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流浪地球?别闹了!科学利用太阳能才是关键

发布日前: 2020-07-10 浏览次数:167
   去年上映了一部非常火爆的电影叫流浪地球,是由刘慈欣著作改编的。当时科学家发现太阳系急剧衰减可能会吞噬整个太阳系,于是人类就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把地球从太阳系脱离出去,然而数以万计的发动机需要燃烧9.96155×10^20千克物质才能勉强达到逃逸速度。


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     为什么需要这么大的动力才能脱离呢?主要原因是由于太阳和地球间适当的距离以及太阳所提供的引力使得地球围绕着太阳公转而不容易离开。地球离太阳不能太远也不能太近,离得太近则温度升高不适合人类的生存,离得太远不能为人类和地球上生命提供足够的能量。也好在正是这恰当的距离,才会有了人类文明的存在。小编认为逃离太阳是不现实的,太阳系至少还得再燃烧50亿年而且我们还找不到更好的。正所谓既来之,则安之,我们的地球都和太阳相处了45.4亿多年了,这感情可不是一般兄弟能比的。那既然不能逃离,不如想想如何科学的利用太阳能。

   众所周知,我们的地球自转一圈就是一个白天和一个黑夜,绕着太阳公转一圈则会经历一个春夏秋冬。地球非常神奇,同样神奇的也有那1.5亿公里外的太阳。那我们今天就以下四个内容来了解下这神奇的太阳和太阳能科学利用:从能源与环境的角度考虑为什么要利用太阳能、太阳能神奇的地方在哪里、目前我们太阳能利用的主要形式是什么以及未来在其他方面的一些太阳能利用的技术。


为什么要利用太阳能

   我们的社会和生活需要能源,石油、天然气和煤炭都是化石能源。出门开车需要汽油和柴油,它们都是由石油提炼而来的。家里做饭需要天然气,冬天供暖也需要天然气来燃烧产生热量。我们的生活离不开化石能源,但是无节制的不恰当使用化石能源会带来严重的环境污染。首先一个很重要的问题就是雾霾,它会对我们的身体产生很严重的影响。其次,化石燃料的不恰当利用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到一定的浓度后就会促使酸雨的形成。最后,化石燃料不恰当的大规模利用还会造成臭氧层的空洞,导致全球变暖等环境问题。

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    大量的二氧化碳存在大气层中就像一个很大的玻璃罩,太阳的辐射能可以穿过二氧化碳层而地面的长波不能穿透二氧化碳层,于是这些热量就留在了地球。经过了长期的积累,地球的温度就会不断升高。温室效应是非常严重的可以造成全球变暖、南北极的冰川融化、海平面上升等这些问题都需要得到我们足够的关注。


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   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。使用清洁可再生的能源例如风能、太阳能以及它们转变过来的氢能等等,除了风能、太阳能以外,我们还有潮汐能、生物质能和地热能,但相对于这些能源太阳能的储量非常丰富。虽然到达地球表面的太阳能仅为太阳总辐射的1/22亿,但它的储量也高达1.78×105TW。这是一个什么样的数字呢,对于我国太阳能而言,三峡水电站的发电装机容量是1700万千瓦而我国太阳能资源是三峡水电站的数万倍。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,在2011年我国在全球新增的装机容量占的比重非常小,到2017年我们的新增的装机容量已经达到世界的50%以上。截至到去年底,我国的太阳能光伏的装机容量已经超过2亿千瓦,2亿千瓦是一个什么样的概念呢,对比三峡水电站装机容量是1700万千瓦,太阳能的光伏电站的装机容量相当于十几个三峡水电站。


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太阳能的神奇之处

   太阳能对于我们来说非常重要,那我们首先要关注太阳本身。太阳是一个巨大的火球其中80%的质量是由氢组成的。在太阳的内部发生质子链式核发反应,太阳中心可以达到数百万以上的温度,表面也有5800摄氏度。太阳是地球的万物之源,地球上的能源主要来自于太阳,植物生长的光合作用维持了地球的氧气的平衡也为生态和生物链提供了食物。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。辐射和电磁波一样,我们家里面用的广播以及手机信号都是通过电磁波来传送的。而太阳的辐射更加复杂,它是由很多个波段组成的。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。太阳能的波段很多包括紫外线、长波辐射、红外和可见光等等。

 太阳能利用的主要形式是什么

   正是由于太阳能各个波段的能量,我们可以用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。地球上的太阳能资源决定了它的利用价值。我们可以从下图中看到太阳能在地球上的资源非常丰富,尤其是在美国的西南部、非洲、欧洲的南部和澳大利亚等等。另一边,我国的太阳能资源也非常丰富,尤其在西部例如青海、西藏和内蒙古地区。

   目前,太阳能发电有两种技术,第一种技术叫太阳能光伏发电。部分地区屋顶上随处可见的太阳能电池板,还有太阳能的路灯都是利用了太阳能光伏发电技术。目前主要的太阳能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等。应用比较广泛的为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,单晶硅太阳能电池的发电效率可以达到20%以上。目前实验室各国的科学家都积极的努力在开展这项研究,实验室的太阳能光伏发电效率可以达到45%以上,小编也希望各位同学可以努力学习来加入这项研究工作。日常生活中,我们可以把太阳能光伏板安装在停车棚上来给电动汽车提供电源。太阳能同样可以运用于高科技技术,比如我们的卫星和登月的月球车是由太阳能来提供电源的,以及未来研发的太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能公路以及太阳能充电器。


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   太阳能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,在工业上有许多的应用。同样在生活中,太阳能真空管放到屋顶产生热水供洗澡。聚光太阳能和线性太阳能集热器能进行各自烧烤类活动,如烤肉、烤螃蟹、烤培根等,只有想不到的,没有做不了的。有兴趣的小伙伴可以回家自己尝试制作。


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   而如果要运用太阳能热发电技术,考虑到太阳能在经过衰减、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相对来讲已经比较低。比如在大气层外的能量密度是1300瓦每平米,而我们在北京夏天最热的时候,太阳的辐照强度也只有900瓦每平米。因此为了获得更高的能流密度和更高的温度,我们可以采用聚光的方式来利用太阳能。目前聚光的方式主要有四种,分别为抛物槽、线性菲涅尔、碟式和塔式。

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   从聚焦方式来分可以分为两类,线型的聚焦方式和点聚焦方式,抛物槽和线性菲涅尔都属于线聚光的太阳能热发电系统,碟式和塔式都属于点聚光的太阳能热发电系统。对于四种聚光更细致的原理感兴趣的同学可以从刘启斌研究员的科学公开课——神奇的太阳能和太阳能利用视频中了解。

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  接下来,我们再来回顾一下聚光太阳能热发电技术历程。1982年美国建成了第一个发电站命名为SolarOne,这是一个具有里程碑意义的太阳能热发电技术,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,随后太阳能热发电技术在全球得到了大规模的应用和发展,预计全球到2020年运营可以达到10GW以上。


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未来的一些太阳能利用的技术

   在太阳能发电技术之后,未来太阳能必定还有其他很多的利用空间。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的燃料,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我们传统的液体燃料结合起来,这样需要的温度就非常低。我们所研究的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置换出氢气来,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的趋势所在。实现多元化的转化可以变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。

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   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。大自然还有很多的奥秘,我们需要抱着敬畏之心,去探索它们。


来源:中国科学院工程热物理研究所


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