走向未来的太阳能发电-

地球绕太阳公转到夏天的时候，太阳直射北半球，导致单位面积内获得的阳光能量大幅提升，这是夏天天气炎热最主要的因素。这时，我们有没有办法把这些用之不尽的巨量太阳能利用起来呢？

其实早在两千多年前的战国时期，我们的祖先就已经注意到阳光能源并开始利用太阳能了，他们通过用金属做成的凹面镜将太阳能汇聚起来，通过将阳光热源进行聚焦从而进行取火，这就是对太阳能最简单的应用。

随着时代的发展，对太阳能的利用基本上可以分为光-热转换、光-电转换、光-生物转换和光-化学转换等几大类。像我们家用的太阳能热水器，就是光-热转换利用的产品。而在现代社会，电力可以称之为人类文明的基石，如果能用取之不尽用之不竭的太阳能发电，我们的社会将变得更加清洁高效。

光伏发电知多少

提到太阳能发电，我们最先想到的就是光伏发电。在阳光照射下，把太阳能电池板产生的电能给蓄电池充电或者直接为用电器提供电能，这种发电方式就叫做光伏发电。在这个过程中，太阳能电池板起到核心作用，是太阳能转变为电能的枢纽。

太阳能电池板是如何发挥作用的呢？这就不得不提到光电效应。1887年，德国物理学家赫兹在做实验的时候发现，如果接受电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。1905年，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，成功解释了这种金属表面在光辐照作用下发射电子的效应。1941年，贝尔实验室成功制成了第一个单晶硅太阳能电池，并不断演化，发展成为如今的太阳能电池板。

太阳能电池板是一种对光有光电效应响应并能将光能转换成电能的器件，大多数都是由硅材料制成的。在太阳光的照射下，一部分光子被太阳能电池板中的硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使围绕着硅原子核飞舞的电子发生了跃迁，成为自由电子。这些自由电子聚集在不同位置，就像筑起大坝一样形成电位差。如果两者之间连通，电子就像水一样，从高位流向低位，形成电流的回路，成功把太阳光中的能量转化成了电能。

图1 光伏发电原理示意图（作者自制）

然而，单个的太阳能电池板这种情况下产生的电压实在太低了，很难满足我们日常生活的需求。怎么办呢？就要想办法让不同的电池板团结起来！在此基础上，科学家们发现，如果把一块块太阳能电池板经过串联后进行封装，形成面积很大的太阳能电池组件，再配合上功率控制器等部件，就能形成可以满足我们需求的光伏发电装置。

现如今，太阳能发电在我们的身边随处可见。一些地方的屋顶上安装有太阳能电池板，其发电或自身照明所用，或供给电网；太阳能路灯白天利用太阳能给蓄电池充电，到了晚上，蓄电池再给给灯具供电，使得灯具晚上给我们提供明亮；我们看电视需要的信号大多是由卫星进行传递的，而身处太空中的卫星能量最大供应来源就是其上的太阳能电池板；有的地方还有光伏停车棚，将光伏发电和车棚顶结合起来，供给新能源车充电，减缓城市的用电压力。

=航天器太阳能板

（图片来源：央视新闻）

试试多个搬运工

虽然在科学家的努力下，光伏发电得以不断改善，但仍存在不少弊端。比如受天气影响大，在阴雨天或晚上就很少或不能发电；占地面积大；储能的蓄电池需要不断更换等。

在这种情况下，科学家想到了一种解决方法，就是在光-电之间加个搬运工：先把太阳能转化为热能，再用热能去发电。而说到光热转换，我们首先联想到的应该就是太阳能热水器，其把太阳能转化为热能。因此，光热发电一般就是由太阳能集热器将所吸收的热能存放在储能介质中，再放热转换成工质的蒸气，驱动汽轮机发电。在这个过程中，用到的储能介质有水、化学电池、导热油，而我国有一项非常成功的世界领先光热发电实践，用到的是一种无色无味的化学物质-熔盐。

如果乘坐飞机途径甘肃酒泉上空，你就会发现，在茫茫戈壁上出现一个闪闪发光的圆形矩阵，不仅面积巨大，而且形状规则，就像科幻电影中的场景，这就是敦煌100兆瓦熔盐塔式光热电站。两万五千多面30平方米的高精度智能定日镜整齐排列熠熠生辉，如同太阳的追随者，时刻调整着角度，从不同方位将太阳光聚焦到180米高的熔盐塔顶吸热器上。吸热器逐渐聚能，将里面循环流动的熔盐温度从300℃加热至560℃，换热系统再把高温熔盐与水进行充分换热，产生高温高压水蒸气，从而有效带动汽轮发电机组发电。

在“热能”这个搬运工的帮助下，太阳能发电就不用再“看天吃饭”了。我们可以先将太阳能“储存”起来，根据实际需要随时发电取电，将产生的电能输送至国家电网。

塔式熔盐光热发电站

（图片来源：人民网）

把太阳能站修到太空去

其实，地面上的太阳能发电站占地较大，而且受大气散射、气象因素和其他自然环境因素的干扰，效率很低。但如果将太阳能发电站搬到太空，是不是很多问题就能迎刃而解？

早在1986年，美国科学家就提出了建造空间太阳能电站的构想，其基本思路是：将无比巨大的太阳能电池板阵列放置在地球轨道上，组成太阳能发电站，将取之不尽、用之不竭的太阳能转化成数千兆瓦级的电能，然后将电能转化成微波能，并利用微波或无线技术传输到地球。

在太空中，太阳能不会受到地球大气层的削弱，仅在近地轨道上的太阳能辐射强度就是地面上的两倍，而且不受季节、昼夜变化、天气等因素的影响，可以24小时不间歇发电，发电效率大大提升。从理论上说，在阳光充足的地球静止轨道上，部署一条宽度为1000米的太阳能电池阵环带，假定其转换效率为100%，那么其一年中接收到的太阳辐射通量差不多等于目前地球上已知可开采石油储量所包含的能量总和，可见其发展潜力之大。

日本是第一个发起在地球静止轨道建设太阳能电站项目的国家，而我国也提出了空间太阳能电站发展“四步走”设想。在现实中，空间太阳能电站的建造和运行过程不仅需要光电转换装置，还需要巨型的空间运输系统及复杂的后勤保障系统，对新材料、新结构、新技术都提出了很高的挑战，因此截至目前，该设想还停留在技术积累的阶段。如果我国能率先建成空间太阳能发电站，将极大可能带动一大批全球领先的工业科技创新成果，意义非常重大。

总而言之，太阳能发电的未来发展可以说是充满潜力、无限可期。随着太阳能发电向着更高的光电转换效率、更加灵活的结构形式发展，太阳能发电绝不仅仅是点燃万家灯火，它会更加充分地融入我们的生活，用清洁高效的能源造福人类社会。

作者：李瑱中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士生

审核：梁忠伟广州大学机电学院副院长

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