【编者按】现在，在能源需要急剧增长的情况下，各国除了勘探石油矿藏以外，还在努力探索新的能源。太阳能已成为各国探索的目标之一，因为它能源丰富、取用不尽，既无害于生态环境，又方便生产，所以成为最受欢迎的能源之一。
目前，各国在太阳能研究方面提出了许多方案和设想，综合起来，大约有下列几种：如电力塔、光生伏打电力，生物体，中温系统等。这些方案和设想各有千秋，但各又存在一定的问题。我们根据美国《科学》杂志1977年第197卷，第4300～4307期上的文章，编译一些资料，以供读者参考。
太阳热电：电力塔在研究中占了支配地位
[美]W·D·梅茨et.al. 编译 张国强等
太阳能计划的中心点是要按照与核反应堆发展模式极其相似的方式，从小到大地进行试验。
目前，发展“电力塔”的计划充分反映了能源研究和开发署赞赏集中型太阳概念，并把这种概念在实验室里付诸实施这一趋势。
电力塔的设想是一种用许多面镜子收集太阳能，再把太阳能转换成有效发电所需高温热量方法。光学研究表明，达到所需高温的最好办法是使用跟随太阳转动的聚焦镜。航空和宇宙航行空间公司在一九七四年所作的系统研究发现，把许多镜子的热量聚合起来的最节约的方法，是把它们的焦点全部集中到架设在高大塔顶上的锅炉上。锅炉产生的蒸汽通过通常的涡轮发电机发电。能源研究和开发署以及公用事业的研究机构认为，这种具有“光子能输送”优点的电力塔是为集中型太阳热发电厂设计的最完美的构造。
虽然有人批评这一太阳计划对别的集中发电设想支持太小，但遭受电力塔巨额耗资打击最重的研究领域是中温太阳热系统，这些系统本来是很可能在较小的规模上加以使用的。使用在光学原理上不如电力塔那样尖端的镜子的体系，也能把太阳光转换成有效温度范围内的热量，它高于屋顶平面集光器的摄氏一百度限额，低于聚焦的定日镜所达到的摄氏五百度的高度。那些起中温作用的镜子通常是某种类型的抛物面电缆槽，即日间只按一个方向跟随太阳转动的线条焦集单元。它们按十到四十的系数把太阳光集中起来，并把它集射到一个悬挂于电缆槽之上的真空管子上。
假如单纯用于发电，中温体系的效率不如定日镜高，但它们更简单，花钱较少，对于除了发电外还用于取暖和降温的设施也更加适用。据估计抛物面电缆槽收集器每年有效输出量（即将热和光的损耗除外所输送的能量）可能只比定日镜的输出量少百分之十。因为温度较低，抛物面电缆槽系统能把热转换成的电也较少，但利用余热，这种系统所获得的总效能可以超出电力塔中心站预计所能获得的效能（百分之十六）。
电力塔同增殖反应堆情况极其相似，将分四个阶段从小型试验发展到第一个商业性的工厂。如果把两个工程的线路图加在一起，它们便大得惊人。太阳热电的第一步是在新墨西哥州阿尔伯克基附近建立五兆瓦热的试验设备。第二步是在加利福尼亚州巴斯托附近建造十兆瓦电的试验厂；还将在八十年代中期建造一百兆瓦电的示范厂，最后在九十年代建成一百兆瓦电的商业性样板厂。
如果电力塔进展神速，它们的名字就会同太阳电紧密相联。电力塔设想的成功可能将取决于诸如收集器、接收器、热量贮藏装置等新颖的尖端工艺部件的发展。但发展的速度看来更可能为设计和建造一系列太阳厂的后勤供应所左右，这些厂工程巨大，需要大量钢铁和混凝土。
