太阳能的利用 [复制链接]

第7版()
专栏：

　　太阳能的利用
　　中国科学院动力研究室副研究员　葛绍岩
　　太阳能利用在动力经济上的意义
根据历史的记载，远在唐朝时（公元650年左右）我国已制成太阳能取火工具，称为阳燧。它是用圆形铜质凹面镜，将阳光反射并聚集在一点上来获得高温的。这说明我国劳动人民很早就已掌握了利用太阳能辐射热的原理。解放以后，随着工农业生产的迅速增长，人民生活逐步提高，人们对于能源的需要急剧增加，特别是去年大跃进以来这个情况更为明显，所以太阳能利用亦被各方重视起来。从近年来世界各国能源利用情况发展趋势来看，由于天然燃料的消耗量大大增加，而天然燃料的储藏量究竟有一限度，远不能满足人类日益增长的需要。同时随着化学工业的进展，煤和石油又成为制造一些贵重化学品的重要原料，天然燃料在动力方面的使用量将相应减少。因而许多国家的动力经济学家都在积极寻找新的动力能源。
究竟什么是新的动力能源呢？哪种能源可以在人类日常生活中得到实际的运用？很显然的是原子能的利用和太阳辐射能（广义地说，可以包括同太阳能直接有关的水能、潮汐能和风能）的利用。这些能源的利用将比天然燃料能源的利用更有发展前途。
太阳能利用有很大的可能性。太阳辐射几乎是一个取之不尽、用之不竭的巨大能源。苏联温别尔格教授计算，只有二十亿分之一的太阳能射到地球最高的大气层，但其能量已达一百八十万亿瓩，除去大气反射和吸收外，到达地面的约有八十万亿瓩，其中陆地上吸收的能量约等于十七万亿瓩。换言之，地球表面十天内所受到的太阳辐射热量，就相当于世界各地储藏煤矿的总发热量。
我国处于北纬四度到五十三度，兼有热、温、寒三带气候，全国大部分领土在北温带，面积将近一千万平方公里，投射到我国大陆的太阳辐射能相当于一万二千亿瓩。这是一个非常惊人的数字。若能全部被我们利用的话，就相当于一千二百万座十万瓩的发电站的总能量。一般在年照时数为一千八百小时的地区，已有较好的太阳能利用价值，而在我国广大东北、华北、西北、内蒙古及西藏高原一带，年照时间高达二千五百至三千小时，在华东和华南部分地区年照时间也有二千小时以上。所以在我国广泛地利用太阳能是具有很有利的地理条件。
太阳能利用的方法
到目前为止，还没有很好的方法直接把太阳能转变为能源。大量的太阳辐射热为陆地和海洋吸收，使土壤和海水维持一定的温度，并使大量水分蒸发。只有少量的辐射热经光合作用后被植物吸收变为化学能。
从能量的观点来看，太阳能利用装置的效率比太阳能自然利用的效率要高。例如反射镜式太阳能锅炉的效率在60％至70％之间，太阳灶的效率在50％至60％之间。太阳能光电池的效率目前也已达到11％。太阳能热水器可将水温升到55°C至60°C，其热效率为30％—45％。
但是这些太阳能利用装置目前还不能大规模应用，主要是由于下列两个缺点：（1）地球上单位面积所受到的热量过小（每平方分米每分钟约二卡，即零点一三九四瓦每平方分米），须用面积很大的反射镜或受热面，设备费用增大。（2）太阳能辐射能量随时间改变，所供应的能量不稳定，故需要有辅助能源（如天然燃料）的供应及其附属设备，或采用储能设备，这些附属设备的费用甚高，而且增加了操作上的困难。
在高温方面，可利用大面积抛物面反射镜和聚光系统，将太阳能聚集在一个焦点上，可以达到3000°C左右的高温，用以溶解高熔点金属，或制造特殊合金。用高温太阳炉辐射加热的优点是没有电极或加热剂的直接接触，因而保证了加热体的纯洁。
目前应用较广而在今后也有发展前途的，可能是房屋建筑的太阳能采暖设备。这属于低温范围内的应用。暖房、暖床、干燥器、热水器和太阳能浴室等也都是日常生活中常见的低温太阳能装置。在动力方面，可利用巨型的反射镜或大量的小面积标准反射镜，将太阳光集中到锅炉上，用锅炉内产生的蒸汽推动蒸汽机或蒸汽轮机。如苏联现在南方地区试建一台发电量为七百五十至一千瓩的太阳能蒸汽电站，反射镜面积为二万平方米，蒸汽温度为350°C，压力为十六大气压。设计年日照时间为一千八百小时。
