太陽光直接利用的研究與實踐

摘 要：文章敘述了太陽能利用的三種方式，指出了光纖導光的缺點，設計了一種玻璃管或者玻璃柱材料的廉價、大光通量光導管，并做了實驗，給出了實驗數據。針對大房間需要補光的問題，還設計了另一款太陽光直接利用的裝置，在太陽能直接利用方面做了探討。

關鍵詞：太陽能；利用；方式

引言

為了促進可再生能源的開發利用，我國于2009年12月26日發布了《中華人民共和國可再生能源法》，國家鼓勵和支持可再生能源的生產和利用。太陽光作為重要的可再生能源，越來越受到人們的重視，太陽能的利用方法越來越多。

太陽能的利用方式主要分為光熱利用、光電利用、光直接利用。

（1）在太陽能的光熱利用方面，開發最早，利用最普及。其工作原理是將太陽光收集起來，轉換成熱能加以利用。目前使用最多的是太陽能熱水器，近5年來以每年30%-35%的速度增長，預計到2015年，全國住宅用太陽熱水器將達到2.32億平方米，行業產值超過1000多億元。

（2）在太陽能的光電利用方面，主要有兩種：第一種，光-熱-電轉換。通過太陽能集熱器將熱能轉換為蒸汽，然后由蒸汽驅動氣輪機帶動發電機發電，這種發電適用于大型的太陽能聚光鏡場使用。第二種，光伏發電。通過太陽光照射到半導體材料上產生電能，自從1980年以后，政府加大了對光伏發電的支持力度，在2002年至2010年，中國光伏裝機容量從20.3MW增加到500MW，到2012年底，中國光伏發電容量己經達到了7982.68MW，截至2013年上半年，中國光伏發電累計建設容量己經達到10.77GW，其中大型光伏電站5.49GW，分布式光伏發電系統5.28GW。

（3）在太陽光的直接利用方面，因為有許多空間需要照明，可以直接將用之不竭的太陽光導入，例如地下室，大型商場的背陰面等等。這種照明系統均是由聚光裝置、導光光纖和光輸出裝置三部分組成。淘寶上有杭州艾特森公司產品，約12平方米房間照明，每套3.2萬。從產品價格、使用面積來看，市場上的產品性價比很低，應用難以普及。

文章就太陽光直接的傳導及應用做了初步的探究。

1 一種太陽光傳導管實驗

光纖的直徑很細，約1mm左右，傳導光強度不高，大面積的太陽光強度大，需要多路光纖傳播，這就加大了太陽光傳導系統的成本。找一種粗的透光材料，來代替多路光纖。傳播太陽光傳導管的介質，分別使用了三種材料：透明亞克力板、透明KT板、玻璃。前兩種的硬度、分子密度偏低，折射率較小，相比而言，玻璃的折射率要高。因為折射率越高，越容易產生全反射。普通光纖就是玻璃這種材料容易制作的，工藝簡單，直接高溫加熱拉成絲，外加包層就行了。將玻璃管內部加上透明液體，這種透明液體選用的是純水，為了增加折射率，防止冬天凍壞，在純水添加了氯化鈉。實驗將一束光線射入該管，分別測出射入前后的光強度。實驗測試數據表1。

表1 太陽能光導管實驗

通過實驗可知，這種光導管是可行的。如果將光導管用透明度高的化工材料做成可以彎曲的。因為光線僅在光密媒質中進行全反射，如果將外表面鍍上一層折射率低的透明材料，可以防塵。

2 太陽光傳導窗簾

在一個大的房間，局部的太陽光需要補充，例如：在容納200人左右的大的教室，在北方的冬季，靠近窗戶的同學由于太陽光照到課本上刺眼不得不拉上普通窗簾，他（她）們由于靠近窗戶也有這個便利，而遠離窗戶的同學由于光線暗不得不大白天打開燈，浪費了電能。這種關著窗簾開著燈的情景很不協調，這種浪費現象還比較普遍。

為了解決上述技術問題，設計了一種太陽光傳導裝置，如圖1所示。

圖1 太陽光窗簾

長條葉片2的至少一面涂有反光材料，圖1中的箭頭所畫為太陽光線，經過長條葉片2的反射進入到室內。在圖1所畫的長條葉片2的數量是6個，具體設計時可以根據實際情況確定。長條葉片2的四周是方形框架1，為了便于觀察，圖1右側的方形框架1沒有畫出。方形框架1的上方有電機3、電路板6。當電機3轉動一個角度時，帶動傳動繩5、傳動輪4使長條葉片2轉動一個角度，電機3的轉動是靠電路板6控制的，電路板6控制長條葉片2反射光的強度。簡易的控制裝置可以使用手動去掉電路板、電機。

該設計的有益效果是，將太陽光線由窗前轉移到了房頂，補充了室內光線不足，在大教室推廣使用時，能夠起到節能環保的示范作用。

3 結束語

太陽光是一種取之不竭，用之不盡的綠色能源，直接利用太陽光，減少照明用電的電能消耗需要我們進一步開發利用。目前我國在光直接利用方面，剛剛開始起步，通過合理設計開發導光管技術，設計光直接利用的設備，是非常有必要的。

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作者簡介：門立山（1958-），男，副教授，主要從事太陽能熱利用領域的研究。