能源是人类生产生活必不可少的条件，但如今煤、石油、天然气等化石燃料的日渐枯竭以及大量燃烧带来的环境污染已经成为人类急需解决的问题。太阳能作为一种清洁、分布广泛且可无限使用的可再生能源具有巨大的开发潜力，成为各国科学家在能源领域的重点研究方向。
随着太阳能技术的日趋完善，太阳能的开发和利用已经与人类的生产生活紧密相关。目前，研究人员对太阳能的转化、收集、储存等方面的研究均有较大的进展。太阳能利用技术主要有太阳能热利用技术、太阳能发电和太阳能光化学转换等，其中太阳能热利用技术和太阳能发电已经逐渐广泛应用于人类的生产生活中，太阳能光化学转化也为航空航天领域提供了成本更低的燃料来源。
1 太阳能热利用技术
1.1 太阳热水器
太阳能热水器的原理是通过集热器将太阳辐射能收集起来，进而转化为热能的方式来供给生活的需要。随着太阳能热水器的发展，出现了平板式、玻璃真空管式、闷晒式和热管真空管式等多种形式的收集方式。太阳能热水器以其节能、环保、经济实惠等优点得到了广泛的使用，成为许多偏远、高海拔地区使用热水的重要途径。
1.2 太阳能制冷
太阳能制冷的应用主要有两种方法：一是将太阳能经光电转化，再以电能制冷；二是将太阳能经光热转化，再以热能制冷。但由于第一种方法成本过高且利用率不高，所以应用较少，目前较为普遍的是以热制冷的方法。太阳能以热制冷研究主要包括三个方面，分别为太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。其中，太阳能吸收式制冷的优势为维修周期长，制冷工况连续；劣势为需水泵提供动力，对外界电能依赖性强。太阳能吸附式制冷具有热源供热温度低于吸收式，无需冷却塔系统，也不需要对化学溶液进行管理的优点；但其提供的冷量有限，且长时间使用容易出现老化现象。喷射式制冷具有非常低的安装和运行成本，且无冷却塔系统；但其制冷性能差，难以在环境温度变化大的情况下高性能工作。
1.3 国内外发展现状
太阳能热利用技术中最成熟的是太阳能热水器，目前在人们的生产和生活中已经得到了广泛的应用。针对太阳能制冷，当前主流的制冷机为吸收式和吸附式制冷机，台湾大学、加拿大的CANNET公司在太阳能喷射式制冷方面做了很多研究；中科院广州能源所、北京太阳能研究所、上海交通大学及香港大学等机构所做的研究大多集中在吸收式制冷方面，其他方面的技术仍需进一步研究。
2 太阳能发电技术
2.1 太阳能热发电技术
太阳能热发电技术是通过辐射能-热能-电能的转化实现的，其原理是利用集热器收集太阳辐射中的热量，将收集到的热量加热工质进而送入汽轮机中，利用工质所蕴含的能量带动汽轮机转动，进而发电。但由于其整个系统成本较高，一般在大型的太阳能发电厂才会使用此项技术。
2.2 太阳能光发电技术
太阳能光发电技术是通过光能-电能的转化实现的。主要原理是在阳光下，将光能转变为太阳能电池的电能，然后将太阳能电池组产生的电能通过蓄电池组储存或直接用于用电器，这种发电方式也叫光伏发电。光伏发电主要由太阳能电池板、控制器、逆变器三大主要部件构成。太阳能电池板是光伏发电的核心元件，主要作用是将光能转化为电能，其材料为半导体板。通过将若干个电池板串联成组，便可产生较大功率的电流被电源所积累。这是如今市面上最常见的、使用规模最大的光电转化技术。
2.3 国内外发展现状
太阳能热发电技术在美国、澳大利亚、德国等国家已经比较成熟，并得到了实际应用。美国在2007年建立和内华达一号太阳能发电厂，产量可达6400万kW·h/a。国内相关研究起步较晚，中科院电工所对太阳能发电整体系统进行了研究和设计，并建立了1MW的塔式太阳能发电项目。对于太阳能光发电技术，目前的研究主要集中在太阳能电池板的材料方面，南开大学光电子薄膜与器件研究所在薄膜电池技术方面，以及四川大学在碲化镉电池方面已经取得了卓越的成果。
3 太阳能光化学转换
3.1 太阳能分解水制氢
