书城童书科普知识百科全书——《能源知识篇》(上)
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第3章 太阳为我们工作(3)

开发利用太阳能的现状也很令人鼓舞。手表、立体声音响装置、打字机、通话器等都已利用太阳能;太阳能电视机、通风机、路灯、泵等也将投入实际应用。白天储存太阳能、晚上利用太阳能的庭园走道照明灯,1988年的销售量超过100万件;带有太阳能电池的计算器,目前的营业额已达10亿美元。

各种各样的太阳能器具更是琳琅满目,不断推出新产品。

用户对太阳能装置的需求量正以每年15%~20%的速率增长,偏僻地区需求量的增长幅度更大,达40%~ 50%。

十多年前绝大多数人还没有听说过太阳能电池这个词儿,可它现在已拥有迅速发展的真正市场,1992年的产量达到579万千瓦,是15年前的26倍。太阳能工业正在越过它不成熟的阶段向前发展,前途光明,崛起近在眼前。

1978年5月3日,美国举行了一次以开发利用太阳能为主旨的“太阳日活动”,有2000万人参加。过了一年,当时的美国总统卡特宣布,到2000年,美国要把太阳能在能源构成中的比重提高到20 %。现在,这项保证已经成为过去,由于石油价格的下降和政府支持政策的改变,卡特盲目乐观的开发利用太阳能的计划没有成为现实。

但是现在情况正在起变化。美国的太阳能研究不断取得进展,成本的降低和技术上的突破使更多的用户开始用得起太阳能,再加上太阳能在保护环境方面的巨大好处,使主张利用太阳能的人大受鼓舞。在不久前进行的一次全国性调查中,过半数的美国人认为今后10年使用最多的能源是太阳能和核能。1989年,太阳能发电量在美国的总发电量中只占千分之一左右,而根据最近的进展,到下个世纪初,这个比重有可能提高到1%,目前美国的发电能力是6亿千瓦左右,1%就是600万千瓦,大约可以满足300多万人用电的需要。

缺乏能源资源的日本,一向十分重视太阳能的开发利用。

它制定了著名的“阳光计划”,投入不少的人力物力研究开发太阳能技术,在太阳能材料、太阳能发电等方面都取得了很多突破性成就,现在已经是世界上生产和销售太阳能装置最多的国家。专家们认为,对于国土资源短缺的日本来说,最经济实惠的办法是在住宅屋顶上铺设太阳能电池,建造这类样板房的“阳光计划”正在实施之中。据说,到2000年,日本将能通过太阳能发电解决本国能源需求的10%。

澳大利亚是世界上利用太阳能发展偏远地区通信事业的先驱。它现在已将20万千瓦的太阳能电力用到电话通信中,今后将有更多的太阳能电力被用来发展光纤通信和数字通信。

太阳能电力已经成为澳大利亚电信业的可靠组成部分之一。

不少发展中国家也很重视太阳能的开发利用。印度正在大力开发太阳能,并且建成了自己的太阳能热电站;巴基斯坦希望在今后几年内,使两万个村庄实现太阳能化;利比亚有30%的居民用太阳灶做饭;非洲和拉丁美洲有许多国家用上了太阳能排灌机械;沙特阿拉伯正在建设世界上最大的太阳能工程……在太阳能的开发利用上,我国起步比较晚,但进展比较快。北京、上海首先成立了太阳能研究所,在太阳能开发研究上有不少发明创造。到1984年,我国已有从事太阳能开发研究的单位160多个,专业科技人员3000多人,生产太阳能设备的工厂百余家。许多太阳能的开发利用项目已经由研究试验逐步走向推广应用,并且取得了良好的节能和经济效果。

太阳能热利用是当前太阳能利用的主要方面,我国许多地方已用上太阳能热水器、太阳灶、太阳房、太阳能干燥器、太阳能制冷机、太阳能蒸馏器、太阳炉等等,是目前使用太阳灶和太阳能热水器最多的国家。

我国从50年代开始研究太阳能电池,首先研制成功的是硅电池,并于1971年3月第一次用到我国发射的第二颗人造卫星上,在太空中运行了8年3个月。以后太阳能电池逐步推广应用到航标灯、铁路信号灯、割胶灯、黑光灯、电围栏、气象通信、电视差转台、旅游船、钟表、台灯、蒙古包照明等许多方面。我国自行设计安装的功率为10千瓦的太阳能实验电站,已分别在甘肃榆中县、西藏草吉县和北京大兴县建成。5个生产太阳能电池的合资企业,年生产能力可达5000千瓦。

有关专家估计,1年里投射到我国陆地上的太阳能大约是1亿亿千瓦小时,相当于12万亿吨标准煤。同如此丰富的太阳能资源相比,我国目前已经开发利用的那一点点太阳能,实在是太少太少了。

当然,不光中国,全世界的情况也是如此。无限丰富的太阳能资源同它作为生产能源对人类所作的贡献相比,前者是那样的大,后者是那样的小,实在不成比例。有的人这样说,太阳能的利用,现在还处于上世纪末石油所处的状况。在本世纪,石油用了65年的时间,终于取代煤炭成为能源舞台上的“第一号角色”。可是,在今后的60年或70年内,太阳能的开发利用,无论在技术上还是在经济上,是否也能取得像石油在本世纪所取得的那样显赫的成就吗?

