王 洪 郝 梅

日月壇·“微排”大廈，山東德州中國(guó)太陽谷（全球最大太陽能研發(fā)基地）的標(biāo)志建筑?！爸袊?guó)太陽谷”，占地3000余畝，是目前世界上最大的可再生能源研發(fā)、檢測(cè)、生產(chǎn)、教育、旅游基地。攝影/梁寶海/FOTOE

古往今來，人們一直對(duì)太陽懷著深厚的情感，把她看作是宇宙萬物的生命之源，是光明和美好的象征，大家總是用最美好的語言來描繪太陽，歌頌太陽。的確，太陽和我們?nèi)祟惖年P(guān)系實(shí)在是太密切了。沒有太陽就沒有生命，沒有太陽就沒有我們?nèi)祟?。有一首歌一開頭就這樣寫道：“陽光，陽光，我的母親……”這一首歌，唱出了全人類的共同心聲。

太陽是位不知疲勞的天使，她每天早上從東方升起，晚上由西邊落下，一年365天，天天如此，從不間斷，從不“消極怠工”，作為一個(gè)有志于事業(yè)的人，難道不應(yīng)該從太陽那里學(xué)到一點(diǎn)精神嗎?

一.碩大無朋的能源寶庫

太陽是一顆熾熱的恒星。根據(jù)近代宇宙科學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)太陽的能量來源于氫核子的聚變熱核反應(yīng)。

根據(jù)德國(guó)天文學(xué)家威爾曼的測(cè)算，太陽的直徑約為139萬千米，這是迄今為止較為精確的數(shù)值。據(jù)此進(jìn)行推算，太陽的體積大約是141×1016立方千米，這相當(dāng)于地球體積的130萬倍。太陽的質(zhì)量，據(jù)推算大約是2×1027噸。咱們的地球其質(zhì)量大約是6×1021噸，這就是說，太陽的質(zhì)量相當(dāng)于地球的33萬多倍。正由于太陽具有如此巨大的質(zhì)量，所以在太陽系中的九大行星，都被它的巨大引力吸引著，并且長(zhǎng)年累月地圍繞著它運(yùn)轉(zhuǎn)。

太陽與地球之間的距離約為15000萬千米。太陽光照射到地球上所用的時(shí)間，大約是8分20秒(光速大約每秒30萬千米)。太陽中心的溫度高達(dá)2000萬℃，其表面溫度接近6000℃。這個(gè)無與倫比的大火球具有如此驚人的高溫，這正是她能不斷地放出光和熱的根本原因所在。

太陽輸出的能量，大約每分鐘多達(dá)235×1026焦耳。不過，太陽輻射的能量是向宇宙的四面八方發(fā)射的，其中能夠達(dá)到地球大氣高層的能量非常之少，大約只有其總輻射能量的22億分之一，而且其中的大部分還被大氣層反射和吸收掉而變成了風(fēng)、雨、霜、雪、雷、電等等，因此真正輻射到地球陸地上的太陽能量，所占的份額是少得可憐的。不過，即便是這么一個(gè)少得可憐的的份額，其數(shù)量仍然十分驚人。具體地說，地球每年從太陽那里所獲得的能量，相當(dāng)于目前全世界每年能源供應(yīng)總量的幾萬倍?？梢妼?duì)于太陽能資源的開發(fā)利用，其潛力是非常大的。

從廣義上說，地球上蘊(yùn)藏的煤、石油和天然氣等化石能源資源，就它們的形成過程來說，也是在億萬年之前的太陽能經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后積蓄下來的。人們現(xiàn)在開發(fā)利用的水能和風(fēng)能，以及廣泛使用的生物質(zhì)能，同樣也是由太陽能轉(zhuǎn)換而來的，它們也是廣義的太陽能。

不過，我們現(xiàn)在所說的對(duì)太陽能的開發(fā)利用，不是從廣義上說的，而是從狹義上說的。這就是說，我們現(xiàn)在所講的僅僅是指太陽的光和熱的直接轉(zhuǎn)換。

我國(guó)地域遼闊，氣象部門的實(shí)測(cè)表明，全國(guó)大約有2／3以上的地區(qū)太陽能資源較為豐富，其中尤以西藏和西北地區(qū)最為突出，在這些地區(qū)太陽光的輻射強(qiáng)度大，日照時(shí)間長(zhǎng)，非常適合于太陽能的開發(fā)利用。

