光中取火又一程

王志明

童年時(shí)做過這樣的游戲：取一凸透鏡對著陽光，焦點(diǎn)處的火柴很快就會(huì)燃燒起來。

對于太陽中的“火”，人類在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中早已開始認(rèn)識(shí)了。遠(yuǎn)在3000多年前，我們的祖先已懂得用金屬凹鏡把陽光聚焦點(diǎn)火。公元前300多年前，希臘大科學(xué)家阿基米德，曾用鏡子反射的陽光燒毀了羅馬侵略者的艦隊(duì)。這個(gè)傳說，大約在2000年后，即1747年，還曾被法國學(xué)者巴封所證實(shí)。巴封用168塊15厘米正方形的小鏡子，拼成一個(gè)拋物面型的大反射鏡，把陽光匯集于一點(diǎn)，在巴黎皇家花園表演的結(jié)果：燒著了60米以外的木材，燒熔了39米以外的鉛和18米以外的銀。

光中為何有“火”呢？原來太陽是個(gè)大火球，內(nèi)部溫度高達(dá)4000萬℃，表面溫度也有5762℃它的內(nèi)部在不斷進(jìn)行核聚變反應(yīng)，并以輻射的形式向宇宙空間發(fā)射巨大的能量。盡管只有1／22億的能量穿過1.5億公里的太空到達(dá)地球大氣的最外層，并且還有一部分被大氣反射或者消耗在加熱空氣上，但每秒鐘到達(dá)地面上的總能量還高達(dá)80萬億千瓦小時(shí)，這相當(dāng)于現(xiàn)在全世界發(fā)電總量的幾萬倍。可見，太陽能是人類取之不盡、用之不竭，又無污染的自然能源。

太陽能雖多，卻很分散。目前，人們正考慮多種方式利用太陽能。人們發(fā)明了箱式太陽灶，可以用太陽的熱來燒水取暖。把它裝在房頂上，可以建成太陽能浴池，水溫達(dá)到50～60℃。澳大利亞正在設(shè)計(jì)一座“太陽鎮(zhèn)”，這些住宅里所用的電和暖氣等，都來自太陽能。太陽能的聚光裝置也越來越進(jìn)步了，傘式太陽灶就是其中的一種。它裝在陽光聚焦的焦點(diǎn)上，不但能燒水、做飯、炒菜，還可以加熱氣體，推動(dòng)機(jī)械。人們還利用透鏡與反射鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)將太陽輻射的能量聚焦，從而獲得高溫的裝置——太陽爐。它要被用來研究在高溫下的材料性能，制取極純材料和高溫單晶。目前各國已有太陽爐260多座。世界上最大的太陽爐在法國，它的聚光鏡有9層樓高，由9000塊反射鏡組成，總面積為2500平方米，在爐中可獲得1000千瓦的功率和4000度的高溫。日本在名古屋還建成一座太陽能煉鐵高爐，它收集太陽能的光學(xué)系統(tǒng)，在電子計(jì)算機(jī)的控制下，能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)太陽，即使陰天也能收到太陽能；焦點(diǎn)溫度可達(dá)3000～3500℃，能冶煉特殊合金鋼。