但愿如此。

一些科学家和工程师们已经看到了这个远景,他们甚至提出了一些相当现实的设想。比如,有一些专家建议,到2000年,可以在占全球沙漠总面积 4%的土地上,配置大面积的太阳能电池板,然后把所获得的电能通过超导电缆传输到阳光少的地区,这样就能满足全世界很大一部分电能的需要。

看到这里,你也许会忍不住想,现在应该好好学习,打好基础,努力掌握现代科学技术,将来更好地为发展我国的太阳能事业,为解决困扰人类社会的能源问题作出贡献。

太阳每秒钟能发出多少能量

本世纪初,人们已开始着手测量地面上单位面积上能接收到多少太阳热量了。这项测量工作并不那么简单,为了得到准确的平均数值,经过70多年的观测,积累了大量资料,终于得到了以下的数据;平均来说,地面上(假设在大气外)垂直阳光方向每平方厘米面积上每分钟接收到的热量是823焦耳,即可使197克水温度增加1度的热量。看来,这个数字似乎并不惊人。但这是在地面上测得的数据,它不能直接代表太阳发出的热量。道理很简单,你站在火炉边,觉得暖烘烘的,如果走出20米远,就几乎感觉不到火炉的温度了。更何况太阳远在15000万千米之外,而且它的能量又是射向四面八方的,只有1/22亿射到地球上。不过根据地球上测得的数值,我们可以算出太阳每秒释放出的总能量是38×1026焦耳。

这个数字可就惊人了,假设我们地球整个表面冻有100千米厚的冰层,太阳的全部能量集中射向地球,那么大约40秒就可以使冰层全部溶化,只需7分就能把它们全部化为蒸汽。

太阳的能量从哪里来

太阳每秒发出这么巨大的能量,几十亿年来,它源源不断地把能量输送到四面八方,却丝毫不见发光能力有任何减弱。是什么东西“燃烧”并不断地供给这么多的能量呢?历史上,科学家们曾提出过多种看法。最初设想的是像地球上的普通物质燃烧那样产生热。就假设燃烧的是优质煤吧,1克优质煤完全燃烧只能放出2926千焦的热,如果太阳全部由优质煤构成,那么只要经过5000多年整个太阳就烧完了。而我们人类存在的历史已经有200万年了。显然煤不是太阳的能源。后来人们又提出一些其他假说,也没能完满解决问题。那么,太阳的能量究竟怎样产生的呢?很长时间以来,这都是一个谜。直到20世纪30年代这个问题才得到解答。1938年美国物理学家贝特提出太阳的能源是原子核聚变反应,即由4个氢原子核聚变成1个氦原子核,从而释放出的巨大能量。氢弹就是这种核反应。可以说,1克氢聚变成氦能放出65×1011焦耳的能量,相当于产生648×1011焦耳的热,这等于200吨优质煤燃烧所产生的热量。可见,核反应产生的巨大能量是其他产能方式所不能比拟的。核反应需要高温压条件,太阳中心具有约1500万度的高温,压力比地球大气压大4000亿倍,是一个天然的核反应实验室。太阳能源也给我们以启迪。如果在地面上能人工大规模进行这样的受控核反应,可以获得多么巨大的能量啊!原子核工作者正在为此不断努力创造实验条件。

中微子失踪案

科学家对研究课题的探讨总是没有止境的。虽然核反应理论已经得到了科学界的公认,提出太阳能源学说的贝特也获得了诺贝尔奖金,可是要揭开太阳的奥秘还有许多问题要搞清楚,比如太阳是由些什么元素组成的?它上面的物理状态(温度、压力等)怎么样?”……这些问题对于地面上的物体来说,是很简单的,到实验室里测量、化验一下就解决了。而我们要了解的是在15000万千米之外的太阳!用什么办法寻求答案呢?

