神奇的力量

我们能够感受太阳灼热的光芒，却很难计算它所蕴藏的巨大能量。地球臭氧层的破坏、世界原油价格的飙升，终于让人类的目光投向了耀眼的太阳。

在生活中你使用过太阳能转换的能量吗?你可能用过太阳能热水器，见过太阳能路灯，但如果谈到用太阳大规模发电，人们或许会认为，这是未来的事情。然而，当上海世博会上那些利用太阳能发电的场馆和安装在屋顶上密集的太阳能电池板出现在我们面前时，我们发现，未来就在眼前。

其实，在应对全球气候变化、保护地球生态、提倡可持续发展的今天，面对一次次能源危机，使用什么样的能源，已经不是我们可以选择的事情。放眼世界，许多国家，如同竞赛般的新能源技术的开发利用正如火如荼。太阳能、风能、海洋能、生物质能的利用纷纷被提上日程。能否开发和利用这些能源，关系着人类的生存和未来。

利用太阳能发电有两种技术，一种叫作“光伏发电”。如上海世博会上所展示的，大面积地使用太阳能电池板吸收太阳的光能，简单地说，就是把光能直接转换成电能。这是一种方便、不太受规模和条件限制的太阳能发电技术。另一种太阳能发电技术，叫作“光热发电”。是把太阳的光能转换成热能，然后产生电能的技术。美国内华达州兴建的一座太阳能电站就是采用了这种技术。

[一]

跟随美国内华达州这座太阳能电站的建设，我们看看太阳能这种神奇的力量是如何被捕捉的。

美国内华达州拉斯维加斯是黑暗沙漠中的一座光明之城。那里的灯火每年吸引着数百万游客。人们就像没有明天似的使用着能源。在拉斯维加斯，仅那些闪烁的五彩灯光，日用电量就超过450万千瓦。白天，随着数百万台空调启动，这个城市的用电量达到顶峰。

到目前为止，城市的大部分电力都来自燃煤和燃气发电。煤和气的资源是有限的，很昂贵，而且污染环境。如果有一种完全免费、完全清洁的可再生能源，这些问题就都解决了。于是，人们注意到了太阳。

位于拉斯维加斯以南48公里的莫哈维沙漠，是北美洲最干燥的地区之一。这里充斥着狂风、扬沙以及无情的热浪，环境恶劣。但对工程师吉尔伯特·科恩的设想，这里的条件是完美的。太阳刚刚落下，工人们就来到这里。他们要在此建造大型商用太阳能发电站——“内华达太阳一号”。而它唯一的燃料就是阳光。

吉尔伯特·科恩是一位满怀憧憬的工程师，他决心将太阳能发电投入生产，并让它成为主流。他说，利用太阳能发电的技术，显然是一种解决能源问题的方法。但在20世纪60年代，可再生能源研究者，不太被人理解。

这座太阳能发电站全线投产时的发电量，足以供给像附近拉斯维加斯这样城市中13000户家庭使用。科恩是这个项目的首席工程师。为获准进入内华达州电力网，他设定在6个月内，发电站必须作好准备，进行一项关键测试：他的研究小组必须证明，他们能够产生至少18兆瓦的电能，并能输入电网。为此，他们首先要完成发电站核心的最后部分：一片大面积的太阳能场地。竣工时，它的占地面积将达到141公顷，相当于265个足球场大小。组成这片太阳能场的是：数吨重的铝制框架、近20万块专门设计的镜面板以及超过72公里长的吸热管。这些就是即将产生强大电力的组件。这种发电技术被称为“聚光太阳能发电”，简称CSP。聚光太阳能发电与光伏技术不同，不是用太阳能电池板，而是吸收并集中太阳光线以产生热能。“内华达太阳一号”使用巨型曲面镜替代了较小的放大镜。这些镜子比普通镜子亮70倍，它们将太阳光线聚集到一个焦点上——一个被称为吸热管的装着合成油的长形圆柱体上。液体穿过一排排镜子，聚集热能，直到温度达到近400℃。然后，高温的管子穿过一个热交换器，在那里，水被转化成蒸汽。最后，就像传统发电站一样，利用蒸汽推动汽轮机发电。

