1.3　太阳能转换与利用方式

自从地球上有了生命，地球就开始了太阳能利用，或者说正是由于太阳能提供给地球光能、热能，地球才有了生命现象。绿色植物通过光合作用源源不断地合成自身的有机体，也提供给人类与其他动物食物、能量、氧气、物质资源等，从而使地球的生态圈得以延续。人类有意识地利用太阳能已有很久远的历史，传说早在公元前200多年阿基米德就已利用聚焦的太阳光来烧毁敌人的船只。发展到现在，太阳能转换与利用的形式更是多种多样，归纳起来，主要可以分为光热转换、光电转换、光热电转换、光化学转换、光生物转换以及其他转换或直接利用方式。其中，太阳能光热转换，包括太阳能热水器、太阳能空调、太阳能温室、太阳能供暖房、太阳能海水淡化、太阳灶、太阳能干燥器等，主要是将光能转换为热能；太阳能光伏转换，主要指太阳电池通过半导体的光伏效应将太阳能直接转换为电能；太阳能光热电转换，包括聚焦太阳能热发电、半导体温差发电、太阳能烟囱发电等，先将光能转换为热能，再转换为电能；光化学转换，主要指太阳能光催化或光电催化作用，包括光合成、光分解、光敏化等，将光能转换为化学能储存在化学键中；光生物转换，主要指绿色植物、微生物的光合作用，将光能储存在生物体中；光能直接利用是指直接利用光能或光子进行白天室内外的采光照明、杀菌等。

1.3.1　太阳能光热转换与利用

太阳能的光热转换与利用是将太阳能转换成热能，供热水器、冷热空调系统等使用。这种利用方式普及性高、发展得较为成熟工业化程度较高。在太阳能热利用中，可通过反射、吸收等方式收集太阳能，然后将其转化成热能，在生活中的应用非常广泛。如太阳能集热器、太阳能供暖房、太阳灶、太阳能干燥器、太阳能温室、太阳能蒸发器、太阳能水泵和太阳能热机、太阳炉、太阳能海水淡化、太阳能光热（冷、暖）空调等。

通常情况下，太阳能光热转换与利用提供的热能温度都较低，小于或等于100℃。相对来说，低温利用比较容易，但由于温度较低也会限制其使用范围。太阳能光热转换与利用主要通过太阳能集热器来实现。太阳能集热器包括太阳能平板集热器以及太阳能聚光集热器。平板集热器吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，不聚光，主要用于太阳能热水、采暖和制冷等方面。为了在较高温度条件下利用太阳能，聚光集热器被广泛应用。它可将太阳光聚集在比较小的吸热面上，散热损失少，吸热效率高，从而达到较高的温度。但这会增加技术难度，并且成本高。因此，聚光集热器可利用廉价反射器代替昂贵的集热器来降低成本。

目前，在世界范围内，太阳能制冷及在空调降温上的应用还处在示范阶段，其商业化程度远不如热水器那样成熟，主要问题在于其成本较高。但在缺电和无电地区，太阳能的光热利用与建筑结合起来考虑，其市场潜力比较大。

太阳能光热（冷、暖）空调由太阳能集热器，红外辐射、吸收或吸附式转换器，控制系统和终端组成。其以太阳能为主要驱动能源，红外辐射热能转换器为辅助热源，节能可达70%以上。冬天供暖的热源主要来自太阳能集热器，通过太阳能集热器加热的专用热介质流入储箱，当其温度达到一定值时，直接通入专用空调柜机或挂机实现采暖。当天气变坏太阳能效果变差，太阳能集热器提供的热能不足以满足室内采暖负荷要求时，可以由辅助红外辐射热能转换器直接提供热量补充。夏天采用溴化锂吸收式制冷，即使热媒水在接近真空的低压环境中蒸发气化以实现制冷目的，从吸收式制冷机流出的冷媒水通入专用空调柜机或挂机实现制冷。当太阳能集热器提供的热能不足以直接驱动吸收式制冷机时，可以由储能与转换器提供热量。因此，太阳能光热空调不仅能实现夏日制冷、冬天供暖，还可以提供日常生活温水、洗浴热水、饮用开水，以及调节室内湿度等。太阳能光热空调实物如图1.9所示。

与传统空调相比较，太阳能光热空调主要有以下优势：

（1）在主动力源装置结构和环境影响方面，它利用太阳能光热作为主动力源，无压缩机和动力机械装置，因而运行时无噪音和污染物排放，使用安静、清洁。

（2）在能量转换方式和用途方面，不同于传统空调靠压缩机机械运动将电能转换为冷、热量，它是依靠介质分子蒸发、吸收的物理过程，将太阳能热能转换为室内冷、热量。

（3）在使用效果及自然环境要求方面，在-40～40℃，阴雨、雪天等环境下，太阳能光热空调都能正常运行，全年365天均可使用，保持室内16～26℃，温湿度适当，感觉舒适宜人。

