21世纪的主要能源--太阳能

太阳是一个炽热的气体球，蕴藏着无比巨大的能量。地球上除了地热能 和核能以外，所有能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源 之母”。没有太阳能，就不会有人类的一切。 自古以来，人们就注意利用太阳能。早在几千年前，我们的祖先就曾用 “阳燧”这种简单的器具向太阳“取火”，开辟了人类利用太阳能的新时代。 据说古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光，一举烧毁了 敌人的帆船队。然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，直到最近的二 三十年内才真正开始。 1945 年，美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电 池，开创了现代人类利用太阳能的新纪元。 人们利用太阳能的方法主要有三种，一种是使太阳能直接转换成电能， 即光电转换。太阳能电池就属于这种转换方式；第二种是使太阳能直接转变 成热能，即光热转换，如太阳能热水器等；第三种是使太阳能直接转变成化 学能，即光化学转换，如太阳能发动机等。 实际上，人类有意识地利用太阳能，首先是从取暖、加热、干燥和采光 等太阳能的热利用开始的。近十多年来，太阳能的光热利用发展很快，已经 制成了式样繁多的各类太阳能集热器，将太阳光的热能用于取暖、制冷、通 风、烘干、冶炼、洗浴、灌溉、养鱼、发电等许多方面，节省了大量的其他 能源，并为能源短缺地区提供和解决了所需要的能源。要将太阳光直接转换 成电能，就需要采用能量转换装置，太阳能电池实际上就是一种光电能量转 换器。 有了太阳能电池，就为太阳能的利用开辟了广阔的途径，人造卫星和宇 宙飞船探测宇宙空间时用上了重量轻、使用寿命长和耐冲击振动的太阳能电 池。卫星和飞船的巨大铁翅膀上就密密麻麻排满了太阳能电池，组成了太阳 能电池板。此外，太阳能飞机、太阳能汽车、太阳能汽艇等，都是由于装上 了太阳能电池板才能飞翔和行驶；还有如太阳能电话、太阳能彩色电视机、 太阳能电视差转机等，都是使用太阳能电池而工作的。 目前，世界各国都在大力研究新型太阳能电池，提高光电转换率，使太 阳能的开发利用进一步深化。太阳能的开发方兴未艾，研制出的太阳能新产 品层出不穷。例如，英国研制成功一种太阳能冰箱有九块吸热板，晴天时它 可以向冰箱的蓄电池充电，一天的充电量足够冰箱使用五天。瑞士发明了一 种太阳能热水瓶，仅重 400 克，通过装在瓶底部的像镜子似的折叠铝叶板吸 收太阳能，用来烧开水。有阳光时，烧一瓶水仅需要半小时左右。 对太阳能这种新能源的开发利用，当前还仅处于初始阶段。随着科学技 术的发展和人们对能源日益增长的需求，太阳能的开发利用必将出现一个蓬 勃发展的新局面。 我国幅员辽阔，有着得天独厚的太阳能资源，全国大部分省市地区的年 日照时间平均可达 2000 小时以上。太阳每年投射到我国广大国土上的能量， 约有一亿亿千瓦时，差不多相当于 20，000 亿吨标准煤所具有的能量。 我国很早就对太阳能进行了开发利用，并取得了显著的成果。例如，我 国研制的单晶硅太阳能电池，于 1971 年成功地应用在我国发射的第二颗人造 卫星上。1985 年 10 月，我国第一座太阳能电站在甘肃省榆中县建成，电站 装有多晶硅电池板，能将吸收的太阳光能转换为电能，并储存在蓄电池内， 即使有六、七天不出太阳也能照常供电。 