人类理想的能源

第二节　人类理想的能源——太阳能

太阳能资源的特点

太阳可以说是人类最大的一种取之不尽，用之不竭的能源库。与其他能源相比，主要有以下特点。

（1）数量巨大太阳具有3．75×10²³kW的辐射总功率，相当于每秒爆炸910亿颗百万吨TNT级氢弹。它辐射的能量是向四面八方释放的，只有大约8×10¹³kW的能量到达地球表面，差不多等于人类每年所需能量总和的5000倍。

（2）时间长久根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在了大约50亿年左右。按照目前太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持10¹¹年之久。对于人类存在的年代来说，确实可以认为是“取之不尽，用之不竭”的。

（3）普照大地太阳辐射能是以光的形式不断向外辐射能量，既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，都“一视同仁”，既无“专利”可言，也不可能进行垄断，开发和利用都极为方便。

（4）清洁安全太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全。

虽然太阳的辐射总量非常巨大，但从实用角度看，所能接收到的太阳辐射能量密度的大小受多种因素的影响，如昼夜、季节、天气阴晴等的变化，都会影响太阳的辐射强度，使得全年平均总日照量只有5×10⁶—6×10⁶kJ／m²，而且各地区差异也较大。所以，要获得一定数量的太阳能，就需要很大的太阳能收集设备，就会有很多困难，如：占地面积大、投资高，加之昼夜交替、晴雨变化、季节转换，都会影响太阳能的供应，制约了太阳能利用的发展。最近几十年来，随着新材料技术、电子技术的飞速发展，为太阳能的进一步利用创造了条件。太阳能工业正在崛起，显示出大有希望的前景。

太阳能的利用可以分为直接利用和问接利用。直接利用是指直接利用太阳辐射的热和光，基本方法有三种：一是把太阳能辐射直接转换成热能，即光热转换；二是利用光电效应直接把太阳辐射能转换成电能，即光电转换；三是把太阳辐射能转化成化学能，即光化学转换。

太阳光照射到地球上，使地球上的空气、陆地、海洋受热。由于各处受热情况不同和地理环境的影响，结果形成了风、霜、雨等天气现象，同时也产生了风能、水能、生物能等可供利用的二次能源。实际上，风能、水能、生物能等其实都是太阳能的表现，这就是太阳能的间接应用。

太阳能的光热转换

将太阳辐射能转换成可利用热能的基础是热箱原理。热箱是一种最普通的集热装置如下图。它的外围用隔热材料密封，以防止热量散失，其内表面全部涂上黑色，以增加吸收热量的能力。热箱上面装上玻璃等透光材料，让太阳光充分进入箱内。太阳光透过玻璃射入箱内，涂黑的内表面吸收太阳辐射能而将其变为热能，由于箱壁是隔热的，而且玻璃对箱内本身变热所产生的长波热辐射有阻挡作用，使箱内温度不断升高。热箱原理的应用极为广泛，如

热箱

冬天培植蔬菜的“温室”塑料大棚、太阳能热水器、太阳能蒸馏器、太阳能干燥器等。

除了利用集热装置收集太阳能外，还可以利用聚光镜。阳光照到聚光凹面镜的镜面上，产生的反射光聚焦成一焦点，焦点处的温度可达到几百甚至上千摄氏度。这种聚光式的集热器有很多用途，其典型的例子就是太阳能灶和太阳能高温炉。

太阳能的光电转换

最初利用太阳能发电的过程是先把太阳光能变成热能，再将热能变成机械能，然后由机械能转换成电能。如太阳能热电站，就是将太阳光收集起来用来加热特制锅炉中的水或其他液体，使之变成高温高压的蒸汽，再由蒸汽去推动发电机发电。随着科学家们的不断探索，1954年，美国贝尔实验室发明了将太阳能直接转换为电能的装置——太阳能电池。它是利用了光照射到半导体的PN结上时发生的“光生伏打效应”，即将N型半导体和P型半导体紧密接触时，则在交界面处形成PN结，当光照射到PN结时，会形成由N区流向P区的光致电流。光致电流使N区和P区分别积累了负电荷和正电荷，从而在PN结上形成附加的电势差，将太阳能转换成电场能储存在电池中。使用时，将PN结两端与外电路接通，便会有电流流过。

根据使用的半导体材料的不同，太阳能电池又可分为硅电池、硫化镉电池、磷化钴电池、砷化镓电池、有机半导体电池等。目前实际使用的太阳能电池大多是用单晶硅制成的。用一块像纸一样薄的N型小硅片，在其中一面均匀地掺进一层硼，使其变成P型层，从而得到PN结，然后，再加上电极，就做成了一个硅太阳能电池。这样制成的单个太阳能电池能量太小，不能直接用作电源。如果将几片或几十片太阳能电池串联起来，做成一块块具有一定容量的太阳能电池板使用，可用于大功率供电。

太阳能电池发明以后，1958年美国的第一颗“先锋号”卫星上作为通信电源。现在世界上大多数的航天器，都由太阳能电池给它们的电子仪器和设备提供电力。与其他能源相比，太阳能电池的效率一般较低，但其具有使用寿命长、可靠性好、没有转动部件、便于维护等优点，所以得到比较广泛的应用。如果把太阳能电池安装在战士的钢盔上，配上报话机，就可以构成一个小巧的“钢盔电台”。所以它可用作军事上通信设备的电源。如日常生活中用的录音机、助听器、计算器、手表、照相机等家用电器也可用它作动力，太阳能电池还能代替燃油用于飞机、汽车上。1996年，清华大学研制成功的太阳能赛车在日本举行的有多国32辆赛车参加的比赛中获得第13名，这标志着我国太阳能电池及相关的技术水平正在进入国际先进仃列。2004年，在我国首都北京正式启用了太阳能信号灯。

20世纪70年代中期，发明了非晶硅掺杂技术，制成了非晶硅太阳能电池，这大大降低了成本，给太阳能发电带来了革命性的变化，使之成为一种很有前途的太阳能电池。1992年美国建成的非晶硅太阳能电池电站的功率可达到5×10⁴kw，并通过电网向用户供电。日本也先后建成了近十座太阳光发电站。随着技术的进步，这种太阳光电站的成本将会逐渐降低，预计到21世纪初，将接近常规的火力电站的成本。

由于在地面上建造太阳能电站总是存在诸如占地面积太大、发电稳定性较差的不足，于是科学家们就提出到太空中去建造太阳能发电站——卫星电站的设想。如果这种设想能成为现实的话，则开辟了人类开发利用太阳能的新纪元。

太阳能的光化学转换

光化学转换是利用太阳和物质的光合作用引起的化学反应，即光化学效应。例如：光化学电池就是利用光照引起化学反应，使电解液内形成电流而供电的电池。太阳能光化学效应的另一个重要应用是制氢，因为氢可以作为生活需要的燃料，具有无污染、热值高等优点。

另外，绿色植物的光合作用对太阳能的利用效率极高，我们使用的煤、石油、天然气等常规能源就是由远古时代的生物的光合作用演变而成的。目前，科学家们正在研究仿生技术模仿光合作用。一旦成功，人造粮食、人造燃料将不再是梦想。