太陽

1952年12月5日，整個倫敦城籠罩在濃濃的煙霧之中，沒有風(fēng)，那時的英國主要靠燃燒煤炭取暖，倫敦城空氣中的污染物包括煤灰、焦油、二氧化硫等越積越多，可怕的煙霧一直持續(xù)到9日，方才被風(fēng)吹散，這就是臭名昭著的倫敦?zé)熿F事件，僅僅四天的煙霧，卻帶來了可怕的災(zāi)難，這四天，倫敦的非自然死亡人數(shù)高達(dá)4 000人。后來又有約8 000人在那個冬天因為這場煙霧死去，化石燃料，尤其是燃燒煤炭產(chǎn)生的嚴(yán)重污染，其威力之大由此可見。

58年過去了，現(xiàn)在的情況是怎樣的呢?如今不僅是老牌的工業(yè)國，比如說美國，對化石能源的依賴有增無減，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展以及全球化進程的延伸，這種對于化石燃料的依賴病，似乎已經(jīng)傳播到了世界各個角落，在我們生活的很多城市，甚至鄉(xiāng)村，不知道從什么時候開始，天空不再湛藍(lán)，星星不再明亮，一切都變得灰蒙蒙的，我們不能再走英國的老路，不能再讓夏天的城市變成巨大的桑拿室，我們需要低碳能源。

太陽能

上一篇，我們提到如果實現(xiàn)了可控核聚變，也就是“人造太陽”，就找到了人類能源問題的終極答案，為實現(xiàn)這個夢想，“國際熱核聚變實驗堆計劃”正在進行當(dāng)中，中國在這個計劃中扮演著重要的角色，已經(jīng)作出了重要的貢獻(xiàn)。

世界萬物之所以生機勃勃都要歸功于太陽，難怪我們的先人對太陽會頂禮膜拜，奉之為神，今天我們知道太陽的能量源于這顆恒星內(nèi)部劇烈的核聚變反應(yīng)，據(jù)估計，在太陽內(nèi)部，每秒鐘有4×10⁸t～6×10⁸ t氫原子聚變成為氦原子，太陽表面的溫度接近6 000℃，其內(nèi)核溫度高達(dá)1.3×107℃，太陽釋放出來的巨大能量以太陽光的形式輻射到宇宙中。

因為能量是守恒的，不會憑空消失，所以，太陽光的能量到達(dá)地球之后，一部分被地球以紅外線的形式反射回宇宙中，一部分像“孫悟空”一樣變化成其他形式的能量，但是能量的本質(zhì)不變，我們談可再生能源，通常都是指太陽能變化后的形式，你或許會問，我們是否可以直接儲存太陽能呢?這也許是個有趣而富有挑戰(zhàn)性的科學(xué)課題，同學(xué)們不妨開動腦筋想想這個問題，今天，我們簡要地看看水能和風(fēng)能。

水能

水能是如何來自太陽能的呢?是陽光的熱量將海洋、湖泊、河流中的水變成水蒸氣蒸發(fā)到空氣中，水蒸氣變成云，云是漂浮在空中的小水滴和小冰晶的集合體，這些水滴、冰晶逐漸聚合長大，當(dāng)長到空氣浮力無法托住它們的時候，就結(jié)成雨雪落到地面上了，水能就是液態(tài)水從高處落下所釋放的重力勢能(物體由于被舉高而具有的能叫重力勢能)，它可以推動渦輪機轉(zhuǎn)動發(fā)電，利用水能一定要有落差，多山的地方通常水能豐富，比如三峽、雅魯藏布江峽谷，而一些多山的國家，如瑞士、新西蘭，水能能滿足這些國家五成以上的能源需求。

同學(xué)們可以再考慮一個問題：一定要等到天上的雨水落到了地面上才能發(fā)電嗎?可不可以在雨水降落的過程中就為我們發(fā)電呢?要知道雨水的位置越高，重力勢能越大，如今的城市高樓林立，設(shè)想在高樓頂上接住雨水，儲存起來，然后通過管道傾瀉而下，是否同樣可以發(fā)電呢?