未来时代将是太阳能大显身手的时代，在我国的现代化建设中，太阳能 也将发挥越来越重要的作用。 太阳是人类的能源宝库 太阳给人类带来了光明和温暖，并给人类以生命、以及维持生命活动的 各种物质。可以说，没有太阳便没有人类；没有太阳，也不会有今天物质世 界的一切。 太阳一刻不停地向宇宙空间中发送着大量的能量。据计算，仅一秒钟发 出的能量就相当于 1.3 亿亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。太阳发送到地球 上的能量虽然很多，但只占它向外辐射能量的 22 亿分之一。由于地球表面大 气层的反射和吸收，真正到达地球表面的太阳能，大约相当于目前全世界所 有电站发电能力总和的 20 万倍。地球每天接收的太阳能，相当于全球一年所 消耗的总能量的 200 倍。太阳发光放热的历史已达四十多亿年以上，据科学 家们预计，太阳释放巨大能量的时间还将持续几十亿年。因此，太阳可称得 上是人类取之不尽、用之不竭的能源宝库。 对人类来说，太阳释放的能量还包括地球上的各种能源，例如煤炭、石 油以及风能、海洋能、地热能等，它们都是由太阳能转化而成的。另外，与 其他能源相比，太阳能具有独特的优点： (1)它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污 染环境，被称作“干净能源”。 (2)到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。 (3)成本低廉，可以再生。 现在，人们越来越认识到太阳能的重要价值。特别是在当前世界各国面 临能源日益紧缺的情况下，人们已把太阳能作为开发利用的现代主要新能源 之一，因此，向太阳这个取之不尽的能源宝库索取能量实现人类历史上的能 源变革，已成为今后能源开发的主要趋向。 随着科学技术的不断发展，人们对太阳能的利用也日益广泛和深入。现 在，太阳能的利用已扩展到科学研究、航空航天、国防建设和人们日常生活 的各个方面。 尽管人们对太阳能的开发利用方式如此丰富多样，然而直到目前为止， 所利用的太阳能与太阳照射到地球上的能量相比，仅是沧海一粟，而且使用 效率较低，规模也较小，致使大自然赐予的这种宝贵能源大部分损失掉了。 所以，用现代化方法大规模地开发利用太阳能，已成为摆在人们面前的一项 重要任务。 太阳能电站 通常人们所说的太阳能电站，指的是太阳能热电站。这种发电站先将太 阳光转变成热能，然后再通过机械装置将热能转变成电能。 太阳能电站能量转换的过程是：利用集热器（聚光镜）和吸热器（锅炉） 把分散的太阳辐射能汇聚成集中的热能，经热换器和汽轮发电机把热能变成 机械能，再变成电能。它与一般火力发电厂的区别在于，其动力来源不是煤 或燃油，而是太阳的辐射能。一般来说，太阳能电站多数采用在地面上设置 许多聚光镜，以不同角度和方向把太阳光收集起来，集中反射到一个高塔顶 部的专用锅炉上，使锅炉里的水受热变为高压蒸汽，用来驱动汽轮机，再由 汽轮机带动发电机发电。 另外，太阳能电站的独特之处还在于电站内设有蓄热器。当用高压蒸汽 推动汽轮机转动的同时，通过管道将一部分热能储存在蓄热器中。如果在阴 天、雨天或晚上没太阳时，就由蓄热器供应热能，以保证电站连续发电。世 界上第一座太阳能热电站，是建在法国的奥德约太阳能热电站，这座电站当 时的发电能力仅为 64 千瓦，但它却为以后太阳能热电站的建立和发展打下了 基础。 