據(jù)史書記載，我國(guó)是世界上利用太陽能最早的國(guó)家之一。遠(yuǎn)在3000年前，我們的祖先就發(fā)明了陽燧(利用太陽光取火的器具)。實(shí)際上這是人類歷史上最早的一種太陽能聚光器，它在世界科學(xué)發(fā)明史上占有重要地位。它比國(guó)外相傳的希臘著名科學(xué)家阿基米德利用聚光鏡聚焦太陽能而燒毀敵船的故事，至少要早900多年。在北京的中國(guó)歷史博物館內(nèi)，現(xiàn)在還收藏著春秋、漢、唐、宋等各個(gè)朝代的出土陽燧，其中有的至今光亮照人，尚能聚光。在天津藝術(shù)博物館內(nèi)珍藏的漢代陽燧，其背面清晰地鐫有銘文“五月五，丙午，火燧可取天火”和“長(zhǎng)樂未央宮”的篆體文字。

關(guān)于陽燧，在《墨經(jīng)》和《博物志》中均有記載。西漢淮南王劉安撰寫的《淮南子?天文訓(xùn)》及北宋沈括所著的《夢(mèng)溪筆談》中，對(duì)于陽燧的使用方法更有詳細(xì)的描述。

在國(guó)外，人們把這種從太陽聚光而取火的方法譽(yù)為“圣火”。流傳至今，國(guó)際奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的火炬就是用這種“圣火”來點(diǎn)燃的，以此來表示莊嚴(yán)和神圣。

1615年，法國(guó)人所羅門發(fā)明了一種太陽能水泵，是他首先把太陽能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。1901年，美國(guó)的伊尼斯造出了太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)。1954年，美國(guó)的貝爾研究所試制成功硅太陽能電池，開創(chuàng)了光電轉(zhuǎn)換的先例。盡管在當(dāng)代高新科技的發(fā)展中，還只有太陽能電池和太陽能熱水器已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)性開發(fā)，其它方面的太陽能利用目前還處在工業(yè)化生產(chǎn)的前夕，但太陽能的開發(fā)利用的巨大潛力，已經(jīng)呈現(xiàn)出極其誘人的前景。

在20世紀(jì)70年代初，國(guó)際上出現(xiàn)了第一次石油危機(jī)，于是對(duì)太陽能的開發(fā)利用就提到議事日程上來了。美國(guó)首先創(chuàng)建了太陽能研究所，其研究費(fèi)用的投入已從當(dāng)初的300萬美元?jiǎng)≡龅?億多美元。1974年，日本鄭重其事地推出了“陽光計(jì)劃”。在俄羅斯及西歐各國(guó)的高科技發(fā)展戰(zhàn)略中，對(duì)于太陽能的研究開發(fā)均占有重要位置。一個(gè)以高新科技為基礎(chǔ)的太陽能研究開發(fā)高潮已經(jīng)到來了!

聯(lián)合國(guó)于1981年召開了新能源和可再生能源世界會(huì)議；又于1990年組成了“太陽能發(fā)展與環(huán)境專家小組”，以便把太陽能的研究開發(fā)與環(huán)境條件的改善緊密地結(jié)合起來。

1992年，俄羅斯發(fā)布了一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)新消息：他們利用“進(jìn)步”號(hào)宇宙飛船，將巨大的太陽光反射鏡送入地球軌道上，從而可以根據(jù)需要使俄羅斯的某些地區(qū)的黑夜變成白天。這項(xiàng)措施不僅適用于某些高緯度地區(qū)因季節(jié)原因日短夜長(zhǎng)的改變；同時(shí)也可用來照亮地震及洪水等自然災(zāi)害地區(qū)，使救援工作得以順利進(jìn)行。

“進(jìn)步”號(hào)飛船所攜帶的這種太陽光反射鏡，其直徑達(dá)22米。俄羅斯空間科學(xué)家計(jì)劃把大約100面這樣的太陽光反射鏡發(fā)送到距離地面1550～5500千米的地球軌道上，使其排列成一個(gè)圍繞地球的環(huán)狀帶。反光鏡所用的材料為鍍鋁滌綸薄膜，其重量較輕，而且反光性好。這種特殊的反光鏡同時(shí)還能夠?yàn)橛钪骘w船的太陽能電池板增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率。

太陽能確實(shí)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有像煤、石油等礦物燃料產(chǎn)生的有害氣體和廢渣，因而不構(gòu)成對(duì)環(huán)境的污染，所以人們稱之為“干凈能源”；②到處都可以得到太陽能，使用方便而安全；③成本低廉，并且可以再生。

二.太陽能的來源和開發(fā)潛力

太陽是一個(gè)熾熱的氣體球，它的主要成分是氫，在2×1027噸的太陽總質(zhì)量中，氫占了大約71%。太陽每時(shí)每刻都在發(fā)出巨大的光和熱，她向地球輻射的能量盡管只占其總輻射能量的22億分之一，但其數(shù)量仍然大得驚人，每年至少為6×1017千瓦小時(shí)。據(jù)推算，太陽已有50億年以上的歷史。試想，即便是有一堆像太陽那么巨大的煤，那也只能燃燒3000年左右。那么，如此巨大的太陽能，究竟從何而來呢?

