太阳光里有几多能？2012-05-15

　　阳光照在身上，感觉暖暖的，为什么？因为阳光中有能量。夏日里，阳光下，感觉炙热难耐，说明阳光中的能量有很多。太阳离地球的平均距离为1.5×10/8/公里，太阳从这么远的距离把能量送到地球来，大概只能通过电磁波了，这也就是所谓的太阳辐射。地球上接收到的太阳辐射在可见光波段能量最强，其次还有红外和紫外区域。太阳光经大气吸收一部分后照射在地面上。历史上有很多人对太阳辐射能量进行了测量，由于大气的干扰很难测出准确的值，最后的精确值是利用卫星在高空测量的，大约为每平方米1.367千瓦，尽管这个数值会因地日距离、太阳活动等各种因素而变动，但实际影响都不大，这就是所谓的太阳常数值。 如果把太阳光的能量都收集起来的话，垂直于阳光方向上每平方米的能量就能点燃一个约1300瓦的灯泡；1公里长1公里宽的面积上就相当于一座100万千瓦大中型发电站的发电量。只是可惜，人们在能源短缺的状况下，眼睁睁地看着这些太阳能白白“跑掉”。在早期人们测量太阳辐射功率时，就曾用水箱吸收太阳光的能量，使其转变为热，在一定时间内测量水温的升高就可以知道太阳辐射能量的强度。太阳辐射转变为热并不难，实际上到达地表的大部分太阳辐射几乎都转变为热，然后又以辐射的形式还给了宇宙空间。广泛分布的热量只能给我们带来温暖，很多直热式太阳能热水器为我们带来生活热水，但难以为我们提供有效的动力。 怎样把太阳辐射转化为除热以外的其他能量形式，一直是我们梦寐以求的。转变为其他的能量形式，可以储存，方便利用。用太阳光产生热汇聚起来发电的话可以实现，只是目前效率太低，有点得不偿失；把太阳辐射通过化学反应转变为化学能存储起来是不错的选择，植物的光合作用正是这样实现的，目前人还无法代替植物，虽然可以用阳光分解水之类的物质，但还没有开创出方便可行的途径；通过太阳辐射搬运电荷直接形成电流是目前研究的热点，太阳电池已经广泛应用，但同样因为效率和成本问题，目前无法大面积推广。

　　太阳辐射是电磁波，各种应用太阳能的方式，都是利用电磁波与物质的相互作用。我们知道，所有物质都是由原子构成的，原子是由电子（带负电荷）和原子核（带正电核）构成。电磁波是变化的电场和磁场，必然与带电粒子发生相互作用，带电粒子在电场中的运动是物质与电磁波相互作用的主要方式。由于物质中的电子质量远轻于原子核，所以电磁波与物质间的相互作用主要是电磁波与电子的相互作用。到达地球的太阳辐射无论产生热量、分解物质还是产生电流，主要都是电磁波与电子的相互作用的结果。在不同的物质中，电子的状态不同，与电磁波作用的结果也就不同，其实我们常看到的物体对光的吸收、反射以及表现出的颜色等都是太阳辐射与物质电子作用的表现。由于不同物质中电子的状态千差万别，因而表现出各种不同的作用结果。例如我们熟悉的导体中有大量自由电子，可以作为接收电磁波的天线，绝缘体中几乎没有自由电子，一般不能用作天线。

　　只有很好地理解太阳辐射与物质间的各种相互作用机制，才能找到合适的途径把太阳辐射中的电磁能“截留”下来，作为我们可方便使用的能源。我们来看看近年来发展较快的“染料敏化”太阳能电池是怎样把太阳能转变为电能的。使用一种增感染料（如联吡啶钌）可吸收阳光中的大部分辐射，染料中的电子吸收光子（能量为hu）后从低能态跃迁到高能态，从而形成电子的激发态；由于染料分子靠近某种半导体物质（大多使用二氧化钛），染料中处于激发态的电子接着会转移到半导体上，二氧化钛富裕的电子会在电极（负极）汇聚，经外电路流到另一极（正极）。在正极有一种物质（一般使用碘）充当电子的传递者，再把电子运送到染料分子，这样就形成一个回路，完成一个循环。只要有光的照射，染料敏化太阳能电池就可源源不断地产生电流。这种电池的成本很低，且可以安装在任何有光的场合。当然，也可以直接用这种方法促成化学反应，产生新的物质，把能量以化学能的形式保存在新产生的物质当中，这一点与光合作用机制有些相近。

　　太阳能应用的方法很多，不同的方法利用不同的机制，关键的是要有高的效率、低的成本和足够多的量。只要能探索出一种可行的方法，我们就可以有用之不尽的能源了。索尼探梦科学馆目前正在展出的“绿能风潮2012”环保主题展上就有讲如何利用太阳能的展品，最吸引人的就是像室内装饰一样的染料敏化太阳能电池，只要灯光照射就会产生电流，带动风扇转动。染料敏化太阳能电池也许有望成为未来太阳能应用的主角。