太阳能分解水制氢主要有光伏法、光热法、光合成法、光电化学法等。光伏法分解水制氢是将太阳能通过光伏发电板转化为光能，再利用电能分解水得到氢气。其受光强度、环境温度、组件表面温度等因素的影响。光热分解水制氢法主要分为直接热分解法和间接热分解法。直接热分解法是将太阳光通过太阳能集热器收集太阳能对水或水蒸汽进行加热，当蒸汽温度升高至2000℃时水可直接分解为氢气与氧气，但是该方法效率较低，且需将氧气与氢气通过薄膜进行分离。间接热分解法制氢是通过向水中加入催化剂来降低水分解时所需的温度，再通过热分解法将水分解，由于在该方法中氢气与氧气可以分步产生，所以不需要对两者进行分离。光电化学法制氢是利用特殊电池进行水的电解，该电池的电极会在光照下通过光子能量的转移产生电流，其与固态光伏效应传质相比，更利于反应的内部电荷储存与光子电荷的转移，不足则是电解液不密封，有可能导致内部材料损坏以及泄露。
3.2 太阳能分解甲醇
太阳能分解甲醇是基于利用热化学方法可以将低能物质转化为高能物质的原理，进而实现太阳能的能量转化与储存。由于太阳能的能量密度较低，所以在利用其热能时需将其进行聚集，反应所需温度越高则其利用难度就越大，成本自然也会随之增加。一般特定的集热器可为反应提供200～300℃的温度环境，而甲醇在180～300℃下便可以发生分解反应产生一氧化碳与氢气，所以甲醇成为一种良好的太阳能转化物质。在一体化的太阳能吸收、反应装置内当辐照在300～800W^2，甲醇的进入量为0.5～4l/h的条件下，甲醇可以达到50%～100%的转化率，而转换为化学能的效率也可达到30%～60%，其产生的氢气与一氧化碳与化石能源相比可以相对节能29%，且整个过程接近零污染。反应产物经过后续的进一步加工，一氧化碳可转化为固态碳进行利用，这样一来不仅可以制备出高纯度的氢气，也可以实现能源的最大化利用。
3.3 国内外发展现状
在太阳能分解水制氢方面，以色列魏茨曼研究所在氢气的直接热分解技术方面做了大量的工作，但反应器材料仍需进一步研究。日本和韩国的研究学者针对间接热分解技术中的催化剂进行了研制，发现半导体催化剂LaMnO3/Cds的催化性能较好。此外，德国的哈恩-麦特纳研究所针对光电化学法中电池的复合光电极进行了相关研究。国内进行相关研究的主要有中科院大连化学物理研究所，哈尔滨工业大学和中科院兰州化学物理研究所。
对于太阳能分解甲醇，中科院工程热物理研究所针对太阳能集热与甲醇反应的耦合机理进行了研究，确立了太阳能甲醇反应器的设计原则，并成功研制了峰值功率为5kW的太阳能甲醇分解的实验装置。
4 未来技术的发展趋势
4.1 太阳光自动跟踪技术
由于地球自转，太阳光的角度会在一天中不断改变。为了更大程度地提高太阳能利用率，太阳光自动跟踪技术应运而生。国内外针对该技术进行了大量研究，设计出了多种自动跟踪装置，但受限于装置控制的精度以及维护成本，目前并没有大规模的应用，特别是在国内，相关技术的研究亟待进行。
4.2 新型太阳能材料
由于太阳能在光电转化中太阳能板会反射很大一部分光线，所以太阳能利用率一直是太阳能光电转换技术的一个重要的性能参数。有研究学者曾经将表面进行纳米构造减反射处理，但效率提高并不明显。近年来，美国等国开始研究非晶硅电池，使太阳能转变效率有了极大提升。
4.3 多能源互补
太阳能利用最大的缺陷是能量的间歇性，即在晚上或者阴天时无法提供足够的电能输出，使得能量的输出出现较大的波动性。为了解决这一问题，研究人员提出了多能源互补技术，其中一项技术可以将太阳能、风能、沼气能相结合，使其能突破地区时间、季节、气候变化对三种清洁能源的影响，使其有机互补，从而达到清洁能源的最大化利用。
4.4 智能电网
其相较传统电网具有友好、清洁、高效、安全等优势，可以实现太阳能、风能与传统发电方式的协同作用，使太阳能发电技术所获得的电能能够更大程度地进行利用。这也是未来各国电网技术领域的重点研究对象，但我国目前的智能电网研究领域尚处于起步阶段。
5 结语
由于传统化石燃料的逐渐枯竭，能源短缺的问题越来越严重，同时大量的燃烧化石燃料也使大气中的有毒有害物质逐渐积累，导致温室效应、酸雨、环境污染等一系列危害人类正常生产生活的现象，使得越来越多的国家认识到了寻找清洁、可持续发展的可再生能源的重要性。而太阳能则是其中到目前为止利用历史最长、利用方式最多样的清洁能源之一，这让太阳能技术的综合利用成为新能源发展的优先选择，其未来发展也必将成为新能源开发领域受人瞩目的项目之一。
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（天津市耀华嘉诚国际中学）