（4）在使用成本和使用寿命方面，以室内面积150m2/户计算，它平均投入3万元/户左右，使用成本不高于1500元/年，因磨损小、振动小、腐蚀轻、维修少，一般能正常运行20～30年，而传统空调产品同面积平均投入2.5万元/户，使用成本一般在4500元/年左右，有机械运动、磨损、振动等，需经常维修保养，国家规定寿命10～15年。

（5）在节能、减排方面，太阳能光热空调以太阳能光热为主驱动动力源、红外辐射热能转换器为辅助热源，因而比传统空调节能70%以上，节能效果突出，同时强有力地展现了减排、低碳与环保效力。

1.3.2　太阳能光电转换与利用

利用太阳的光能进行发电，即利用太阳电池，将太阳的光能转换成电能的发电方式。

太阳能光发电通过太阳电池将光能转换成电能，以分散电源系统的形式向负载提供电能。太阳电池产生电力与火力、水力、风力、核能等的发电原理存在着本质的差别。其工作原理主要基于“光生伏打效应”，这种效应在固体、液体和气体中均可产生。太阳电池产品在国际、国内太阳能利用市场上均扮演着重要角色，因而是今后太阳能利用的重要发展方向之一。由于太阳光发电获得的电能利用率相当高，因此其应用领域宽、范围广、工业化程度高、发展较快且前景十分乐观。常见的应用有灯塔、微波站、铁路信号、电视信号、管路保护等野外工作台站的供电；海岛、山区、草原、雪山和沙漠等边远地区的生活用电；手表、计算器、太阳能汽车和卫星等仪器设备的电源；以及太阳能电站并网发电等。

1.3.3　太阳能光热电转换与利用

太阳能光热电方式是指利用太阳的热能进行发电，即利用聚光得到高温热能，将其转换成电能的发电方式。

在太阳能光热发电中，其先把太阳能转换为热能，然后再利用热力发电进而转换为电能。由于它中间环节相对较多，系统复杂等原因，发展相对比较缓慢。

太阳能光热发电的发电原理是通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热介质（液体或气体），加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。由此发展起来的光热电站，根据太阳能光热发电原理采用“光—热—电”的方式发电。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的晶硅材料光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。太阳能光热发电方式依据聚光形式的不同，可分为槽式、塔式、碟式（盘式）、菲涅尔式等几种方式，太阳能光热发电的主要形式如图1.10所示。

槽式太阳能热发电系统即槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，最后通过汽轮机驱动发电机发电。

塔式热发电系统是将吸收到的太阳光集中聚焦到塔顶，对传热工作介质加热进而发电的一种聚光太阳能发电技术。不需要管道传输系统，热损较小，系统效率高，同时便于储存热量。塔式热发电系统的工作介质可以为空气、水或水蒸气以及熔盐等。

碟式太阳能热发电系统即抛物面反射镜斯特林系统，是由抛物面反射镜组成的。其工作原理是将太阳光接收在抛物面的焦点上，加热接收器内的传热工质到750℃左右，驱动发动机进行发电。这是世界上最早出现的太阳能动力系统。近年来，碟式太阳能热发电系统主要研究方向是开发单位功率质量比更小的空间电源。碟式太阳能热发电系统应用于空间，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用低廉等优点。

菲涅尔式太阳能热发电通过一组平板镜来取代槽式系统抛物面形的曲面镜聚焦，调整控制平面镜的倾斜角度，将阳光反射到集热管中。为简化系统一般采用水或水蒸气作为吸热介质。其工作原理类似槽式光热发电，只是采用菲涅尔结构的聚光镜来替代抛面镜。这使得它的成本相对来说比较低廉，但效率也相应降低。此类系统由于聚光倍数只有数十倍，因此加热的水蒸气质量不高，使整个系统的年发电效率仅能达到10%左右。但由于系统结构简单、直接使用导热介质产生蒸汽等特点，其建设和维护成本也相对较低。

目前，槽式热发电系统最成熟并实现了商业化，塔式热发电系统正在进入商业化，而另外两种热发电方式还处在示范运行阶段，有实现商业化的可能和前景。一般来说，这几种热发电系统均可使用太阳能单独运行，可安装成燃料混合（如与天然气、生物质气等）互补系统是其突出的优点。

太阳能光热发电之所以能异军突起，主要原因在于其不同于以往的光伏发电、风力发电。太阳能光热发电不仅造价低、无污染，而且具备储能功能，因此它可以实现全天候发电，这是以往新能源发电所不具备的优势。此外，新能源发电方式中，光伏发电的规模可大可小，从几千瓦到数百兆瓦不等，但光热发电却是典型的规模经济，随着规模的增加，发电成本逐渐降低。因此，太阳能光热发电受到了世界各国的重视，科学家们也正在积极推进太阳能光热发电的应用研究。2010年8月，在北京延庆建成亚洲第一个塔式太阳能光热发电站，这也是我国首座具有自主知识产权的光热电站，由中国科学院、皇明太阳能集团和中国华电集团公司联合投建。

