书城工业技术图说来自太阳的能量—太阳能
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第6章 天使还是魔鬼——太阳能的争议(2)

北回归线是太阳光直射在地球上最北的界线。每年夏至日(6月22日左右)这一天这里能受到太阳光的垂直照射。然后太阳直射点向南移动。北半球北回归线以南至南回归线的区域每年太阳直射两次,获得的热量最多,形成为热带。因此北回归线是热带和北温带的分界线。

每年夏至日,太阳直射点在北半球的纬度达到最大,此时正是北半球的盛夏,此后太阳直射点逐渐南移,并始终在北纬23°26′度附近和南纬23度26分附近的两个纬度圈之间周而复始地循环移动。因此,把这两个纬度圈分别称为北回归线与南回归线。

南、北回归线也是南温带、北温带与热带的分界线;南极圈、北极圈则是90度减去回归线的度数,是南温带、北温带与南寒带、北寒带的分界线。

海拔

地理学意义上的海拔是指地面某个地点或者地理事物高出或者低于海平面的垂直距离,是海拔高度的简称。它与相对高度相对,计算海拔的参考基点是确认一个共同认可的海平面进行测算。这个海平面相当于标尺中的0刻度。因此,海拔高度又称之为绝对高度或者绝对高程。而相对高度是两点之间相比较产生的海拔高度之差。

6.间接的伤害

众所周知,太阳能辐射是清洁无污染的,太阳能的转化过程也是绿色安全的。虽然太阳能的利用过程没有造成直接的污染与伤害,但是不要忽视一点,在利用太阳能的过程中我们使用的设备并不是绿叶,其生产和使用过程中对环境的污染不容忽视。

首先,设备生产过程污染。提到太阳能设备不可不提其重要生产原料多晶硅,多晶硅的生产是一个提纯过程,金属硅先转化成三氯氢硅,再用氢气进行一次性还原,这个过程中约有25%的三氯氢硅转化为多晶硅,其余大量进入尾气,同时形成副产品四氯化硅和TCS、DCS。这些副产物当中,四氯化硅为无色或淡黄色发烟液体,易潮解,属于酸性腐蚀品,对眼睛和上呼吸道会产生强烈刺激,皮肤接触后可引起组织坏死,属于危险物质;另一种副产物为含DCS的TCS,其中DCS理化特性与四氯化硅接近,如果生产过程中的回收工艺不成熟,这些含氯有害物质极有可能外溢,存在重大的安全和污染隐患。

多晶硅生产工厂

近年来,我国不少地方兴建了太阳能电池材料——多晶硅的生产线。2009年,国务院连续三次会议叫停多晶硅扩产。可是近来,多个省市又开始大规模上马太阳能光伏发电项目,这将带动国内新一轮的多晶硅扩张生产,并让一些国际企业从中赚取暴利。

据了解,我国大多数企业生产的是低纯度多晶硅,以非常低的价格出口国外,再高价从国外进口高纯度的多晶硅,把它们加工成太阳能电池板后再出口,从中获取微利。目前国内的多晶硅产业能耗高、污染大,据统计,每生产1吨多晶硅,就要产生15至20吨的剧毒四氯化硅。甚至有一些小厂家发生过乱排放事件,对环境破坏极大。

多晶硅生产废料污染河流

太阳光电板的生产技术还在不断进步当中,就多晶硅光电板而言,其回收所需能源应花费约3.5年,就单晶硅光电板而言,其回收所需能源应花费约0.5到1年,而太阳光电板的设计寿命在20-30年。

在太阳光电板的制造过程,平均每1kW(千瓦)会需要12克的有毒重金属硅,这种有毒重金属不会伴随着产品,而是残留在工厂。所以制成的太阳光电板本身是无毒而可以作为回收使用的。太阳光电板中含碲化镉者,则该芯片本身含有毒的重金属。

碲化镉

其次,光伏发电系统废弃物污染。光伏电源系统具有一定寿命,其废弃物对环境具有很强的破坏性。光伏发电系统使用的蓄电池大部分都是铅酸蓄电池,该电池内含有大量的铅、锑、镉、硫酸等有毒物质会对土壤、地下水、草原等造成污染。