能不能用太陽光直接發(fā)電呢？人們終于利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理，研究出一種硅太陽能電池，陽光照到硅制成的電池板上，就能產(chǎn)生電流了。把它裝在人造衛(wèi)星上，它任何時(shí)間都能接受陽光，就能不停地發(fā)電。它可以連續(xù)工作7年，1秒鐘也不停電。近幾年來，太陽能電池已從空間應(yīng)用擴(kuò)大到地面應(yīng)用。日本一家公司推出的利用太陽能電池為電源的全自動(dòng)亮滅的室外照明燈，特別受到人們的青睞：當(dāng)人們或者車輛行近它需要光亮的時(shí)候，能自動(dòng)通電亮燈，離開時(shí)又自動(dòng)熄滅。原來這是一種以陽光蓄電池為電源的感應(yīng)路燈。這種燈能裝在陽光能照射到的地方，不需要電線，而且一次性投資后就不需要再花電費(fèi)了。亮燈的時(shí)間可以調(diào)節(jié)為5秒、10秒或30秒。這種燈使用的是高亮度的鹵素?zé)簦c100瓦的反射燈泡一樣明亮。它的感應(yīng)器能夠發(fā)覺在它前5米和旁邊10米的人和車輛。瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院的化學(xué)家最近又發(fā)明了一種利用太陽能發(fā)電的“窗戶玻璃”，其優(yōu)異性能更妙不可言。如果裝有太陽能電池和燃料的房屋再裝上這種窗戶玻璃，就可滿足用電的需要。這種窗戶玻璃實(shí)際上是一種比較透明的太陽能電池，由雙層夾心玻璃組成，發(fā)電原理頗似植物葉片的光合作用。太陽光穿過上層玻璃經(jīng)漫射通過碘基電解質(zhì)溶液到達(dá)染料層，染料會(huì)像植物的葉綠素分子那樣捕獲光子，光子激發(fā)染料層中的某些電子，被激發(fā)的電子運(yùn)動(dòng)到下層的二氧化鈦半導(dǎo)體膜中，被傳輸?shù)酵坑谙聦硬Ａ?nèi)表面的氧化錫導(dǎo)電薄膜上，定向流動(dòng)產(chǎn)生電流。電流經(jīng)某一用電器，再流到上層玻璃內(nèi)表面的氧化錫層，經(jīng)過碘基電解質(zhì)回到染料層，如此循環(huán)，形成一個(gè)閉合回路。目前，這種窗戶玻璃的光電轉(zhuǎn)換率為7～8％，每平方米發(fā)電量150千瓦小時(shí)，與硅基太陽能電池差不多，但費(fèi)用只有太陽能電池的1／5。此外，太陽能電池還可以作為無線電中繼站、氣象觀測臺(tái)、無人管理燈塔、海上航標(biāo)燈、農(nóng)用滅蟲黑光燈等的電源裝置。所有這些電能畢竟還是微不足道的。因此，科學(xué)家們還設(shè)想要建設(shè)更大的空間太陽能電站。這種電站，是重量以萬噸計(jì)的巨大的同步衛(wèi)星，它將在距地表3萬多公里的軌道上展開幾十平方公里的太陽能電池列陣向著太陽，把由此產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成微波能量射送地面。據(jù)估計(jì)，一顆這樣的衛(wèi)星可為一座現(xiàn)代化工業(yè)城市供電。

除太陽灶、太陽爐、太陽能電池外，許多絢麗多彩的太陽能產(chǎn)品還在不斷涌現(xiàn)。美國一家公司研制成功的太陽能電筒，貼合在電簡外面的光電池可以在白天充電，晚間使用。印度的一些工程師已研制成功了一種能夠隨身攜帶的太陽能“廚房”。它包括一個(gè)太陽能加熱爐和全套炊具。在晴天時(shí)，加熱溫度可達(dá)140℃，全套用具總重量僅3.2公斤。日本則推出了別具一格的只依靠太陽光源行走的太陽能汽車。這種汽車長6米，裝有1900個(gè)晶體太陽能電池，重量只有140公斤，最高時(shí)速達(dá)120公里，它消耗的電能只相當(dāng)于一般家用洗衣機(jī)的耗電量。這種汽車幾乎完全聽不到行車車聲，沒有廢氣排出，絕不污染環(huán)境，被譽(yù)為21世紀(jì)的交通工具。為了給太陽能汽車充電，最近德國卡塞爾市還推出一個(gè)公共“充能站”，太陽能汽車可以在這里“充能”。這個(gè)“充能站”的設(shè)備包括一個(gè)太陽能發(fā)電機(jī)，每年可發(fā)約650千瓦小時(shí)的電力，但其條件是每天平均接收2.7小時(shí)的陽光。汽車“充能”后余下的全部能量，可以供給該市的市立發(fā)電廠使用。

太陽能的利用，前程似錦。據(jù)專家們預(yù)測：21世紀(jì)整個(gè)世界將不再依賴石油、煤等燃料。取而代之的是太陽能；未來40年太陽能將占據(jù)世界一半的能源市場。但是，太陽能這個(gè)寶庫還沒有完全打開，在這方面，還需要科學(xué)家們繼續(xù)探索前進(jìn)，發(fā)現(xiàn)和征服新的“大陸”。