流浪地球?別鬧了!相比逃離太陽系,科學利用太陽能才是關鍵

去年上映了一部非常火爆的電影叫流浪地球，是由劉慈欣著作改編的。當時科學家發現太陽系急劇衰減可能會吞噬整個太陽系，於是人類就提出一個大膽的計劃，在地球的表面建成數以萬計的行星發動機和轉向發動機把地球從太陽系脫離出去，然而數以萬計的發動機需要燃燒9.96155×1020千克物質才能勉強達到逃逸速度。

為什麼需要這麼大的動力才能脫離呢？主要原因是由於太陽和地球間適當的距離以及太陽所提供的引力使得地球圍繞著太陽公轉而不容易離開。地球離太陽不能太遠也不能太近，離得太近則溫度升高不適合人類的生存，離得太遠不能為人類和地球上生命提供足夠的能量。也好在正是這恰當的距離，才會有了人類文明的存在。小編認為逃離太陽是不現實的，太陽系至少還得再燃燒50億年而且我們還找不到更好的。正所謂既來之，則安之，我們的地球都和太陽相處了45.4億多年了，這感情可不是一般兄弟能比的。那既然不能逃離，不如想想如何科學的利用太陽能。

眾所周知，我們的地球自轉一圈就是一個白天和一個黑夜，繞著太陽公轉一圈就經歷一個春夏秋冬。地球非常神奇，同樣神奇的也有那1.5億公裡外的太陽。那我們今天就以下四個內容來了解下這神奇的太陽和太陽能科學利用：從能源與環境的角度考慮為什麼要利用太陽能、太陽能神奇的地方在哪裡、目前我們太陽能利用的主要形式是什麼以及未來在其他方面的一些太陽能利用的技術。

為什麼要利用太陽能

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。家裡做飯需要天然氣，冬天供暖也需要天然氣來燃燒產生熱量。我們的生活離不開化石能源，但是無節制的不恰當使用化石能源會帶來嚴重的環境汙染。首先一個很重要的問題就是霧霾，它會對我們的身體產生很嚴重的影響。其次，化石燃料的不恰當利用會產生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物，當它們在空氣中積累到一定的濃度後就會促使酸雨的形成。最後，化石燃料不恰當的大規模利用還會造成臭氧層的空洞，導致全球變暖等環境問題。

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，於是這些熱量就留在了地球。經過了長期的積累，地球的溫度就會不斷升高。溫室效應是非常嚴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注。

我們需要藍天，需要舒適的生活環境，那就需要改變傳統的能源利用方式。使用清潔可再生的能源例如風能、太陽能以及它們轉變過來的氫能等等，除了風能、太陽能以外，我們還有潮汐能、生物質能和地熱能，但相對於這些能源太陽能的儲量非常豐富。雖然到達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1.78×105TW。這是一個什麼樣的數字呢，對於我國太陽能而言，三峽水電站的發電裝機容量是1700萬千瓦而我國太陽能資源是三峽水電站的數萬倍。與此同時，太陽能在目前的能源裝機中起到越來越重要的作用，在2011年我國在全球新增的裝機容量佔的比重非常小，到2017年我們的新增的裝機容量已經達到世界的50%以上。截至到去年底，我國的太陽能光伏的裝機容量已經超過2億千瓦，2億千瓦是一個什麼樣的概念呢，對比三峽水電站裝機容量是1700萬千瓦，太陽能的光伏電站的裝機容量相當於十幾個三峽水電站。

太陽能的神奇之處

太陽能對於我們來說非常重要，那我們首先要關注太陽本身。太陽是一個巨大的火球其中80%的質量是由氫組成的。在太陽的內部發生質子鏈式核發反應，太陽中心可以達到數百萬以上的溫度，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於太陽，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，我們家裡面用的廣播以及手機信號都是通過電磁波來傳送的。而太陽的輻射更加複雜，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麼

正是由於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就是太陽能發電。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、西藏和內蒙古地區。

目前太陽能發電有兩種技術，第一種技術叫太陽能光伏發電。部分地區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電技術。目前主要的太陽能電池板主要有單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池、聚光光伏電池和薄膜電池等等。應用比較廣泛的為單晶矽太陽能電池和多晶矽太陽能電池，單晶矽太陽能電池的發電效率可以達到20%以上。目前實驗室各國的科學家都積極的努力在開展這項研究，實驗室的太陽能光伏發電效率可以達到45%以上，小編也希望各位同學可以努力學習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於高科技技術，比如我們的衛星和登月的月球車是由太陽能來提供電源的，以及未來研發的太陽能汽車、太陽能飛機、太陽能公路以及太陽能充電器。

太陽能另外一種利用技術就是把太陽能轉化為熱能。太陽能直接產生高溫蒸汽，在工業上有許多的應用。同樣在生活中，太陽能真空管放到屋頂產生熱水供洗澡。聚光太陽能和線性太陽能集熱器能進行各自燒烤類活動，如烤肉、烤螃蟹、烤培根等，只有想不到的，沒有做不了的。有興趣的小夥伴可以回家自己嘗試製作。

而如果要運用太陽能熱發電技術，考慮到太陽能在經過衰減、大氣層的折射以及水蒸氣的折射後，來到地球表面的輻照強度相對來講已經比較低。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，我們可以採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於線聚光的太陽能熱發電系統，碟式和塔式都屬於點聚光的太陽能熱發電系統。對於四種聚光更細緻的原理感興趣的同學可以從最後提供的劉啟斌研究員的科學公開課-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電技術歷程，1982年美國建成了第一個發電站命名為SolarOne，這是一個具有裡程碑意義的太陽能熱發電技術，驗證了太陽能熱發電技術的可行性。隨後在美國加州南部建立了大面積的拋物槽式太陽能熱發電站，總的裝機容量達到了354MW，隨後太陽能熱發電技術在全球得到了大規模的應用和發展，預計全球到2020年運營可以達到10GW以上。

未來的一些太陽能利用的技術

在太陽能發電技術之後，未來太陽能必定還有其他很多的利用空間。例如：高溫太陽能熱化學制氫中利用太陽能直接分解水產生氫氣和氧氣，同時也可以把二氧化碳進行分解產生一氧化碳。通過進一步的化學反應，我們可以把氫氣和一氧化碳變成目前使用的液態的燃料，比如甲醇、乙醇和汽油等等。但這種技術需要很高的溫度才能把水的化學鍵給打開，因此我們還可以把太陽能和我們傳統的液體燃料結合起來，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制氫技術，通過200到300攝氏度的太陽能驅動甲醇的熱化學反應，產生一氧化碳和氫氣然後驅動傳統的內燃機。太陽能也可以應用於太陽能光催化制氫，利用半導體的特殊性能，我們把半導體材料放到水中，太陽能激發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，可以用來發電並製取液體燃料等等。未來的能源形勢是多種多樣的，多能源互補的太陽能利用技術是發展的趨勢所在。實現多元化的轉化可以變成材料也可以用來發電，與我們目前的能源網絡多功能利用形成能源網際網路，使我們的生活變得更加便利。

能源是人類社會發展的動力，而能源技術發展依賴於科技的發展和革新，希望同學們努力學習，為我國的能源技術的發展做出自己的貢獻。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。

來源：中國科學院工程熱物理研究所