吃齋唸佛的狼
太陽能(Solar energy)是以輻射的光和熱的形式能被各種技術直接或者間接地利用的來自於太陽的光。在試圖滿足社會對電力生產的需求方面,這種形式的能量被越來越多地加以利用,並且對大規模太陽能生產的可行性的討論有些時候可能在新聞媒體和公眾討論中佔據了突出的位置,因為像煤炭和石油這些化石燃料的供應在減弱,並且氣候變化(同化石燃料的消耗有關)成為了一個更加明顯的現實。然而,值得一提的是,即使不使用像太陽能光伏電池這樣“積極地”開發太陽能的技術,太陽能也通過它傳入我們天氣系統的能量、它對我們大氣的加熱以及它作為自然界能源的來源而每天都對我們產生著影響。通過光合作用,植物每年都捕獲到大量的太陽能。
太陽能可以通過兩種方式加以利用,被動的或者主動的。被動式設計是在建築中常用的一種方法,設計者確定建築物方向的方式是讓它們在天氣寒冷的冬季可以利用太陽能,並且在炎熱的夏季可以阻擋陽光。像聚光太陽能“灶具”這樣的設備被用於發展中國家,它們就是被動式設備的簡單例子。另外一種方式是通過先進技術——比如太陽能光伏或者光化學電池——來“積極地”利用太陽能,以把它轉變成電能——或者在某些情況下變成機械能(這反過來也可以用於驅動電機併產生電能)。
對太陽能的力量的傳播
在對太陽能的潛能進行傳播時,重要的是要突出雖然按照當前的使用速度很多不可再生的燃料來源,比如化石燃料,在不遠的未來將枯竭,但是太陽能在50億年內是不會耗盡的。同樣值得注意的是有豐富的太陽能——每一分鐘到達地球的陽光所產生的能量足夠滿足人類一整年的需求。對可用的太陽能的豐富程度與我們實際應用的數量之間差異的規模的傳播在一定程度上闡明瞭這種技術的潛能。
如果全球沙漠面積的4%——這相當於戈壁沙漠(Gobi Desert)大小的一塊區域——被鋪上太陽能光伏,其產生的電能將能滿足地球上所有人類的全部能源需求。一些組織正在調查在沙漠區域建設遠程太陽能聚光器並把電能輸送到有更大需求的地方的可能性。有關如何更實際地演示這種技術的觀點將在本條目的後面提到。
對太陽能科學和技術的歷史進行傳播
還必須強調的是雖然自從20世紀中期以來先進技術數十年來只發展到目前的水平,比如現代的太陽能光伏電池,但是很多太陽能技術背後的基本原理早就為人所知了。然而,只有現代材料能夠把這些原理髮展成能夠產生效用的實際設備。
古希臘人和羅馬人就已經掌握了被動式太陽能設計的基本原理;比如,蘇格拉底(Socrates)發現面朝南的房子,陽光可以“在冬季穿過門廊”。人們發現羅馬建築的南立面被安裝上了玻璃或者雲母,以讓陽光穿透。古希臘和羅馬的歷史學家記錄了公元前212年,時值圍困錫拉丘茲期間,一個名為“取火鏡”的設備——據說是阿基米德(Archimedes)設計的——被用來把太陽能聚焦於附近停泊的戰艦上,並把它們引燃起火。
瑞士科學家賀拉斯·索緒爾(Horace de Saussure)在1767年闡述了“太陽能灶具”背後的原理。據說英國天文學家約翰·赫歇爾(John Herschel)於19世紀30年代在非洲探險時利用一個太陽能盒式炊具來烹飪食物。埃德蒙·貝克勒爾(Edmund Becquerel)在1839年發現了光伏效應這個陽光被轉換成電能的過程。1861年,奧古斯丁·伯納德·摩夏(Augustin Bernard Mouchot)演示了第一個太陽能驅動的引擎,集中於來自於太陽的能量以產生蒸汽,並反過來驅動蒸汽機車。阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)因為他對光電效應的研究而獲得了1921年諾貝爾物理學獎。然而,在1953年,貝爾實驗室(Bell Laboratories)開發了第一個硅太陽電池。科學家傑拉德·皮爾松(Gerald Pearson)、達里爾·恰賓(Daryl Chapin)和凱爾文·福勒(Calvin Fuller)完成了這一工作。
演示太陽能
在對太陽能進行傳播方面,其中一個挑戰就是讓太陽能的能量對受眾來說成為有形的東西。至少在抽象意義上來說,一個克魯克斯輻射計(Crookes radiometer)就是一種能夠被用來傳播太陽能的能量的工具,它包括一個部分被抽真空的密封的玻璃燈泡和可以圍繞著一個垂直主軸旋轉的一組葉片。落在輻射計燈泡上的陽光會導致葉片以與光的總量成正比的方式旋轉。
