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眾所周知，我們的地球自轉(zhuǎn)一圈就是一個白天和一個黑夜，繞著太陽公轉(zhuǎn)一圈就經(jīng)歷一個春夏秋冬。地球非常神奇，同樣神奇的也有那1.5億公里外的太陽。那我們今天就以下四個內(nèi)容來了解下這神奇的太陽和太陽能科學(xué)利用：從能源與環(huán)境的角度考慮為什么要利用太陽能、太陽能神奇的地方在哪里、目前我們太陽能利用的主要形式是什么以及未來在其他方面的一些太陽能利用的技術(shù)。
?為什么要利用太陽能
我們的社會和生活需要能源，石油、天然氣和煤炭都是化石能源。出門開車需要汽油和柴油，它們都是由石油提煉而來的。家里做飯需要天然氣，冬天供暖也需要天然氣來燃燒產(chǎn)生熱量。我們的生活離不開化石能源，但是無節(jié)制的不恰當(dāng)使用化石能源會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。首先一個很重要的問題就是霧霾，它會對我們的身體產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響。其次，化石燃料的不恰當(dāng)利用會產(chǎn)生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物，當(dāng)它們在空氣中積累到一定的濃度后就會促使酸雨的形成。最后，化石燃料不恰當(dāng)?shù)拇笠?guī)模利用還會造成臭氧層的空洞，導(dǎo)致全球變暖等環(huán)境問題。
大量的二氧化碳存在大氣層中就像一個很大的玻璃罩，太陽的輻射能可以穿過二氧化碳層而地面的長波不能穿透二氧化碳層，于是這些熱量就留在了地球。經(jīng)過了長期的積累，地球的溫度就會不斷升高。溫室效應(yīng)是非常嚴(yán)重的可以造成全球變暖、南北極的冰川融化、海平面上升等這些問題都需要得到我們足夠的關(guān)注。
我們需要藍(lán)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。使用清潔可再生的能源例如風(fēng)能、太陽能以及它們轉(zhuǎn)變過來的氫能等等，除了風(fēng)能、太陽能以外，我們還有潮汐能、生物質(zhì)能和地?zé)崮?，但相對于這些能源太陽能的儲量非常豐富。雖然到達(dá)地球表面的太陽能僅為太陽總輻射的1/22億，但它的儲量也高達(dá)1.78×105TW。這是一個什么樣的數(shù)字呢，對于我國太陽能而言，三峽水電站的發(fā)電裝機(jī)容量是1700萬千瓦而我國太陽能資源是三峽水電站的數(shù)萬倍。與此同時，太陽能在目前的能源裝機(jī)中起到越來越重要的作用，在2011年我國在全球新增的裝機(jī)容量占的比重非常小，到2017年我們的新增的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到世界的50%以上。截至到去年底，我國的太陽能光伏的裝機(jī)容量已經(jīng)超過2億千瓦，2億千瓦是一個什么樣的概念呢，對比三峽水電站裝機(jī)容量是1700萬千瓦，太陽能的光伏電站的裝機(jī)容量相當(dāng)于十幾個三峽水電站。
?太陽能的神奇之處
太陽能對于我們來說非常重要，那我們首先要關(guān)注太陽本身。太陽是一個巨大的火球其中80%的質(zhì)量是由氫組成的。在太陽的內(nèi)部發(fā)生質(zhì)子鏈?zhǔn)胶税l(fā)反應(yīng)，太陽中心可以達(dá)到數(shù)百萬以上的溫度，表面也有5800攝氏度。太陽是地球的萬物之源，地球上的能源主要來自于太陽，植物生長的光合作用維持了地球的氧氣的平衡也為生態(tài)和生物鏈提供了食物。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。輻射和電磁波一樣，我們家里面用的廣播以及手機(jī)信號都是通過電磁波來傳送的。而太陽的輻射更加復(fù)雜，它是由很多個波段組成的。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。太陽能的波段很多包括紫外線、長波輻射、紅外和可見光等等。
?太陽能利用的主要形式是什么
正是由于太陽能各個波段的能量，我們可以用各種方式來利用太陽能，其中一項重要的技術(shù)就是太陽能發(fā)電。地球上的太陽能資源決定了它的利用價值。我們可以從下圖中看到太陽能在地球上的資源非常豐富，尤其是在美國的西南部、非洲、歐洲的南部和澳大利亞等等。另一邊，我國的太陽能資源也非常豐富，尤其在西部例如青海、西藏和內(nèi)蒙古地區(qū)。
