太阳
第一节 太阳概况
太阳是我们的太阳系中最显著的特征。它是最大的天体并包含了太阳系将近 98% 的质量。需要一百零九个地球才能填满太阳的直径，而它的内部则能容纳超过 130 万个地球。太阳外面能被看到的，温度为 6000℃ 的一层称为光球层。由于光球层的剧烈活动，其表面呈现斑驳的特征。
太阳的活动来源于其核心部分。太阳的核心温度高达 1 500 万摄氏度，压力超过地球的 340 亿倍。在这里发生着核聚变。聚变导致四个质子或氢原子产生一个α粒子或氦原子核。α 粒子的质量比四个质子小 0.7%，剩余的质量转化成了能量并被释放至太阳的表面，并通过对流过程散发出光和热。太阳核心的能量需要通过几百万年才能到达它的表面。每秒钟有七亿吨的氢被转化成氦。在这过程中，约有五百万吨的净能量被释放，因此使太阳能够发光。
太阳表面的活动现象非常复杂，也相当丰富多彩，其中最引人注目的有太阳黑子、日珥和耀斑爆发。太阳黑子是人们最早发现也是人们最熟悉的一种太阳表面活动。明亮的太阳光球表面，经常出现一些小黑点，这就是太阳黑子。我国的古书中有许多关于太阳黑子的记载，《汉书·五行志》中记载得很明确：“日出黄，有黑气，大如钱，居日中”，这是得到世界公认的最早的有关太阳黑子的记录。在西方，直到 1611 年，伽利略才使用望远镜确认了太阳黑子的存在。太阳黑子其实并不黑，只不过由于它比周围的温度低，看起来显得黑些罢了。黑子的大小相差悬殊，大的直径可达20万千米，比地球的直径还要大得多；小的直径只有 1 000 千米。黑子的寿命也很不相同，最短的小黑子寿命只有两三个小时，最长的大黑子寿命大约有几十天。
日珥是发生在太阳色球层的一种活动现象。日全食的时候，可以看到在“黑太阳”的周围有一个红色的光环，那就是太阳的色球层。色球层上时常会窜出一束束很高的火柱，这些火柱就叫做日珥。日珥绰约多姿，变化万千，有的像圆环，有的似彩虹，十分美丽壮观。
日珥分为宁静的、活动的以及爆发的三大类。宁静日珥变化缓慢，可在日面存在几天甚至几十天。活动日珥总在不停地变化，像喷泉一样从日面喷出很高，又慢慢地落回到日面。爆发日珥以每秒700多千米的高速，将物质喷发到几十万甚至上百万千米的高空，蔚为壮观。
耀斑是太阳上的强烈的活动现象。耀斑的最大特点是来势猛、能量大，发生很突然、消失又很快。耀斑一般只存在几分钟、十几分钟，极个别的能持续几个小时。在短短的一二十分钟内，耀斑释放出的能量，相当于地球上十万至百万次强火山爆发的能量总和，真可谓惊天动地。耀斑产生在日冕的低层，下降到色球层。耀斑与太阳黑子存在密切关系，在大的黑子群上面，很容易出现耀斑。小型耀斑伴随着太阳黑子的出现经常能见到；但特大耀斑只有在太阳活动峰年时才可能出现。
太阳已经46亿岁了，现在已步入中年。它还可以继续平静地燃烧约50亿年。太阳在临终时，内部的氦将转变成更重的元素，亮度会增加到现在的一倍，体积也将不断膨胀，所有近日行星包括地球都将融入它的怀抱。这时的太阳将变得十分不稳定，在它周围会出现一个新的行星状星云。这为新太阳系的诞生创造了条件。在经历一亿年的红巨星阶段后，太阳将耗尽它所有的能量而猛然坍缩成一颗白矮星。几万亿年后，它最终将在黑暗中完全冷却。
第二节 太阳能资源概况
我们通常所说的太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且包括像所有矿物燃料能、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，还应包括通过绿色植物的光合作用所固定下来的能量即生物质能。严格地说，除了地热能和原子核能以外，地球上的所有其他能源全部来自太阳能。这也称为“广义太阳能”，以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别。
与常规能源相比较，太阳能资源的优点很多，并且都是一般的常规能源所无法比拟的，概括起来以下四个方面：
1．数量巨大：每年到达地球表面的太阳辐射能约为 1.3×1010 t 标准煤，为目前全世界所消费的各种能量总和的 1×104 倍。
2．时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约 5×109 年左右，根据目前太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持大约 1011 年之久。对于人类存在的年代而言，确实是“取之不尽，用之不竭”的。
3．普照大地：太阳辐射能“送货上门”，无论大陆或海洋、高山或岛屿都“一视同仁”，既无“专利”可言，也不可能垄断，开发利用都极为方便。
4．清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子能安全。
太阳能资源虽然有着上述几方面常规能源所无法比拟的优点，但也存在着相当严重的缺点和问题：
1．分散性：到达地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但是能流密度却很低。平均说来北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐照度最大，约为 1.1～1.2 kW/m2；冬季大约只有一半，而阴天则往往只有 1/5 左右。
2．间断性和不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴阴云雨等随机因素的影响，太阳辐射能既是间断的又是不稳定的。
3．效率低和成本高：就太阳能利用的目前发展水平来说，有些方面虽然在理论上是可行的，技术上也是成熟的，但是因为效率普遍较低，成本普遍较高，所以经济性较差，还不能（至少不容易）与常规能源相竞争。
太阳辐射能的直接利用，基本上有四种方式，下面分别加以简单介绍：
1．太阳能的光—热转换
这是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式。其基本原理是将太阳辐射能收集起来利用温室效应来加热物体而获得热能，如地膜、大棚、温室等。目前使用较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。
2．太阳能的光—电转换
太阳能的大规模利用，主要是用于发电，发电方式有两种：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电转换方式。
①光—热—电转换方式：就是利用太阳辐射热能发电，一般是由太阳能集热器将吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，后一过程与火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率低而成本高，至少比普通火电站贵5～10倍。
②光—电直接转换方式；其基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。光—电转换的基本装置就是太阳电池，它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中续站、高山气象站等许多方面，尤其可以分散在边远山区、高山沙漠、海岛和农村使用，以节省一些造价很贵的输电线路。
3．太阳能的光—化学转换
利用太阳辐射能直接分解水制氢，是一种很有前途的光—化学转换方式。氢能是二级能源，用途很广，既可作为化工原料，又可以用合成天然气和合成石油，尤其是作为氢燃料更引起人们的重视，这是因为可以用水作为制氢的原料，而水在地球上的储量是极为丰富的。此外，氢燃料又是非常清洁的，既便于储存，又便于运输，被人们普遍认为是21世纪的能源。所以，利用太阳能制氢是一种很有吸引力的途径，它也能从根本上改善目前人类利用能源的状况。
