太阳能的开发潜力(一)

王 洪 郝 梅

日月坛·“微排”大厦，山东德州中国太阳谷（全球最大太阳能研发基地）的标志建筑。“中国太阳谷”，占地3000余亩，是目前世界上最大的可再生能源研发、检测、生产、教育、旅游基地。摄影/梁宝海/FOTOE

古往今来，人们一直对太阳怀着深厚的情感，把她看作是宇宙万物的生命之源，是光明和美好的象征，大家总是用最美好的语言来描绘太阳，歌颂太阳。的确，太阳和我们人类的关系实在是太密切了。没有太阳就没有生命，没有太阳就没有我们人类。有一首歌一开头就这样写道：“阳光，阳光，我的母亲……”这一首歌，唱出了全人类的共同心声。

太阳是位不知疲劳的天使，她每天早上从东方升起，晚上由西边落下，一年365天，天天如此，从不间断，从不“消极怠工”，作为一个有志于事业的人，难道不应该从太阳那里学到一点精神吗?

一.硕大无朋的能源宝库

太阳是一颗炽热的恒星。根据近代宇宙科学的发展，发现太阳的能量来源于氢核子的聚变热核反应。

根据德国天文学家威尔曼的测算，太阳的直径约为139万千米，这是迄今为止较为精确的数值。据此进行推算，太阳的体积大约是141×1016立方千米，这相当于地球体积的130万倍。太阳的质量，据推算大约是2×1027吨。咱们的地球其质量大约是6×1021吨，这就是说，太阳的质量相当于地球的33万多倍。正由于太阳具有如此巨大的质量，所以在太阳系中的九大行星，都被它的巨大引力吸引着，并且长年累月地围绕着它运转。

太阳与地球之间的距离约为15000万千米。太阳光照射到地球上所用的时间，大约是8分20秒(光速大约每秒30万千米)。太阳中心的温度高达2000万℃，其表面温度接近6000℃。这个无与伦比的大火球具有如此惊人的高温，这正是她能不断地放出光和热的根本原因所在。

太阳输出的能量，大约每分钟多达235×1026焦耳。不过，太阳辐射的能量是向宇宙的四面八方发射的，其中能够达到地球大气高层的能量非常之少，大约只有其总辐射能量的22亿分之一，而且其中的大部分还被大气层反射和吸收掉而变成了风、雨、霜、雪、雷、电等等，因此真正辐射到地球陆地上的太阳能量，所占的份额是少得可怜的。不过，即便是这么一个少得可怜的的份额，其数量仍然十分惊人。具体地说，地球每年从太阳那里所获得的能量，相当于目前全世界每年能源供应总量的几万倍。可见对于太阳能资源的开发利用，其潜力是非常大的。

从广义上说，地球上蕴藏的煤、石油和天然气等化石能源资源，就它们的形成过程来说，也是在亿万年之前的太阳能经过转换之后积蓄下来的。人们现在开发利用的水能和风能，以及广泛使用的生物质能，同样也是由太阳能转换而来的，它们也是广义的太阳能。

不过，我们现在所说的对太阳能的开发利用，不是从广义上说的，而是从狭义上说的。这就是说，我们现在所讲的仅仅是指太阳的光和热的直接转换。

我国地域辽阔，气象部门的实测表明，全国大约有2／3以上的地区太阳能资源较为丰富，其中尤以西藏和西北地区最为突出，在这些地区太阳光的辐射强度大，日照时间长，非常适合于太阳能的开发利用。

据史书记载，我国是世界上利用太阳能最早的国家之一。远在3000年前，我们的祖先就发明了阳燧(利用太阳光取火的器具)。实际上这是人类历史上最早的一种太阳能聚光器，它在世界科学发明史上占有重要地位。它比国外相传的希腊著名科学家阿基米德利用聚光镜聚焦太阳能而烧毁敌船的故事，至少要早900多年。在北京的中国历史博物馆内，现在还收藏着春秋、汉、唐、宋等各个朝代的出土阳燧，其中有的至今光亮照人，尚能聚光。在天津艺术博物馆内珍藏的汉代阳燧，其背面清晰地镌有铭文“五月五，丙午，火燧可取天火”和“长乐未央宫”的篆体文字。

关于阳燧，在《墨经》和《博物志》中均有记载。西汉淮南王刘安撰写的《淮南子•天文训》及北宋沈括所著的《梦溪笔谈》中，对于阳燧的使用方法更有详细的描述。

在国外，人们把这种从太阳聚光而取火的方法誉为“圣火”。流传至今，国际奥林匹克运动会的火炬就是用这种“圣火”来点燃的，以此来表示庄严和神圣。

1615年，法国人所罗门发明了一种太阳能水泵，是他首先把太阳能转换成机械能。1901年，美国的伊尼斯造出了太阳能发动机。1954年，美国的贝尔研究所试制成功硅太阳能电池，开创了光电转换的先例。尽管在当代高新科技的发展中，还只有太阳能电池和太阳能热水器已经进入商业性开发，其它方面的太阳能利用目前还处在工业化生产的前夕，但太阳能的开发利用的巨大潜力，已经呈现出极其诱人的前景。

在20世纪70年代初，国际上出现了第一次石油危机，于是对太阳能的开发利用就提到议事日程上来了。美国首先创建了太阳能研究所，其研究费用的投入已从当初的300万美元剧增到7亿多美元。1974年，日本郑重其事地推出了“阳光计划”。在俄罗斯及西欧各国的高科技发展战略中，对于太阳能的研究开发均占有重要位置。一个以高新科技为基础的太阳能研究开发高潮已经到来了!

