太阳能技术

人类能够有效地利用太阳能，也是基于太阳与地球的特殊关系。地球围绕太阳 公转，同时也发生自转，形成地球四季与昼夜变化，太阳几乎给地球上每个角落都带 来光与热，造福于地球万物。从物理关系上来看，太阳半径为6. 96X10⁵ km，而地球 半径为6.38X 10³ km,太阳与地球平均距离为1.496X 10⁸ km,因此，太阳光照射在 地球表面上可以看作是平行光。

为了能够定量地描述太阳辐射强度，国际上通过技术手段对太阳辐射进行了测 试，发现了在太阳与地球平均距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单位 面积上单位时间内所接收到的太阳辐射能是一个恒定的数值，即太阳常数。1982 年，世界气象组织在日内瓦公布的590号文献中将太阳常数定为:1367(±7) W/m²，由 于大气层对太阳辐射吸收、散射等造成衰减，地面上能够接收到的最高的太阳辐射 强度一般在1 000 W/m²左右。

用波动理论来描述太阳能，一般是将太阳能的能量密度视为电磁波波长或频率 的函数。在地面上太阳辐射或太阳光谱的波长范围主要分布在紫外线与近红外线 之间，绝大部分能量分布的波长范围为250〜2500mn。量子力学将太阳辐射视为由 颗粒即光子组成，这主要是得益于马克斯•普朗克(Max Planck)与阿尔伯特•爱因 斯坦(Albert Einstein)的量子理论与光子学说的建立，德布罗意提出的物质波的概 念最终导致了光的波粒二象性理论的形成。

此外，在表征太阳能利用效率时一般要用到大气质量（Air Mass，AM)的概念， 用以描述太阳光谱随着天顶角的变化在地球表面所呈现的能量与波长的分布差别。 常用的、重要的AM值有：大气层外太阳光谱的强度随波长的分布(AM0)，平均光强为 1 367 W/m²，这是描述太空上使用的太阳电池所依据的太阳辐射数值;天顶角为0°即 垂直于地球赤道地面的太阳光谱强度与分布(AM1)，也是太阳光通过大气层的最短 路径的太阳辐射数值;天顶角为48. 2°的太阳光谱强度分布（AM 1. 5)^[1卜^13]，这也是 地面测试太阳电池与太阳能热水器性能所采用的太阳辐射标准值。同一地区和不 同地区的AM值与当地的纬度、季节和日照时间点有关。

太阳能技术主要是指人类主动利用太阳能资源、并将它作为一种有效的能源形 式用于生活、生产的技术方式。在20世纪50年代，太阳能技术实现两个重大突破， 一是以色列科学家Tabor提出光热技术的基础原理——光谱选择性吸收理论^[5〜^7]; 二是美国贝尔实验室三位科学家研制成功具有实用价值的单晶硅太阳电池^[14]。太 阳能通过吸收材料及光热装置可以转换成热能，通过太阳电池可将太阳能直接转换 成电能。太阳能技术的发展动力来源于人类对自然的深人认识、自然和人类社会和 谐发展的需求以及人类社会可持续发展对能源和环境最直接的要求。

太阳能技术是一门综合性的高技术行业^[卜^7]，所涉及基础理论与技术科学主要 有物理特别是半导体物理、光学、电子学、电工学及传热学等，此外与化学、材料科学 等也密切相关，涉及多个学科交叉。太阳能技术分类从能量转换方式可分为光热转 换、光电转换及光化学能转换。太阳能技术从所涉及产品范围可分为材料、器件和 系统，其中材料是基础，器件是关键，而系统是具体应用形式。所涉及的产品还可以 进一步细分，其中涉及太阳能热利用的主要有太阳灶、热水器、干燥、空调、海水淡 化、高温熔炼炉及热发电站等;涉及太阳能光伏发电的产品则更多，如太阳电池、光 伏组件、逆变器等。从应用范围来看，光伏技术应用范围更加广泛，只要有电力需求 都可以涉及，如航天航空、交通、通信、照明、农业、建筑、军事等。太阳能技术从学科 来划分,可以包括太阳能材料、太阳能器件、太阳能系统、太阳能装备及测试技术等 领域。

按照原理与技术的不同，可以将太阳能技术分为两大类，即光热技术与光伏技 术。光热技术主要原理是将太阳辐射能转换为热能并加以利用，主要由光热转换和 热能利用两个部分组成。光热转换部分的功能是通过吸热体吸收阳光后温度升高， 再将所得热能通过传热工质传递给热能利用部分。光热技术的关键是光谱选择性 吸收材料，基本上所有涉及太阳能光热利用的系统,选择与研制合适的光谱选择性 吸收涂层是要必须解决的问题^[5〜^6]。

太阳能光热技术巳完全可以与传统能源竞争。欧洲国家法规强制性要求新建 筑和翻修房屋要安装太阳能光热以及太阳能光电设备。光热技术所涉及的太阳能 集热器——热转换部分，是一种收集太阳辐射并向流经自身的传热工质（如水、油、 空气等)传递热量的装置。它是太阳能热水器的最重要的部件，其性能对太阳能热 水器的优劣起到决定性作用。太阳集热器具有各种类型:按传热工质可分液体和空 气集热器;按收集太阳辐射方式可分聚光型和非聚光型集热器;按是否跟踪太阳可 分为跟踪式和非跟踪式集热器;按集热器的结构可分为平板、真空管和热管真空管 集热器;按工作温度高低可分200°C以下的低温、200〜500°C中温和500°C以上高温 集热器。

太阳集热器应用极其广泛，已经实现大规模生产和商业化运营，主要用于工业、 农业的太阳能干燥、热水工程，如食品行业以及印染等行业。太阳能热水器所生产 的生活热水，可以供应包括住宅、旅馆、学校、医院、酒店等热水使用单位，还可用于 游泳池水加温或养殖业。还可用于建筑行业的采暖和空调，包括地下工程的除湿、 加温等。如采用真空、选择性涂层及跟踪技术，集热温度可达到200〜500°C，可用于 太阳能热发电系统。

近些年，太阳能热发电技术发展很快。太阳能光热发电也叫聚焦型太阳能热发 电，可大规模集中利用太阳能，也是一种解决能源问题的有效途径。太阳能光热发 电技术就是利用光学系统聚集太阳辐射能，用以加热工质，产生高温蒸汽，然后驱动 汽轮机组发电，简称光热发电技术。与光伏发电相比，具有效率髙、运行成本低等优 点，特别是还可以利用熔盐相变形成有效、低成本的储能技术。