?你看過《流浪地球》嗎?

?在電影中,科學家發(fā)現(xiàn)太陽系急劇衰減可能會吞噬整個太陽系,于是提出一個大膽的計劃:在地球的表面建成數(shù)以萬計的行星發(fā)動機和轉向發(fā)動機,燃燒足夠多的物質讓地球達到逃逸速度,并從太陽系中脫離出去。

《流浪地球》海報 ?圖片來源:中國日報

?不過,在現(xiàn)實中,地球可不是想跑就能跑的。地球必須和太陽保持恰當?shù)木嚯x,以保證適當?shù)纳鏈囟炔@取足夠的能量。正是這恰當?shù)木嚯x,才讓地球上誕生了人類文明。

?正所謂,萬物生長靠太陽,而且我們還找不到更好的太陽替代品,因此電影中呈現(xiàn)的流浪狀態(tài)暫時只能是科幻作家的“美好”幻想。地球和太陽已經和平相處了45.4億多年了,這感情可不是一般兄弟能比的。既然不能逃離,不如想想如何更科學地利用太陽能。

?為什么要利用太陽能?

?我們龐大的社會機器要維持正常運轉,所消耗的大部分能源,包括煤炭、石油和天然氣都是化石能源。煉鋼煉鐵離不開煤炭;出門開車需要的汽油、柴油都來自于石油提煉;家里做飯、冬天供暖則大多需要燃燒天然氣來產生熱量……

?我們的生活離不開化石能源,但是無節(jié)制地大規(guī)模使用化石能源會帶來嚴重的環(huán)境污染?；剂系娜紵龝a生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物,當它們在空氣中積累的濃度很高后就會產生酸雨。空氣擴散條件不好時,還會造成霧霾。臭氧層空洞、全球變暖、危害人體健康等一系列問題,就會層出不窮。

圖片來源:路透社

圖片來源:新華網(wǎng)

?我們需要藍天,需要舒適的生活環(huán)境,那就需要改變傳統(tǒng)的能源利用方式,從一味地依靠化石能源,轉而多途徑利用清潔可再生的能源,如風能、太陽能、氫能、潮汐能、生物質能和地熱能。這其中儲量豐富的太陽能是目前我們最常使用的再生能源之一。

?我們知道,太陽是一個巨大的火球,中心可以達到數(shù)百萬以上的溫度,表面也有5800攝氏度。太陽80%的質量是由氫組成的,在太陽的內部會發(fā)生質子鏈式核反應。地球上的能源主要來自于太陽,太陽和地球中間是真空的大氣層,因此只能通過輻射的方式將太陽能輸送到地球上。太陽的輻射十分復雜,由很多個波段組成的,包括紫外線、長波輻射、紅外和可見光等等。每個波段都有自己的特點,它們累加起來就形成總的太陽能。

?可以看出,太陽能是太陽內部高溫核聚變反應所釋放的輻射能。從某種程度上講,太陽能可以說取之不盡用之不竭,每年到達地球表面的太陽輻射能大約是130萬億噸標準煤,相當于目前全世界每年所消耗的各種能量總和的1萬倍。

?與此同時,太陽能在目前的能源裝機中起到越來越重要的作用。2011年時我國在全球新增的裝機容量中占的比重非常小,到2017年我們的新增的裝機容量已經達到世界的50%以上。截至2019年底,我國的太陽能光伏的裝機容量已經超過2億千瓦,相當于十幾個三峽水電站。

?太陽能除了能量巨大外,還有許多的優(yōu)點,例如可再生性。而且,其他幾乎所有再生能源的再生性,其實都來源于太陽能的再生性。同時,太陽能在時間上是長久的,對于人類而言,可以說是永久的、無限的。太陽能也是廣泛的,整個地球表面幾乎都能照射到太陽光。相比于其他能源來說,太陽能也是最安全可靠的。

?太陽能作為一種自然能源,以其儲量豐富且無污染性的獨特優(yōu)勢,被國際公認為未來最具競爭性的能源之一。因此,更加充分地開發(fā)和利用太陽能能夠讓我們更好地保持自然平衡,充分體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和人類回歸自然的理念。

?我們該如何利用太陽能?

?前面說到,太陽能由多個波段組成,因此我們可以通過各種方式來利用太陽能,其中一項重要的技術就是太陽能發(fā)電。

?目前,太陽能發(fā)電有兩種技術,第一種技術是把太陽能轉化為電能,叫太陽能光伏發(fā)電。生活中我們常能看到屋頂、路燈上有很多太陽能電池板。這些電池板主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、聚光光伏電池和薄膜電池等幾種。應用比較廣泛的有單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池,其中單晶硅太陽能電池的發(fā)電效率可以達到20%以上。在實驗室里,太陽能光伏發(fā)電效率已經能達到45%以上。

?太陽能同樣可以運用于高科技技術,比如把太陽能光伏板安裝在停車棚上,給電動汽車提供電源?？梢哉f,有了這項技術,有太陽的地方,就有動力。我們的衛(wèi)星和登月的月球車就是由太陽能來提供電源的,也許在不久的將來,還可能研發(fā)出太陽能汽車、太陽能飛機、太陽能公路以及太陽能充電器等新技術。