依赖铅蓄电池进行的太阳能发电极有可能释放上百万吨铅污染。有研究发现,这样的太阳能发电将对公众健康产生负面影响,并造成环境污染。

铅中毒能够导致儿童的学习障碍、多动症以及暴力行为。研究表明儿童铅中毒的经典症状是食欲不振、腹痛、呕吐、消瘦、贫血、肾功能衰竭以及烦躁不安。

受铅污染的河流

再次,光污染。在太阳能被大范围利用后,城市中的光伏电池表面玻璃和太阳能热水器集热器在阳光下反射强光,形成光污染。专家研究发现,长时间在白色光亮污染环境下工作和生活的人,视网膜和虹膜都会受到程度不同的损害,视力急剧下降,白内障的发病率高达45%。还使人头昏心烦,甚至发生失眠、食欲下降、情绪低落、身体乏力等类似神经衰弱的症状。

光污染

我们在对绿色太阳能利用充满期待的时候更应该清醒地看到其带来的风险。在我国先污染后治理的粗放发展方式已经为经济社会带来沉重的包袱。在利用太阳能,看到商机的同时,更应该早规划、早动手,加强科技创新,将污染治理在发展之初,只有这样太阳能才能成为真正的绿色能源,造福于人类。

知识卡片:

氯化硅

无色透明重液体。有窒息性气味。密度1.50。熔点-70℃。沸点57.6℃。在潮湿空气中水解而成硅酸和氯化氯,同时发生白烟。遇水时水解作用很激烈。也能和醇类起激烈反应。溶于四氯化碳、四氯化钛、四氯化锡。对皮肤有腐蚀性。用于制硅酸酯类、有机硅单体、有机硅油、高温绝缘漆、硅树脂、硅橡胶等,也用作烟幕剂。工业上由硅铁在200℃以上与氯气作用,经蒸馏而得。

TCS

TCS 是 SiHCl3 (三氯氢硅)的缩写。三氯氢硅是光伏产业链前段的一种关键化学原料,使用化学沉积方法制备高纯的多晶硅材料,得到晶体面无序排列的多晶硅。

DCS

DCS是二氯硅烷的缩写,它在常温常压下为具有刺激性窒息气味和腐蚀性的无色有毒气体。空气中易燃,100℃以上能自燃,燃烧氧化后生成氯化氢和氧化硅。加热至100℃以上时会自行分解而生成盐酸、氯、氢和不定性硅。施以强烈撞击时也会自行分解。在湿空气中产生腐蚀性烟雾。遇水水解生成盐酸和聚硅氧烷(SiH2O)4。可溶于苯、醚和四氯化碳。与碱、乙醇、丙酮起反应。即使接触小量卤素或其它氧化剂也会发生激烈反应。与三烷基胺、吡啶形成加成化合物。与三氟化锑反应生成氟硅烷。

二氯硅烷的毒作用主要是由它在湿空气中的水解产物氯化氢引起的。因此,人吸入后激烈刺激呼吸道,引起呛咳、呼吸道发炎、喉痉挛和肺水肿。触到眼睛可引起流泪并导致眼灼伤。接触皮肤可引起化学烧伤。液态二氯硅烷也可引起冷烧伤。

光污染

广义的光污染包括一些可能对人的视觉环境和身体健康产生不良影响的事物,包括生活中常见的书本纸张、墙面涂料的反光甚至是路边彩色广告的“光芒”亦可算在此列,光污染所包含的范围之广由此可见一斑。在日常生活中,人们常见的光污染的状况多为由镜面建筑反光所导致的行人和司机的眩晕感,以及夜晚不合理灯光给人体造成的不适。

7.不断改进的太阳能开发

太阳能产业代替传统能源的构想仅仅停留在理论阶段,在推广“低碳”的实际过程中,情况要比想象中复杂得多。其中最重要的部分是要转变现有的生产方式,而一旦触及到经济利益,问题就变得更加棘手。

