能源革命急先鋒——太陽能

初 陽

18世紀60年代，英國人瓦特改良的蒸汽機，將人類帶入了“蒸汽時代”。至此，人類開始了第一次工業(yè)革命。

19世紀70年代，電力被人們廣泛應(yīng)用，科學技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，各種新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮，并被迅速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，大大促進了經(jīng)濟的發(fā)展。這就是第二次工業(yè)革命。

如今，全球站在第二次工業(yè)革命的臨終點，也準備向著第三次工業(yè)革命進發(fā)。那么，第三次工業(yè)革命到底會給人類帶來什么呢？許多科學家和經(jīng)濟學家認為，不同類別的資源消耗將會決定第三次工業(yè)革命為這個世界帶來何種巨變。

幾百年以前，人類使用煤炭和石油等礦藏資源作為主要的能源消耗品，可到了現(xiàn)在，我們依舊無法擺脫煤炭和石油的“控制”。倘若化石資源是無窮無盡的，倒也不會對我們的世界產(chǎn)生多大影響，但我們都知道，再過幾十年，地球上的煤炭和石油都將消耗殆盡。到了那個時候，我們該依靠什么存活下去？

不用擔心，智慧的人們已經(jīng)做出了正確的選擇——可再生能源?？稍偕茉词侵冈谧匀唤缰锌梢圆粩嘣偕⒂览m(xù)利用的能源，具有取之不盡、用之不竭的特點，主要包括太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等?？稍偕茉磳Νh(huán)境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用。相對于化石能源來說，可再生能源在自然界中可以循環(huán)再生。它就是我們解決問題的鑰匙。

誠然，可再生能源多種多樣，類目繁多，有的靠山，有的吃水，似乎選擇任何一種可再生能源都能夠維持人類至少幾百萬年的生存。不過，在這些能源中，唯有一種資源是人類目前最渴望利用也最適宜利用的，這就是能源革命急先鋒——太陽能。

其實，太陽能這個詞對于大家來說都不算陌生。大至太陽能飛機，小至太陽能玩具，從太陽能發(fā)電板到太陽能熱水器，可以說人類對于太陽能的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛了。但為什么還是有人說，太陽能依舊有其不可替代的發(fā)展前景呢？這就不得不從太陽能本身說起了。

什么是太陽能

顧名思義，太陽能就是指太陽光的輻射能量。自地球形成以來，生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而人類自古也懂得利用陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。沒有太陽，就沒有地球上的水木山石、雪霽霧雨，也不會有生命出現(xiàn)，當然也就不會產(chǎn)生石油等礦石能源。可直到如今，在化石燃料急劇減少的情況下，人們才開始意識到，在生活里平平無奇的陽光竟然是這個世界上最豐富的能源。

其實，從廣義的角度來看，無論是風能或水能，潮汐能或地熱能都是太陽能的產(chǎn)物。人類所需的絕大部分能量都來自于太陽。植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳，并把太陽能轉(zhuǎn)變成化學能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由埋在地下的古代動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代演變形成的。換句話說，沒有太陽能就沒有這個地球。

那太陽輻射到地球的能量究竟有多少？地球軌道上的平均太陽輻射強度為每平方米1367千瓦，地球獲得的能量可達173000太瓦（1太瓦相當于1萬億瓦）。如果僅是計算太陽輻射到達地球陸地表面的能量，那么每一秒鐘大約是1.2萬億千瓦。這個數(shù)值是一個什么概念？我們不妨做一個小小的假設(shè)。首先，我們得找一塊陽光充足的地方，只要半個青海省那么大就夠了，然后設(shè)法收集那兒的太陽能，只要能夠利用其中的20%，那么全球的能源問題就解決了。既然太陽能如此豐富又十分環(huán)保，那為何我們不廣泛使用太陽能呢？因為利用太陽能的難度實在不??！

利用太陽能的難題

盡管大家都知道太陽能相較于其他能源的優(yōu)勢所在，但是如果我們無法攻克利用太陽能過程中的一些難點，那么人類想要享受太陽能帶來的便利將十分困難。

首先，太陽能具有分散性。盡管到達地球表面的太陽輻射的總量很大，但是能流密度相當?shù)汀４騻€比方，在北回歸線附近且天氣晴朗的夏季，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1平方米面積上接收到的太陽能平均就有1000瓦左右。若按全年晝夜均分，則只有200瓦左右。而在冬季大致只有100瓦，陰天一般只有40瓦左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要用到一套面積相當大的收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，可想而知，這套設(shè)備的造價將會非常昂貴。

