太阳能车船和飞机以太阳电池供电的交通工具正在陆续问世。日本、美国、澳大利亚和西欧一些国家,几乎每年都要举办太阳能车赛。各种奇形怪状的太阳电池为动力的车辆,行驶速度不亚于普通汽车,有的时速可高达150公里,它不需要任何燃料,清洁卫生,车身上贴满了太阳电池板,车内装有蓄电池,充足了电就可行驶。
我国虽然没有试制大型太阳能车参赛,但也做过几辆小型太阳能残疾人车和太阳电池充电的自行车,有的还送进中南海供国家领导人观看。当然,这种车辆目前造价还很高,有待太阳电池继续降价。至于太阳能游艇,国内外都有,日本的太阳能艇已横渡太平洋,我国的太阳能龙舟也在杭州西子湖上和北京颐和园的昆明湖上行驶过,并远在美国田纳西州参加过博览会,甚至让美国的州长们在龙舟上举行竞选演讲,也算是出尽了风头,令人刮目相看。其实太阳电池充电作游艇的动力并不难,就像普通的蓄电池船,水上航行速度不高,所需功率不大,充分利用船上的遮阳棚安装太阳电池,配备适当的铅酸蓄电池,一台约250瓦的直流电动机,就可驱动一条乘5—6人的小船,在阳光下可以边走边充电,当然也可以在夜间用“低谷”市电充电,白天靠太阳电池补充。更令人感兴趣的是太阳能飞机,它满身贴满太阳电池板,将电充足后,能在空中飞翔,尽管现在还只能乘坐1—2人,但毕竟是无污染的太阳能飞机。光电水泵用太阳电池发电驱动的水泵叫光电泵。
目前国内外研制的光电泵主要有两种:一种是用太阳电池板的电通过导线将电输送到机电合一的水泵上,如悬挂在井中的深井泵和漂浮在池塘水面的漂浮泵,这种太阳能水泵的功率一般比较小,主要用作小量抽水和灌溉庭院花草;另一种是较大型的光电泵,利用太阳电池阵列发出的电,经过逆变成交流动力电,然后驱动交流电动机,带动离心水泵抽水。这种太阳能提水系统可以做到功率很大,用作抽水灌溉农田,或将水提上高位水塔,以供生产和生活用水。地球上有许多干旱地区,一般都是阳光充足,地面干旱,但地下水并不缺乏。如我国的新疆沙漠地区,地面蒸发量大,河湖干涸,但常有潜流的地下水。
自古吐鲁番、哈密一带人民就利用坎儿井来进行抗旱灌溉。天山融化的雪水,经常流存在沙漠的底层,只要设法提取上来,就能把沙漠变成绿洲。利用太阳能提水,正是干旱地区因地制宜的措施。据联合国调查,在交通不便荒漠的干旱地区,这些地区缺水缺电,但太阳能资源丰富,使用光电泵提水的经济性已优于柴油机泵提水,比用电力提水更好。
随着太阳电池的降价,利用光电泵才有可能,今后人类与沙漠化的斗争,必将借助于太阳能的巨大力量。也可以说,太阳可以促进地球的沙漠化,但科学利用太阳能,太阳又是改造沙漠的动力。
光伏电站以太阳电池组成的电站叫光伏电站。世界上已建成的大大小小光伏电站不少。其中美国最多,规模最大。下表为世界大型光伏电站的统计。20世纪90年代以来,我国在西藏地区推行“阳光计划”,建设了一批光伏电站,为解决边远地区长期无电办了一件实事。西藏地区因历史原因,经济发展缓慢,藏族同胞没有电,外来信息不通,长期生活在封闭状态。政府曾多次想解决供电问题,但居民分散,用电负荷过低,无论是建设水电或火电都不适合。自从有了太阳电池,可以按实际需要解决孤立用电问题,容量可大可小,又不需运输燃料,更不用搞大型基础建设,只要资金到位,太阳电池阵列由小到大,分期安装,不断扩容,先生活后生产,先城镇后郊区。光伏电站建设非常灵活,一座两三千人口的县城,连邮电、广播、电视转播在内,有10—20千瓦太阳电池就可组建一座独立运行的光伏电站。太阳电池发出的直流电,通过蓄电池组贮存,经逆变成交流电输出,终端用电器具完全按常规市电,220伏电压,50赫[兹]频率,用电极为方便。光伏电站一次性投资较高,但运行费用低,不用燃料贮运,无灰渣处理,没有机械转动部件、寿命长、维护管理简单,对文化条件差的地方,尤为适宜。