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太阳能的开发历史

太阳能的开发历史

据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史。利用太阳能作为一种能源和动力的历史只有300年。近年来,太阳能被视为“近期急需的补充能源”和“未来能源结构的基础”。20世纪70年代以来,太阳能技术突飞猛进,太阳能利用日新月异。现代太阳能利用的历史可以从1615年法国工程师所罗门·德考克斯发明世界上第一台太阳能发动机算起。本发明是一种利用太阳能对空气进行加热,使空气膨胀工作、抽水的机器。1615年至1900年间,世界上发展了许多太阳能发电机组和其他一些太阳能发电机组。几乎所有这些动力装置都是通过聚光来收集阳光的。发动机功率不大,工作介质主要是水蒸气,价格昂贵,实用价值不大。其中大部分是由太阳能爱好者研发和制造的。20世纪100年来,太阳能技术的发展历史大致可分为七个阶段。

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第一阶段

在第一阶段(1900—1920年),在这个阶段,太阳能研究在世界上仍然是太阳能发电厂,但集中方式多样化,采用平板集热器和低沸点工作介质,装置逐渐扩大,最大输出功率为73.64千瓦,实际目的比较明确,成本还是很高的。典型装置如下:1901年,美国加利福尼亚州建造了一台太阳能水泵机组,采用截锥浓缩器,功率为7.36kw;1902年至1908年,美国建造了五台双循环太阳能发动机,采用平板集热器和低沸点工质;1913年,在埃及开罗南部建造了一个由五个抛物面镜组成的太阳能水泵,每个抛物面镜长625米,宽4米,总照明面积1250平方米。

第二阶段

第二阶段(1920-1945年),20年来,太阳能研究工作处于低潮,参与研究工作的人数和研究项目大大减少。究其原因,与化石燃料的大规模开发利用和第二次世界大战(1935-1945)的发生有关。然而,当时太阳能源并不能解决能源的迫切需求,所以太阳能的研究工作逐渐降温。

第三阶段

在第三阶段(1945-1965年),在二战结束后的20年里,一些有远见的人注意到石油和天然气资源正在迅速减少,并呼吁人们关注这一问题,从而逐步推动了太阳能研究的恢复和发展,并成立了太阳能学术组织,举办了学术交流和展览,再次掀起了可以研究太阳的热潮。特别是在1945,美国贝尔实验室开发了实用的硅太阳能电池,为光伏发电的大规模应用奠定了基础;1955,Taber等。以色列在第一届国际太阳能热科学会议上提出了选择涂层的基本理论,并开发出实用的黑镍等性能涂层,为高效集热器的发展创造了条件。此外,这一阶段还取得了其他重要成就,特别是:1952年,法国国家研究中心在比利牛斯山脉东部建造了一座50千瓦的太阳能炉。1960年,世界上第一台制冷量为5吨的氨水吸收式空调系统在美国佛罗里达州建成,1961年,一台带石英窗的斯特林发动机问世。这一阶段,加强了对太阳能基础理论和材料的研究,在太阳能选择性镀膜、硅太阳能电池等技术上取得重大突破。平板集热器有了很大的发展,其技术也逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得了进展,建成了一批太阳能实验房。研究了斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术。

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太阳能利用示意图

第四阶段

第四阶段(1965~1973年),这一阶段,太阳能的研究工作停滞不前,主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段,尚不成熟,并且投资大,效果不理想,难以与常规能源竞争,因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

第五阶段

第五阶段(1973~1980年),自从石油在世界能源结构中担当主角之后,石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素,1973年10月爆发中东战争,石油输出国组织采取石油减产、提价等办法,支持中东人民的斗争,维护该国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家,在经济上遭到沉重打击。于是,西方一些人惊呼:世界发生了“能源危机”(有的称“石油危机”)。这次“危机”在客观上使人们认识到:现有的能源结构必须彻底改变,应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家,尤其是工业发达国家,重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持,在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年,美国制定了政府级阳光发电计划,太阳能研究经费大幅度增长,并且成立太阳能开发银行,促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”,其中太阳能的研究开发项目有:太阳房 、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划,日本政府投入了大量人力、物力和财力。