联合国于1981年召开了新能源和可再生能源世界会议；又于1990年组成了“太阳能发展与环境专家小组”，以便把太阳能的研究开发与环境条件的改善紧密地结合起来。

1992年，俄罗斯发布了一项科学试验新消息：他们利用“进步”号宇宙飞船，将巨大的太阳光反射镜送入地球轨道上，从而可以根据需要使俄罗斯的某些地区的黑夜变成白天。这项措施不仅适用于某些高纬度地区因季节原因日短夜长的改变；同时也可用来照亮地震及洪水等自然灾害地区，使救援工作得以顺利进行。

“进步”号飞船所携带的这种太阳光反射镜，其直径达22米。俄罗斯空间科学家计划把大约100面这样的太阳光反射镜发送到距离地面1550～5500千米的地球轨道上，使其排列成一个围绕地球的环状带。反光镜所用的材料为镀铝涤纶薄膜，其重量较轻，而且反光性好。这种特殊的反光镜同时还能够为宇宙飞船的太阳能电池板增强光电转换效率。

太阳能确实具有其独特的优点：①没有像煤、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不构成对环境的污染，所以人们称之为“干净能源”；②到处都可以得到太阳能，使用方便而安全；③成本低廉，并且可以再生。

二.太阳能的来源和开发潜力

太阳是一个炽热的气体球，它的主要成分是氢，在2×1027吨的太阳总质量中，氢占了大约71%。太阳每时每刻都在发出巨大的光和热，她向地球辐射的能量尽管只占其总辐射能量的22亿分之一，但其数量仍然大得惊人，每年至少为6×1017千瓦小时。据推算，太阳已有50亿年以上的历史。试想，即便是有一堆像太阳那么巨大的煤，那也只能燃烧3000年左右。那么，如此巨大的太阳能，究竟从何而来呢?

科学家们经过长期的研究，终于揭开了这个奥秘。原来，正由于太阳内部有大量的氢元素，而氢原子的原子核是由一个质子组成的。由于太阳内部的温度高达2000万℃，所以氢原子核就会发生核聚变反应。太阳内部无时无刻不在进行着这种原子核的聚变反应。形象地说，太阳好比是一座以核能为动力而以氢作燃料的极其巨大的能源工厂。在高温作用下，每4个氢原子核聚变成一个氦原子核，同时释放出大量的光能和热能。这便是通常所说的热核聚变反应。

在太阳内部不停地进行着这种热核聚变反应，犹如连续发生的氢弹爆炸一样，释放出极其巨大的能量。这种能量之大，相当于在1秒钟之内爆炸910亿颗100万吨(梯恩梯炸药)级的氢弹。太阳释放出来的能量之所以如此之大，就因为核聚变反应所释放出来的能量远非一般的化学反应(包括煤、石油及天然气的燃烧在内)所能比拟，前者所释放出来的能量要比后者高出100万倍以上。例如，用氢通过核聚变反应而合成4克氦所释放出来的热量，和燃烧12吨优质煤所得到的热量相当。

随着科学技术的发展，人们越来越深刻认识到开发利用太阳能的重要性。在当今世界各国都面临能源日益紧缺的情况下，太阳能已成为现代主要新能源之一。向太阳——人类取之不尽的能源宝库索取能量，实现人类历史上的第三次能源变革，已成为今后能源发展的主要趋向。所谓第三次能源变革，其主要涵义就是：由有限的化石能源(如煤、石油、天然气等)向无限的可再生能源(如太阳能、海洋能、生物质能、风能、水能、地热能、氢能等)及核能的方向转变。

如今，太阳能的开发利用已经扩展到科学研究、航空航天、工农业生产、国防建设和人们日常生活的方方面面：从人造卫星、宇宙飞船上用的太阳能电池，到清洁而使用方便的太阳能聚光灶；从不用燃油的太阳能飞机，到各种轻便适用的太阳能热水器；从太阳能汽车和汽艇，到集热性能良好的太阳能热管；从不产生污染的太阳能电站，到行驶自如的太阳能自行车；从熔炼高纯度合金的太阳能温炉，到小巧玲珑的太阳能收音机……真是一个琳琅满目的太阳能世界!