西藏人民特别欢迎建设光伏电站,几个无电县都在盼望这种电站早日普及。目前,我国已建和准备扩容的光伏电站如下表所列。在内蒙古地区,不仅日照条件好,而且风的资源也很好,还可建立太阳电池与小型风力发电机发电的风光互补电站,我国地域辽阔,偏远无电地区较多,在国家的宏观规划指导下,发挥地方的积极性,把光伏电站办好是完全可能的。国外有些孤立海岛,为了改善岛民的生活,发展旅游业,也把光伏电站建设放在首位。由于光伏电站需要的太阳电池较多,因此可以促进太阳电池的大量生产,进而更使太阳电池降低价格,太阳能利用的发展前景一定会越来越美好。
表中国光伏电站发展概况(1997年)
地点
已安装(千瓦)拟扩容(千瓦)
西藏革吉1030
西藏改则2060
西藏措勒2040
西藏双湖25
西藏安多新建70
西藏班戈新建70
西藏尼玛1525
新疆5
青海共和5
内蒙阿拉善盟5
除光伏电站外,近年来国内外又在发展独立户用光伏系统,即以家庭供电为目标的太阳电池整套装置,它包括一组20—50瓦的太阳电池组件、10—30安·时的蓄电池,以及逆变器和充放电控制器等。小容量的可供家庭照明、收音机、录音机用电;稍大容量的可供黑白电视机使用。国外还有更大容量供彩色电视机用的光伏电源。这种户用光伏系统可以作为光伏电站的补充,解决孤立用户的需求。
太空光伏电站早在1968年,美国的格拉泽博士就曾提出太空光伏电站的设想。20世纪70年代美国宇航局曾耗资2000多万美元进行这一设想的可行性研究,并引起前苏联、日本和欧洲一些国家的关注。这是一项涉及许多高技术的宏伟计划。1991年8月曾在法国巴黎进行了专门研讨会,具体设想是在距地球36000千米的同步轨道上建立一座宇宙光伏电站,如同现在的空间站一样,但规模要比空间站大,太阳电池阵列的伸展长度约100千米,宽约50千米,用宇航飞船分批将太阳电池板及各种构件运至站上,逐步安装展开。设计该电站的功率为500万千瓦。因为空间电站是与地球同步运行,所以没有昼夜,24小时均有太阳照射,可以不停地进行光电转换。发出的电以微波形式传送到地面,然后由地面站接收,并转变为交流电输出。这种空间电站除技术问题外,还涉及国际法和空间权益问题,绝非少数国家能专有,但是谁能掌握空间技术,谁就有优先发言权。我国当然不甘落后,必须以自己的高技术水平,争取有更多的发言权。
太阳能光化转换
太阳能光化转换是指以太阳能促进的化学变化,其中最突出的是光化制氢。有了氢,其他化学合成就是普通化合问题,将是常规的化工过程。科学家早已发现,若用光直接分解水,需要非常高的光子通量。一般太阳辐射到地球表面的光还不足使水分解。经过研究,加大光子通量,在催化剂的作用下,进行光的催化反应,则有可能将水分解,而获得氢和氧。光催化是使催化剂激发或催化剂与反应物形成络合物,加速其反应作用。已知的光化制氢有多种方法,如1972年日本藤岛和本多提出的光化电池分解水制氢,他们以二氧化钛薄片作阳极,铂黑电极作阴极,分别置于碱性和酸性溶液中,用盐桥沟通,组成光化电池。当阳光照射时,水被分解,阳极释放氧气,阴极释放氢气,同时产生电流。另外,也有用半导体微颗粒催化剂的光催化分解水制氢,以及络合催化光分解水制氢。这些都是20世纪70年代中期发现的方法,30多年来一直仅限于实验室试验,尚无重大突破。可见太阳能光化转换的难度很大,确实是太阳能利用的高技术。国内外的科学家都在研究,我国不少高等院校和中国科学院感光化学研究所正在努力攻关,已列为国家重点项目。
1997年日本科学家进行了“准光合作用”试验,将粉末状的磁铁矿石与煤粉混合,在集束阳光照射下,使温度达到1200℃。这种人工仿光合作用,氢和一氧化碳发生化学反应,生成甲醇。如果将来发展到工业性试验,必在光化转换方面引起轰动。