能源之“光”

蘇更林

人類利用能源的歷史，實際上是人類認識和征服自然的歷史。在諸多的能源存在形式中，太陽光能不僅是地球生命賴以生存的基礎(chǔ)，也是人類社會的“能源之母”。

光伏發(fā)電和光熱發(fā)電

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池半導體界面的光伏效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所謂光伏效應(yīng)是指由于光照而產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池、儲能裝置、測量控制裝置和直流-交流轉(zhuǎn)換裝置等構(gòu)成的。目前地面光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率低，但價格更便宜。按照應(yīng)用需求，太陽能電池經(jīng)過一定的組合可以達到額定的輸出功率和輸出電壓。

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩種形式。獨立光伏系統(tǒng)是我國常見的太陽能應(yīng)用方式之一，不僅系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)范圍很廣。比如，太陽能路燈、戶用電源系統(tǒng)以及邊遠村莊供電系統(tǒng)等可以獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，是指與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是大規(guī)模利用太陽能的首選方式，因此代表了太陽能利用工程的發(fā)展方向。

隨著科技的進步，太陽能光熱發(fā)電也進入快速發(fā)展期。西班牙已經(jīng)建成了功率分別為10兆瓦和20兆瓦的塔式光熱發(fā)電站。美國莫哈韋沙漠上的太陽能光熱發(fā)電廠，在塔式建筑周圍已建有上百面反光鏡。此外，還有設(shè)想在撒哈拉沙漠上建設(shè)“超級太陽能發(fā)電站”，如果該工程能夠按計劃建成，那么它可以提供歐洲2050年所需總能源的15%，這充分說明了太陽能光熱發(fā)電的巨大潛力。

太陽能光熱發(fā)電是將光能轉(zhuǎn)化成熱能，帶動汽輪機進行發(fā)電。一般的塔式光熱發(fā)電站，高塔周圍遍布許多面反光鏡，這些鏡面將太陽光直接反射并聚焦到塔式建筑的焦點上，可達到上千攝氏度的高溫。這樣的高溫可以直接加熱位于焦點之后的鍋爐，并帶動汽輪機進行發(fā)電。撒哈拉沙漠上的“超級太陽能發(fā)電站”，將布置624面反光鏡，每面鏡子的面積將達到121平方米。它們將按一定的結(jié)構(gòu)進行排列，并組成一個超級陣列。

太陽能光熱應(yīng)用與光伏應(yīng)用相比，其優(yōu)勢在于規(guī)模大。比如，光熱發(fā)電站的單個發(fā)電機組裝機容量可在10千瓦到100兆千瓦之間，這就為太陽能光熱發(fā)電提供了極大的發(fā)展空間。同時，光熱發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢還表現(xiàn)在以下兩個方面：一是光熱發(fā)電是通過加熱鍋爐推動發(fā)電機組進行發(fā)電的，因此所產(chǎn)生的電流為通用電網(wǎng)所需要的交流電。而光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電流為直流電，因此需要通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)換成交流電后才能大規(guī)模輸送出去;二是光熱發(fā)電大量使用特殊油料和溶鹽作為熱介質(zhì)，如果與儲熱設(shè)備配合使用，則能夠在日落后繼續(xù)進行發(fā)電，從而有利于提高電網(wǎng)供電的安全性。

空間太陽能

太空中的物質(zhì)資源是極其豐富的，具有很高的利用價值。目前最有希望大規(guī)模開發(fā)利用的空間物質(zhì)資源要數(shù)太陽能了。在地球同步軌道上，太陽的光照時間遠高于在地面上，因此在太空中利用太陽能發(fā)電可以大大提高能源利用效率。同時，發(fā)展空間太陽能發(fā)電還具有無污染、無輸電線的特點，既可以直接向空間站和各類航天器供電，也可以通過微波向地面供電。

世界各國十分看好空間太陽能利用的發(fā)展前景，推出了多種多樣的發(fā)電方案。美國宇航局提出一個太空“雞尾酒杯”太陽能發(fā)電站方案。漂浮在太空的巨大的“雞尾酒杯”實際上是巨型太陽能電池板，它由數(shù)以千計的纖薄曲面鏡構(gòu)成，可把采集的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⑼ㄟ^微波傳輸至地球?！半u尾酒杯”能夠環(huán)繞太陽移動運行，從而最大限度地獲得太陽能?？茖W家認為，這種雞尾酒杯狀發(fā)電站要比平板太陽能電池板成本更為低廉。

在太陽能收集板上鋪設(shè)太陽能電池，通過光電轉(zhuǎn)換把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再經(jīng)微波轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)換成微波，并通過天線將電能以微波的形式向地面發(fā)送。地面接收站再把微波能還原成電能。

“能源之母”

我們通常把煤炭、石油、天然氣等燃料稱為化石燃料，是因為它們都是古代生物埋藏于地下多年而形成的。正是由于植物世界的光合作用，才使得巨量的太陽能能夠以化學能的形式貯存下來，從而在漫長的地質(zhì)年代中逐步形成了煤炭、石油、天然氣等化石燃料。從這個意義上來說，我們今天廣泛使用的化石燃料實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。

無時無地不在的風，也是由太陽能轉(zhuǎn)化而來的。實際上，風就是由于地球表面受熱不均產(chǎn)生的溫度差異而引起的大氣對流運動。風能是指風所承載的能量，即空氣的動能。風能的大小決定于風速和空氣的密度。專家們認為，在地球表面吸收的太陽能中大約只有2%的能量轉(zhuǎn)化為了風能，但地球上的風能資源總量是十分可觀的，甚至要比地球上可被開發(fā)利用的水能總量還要多得多。并且由于風能具有可再生性和綠色無污染性等特征，因此風能開發(fā)利用前景是十分廣闊的。

被譽為海洋能“龍頭老大”的溫差能，實際上也是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。海洋的表面接受太陽的輻射能以后，大部分能會轉(zhuǎn)化成為熱能并儲存在海洋的表層，而深層海水溫度很低，許多海域終年形成了20℃以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可以實現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電。

【責任編輯】龐 ?云