经过10个月的努力，科恩的小组进入冲向终点的直道。他们已把用于吸收太阳光线的大部分镜子排列好。吉尔伯特·科恩说，镜子大约4毫米厚，它们相互支撑，不需要框架。只是在后面用4个垫片，形状是完美的抛物面。

为了将太阳能量最大化，组员们把镜子和管子安放在铝制的支架上。每个框架都装有一个特殊的传感器和一个发动机，用于移动框架，以便全天精确地跟踪太阳。安放一排镜子很容易，但要安放9000排就是一项令人生畏的任务了。研究小组把曲面镜一行行列成长排，这种聚光太阳能发电方式被称为“槽形系统”。这个项目需要16个月的时间完成。对科思而言，他30年的梦想正在实现。

[二]

科恩是太阳能技术工业的领军人物之一。他的研究始于20世纪70年代的石油危机、当时，美国政府鼓励发展太阳能发电。科恩与一群工程师和企业家合作，在加利福尼亚州设计制造世界上首批商用太阳能发电站。他们共建造了9座大型发电站。这些发电站是同类中的首批，建造成本昂贵。但这些发电站不会污染环境，而且能源来自太阳，在高峰时间，它们的发电量足以满足像附近的长滩那样人口规模的用电量。

吉尔伯特·科恩说，我们能够通过使用其它能源来减少能源需求，我觉得很棒。我认为这是一项大有潜力的事业。

但是，1991年，科恩的梦想破灭了。天然气价格下跌，政府停止发放补贴。这家投资建造太阳能发电站的公司破产。科恩失业了。在接下来的近20年中，他努力启动新的太阳能项目，均以失败告终。只要化石燃料保持在低价位，太阳能发电技术就没有竞争力。

吉尔伯特·科恩说，很长时间，美国的能源价格都很低。能源便宜，因此，大家没有减少能源成本的动力。

但那时，全世界的电力需求几乎翻了一番。新建了数千座污染环境的化石燃料发电站以满足需求。如今，这些发电站的二氧化碳年排放量达到全球人均1.5吨左右，同时还排放大量的有毒气体。然而，随着原油价格突破每桶100美元，同时全球变暖也成为关注的焦点。不难想象，大家都会千方百计地开发像太阳能这样的清洁的可再生能源。

乍看聚光太阳能技术很简单，但是你从未见过这种技术，因为这些发电站建造起来费用十分昂贵。“内华达太阳一号”花费了2.6亿美元。这几乎是与它功率相同的最大竞争对手：燃煤发电站启动成本的两倍。燃煤发电站只需要一个锅炉燃煤。而太阳能发电需要数百英亩场地、很昂贵的专门镜子及管子、框架。不仅如此，尽管燃煤发电站的建造成本低于太阳能发电站，而且付出很高的环境代价，每年排放全球近40％的二氧化碳，同时还排放铅、锌、砷和盐酸。但政府仍给大额补助，以保障廉价的电能。而太阳能发电得到的补助少得多，尤其在美国。

从长远看，许多人相信，太阳能实际比煤更便宜。尽管启动成本高些，但太阳能发电站的燃料是免费的。“内华达太阳一号”即将证明，太阳能发电是一种可行的、经济的选择。

太阳一号的成功，将帮助解决拉斯维加

斯严重的电荒问题。这是科恩等待了20年的机遇。

建造一座太阳能电站，不仅启动成本远远高于现在的各种发电方式，而且要求有非常精密的技术，还有安放那些反射玻璃板需要占用大而积土地。我们是否要选择这样昂贵的能源呢?

通过几个数字，或许可以参考并得出结论。全世界每年向大气排放的各种污染物已达10亿多吨，造成臭氧层被破坏，温室效应日益严重。而要治理这些污染，代价难以估量；太阳每秒钟照射到地球上的能量大约相当于500万吨煤。大约40分钟照射在地球上的太阳能，就足够供全球人类一年能量的消耗。而且太阳能是一种不污染环境的清洁能源。

在传统能源日益枯竭、价格越来越昂贵的今天，新技术新装备的出现，只会让太阳能开发利用的成本逐渐降低。实际上，利用像太阳能这样的清洁可再生能源也许已经是我们唯一的出路。

[三]