人類對水能的利用已經(jīng)有幾千年的歷史了，水電的優(yōu)勢很多，一旦大壩建好了，水電就能以很低的成本源源不斷地獲取，不僅不產(chǎn)生污染，而且是可控的，還可以起到防洪、促進航運的作用，比如三峽大壩，根據(jù)三峽的防洪庫容，最多可以有2.2×10¹⁰t的水被大壩攔在上游，巨大的人造湖泊所集中的大量重力勢能(如圖1)，最后變成了電能，在用電量需求低的時候，大壩可以減少發(fā)電量，轉(zhuǎn)而將水儲存在水庫之中，這也是儲能的一種手段，尤其可貴的是，水能發(fā)電是連續(xù)的，不分晝夜，而太陽能電池在夜里、風(fēng)車在無風(fēng)的時候都是不工作的。

水電，目前大約占到世界發(fā)電量的20％，我國的水能資源蘊藏量居世界第一位，但目前的開發(fā)率只有30％，有理由相信我國將繼續(xù)開發(fā)水電資源來滿足快速增長的巨大能量需求，但在截斷河流之前，我們要考慮很多的因素，比如說生態(tài)成本等。

風(fēng)能

風(fēng)能也在大自然中蘊藏量很大，同樣是無污染的清潔能源，風(fēng)是如何形成的呢?

簡單地說，由于地球表面接受太陽光照射的程度不均勻，引起地面上空大氣的壓力不同，壓力高的空氣就會向大氣壓力低的地方流動，形成風(fēng)，比如赤道附近空氣壓力高于兩極附近，當(dāng)然還有其他因素，地球表面地質(zhì)構(gòu)造不同，地形高低起伏的分布也會形成大氣壓差，比如說海洋和陸地，由于海洋的熱容非常大，陸地和海洋相比，熱得快，冷得也快，從而在陸地和海洋之間產(chǎn)生大氣壓力差，所以海邊風(fēng)力較大，夏天，當(dāng)你站在海邊，享受著涼爽的海風(fēng)時，可以想想這風(fēng)是如何形成的。

人類對風(fēng)能的利用同樣源遠(yuǎn)流長，明代航海家鄭和的偉大艦隊，就是以風(fēng)力驅(qū)動的巨大帆船組成的，麥哲倫的水手們也是駕著他們的風(fēng)力帆船完成了環(huán)球航行，風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，據(jù)估算，全世界可采集的風(fēng)能是目前人類能源需求的5倍，而2009年風(fēng)能發(fā)電僅占世界發(fā)電量的2％，風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展空間巨大。

風(fēng)能是間歇能源，不同季節(jié)，不同月，不同天，甚至同一天的不同時段，風(fēng)力發(fā)電的變化可能是巨大的，風(fēng)能的間歇性會給電網(wǎng)帶來沖擊，比如說無風(fēng)時，風(fēng)輪機不工作，不會產(chǎn)生電能；狂風(fēng)大作的時候，風(fēng)輪機輸出很高的功率，在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的電能，如何儲存這些能量呢?電池儲能設(shè)備有非常重要的應(yīng)用(儲能設(shè)備將在后續(xù)的文章中介紹)，如果這些電能不能存起來，就只能送到電網(wǎng)上了，但電網(wǎng)不具備儲電的功能，只有輸送的功能，這時，我們需要知道哪些地方可以把這些電能消耗掉，然后通過中遠(yuǎn)程輸電線路輸送過去，否則風(fēng)力發(fā)電站(如圖2)附近的電網(wǎng)會無法承受，這對電網(wǎng)管理提出了很高的要求和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)，效率通常很低，無法進行電能復(fù)雜的管理和調(diào)配，新一代電網(wǎng)——智能電網(wǎng)是一個很好的出路，我國目前正在大力開發(fā)這一領(lǐng)域，如果長時間內(nèi)沒有風(fēng)，沒有風(fēng)電產(chǎn)生，需要其他形式的電能來補充，所以風(fēng)力發(fā)電站通常需要和火力或者水力發(fā)電站相配套。

水能、風(fēng)能都是二次太陽能，二次是指我們對它們的利用是間接利用太陽能，那么，如何直接使用太陽能呢?如何將太陽能直接轉(zhuǎn)化為其他形式的能源呢?這無疑是非常令人興奮的領(lǐng)域，這個領(lǐng)域包括光加熱、光電池、可再生燃料生產(chǎn)、光催化等等，我們將在以后的文章中逐步介紹這些技術(shù)。

責(zé)任編輯 程 哲