70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮,对中国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员,纷纷投身太阳能事业,积极向政府有关部门提建议,出书办刊,介绍国际上太阳能利用动态;在农村推广应用太阳灶,在城市研制开发太阳能热水器,空间用的太阳电池开始在地面应用……。1975年,在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”,进一步推动了中国太阳能事业的发展。这次会议之后,太阳能研究和推广工作纳入了中国政府计划,获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所,纷纷设立太阳能课题组和研究室,有的地方开始筹建太阳能研究所。当时,中国也兴起了开发利用太阳能的热潮。这一时期,太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期,具有以下特点:

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各国加强了太阳能研究工作的计划性,不少国家制定了近 期和远 期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为,支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃,一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。

研究领域不断扩大,研究工作日益深入,取得一批较大成果,如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、 光解水制氢、太阳能热发电等。

各国制定的太阳能发展计划,普遍存在要求过高、过急问题,对实施过程中的困难估计不足,希望在较短的时间内取代矿物能源,实现大规模利用太阳能。例如,美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站,1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上,这一计划后来进行了调整,至今空间太阳能电站还未升空。

太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化,太阳能产业初步建立,但规模较小,经济效益尚不理想。这主要受制于技术运用及科研水平。

第六阶段

第六阶段(1980~1992年),70年代兴起的开发利用太阳能热潮,进入80年代后不久开始落潮,逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费,其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是:世界石油价格大幅度回落,而太阳能产品价格居高不下,缺乏竞争力;太阳能技术没有重大突破,提高效率和降低成本的目标没有实现,以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心;核电发展较快,对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。受80年代国际上太阳能低落的影响,中国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱,有人甚至提出:太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广,认为太阳能是未来能源,主张外国研究成功后中国引进技术。虽然,持这种观点的人是少数,但十分有害,对中国太阳能事业的发展造成不良影响。这一阶段,虽然太阳能开发研究经费大幅度削减,但研究工作并未中断,有的项目还进展较大,而且促使 人们认真地去审视以往的计划和制定的目标,调整研究工作重点,争取以较少的投入取得较大的成果。

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第七阶段

第七阶段(1992年~至今),由于大量燃烧矿物能源,造成了全球性的环境污染和生态破坏,对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下,1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”,会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》, 《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件,把环境与发展纳入统一的框架,确立了 可持续发展的模式。这次会议之后,世界各国加强了清洁能源技术的开发,将利用太阳能与环境保护结合在 一起,使太阳能利用工作走出低谷,逐渐得到加强。世界环发大会之后,中国政府对环境与发展十分重视,提出10条对策和措施,明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”,制定了《中国21世纪议程》,进一步明确 了太阳能重点发展项目。

1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》 在(1996 ~ 2010年)制出,明确提出中国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施,对进一步推动中国太阳能事业发挥了重要作用。1996年,联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”,会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言 》,会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》(1996 ~ 2005年),《国际太阳能公约》,《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心,要求全球共同行动 ,广泛利用太阳能。

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1992年以后,世界太阳能利用又进入一个发展期,其特点是:太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合,全球共同行动,为实现世界太阳能发展战略而努力;太阳能发展目标明确,重点突出,措施得力,有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端,保证太阳能事业的长期发展;在加大太阳能研究开发力度的同时,注意科技成果转化为生产力,发展太阳能产业,加速商业化进程,扩大太阳能利用领域和规模,经济效益逐渐提高;国际太阳能领域的合作空前活跃,规模扩大,效果明显。通过以上回顾可知,在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦,一般每次高潮期后都会出现低潮期,处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同,人们对其认识差别大,反复多,发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大,短时间内很难实现大规模利用;


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