輪機，裝機容量僅100kW，但發電成本每千瓦時僅 0.5美分，它的效率竟然高達40%～50%。

俄羅斯學者在太陽池研究方面也取得了令世人矚目的進展。一家公司將其研制的太陽能噴水式推進器和噴冷式推進器與太陽池工程相結合，給太陽池附設冰槽等設施，設計出了農家適用的新式太陽池。照這種設計，一個6～8口人的農戶建一個70m2的太陽池，便可滿足其100m2住房全年的用電需要。還有一家研究機構提出了組合式太陽池電站的設計思想，即利用熱泵、熱管等技術將太陽能和地熱、居室廢熱等綜合利用起來使太陽池發電的成本大大下降，在北高加索地區能與火電站競爭，夏天可用于空調制冷，冬天可用于采暖，一年四季均可使用。

以色列2012年可再生能源裝機容量為：風能 6.2MW、水電8MW、生物燃料12MW、大型太陽能光熱電站0MW、中型太陽能光熱電站7MW、小型光伏板發電站218MW。預計至2015年，以大型太陽能光熱電站將增至 740MW，中型太陽能電站增至330MW，小型光伏板發電站增至330MW。

由此觀之，全人類夢寐以求的太陽能時代已近在眼前，其中包括到太空去收集太陽能，并把它傳輸到地球，使之變為電力，以解決人類面臨的能源危機。由美國國家航空和航天局與國家能源部建造的世界上第一座太陽能發電站，近日將在太空組裝，不久將開始向地面供電。

八、太陽能光的利用

太陽能光的利用最成功的是用光電轉換原理制成的太陽能電池，又稱“光電池”。在1954年，美國貝爾實驗室誕生了世界上第一塊太陽能電池，1958年這種太陽能電池被用作“先鋒1號”人造衛星的電源上了天。這種電池可保證人造衛星安全工作長達20年之久，從而徹底取代了只能保證幾天持續工作的化學電池，為航天事業的發展提供了一種重要的動力能源。

太陽能電池利用的是半導體內部的光電效應，當太陽光照射到一種被稱為“PN結”的硅半導體上時，波長極短的光很容易被半導體晶體內部吸收，并去碰撞硅原子中的“價電子”，使“價電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產生電子流動。太陽能電池質量的一個重要指標是它的光電轉換效率。硅太陽能電池目前存在兩大主要問題：一是理論上單晶硅太陽能電池的轉換效率約為28%，但目前實際上硅太陽能電池的光電轉換效率只有15%，所以還有很大的進一步改進的余地；二是價格較貴，為了降低成本，人們開始用非晶硅半導體來代替晶體硅做太陽能電池的材料，非晶硅和晶體硅相比，更容易吸收波長更短的光，另外，太陽能電池的厚度采用晶體硅至少要70μm，而采用非晶硅時只需1μm，大大節約了原料，降低了成本，但是，目前非晶硅的光電轉換效率也有待提高。

太陽能電池不但可以利用太陽光的直射，還可以利用太陽的散射光；它重量輕，無活動部件，使用安全，單位質量有相當大的功率輸出，適用于小型發電，因此它一誕生就備受關注。但對人類最有吸引力的是所謂跨世紀的太空太陽能發電站。因為地面上的日照狀況受地球自轉、公轉和氣候的影響很不穩定，于是科學家設想通過航天器在離地球3.58萬 km的地球同步軌道上建造一個重達萬噸的巨型同步衛星太陽能電站。它是由永遠朝向太陽的太陽能電池列陣、能把直流電轉換成微波能的微波轉換站、發射微波束能的列陣天線等三部分組成，通過天線以微波形式向地面輸電。在地面上則要建一個面積達幾十平方公里的巨型接受系統。太空太陽能電站占地面積是十分巨大的，據計算，一座8×1010W的太空太陽能電站，其太陽能電池的列陣面積要達64km2，需裝配幾百億個電池板，把微波發往地球的天線列陣面積需2.0km2。從現有科學技術發展的情況看，航天器技術正在飛速進步，太陽能電池的成本正在不斷降低，轉換效率也在逐步提高，因此在21世紀建成太空太陽能電站是完全可能的。太空太陽能電站的建立無疑將徹底改善世界的能源狀況，人類都期待這一天的到來。雖然，這還有些遙遠，似乎與農村生活也無太大關系。但是，隨著光電技術的不斷進步，太陽能電池的應用也從航天領域走向了各行各業，走向了千家萬戶。太陽能手電筒、太陽能計算器逐步進入了普通家庭。太陽能汽車、太陽能游艇、太陽能自行車、太陽能飛機也都相繼問世，它們中有的甚至也已經進入市場。