1.3.4　太阳能其他转换与利用方式

1.太阳能光化学转换

太阳能的光化学转换通常包括光分解反应、光化合反应和光敏作用三个方面。光化学转换是指在太阳光的照射下，物质发生化学、生物反应，从而将太阳光能转换成化学能等形式的能量。其反应的本质是物质中的分子、原子吸收太阳光子的能量后变成“受激原子”，“受激原子”中的某些电子能态发生改变，使某些原子的价键发生改变，当“受激原子”重新恢复到稳定态时，即产生光化学反应。

（1）光分解反应。光分解反应相当普遍。一些物品必须避光保存；一些塑料制品不能暴晒，这些都是因为存在光解反应所致。人们可以利用光催化反应降解环境污染物，例如有机物或重金属污水处理、空气净化等的光催化降解。还有一个实例是光解水制氢，氢气是最清洁的燃料、燃烧热值高，可以利用太阳光子激发半导体的电子—空穴对发生分离，引起水分子发生氧化与还原反应，分别生成氧气与氢气，称为光催化分解水制氢。

（2）光化合作用。许多有机物分子在吸收太阳光后，共价结构发生变化，失去共振能或使其键长、键角与正常值发生偏离，甚至使化学键断裂，这就构成新的价键异构物。借助于加热或催化剂的作用，其又能返回原来状态，并获得所储存的能量。如蒽类化合物在光的作用下形成二聚物，将吸收的太阳能部分转化为二聚物的化学能储存起来。当二聚物分解时，其化学能又变为热能释放出来。但其储能能力很小，加之蒽类化合物又极易被氧化，因而没有实用化。可以利用光化合反应，将空气中的二氧化碳还原合成燃料与其他有用化学品，例如合成乙烯、甲醇等。

（3）光敏作用。光敏作用常常与光分解、光化合有关。日常生活中的照相底片，它的光敏面通常是由含AgBr微粒的乳胶制成。在光的作用下，AgBr层中的溴离子Br-（负离子）吸收了光子的能量后释放电子，这个电子迁移到银离子Ag＋（正离子）上，形成中性的银原子和溴原子，其光化学方程式为

经过显影和定形之后，留存在乳胶层中的金属银，形成一个比较细致的、肉眼可见的图像。

2.太阳能光生物转换

太阳能的光生物转换既包含光化学转换的三种基本过程，又包含光热过程、光电过程以及更高级的光生命过程。绿色植物通过光合作用收集与储存太阳能。地球上的一切生物都是直接或间接地依赖光合作用获取太阳能，以维持其生存所需要的能量。所谓光合作用，就是绿色植物利用光能，用空气中的二氧化碳和水合成有机物和氧气的过程。不仅合成的有机物是动物、植物及微生物赖以生存的物质基础，而且氧气也是动物、植物及微生物呼吸作用必不可少的化学物质。此外，40多年前人们发现绿藻在无氧条件下，经太阳光照射可以放出氢气；10多年前人们又发现兰绿藻等许多藻类在无氧环境中适应一段时间后，在一定条件下都有光化合放氢作用，这些都属于光生物转换。

3.太阳能照明（光导）

太阳能照明指利用太阳光或利用太阳电池器件给室内照明。此外，还可以使用光导纤维将太阳光引入地下室等阴暗处，以解决日照不良区域的照明问题。太阳能照明主要应用于建筑楼道照明、城市亮化照明等方面。太阳能照明灯具中使用的组件由多片太阳电池并联构成，受目前技术和材料的限制，单一电池的发电量还比较有限。

在太阳能城市亮化照明过程中，白天由太阳电池板作为发电系统，让电池板电源经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电，当蓄电池电量达到一定程度时，控制系统内设的自动保护系统动作，电池板自动切断电源，实行自动保护。到晚上，太阳电池板又起到光控作用，给控制系统发出指令，此时控制系统自动开启，输出电压，使各式灯具达到设计的照明效果，并可调节所需的照明时间。这就是太阳能城市亮化照明的工作原理。

太阳能亮化照明技术具有一次性投资、无长期运行费用、安装方便、免维护、使用寿命长等特点，不会对原有植被、环境造成破坏，同时也降低了各项费用，节约能源，可谓“一举多得”。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，太阳能光伏技术的效率、性价比将得到迅速提高。推广太阳能光伏技术在照明中的应用是一个新课题，也将极大地推动我国“绿色照明工程”的快速发展。

综上所述，太阳能的利用正得到越来越多的推广，已经成为现代社会人们可以采取的最安全、最绿色、最理想的发电方式。一旦太阳能在全世界范围内得到大规模的利用，就能降低因使用化石能源所造成的环境污染，大大改善环境，还有可能开辟一些新的太阳能应用领域。