太阳能利用形式概念图及最新设想

太阳是以核聚变反应维持其巨大的能量释放。在这里每秒钟有6.57亿吨氘（D2）变为6.53亿吨氦（He4）。根据爱因斯坦的质能公式：

E＝mc2　（7—1）

式中E，m，c分别表示能量、质量和光速。太阳聚变反应中的质量亏损400万吨，转换成2.7×1030千卡/年能量。这些能量向太阳周围空间发射，到达地球上的只有其中的22亿分之一，约为1.2×1021千卡/年。每平方厘米，每分钟所接受的太阳光能量密度为I0，称为太阳常数：

I0＝1.94～1.97卡/厘米2·分＝1.38千瓦/米2

当阳光进入大气层后，便被吸收。如大气的吸收率为a （a随波长而变化，不是常数），阳光横向射入并通过等于垂直入射m倍距离的大气层处，太阳光的能量密度为I：

I＝I0am 　（7—2）

m为大气质量。I随纬高和季节而变化。由此式计算地面各处的太阳光能量密度显然小于1.38千瓦/米2，即能量是很分散的。太阳能即便是有这种缺点，人们还是研究了许多而且还在继续研究直接和间接地利用太阳能的方法。图7—1就是太阳能利用形式的概念图。

1. 太阳能的直接利用与环境影响

太阳辐射是地球上生物得以存在的最重要因素。要是没有太阳光，这个星球的温度大约为﹣268℃，接近绝对零度。太阳辐射不但温暖了地球，带来了光明，而且为人们所广泛利用。图7—1中表示，通过一定的工艺技术过程，太阳辐射可以直接转变为热和电，供建筑物采暖、空调、炊事、食品冷藏、材料的高温处理、太阳能干燥、抽水、照明以及一些联合的用途。

直接利用太阳能的主要设备有太阳能集热器、蓄热水箱、太阳灶、太阳能热电转换系统和光电转换系统等。

图7—1 太阳能利用形式概念图

太阳能集热器一般是由涂上黑色的金属板和金属管，加上玻璃盖，底层有绝热材料保温而组成的。集热器可分固定式和活动式两种。固定式集热器能收集到的热能，最高可达150℃；若再采用选择性表面涂层或用聚光装置，可以获得更高的温度。线性聚焦集热器经聚焦后可达300℃，而点聚焦的集热器温度更高，能达600℃以上。后者可制成太阳灶或太阳炉等高温太阳热能装置，更可组成太阳能热电系统。一座典型的10万瓩太阳能发电系统，大约由12500个定日镜组成，每个反射镜的面积为40平方米，中心接受器塔高250米。每天可运行6—8小时；有蓄热装置，供夜间和阴雨天发电使用。总效率可望达15～20％。这类系统正在美、法等国中开展研究，估计到八十年代末期，可望掌握运行5～10瓩热发电系统的经验。

集热器与蓄热水箱一起组成太阳能热水器。这就是低温太阳能装置。此外还可与其他的蓄热系统组合使用。如瑞士1982年建成一座大型土壤太阳能储存库，容积为3500立方米，加热蛇形管总长8400米，经夏天蓄热可使土壤温度达45～50℃，到冬天时取出供暖。

太阳能光电系统，核心部件是光电池。光电池主要由两层材料组成，一层是硅、锗和硫化镉等半导体材料，另一层是铝或银等金属。当电池受到光的照射时，就会有电子在两层材料间流动而产生电能。制造太阳电池成本高，而且受到砷、硒、镓、锗和镉等材料供应的限制，因此发展不快。目前太阳电池仍局限在1瓩之内。但由于它没有运动部件，使用寿命可超过百年之久，优点突出，所以还是非常吸引人的。特别是在边远和高山地区，可为航标灯、电视机等供电。

目前太阳能直接发电的最新设想，是在离地球约500公里的高空同步轨道上，建造大型太阳电站，用微波将电力送回地球。一座500万瓩的空间太阳能电站，其连接支撑结构为13.1公里×4.93公里；天线直径210米，高5.92公里。此种电站将成为取之不竭的巨大能源，但实现时间尚属遥远（预计在廿一世纪中）。

