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《科学24小时》

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能源革命急先锋——太阳能

2013-04-12 21:52:57


初阳

18 世纪60 年代,英国人瓦特改良的蒸汽机,将人类带入了“蒸汽时代”。至此,人类开始了第一次工业革命。

19 世纪70 年代,电力被人们广泛应用,科学技术的发展突飞猛进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业生产,大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。

如今,全球站在第二次工业革命的临终点,也准备向着第三次工业革命进发。那么,第三次工业革命到底会给人类带来什么呢?许多科学家和经济学家认为,不同类别的资源消耗将会决定第三次工业革命为这个世界带来何种巨变。

几百年以前,人类使用煤炭和石油等矿藏资源作为主要的能源消耗品,可到了现在,我们依旧无法摆脱煤炭和石油的“控制”。倘若化石资源是无穷无尽的,倒也不会对我们的世界产生多大影响,但我们都知道,再过几十年,地球上的煤炭和石油都将消耗殆尽。到了那个时候,我们该依靠什么存活下去?

不用担心,智慧的人们已经做出了正确的选择———可再生能源。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源,具有取之不尽、用之不竭的特点,主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。相对于化石能源来说,可再生能源在自然界中可以循环再生。它就是我们解决问题的钥匙。

诚然,可再生能源多种多样,类目繁多,有的靠山,有的吃水,似乎选择任何一种可再生能源都能够维持人类至少几百万年的生存。不过,在这些能源中,唯有一种资源是人类目前最渴望利用也最适宜利用的,这就是能源革命急先锋———太阳能。

其实,太阳能这个词对于大家来说都不算陌生。大至太阳能飞机,小至太阳能玩具,从太阳能发电板到太阳能热水器,可以说人类对于太阳能的应用已经十分广泛了。但为什么还是有人说,太阳能依旧有其不可替代的发展前景呢?这就不得不从太阳能本身说起了。

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什么是太阳能

顾名思义,太阳能就是指太阳光的辐射能量。自地球形成以来,生物就主要以太阳提供的热和光生存,而人类自古也懂得利用阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。没有太阳,就没有地球上的水木山石、雪霁雾雨,也不会有生命出现,当然也就不会产生石油等矿石能源。可直到如今,在化石燃料急剧减少的情况下,人们才开始意识到,在生活里平平无奇的阳光竟然是这个世界上最丰富的能源。

其实,从广义的角度来看,无论是风能或水能,潮汐能或地热能都是太阳能的产物。人类所需的绝大部分能量都来自于太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳,并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由埋在地下的古代动植物经过漫长的地质年代演变形成的。换句话说,没有太阳能就没有这个地球。

那太阳辐射到地球的能量究竟有多少?地球轨道上的平均太阳辐射强度为每平方米1367 千瓦,地球获得的能量可达173000 太瓦(1太瓦相当于1 万亿瓦)。如果仅是计算太阳辐射到达地球陆地表面的能量,那么每一秒钟大约是1.2 万亿千瓦。这个数值是一个什么概念?我们不妨做一个小小的假设。首先,我们得找一块阳光充足的地方,只要半个青海省那么大就够了,然后设法收集那儿的太阳能,只要能够利用其中的20%,那么全球的能源问题就解决了。既然太阳能如此丰富又十分环保,那为何我们不广泛使用太阳能呢?因为利用太阳能的难度实在不小!

 

利用太阳能的难题

尽管大家都知道太阳能相较于其他能源的优势所在,但是如果我们无法攻克利用太阳能过程中的一些难点,那么人类想要享受太阳能带来的便利将十分困难。

首先,太阳能具有分散性。尽管到达地球表面的太阳辐射的总量很大,但是能流密度相当低。打个比方,在北回归线附近且天气晴朗的夏季,正午时太阳辐射的辐照度最大,在垂直于太阳光方向1 平方米面积上接收到的太阳能平均就有1000 瓦左右。若按全年昼夜均分,则只有200 瓦左右。而在冬季大致只有100 瓦,阴天一般只有40 瓦左右,这样的能流密度是很低的。因此,在利用太阳能时,想要得到一定的转换功率,往往需要用到一套面积相当大的收集和转换设备,可想而知,这套设备的造价将会非常昂贵。

