出品：科普中國
製作：陳勁濤、陳琳（中國工程熱物理學會）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
你看過《流浪地球》嗎？
在電影中，科學家發現太陽系急劇衰減可能會吞噬整個太陽系，於是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，燃燒足夠多的物質讓地球達到逃逸速度，並從太陽系中脫離出去。
△《流浪地球》海報 圖片來源：中國日報
不過，在現實中，地球可不是想跑就能跑的。地球必須和太陽保持恰當的距離，以保證適當的生存溫度並獲取足夠的能量。正是這恰當的距離，才讓地球上誕生了人類文明。
正所謂，萬物生長靠太陽，而且我們還找不到更好的太陽替代品，因此電影中呈現的流浪狀態暫時只能是科幻作家的“美好”幻想。地球和太陽已經和平相處了45.4億多年了，這感情可不是一般兄弟能比的。既然不能逃離，不如想想如何更科學地利用太陽能。
為什麼要利用太陽能？
我們龐大的社會機器要維持正常運轉，所消耗的大部分能源，包括煤炭、石油和天然氣都是化石能源。鍊鋼鍊鐵離不開煤炭；出門開車需要的汽油、柴油都來自於石油提煉；家裡做飯、冬天供暖則大多需要燃燒天然氣來產生熱量……
我們的生活離不開化石能源，但是無節制地大規模使用化石能源會帶來嚴重的環境汙染。化石燃料的燃燒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的濃度很高後就會產生酸雨。空氣擴散條件不好時，還會造成霧霾。臭氧層空洞、全球變暖、危害人體健康等一系列問題，就會層出不窮。
△圖片來源：路透社
△圖片來源：新華網
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，從一味地依靠化石能源，轉而多途徑利用清潔可再生的能源，如風能、太陽能、氫能、潮汐能、生物質能和地熱能。這其中儲量豐富的太陽能是目前我們最常使用的再生能源之一。
我們知道，太陽是一個巨大的火球，中心可以達到數百萬以上的溫度，表面也有5800攝氏度。太陽80%的質量是由氫組成的，在太陽的內部會發生質子鏈式核反應。地球上的能源主要來自於太陽，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。太陽的輻射十分複雜，由很多個波段組成的，包括紫外線、長波輻射、紅外和可見光等等。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。
可以看出，太陽能是太陽內部高溫核聚變反應所釋放的輻射能。從某種程度上講，太陽能可以說取之不盡用之不竭，每年到達地球表面的太陽輻射能大約是130萬億噸標準煤，相當於目前全世界每年所消耗的各種能量總和的1萬倍。
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。2011年時我國在全球新增的裝機容量中佔的比重非常小，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2019年底，我國的太陽能光伏的裝機容量已經超過2億千瓦，相當於十幾個三峽水電站。
△圖片來源：參考資料1
太陽能除了能量巨大外，還有許多的優點，例如可再生性。而且，其他幾乎所有再生能源的再生性，其實都來源於太陽能的再生性。同時，太陽能在時間上是長久的，對於人類而言，可以說是永久的、無限的。太陽能也是廣泛的，整個地球表面幾乎都能照射到太陽光。相比於其他能源來說，太陽能也是最安全可靠的。
太陽能作為一種自然能源，以其儲量豐富且無汙染性的獨特優勢，被國際公認為未來最具競爭性的能源之一。因此，更加充分地開發和利用太陽能能夠讓我們更好地保持自然平衡，充分體現可持續發展和人類迴歸自然的理念。
我們該如何利用太陽能？
前面說到，太陽能由多個波段組成，因此我們可以通過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。
目前，太陽能發電有兩種技術，第一種技術是把太陽能轉化為電能，叫太陽能光伏發電。生活中我們常能看到屋頂、路燈上有很多太陽能電池板。這些電池板主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、聚光光伏電池和薄膜電池等幾種。應用比較廣泛的有單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池，其中單晶硅太陽能電池的發電效率可以達到20%以上。在實驗室裡，太陽能光伏發電效率已經能達到45%以上。
太陽能同樣可以運用於高科技技術，比如把太陽能光伏板安裝在停車棚上，給電動汽車提供電源。可以說，有了這項技術，有太陽的地方，就有動力。我們的衛星和登月的月球車就是由太陽能來提供電源的，也許在不久的將來，還可能研發出太陽能汽車、太陽能飛機、太陽能公路以及太陽能充電器等新技術。
△圖片來源：參考資料1
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，再轉為他用，這在工業上有許多的應用。如將太陽能真空管放到屋頂，產生熱水可供洗澡；聚光太陽能和線性太陽能集熱器，讓我們不用煙薰火燎就能實現戶外燒烤。總之，只有你想不到的，沒有做不了的。
△各種太陽能燒烤 圖片來源：參考資料1
此外，還可以運用太陽能熱發電技術發電。早在1982年，美國就建成了第一個名為Solar One的太陽能熱發電站，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。太陽能熱發電技術得以在全球大規模應用和發展，預計到2020年運行可以達到10GW以上。
△圖片來源：參考資料1
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就會變得比較低。比如太陽能在大氣層外的能量密度是1300瓦每平米，而即使在北京夏天最熱的時候，到達地面的太陽的輻照強度也只有900瓦每平米，因此需要通過聚光的方式來獲取更高的能流密度和更高的溫度。目前，太陽能聚光系統主要有拋物槽聚光系統、線性菲涅爾聚光系統、碟式聚光系統和塔式聚光系統四種。
拋物槽式集熱器聚光系統利用拋物線的原理，用拋物面的鏡子將太陽能聚集在拋物面的交線上，用於得到更高能流密度的太陽能。
連續的拋物面鏡子製作起來比較困難，我們採用不連續的平面鏡子同樣可以達到拋物線的效果，這就是另外一種太陽能聚光系統——線性菲涅爾集熱器。
碟式集熱器聚光系統有點像大型的天線，如果我們在焦點上放一隻水壺，可以將水燒開；如果提高精度和聚光面積，就可以達到數千攝氏度的高溫。
最後一種是塔式集熱器聚光系統，這種系統中間有個數百米高的塔，聚光鏡把太陽能聚光到塔的頂端，聚光比可以達到數千倍以上，溫度甚至可以達到數千攝氏度以上。聚集了太陽能以後，利用我們傳統的熱發電方式，就可以發電了。
△圖片來源：參考資料1
總地來說，太陽能聚光系統是利用幾何光學特性將低熱流密度的太陽輻射能收集起來，形成高的輻射熱流密度聚光系統。太陽能熱發電被認為是發電穩定、對電網衝擊小並可實現大規模發電的綠色能源利用技術，具有很好的發展前景。目前，如何提高太陽能熱發電效率、降低發電成本是太陽能熱發電研究的焦點。
更多的技術，更廣泛的應用，更美好的未來
在太陽能發電技術之後，未來太陽能必定還有其他更多的利用空間。
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傳統的液體燃料結合起來，這樣需要的溫度就非常低。這種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，在水中能夠置換出氫氣，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趨勢所在。實現多元轉化，讓太陽能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互聯網，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。
參考資料：
1、劉啟斌-神奇的太陽能和太陽能利用
https://v.qq.com/x/cover/mzc00200dkrocp9/p0969jbo4fn.html
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