书城科普青少年应该知道的能源
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第3章 宇宙核能——太阳能

1.万物之能——太阳能

在众多的能源中,和人类关系最密切的首推太阳能。一般来说,太阳能就是指太阳给我们带来的光能和热能。广义上说,水能、风能、生物质能、化石燃料能源都是太阳能的另一种表现。

太阳能,一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应,不停地释放出巨大的能量,并不断向宇宙空间辐射能量,这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应,可以维持几十亿年的时间。

广义上,太阳能可以说是地球上许多能量的来源,如地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等),从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能的核反应有核裂变和核聚变两种。核裂变能产生巨大的能量,1千克核裂变燃料产生的能量是1千克煤的2700倍。而核聚变产生的能量将更大,1千克核聚变燃料释放的能量是1千克核裂变燃料的4倍。

太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8×1023兆瓦的辐射值,其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能,30%被大气层反射,23%被大气层吸收,其余的到达地球表面,其功率为80万亿兆瓦,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。平均在大气外每平方米面积每分钟接受的能量大约1367瓦。

所以可想而知,太阳的巨大身体,拥有的核聚变燃料会产生多么巨大的能量。

由于太阳的质量很大,它拥有的核燃料要全部燃烧完,要花几十亿至上百亿年的时间。据科学家估计,太阳的寿命为100亿年。目前,它正处于旺盛的成年期50多亿年。

2.此长彼消——太阳能的优点和缺点

太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染;它为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源、减少污染的时代。

太阳能的优点:

(1)普遍性:太阳光普照大地,没有地域的限制,无论陆地或海洋,无论高山或岛屿,都处处皆有;太阳的光能和热能可直接开发和利用,且无须开采和运输。

(2)无害性:开发利用太阳能不会污染环境,它是最清洁的能源之一。在环境污染越来越严重的今天,这一点是极其宝贵的。

(3)巨大性:每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标准煤,总量属现今世界上可以开发的最大能源。

(4)长久性:根据目前太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持上百亿年,而地球的寿命也约为几十亿年,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是用之不竭的。

太阳能的缺点:

(1)分散性:太阳光到达地球表面的辐射总量尽管很大,但是能流密度很低。平均说来,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,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有1000瓦左右;如果按全年日夜平均计算,则只有200瓦左右;而在冬季大致只有一半,阴天一般只有1/5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,往往需要面积相当大的一套收集和转换设备,造价较高。

(2)不稳定性:由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,所以,太阳光到达某一地面的辐照度既是间断的,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,也就是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中较为薄弱的环节之一。

(3)效率低和成本高: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。总体来说,太阳能的经济性还不能与常规能源相竞争。在相当长的一段时期内,太阳能利用的进一步发展,主要受到经济因素的制约。

3.物尽其能——太阳能的利用

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期,就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火;利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代,太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有光化学反应,被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源利用方式。

我们如何利用好太阳能呢?现在,人们利用太阳能的方法主要是利用能量转化的原理把太阳能转化成我们所需要的能量,方法主要有如下4个方面。

(1)光热利用。

就是将太阳光转换成热能加以利用。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。

(2)太阳能发电。

未来太阳能将大规模地用于发电。利用太阳能发电的,目前主要有以下两种:

①光——热——电转换。即利用太阳光所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光——热转换,后一过程为热——电转换。

②光——电转换。它的基本原理是利用光电效应将太阳光能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。

(3)光化利用。

这是一种利用太阳辐射能直接分解水,制造氢气的光——化学转换方式。这种方法常用做海水淡化。

(4)光生物利用。

利用植物的光合作用,将太阳能转换成为生物质能。目前主要通过大量种植速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻,来把太阳能转化为生物能。

光明使者——太阳能路灯

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯。它具有不受供电影响,不用开沟埋线,不消耗常规电能,只要阳光充足就可以就地安装等特点,因此受到人们的广泛关注。由于它不会给环境带来污染,而被称为绿色环保产品。

太阳能路灯可用于城市公园、道路、草坪的照明,又可用于人口分布密度较小、交通不便、经济不发达、缺乏常规燃料,难以用常规能源发电,但太阳能资源丰富的地区,以解决这些地区人们的家用照明问题。