流浪地球?别闹了! 科学利用太阳能才是关键

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  你看过《流浪地球》吗?

  在电影中,科学家发现太阳系急剧衰减可能会吞噬整个太阳系,于是提出一个大胆的计划:在地球的表面建成数以万计的行星发动机和转向发动机,燃烧足够多的物质让地球达到逃逸速度,并从太阳系中脱离出去。

  不过,在现实中,地球可不是想跑就能跑的。地球必须和太阳保持恰当的距离,以保证适当的生存温度并获取足够的能量。正是这恰当的距离,才让地球上诞生了人类文明。

  正所谓,万物生长靠太阳,而且我们还找不到更好的太阳替代品,因此电影中呈现的流浪状态暂时只能是科幻作家的“美好”幻想。地球和太阳已经和平相处了45.4亿多年了,这感情可不是一般兄弟能比的。既然不能逃离,不如想想如何更科学地利用太阳能。

  为什么要利用太阳能?

  我们庞大的社会机器要维持正常运转,所消耗的大部分能源,包括煤炭、石油和天然气都是化石能源。炼钢炼铁离不开煤炭;出门开车需要的汽油、柴油都来自于石油提炼;家里做饭、冬天供暖则大多需要燃烧天然气来产生热量……

  我们的生活离不开化石能源,但是无节制地大规模使用化石能源会带来严重的环境污染。化石燃料的燃烧会产生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物,当它们在空气中积累的浓度很高后就会产生酸雨。空气扩散条件不好时,还会造成雾霾。臭氧层空洞、全球变暖、危害人体健康等一系列问题,就会层出不穷。

  我们需要蓝天,需要舒适的生活环境,那就需要改变传统的能源利用方式,从一味地依靠化石能源,转而多途径利用清洁可再生的能源,如风能、太阳能、氢能、潮汐能、生物质能和地热能。这其中储量丰富的太阳能是目前我们最常使用的再生能源之一。

  我们知道,太阳是一个巨大的火球,中心可以达到数百万以上的温度,表面也有5800摄氏度。太阳80%的质量是由氢组成的,在太阳的内部会发生质子链式核反应。地球上的能源主要来自于太阳,太阳和地球中间是真空的大气层,因此只能通过辐射的方式将太阳能输送到地球上。太阳的辐射十分复杂,由很多个波段组成的,包括紫外线、长波辐射、红外和可见光等等。每个波段都有自己的特点,它们累加起来就形成总的太阳能。

  可以看出,太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。从某种程度上讲,太阳能可以说取之不尽用之不竭,每年到达地球表面的太阳辐射能大约是130万亿吨标准煤,相当于目前全世界每年所消耗的各种能量总和的1万倍。

  与此同时,太阳能在目前的能源装机中起到越来越重要的作用。2011年时我国在全球新增的装机容量中占的比重非常小,到2017年我们的新增的装机容量已经达到世界的50%以上。截至2019年底,我国的太阳能光伏的装机容量已经超过2亿千瓦,相当于十几个三峡水电站。

  太阳能除了能量巨大外,还有许多的优点,例如可再生性。而且,其他几乎所有再生能源的再生性,其实都来源于太阳能的再生性。同时,太阳能在时间上是长久的,对于人类而言,可以说是永久的、无限的。太阳能也是广泛的,整个地球表面几乎都能照射到太阳光。相比于其他能源来说,太阳能也是最安全可靠的。

  太阳能作为一种自然能源,以其储量丰富且无污染性的独特优势,被国际公认为未来最具竞争性的能源之一。因此,更加充分地开发和利用太阳能能够让我们更好地保持自然平衡,充分体现可持续发展和人类回归自然的理念。

  我们该如何利用太阳能?