其次，太陽能具有不穩(wěn)定性。由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等條件的限制以及晴、陰、云、雨等天氣因素的影響，到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題。把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用技術(shù)中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一。人類不得不承認，晝夜更迭和陰晴云雨等最影響太陽能輻射的因素是我們無法改變的。

最后，太陽能的效率低且使用成本高。當然，我們這里提到的“效率低”和“成本高”僅是針對現(xiàn)在而言的。目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，經(jīng)濟性還不能與常規(guī)能源競爭。在今后相當一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步發(fā)展將主要受到經(jīng)濟的制約。

太陽能利用的主要方式

雖然人類對太陽的利用能還存在著許多無法攻克的難題，但利用方式卻已經(jīng)多彩多樣，非常豐富了。接下來，就讓我們一起了解一下目前太陽能利用的主要方法。

光熱利用

我們最常見的太陽能熱水器和太陽能爐灶就屬于這種利用方式，是最簡單也是利用率最低的一種使用方式，主要依靠光熱轉(zhuǎn)換器中的真空管對太陽能加以利用。內(nèi)玻璃管的表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，以最大限度地吸收太陽輻射能。經(jīng)陽光照射，光子撞擊涂層，太陽能轉(zhuǎn)化成熱能。

太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電是人類目前利用太陽能的最主要方式，分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種。

光伏發(fā)電利用光伏效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)化成電能。光伏效應(yīng)的原理是半導體材料受到光子的撞擊，會釋放出電子，電子遷移產(chǎn)生電流。而撞擊這塊半導體的太陽光子所攜帶的能量并不相同，并非所有光子都能激發(fā)出電子。另一方面，只有合適的材料才能實現(xiàn)光電的最大轉(zhuǎn)化，目前實驗室的最大光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了40%。而應(yīng)用最廣泛最成熟的技術(shù)是硅電池板，其效率為7%～17%。為了尋找更廉價、光電轉(zhuǎn)換效率更高的材料，還需要研究人員付出更多的努力。

光熱發(fā)電則是利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器吸收熱量加熱蒸汽，然后由蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。

太陽跟蹤和聚光是太陽能發(fā)電的兩項關(guān)鍵技術(shù)。以光伏發(fā)電為例，保證太陽能電池板時刻跟蹤太陽可提高效率40%。而跟蹤技術(shù)更是聚光技術(shù)的基礎(chǔ)，并且只有實現(xiàn)高倍的聚光才能實現(xiàn)對太陽能集熱器的加熱。

光生物利用

這是一種利用植物的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)換成生命物質(zhì)的方法，和一般種樹不同，目前主要用于種植速生植物、油料作物和巨型海藻。

光化利用

這是一種利用太陽輻射能直接分解水的光化學轉(zhuǎn)換方式。它包括光合作用、光電化學作用、光敏化學作用及光分解反應(yīng)。

光化轉(zhuǎn)換就是因吸收光輻射導致化學反應(yīng)而轉(zhuǎn)換為化學能的過程。其基本形式有植物的光合作用和利用物質(zhì)化學變化貯存太陽能的光化反應(yīng)。植物靠葉綠素把光能轉(zhuǎn)化成化學能，實現(xiàn)自身的生長與繁衍，若能揭示光化轉(zhuǎn)換的奧秘，便可實現(xiàn)人造葉綠素發(fā)電。目前，太陽能光化轉(zhuǎn)換正在積極探索、研究中。

利用太陽能真的靠譜嗎

雖然從目前來看，人類尚處于直接利用太陽能的初級階段，但隨著石油、天然氣等化石燃料以及環(huán)境問題日益嚴重，太陽能技術(shù)將會得到人們越來越多的關(guān)注。許多國家首腦都已經(jīng)明確表示將動用大量資金支持新能源的研究，而太陽能則是重中之重。隨著光發(fā)電設(shè)備成本的下降，只要我們能將每度電的成本控制在1元人民幣以內(nèi)，那么太陽能發(fā)電相對于其他傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)就會有足夠的競爭力。

權(quán)威科學家預(yù)測，到2030年，太陽能發(fā)電將占世界電力供應(yīng)的10%以上，而到了2050年，將達到20%以上。也許在不久的將來，我們就將會看到曾經(jīng)作為能源革命急先鋒的太陽能被人們廣泛利用，第三次工業(yè)革命的時代就要來了！

名詞解釋

光伏效應(yīng)：指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是光子轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程，其次是形成電壓的過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。

光化反應(yīng)：物質(zhì)在可見光或紫外線照射下吸收光能時發(fā)生的化學反應(yīng)。它可引起化合、分解、電離、氧化、還原等過程。主要有光合作用和光解作用兩類。