太阳的真面貌将更深入更全面地层现在人们面前,它将被更多更好地用来造福于人类。

19世纪末,物理学家发现铀和镭等元素能够自动衰变。在衰变过程中,放射出3种射线,其中有1种射线,叫做p射线。它是一种带负电的高速飞行的电子流。

起初,人们认为在原子核的衰变过程中,原子核发射出一个电子,并且转变成另一种原子核。但是,当人们对衰变前后的原子核进行精密测量并且对能量加以对比之后,发现发射出的电子所携带的能量少于原子核释放出来的能量。就是说,原子核在衰变过程中有一小部分的能量丢失了。

为了寻找遗失的这部分能量,人们进行了实验和研究。到1931年,奥地利物理学家泡利提出一个大胆的设想。他,认为在晾变过程中,原子核除了发射出一个电子以外,可能还发射出一种我们很难察觉到的,还不认识的粒子。他根据衰变理论,认为这种未知的粒子具有奇妙的性质,就是它不带电,显中性,质量微小,不跟周围物质发生作用,它不愿意“显露”自己,所以人们无法观测到它们。

泡利的设想提出后不久,意大利物理学家费米把这种未知的粒子命名为“中微子”,意思是中性的小家伙。

这个假说提出以后,许多科学家就设法寻找这种粒子。寻找中微子是很不容易的,科学家们花了将近20年的时间,想了许多办法,在50年代总算找到了中微子。

在地球上找到了中微子,使天文学家联想到了太阳。人们认为太阳上时刻发生着由氢聚变为氦的核反应,那么一定会发射大量的中微子。

我们知道,现阶段太阳内部主要的核反应是4个氢原子核聚变合成1个氦原子核。经过一次聚变反应之后,质量损失了。损失的质量转化为能量,于是发出巨大的光和热。科学家认为,中微子就是这种反应中必然会产生的一个副产品。天文学家根据理论,可以算出太阳内部每秒钟产生2000亿亿亿亿亿个中微子。这是一个多么巨大的数字啊!

这么大量的太阳中微子穿透太阳大气和太阳到地球之间的空间,来到地球上,铺天盖地地洒向人间。据估计,来到每指甲盖大小的地面上的中微子有几百亿个。

为了寻找来到人间的太阳中微子,科学家想了许多办法。直到1968年,美国科学家戴维斯等人在美国南达科达州的一个深1500米的金矿里做了一次实验,才找到太阳中微子。戴维斯等人在金矿里放了一个很大的钢箱,里面装了38万公升的四氯化二碳溶液,用四氯化二碳来诱捕中微子。当太阳中微子穿过钢箱的时候,就会使一个原子量为 37的氯原子在一个中微子的打击下变成一个同样原子量的氩原子,并且放出一个电子。氩是一种不稳定的放射性元素,它会不断地衰变。用计数器可以测出核反应以后产生了多少氩原子,这样可以反算出中微子的数量。

捕获中微子的办法总算找到了,可是实验的结果却使科学家大吃一惊,引起了一场争论。实际找到的中微子数量远远少于估计能抓到的数量。本来预计用这个方法每天能捕获一个中微子,实际上5天也捉不到1个。在反复研究测量技术之后,科学家断定确实有大量的中微子失踪了。

大量的中微子哪儿去了呢?经过反复检查,有些科学家认为,中微子失踪既然不是因为计量的方法和仪器的误差造成的,那么可能是现有的一些理论有漏洞,应当对一些理论加以检查。

科学家对现有的一些理论的来龙去脉进行了详细检查,发现这些理论确实值得怀疑。

有人认为目前人们对太阳的结构和物质状态的认识,并不是无懈可击。目前人们对太阳内部的一些认识,主要是利用外部太阳大气的一些数据,用理论方法计算出来的。如果修正—下人们原有的认识,修改一下标准太阳模型;如果假定太阳内部的重元素比我们原来想象的少一些,太阳内部有一个数值达10万万高斯的强磁场,太阳内部的自转比外部快得多,那么算出来的太阳内部的温度要比原来计算的偏低一些,这样计算出来的太阳中微子的理论值就大大减少,跟观测值相近。甚至有人认为原先的太阳产生能量的理论完全不对,太阳内部进行着另一种方式的核反应,那种新的核反应所产生的中微子并不多。

还有一些人认为中微子失踪的原因是太阳能量的产生时而剧烈,时而平静。中微子从太阳到地球只要几分钟,它告诉我们的是几分钟前太阳内部的情况;而太阳辐射能量是经过几千万年从太阳内部传到表面的,所以太阳辐射告诉我们的是几千万年前太阳内部的情况。他们认为目前太阳能量的产生正处在平静阶段,太阳中微子并不多。可是我们关于中微子数量的计算,是根据几千万年前从太阳内部出来到达太阳外部的情况来计算的,而几千万年前正当太阳能量的产生处于剧烈时期。这样算出来的中微子数量当然跟目前产生的数量大不一样了。

另一些人却怀疑人们对中微子的一些现有的认识。他们认为,中微子并不是人们所想象的不跟其他物质打交道。它从太阳中心出来,穿过太阳大气,经过日地空间的时候,可能发生了衰变,变成其他粒子,因而我们找不到它。

上面3种看法对天文学家和原子物理学家都是一个挑。战。要么让天文学家去思考,怎样修改标准的太阳理论模型;要么让原子物理学家去思考,检查一下核反应理论有没有差错。现在人们还不能轻易地下结论;不能肯定谁是谁非。因而太阳中微子失踪一案,在科学上还是个谜。