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“人造黑洞”真能解决能源危机吗?  

2009-11-17 10:09:24|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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光伏发电仍有瓶颈,热力发电或有可为
太阳能,怎样能?
 
 
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“人造黑洞”真能解决能源危机吗? - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》 
在西班牙塞维利亚附近,有一座雄伟的太阳热转化厂。巨大的镜面让阳光聚集到锅炉把水烧热,再利用水蒸气驱动发电的涡轮。资料图片 
 
中国研究者论文称制造出“人造黑洞”的消息引起世界科学媒体的关注。(详细报道http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b2b7de20100fykb.html)所有人都希望这项研究能尽快回答以下问题:我们究竟可以将太阳能利用率提高到什么水平,在即将到来的能源危机面前,太阳光将如何拯救人类?

 

人类自古就在利用太阳光,但,光,到底是什么?从光到热,从光到电,中间到底发生了什么?当前的太阳能技术为什么始终没有革命性的突破?伟大的太阳神能够拯救人类的未来吗?

 

1 电池原理

怎样让光变成电?

 

1905年,爱因斯坦受德国物理学家普朗克的“量子假说”启发,发现光(电磁波)并非是波,而是和原子、电子一样由连续的粒子组成。爱因斯坦假设,光就是以光速C运动着的粒子流。他称之为光量子,每个光量子的能量等于光频率乘以普朗克常数h。普朗克常数h的发现,引发了量子物理革命,而爱因斯坦则因为对“光电效应”的解释,获得了1921年的诺贝尔奖。

 

按照爱因斯坦的理论,当一个光量子照在有些材料上的时候,会“踢出”一个光电子,这就留下了一个“洞”,另一个电极的电子会流动过来弥补这个“洞”。电流就产生了。这就是光能转换成电能过程中微观层面上发生的情况。但并非所有材料都能打出光电子来。要有电流,电子就必须能够自由运动,“在金属中,不用光照电子也能流动,所以金属是导体。陶瓷这样的绝缘体,光照再多也打不出电子来,里面是没有电流的。惟一能被打出电子来的就是半绝缘的半导体,在一般情况下电子不会动,但在给与了某些条件后,就变成能动的了。”中科院电工研究所太阳电池技术研究组研究员周春兰解释说。

 

在半导体工业中,来源丰富的硅成为最关键的材料。它不仅成为现代计算机电子学的材料基础,也成为现代电池技术的关键材料。阳光照射在硅晶体上,打出一个电子,最多可以将25%的能量传给它,其余的光能则变成热能。

 

太阳能电池的运作机制中,光转换成电有两个步骤:首先要让光照射到电池上,尽可能地让光全部进去,其次才是将光电转换。

 

光的采集相对容易。周春兰介绍说,当光照射到物质上的时候,会发生三种情况:被吸收、透射、反射。“现在的电池技术一般吸收和透射的问题都能解决,反射一般能控制在10%,也就是说,太阳光的采集可以做到90%。”所以,即使假设科学家们真的有一天将“微波黑洞”变成了“可见光黑洞”,实现了光的100%吸收,经过光电转换环节,最终转换效率可能也只是提高一两个百分点而已。

 

“光电转换是太阳能电池技术的关键,一直没有很大的突破。”周春兰说,原因很简单,当光电子被打出来的时候,最多只能产生25%的能量转换,大部分的光能都转化为热能了。

 

在当今世界上的电池技术中,廉价的太阳能电池只能将10%的能量转化为电能,最先进的太阳能电池的最高效率可达到41%多,但其制作相当复杂,材料相当昂贵,一般的太阳能电池效率只在20%以下。

 

2 光伏技术

攻克“阿喀琉斯之踵”

 

太阳能直接转化为电能的效应,被称为光伏(PV)效应,这是太阳能电池技术的核心。

 

对光电转化的突破有几个方面。有的科学家从材料入手:每种半导体都有一定的“带隙”。光子能和“带隙”越靠近,电池的效率就越高。1954年,贝尔实验室第一个找到丰富廉价又接近“带隙”的硅晶体做材料,但他们的首块单晶硅电池效率仅6%。如今,各国科学家都在绞尽脑汁制作更高效的民用太阳能电池,便宜且效率达到20%的光伏电池变得普及。

 

在另一些新研究中,有科学家使用了更高效的半导体材料,如化合物半导体等,但高效率的电池代价也高昂,所以多半只能投入到军事和航空领域中。比如,波音公司近年来研制了用在NASA太空探测器上的光伏材料,转换效率可达到40%。论效率,这种材料比现在流行的硅材料高一倍,但制作成本却高出100倍以上。