我国地处纬度不高，太阳能资源十分丰富。西藏地区最为突出，能量密度在150—240千卡/厘米2·年的范围内，其余地区也有110-140千卡/厘米2·年。一般在沿海、华北、东北各地能量密度较低；而内陆高能地区则较高。例如西藏的太阳能烤箱，一月份可达240℃。太阳炉、太阳灶等已在我国能源短缺的某些县和公社中获得较广泛的应用；太阳能的低温热水系统，在全国许多地区的澡房、食堂、住宅等场所已应用；最简便的家用太阳能热水装置，只需花1元多即可造成。

太阳能利用系统对环境有好的影响，也有不好的影响，它们是：

（1）即无有毒气体排出，也无可能影响地球气候的二氧化碳排出。

（2）占地面积与化石燃料及核能电站相当。例如1000瓩太阳能电站约需占地2000平方米，而同样容量的燃煤电站，约需3000平方米。而且太阳能电站还可建在沙漠地区。不过对某些沙漠地带可能影响生态平衡。

（3）余热的排出低于其他热电站。例如一个1000瓩太阳能电站只排出余热约250瓩/年，而同样容量的化石燃料电站排出余热1700瓩/年，轻水堆电站排出2100瓩/年。

但太阳能的定日镜场会影响反射率、能量平衡、湿度平衡，低空空气的流动方式等，进而影响小气候。

（4）太阳能集热系统吸收太阳能后，减少了地面、建筑物等反射回空间的能量，结果影响了大气中的温度梯度，大气组成、云层、风等。而且还有反馈效应，如云量增加，会影响集热器的效率等。

（5）巨大的集热系统、聚光装置，严重影响景观，以致改变建筑风格和建筑设计规范。建筑物的定向和布点，不再首先考虑地下水道、水管、电缆、地形、交通干线等因素，而是首先考虑利用太阳能以决定房屋的朝向，这势必又会增加造价。同时又与大城市发展屋顶花园，调节城区气候、维护生态平衡发生矛盾。

2. 太阳能的间接利用与环境影响

图7—1的左半部表示出太阳能的间接利用。它包括生物质能、水能、风能、海洋温差能、波浪能、潮流能等。水能在上一章已介绍过，现不重复。其余各种能源介绍如下。

（1）生物质能与沼气

① 生物质能 生物体直接或间接吸收太阳能并不断进行转化，成为维持生命活动的能源，就是生物质能。

植物的叶绿体在阳光的作用下，把水、二氧化碳、无机盐份等转变为简单的小分子物质，再合成糖类、蛋白质、脂肪较复杂的大分子，以ATP（三磷腺 ）的形式，把能量贮存起来。每克分子ATP贮存的能约12千卡。全世界每年植物所贮存的能量，如按人平均，相当于目前世界上各种商品能源人均总耗量的十多倍，如折合成标准煤约为20～30吨。因此利用生物质能，就是间接利用太阳能。直到一百多年前，生物质能始终占人类总能耗的90％以上；即便在1980年，生物质能仍占全世界总初级能耗的19％。据估计，生物质能将占美国2000年所需能源的15-18％。

通常作能源消耗掉的生物质能，包括薪柴、木炭、农付产品的下脚料或废弃物（如谷壳、甘蔗渣、秸杆）、能源树、杂草、人畜粪便，以及上述物质经过一定的工艺过程而制成的醇类、沼气等。

近来，人们在薪柴方面，着力于寻找和培育速生树种。我国有许多优良的速生树种，如紫穗槐、泡桐等。表7—1列举了几种国外的速生植物参数。

全世界薪柴的产量，多年的平均值为11～12亿立方米，其中约有一半以上在第三世界国家当作燃料烧掉了。

能源树是一种能分泌出可直接燃烧的乳状液体的树种，如我国的油楠树、南美的苦配巴树等。发展和培育高产能源树种，对解决石油的代用能源问题，具有重要的意义。例如， 1980年瑞典种植能源树300公顷；1990年计划种植10万公顷，可取得树汁300万吨，其所提供的能量相当于瑞典石油耗量的50％。而且由于这种树汁不含硫，所以没有二氧化硫的污染问题。

