[太阳系] 太阳能的利用

  对太阳能的利用,中国是世界上最早的国家之一.远在3000多年前的西周时代(公元前11世纪),就已有了"阳燧取火"技术的记载,所谓"阳隧",就是形似凹面镜的金属圆盘,对着太阳聚光,在聚光点点燃艾绒等易燃物,取得火种.这是一种最古老的太阳能聚光器.1990年第11届亚运会火炬的火种,就是于8月7日下午,在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下,由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的.原理与古代阳燧差不多,唯聚光所用的材料有较大的差别.阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位.


  国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一.约在公元前215~210年间,古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛,派了一支舰队攻打希库扎港,著名的学者阿基米德,为了保卫家乡,他让每个士兵用擦亮的铜盾,排列在城堡上,把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上,结果使舰船起火,敌人仓惶逃跑.可惜无法考证,人们认为是一种传说.然而在1973年,希腊的一位科学家萨克斯博士,雇了50多名水手,各持一块长方形铜镜,聚焦一只木船,结果木船起火.此可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的.


  以上说明太阳能利用技术古已存在.但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用,还是起于1615年.法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人.从此,太阳能利用进入了一个新的历史时期.


  目前,人类利用太阳能主要有两种形式:一种是太阳能热利用,即利用太阳辐射能加热集热器,把吸收的热能直接加以利用.如果集热器匹配不同用途也就有不同名称,如太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调等.另一种是将太阳辐射能转化为电能加以利用.


  这种光电转换是通过半导体物质直接将太阳辐射能转换为电能,通常称这种过程为光生伏打效应,如太阳能电池等.


  我国太阳能资源是丰富的,辐射年总量在3300~8400兆焦/米2.年.


  5850兆焦/米2.年这条等值线,自大兴安岭西麓向西南,经河套沿青藏高原东缘到云南和西藏交界处、将我国分为两大部分,西北部太阳能丰富,东南部和川贵太阳能较贫乏.目前我国太阳能开发利用最好的大都分布在太阳能丰富的地区.据不完全统计,太阳灶有16万台,太阳能热水器250万平方米,被动太阳房180万平方米,太阳能农作温室34.2万公顷.


  太阳能热发电,又称"塔式太阳能发电".美国、日本、欧洲等已建成几座这样的电站.世界上最大的是美国能源部在加利福尼亚州莫哈维沙漠的巴斯托"太阳能1号电站",功率是10兆瓦,塔高100米,定日镜39.9米2×1818面.后来又在1号电站的附近,开始建2号热电站,也是10兆瓦,在1996年完成,投资4850万美元.日本阳光计划总部建的两座1兆瓦、法国建的2.5兆瓦、意大利建的1兆瓦、西班牙建的1兆瓦等太阳能热电站,都在运行.由于太阳能热电站设备庞大,造价高,短期内尚难进入商业性发展,


  但它却显示出巨大的潜力.


  太阳能电站


  浩瀚的太平洋上曾经有过一个埃卢也拉普小岛,它是马沼尔群岛中的一个岛,1952年10月,美国实施的代号"常青藤行动"——爆炸第一颗氢弹,把这个小岛的户口永远地吊销了.这颗氢弹长约9米,它爆炸时,一个通红的火球腾空而起,其威力比投在广岛的原子弹的威力大500多倍,相当于107吨烈性炸药TNT的威力.


  然而氢弹的这点本事和太阳的威力比起来,简直渺小的微不足道.太阳每秒钟发出的能量为3.83×1023焦耳,这个能量等于1016吨优质煤完全燃烧后所产生的总能量.按日前的生产能力,全世界每年约开采50亿吨煤,如果50万年前的中国猿人也能如此采煤的话,那么积50万年开采煤的总和,还顶不上太阳烧1/4秒!如若太阳把它的全部能量都集中射向地球,那相当于地面上每平方公里上爆炸180颗比第一枚氢弹威力大10倍的氢弹.万幸的是,地球只得到了太阳能量的22亿分之一,不过这22亿分之一已非同小可,如果在天上建个太阳能发电站把地球所能得到的全部太阳能用来发电,它每年可产生58亿亿度电!


