地球繞太陽公轉到夏天的時候，太陽直射北半球，導致單位面積內獲得的陽光能量大幅提升，這是夏天天氣炎熱最主要的因素。這時，我們有沒有辦法把這些用之不盡的巨量太陽能利用起來呢？

其實早在兩千多年前的戰國時期，我們的祖先就已經注意到陽光能源並開始利用太陽能了，他們通過用金屬做成的凹面鏡將太陽能匯聚起來，通過將陽光熱源進行聚焦從而進行取火，這就是對太陽能最簡單的應用。

隨着時代的發展，對太陽能的利用基本上可以分為光-熱轉換、光-電轉換、光-生物轉換和光-化學轉換等幾大類。像我們家用的太陽能熱水器，就是光-熱轉換利用的産品。而在現代社會，電力可以稱之為人類文明的基石，如果能用取之不盡用之不竭的太陽能發電，我們的社會將變得更加清潔高效。

光伏發電知多少

提到太陽能發電，我們最先想到的就是光伏發電。在陽光照射下，把太陽能電池板産生的電能給蓄電池充電或者直接為用電器提供電能，這種發電方式就叫做光伏發電。在這個過程中，太陽能電池板起到核心作用，是太陽能轉變為電能的樞紐。

太陽能電池板是如何發揮作用的呢？這就不得不提到光電效應。1887年，德國物理學家赫茲在做實驗的時候發現，如果接受電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易産生。1905年，愛因斯坦提出了“光量子”的概念，成功解釋了這種金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應。1941年，貝爾實驗室成功製成了第一個單晶硅太陽能電池，並不斷演化，發展成為如今的太陽能電池板。

太陽能電池板是一種對光有光電效應響應並能將光能轉換成電能的器件，大多數都是由硅材料製成的。在太陽光的照射下，一部分光子被太陽能電池板中的硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使圍繞着硅原子核飛舞的電子發生了躍遷，成為自由電子。這些自由電子聚集在不同位置，就像築起大壩一樣形成電位差。如果兩者之間連通，電子就像水一樣，從高位流向低位，形成電流的回路，成功把太陽光中的能量轉化成了電能。

圖1 光伏發電原理示意圖 （作者自製）

然而，單個的太陽能電池板這種情況下産生的電壓實在太低了，很難滿足我們日常生活的需求。在此基礎上，科學家們發現，如果把一塊塊太陽能電池板經過串聯後進行封裝，形成面積很大的太陽能電池組件，再配合上功率控制器等部件，就能形成可以滿足我們需求的光伏發電裝置。

現如今，太陽能發電在我們的身邊隨處可見。一些地方的屋頂上安裝有太陽能電池板，其發電或自身照明所用，或供給電網；太陽能路燈白天利用太陽能給蓄電池充電，到了晚上，蓄電池再給給燈具供電，使得燈具晚上給我們提供明亮；我們看電視需要的信號大多是由衛星進行傳遞的，而身處太空中的衛星能量最大供應來源就是其上的太陽能電池板；有的地方還有光伏停車棚，將光伏發電和車棚頂結合起來，供給新能源車充電，減緩城市的用電壓力。

圖2 航天器太陽能板 （圖片來源：央視新聞）

試試多個搬運工

雖然在科學家的努力下，光伏發電得以不斷改善，但仍存在不少弊端。比如受天氣影響大，在陰雨天或晚上就很少或不能發電；佔地面積大；儲能的蓄電池需要不斷更換等。

在這種情況下，科學家想到了一種解決方法，就是在光-電之間加個搬運工：先把太陽能轉化為熱能，再用熱能去發電。而説到光熱轉換，我們首先聯想到的應該就是太陽能熱水器，其把太陽能轉化為熱能。因此，光熱發電一般就是由太陽能集熱器將所吸收的熱能存放在儲能介質中，再放熱轉換成工質的蒸氣，驅動汽輪機發電。在這個過程中，用到的儲能介質有水、化學電池、導熱油，而我國有一項非常成功的世界領先光熱發電實踐，用到的是一種無色無味的化學物質-熔鹽。

如果乘坐飛機途徑甘肅酒泉上空，你就會發現，在茫茫戈壁上出現一個閃閃發光的圓形矩陣，不僅面積巨大，而且形狀規則，就像科幻電影中的場景，這就是敦煌100兆瓦熔鹽塔式光熱電站。兩萬五千多面30平方米的高精度智能定日鏡整齊排列熠熠生輝，如同太陽的追隨者，時刻調整着角度，從不同方位將太陽光聚焦到180米高的熔鹽塔頂吸熱器上。吸熱器逐漸聚能，將裏面循環流動的熔鹽溫度從300℃加熱至560℃，換熱系統再把高溫熔鹽與水進行充分換熱，産生高溫高壓水蒸氣，從而有效帶動汽輪發電機組發電。

在“熱能”這個搬運工的幫助下，我們可以先將太陽能“儲存”起來，根據實際需要隨時發電取電，將産生的電能輸送至國家電網。

塔式熔鹽光熱發電站 （圖片來源：人民網）

把太陽能站修到太空去

其實，地面上的太陽能發電站佔地較大，而且受大氣散射、氣象因素和其他自然環境因素的干擾，效率很低。但如果將太陽能發電站搬到太空，是不是很多問題就能迎刃而解？

早在1986年，美國科學家就提出了建造空間太陽能電站的構想，其基本思路是：將無比巨大的太陽能電池板陣列放置在地球軌道上，組成太陽能發電站，將取之不盡、用之不竭的太陽能轉化成數千兆瓦級的電能，然後將電能轉化成微波能，並利用微波或無線技術傳輸到地球。

在太空中，太陽能不會受到地球大氣層的削弱，僅在近地軌道上的太陽能輻射強度就是地面上的兩倍，而且不受季節、晝夜變化、天氣等因素的影響，可以24小時不間歇發電，發電效率大大提升。從理論上説，在陽光充足的地球靜止軌道上，部署一條寬度為1000米的太陽能電池陣環帶，假定其轉換效率為100%，那麼其一年中接收到的太陽輻射通量差不多等於目前地球上已知可開採石油儲量所包含的能量總和，可見其發展潛力之大。

日本是第一個發起在地球靜止軌道建設太陽能電站項目的國家，而我國也提出了空間太陽能電站發展“四步走”設想。在現實中，空間太陽能電站的建造和運行過程不僅需要光電轉換裝置，還需要巨型的空間運輸系統及複雜的後勤保障系統，對新材料、新結構、新技術都提出了很高的挑戰，因此截至目前，該設想還停留在技術積累的階段。如果我國能率先建成空間太陽能發電站，將極大可能帶動一大批全球領先的工業科技創新成果，意義非常重大。

總而言之，太陽能發電的未來發展可以説是充滿潛力、無限可期。隨着太陽能發電向着更高的光電轉換效率、更加靈活的結構形式發展，太陽能發電絕不僅僅是點燃萬家燈火，它會更加充分地融入我們的生活，用清潔高效的能源造福人類社會。

作者：李瑱 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所博士生

審核：梁忠偉 廣州大學機電學院 副院長