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第9章 享之不尽的财富——太阳能(5)

但历史学家和科学家们认为,在2000多年前的古希腊,人们并不了解光学和镜子的知识,阿基米德也没有留下关于光学方面的研究理论和着作,而且当时的镜子主要由青铜磨成,反光效果较差,不太可能在瞬间聚焦产生几千摄氏度的高温,况且当时罗马人的船队是在海上航行之中,叙拉古士兵的镜子与战船隔着较远的距离,如何对移动的战船做出准确的聚焦也是一个很大的难题。

因此千百年来人们一直对这个传说持怀疑态度。

进入现代,人们依然在寻找阿基米德用太阳能击退敌人的有力支持。1973年,希腊科学家伊奥安尼斯·萨卡斯决定通过试验来确定到底能否利用反射和聚焦的太阳光烧毁船只,他让60名水手排队站在码头上,每人拿着一面大镜子,组成一面巨大的凹透镜形状,在太阳正盛的时候把光线反射到150英尺(约合45.72米)开外的一只小船上,结果不到3分钟,船只就着火了。

不过,2005年10月,美国麻省理工学院及亚利桑那大学的研究人员再次对这个故事进行了验证,其结论是:它多半只是个传说。

这两所大学的研究人员在旧金山海滨进行了相关实验。首先尝试的是麻省理工学院的小组。他们组装了一面300平方米的巨型镜子,材质是青铜和玻璃。

他们把一艘旧渔船放在离镜子45米的水上,试图用镜子反射阳光去点燃它,他们没成功,于是又把渔船移近了一半的距离。这一次,聚焦的阳光使船只着火了。

两所大学的实验只能表明阿基米德的故事从技术上说是可能的,但却不能解答它是否是真实的历史。有人认为实验已经说明了阿基米德的故事并不可靠:

“要是这样做能行的话,那它简直相当于古代的核武器。”

“太阳能武器”属新概念武器,其种类还包括动能武器、定向能武器、次声武器、地球物理武器、气象武器、基因武器等。

据称,美、俄科学家们还正在研制一种“太阳能武器”。“太阳能武器”能在一瞬间制造出几千摄氏度的高温,强烈的高温光线能从太空穿过厚厚的云层抵达地球表面,其温度足以融化和烧毁地球上的任何敌对目标。“太阳能武器”

不像中子弹,中子弹只会杀死建筑中的所有生物,而建筑却仍然完好无损地保存在那里。“太阳能武器”的致命弱点是阴雨天无法使用,不过这个难题在今天显然已经不成问题,因为科学家可以将“太阳镜”送到太空之中。也许它的唯一缺点就是杀伤力实在太大了,就像氢弹爆炸一样,被它击中的地区将会立刻变成一片大面积的焦土。

虽然威力强大的“太阳能武器”还处于构想与研制中,但太阳能在军事上的运用将是广泛的,尤其在太阳能电池技术日益成熟的情况下。比如以色列国防军为部队配备了一种充电式太阳能电池板,以保证队员外出执行任务时,不会陷入随身装置断电的困境。这种太阳能电池板重1.5千克,日照充足时充电时间只需2~3小时,最大可提供30瓦电力。该太阳能电池板配有专门的插座,可为不同设备的电池充电。以军负责该项目的西蒙中校表示,战争期间,如外出执行任务的士兵因电池用完而与指挥中心失去联系,后果将不堪设想。为部队配备太阳能充电装置的目的之一,就是要增强部队的灵活性,使其在电池用完又没有发电机的情况下,仍能利用太阳能为电池充电。

2006年8月,英国皇家空军的“西风”号太阳能无人机试飞成功。“西风”

号采用全球定位系统导航,最大飞行高度可以达到40千米,它依靠太阳能电池提供动力,可持续飞行3个月之久,对目标实施长时间的高密度监控,这是普通侦察机和侦察卫星都无法实现的。

“西风”号无人机在18千米高度飞行时,能拍摄高清晰度的侦察照片,分辨率可以达到25厘米,与美国侦察卫星相当。而从生产成本来看,一颗侦察卫星高达1500万英镑,而一架“西风”号仅100万英镑,更何况卫星的发射成本更是远远高于无人机。基于这些原因,人们开始展望太阳能无人侦察机的时代。

在2007年进行的一次试飞中,“西风”号飞行了54小时,打破了无人驾驶机飞行时间的世界纪录。美国国防部由此看中了这种太阳能、高空、长航时的无人机,希望把它应用到军事上去,具体来说,打算部署到阿富汗与伊拉克的战场中。美国国防部对“西风”号无人机的兴趣主要在于该机型的远距离信号情报能力,它不仅能从1.8万米的高空侦察拍摄地面目标,也可使特种兵通过它在偏远地区传递无线电信号。