  20世纪中叶,科学家已在地面上实现了把太阳能转化为电能,那么既然如此,又何必去天上建造太阳能发电站呢?原来在地球上建立大型太阳能一电能转换装置,会出现很多不利因素.因为在地球上的任何一个地方,一般一年中只有1/2左右的时间能获得日照,而且日照程度又随时间和天气而改变,所以不能把它作为基本负载的电厂来使用.同时还因为在地面上有风和重力存在,使建筑超级大型太阳能电池阵或反射镜颇为困难.加之存在大气和地面的各种污染,还需要设计专用自动清洗设备对其进行定期清洗,不然就会影响它的转换效率.


  然而,在宇宙空间建立太阳能电站,能合理地充分利用空间资源.太阳能电站最好设置在赤道平面内的地球同步轨道上,位于西经123度和东经57度附近,使太阳能电池阵始终对太阳定向,并且发射天线的微波束必须指向地面的接收天线.不过当空间太阳能电站绕地球运动时,总有一部分时间内被地球遮挡住阳光,因此,每年有277天是全日照,仅每年的春分、秋分前后各有45天时间,因地球阴影停止发电,但最长的停电时间也只不过75分钟,而停电时间又是可以正确预测的,照此算来,空间太阳能电站平均每天有99%的时间,可向地上接收设备输电.在外层空间,太阳能的利用绝不会受到天气、尘埃和有害气体的影响,再加上日照时间长,因此空间太阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比,接收的太阳能要高出6~15倍.


  早在1968年,美国科学家格拉塞博士就提出建造太阳能发电卫星的设想.这位科学家设计的太阳能发电卫星发射到地球同步轨道上,展开后长达 12公里,重11万吨,太阳能电池板分布在卫星两侧,可自动跟踪太阳.卫星上有一座可以转动的天线,直径达1公里,永远指向地球.它采用取之不尽、用之不竭的太阳能,利用太阳能电池板把太阳的光能转化为电能,然后通过特高频率放大器变为微波能,借助相控阵发射天线把微波能定向发送到地面接收站,最后转化为电能,为地球上的用户提供服务.这种太阳能发电卫星就是一座建在太空的太阳能电站,人们称它为太空电站.


  由于太空电站的结构尺寸和质量都相当庞大,需要用航天飞机把它的构架和部件运到太空轨道上进行装配.首先是在500公里高的近地轨道上设立空间基地,用来中转物资和人员,然后在36000公里高的同步轨道上完成建造和总装太阳能电站的任务.鉴于采用高度自动化的技术,参加空间建造的人员不宜太多,但也不能过少,据估计,建造一座5000兆瓦的太空电站,需要500多人在太空工作半年,其中135人在近地轨道空间基地工作,400人在同步轨道空间基地服务.


  美国已将研制这种太空电站提上日程,它的发电能力为5000兆瓦,大致可供纽约州使用,预计到2025年建成100座,届时将供应全美30%的电力.


  人类不仅在筹备建造太空电站,而且已经用各种办法向太阳"借光".


  1993年2月4日,格林威治时间5点多,俄罗斯"进步"号宇宙飞船所携带的一面直径为22米的镀铝箔圆形反射镜像伞一样打开,它把太阳光反射到地球背阳一面的欧洲里昂、日内瓦、伯尔尼、慕尼黑等4公里宽的地区达6分钟之久.这面反射镜用凯夫拉纤维制成,厚度仅5微米,加上反射镜骨架总重40千克,它反射到地面的阳光相当于日光的2~3倍.


  据科学家测算,如果建一个实用型太空太阳能照明系统,约需要80万美元,但由此节省的电费却高达3500万美元.如果制造多个类似反射镜的照明系统,并采用定点式照射,那么其亮度可达40~50个满月强度,地球上将出现真正的"不夜城".


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