然而,沒有比實際的演示更好的了。比如,利用太陽能給某些能實現一些有用功能的東西——比如音樂系統或者電視——充電能夠為受眾所理解演示的現實打下基礎。雖然對太陽能的抽象可視化——比如用電壓或者電流計來演示——毫無疑問演示了“光電效應”,但是它沒有傳播太陽能所擁有的為我們日常生活提供效用的豐富潛能。
除非一個演示裝置接受直流電(direct current,DC),作為大都數太陽能裝置必要部分的一個變頻器需要利用來自於太陽能電池板的直流電並把它變成交流電(alternating current,AC)波形(電能被傳遞給家庭和商業的通常形式),以及增加電壓。一個變頻器還能監測和調節輸出的電能質量。一個同電網完全斷開的演示裝置需要一個能夠產生交流電流的單體式逆變器。
在較大規模上,就太陽能技術對人們進行教育的人可能會考慮讓這個他們對人們進行教育的建築物成為太陽能技術潛能的一個明顯標誌。教育建築和其他公共建築中的太陽能裝置通常是對公共領域中可見的“產生電能的”計量表的改造,它對該裝置產生了多少累計電能以及在那個時刻正在產生多少電能提供了一個可視化的指標。
為了表明太陽能的不同應用,利用太陽能來產生熱量相對簡單。黑色塑料袋中的水被充分的加熱以提供“太陽淋浴”,可以用一系列鏡對稱面來建造一個太陽能炊具以烹飪食物,它把廣闊範圍的太陽能聚集起來。和錫箔卡紙一樣簡單的東西會形成一個有效的聚能器。
電視節目《流言終結者》(MythBusters)試圖複製阿基米德的“取火鏡”的技藝,但是失敗了;然而,一個非常直觀的實驗是由麻省理工學院開展的,它被作為其課程的一部分,該實驗讓學生把129個鏡子進行定位,以把太陽的射線集中到一個羅馬戰艦的模型上。他們成功地引燃了軍艦的木材,因而為這種歷史解釋提供了一些真實性。讓這種演示回到太陽能技術的實際應用這個問題,對在沙漠地區聚集太陽能電站以產生能夠利用高壓直流連接把產生的電能輸送至需求量更大區域的興趣日趨濃厚,高壓直流連接能夠把電能有效地傳到更遠的距離。這個電站由大量的追蹤太陽的鏡子組成,它們散佈於一個廣大的區域內並且能夠追蹤太陽以及把太陽能聚焦於一箇中心塔上。這種技術已經成功地佈置在了全球一系列原型上——並且還有許多已經準備把這種技術投向市場的公司。
表明太陽能可以由生物以生物質的形式被“儲存起來”也是非常必要的。與光合作用相關的一次對話會討論植物的葉子如何成為利用太陽能並把它轉化成可儲存的化學能的“天然太陽能電池”。這可能導致有關我們如何生產一系列生物燃料——包括沼氣、液體生物燃料和來自於植物的生物質——的討論,以及這些生物燃料如何成為儲存便於使用的太陽能的有效方式的討論。
太陽能的商業化
最後,對開發科學和技術(science and technology)以利用太陽能的挑戰和需要支持其接納和廣泛採用的商業模型(business models)進行區分是重要的。同很多有較低資本成本和較高累積運行成本的傳統能源相比,太陽能技術的成本是“前載費用”——也就是說,投資的大部分是以建立和製造這項技術的資本成本的形式存在的,儘管維護費用很低,並且沒有持續的燃料成本。
認識到商業化的挑戰明顯不同於太陽能設備面臨的材料科學挑戰和物理科學挑戰是理解我們為什麼不用更多已有的太陽能的關鍵。雖然不斷地做出了有關太陽能光伏材料的進展,但是現有的技術是成熟的、被證實的以及經濟實惠的。
WANG論科普
我們今天使用的能源,除了核能地熱潮汐能之外,其他都是太陽能。煤炭石油是以前存儲在動物和植物體內的太陽能,風能是因為太陽帶來的熱量差。如果我們廣義上不使用太陽能的話,人類社會就該停擺了。
在狹義意義上,我們來看看每天太陽投射到地球上的能量。這點能量只佔太陽每天向外發射能量的二十億分之一,連九牛一毛都算不上。對於地球來說,相當於每天每平方米一千瓦,這點能量雖然不算什麼,但是養活了地球上的各種生命。
至於題主擔心的我們保留了太多太陽能,導致全球變暖什麼的,其實大可不必。
剛才我們看到了,地球上接受的太陽能其實並不算多,就算全留在地球上,對地球溫度的影響也是可以忽略不計的。人類更多使用的是煤炭石油等能源,而這些能源燃燒所產生的二氧化碳和其他汙染物,才可能是導致全球變暖的元兇。
而且,就算我們不使用太陽能,這些照射在地面上的太陽能依然會轉化成其他能量,例如熱能、光能。無論我們是不是使用太陽能,它都會留在地球上不會有任何區別。
能量不會憑空產生,也不會憑空消失,只能相互轉化。真正明白了這個原理,題主就能明白為什麼我們應該儘量使用太陽能了。
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