1982 年，美国建成了一座大型塔式太阳能热电站，这座电站用了 1818 个聚光镜，塔高 80 米，发电能力为 10，000 千瓦。它利用太阳能把油加热， 再用高温油将水变成蒸汽，利用蒸汽来推动汽轮发电机发电。 太阳能热电站不足之处在于：一是需要占用很大地方来设置反光镜；二 是它的发电能力受天气和太阳出没的影响较大。虽然热电站一般都安装有蓄 热器，但不能从根本上消除影响。因此，人们设想把太阳能热电站搬到宇宙 空间去，从而能使热电站连续不断地发电，满足人们对能源日益增长的需要。 太阳能热管 热管通常又叫真空集热管，它在结构上与我们平常所用的热水瓶相似， 但热水瓶只能用来保温，而太阳能热管却能巧妙地吸收太阳的热能，即使阳 光很微弱，它也能达到较高的温度，比一般太阳能集热器的本领强多了。 热管之所以有这么大的本领，主要是因为它的结构较特殊，能充分地吸 热和保温。热管有一个透明的玻璃管壳，里面密封着能装液体或气体的吸热 管，两管之间抽成真空。这样，在吸热管周围形成了性能良好的真空绝热层， 这和热水瓶胆的内外层之间保持真空的原理是一样的，都是为了防止热量散 失出去。吸热管的材料可以是金属，也可以是玻璃，在它的外表面涂有选择 性的吸热涂层。当阳光照在热管上，吸热管的涂层就能大量吸收光能，并将 光能转变成热能，从而使吸热管内装的液体或气体的温度升高。 热管的特殊结构使它一方面通过吸热管外壁上的涂层尽可能吸收更多的 阳光，并及时转变成热能；另一方面，在能量吸收和转换中最大限度地减少 热量损失。也就是说，它用抽真空等办法堵死了热量散失的一切渠道。因此， 在阳光很微弱的情况下，热管也能将阳光巧妙地集聚和保存起来，从而达到 较高温度。 太阳能热管不仅集热性能好，而且拆装方便，使用寿命长，因而获得了 人们的好评。它可以单个使用，如用在太阳能灶上，代替平板式集热器；也 可根据需要，用串联或并联的方式将几十支热管装在一起使用。 热管在一天之内可以提供大量的工业用热水，又能一年四季不断地为它 的主人供应所需要的热能。此外，热管还广泛用于海水淡化、采暖、空调、 制冷、烹调和太阳能发电等许多方面，是一种深受人们欢迎的太阳能器具。 太阳池发电 水平如镜的水池也能用来发电，这可能是许多人没有想到的。因此，利 用水池收集太阳能发电，可以说是迄今为止将太阳辐射能转换为电能的最美 妙的构想之一。 太阳池就是利用水池中的水吸收阳光，从而将太阳能收集和贮存起来。 这种太阳能集热方法，与太阳能热水器的原理相似，但是，用太阳能热水器 贮存大量的热能，需要另设蓄热槽，而太阳池的优越之处在于，水池本身就 可充当贮存热能的蓄热槽。 一般的水池，当阳光照射时，池水就会发热，并引起水的对流，即热水 上升，冷水下沉。当温度较高的水不断从底部上升到池面时，通过蒸发和反 射将热能释放到空气中。这样，池中的水大体上保持着一定的温度，但无论 天气多么热，经过的时间如何长，水温总达不到气温以上。为了提高池中的 水温，人们想了许多办法，其中最引人注目的就是利用盐水蓄热。 这种提高水温的办法，是受到一种自然现象的启发而产生的。早在 1902 年，科学家们考察罗马尼亚一个浅水湖时发现，越是靠近湖底，水温就越高， 即使在夏末时，水温有时可高达 70℃。这种现象是如何产生的呢？ 原来，湖底水温之所以高，是因为水中含有盐分，而且越是靠近湖底的 水，其所含盐分的浓度就越大。 通常，湖底处的热水会因密度变小而升到水面，从而形成对流。但是当 水中的盐分浓度很高时，水的密度就会随之增大，这样热水就难以升到水面， 从而打乱了水热升冷降的循环过程。