目前太陽能發(fā)電有兩種技術(shù)，第一種技術(shù)叫太陽能光伏發(fā)電。部分地區(qū)屋頂上隨處可見的太陽能電池板，還有太陽能的路燈都是利用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。目前主要的太陽能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等。應(yīng)用比較廣泛的為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池，單晶硅太陽能電池的發(fā)電效率可以達(dá)到20%以上。目前實驗室各國的科學(xué)家都積極的努力在開展這項研究，實驗室的太陽能光伏發(fā)電效率可以達(dá)到45%以上，小編也希望各位同學(xué)可以努力學(xué)習(xí)來加入這項研究工作。日常生活中，我們可以把太陽能光伏板安裝在停車棚上來給電動汽車提供電源。太陽能同樣可以運用于高科技技術(shù)，比如我們的衛(wèi)星和登月的月球車是由太陽能來提供電源的，以及未來研發(fā)的太陽能汽車、太陽能飛機(jī)、太陽能公路以及太陽能充電器。
太陽能另外一種利用技術(shù)就是把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。太陽能直接產(chǎn)生高溫蒸汽，在工業(yè)上有許多的應(yīng)用。同樣在生活中，太陽能真空管放到屋頂產(chǎn)生熱水供洗澡。
而如果要運用太陽能熱發(fā)電技術(shù)，考慮到太陽能在經(jīng)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(qiáng)度相對來講已經(jīng)比較低。比如在大氣層外的能量密度是1300瓦每平米，而我們在北京夏天最熱的時候，太陽的輻照強(qiáng)度也只有900瓦每平米。因此為了獲得更高的能流密度和更高的溫度，我們可以采用聚光的方式來利用太陽能。目前聚光的方式主要有四種，分別為拋物槽、線性菲涅爾、碟式和塔式。
從聚焦方式來分可以分為兩類，線型的聚焦方式和點聚焦方式，拋物槽和線性菲涅爾都屬于線聚光的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，碟式和塔式都屬于點聚光的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。對于四種聚光更細(xì)致的原理感興趣的同學(xué)可以從最后提供的劉啟斌研究員的科學(xué)公開課-神奇的太陽能和太陽能利用視頻中了解。
接著我們來看一下聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)歷程，1982年美國建成了第一個發(fā)電站命名為SolarOne，這是一個具有里程碑意義的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，驗證了太陽能熱發(fā)電技術(shù)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(jī)容量達(dá)到了354MW，隨后太陽能熱發(fā)電技術(shù)在全球得到了大規(guī)模的應(yīng)用和發(fā)展，預(yù)計全球到2020年運營可以達(dá)到10GW以上。
?未來的一些太陽能利用的技術(shù)
在太陽能發(fā)電技術(shù)之后，未來太陽能必定還有其他很多的利用空間。例如：高溫太陽能熱化學(xué)制氫中利用太陽能直接分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，同時也可以把二氧化碳進(jìn)行分解產(chǎn)生一氧化碳。通過進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，我們可以把氫氣和一氧化碳變成目前使用的液態(tài)的燃料，比如甲醇、乙醇和汽油等等。但這種技術(shù)需要很高的溫度才能把水的化學(xué)鍵給打開，因此我們還可以把太陽能和我們傳統(tǒng)的液體燃料結(jié)合起來，這樣需要的溫度就非常低。我們所研究的中低溫太陽能熱化學(xué)制氫技術(shù)，通過200到300攝氏度的太陽能驅(qū)動甲醇的熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳和氫氣然后驅(qū)動傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。太陽能也可以應(yīng)用于太陽能光催化制氫，利用半導(dǎo)體的特殊性能，我們把半導(dǎo)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置換出氫氣來，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(bǔ)的太陽能利用技術(shù)是發(fā)展的趨勢所在。實現(xiàn)多元化的轉(zhuǎn)化可以變成材料也可以用來發(fā)電，與我們目前的能源網(wǎng)絡(luò)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(shù)發(fā)展依賴于科技的發(fā)展和革新，希望同學(xué)們努力學(xué)習(xí)，為我國的能源技術(shù)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。大自然還有很多的奧秘，我們需要抱著敬畏之心，去探索它們。
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