地球生态系统是脆弱的。大量开采和使用化石能源对环境影响很大，特别是，如果使用煤炭的比例偏高，二氧化碳的排放就增长较快，对气候变化影响较大。因此，开发利用可再生能源，对优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。

内华达州安装建造的“内华达太阳一号”，如果能够成功，将为拉斯维加斯的13000户居民供电，然后就会立即扩大规模。工程师科恩的目标是为拉斯维加斯全城提供清浩的太阳能电源。

“内华达太阳一号”是一种利用光热转换原理发电的太阳能电站。这项技术20世纪70年代开发，一度由于石油价格下跌，投资者对新能源失去兴趣，等待20多年，科恩才重新或者说真正开始这项工作。科恩的经历折射出整个太阳能发电事业的起伏。

选择怎样的技术建造“内华达太阳一号”，是科恩和他的研究小组首先要解决的。最后他们选择了槽式系统。科恩在上世纪曾成功使用这种技术。他明白，他能够使用2l世纪的技术和材料来改进20世纪80年代的系统。主要的挑战仍然是启动成本。因为太阳能技术是新兴技术，设备很昂贵。虽然太阳能发电已经开始推广，但是整个系统的成本仍然令人望而却步。而且，“内华达太阳一号”使用的镜片、管子和框架必须要特别设计和定制。一家德国公司承接了镜片制造。那是一家在世界上最具创新能力的玻璃加工太阳能板的公司。25年来，已经有数百万块太阳能板被投入使用。公司为了完成订货任务，他们同意改装旗下的一间汽车玻璃工厂。科恩需要他们制造一种被称为“超白玻璃”的罕见玻璃。普通玻璃因含有铁等矿物质而呈绿色，超白玻璃则非常纯净，而且非常薄，仅4毫米厚。在太阳能的世界里，薄和清净是必须的。因为当太阳光线被镜子反射时，光线需要首先通过洁净的玻璃，射到反射面上，然后再反射出去进入吸热管。吸热管是太阳能发电站的另一个关键而昂贵的部件。吸热管也来自德国的一家制造公司。它们同样对生产线进行了改造，全力以赴以达到“内华达太阳一号”产品的要求。这个新发电站订购了19000多根吸热管。这些绝不是普通的玻璃管。在1650℃的熔炉里，工人们把硅料融化成粘性的液体，然后把液体定型成管状，再切割成段。最后，工程师们再把玻璃管和内钢管焊接在一起。最终，真空泵抽空吸热管中所有的空气，制造出真空状态。吸热管的性能越好，发电站的输出功率就越高，每千瓦小时的成本就越低。

在“内华达太阳一号”的场地上，工作人员把吸热管3个3个地焊接起来，然后提升到正好处于太阳能板焦点上的框架上。从外面看，吸热管似乎是一个简单的装置。但事实上，它是一个技术奇迹。从镜子聚焦的太阳光线，穿过吸热管的防反射涂层，通过内部的真空空间，几乎没有损失地射到里面的钢管上，钢管内部的液体被加热。同时，周围的真空空间却又起到防止热量外逸的隔热作用。

吉尔伯特·科恩说，它就像一个热水瓶，把热量保持在内部。吸热管内部温度高达400℃，而它的外面并不怎么热，可以把手放上去。

德国制造的这些十分高效的部件，是“内华达太阳一号”成功的关键。但是需要特别订制。吉尔伯特·科恩说，让一家汽车工厂制造这些镜子，它们必须停产两个月，这给他们带来很大的经济损失。

但是，如果“内华达太阳一号”成功了，而且同类项目也陆续成功，就能吸引一些工厂专门制造太阳能部件。

科恩说，当它成为一个真正的产业后，就可以建造一个镜子厂，专门为太阳能发电站生产部件。到那时，成本就降低了。他相信，高科技、高成本部件才是利用太阳能的正确方法。

[四]

“内华达太阳一号”的场地上，科恩和他的研究小组进展很顺利。随着最后一批太阳能场框架就位，这个项目进入了最后的建设阶段。一个庞大的涡轮蒸汽机出现在发电站内，和它的底座相连的是一台45吨重的发电机。这台机器没有高科技含量，但却是发电站最重要的组件之一，它把来自旋转涡轮的机械能转化为电能。沙漠里随时都会起风引起机器晃动，这项操作有相当的难度。操作员用起重机把它吊起，小心翼翼地移到蒸汽设备的中心。两个小时后，机器安装到位。