从植物质中提取酒精代汽油，已引起许多国家的重视。例如巴西目前已有几千辆汽车用酒精代替汽油；计划1988年将有200万辆汽车使用酒精。还有西德、瑞典、加拿大、印度，印度尼西亚、菲律宾、澳大利亚等国都正在研究酒精代汽油的问题；而日本则把此列入了开发计划之中。

表7—1 国外的速生植物举例

此外，人畜粪便不仅是重要的肥源，而且也是一种重要的生物质能源。在发展中国家自古以来就把动物粪便作为燃料使用。一吨干粪相当于0.58吨标准煤。我国内蒙、新疆、青藏等省区的许多农、牧民，也都以畜粪作燃料。1975年全世界用作燃料的干牛粪，估计不少于1.5亿吨，其他干粪估计为0.8～2亿吨。而且由于粪便属非商品能源，又没有一个国家作过统计，因此上述数值可能偏低。表7—2是全世界的产粪量和所含能量的估计值。动物废弃物不但直接作肥料是一种浪费，而且直接作燃料使用更是一种浪费。因为烧掉一吨牛粪，意味着损失50公斤粮食（牛粪经处理后可作猪饲料）。同时还损失了一种优质肥料，又得另花大量能源生产化肥。因此，正如第三章指出的，经过沼气化作用，是利用生物质能量经济的措施。

② 沼气 可燃性气体—沼气，最早是在1778年由意大利物理学家沃洛塔在沼泽地发现的。一百年后，人们成功地制成人工沼气。它是利用城市垃圾、污水、污泥、人畜粪便、庄稼秸杆、杂草等废弃物经好氧分解和厌氧分解二个阶段而得到的混合气体（见表7—3）。(www.xing528.com)

表7—2 全世界湿粪产量所含能量估计值

*能量计算基础：一吨干粪相当于0.58吨煤，湿粪水份为80％。

表7—3 沼气的组成

沼气的热值视其中甲烷的含量而定，一般为4800～6200千卡/米³。图7—2表示出沼气的形成过程。这个过程需要4～30天。其中好氧分解就是在生酸菌的作用下，把较复杂的大分子有机物变成较简单的小分子物质，进而在甲烷菌的作用下经厌氧分解，而最后得到沼气。

由此可见，要使沼气的产量高，就必须适时地从好氧分解转入厌氧分解。就是说要控制好生酸菌与甲烷菌的比例。实验测定，当系统的氧化还原电位低于200～400毫伏时，最有利于甲烷菌进行厌氧分解。影响这个电位（即影响生酸菌与甲烷菌平衡）的参数有四个：

ⅰ温度 分中温和高温两种沼气化过程。前者的范围是30～45℃；后者是45～60℃。但一经确定沼气化温度后，操作过程的温度波动不得超过2～5℃，否则甲烷菌便会死亡。

ⅱ 密封、缺氧。

ⅲ pH6.7～7.0。

ⅳ 要有足够的营养素氮与磷。氮不足会产生硫化氢气体；氮太多则产生氨而抑制甲烷的生成。所以一般把碳：氮比控制在C∶N＝30～35∶1的范围内。

除上述因素外，沼气的产量还受其原材料的影响。表7—4列出了几种生物质的沼气产率。

图7—2 沼气的形成过程

表7—4 几种生物质的沼气产率

在城市也可以利用有机废物产生沼气。图7—3是城市制取沼气的流程图。北美和西欧的许多国家很早就利用城市污水处理厂提取沼气，并作为动力能源使用。例如1951年西德48个污水处理厂提供了1600万立方米沼气，其中3.4％用于发电，51.4％转化为车用燃料，28.5％供城市煤气系统，16.7％用于加热沼气分解器。这样，污水处理厂不但节省了经费开支，而且节约了对外部能源的消耗，甚至能向外供应能源。污水处理厂已由单纯的消费性事业单位转向有直接产值的生产单位了。