由于湖水无法形成对流，热量便在湖底 处蓄积起来，而湖面上较轻的一层水，就像锅盖一样将池底的热能严严实实 地封住。结果，湖底的水温就会越来越高。 目前，世界上许多国家对太阳池发电很感兴趣，认为它提供了开发利用 太阳能的新途径，而且这种发电方式比其他利用太阳能的方法优越。同太阳 热发电、太阳光发电等应用太阳能的技术相比，太阳池发电的最突出优点是 构造简单，生产成本低；它几乎不需要价格昂贵的不锈钢、玻璃和塑料一类 的材料，只要一处浅水池和发电设备即可；另外它能将大量的热贮存起来， 可以常年不断地利用阳光发电，即使在夜晚和冬季也照常可以利用。因此， 有人说太阳池发电是所有太阳能应用中最为廉价和便于推广的一种技术。 美国对这项利用太阳能的新技术十分重视，一个由政府资助的科学家组 织对全国进行了调查，以确定太阳池发电计划和建造发电站的地方。至今美 国已修建了 10 个太阳池，以便进行研究试验。 在澳大利亚，已建成了一个面积为 3000 平方米的太阳池，并将用它发 电，以便为偏僻地区供电，并进行海水淡化和温室供暖等。日本农林水产省 土木试验场已建有四个 8 米见方，深 2.5～3 米的太阳池，用来为温室栽培和 水产养殖提供热能。 人们在太阳池发电的推广使用中，对其可能出现的问题能够及时地予以 研究解决。例如，起初人们估计铺在池底的薄膜会发生破裂，从而使盐水流 出，污染水池下面的土壤；但是实践证明，薄膜的防渗漏性能很好，没有出 现上述问题。对于太阳池发电所需要的大量盐，则可以利用太阳池的热能去 带动海水淡化装置来解决。就当前的实际应用情况来看，太阳池在供热和发 电方面还存在一些不足之处。但我们相信，随着科学技术的进步，在不久的 将来，太阳池发电将作为一种廉价的电源得到普遍应用。 太阳能气流电站 利用太阳能发电的方式很多，其中最为新奇的是太阳能气流发电。由于 这种电站有一个高大的“烟囱”，所以也被称作太阳能烟囱电站。 太阳能电站既不烧煤，也不用油，所以这个烟囱并非是用来排烟的，而 是用它抽吸空气，所以确切点说应称其为太阳能气流电站。 太阳能气流电站的中央，竖立着一个用波纹薄钢板卷制而成的大“烟 囱”，在“烟囱”的周围，是巨大的环形曲面半透明塑料大棚，在烟囱底部 装有气轮发电机。当大棚内的空气经太阳曝晒后，其温度比棚外空气高约 20 ℃。由于空气具有热升冷降的特点，再加上大“烟囱”向外排风的作用，就 使热空气通过“烟囱”快速地排出去，从而驱动设在烟囱底部的汽轮发电机 发电。 由于太阳能气流电站占地较大，所以今后的气流电站将要建在阳光充 足、地面开阔的沙漠地区。另外，塑料大棚内的地方很大，温度又较高，可 利用起来作暖房，种植蔬菜和栽培早熟的农作物。 太阳能气流电站的建造成功，使人类利用太阳能的技术得到进一步的提 高，并为利用和改造沙漠创造了良好的条件。 太阳能电池 要将太阳向外辐射的大量光能转变成电能，就需要采用能量转换装置。 太阳能电池实际上就是一种把光能变成电能的能量转换器，这种电池是利用 “光生伏打效应”原理制成的。光生伏打效应是指当物体受到光照射时，物 体内部就会产生电流或电动势的现象。 单个太阳能电池不能直接作为电源使用。实际应用中都是将几片或几十 片单个的太阳能电池串联或并联起来，组成太阳能电池方阵，便可以获得相 当大的电能。 太阳能电池的效率较低、成本较高，但与其他利用太阳能的方式相比， 它具有可靠性好、使用寿命长、没有转动部件、使用维护方便等优点，所以 能得到较广泛的应用。 太阳能电池最初是应用在空间技术中的，后来才扩大到其他许多领域。 