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第18章 恒星中的代表:太阳(2)

事物总是发展的变化的,有始也有终。据研究,太阳形成于50亿年前,它的寿命还有50亿年(是指主序星阶段的结束)现在处于相对成熟稳定的阶段,有利于地球上生命的存在和发展。宇宙中不同质量的恒星其演变历程也有所不同,像地球这样中等个头的恒星,现在属于黄矮星,几十亿年后将成为一颗红巨星,最终成为白矮星乃至“熄灭”,地球是太阳系的一员,应该是与太阳同呼吸共命运的。

太阳是一个巨大的核聚变反应堆,主要是氢聚变为氦,发出巨大的能量。以它的光芒照射着我们的太阳,是地球能量的主要来源,我们所感受到的太阳的存在,是它的辐射。太阳的辐射,主要是可见光,也有红外线和紫外线,可见光占太阳辐射总量的50%,红外线占43%。紫外区只占能量的7%。据粗略估计,太阳每分钟向地球输送的热能大约是250亿亿卡,相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。平均日地距离时,在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能有1353w/m2,这是相当可观的,到达地球表面的辐射能则因大气和尘埃的反射、折射有一定的衰减,并随纬度的不同而有差异。煤炭和石油则是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能,风能、水力归根结底也是太阳能的转化形式。

生命起源需要能量,生命要维持和延续也需要能量。一定的温度条件也是生物生存和延续所必需的,最低限度是水必须保持液态。太阳给我们带来温暖和光明,提供了必需的能量。如今对太阳能最主要的利用是通过植物的光合作用来实现的,营光合作用的生物是食物链的基础。有资料表明地球上的植物每年固定了3×1021焦耳的太阳能,相当于人类全部能耗的10倍,合成近2000亿吨有机物。对我们人类来说,通过光合作用不断产生的有机物是太阳的最基本的恩赐。太阳辐射还能帮助我们推动地球上物质的循环和流动。日光(紫外线)能杀灭许多有害的微生物,照射皮肤可以将我们摄入的一些营养成分转化为我们所必需的维生素D,帮助钙的吸收利用。

当今通过科学技术装备,人们扩大了对太阳能的直接或间接的利用。最简单的是太阳能热水器,再就是太阳能发电,用太阳能驱动车辆。日光被聚焦或能达到很高的温度,现在世界上最大的抛物面型反射聚光器有9层楼高,总面积2500平方米,焦点温度高达4000℃,许多金属都可以被熔化。在地球上的化石能源逐渐趋于枯竭,并污染严重的情况下,科学家对安置在地面或太空中的太阳能电站寄予很大的期望。由于在高空的静止轨道上每天可以有90%以上的时间受到阳光照射,并没有大气层的阻挡衰减,据计算每天能接收太阳能32kW·h/m2,在上世纪70年代,美国NASA(美国国家航空和宇宙航行局)和能源部曾提出了一个空间太阳电站方案,在静止轨道上部署60个发电能力各为500万千瓦的太阳能电站,可以基本上满足本国对电能的需要。日本有一个计划,在若干年后将一枚发电能力为一百万千瓦特的卫星,送上距离地球表面约三万六千公里的轨道。甚至还有科学家设想在月球上建立太阳能电站。我国的西藏、青海等地区,日照比较强,近年来地面的太阳能发电装置发展较快。西藏平均海拔4000米,是世界上离太阳最近的地方,空气稀薄、透明度好、纬度低,年日照时数在3000小时左右,太阳能年辐射总量为每平方厘米185千卡以上,据测算去年西藏通过太阳能的开发利用年节能相当12.7万吨标准煤、价值人民币1亿元左右。

然而太阳对我们也不是有百利而无一弊的,相对稳定不等于不变,地球上许多地质和气象灾害都与太阳活动有关。大范围来说地球的发展史上有过多次冰河期,每次冰河期地球气候变冷,甚至导致生物物种的大量灭绝,一万年前,最后一次冰河期结束,地球的气候才相对稳定在当前人类习以为常的状态。小范围来说,约11.2年的太阳黑子周期,对地球的气候等方面有相当的影响。太阳风也是一种太阳辐射,它是带电粒子流;在太阳黑子、耀斑增多和日冕物质喷发时,会使太阳风大大增强,成为太阳风暴,引起大气电离层和地磁的变化,会严重干扰地球上无线电通讯及航天设备的正常工作,使卫星上的精密电子仪器遭受损害,地面电力控制网络发生混乱,甚至可能对航天飞机和空间站中宇航员的生命构成威胁。2000年起,伴随着太阳黑子的增多,太阳活动又一次进入活跃期,2001年9月下旬太阳发生了一次强烈的X射线爆发和质子爆发,达到正常流量的1万倍,对跨越极地地区的短波通信、广播等会造成一定影响。2000年全球地震加剧与太阳风暴影响地球磁场有关。有的科学家把太阳风暴比喻为太阳打“喷嚏”,太阳一打“喷嚏”,地球往往会发“高烧”。

风是好东西,空气的流动可以使不同地区的空气组成趋向均一,可以减少温差,可以传播花粉等等,但风灾(龙卷风、热带气旋、台风-风暴潮)往往造造成生命财产的巨大损失。雨也是我们所不可或缺的,但是频繁的洪涝灾害,对人类正常的生产、生活破坏也是严重的。