电力塔，顾名思义，令人觉得庞大出奇，应予支持。塔由五千七百立方码的混凝土建成，高度相当于二十层的大楼。阿尔伯克基试验场的收集器将占用一百英亩的土地。每一个定日镜要用十吨的混凝土基脚加以固定。随着收集器场地面积的增大，塔的高度也要增加。巴斯托厂的塔高约为五百英尺，而设计一百兆瓦商业型厂的塔就要比它高两倍。
一个商业电力塔发电厂由多达一万个定日镜收集太阳光，大约要占地一平方英里（也许将建在沙漠地带）。能源研究和开发署所设计的定日镜面积是三十七平方米，它们以高达一千的系数把太阳光集中起来。为了抵消行云的影响，能源研究和开发署的试验厂将容有三小时发电所需的热量贮藏能力。能源研究和开发署的计划要求有一个蒸汽（兰肯）循环；这需要相当多的水来冷却，它所用的水将和规模同等的矿物燃料厂一样多。
据估计，影响电力塔厂费用的主要因素是收集器的设计和成本。每一收集器的形状必须像聚射于接收器上的抛物面反射器，有的设计的镜子是用钢和玻璃构成的，有的设计的镜子则是在一个环形的骨架上罩上一层铝化的聚合脂。有的设计的是一面向两个方向倾斜的由齿轮跟踪的框子上装上长方形的镜子。有的定日镜是一个安放在雷达柱脚上的由八块镜片组成的结实的盆子。有的定日镜的九块镜片都装在一个共同的跟踪架上。有的，需要把平面的镜子稍微压一下，使成抛物面状，玻璃面也需适当排列使焦点同一，有的收集器由充了气的塑料泡保护着，以防气候、风尘的侵蚀。定日镜都是循着两根轴而追随太阳的。有的定日镜是由计算机控制操纵的。有的将由各定日镜中反射光束里的传感器发出的反馈信号来控制。
坐落在塔顶的接收器的设计在很大程度上将决定电力塔厂的最终规模。空腔式接受器的总发电量看来要比外加式接受器的发电量来得小。
电力塔定日镜的制造技术要求达到精确误差（准线0.1度），但问题的症结在于接受器或锅炉。太阳光的高度集中将使接收器内的电力密度升得很高，而且容易变化。（有些设计使不同组定日镜的集中点稍微分散，以便电力分布均称。）纵然如此，锅炉所用材料必须能经受能量密度每平方米从零到五兆瓦的瞬间变化。虽然接受器在夜间仍旧可以从低温继续操作以解决每晨的起动问题，但这个系统依然要承受频繁的温度变化循环。电力研究所的研究发现，最理想的操作温度是蒸汽涡轮系统的两倍，它的温度太高以至于接受器空腔高温的表面不能使用金属材料。而建议用陶瓷（碳化硅）热量交换管，并强调了在厂内安装陶瓷管和对热气导管适当隔热等问题。
汽油涡轮电力塔的研究对能量贮藏的问题也采用了新的方法，并用矿物燃料发动太阳涡轮（石油或天然气）作为备用。塔顶将有两个大平台以承纳七百五十吨的接受器和八百八十吨的涡轮，但塔顶重荷如何抗风抗震、保持稳定将成为设计电力塔的主要建筑结构问题。这个系统的总效率估计为百分之十八。这个研究得出的结论认为混合（矿物 - 太阳）操作是可行的，事实上是理想的，因为矿物燃料能够适应短期和长期两种能源贮藏的目的。
虽然多数电力塔的研究工作集中于搞大型的塔和定日镜，但也有一个十多年来运转顺利的较小、较便宜、较简单的电力塔。最初由G · 弗朗恰于一九六五年在热那亚大学（意）试验的这个系统的镜子是一米大，由普通的机械动力所控制，以悬挂在低矮、分量轻的钢塔上的接受器收集阳光。
从四百千瓦热的工作模型到六十至一百五十兆瓦电的设想研究，电力塔厂的理想规模现在还捉摸不定，尚在重新估价。加利福尼亚州利弗莫尔的桑迪阿实验室艾伦 · 斯金鲁德说，“很清楚”，美国最理想的电力塔厂规模是在五十到二百兆瓦电之间。