  前面说到,太阳能由多个波段组成,因此我们可以通过各种方式来利用太阳能,其中一项重要的技术就是太阳能发电。

  目前,太阳能发电有两种技术,第一种技术是把太阳能转化为电能,叫太阳能光伏发电。生活中我们常能看到屋顶、路灯上有很多太阳能电池板。这些电池板主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、聚光光伏电池和薄膜电池等几种。应用比较广泛的有单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,其中单晶硅太阳能电池的发电效率可以达到20%以上。在实验室里,太阳能光伏发电效率已经能达到45%以上。

  太阳能同样可以运用于高科技技术,比如把太阳能光伏板安装在停车棚上,给电动汽车提供电源。可以说,有了这项技术,有太阳的地方,就有动力。我们的卫星和登月的月球车就是由太阳能来提供电源的,也许在不久的将来,还可能研发出太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能公路以及太阳能充电器等新技术。

  另外一种利用技术就是把太阳能转化为热能。太阳能直接产生高温蒸汽,再转为他用,这在工业上有许多的应用。如将太阳能真空管放到屋顶,产生热水可供洗澡;聚光太阳能和线性太阳能集热器,让我们不用烟熏火燎就能实现户外烧烤。总之,只有你想不到的,没有做不了的。

  此外,还可以运用太阳能热发电技术发电。早在1982年,美国就建成了第一个名为Solar One的太阳能热发电站,验证了太阳能热发电技术的可行性。随后在美国加州南部建立了大面积的抛物槽式太阳能热发电站,总的装机容量达到了354MW。太阳能热发电技术得以在全球大规模应用和发展,预计到2020年运行可以达到10GW以上。

  太阳能在经过衰减、大气层的折射以及水蒸气的折射后,来到地球表面的辐照强度就会变得比较低。比如太阳能在大气层外的能量密度是1300瓦每平米,而即使在北京夏天最热的时候,到达地面的太阳的辐照强度也只有900瓦每平米,因此需要通过聚光的方式来获取更高的能流密度和更高的温度。目前,太阳能聚光系统主要有抛物槽聚光系统、线性菲涅尔聚光系统、碟式聚光系统和塔式聚光系统四种。

  抛物槽式集热器聚光系统利用抛物线的原理,用抛物面的镜子将太阳能聚集在抛物面的交线上,用于得到更高能流密度的太阳能。

  连续的抛物面镜子制作起来比较困难,我们采用不连续的平面镜子同样可以达到抛物线的效果,这就是另外一种太阳能聚光系统——线性菲涅尔集热器。

  碟式集热器聚光系统有点像大型的天线,如果我们在焦点上放一只水壶,可以将水烧开;如果提高精度和聚光面积,就可以达到数千摄氏度的高温。

  最后一种是塔式集热器聚光系统,这种系统中间有个数百米高的塔,聚光镜把太阳能聚光到塔的顶端,聚光比可以达到数千倍以上,温度甚至可以达到数千摄氏度以上。聚集了太阳能以后,利用我们传统的热发电方式,就可以发电了。

  总地来说,太阳能聚光系统是利用几何光学特性将低热流密度的太阳辐射能收集起来,形成高的辐射热流密度聚光系统。太阳能热发电被认为是发电稳定、对电网冲击小并可实现大规模发电的绿色能源利用技术,具有很好的发展前景。目前,如何提高太阳能热发电效率、降低发电成本是太阳能热发电研究的焦点。

  更多的技术,更广泛的应用,更美好的未来

  在太阳能发电技术之后,未来太阳能必定还有其他更多的利用空间。

  例如:高温太阳能热化学制氢中,利用太阳能直接分解水产生氢气和氧气,同时也可以把二氧化碳进行分解产生一氧化碳。通过进一步的化学反应,我们可以把氢气和一氧化碳变成目前使用的液态燃料,比如甲醇、乙醇和汽油等等。

  但这种技术需要很高的温度才能把水的化学键给打开,因此我们还可以把太阳能和传统的液体燃料结合起来,这样需要的温度就非常低。这种中低温太阳能热化学制氢技术,通过200到300摄氏度的太阳能驱动甲醇的热化学反应,产生一氧化碳和氢气,然后驱动传统的内燃机。

  太阳能也可以应用于太阳能光催化制氢,利用半导体的特殊性能,我们把半导体材料放到水中,太阳能激发电子跃迁,形成还原氧化活性的电子空穴对,在水中能够置换出氢气,可以用来发电并制取液体燃料,等等。

  未来的能源形势是多种多样的,多能源互补的太阳能利用技术是发展趋势所在。实现多元转化,让太阳能成材料也可以用来发电,与我们目前的能源网络多功能利用形成能源互联网,使我们的生活变得更加便利。

  能源是人类社会发展的动力,而能源技术发展依赖于科技的发展和革新,希望同学们努力学习,为我国的能源技术的发展做出自己的贡献。

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