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眾所周知，我們的地球自轉(zhuǎn)一圈就是一個(gè)白天和一個(gè)黑夜，繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈就經(jīng)歷一個(gè)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(yáng)。那我們今天就以下四個(gè)內(nèi)容來(lái)了解下這神奇的太陽(yáng)和太陽(yáng)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(yáng)能、太陽(yáng)能神奇的地方在哪里、目前我們太陽(yáng)能利用的主要形式是什么以及未來(lái)在其他方面的一些太陽(yáng)能利用的技術(shù)。
?為什么要利用太陽(yáng)能
我們的社會(huì)和生活需要能源，石油、天然氣和煤炭都是化石能源。出門(mén)開(kāi)車(chē)需要汽油和柴油，它們都是由石油提煉而來(lái)的。家里做飯需要天然氣，冬天供暖也需要天然氣來(lái)燃燒產(chǎn)生熱量。我們的生活離不開(kāi)化石能源，但是無(wú)節(jié)制的不恰當(dāng)使用化石能源會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染。首先一個(gè)很重要的問(wèn)題就是霧霾，它會(huì)對(duì)我們的身體產(chǎn)生很?chē)?yán)重的影響。其次，化石燃料的不恰當(dāng)利用會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物，當(dāng)它們?cè)诳諝庵蟹e累到一定的濃度后就會(huì)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(huì)造成臭氧層的空洞，導(dǎo)致全球變暖等環(huán)境問(wèn)題。
大量的二氧化碳存在大氣層中就像一個(gè)很大的玻璃罩，太陽(yáng)的輻射能可以穿過(guò)二氧化碳層而地面的長(zhǎng)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(guò)了長(zhǎng)期的積累，地球的溫度就會(huì)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(wèn)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(yáng)能以及它們轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)的氫能等等，除了風(fēng)能、太陽(yáng)能以外，我們還有潮汐能、生物質(zhì)能和地?zé)崮?，但相?duì)于這些能源太陽(yáng)能的儲(chǔ)量非常豐富。雖然到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能僅為太陽(yáng)總輻射的1/22億，但它的儲(chǔ)量也高達(dá)1.78×105TW。這是一個(gè)什么樣的數(shù)字呢，對(duì)于我國(guó)太陽(yáng)能而言，三峽水電站的發(fā)電裝機(jī)容量是1700萬(wàn)千瓦而我國(guó)太陽(yáng)能資源是三峽水電站的數(shù)萬(wàn)倍。與此同時(shí)，太陽(yáng)能在目前的能源裝機(jī)中起到越來(lái)越重要的作用，在2011年我國(guó)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(guó)的太陽(yáng)能光伏的裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)2億千瓦，2億千瓦是一個(gè)什么樣的概念呢，對(duì)比三峽水電站裝機(jī)容量是1700萬(wàn)千瓦，太陽(yáng)能的光伏電站的裝機(jī)容量相當(dāng)于十幾個(gè)三峽水電站。
?太陽(yáng)能的神奇之處
太陽(yáng)能對(duì)于我們來(lái)說(shuō)非常重要，那我們首先要關(guān)注太陽(yáng)本身。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的火球其中80%的質(zhì)量是由氫組成的。在太陽(yáng)的內(nèi)部發(fā)生質(zhì)子鏈?zhǔn)胶税l(fā)反應(yīng)，太陽(yáng)中心可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)以上的溫度，表面也有5800攝氏度。太陽(yáng)是地球的萬(wàn)物之源，地球上的能源主要來(lái)自于太陽(yáng)，植物生長(zhǎng)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(yáng)和地球中間是真空的大氣層，因此只能通過(guò)輻射的方式將太陽(yáng)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(hào)都是通過(guò)電磁波來(lái)傳送的。而太陽(yáng)的輻射更加復(fù)雜，它是由很多個(gè)波段組成的。每個(gè)波段都有自己的特點(diǎn)，它們累加起來(lái)就形成總的太陽(yáng)能。太陽(yáng)能的波段很多包括紫外線(xiàn)、長(zhǎng)波輻射、紅外和可見(jiàn)光等等。
?太陽(yáng)能利用的主要形式是什么