据统计，世界上 90％的人造卫星和宇宙飞船都采用太阳能电池供电。美国已 于近来研究开发出性能优异的太阳能电池，其地面光电转换率为 35.6％，在 宇宙空间为 30.8％。澳大利亚用激光技术制造的太阳能电池，在不聚焦时转 换率达 24.2％，而且成本较低，与柴油发电相近。 在太阳能电池方阵中，通常还装有蓄电池，这是为了保证在夜晚或阴雨 天时能连续供电的一种储能装置。当太阳光照射时，太阳能电池产生的电能 不仅能满足当时的需要，而且还可提供一些电能储存于蓄电池内。 有了太阳能电池，就为人造卫星和宇宙飞船探测宇宙空间提供了方便、 可靠的能源。1953 年，美国贝尔电话公司研制成了世界上第一个硅太阳能电 池。而到 1958 年，美国就发射了第一颗由太阳能供电的“先锋 1”号卫星。 现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都安装了布满太阳能电池的铁翅膀， 使它们能在太空里远航高飞。 卫星和飞船上的电子仪器和设备，需要使用大量的电能，但它们对电源 的要求很苛刻：既要重量轻，使用寿命长，能连续不断地工作，又要能承受 各种冲击、碰撞和振动的影响。而太阳能电池完全能满足这些要求，所以成 为空间飞行器较理想的能源。 通常，根据卫星电源的要求将太阳能电池在电池板上整齐地排列起来， 组成太阳能电池方阵。当卫星向着太阳飞行时，电池方阵受阳光照射产生电 能，供应卫星用电，并同时向卫星上的蓄电池充电；当卫星背着太阳飞行时， 蓄电池就放电，使卫星上的仪器保持连续工作。我国在 1958 年就开始了太阳 能电池的研究工作，并于 1971 年将研制的太阳能电池用在我国发射的第三颗 卫星上，这颗卫星在太空中正常运行了八年多。 太阳能电池还能代替燃油用于飞机。世界上第一架完全利用太阳能电池 作动力的飞机“太阳挑战者”号已经试飞成功，共飞行了四个半小时，飞行 高度达 4000 米，飞行速度为每小时 60 千米。在这架飞机的尾翼和水平翼表 面上，装置了 16，000 多个太阳能电池，其最大能量为 2.67 千瓦。它是将太 阳能变成电能，驱动单叶螺旋桨旋转，使飞机在空中飞行的。 以太阳能电池为动力的小汽车，已经在墨西哥试制成功。这种汽车的外 型像一辆三轮摩托车，在车顶上架了一个装有太阳能电池的大篷。在阳光照 射下，太阳能电池供给汽车电能，使汽车以每小时 40 公里的速度向前行驶。 由于这辆汽车每天所获得的电能只能驱动它行驶 40 分钟，所以在技术上还有 待于进一步改进。 1984 年 9 月，我国也试制成功了太阳能汽车“太阳号”，这标志着我国 太阳能电池的研制已经达到国际先进水平。此外，我国还将太阳能电池用于 小型电台的通讯机充电上。当在野外工作无交流电源可用时，就可启用太阳 能电池小电台充电器。这种充电器使用方便，操作简单，因而深受用户欢迎。 太阳能电池在电话中也得到了应用。有的国家在公路旁的每根电线杆的 顶端，安装着一块太阳能电池板，将阳光变成电能，然后向蓄电池充电，以 供应电话机连续用电。蓄电池充一次电后，可使用 26 个小时。现在在约旦的 一些公路上，已安装有近百台这种太阳能电话。当人们遇有紧急事情时，可 随时在公路边打电话联系，使用非常方便。 由于太阳能电话安装简单，成本较低，又能实现无人管理，还能防止雷 击，所以很多国家都相继在山区和边远地带，特别是沙漠和缺少能源的地区， 安装了许多以太阳能电池为电源的电话。 芬兰曾经制成一种用太阳能电池供电的彩色电视机。