抓不住的阳光

虽然太阳能有那么多好处,但我们还是面临着千百年来不变的难题——如何更好地利用这个能源。我们对太阳能是看得见、但留不住。

尽管人们对太阳能的开发利用方式如此丰富多样,然而直到目前为止,所利用的太阳能与太阳照射到地球上的能量相比,仅是沧海一粟,而且使用效率较低,规模也较小,致使大自然赐予的这种宝贵能源大部分损失掉了。所以,用现代化方法大规模地开发利用太阳能,已成为摆在人们面前的一项重要任务。

虽然困难重重,但在长久以来科研人员的不断研究与改进,此前一些曾被认为遥不可及的设计理念如今也都得到了运用。

水冷式太阳能电池板

Pyron Solar Triad公司设计出一种特殊的短焦距、由丙烯酸材料合成的太阳能集光透镜。太阳光在这种透镜中进行反射和折射后能够有效的将能量集中到一点。第二个透镜在捕捉到第一个透镜传递过来的能量后再将其集中到一块小型的光伏板上。该公司称这种HE镜片系统(HE OPTICS SYSYTEM)生产的电力是同等大小的硅太阳能电池板的800倍。这样的创新,使得太阳能设备摆脱对硅的依赖。

太阳能道路的理念就是研发一种像地板砖一样的太阳能电池板,并且将其铺设在道路上。这些电池板不断能够收集光能并产生电能,而且还可以供夜间路面照明及冬天暖路,同时还能将大量剩余的电力出售给家庭或企业使用。这项技术的发明者斯科特·布鲁撒(Scott Brusaw)预计,每英里这样的太阳能电池板可以为500个家庭提供电力,而每块这样12 x 12英尺的电池板成本只需5000美元。

太阳能道路

加拿大安大略省麦克马斯达大学(McMaster University)的研究人员利用高效的光伏材料和耐用的碳纳米管纤维研制出一种吸光纳米线,并将其植入韧性较好的聚酯薄膜中以生产太阳能电池板。这种太阳能电池板要比现在的光伏板更加具有韧性,且造价更低。此外,来自英国南安普敦大学的物理与天文系的研究团队也从植物的光合作用中受到启发,从而制出一种新的光伏装置,它能够高效地将光能转化为电能。

大型薄膜太阳能电池

SunFab System公司的薄膜太阳能面板主要是在薄膜技术的基础上,利用非晶硅太阳能电池板建成世界上面积最大、产能最多的太阳能薄膜电池板。这种做法一方面可以成功降低材料的成本,另一方面还可以和太阳能产业最高端的制造技术进行结合。据悉,该公司的薄膜太阳能面板主要采用无框架设计,从而解决了薄膜太阳能面板防水效果差和使用时间长会导致面板结构整体性受损这两大主要难题。

此前,人们曾一直设想假如安装太阳能电池板能像铺设屋顶瓦那样简单,或者太阳能涂料能像刷油漆一样刷在屋顶上该多好啊。实际上,这个设想目前已经得到实现,这种太阳能涂料被称为硅墨水。美国国家可再生能源实验室(U.S. National Renewable Energy Laboratory)表示,目前采用这项技术的太阳能电池已经可以将18%的太阳能转化为电能。而公司(Dow Chemical)则表示,到2010年中期由该公司研发的太阳能屋顶瓦将可以进行小规模生产,2011年将进行大规模生产。

知识卡片:

低碳

低碳,英文为low carbon。意指较低(更低)的温室气体(二氧化碳为主)排放。随着世界工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和生产生活方式的无节制,世界气候面临越来越严重的问题,二氧化碳排放量越来越大,地球臭氧层正遭受前所未有的危机,全球灾难性气候变化屡屡出现,已经严重危害到人类的生存环境和健康安全,即使人类曾经引以为豪的高速增长或膨胀的GDP也因为环境污染、气候变化而大打折扣(也因此,各国曾呼唤“绿色GDP”的发展模式和统计方式)。

纳米技术

纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。