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太阳能利用装置

太阳放射光和热所产生的能量,对生活在地球上的万物是不可缺少的生命源泉。人饿了要吃东西,而一切食物都可以说是太阳能的贮存袋。也就是说,太阳发出的放射能先供植物进行光合作用,将水和二氧化碳制成碳水化合物和其它化合物。动物又靠食用植物而生存。人将这些由太阳能变成化学能的能量贮存袋吃进去,在体内变成机械能。这就是吃了东西才有力气的道理。

草木是一种太阳能贮存袋;煤炭和石油也可以说是在数亿年前埋在地下保存至今而由现代人开采出来利用的太阳能贮存袋。地球上的风雨、海浪、潮汐等现象的能量,无不来自太阳。太阳的光和热经过1.5亿公里的旅途到达地球,只是极少部分。但它所带来的温暖和光明,足够整个地球一切生物的活动所需了。

在一年中由太阳放射达地球的能量相当于人类一年中所用能量的26000倍,换句话说,地球接受20分钟日照能量就够人类一年所用。但太阳辐射到地球的能量,其中35%要反射回去,18%被大气层吸收,其余47%穿过大气层到达地球表面。单是照在美国路面上的太阳能,就相当于世界矿物燃料消耗量的两倍,可见,太阳能是何等丰富。

只可惜能量过于分散,地面单位面积的照射量并不大(平均约为0.5 - 0.7干瓦/米2),收集利用十分困难,费用昂贵,且在昼、夜、阴、晴等情况时也有差异。

尽管如此,人类自古以来就想方设法地利用这取之不尽、用之不竭,又无公害的能源。我国早在公元前5世纪就认识了凹面镜的聚焦特性,称凹面镜为阳燧,意思是利用阳光来取火的工具。古希腊哲学家苏格拉底建议,房屋应南高北低,以便吸收冬天的阳光。相传,公元前214年,著名的古希腊科学家阿基米德曾在岸边用许多金属镜反射阳光,烧毁了叙拉古海面的罗马舰队。

1861年法国的莫谢教授用一面镜子把太阳光聚焦在锅炉上,驱动蒸汽机。1869年他出版了一本讲太阳能的书,9年后又在巴黎博览会上展出太阳能冰箱。1871年英国工程师威尔逊在智利拉斯萨林纳斯设计了第一套太阳能蒸馏器,把当地不能饮用的咸水蒸馏成淡水。

进入20世纪,能源领域一时成了煤炭和石油的一统天下。但到了70年代,石油危机和环境污染又迫使人们重新对太阳能发生了兴趣,如今太阳能已得到广泛应用。利用太阳能装置的住宅,叫做“太阳屋”,将各式集热器装在屋顶或墙壁上,冬天暖气和温水,夏天促进室内空气流通或供冷气。太阳能集热装置多种多样,有抛物面式、塔式、圆柱式和曲面式等多种型式。除了为建筑物供冷、供暖气外,太阳能发电也日益为人们所重视。美国新墨西哥州的亚尔巴卡奇建有世界最大的塔聚热式太阳能发电厂,发电量为5000千瓦。

利用太阳能的计划中,最引人注目的是太阳能电池。1954年,美国贝尔电话公司研制成第一批实用装置。他们发现,在一片很薄的硅片下放一块更薄的浸过硼的硅片,就构成太阳能电池,可以将阳光直接变成电能。光线照在上层,使电子迁移到下层,在两层之间产生电压差。如果要产生较大的电流,须把一系列太阳能电池串联起来,把产生的电压加大。太阳能电池有很多优点,没有活动部件,使用寿命长,保养费用极低,又不需燃料。但缺点是效率低,理论上最高效率只有25%,实际不到16%。硅虽然便宜,但制造太阳能电池所需的单晶硅却很贵。不过在某些情况下,由于太阳能电池使用方便,即使造价贵也划算,所以几乎所有的太空飞行器都用太阳能电池。有些灯塔、人造卫星等不适合装载燃料或连接电源的设备,太阳能电池是最佳选择。

太阳能将成为未来能源的主流,这已为人们所共识。但要达到这一步,还有许多亟待解决的问题。太阳能集热设备和太阳能电池造价高自不待言,还有一个人们常想的问题——没有太阳时怎么办?受夜间和阴雨气候的影响,这是利用太阳能所遇到的最大限制。但随着科技的进步,这种限制正逐步缩小。目前,一般家庭太阳能热水器,都有储热槽储存热水,高级一点的储热装置,即使连续一二天阴雨,仍能使用前日储存的热水。还有固体储热和化学储热法。

在美国的太空计划中,未来的太阳能发电厂将设于地球上空约6000公里的卫星轨道上,然后利用微波或激光束将电能传回地球,从此再不受日夜或云雨的影响。

太阳能与煤炭、石油等其它能源相比是无穷无尽的,是不产生环境污染的清洁能源,对人类的未来将产生不可估量的影响。

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