人为的因素往往加剧自然灾害,除污染问题外,突出的是温室效应,大气层中日益增多的二氧化碳、甲烷等能阻挡地球热量的散发,如同温室的塑料薄膜。近年来全球的政府机构和科学家都十分关注全球气候变暖的问题,据观测从19世纪末开始全球平均气温上升了0.3~0.6℃,而且正在不断加剧。大多数科学家认为主要原因是大量温室气体排放造成的温室效应。20世纪的90年代,全球发生的重大气象灾害比50年代多5倍,因此遭受的年均经济损失也从60年代的40亿美元飚升至290亿美元。专家预言若不采取措施,在未来的一百年中全球平均气温可能上升1.4至5.8摄氏度,这将使极端天气和气候事件更为频繁,严重威胁全球社会经济的可持续发展。气候变暖将导致海平面升高。有一份由以3000名科学家的调查为基础撰写的报告,预言2010年,海平面将显著上升。首当其冲的是太平洋岛国图瓦卢,在过去十年里,海水已经侵蚀了图瓦卢1%的土地,如果地球环境继续恶化,在五十年之内,图瓦卢九个小岛将全部没入海中,在世界地图上将永远消失。而且,它变得无法居住的时间还会大大提前。为此图瓦卢的领导人考虑可能要举国动迁。据报道,美国皮尤全球气候变化研究中心近期发表的一份研究报告估计说,到本世纪末全球气温的升高,使南北极的冰和高山的积雪、冰川不断融化,将导致海平面升高17-99厘米。如果那样,我国富庶的东南沿海将受严重影响。平均气温升高将显著影响的物种分布,许多物种会加速灭绝,破坏生态环境。20世纪开始由于人类活动等原因,地球上空的臭氧层变薄并出现空洞,太阳辐射中的紫外线,失去阻挡,大量到达地面,人类和生物将因此而受到过强紫外线的伤害。

确实,我们人类没有能力改变宇宙演化规律,没有能力改变太阳这个庞然大物的生老病死和喜怒哀乐。有的科学家设想的地球人口过多或在遥远的将来地球环境变得不适合人类居住的时候,可以向其他星球移民。即使可能实现,也只是不得已的措施。在今天我们必须面对现实,必须进一步深入地研究太阳,更多地了解它的实际和运动规律,趋利避害,更好地利用它,例如在太阳能的利用方面应该还有许多可能,包括用生物技术改造藻类、植物的光合作用能力(现在的农作物对光能的利用率一般只有百分之几)。与此同时采取措施规避它的危害,加强对太阳活动的观测,提高气象、地质灾害的预报水平;特别要减少温室气体的排放,保护和恢复臭氧层。

3.利用太阳能

太阳能的研究与应用

全球石油、天然气、煤、铀储量利用年限分别为40、50、200、60年2040-2050年全球可再生能源将取代常规能源,占主导地位。太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性等优势,是理想的替代能源。

我国的相关政策

2005年9月,上海市政府公布“上海开发利用太阳能行动计划”。

2006年6月,中国成立风能太阳能资源评估中心。

2009年3月23日,财政部印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》,拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。

太阳能——未来最理想的能源

太阳是一个炽热的气态球体,没有固体的星体或核心。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应,所以不断地释放出巨大的能量,并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量,其氢的储量足够维持100亿年太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦,相当于燃烧90兆吨优质煤的热量;太阳能是取之不尽,用之不竭的且无污染的能源。

太阳能优缺点

优点:普遍性、无害性、丰富性、长久性

缺点:分散性、不稳定性、效率低、成本高

太阳能的开发途径:光热转换/光电转换/光化学转换光热利用

利用太阳辐射能加热集热器,把吸收的热能转换为机械能或电能。

德国青年自制太阳能汽车环游世界

太阳能烘干机可以烘干粮食、烟叶、干果、农副产品及木材等;主动和被动的太阳房是利用太阳能采暖,是空调的一种简单、经济、有实效的项目;可利用太阳能蒸馏器进行海水淡化……

太阳能发电:

光——热——电转换

用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电光——电转换(光伏发电)利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术太阳能电池(solarcell)

定义1:

将太阳辐射直接转换成电能的器件。

所属学科:

电力(一级学科);可再生能源(二级学科)

定义2:

以吸收太阳辐射能并转化为电能的装置。

所属学科:

资源科技(一级学科);能源资源学(二级学科)太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段历史:

术语“光生伏打(Photovoltaics)”来源于希腊语,意思是光、伏特和电气的,来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字,在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。

以太阳能发展的历史来说,光照射到材料上所引起的“光起电力”行为,早在19世纪的时候就已经发现了。

1849年术语“光-伏”才出现在英语中。

1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。

1883年第一块太阳电池由CharlesFritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结,器件只有1%的效率。

到了1930年代,照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。

1946年RussellOhl申请了现代太阳电池的制造专利。

到了1950年代,随着半导体物性的逐渐了解,以及加工技术的进步,1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后,第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。

1960年代开始,美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。

1970年代能源危机时,让世界各国察觉到能源开发的重要性。

1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

目前,在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。

在这些国家中,美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法,推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年,政府补助49%的经费,以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候,由太阳能电池提供电能给自家的负载用,若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候,所需要的电力再由电力公司提供。

到了1996年,日本有2,600户装置太阳能发电系统,装设总容量已经有8百万瓦特。一年后,已经有9,400户装置,装设的总容量也达到了32百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度,预估日本住家用太阳能电池的需求量,也会急速增加。

在中国,太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月,财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。

太阳能电池原理

太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。