万物一起晒太阳

2024-12-01 11:46:00

提起晒太阳,许多人脑海中马上会映出这样的画面:面对碧波万顷、海天一色的美景,在阳光明媚的沙滩上,着装清凉的美女、健壮阳刚的帅哥、满头白发的老人、脚步蹒跚的幼童,都在惬意地享受着日光浴。晒太阳是地球万物最美妙的享受之一,不仅人类乐此不疲,动物也会在百忙之中抽出时间晒太阳,树上的猴子、屋顶的猫、山坡上的熊、浮冰上的海豹,都在温暖的阳光下享受着生活的美好。更不用说满世界郁郁葱葱的植物,所有的绿色生命都争先恐后迎接阳光。

为什么万物都需要晒太阳呢?太阳光中的每一份光子如同斯诺克台球的主球,阳光照射在物体上的瞬间恰似开球的那一时刻。如果是能量特别高的光子,对应频率为蓝光、紫光、紫外线甚至X射线、γ射线,就像是大力击出的主球,会使目标发生爆裂性的变化。从分子角度来看,就是破坏了分子结构,宏观效果就是晒伤、老化及降解等现象。我们应该感到庆幸,地球厚厚的大气层为我们过滤掉了大部分高能阳光,使我们避免遭受过多的太阳伤害。能量不是特别高的光子,对应频率为黄光、红光和红外线,它们像是以不太大的力度击出的主球,仅能使遇到的目标稍稍活跃起来。以分子运动论的微观视角来看,就是分子运动稍微激烈了一些,宏观的表现就是温度的上升。阳光的能量可以推动分子重组,产生一些重要的生命物质(如植物的光合作用和动物的维生素合成等),阳光的破坏性还可以杀死细菌等微生物,这就是晒太阳的第一大功能——积聚生命物质和促进健康。阳光的能量也可以提升分子的活跃程度,提高物体的温度,这是晒太阳的第二功能,获得温暖。万物热衷于晒太阳多半可以归因于这两项功能。

在新能源时代,人们期待晒着太阳就可以得到充足的能量供应,并探索了各式各样的太阳能利用方法,其中应用最为广泛的就是光伏发电技术。除此之外,人类还发明了太阳能光热发电、光热转化、光化学转换等许多太阳能利用技术。

太阳能光热发电与普通燃煤发电原理完全相同,区别只在于将热源换成了太阳光,因此非常洁净。同时,采用太阳能光热发电技术,避开了光伏发电技术所必需的昂贵硅晶工艺,可以大大降低太阳能发电的成本。而且,这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势,即可以利用非常简单高效的储热设施将太阳能存储起来,在夜晚时段释放出所储热量,继续带动汽轮机发电,形成与普通火电同样稳定的电力输出。正像燃煤发电提供热量需要锅炉一样,太阳能光热发电也需要供热装置,普通的阳光只能给人暖洋洋的感觉,热度远不足以支持发电需要。所以光热发电装置需要将多束阳光聚焦于一点,以提高供热能力。人们设计了许多不同的聚光装置,如槽式、碟式、塔式之类,相应的发电装置也多以聚光装置的特点来命名。

太阳能光热发电原理简单,但装置相对复杂,所以更适合大规模布置以摊薄投资成本,而且光热发电得到交流电,稳定而方便并网,特别适合大规模集中式供能需求。因此,太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向,它可以大大降低太阳能发电的成本。

太阳能光热转化是太阳能热利用最基本的方式,其将太阳的热能通过收集装置采集后存储起来,再输送至有热量需求的地方供其使用。利用太阳能光热技术收集到的热能,可以广泛应用于采暖、干燥、蒸馏、温室以及工农业生产等各个领域,其中最典型的应用就是太阳能热水器。

太阳能光化学转换是一种听起来非常高科技的应用,事实上这种应用也早已走进人类生活。长期暴露在阳光下的油漆、塑料、橡胶制品上面会有许多小裂纹,或者失去强度变得酥脆,这类现象的产生,有相当一部分原因是发生了太阳能光化学转换,太阳的能量切断了高分子链条,使材料性质发生退化。与此类似,各种自然界的降解过程也往往有太阳能参与其中,人们由此发明了光催化降解技术,为环境保护增添了新的手段。

太阳能光化学转换最酷炫的应用,当属近年来广受关注的太阳能光解水制氢技术。太阳能光解水制氢不仅可以获得清洁的氢能,同时也可以将间歇性的太阳能存储起来,以一定速率均匀释放而实现调峰效果,应用前景非常乐观。但是在地面正常条件下,阳光很难把水分解成氢气与氧气。这是因为水分子非常稳定,分开它需要较多的能量,而阳光中能量最高的那部分,已被地球大气层中的电离层、臭氧层过滤殆尽,剩余部分的能量较低,不足以直接切断水分子中的化学键。

如果想要在地面条件下利用太阳光分解水,就需要特殊的科学手段,其中利用催化剂光解水就是办法之一。比较常见的催化剂是一类对光敏感的物质,它在光照下很容易在表面积聚相对自由的高能电子,这些高能电子遇到水分子解离出来的氢离子就会与之结合,成为氢原子,并进一步形成氢气分子,这样就可以得到宝贵的二次能源——氢气。为了使光催化分解水的效率更高,人们尝试将催化剂功能与电场功能相结合以进一步促进水的分解,形成了光电解水制氢的方案。这条清洁能源技术路线以绿氢的高效产出为终极目标,特别符合碳中和进程的要求,令世界许多国家的顶级科学家为之痴迷。

太阳不停地散发出巨量的能量,大约两小时照射在地球上的太阳能,就足以满足全人类一年的能量消费(按2019年世界能源消费值估算)。当然这只是形容太阳能的丰富,事实上,我们不可能把照射在地球上的太阳能都用作能量消费,我们还要为世界上数不清的植物留下足够驱动光合作用的能量,还要留足照亮天空的光,还要留下温暖世界的热。但是,就是非常小的一部分太阳能拿来应用,就可以满足巨量的用能需求。随着科技的发展,各类太阳能转换技术的应用已遍及全球,正在不断改善着整个世界的能源结构,让我们一起着太阳,走向未来。

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