4．太阳能的光—生物质转换
主要是通过地球上众多植物的光合作用，将太阳辐射能转化为生物质能。
右图说明太阳的功率及太阳能传递到地球后各种形式能量之间的转化过程。
太阳把地面和空气晒热，太阳能转化为内能。晒热的空气上升，空气流动形成风，又转化为风能。太阳把水面和地面晒热，并使一部分水蒸发，蒸发的水汽升到空中形成云，以雨雪的形式落下来，流入江河，太阳能转化为水能。植物吸收太阳能，发生光合作用，太阳能转化为植物的化学能。植物作为食物被动物吃掉，又转化成动物的化学能。古代的动植物在地质变迁中变为煤、石油、天然气，转化为这些燃料的化学能。
第三节 太阳能发电
随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有能源主要有3种，即火电、水电和核电。
火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有 30 年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出 CO2 和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。
水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。
核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使 900 万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。
这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。
地球所接受的太阳能功率，平均每平方米为 1 353 千瓦，这就是所谓的“太阳常数”。也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量。就是这些能量比目前全世界人类的能耗量大 3.5 万倍。虽然很久以来，人们在不同程度地利用着其能量，最近，温水器的直接利用，空调、太阳能电池的电力供给以及太阳能住房等方面都有了很大发展。很自然的想 法是向太阳要电能，但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量，使其成为下世纪的一大可利用能源，是新能源开发中的一个重要课题。
1．太阳能发电是最理想的新能源
照射在地球上的太阳能非常巨大，大约 40 分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。
此图根据蒲提斯的太阳系形成理论，太阳向宇宙空间辐射出巨的光热能量。
从太阳能获得电力，需通过大阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净（无公害）；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。
要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。
目前，太阳电地主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高，已达 20% 以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到 10%，每瓦发电设备价格降到 1～2 美元时，便足以同现在的发电方式竟争。
当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电地，光电变换效率可达36％，快赶上了燃煤发电的效率。但由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。
除了太阳热发电技术外，目前人类社会也在大力开发太阳光技术。太阳辐射的光子带有能量，当光子照射半导体材料时，光能便转换为电能，这个现象叫“光生伏打效应”。太阳电池就是利用光生伏打效应制成的一种光电器件。太阳电池与普通的化学电池(干电池、蓄电池)完全不同，是一种物理性质电源。虽然太阳光一照射太阳电池就能发电，但它与一般的 发电机大相径庭，它无旋转和磨损，能静悄悄地发电。
2．太阳能发电的应用
太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户分激进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。
日本已于 1992 年 4 月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从 1994 年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。要求第一年有 1 000 户家庭、2000 年时有 7 万户家庭装上太阳能发电设备。
据日本有关部门估计日本 2 100 万户个人住宅中如果有 80％ 装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的 14%，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的 30%～40%。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3千瓦发电系统，需 600 万至 700 万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到100万到200万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。
不久前，美国德州仪器公司和 SCE 公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到 1 毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约 50 平方厘米的面积上便分布有 1，700 个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有 8％～10%，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要 15 至 2 美元，而且每发一度电的费用也可降到 14 美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得一二千度的电力。
3．太阳能发电的前景
太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到 2000 年、2050 年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11 万平方公里、186.79 万平方公里、829.19 万平方公里。829.19 万平方公里才占全部海洋面积 2.3％ 或全部沙漠的 51.4％，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5％。因此这一方案是有可能实现的。
另一是天上发电方案。早在 1980 年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长 10 公里、宽 5 公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。
发布时间：2006/4/25 11:06:39 阅读次数：10724