 

另一方面,为了攻克光电转换这一“阿喀琉斯之踵”,科学家又在电池结构上下工夫。近年来一个较为成功的设计来自前NASA科学家开的一家公司。他们将透镜融入到电池设计中去。这就可以尽可能的增加电池板对太阳光的吸收。

 

另一项研究让电池最高效率达到了41%。诀窍就是多层结构的电池,每一层可以吸收全波段太阳光谱中不同颜色的光。“光进去后有三个途径,第一是怎么进去怎么出来,但是进去时的波长跟出来时的不一样,会发生波长的变化,另两个途径就是光变成电和光变成热。”周春兰解释这种多层结构电池时说,“这种结构解决的,就是如何让光变成热的概率更小,变成电的概率更大。”不过,多层结构电池依然面临成本过高的问题。

 

3太阳热发电

商业转化厂已出现

 

很多太阳能领域的人都会提及一个假设:理论上而言,找到一块阳光普照的土地,只要美国得州一半的面积,全铺上太阳能电池。哪怕转化率只有20%,全球的能源问题也会立即解决。

假设归假设,让全球拼出这么大一块地方吸收太阳能并非易事。按照现有的民用电池技术,在光照强度为100%的情况下,1平米面积太阳光的辐照度每小时大概可以产生0.5度电。“假设房顶上铺100平米的电池板,按照16%的转化率,每小时能发8度电,一天6个小时能发48度电。”周春兰计算说,“个人使用成本还是高。”

 

不过,光伏发电并非是将太阳光转化为电的惟一方法。我们还有很多利用太阳能的其他技术。比如,近些年,运用在工业上的光热发电开始流行。光伏技术是让光直接变成电,而光热发电则是让光发热,再来发电。

 

光变成热是一个生成,而非转化的过程,效率几乎是100%。太阳能加热水的技术早就普及了。近些年来,国外开始出现一些大型的发电厂,利用反射镜或透镜汇聚阳光,然后利用水蒸气来驱动发电的蒸汽机。据中科院电工研究所电气工程专业博士姚志豪说,火电厂可以通过烧煤产生热量发电,核电站通过核聚变产生热,天然气也通过热发电,“太阳能变成热,这跟煤、核聚变是一样的。”

 

通过水蒸气发电,效率可以达到20%左右。除了水蒸气之外,姚志豪介绍说,还可以通过别的中介发电。比如沙漠地区,水少,阳光多,可以将太阳光汇集起来,加热形成高温高压的空气直接发电,也可以和水结合变成水蒸气发电。此外,还可以将熔岩加热变成流体,吸收太阳光的热,然后再传递给水,很快便会变成蒸汽。

 

在西班牙塞维利亚附近,有一座雄伟的太阳热转化厂。这是世界上第一座商业性的太阳能塔,巨大的镜面让阳光聚集到锅炉,利用水蒸气驱动发电的涡轮,这个工厂能生成1.1万千瓦电能,可以满足6万人的用电需求。

 

“人造黑洞”真能解决能源危机吗? - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》 
俯瞰塞维利亚附近的太阳热转化厂。资料图片

 

除了镜面反射之外,现在还有被称为碟式/斯特林太阳能热发电系统,通过斯特林引擎,太阳光可以令其里面的天然气膨胀,最终驱动发动机,它的效率达到了24%,超过了任何其他的太阳热发电系统。如今,美国已经正式在莫哈韦沙漠处计划建立起世界上第一座碟式太阳能发热工厂。

 

每两周,太阳照射在地球表面的能量比我们一年所用的所有能量加起来都还要多,太阳是巨大的能量库。虽然还有很多的困难,但全球的科学家们都在全力以赴地研究更好的太阳能技术。一个新的太阳能时代即将到来。“煤总有用完的时候,太阳能怎么用都用不完。”周春兰说,“不管什么技术,我相信太阳能有一天是可以拯救人类的。”

 

新知专题采写/本报记者 金煜

本专题感谢:

崔铁军(东南大学毫米波国家重点实验室副主任)

程强(东南大学毫米波国家重点实验室)

基尔迪舍夫(美国普度大学电子与计算工程学院首席研究员)

孙正凡(上海科技出版社编辑)

周春兰(中科院电工研究所太阳电池技术研究组研究员)

姚志豪(中科院电工研究所电气工程博士)
 

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