科學(xué)家們經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，終于揭開了這個(gè)奧秘。原來，正由于太陽內(nèi)部有大量的氫元素，而氫原子的原子核是由一個(gè)質(zhì)子組成的。由于太陽內(nèi)部的溫度高達(dá)2000萬℃，所以氫原子核就會(huì)發(fā)生核聚變反應(yīng)。太陽內(nèi)部無時(shí)無刻不在進(jìn)行著這種原子核的聚變反應(yīng)。形象地說，太陽好比是一座以核能為動(dòng)力而以氫作燃料的極其巨大的能源工廠。在高溫作用下，每4個(gè)氫原子核聚變成一個(gè)氦原子核，同時(shí)釋放出大量的光能和熱能。這便是通常所說的熱核聚變反應(yīng)。

在太陽內(nèi)部不停地進(jìn)行著這種熱核聚變反應(yīng)，猶如連續(xù)發(fā)生的氫彈爆炸一樣，釋放出極其巨大的能量。這種能量之大，相當(dāng)于在1秒鐘之內(nèi)爆炸910億顆100萬噸(梯恩梯炸藥)級(jí)的氫彈。太陽釋放出來的能量之所以如此之大，就因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)所釋放出來的能量遠(yuǎn)非一般的化學(xué)反應(yīng)(包括煤、石油及天然氣的燃燒在內(nèi))所能比擬，前者所釋放出來的能量要比后者高出100萬倍以上。例如，用氫通過核聚變反應(yīng)而合成4克氦所釋放出來的熱量，和燃燒12噸優(yōu)質(zhì)煤所得到的熱量相當(dāng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓缴羁陶J(rèn)識(shí)到開發(fā)利用太陽能的重要性。在當(dāng)今世界各國(guó)都面臨能源日益緊缺的情況下，太陽能已成為現(xiàn)代主要新能源之一。向太陽——人類取之不盡的能源寶庫索取能量，實(shí)現(xiàn)人類歷史上的第三次能源變革，已成為今后能源發(fā)展的主要趨向。所謂第三次能源變革，其主要涵義就是：由有限的化石能源(如煤、石油、天然氣等)向無限的可再生能源(如太陽能、海洋能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、氫能?及核能的方向轉(zhuǎn)變。

如今，太陽能的開發(fā)利用已經(jīng)擴(kuò)展到科學(xué)研究、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫簭娜嗽煨l(wèi)星、宇宙飛船上用的太陽能電池，到清潔而使用方便的太陽能聚光灶；從不用燃油的太陽能飛機(jī)，到各種輕便適用的太陽能熱水器；從太陽能汽車和汽艇，到集熱性能良好的太陽能熱管；從不產(chǎn)生污染的太陽能電站，到行駛自如的太陽能自行車；從熔煉高純度合金的太陽能溫爐，到小巧玲瓏的太陽能收音機(jī)……真是一個(gè)琳瑯滿目的太陽能世界!

人類對(duì)于太陽能的開發(fā)利用盡管已經(jīng)達(dá)到如此豐富多彩的地步，然而直到目前為止，已經(jīng)得到開發(fā)利用的太陽能僅僅是其中極小的一部分，與太陽照射到地球上的全部能量比較起來，有如滄海之一粟。由于技術(shù)條件的限制，目前對(duì)太陽能的利用效率還比較低，使用的規(guī)模也比較小。大自然賜給人類的這個(gè)能源寶庫，目前還遠(yuǎn)未得到充分開發(fā)利用。專家們認(rèn)為：運(yùn)用現(xiàn)代化手段大規(guī)模地開發(fā)利用太陽能，已經(jīng)提到建設(shè)現(xiàn)代人類文明的議事程上來了。

2011年8月20日，日本橫濱，日本JFE工程公司開發(fā)出的花式聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。與原有太陽能發(fā)電系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)了2倍以上的較高發(fā)電效率。攝影/Getty Images/CFP

三.太陽能熱電站

2011年12月13日消息，西班牙南部格拉納達(dá)（Calahorra bei Guadix），命名為達(dá)索爾1-3的太陽能發(fā)電站。達(dá)索爾1號(hào)，是歐洲第一個(gè)拋物線型槽發(fā)電站，也是世界上最大的太陽能發(fā)電站。攝影/CFP

所謂太陽能熱電站，就是先把太陽光轉(zhuǎn)變成熱能，然后再按常規(guī)方法進(jìn)行發(fā)電——通過機(jī)械裝置將熱能轉(zhuǎn)變成電能。

太陽能熱電站的能量轉(zhuǎn)換過程是這樣的：利用集熱器(聚光鏡)和吸熱器(鍋爐)把分散的太陽輻射能匯聚成集中的熱能，再由熱蒸汽來推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。它與一般火力發(fā)電廠的主要區(qū)別就在于：其動(dòng)力來源不是煤或燃油，而是太陽的輻射能。