使用太阳能的交通工具太阳能汽车

汽车用的燃料是汽油和柴油等,它们都是从石油中提炼出来的。然而,石油这种矿物燃料是不可再生的,用一点就少一点,总有一天会用完,那时人类将面临着能源的挑战。

从另一方面来说,石油本身就是一种宝贵的化工原料,可以用来制造塑料、合成橡胶和合成纤维等。把石油作为燃料烧掉了,不但十分可惜,而且还污染了人类赖以生存的环境。解决这个难题的唯一可行办法,就是加紧开发新能源,而太阳能就是这些新开发能源中的佼佼者。

将太阳光变成电能,从而驱动汽车,是利用太阳能的一条重要途径。人们早在20世纪50年代就制成了第一个光电池。将光电池装在汽车上,用它将太阳光不断地变成电能,使汽车开动起来。在太阳能汽车上装有密密麻麻像蜂窝一样的装置,它就是太阳能电池板。太阳能电池依据所用半导体材料的不同,通常分为硅电池、硫化镉电池、砷化镓电池等,其中最常用的是硅太阳能电池。

通常,硅太阳能电池能把10%~15%的太阳能转变成电能。它使用方便,经久耐用,又很干净,不污染环境,是比较理想的一种电源,只是光电转换的比率小了一些。近年来,美国已研制成光电转换率达35%的高性能太阳能电池。澳大利亚用激光技术制成的太阳能电池,其光电转换率达24.2%,而且成本与柴油发电相当。这些都为光电池在汽车上的应用开辟了广阔的前景。

早期的太阳能汽车是在墨西哥制成的。这种汽车,外形像一辆三轮摩托车,在车顶上架有一个装太阳能电池的大棚。在阳光照射下,太阳能电池供给汽车电能,使汽车的速度达到40千米/小时,由于这辆汽车每天所获得的电能只能行走40分钟,所以它还不能跑远路。

现在世界上很多国家都在研制太阳能汽车,并进行交流和比赛。1987年11月,在澳大利亚举行了一次世界太阳能汽车拉力大赛。有7个国家的25辆太阳能汽车参加了比赛。赛程全长3200千米,几乎纵贯整个澳大利亚国土。

在这次大赛中,美国“圣雷易莎”号太阳能赛车以44小时54分钟的成绩跑完全程,夺得了冠军。

“圣雷易莎”号太阳能赛车,虽然使用的是普通的硅太阳能电池,但它的设计独特新颖,采用了像飞机一样的外形,可以利用行驶时机翼产生的升力来抵消车身的重量,而且安装了最新研制成功的超导磁性材料制成的电机,因此使这辆赛车在大赛中创造了时速100千米的最高纪录。

2003年澳大利亚太阳能汽车比赛上,由荷兰制造的“Nuna域”太阳能汽车取得了冠军,它以30小时54分钟的时间跑完了3010千米的路程,创造了太阳能汽车最高时速170千米的新世界纪录。

2008年,瑞士冒险家路易斯·帕尔默驾驶一辆太阳能汽车,不用一滴油而完成绕地球行驶35.2万千米的壮举。帕尔默是一名老师,他请了假,花了17个月用瑞士科学家帮助研制的全太阳能汽车走遍38个国家。这辆双座汽车的电池充满电,可以以90千米/小时跑完300千米的路程。帕尔默说:“不使用燃料的太阳能汽车环球旅行,这在历史上还是头一次。因为故障,我浪费了两天时间。”

这辆由铝和玻璃纤维制作的汽车依然是个原型。它的特点是轻巧、高效,由拖车运载的太阳能电池提供动力。它有塑料车窗,有3个车轮,而不是传统汽车的4个。它很像一辆赛车,可乘坐两个人,而且空间并不狭窄,还配有无线电装置。它符合瑞士的所有安全标准,有前灯、刹车、护目镜和符合标准的其他安全配置。在开始世界旅行前,36岁的帕尔默用1年时间开着它前往瑞士卢塞恩的学校上下班。

尽管人们对太阳能汽车寄予了很大希望,但由于种种原因,太阳能汽车在现实世界获得成功的路还很长。但这并不能阻止环保爱好者和汽车业内一些最富创意的人进行新的尝试。

德国普福尔茨海姆大学的一名毕业生设计的“宝马乐简”概念车采用了全新的造型,突破了传统的设计思路。这款汽车浑身布满了鳞片,看起来像一头怪异的“铁甲豪猪”。这些鳞片其实是太阳能电池板,总共有260片,通过铰链固定在车身上,能最大限度地收集太阳能。当车辆处于静止时,所有电池板还可在微电脑的控制下,随着太阳的移动方向转动。连车轮上也同样设计了独立的太阳能电池板。当它在行驶时,部分太阳能电池板会紧贴车身,便于司机看清道路四周的情况。

奔驰公司开发的FD太阳能汽车不太像普通轿车,而是有些像行驶在陆地上的帆船。这款汽车由安装在4个车轮上的电动发动机提供推动力,电池则利用安装在车身上的太阳能电池板获取能量。为了更多地获得太阳能,设计人员设计了一个伸向天空的大帆板。

这些新奇的创意反映出人们对太阳能汽车的极大兴趣,在油价越来越贵的今天,人们是多么希望太阳能汽车能真正行驶在马路上啊!