正是由于太陽(yáng)能各個(gè)波段的能量，我們可以用各種方式來(lái)利用太陽(yáng)能，其中一項(xiàng)重要的技術(shù)就是太陽(yáng)能發(fā)電。地球上的太陽(yáng)能資源決定了它的利用價(jià)值。我們可以從下圖中看到太陽(yáng)能在地球上的資源非常豐富，尤其是在美國(guó)的西南部、非洲、歐洲的南部和澳大利亞等等。另一邊，我國(guó)的太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電有兩種技術(shù)，第一種技術(shù)叫太陽(yáng)能光伏發(fā)電。部分地區(qū)屋頂上隨處可見(jiàn)的太陽(yáng)能電池板，還有太陽(yáng)能的路燈都是利用了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。目前主要的太陽(yáng)能電池板主要有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池，單晶硅太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率可以達(dá)到20%以上。目前實(shí)驗(yàn)室各國(guó)的科學(xué)家都積極的努力在開(kāi)展這項(xiàng)研究，實(shí)驗(yàn)室的太陽(yáng)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(lái)加入這項(xiàng)研究工作。日常生活中，我們可以把太陽(yáng)能光伏板安裝在停車(chē)棚上來(lái)給電動(dòng)汽車(chē)提供電源。太陽(yáng)能同樣可以運(yùn)用于高科技技術(shù)，比如我們的衛(wèi)星和登月的月球車(chē)是由太陽(yáng)能來(lái)提供電源的，以及未來(lái)研發(fā)的太陽(yáng)能汽車(chē)、太陽(yáng)能飛機(jī)、太陽(yáng)能公路以及太陽(yáng)能充電器。
太陽(yáng)能另外一種利用技術(shù)就是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。太陽(yáng)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(yáng)能真空管放到屋頂產(chǎn)生熱水供洗澡。
而如果要運(yùn)用太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，考慮到太陽(yáng)能在經(jīng)過(guò)衰減、大氣層的折射以及水蒸氣的折射后，來(lái)到地球表面的輻照強(qiáng)度相對(duì)來(lái)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?cè)诒本┫奶熳顭岬臅r(shí)候，太陽(yáng)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(lái)利用太陽(yáng)能。目前聚光的方式主要有四種，分別為拋物槽、線(xiàn)性菲涅爾、碟式和塔式。
從聚焦方式來(lái)分可以分為兩類(lèi)，線(xiàn)型的聚焦方式和點(diǎn)聚焦方式，拋物槽和線(xiàn)性菲涅爾都屬于線(xiàn)聚光的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，碟式和塔式都屬于點(diǎn)聚光的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)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(kāi)課-神奇的太陽(yáng)能和太陽(yáng)能利用視頻中了解。
接著我們來(lái)看一下聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)歷程，1982年美國(guó)建成了第一個(gè)發(fā)電站命名為SolarOne，這是一個(gè)具有里程碑意義的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，驗(yàn)證了太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的可行性。隨后在美國(guó)加州南部建立了大面積的拋物槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總的裝機(jī)容量達(dá)到了354MW，隨后太陽(yáng)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(jì)全球到2020年運(yùn)營(yíng)可以達(dá)到10GW以上。
?未來(lái)的一些太陽(yáng)能利用的技術(shù)
在太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)之后，未來(lái)太陽(yáng)能必定還有其他很多的利用空間。例如：高溫太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫中利用太陽(yáng)能直接分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，同時(shí)也可以把二氧化碳進(jìn)行分解產(chǎn)生一氧化碳。通過(guò)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(kāi)，因此我們還可以把太陽(yáng)能和我們傳統(tǒng)的液體燃料結(jié)合起來(lái)，這樣需要的溫度就非常低。我們所研究的中低溫太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫技術(shù)，通過(guò)200到300攝氏度的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(dòng)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。太陽(yáng)能也可以應(yīng)用于太陽(yáng)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(yáng)能激發(fā)電子躍遷形成還原氧化活性的電子空穴對(duì)在水中置換出氫氣來(lái)，可以用來(lái)發(fā)電并制取液體燃料等等。未來(lái)的能源形勢(shì)是多種多樣的，多能源互補(bǔ)的太陽(yáng)能利用技術(shù)是發(fā)展的趨勢(shì)所在。實(shí)現(xiàn)多元化的轉(zhuǎn)化可以變成材料也可以用來(lái)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(lèi)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力，而能源技術(shù)發(fā)展依賴(lài)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(guó)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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