太陽能熱電站多采用塔式，就是在地面上設(shè)置許多面聚光鏡，從不同角度和不同方向上把太陽光收集起來，集中反射到一座高塔頂部的專用鍋爐上，使鍋爐內(nèi)的水受熱而變?yōu)楦邏赫羝?，由蒸汽?qū)動(dòng)汽輪機(jī)，再由汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

在太陽能熱電站內(nèi)還設(shè)有蓄熱器。高壓熱蒸汽在推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還通過專用的管道將一部分熱能儲(chǔ)存在蓄熱器內(nèi)。陰天、雨雪天及夜間沒有陽光，便由蓄熱器來提供熱能，以確保太陽能熱電站能夠連續(xù)發(fā)電。

法國(guó)的奧德約太陽能熱電站，是世界上第一座太陽能熱電站。盡管它的發(fā)電能力在起初只有64千瓦，但它卻開創(chuàng)了太陽能熱發(fā)電的先河，是太陽能熱發(fā)電歷史上的里程碑。

1981年，法國(guó)、原聯(lián)邦德國(guó)和意大利，聯(lián)合在意大利的西西里島上建造了世界上第一座并網(wǎng)運(yùn)行的塔式太陽能熱電站，其發(fā)電能力為1000千瓦，所用鍋爐的熱功率為4800千瓦。它采用182面聚光鏡，其中鏡面面積為50平方米的有70面，鏡面面積為23平方米的有112面。鏡場(chǎng)總面積達(dá)6000多平方米。每面聚光鏡都由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，從而鏡面能夠跟蹤太陽而轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)分別由各面聚光鏡所帶的微處理機(jī)進(jìn)行控制，而每臺(tái)微處理機(jī)都直接同中央控制系統(tǒng)相聯(lián)。鍋爐內(nèi)的蒸汽溫度可達(dá)512℃。蓄熱器內(nèi)采用由KN03、NaN02和NaN03組成的熔鹽，其溫度可達(dá)430℃，能夠儲(chǔ)蓄熱能60千瓦小時(shí)。一旦天空中云彩遮擋了陽光，那么每個(gè)蓄熱器所儲(chǔ)蓄的熱能足以使熱電站維持運(yùn)行30分鐘。

1982年，美國(guó)建成了一座大型塔式太陽能熱電站。這座電站采用1818面聚光鏡，塔高80米，其發(fā)電能力為1萬千瓦。它以太陽能來加熱油，再利用高溫油來使水汽化，然后利用蒸汽來推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。美國(guó)計(jì)劃到本世紀(jì)末(本書出版于1999年，文中所謂本世紀(jì)即是上個(gè)世紀(jì)——編者注)，使太陽能熱電站的總裝機(jī)容量達(dá)4000萬千瓦。

近年來，國(guó)外還研制成一種用碳黑來捕捉太陽能以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的裝置。它是通過一個(gè)聚光器把太陽光聚集起來，照射在一個(gè)裝有碳微粒懸浮體的加熱室內(nèi)。碳微粒由于溫度上升而氣化。碳微粒吸收的熱量可用來加熱周圍的空氣，使其達(dá)到相當(dāng)于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和壓力。于是，被加熱的空氣可用來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。這種太陽能熱電站每小時(shí)約消耗碳黑30千克，可產(chǎn)生供1萬人口的城鎮(zhèn)所需的電力。

俄羅斯計(jì)劃在中亞地區(qū)建造目前世界上最大的太陽能熱電站，其發(fā)電能力可達(dá)30萬千瓦。在這個(gè)地區(qū)建造大型太陽能熱電站的有利條件是日照時(shí)間特別長(zhǎng)，每年的日照時(shí)間可達(dá)3000多小時(shí)。這座太陽能熱電站將裝設(shè)幾排能跟隨太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的巨大反光鏡，把太陽光聚集起來以后再照射在90米高的塔頂鍋爐上，將水加熱而變成200～300℃的蒸汽，再推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。它同樣也是將一部分熱蒸汽送入蓄熱器內(nèi)，以備在夜間及陰雨天供電站進(jìn)行發(fā)電。

太陽能熱電站也有其不足之處：①需要占用很大的地方來設(shè)置反光鏡。據(jù)計(jì)算，一座發(fā)電能力為1000千瓦的太陽能熱電站，需占地110米×110米；一座1萬千瓦的太陽能熱電站，需占地350米×350米；一座10萬千瓦的太陽能熱電站，需占地950米×950米。②它的發(fā)電能力受天氣和太陽出沒的影響較大。盡管安置了蓄熱器，但仍不能從根本上解決問題。

為了克服目前太陽能熱電站的缺點(diǎn)，有的科學(xué)家設(shè)想把它搬到宇宙空間去。這是一個(gè)多么大膽的設(shè)想啊!