人类对于太阳能的开发利用尽管已经达到如此丰富多彩的地步，然而直到目前为止，已经得到开发利用的太阳能仅仅是其中极小的一部分，与太阳照射到地球上的全部能量比较起来，有如沧海之一粟。由于技术条件的限制，目前对太阳能的利用效率还比较低，使用的规模也比较小。大自然赐给人类的这个能源宝库，目前还远未得到充分开发利用。专家们认为：运用现代化手段大规模地开发利用太阳能，已经提到建设现代人类文明的议事程上来了。

2011年8月20日，日本横滨，日本JFE工程公司开发出的花式聚光型太阳能发电系统。与原有太阳能发电系统相比，实现了2倍以上的较高发电效率。摄影/Getty Images/CFP

三.太阳能热电站

2011年12月13日消息，西班牙南部格拉纳达（Calahorra bei Guadix），命名为达索尔1-3的太阳能发电站。达索尔1号，是欧洲第一个抛物线型槽发电站，也是世界上最大的太阳能发电站。摄影/CFP

所谓太阳能热电站，就是先把太阳光转变成热能，然后再按常规方法进行发电——通过机械装置将热能转变成电能。

太阳能热电站的能量转换过程是这样的：利用集热器(聚光镜)和吸热器(锅炉)把分散的太阳辐射能汇聚成集中的热能，再由热蒸汽来推动汽轮发电机组进行发电。它与一般火力发电厂的主要区别就在于：其动力来源不是煤或燃油，而是太阳的辐射能。

太阳能热电站多采用塔式，就是在地面上设置许多面聚光镜，从不同角度和不同方向上把太阳光收集起来，集中反射到一座高塔顶部的专用锅炉上，使锅炉内的水受热而变为高压蒸汽，由蒸汽驱动汽轮机，再由汽轮机带动发电机进行发电。

在太阳能热电站内还设有蓄热器。高压热蒸汽在推动汽轮机转动的同时，还通过专用的管道将一部分热能储存在蓄热器内。阴天、雨雪天及夜间没有阳光，便由蓄热器来提供热能，以确保太阳能热电站能够连续发电。

法国的奥德约太阳能热电站，是世界上第一座太阳能热电站。尽管它的发电能力在起初只有64千瓦，但它却开创了太阳能热发电的先河，是太阳能热发电历史上的里程碑。

1981年，法国、原联邦德国和意大利，联合在意大利的西西里岛上建造了世界上第一座并网运行的塔式太阳能热电站，其发电能力为1000千瓦，所用锅炉的热功率为4800千瓦。它采用182面聚光镜，其中镜面面积为50平方米的有70面，镜面面积为23平方米的有112面。镜场总面积达6000多平方米。每面聚光镜都由两台电动机带动，可绕垂直轴旋转，从而镜面能够跟踪太阳而转动。电动机分别由各面聚光镜所带的微处理机进行控制，而每台微处理机都直接同中央控制系统相联。锅炉内的蒸汽温度可达512℃。蓄热器内采用由KN03、NaN02和NaN03组成的熔盐，其温度可达430℃，能够储蓄热能60千瓦小时。一旦天空中云彩遮挡了阳光，那么每个蓄热器所储蓄的热能足以使热电站维持运行30分钟。

1982年，美国建成了一座大型塔式太阳能热电站。这座电站采用1818面聚光镜，塔高80米，其发电能力为1万千瓦。它以太阳能来加热油，再利用高温油来使水汽化，然后利用蒸汽来推动汽轮发电机进行发电。美国计划到本世纪末(本书出版于1999年，文中所谓本世纪即是上个世纪——编者注)，使太阳能热电站的总装机容量达4000万千瓦。

近年来，国外还研制成一种用碳黑来捕捉太阳能以驱动发电机进行发电的装置。它是通过一个聚光器把太阳光聚集起来，照射在一个装有碳微粒悬浮体的加热室内。碳微粒由于温度上升而气化。碳微粒吸收的热量可用来加热周围的空气，使其达到相当于喷气发动机的温度和压力。于是，被加热的空气可用来驱动汽轮机转动，并带动发电机进行发电。这种太阳能热电站每小时约消耗碳黑30千克，可产生供1万人口的城镇所需的电力。

俄罗斯计划在中亚地区建造目前世界上最大的太阳能热电站，其发电能力可达30万千瓦。在这个地区建造大型太阳能热电站的有利条件是日照时间特别长，每年的日照时间可达3000多小时。这座太阳能热电站将装设几排能跟随太阳转动的巨大反光镜，把太阳光聚集起来以后再照射在90米高的塔顶锅炉上，将水加热而变成200～300℃的蒸汽，再推动汽轮机进行发电。它同样也是将一部分热蒸汽送入蓄热器内，以备在夜间及阴雨天供电站进行发电。

太阳能热电站也有其不足之处：①需要占用很大的地方来设置反光镜。据计算，一座发电能力为1000千瓦的太阳能热电站，需占地110米×110米；一座1万千瓦的太阳能热电站，需占地350米×350米；一座10万千瓦的太阳能热电站，需占地950米×950米。②它的发电能力受天气和太阳出没的影响较大。尽管安置了蓄热器，但仍不能从根本上解决问题。

为了克服目前太阳能热电站的缺点，有的科学家设想把它搬到宇宙空间去。这是一个多么大胆的设想啊!