其次,太阳能具有不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等条件的限制以及晴、阴、云、雨等天气因素的影响,到达某一地面的太阳辐照度既是间断的,又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源,就必须很好地解决蓄能问题。把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来,以供夜间或阴雨天使用,但目前蓄能也是太阳能利用技术中最为薄弱的环节之一。人类不得不承认,昼夜更迭和阴晴云雨等最影响太阳能辐射的因素是我们无法改变的。

最后,太阳能的效率低且使用成本高。当然,我们这里提到的“效率低”和“成本高”仅是针对现在而言的。目前太阳能利用的发展水平,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置,因为效率偏低,成本较高,经济性还不能与常规能源竞争。在今后相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展将主要受到经济的制约。

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太阳能利用的主要方式

虽然人类对太阳的利用能还存在着许多无法攻克的难题,但利用方式却已经多彩多样,非常丰富了。接下来,就让我们一起了解一下目前太阳能利用的主要方法。

光热利用

我们最常见的太阳能热水器和太阳能炉灶就属于这种利用方式,是最简单也是利用率最低的一种使用方式,主要依靠光热转换器中的真空管对太阳能加以利用。内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层,以最大限度地吸收太阳辐射能。经阳光照射,光子撞击涂层,太阳能转化成热能。

太阳能发电

太阳能发电是人类目前利用太阳能的最主要方式,分为光伏发电和光热发电两种。

光伏发电利用光伏效应将光能直接转化成电能。光伏效应的原理是半导体材料受到光子的撞击,会释放出电子,电子迁移产生电流。而撞击这块半导体的太阳光子所携带的能量并不相同,并非所有光子都能激发出电子。另一方面,只有合适的材料才能实现光电的最大转化,目前实验室的最大光电转换效率已经超过了40%。而应用最广泛最成熟的技术是硅电池板,其效率为7%~17%。为了寻找更廉价、光电转换效率更高的材料,还需要研究人员付出更多的努力。

光热发电则是利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器吸收热量加热蒸汽,然后由蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。

太阳跟踪和聚光是太阳能发电的两项关键技术。以光伏发电为例,保证太阳能电池板时刻跟踪太阳可提高效率40%。而跟踪技术更是聚光技术的基础,并且只有实现高倍的聚光才能实现对太阳能集热器的加热。

光生物利用

这是一种利用植物的光合作用将太阳能转换成生命物质的方法,和一般种树不同,目前主要用于种植速生植物、油料作物和巨型海藻。

光化利用

这是一种利用太阳辐射能直接分解水的光化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。

光化转换就是因吸收光辐射导致化学反应而转换为化学能的过程。其基本形式有植物的光合作用和利用物质化学变化贮存太阳能的光化反应。植物靠叶绿素把光能转化成化学能,实现自身的生长与繁衍,若能揭示光化转换的奥秘,便可实现人造叶绿素发电。目前,太阳能光化转换正在积极探索、研究中。

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利用太阳能真的靠谱吗

虽然从目前来看,人类尚处于直接利用太阳能的初级阶段,但随着石油、天然气等化石燃料以及环境问题日益严重,太阳能技术将会得到人们越来越多的关注。许多国家首脑都已经明确表示将动用大量资金支持新能源的研究,而太阳能则是重中之重。随着光发电设备成本的下降,只要我们能将每度电的成本控制在1 元人民币以内,那么太阳能发电相对于其他传统发电技术就会有足够的竞争力。

权威科学家预测,到2030 年,太阳能发电将占世界电力供应的10%以上,而到了2050 年,将达到20%以上。也许在不久的将来,我们就将会看到曾经作为能源革命急先锋的太阳能被人们广泛利用,第三次工业革命的时代就要来了!

 

名词解释

光伏效应:指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是光子转化为电子、光能量转化为电能量的过程,其次是形成电压的过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。

光化反应:物质在可见光或紫外线照射下吸收光能时发生的化学反应。它可引起化合、分解、电离、氧化、还原等过程。主要有光合作用和光解作用两类。

 

 




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