太阳能光电池是一种把太阳能直接变为电能的器件，它的优点是没有机械运动部件，所以免去机械损失和部件维修的缺点。目前太阳能光电池的效率还很低，而成本高，需要大量的电池和大的受光面积，才能发出少量的电流，所以还不能应用到日常生活中去。
在苏联发射的第三颗人造卫星中，已成功地运用了太阳能光电池带动无线通讯设备，为太阳能利用开辟了一条新的道路。制造太阳能光电池的原料种类很多，例如硒，硫化物和金属间化合物等都可以制成不同功率的光电池；另外，可利用半导体材料如锗和硅等单晶体经特殊处理后制成半导体光电池元件。
我国在太阳能利用方面的成就
在党的关怀和支持下，太阳能利用装置和太阳能动力机械的研究和试制工作，有了很大的进展。 1958年大跃进中，全国普遍展开了群众性的太阳能利用工作。制成了太阳能水泵、太阳能浴室、太阳灶、蒸馏器和空气予热式太阳能干燥器等设备。
我国太阳能利用装置的成就主要有热水器和反射器、太阳能水泵和太阳能光电池等三个方面。
（1）热水器和反射器
我国有许多地方正在进行热水器和反射器的试验工作。上海太阳能器械厂在广州市园林管理处建立了一座受热面积为六十平方米的太阳能浴室，每平方米受热面每日产生八十公斤50°C到60°C的热水。平凉中学在1957年5月建成了受热面积为三点九六平方米的太阳能浴室，夏季每日可得80°C至86°C热水四百公升。在反射器方面，上海太阳能器械厂制成了精确的铝合金抛物面镜式太阳高温炉，温度可达1000°C至2000°C。平凉中学制造成太阳能及炭火二用茶炉，由锅炉及室外反射器二部分组成，利用钟摆机械自动对准太阳，每日工作九小时，可出沸水450公升，功率相当于4瓩的电热器。
（2）太阳能水泵
1958年上海交通大学热工教研组与上海市太阳器械制造厂协作，初步制成了太阳能水泵。它是一种利用抛物面反射镜式太阳能蒸汽发生器来驱动蒸汽水泵的排灌机械，制造简单，不消耗燃料。所用的无活塞式蒸汽水泵由蒸汽阀、汽缸、两个止回阀和一些管子组成。当蒸汽进入汽缸内，加压力于汽缸内的水使排出口的止回阀打开，水即被压至出口管外。当排水到若干数量以后，汽缸内水位下降到相当低的位置时，蒸汽阀关闭，此时汽缸的冷却表面很大，且排出管外的水有连续向外冲的惯性。汽缸内很快地形成真空，接着就有水从吸水管吸入汽缸内，如此周而复始，在无云的晴天，十平方米抛物面形反射镜可使太阳能蒸汽锅每小时产生二个大汽压的蒸汽五公斤，经十五分钟照射后即可出汽，水泵抽水量每小时可达4吨左右。
（3）太阳能光电池
关于利用半导体元件将太阳能的光能和热能直接转变为电能的研究工作，也在1958年大跃进中开展起来。中国科学院动力研究室和许多高等学校的半导体教研组都先后试制了氧化亚铜、硒、硫化物、锗与銈的光电池，许多产业部门也都研究了各种类型的光电、热电元件，并且一部分太阳能光电池如硒光电池等，已经开始生产。
对太阳能利用工作的几点意见
广泛地利用太阳能作为动力能源及热能能源，具有重大的经济价值。为了提高目前太阳能器械的效率和展开太阳能利用新型设备的研究，今后可以考虑进行下列这些工作。
（1）在全国有代表性的主要地区，建立记录日照特性（如日照强度和日照时数）的测量站，对所得资料进行系统的整理和分析。根据各地区能量资源的情况，确定出在经济上合理地利用太阳能的地区和利用太阳能的适宜方式。
（2）研究出结构简单，效率高和适宜于大量生产的利用太阳能的方法和装置。特别是对适合我国广大农村需要的水泵、制冷机械、沸水器、干燥器、房舍取暖设备等应该积极进行研究。
（3）开展对太阳能利用这门科学领域中的尖端性技术的研究，如高温太阳炉、太阳能热电站、太阳能光电池和太阳能温差发电设备等。
（4）利用光化学分解、电解、微生物及海藻快速生长等方法研究太阳能的储蓄。
（5）对各种太阳能设备做出能为生产部门直接应用的热力计算方法。
（6）研究物体表面对太阳能辐射光谱吸收率较高，而对低温状态下热辐射损失较小的特殊材料的制造方法，并鉴定其热辐射性能及其经济性。以便在各种太阳能利用装置的吸收表面上普遍采用。