它是通过安装在房 顶上的太阳能电池供电的，同时还将一部分电能储存在蓄电池里，供电视机 连续工作使用。 太阳能电池很适合作为电视差转机的电源。电视差转机是一种既能接收 来自主台的电视信号，又能将这种信号经过变频、放大再发射出去的电视转 播装置。我国地域辽阔，许多远离电视发射台的边远地区收看不到电视节目， 就需要安装电视差转机。但是，电视差转机一般都建在高山上，架设高压输 电线路供电很困难，投资很高，所以最适合使用太阳能电池供电。电视差转 机使用太阳能电池作电源，既建设快捷、投资节省，而且维护使用方便，还 可以做到无人指导管理。目前，我国许多地方已建成用太阳能电池作电源的 电视差转台，很受人们欢迎。 正是由于太阳能电池具有许多独特的优点，因而其应用十分广泛。从目 前的情况来看，只要是太阳光能照射到的地方都可以使用，特别是一些能源 缺少的孤岛、山区和沙漠地带，可以利用太阳能电池照明、空调、抽水、淡 化海水等，还可以用于灯塔照明、航标灯、铁路信号灯、杀灭害虫的黑光灯、 机场跑道识别灯、手术灯等，真可以说是一种处处可用的方便电源。 太阳能的储存 太阳能是一种很有发展潜力的新能源，然而它只能在白天和晴天使用， 而且稍纵即逝，结果有时想用却没有，有时又多得用不完。于是，人们就想 将它像煤炭、石油、天然气那样储存起来，或者如蓄电池那样把电能积蓄起 来，以便随时使用。 随着科学技术的发展，现在已经出现了除太阳能电池以外的一些储存太 阳能的方法，为充分利用太阳能创造了有利的条件。 目前，使用比较普遍的储存太阳能的方法是，先将太阳能变成热能，然 后再将热能储存在密封、隔热的水池中，以供需要时使用。 储存太阳能的方法很多，而且随着太阳能的进一步开发利用，必将出现 更多、更先进的太阳能储存方法。 太阳能空间电力站 在太阳能利用中，发展前景最为诱人的要算在宇宙空间建立太阳能电力 站的宏伟计划了。 众所周知，太阳光经过大气层到达地球表面时，已经大大减弱。而到达 地面的阳光，又有三分之一被反射回空间。因此，在大气层以上接收的太阳 能要比在地球上接收的多四倍以上。在这种情况下，人们就萌发了一个大胆 的设想：要把太阳能发电站搬到宇宙空间去，以便得到更多的太阳能。而且 这样还能避免地面太阳能电站接收太阳光时断时续的缺点。 要达到这一目的，就必须研制一种太阳能动力卫星，并把它发送到距地 面 3.5 万多公里的高空，而且与地球同步的轨道上（在这一轨道上，卫星绕 地球飞行一圈的时间，正好与地球自转一周的时间相同），这样就可以用它 把太阳能直接引到地球上。 在动力卫星上装有巨大的太阳能电池板，能把太阳能直接转换成电能， 然后再将电能转换成微波束发回地面。地面接收站通过巨型天线，可将动力 卫星送回地面的微波能重新转换成电能。 当然，就目前来说实现大型太阳能空间电力站计划还存在一定的技术难 关。比如，一个发电能力为一千万瓦的空间电力站，它上面的太阳能电池板 面积已达 64 平方公里；而把微波能发送到地面的列阵天线，其占用面积约达 两平方公里。此外，巨大的动力卫星需要分成部件运送到太空进行组装；卫 星安装后，还需要定期进行保养和检修，这就需要一种像航天飞机一样能往 返于地球和太空的运输工具。 现在，担负运输任务的航天飞机已奔忙于太空和地球之间，随着航天技 术的飞速发展，以及太阳能利用水平的不断提高，科学家们满怀信心地预言， 到本世纪末有可能通过航天飞机将第一个大型动力卫星送入轨道，为人类利 用太阳能揭开新的篇章。

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