“内华达太阳一号”距离将太阳能转变成电能并输入内华达州电网又近了一步。

但是，如果太阳能技术要成为电力工业的真正参与者，还面临另一项挑战——太阳并不永远高高地挂在天上。如何才能让太阳能发电站全天候都生产充足电力，是设计者必须解决的问题。

如果拉斯维加斯仅依靠“内华达太阳一号”太阳能发电站提供电力，日落的夜间怎么办呢?这是太阳能的一项致命缺陷。没有太阳，就没有热量，也就意味着没有电能。

燃煤发电站，每天能24小时燃煤发电。但太阳能发电站每天只有8个到10个小时的日照时间。

电力是不用储存的。无论是太阳能、燃煤、燃气或是核能发电站，没有哪种商业发电站设计电能储存功能。如果没有一个有效的储能系统，太阳能发电站就无法在夜间运转。如果科学家发现一种物质和一个储能系统能够把白天积蓄的热量保存起来，发电站靠它就能在夜间也产生蒸汽可以发电。吉尔伯特·科恩希望能够出现一项革命性的储能技术，最终在内华达太阳一号上得到运用。太阳能工业的先锋们正在解决这个问题。一种物质正在被接受试验。这种物质被称为“熔融盐”。尽管它看起来不怎么样，但它确实是太阳能发电不可缺少的“圣品”。熔融盐与普通的肥料盐相似，它受热时会变成不可燃，无毒的液体。它还有一项显著的特性：能够加热到600℃。因为熔融盐有这一特性，所以它能保存足够的热量，整夜制造蒸汽。这个温度能使水蒸发，使油爆炸。只有低于238℃时，它才会凝固。

在内华达州的沙漠中，工作人员已经工作了16个月。吉尔伯特·科恩和他的研究小组希望尽早把太阳能技术带给大众，他们为这一价值2.6亿美元的电站启动作好了准备。在晴朗的天气下，上午8时，莫哈维沙漠的气温上升到了灼热的49℃。他们就要完成“内华达太阳一号”发电站的最后工作，“内华达太阳一号”的未来已经到来。吉尔伯特-科恩和他的研究小组将首次启动发电，并向内华达州电网供电。“内华达太阳一号”必须产生至少18兆瓦的电能，才能满足电网的需要。

科恩和他的研究小组做好开始的准备。首先，控制器移动所有镜子聚焦太阳。随着吸热管热量的上升，合成油开始加热。科恩和他的研究小组时刻都在监视着温度。上午10时，合成油达到330℃。研究小组开始制造蒸汽。涡轮机开始旋转，几分钟内，发电机开始发电。测量值慢慢上升，22兆瓦的电力!他们成功了!随着一个简单的计算机指令，控制器把电流从发电机输向变电站，并输入内华达州电网。电流突然间涌向输电线。几分钟内，电流就流经电网，向拉斯维加斯地区的照明和空调系统供电。对于科恩和其他聚光太阳能发电先锋而言，这一时刻只能用一句话来形容：太美了!

聚光太阳能发电在20世纪七八十年代，曾经差一点成为全世界能源问题的出路。但之后的20年，却又几乎销声匿迹。现在，这种能够不排放温室气体而发电的新型发电站即将赢利。科恩相信，当“内华达太阳一号”的规模大幅度扩大时，它最终可能为整个拉斯维加斯供电。

[五]

世界许多国家都在进行太阳能聚热发电的开发与研究。

20世纪70年代，中国科学院电工所也已开始研究太阳能光热转换技术。当时同国外合作建造过一个实验性电站，而后一度沉寂。

今天我们的太阳能光热发电达到何种程度呢?

在北京延庆县，我国正在建设一座完全自主设计的光热太阳能电站。有100多面定日镜，电塔高度100多米。建成后，它的年发电量195万度，意味着能够解决3250户的照明用电。不久的将来，这里的太阳电能就会并入华北电网。到那时，站在北京八达岭长城上，就能看到壮观的电塔。虽然我们国家光热发电起步比较晚，但我们相信，利用太阳能这种清洁能源必定是当今和未来的方向之一。

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