太陽能 - 科學 - 生活小知識

仁傑

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發表於 2009-1-25 06:17 PM 資料文集短消息

太陽能

數十億年以來，太陽不斷地放射出巨大的能量，但卻從未出現冷卻之兆。到底它的能量從何而來？時至今日，我們知道質子經過核聚變會產生氦，這個過程就是太陽能量的最主要來源。

(太陽 - 圖片下載自美國太空總署探索任務起源網站 http://discovery.nasa.gov/genesis.html)

在一顆恆星中，生產能量的第一個步驟是首先把四顆氫原子核聚變成一顆氦原子核。我們發現有兩組連鎖反應都能分別使氫轉化成氦的，它們就是質子-質子循環和碳-氮-氧循環，或簡稱碳循環。它們是貝特 (1906-) 和von Weiszacker (1912-) 兩位物理學家各自獨立地率先研究並建議的恆星能量來源。在一些質量和光度都較小的類太陽恆星中，能量生產主要靠質子-質子循環，在那些質量和光度都較大的恆星中，碳-氮-氧循環便會取而代之。溫度越高，碳-氮-氧循環便會越劇烈。

在質子-質子循環中，兩顆氫原子核﹝質子﹞發生聚變，其中一顆會經由

-衰變成為中子，來製造氘，就是一顆質子配以一顆中子。一顆電子和一顆稱為中微子的非常輕的粒子會在這過程中被發射出來。然後一顆質子會隨之與氘形成氦的一種輕的同位素

。當兩顆

原子核相撞，它們便會變成一顆普通的氦原子核

﹝即兩顆質子和兩顆中子﹞，並放出兩顆質子(參考圖一)。

(圖一)

一顆氦原子比兩顆氫原子較輕一點兒，在核聚變過程中，它們倆的少許質量差會轉化成巨大的能量，使恆星在太空中向四周放出紅外線和可見光。雖然只有約二十億分之一的太陽輻射能抵達地球，但是太陽能就差不多提供了地球上所需的全部能量，包括食物和燃料。

跟其他輻射能量一樣，太陽能都是以電磁波的形式行走。來到地球的微量太陽能會有什麼下場？

約三成會被雲層、沙漠和雪地反射回太空去。
在電磁波譜中的紫外線部分會被地球的臭氧層吸收。
一部分會協助水循環：水在吸收太陽能後會蒸發，然後以雨和雪的方式重降地面。
一部分會協助生風：地面和週圍的空氣吸收了太陽能後會變熱，由於吸熱不均勻，熱空氣流會膨脹並往上移，然後冷空氣向下沈來填補空隙。於是我們會有不同天氣。
一部分被綠色植物或單細胞生物以光合作用的程序儲存起來。太陽幾乎為所有地球上的生命提供了食物。

在十九世紀三十年代，英國天文學家約翰‧赫歇爾在一次非洲之旅利用了太陽能收集盒來煮食。現在人們嘗試多方面利用太陽能，太陽能科技利用太陽能和太陽光來為家庭、商業和工業提供作熱、光、熱水、電、甚至作為冷卻之用。

(圖二太陽熱能板 - 圖片下載自APS Project Sol 網站http://projectsol.aps.com/
Photo Courtesy: APS )

太陽熱能科技利用鏡來把太陽的熱力集中起來。這些熱能會將水煮沸成蒸氣然後推動蒸汽渦輪機。太陽輻射亦可用作加熱氣體來推動活塞。推動渦輪機或活塞的動能會轉化成電能。太陽熱能是一項大規模應用，發電廠會以它取代核燃料或化石燃料。

(圖三光生伏打電池板 - 圖片下載自APS Project Sol 網站http://projectsol.aps.com/
Photo Courtesy: APS )

光生伏打科技利用太陽能電池裝置把光能直接轉化為電能。這科技可以應用在小型電器上，例如計算機和腕錶；中型規模的應用就如應用於公路燈公路燈、旅遊車、太空站和其他沒有連接供電線的電力系統；大型規模的應用則如發電廠。太陽能加熱是無需其他機械途徑的。利用太陽能設計，電費幾可減半。

光生伏打太陽能電池能把太陽光直接轉化為電。它是由半導體材料製成的。它是於一九五四年當貝爾電話實驗室的研究員正在研究矽晶圓片對陽光的靈敏度時所發現的。最初它主要是應用在太空研究上。哈勃太空望遠鏡和國際太空站都是利用太陽能板來提供能量的。

光生伏打太陽能電池是由一些稱為半導體的特別材料(例如最常見的是矽)造成的。當光線打在電池上，一部分會被半導體材料吸收，亦即是說所吸收的光能被傳送到半導體去。能量把電子打出來，使電子自由地流動。光生伏打太陽能電池亦擁有一或多個電場，迫使那些因為吸收光而變得自由的電子向單一方向流動。這種電子的流動就是電流。在光生伏打太陽能電池的上下兩面分別裝上金屬接觸，我們便可將這電流作應用。例如，這電流可以用作驅動一部計算機。這電流連同電池內固有的電場所造成的電壓就決定了太陽能電池的功率(或電功率)。光生伏打太陽能電池的表現則視乎太陽光而定，雲、霧等氣候狀況都對光生伏打太陽能電池能接收到的太陽能，亦即電池的表現，會有重大的影響。現時最流行的光生伏打太陽能電池組件只能把約為一成的太陽光能轉化成電，進一步研究或可把功率提高至一成半。

光生伏打太陽能電池的優點很多。例如無需依靠笨重的機械發電機就能將太陽光能直接轉換成電。而且光生伏打太陽能電池的元件不大，又可隨意拼合成任何大小及形狀，所以既能安裝快捷，又能配合任何需要或所容許的尺碼。

除此之外，光生伏打系統對環境的影響極微，系統冷卻不需用水，又不會產生污染環境的副產品。因此太陽能是地球上最清潔的能源。

太陽能也有不少缺點，最主要的缺點﹝困難，或待解決的爭議﹞是：第一、它是間歇性地以不同形式到達地面；第二、若要收集足夠的太陽光，就必須佔用一大片土地。

太陽能科技是否成功便要看我們能怎樣回答以下問題：「太陽下山後我們可以做些什麼呢？」

最簡單的答案就是興建一套輔助系統來儲存能量，但可惜，至今還未有這麼的一種儲存系統。簡單的系統例如被真空包圍著的水管是有的，當中的概念是水管被隔熱，水便能儲存熱能。

(圖四)	到二零零一年底為止，美國一共有十四家太陽能發電廠，並且不斷增加，它們大都位於加利福尼亞州，亦有一些位於內華達州、亞利桑那州、德克薩斯州和維吉尼亞州。Kramer Junction公司操作的三千萬瓦太陽能發電系統含有五件器件。在加利福尼亞州的摩哈比沙漠的發電站內，每個太陽能發電系統都有一億五千到三億五千四百萬瓦的拋物面轉換器，把太陽熱能轉化為電能。而加利福尼亞州的設備合共生產了佔全球超過九成的商用太陽能動力。