图7—3 城市制取沼气流程图

由图7—1可以看到，沼气的利用实质上是生物质能经某种工艺过程后的利用，它对环境的影响益多于害。特别是它与农田、家畜饲养、人类居住、鱼塘、发电系统，加工厂等组成的生态农场，其优点更为突出，这已在第三章中讨论过了，此处不再 复。这里顺便指出，生物质能与畜力，又称为生物能。

（2）风能

它直接来自太阳能。由于地球表面各处情况不同，接受太阳辐射能不同，各地区的温差或气压也不同，结果形成了风。据估计太阳传给地球的辐射能约有2％被转换成风能；而地球表面上全部可利用的风能则估计不一，有人认为每年有13～500亿度（相当于电力）。据经典的估算，在距地面一百米的距离内，陆地风机可吸取的能量每年约1万亿度电，这和世界上水力发电容量相近，等于全世界电力产 的1/10左右。

风力具有的能量E（瓩）与受风面积A （米2）和风速v（米/秒）的三次方成正比：

E＝0.00066Av3（瓩） 　（7—3）

通常，离地面越高风速越大，其关系如下：

式中v—标高为h处地面的风速；

v0—标高为h0处（地面）的风速；

n—也是一个随高度而变化的数，其值由下式给出：

n＝0.096lgh＋0.016（lgh）2＋0.24 　（7—5）

实践证明，任何风力机械也不可能把全部风能开发利用，其最大效率约50％。由于机械能转变为电能的效率一般为75～95％0，并考虑在风速过大时为避免发电机超载而切除部分风速，所以风能转变成电能的效率就只有15～30％了。即便如此，全世界可能提供的风能数量还是相当可观的（见表7—5）。不过，今后几十年内，风能是否能够作为向人类提供能源需求的重要途径，其决定的因素，自然不是技术问题，而是国家的能源政策、成本和群众是否乐于采用。

表7—5 全世界可能提供的风能估计数*

*1976年全世界的总发电量为6.9×1012瓩时

风能属洁净的，取之不尽的能源；但风能也存在分散、间歇、能量密度不高，风力不均匀等弱点。风能利用的环境影响，主要是噪声；风车布置不当时，也会影响景观，甚至造成鸟类撞击伤亡而破坏生态平衡。巨型风车会因桨叶强度不够，或受飓风袭击，部件外抛造成事故等等。这些情况均需加以周密考虑。

我国的风能利用极受限制，原因是我国属季候风国家，风能时效不稳定，大小波动及空间分布差异大；而且风能储量也低于美、英、苏诸国。例如同一纬度下，我国一级风能区能量密度平均为200瓦/米2；英 为600瓦/米2。但不排斥在风能高的局部地区开采利用

（3）海洋能

这里所谓海洋能是指来自海洋的波浪能、海洋温差能、潮流能以及盐浓度梯度中的能量，它们均属间接的太阳能。

波浪能是由风能衍生而来，其能量和动力是值得考虑的。对于典型的一般海面，在8秒钟的一个周期内有约1.5米的波浪。每段海域的这种波浪动力的平均通量达10瓩/米，应该充分利用。目前已有小装置供作浮标与导航设施的电源。

海洋温差能，主要分布在赤道两旁南北回归线之间约2000公里宽的海域。在这部分海域里，深海水（750～1000米）的温度低于海面温度（15～25℃）。这个温差可以考虑用作能源。如果在南、北纬20℃间的海面上，每隔15公里建造一个海洋温差发电装置，理论最大发电能力估计为500亿瓩，但实际可能的装机容量只是资源的极小部分。而且由于海洋环境恶劣，有关设备材料、安装、运行和使用等许多重大问题还需要很好解决，才能利用。

因太阳能引起的海洋中的寒、暖流可形成潮流能；各河流入海处因盐浓度梯度而造成的渗透压能，通过一定的技术措施亦可为人们所利用。

此外还有潮汐能。不过它是由地球-月球-太阳系统的动能与位能衍生出来的。在局部海湾中（如我国的钱塘湾），其能量约为6×1010瓦，其中可转换成电能的不超过10～15％；总资源不大。海洋能虽然可被利用，但不是近期注意的重点。