太阳能汽车不仅节省能源,消除了燃料废气的污染,而且即使在高速行驶时噪声也很小。太阳能汽车必将在今后得到迅速的发展。

中国研究太阳能汽车已经有几十年的历史。1984年9月,中国推出了首辆自行研制的太阳能汽车——“太阳”号,之后又相继出现了各种外形奇特的实验室概念汽车,既有高校制造的,也有民间爱好者出品。随着技术的进步,近年来国内外出现了一些外形类似普通汽车的太阳能汽车,但是由于性能、成本、政策等方面的原因,太阳能汽车到今天依然没有实现产业化。

2008年10月,国内首批头顶太阳能电板的太阳能汽车亮相,这种车完全靠太阳供电,无需耗油,且售价为3.8万元。这是全国第一批由企业批量生产的太阳能汽车,当时已经生产了10多辆。

现在国际上利用太阳能转化为电能,转化率一般都不会超过20%,这批太阳能汽车的太阳能转化率能达到14%~17%。如果是阴天,太阳能汽车在广场上至少要停上3个白天,也就是30个小时左右,才能把车子的电给充满,然后方可连续跑150千米,亦即晒1小时能跑5千米。

这辆太阳能汽车最高时速可达70千米,并且可以真正运用到生产当中去,而国内之前推出过的类似车型都只是概念车。这批太阳能汽车每两年需要更换1次电瓶,因为中国目前的电瓶使用寿命只有两年。

目前,阻止太阳能汽车前进步伐的主要因素有两个:淤太阳能电池板的造价依然太高。于太阳能电池板的能效还较低。我们相信,如果这两个问题能够得到解决,太阳能汽车就能够普及,未来的城市将更洁净、更美好。

太阳能飞机

太阳能飞机是指以阳光、太阳能以及太阳可能存在的其他能量来作为动力和任务设备能源的飞行器。以太阳能作为未来航空航天器的辅助能源乃至主能源,是人类具有方向性和前沿性的重要研究目标。

20世纪中期以来,太阳能飞行器研究已经成为世界航空航天业重点发展的新兴领域。其原因主要有如下两个方面:

(1)人们需要向地球以外的空间寻求持久能源和洁净能源,以缓解越来越严重的能源困境和保护地球环境。

(2)社会发展使得人类对飞行器的航高、续航力等要求越来越高,而喷气式发动机飞行器无法在空气稀薄的高空运动,航高受到限制;飞机爬升到高空也因需要耗费大量燃料而限制了续航力。太阳能飞行器能在低密度空气环境中飞行,理论上飞得越高则采光集能效益越好,因此,相对于常规飞行器来说,太阳能飞行器在航时与航高方面具有明显优势,这种优势使太阳能飞行器有可能用来替代低轨道卫星的部分功能,造福人类。

目前太阳能飞机还没有进入实际应用阶段,但人们对太阳能飞机有极大的热情,一些国家投入巨资进行了研究开发,并取得了重大进展,下面就为大家介绍太阳能飞机发展史上的两个里程碑。

1.“太阳神”号无人机

20世纪70年代,随着成本合理的太阳能电池的出现,人们开始考虑让太阳能飞机真正飞上天空。最着名的太阳能飞机是美国太空总署资助研制的“太阳神”号无人机。

“太阳神”号耗资约1500万美元,用碳纤维合成物制造,部分起落架材料为越野自行车车轮,整架飞机仅重590千克,比小型汽车还要轻。“太阳神”在外形方面的最大特点就是有两个很宽的机翼,其机身长2.4米,而活动机翼全面伸展时却达7l米,连波音747飞机也望尘莫及。

“太阳神”号机身上装有14个螺旋桨,动力来源于机翼上的太阳能电池板。

在早晨阳光不是很强烈时,“太阳神”装备的太阳能电池可以为飞机提供10千瓦的电能,使飞机能够以每秒33米的速度爬高。中午时分,电池提供的电能达到40千瓦,飞机的动力性能达到最佳状态,能以每小时30~50千米的巡航速度飞行。晚上,飞机则依靠储存的电能进行巡航飞行。

2001年研究人员将“太阳神”号运往夏威夷,装上65000片太阳能板,由地面两名机师透过遥控设备“驾驶”;在10小时17分钟的飞行中,“太阳神”

号达到22800米的目标高度。研究人员预计“太阳神”号最高可飞到30千米高空,超出喷气式客机飞行高度3倍多。

太阳神号经过试飞改进一旦获得全面成功,将有广阔的发展前途和应用前景。

(1)它可成为局部地区的低成本的电信中转平台。因它能在同一位置以缓慢的速度盘桓数月,且可随时降落加以维修,故可向信号覆盖地区提供电信和电视服务,作为该地区的通信卫星使用。

(2)它可用做局部地区的观测卫星。它既可观测视线及地区的气象变化和自然灾害,又能监视相应地区的渔业、森林等资源的开发情况,甚至能估计农作物的产量和预报其收割时间,是局部地区的理想的空中观测台。

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