?另外一種利用技術就是把太陽能轉化為熱能。太陽能直接產生高溫蒸汽,再轉為他用,這在工業(yè)上有許多的應用。如將太陽能真空管放到屋頂,產生熱水可供洗澡;聚光太陽能和線性太陽能集熱器,讓我們不用煙熏火燎就能實現(xiàn)戶外燒烤。總之,只有你想不到的,沒有做不了的。

各種太陽能燒烤

?此外,還可以運用太陽能熱發(fā)電技術發(fā)電。早在1982年,美國就建成了第一個名為Solar One的太陽能熱發(fā)電站,驗證了太陽能熱發(fā)電技術的可行性。隨后在美國加州南部建立了大面積的拋物槽式太陽能熱發(fā)電站,總的裝機容量達到了354MW。太陽能熱發(fā)電技術得以在全球大規(guī)模應用和發(fā)展,預計到2020年運行可以達到10GW以上。

?太陽能在經過衰減、大氣層的折射以及水蒸氣的折射后,來到地球表面的輻照強度就會變得比較低。比如太陽能在大氣層外的能量密度是1300瓦每平米,而即使在北京夏天最熱的時候,到達地面的太陽的輻照強度也只有900瓦每平米,因此需要通過聚光的方式來獲取更高的能流密度和更高的溫度。目前,太陽能聚光系統(tǒng)主要有拋物槽聚光系統(tǒng)、線性菲涅爾聚光系統(tǒng)、碟式聚光系統(tǒng)和塔式聚光系統(tǒng)四種。

?拋物槽式集熱器聚光系統(tǒng)利用拋物線的原理,用拋物面的鏡子將太陽能聚集在拋物面的交線上,用于得到更高能流密度的太陽能。

?連續(xù)的拋物面鏡子制作起來比較困難,我們采用不連續(xù)的平面鏡子同樣可以達到拋物線的效果,這就是另外一種太陽能聚光系統(tǒng)——線性菲涅爾集熱器。

?碟式集熱器聚光系統(tǒng)有點像大型的天線,如果我們在焦點上放一只水壺,可以將水燒開;如果提高精度和聚光面積,就可以達到數(shù)千攝氏度的高溫。

?最后一種是塔式集熱器聚光系統(tǒng),這種系統(tǒng)中間有個數(shù)百米高的塔,聚光鏡把太陽能聚光到塔的頂端,聚光比可以達到數(shù)千倍以上,溫度甚至可以達到數(shù)千攝氏度以上。聚集了太陽能以后,利用我們傳統(tǒng)的熱發(fā)電方式,就可以發(fā)電了。

?總地來說,太陽能聚光系統(tǒng)是利用幾何光學特性將低熱流密度的太陽輻射能收集起來,形成高的輻射熱流密度聚光系統(tǒng)。太陽能熱發(fā)電被認為是發(fā)電穩(wěn)定、對電網(wǎng)沖擊小并可實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電的綠色能源利用技術,具有很好的發(fā)展前景。目前,如何提高太陽能熱發(fā)電效率、降低發(fā)電成本是太陽能熱發(fā)電研究的焦點。

?更多的技術,更廣泛的應用,更美好的未來

?在太陽能發(fā)電技術之后,未來太陽能必定還有其他更多的利用空間。

?例如:高溫太陽能熱化學制氫中,利用太陽能直接分解水產生氫氣和氧氣,同時也可以把二氧化碳進行分解產生一氧化碳。通過進一步的化學反應,我們可以把氫氣和一氧化碳變成目前使用的液態(tài)燃料,比如甲醇、乙醇和汽油等等。

?但這種技術需要很高的溫度才能把水的化學鍵給打開,因此我們還可以把太陽能和傳統(tǒng)的液體燃料結合起來,這樣需要的溫度就非常低。這種中低溫太陽能熱化學制氫技術,通過200到300攝氏度的太陽能驅動甲醇的熱化學反應,產生一氧化碳和氫氣,然后驅動傳統(tǒng)的內燃機。

?太陽能也可以應用于太陽能光催化制氫,利用半導體的特殊性能,我們把半導體材料放到水中,太陽能激發(fā)電子躍遷,形成還原氧化活性的電子空穴對,在水中能夠置換出氫氣,可以用來發(fā)電并制取液體燃料,等等。

?未來的能源形勢是多種多樣的,多能源互補的太陽能利用技術是發(fā)展趨勢所在。實現(xiàn)多元轉化,讓太陽能成材料也可以用來發(fā)電,與我們目前的能源網(wǎng)絡多功能利用形成能源互聯(lián)網(wǎng),使我們的生活變得更加便利。

?能源是人類社會發(fā)展的動力,而能源技術發(fā)展依賴于科技的發(fā)展和革新,希望同學們努力學習,為我國的能源技術的發(fā)展做出自己的貢獻。

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