几种设计竞争的结果可能会更清楚地看出能源研究和开发署计划中那些人的想法，因为有一个设计方案（马丁 · 玛丽埃塔公司的），其最大规模是十兆瓦电。马丁公司的计划是建造一百兆瓦电的厂。它在技术上的特征是使用面向北的塔中角度狭的空腔式接收器。
核发展计划的历史对过度集中力量于少数几种工艺上的危险提供了一些中肯的教训。在庞大的发展计划中，有才能的工作人员的意见可能被忽视，因为在严格的管理结构下，需要作由外界规定目标的规划。对许多工艺来说，选择机会是很少的。但对太阳能来说，甚至对通过热系统把太阳能转换为电这一特定目的来说，却有很多选择，并且新的发明层出不穷。看来，要太阳计划抛弃各种创新的抉择而把研究资金都投在钢和混凝土上，那还不是时候吧。
（张国强译）
从半导体到太阳能利用的革命——光电学的作用
[美]A·L·哈蒙德
人们对太阳能技术的期望也许寄托在太阳能光生伏打电池上。这种光生伏打电池能把太阳光直接转化为电能，不需通过热动力循环和机械发电机。它没有动件，因而使用时声音轻微，而且非常可靠、易于使用。光生伏打电池是太空时代中电子学上的奇迹，同时体现了最高超的太阳能技术，并且是一种从环境上来讲最有益于健康的电能源。
在近十年中光生伏打电池将成为现有能源中一种具有竞争性的能源。
光电能源的前景主要取决于现有技术的大量生产方法的应用，而不取决于基础理论的突破或新的概念。当前已出现了太阳能电池，近几年来可靠地用作许多宇宙卫星的能源。现代的光电装置是在本世纪五十年代初期由贝尔实验室研制的，那时，一种有关的半导体器件即晶体管诞生还不久。但它同晶体管有所不同，那时没有展现出一个广阔的市场。研制光电装置用于空间技术的重点放在减轻重量方面，而不在于降低成本。直到目前，用于地面上的光生伏打电池每产生千瓦电力需要十至一百人时的手工劳动。还未实现完全的自动化。
为了降低制造成本，人们已在采用几种不同的光电方法。联邦计划中主要采用的方法是从巨大的硅晶制造电池，这是主要的一种生产技术。现正在试制“平板”电池阵列和装有将太阳光集中起来的太阳射线收集器的电池。但在这两方面普通的硅面临了一场激烈的竞争。许多研究者相信硫化镉薄膜、非晶硅薄膜或其它材料可使平板电池阵列的研制成本下降。对于太阳能收集系统来说，电池本身的价格不如高效率那样显得更重要，使用砷化镓为材料的设计正在引起人们越来越多的注意。此外，人们正在研究可使能量转化效率高达50%的新方法。虽然发展很快，但还没有一致认为某一种方法被证明是成功的。
在去年。人们曾一度热衷于光生伏打装置，目前已在设计这种装置。在光生伏打装置高度集中的情况下，大多数收集器都需要进行有效冷却，因为随着温度的增加，光生伏打装置的性能将变差。从这一点使人们得到启发，总体光电能装置除电以外将会产生低温热。现在已设计了一些新型组装收集器。目前研制的组合光电装置是太阳跟踪的，因而限制了它们在某些方面的应用。
大部分观察家认为，光生伏打电池同收集系统一起使用，可以达到高效率。这表明人们对砷化镓电池的兴趣增强了，砷化镓电池的另一优点是它们可比硅耐受更高的温度，高达200℃，而效率只有较少损失，这种效率对于许多太阳热能和总能量使用来说已足够高了。
达到更高的效率将是能够实现的。得克萨斯仪器公司已完成了一项新颖的高效率硅电池的设计，在硅电池中有两个迭置的p - n结。瓦里安公司也在研究多结太阳能电池，在这种电池中有两个或数量更多的电池，它们使用不同的太阳光谱，一个电池迭置在另一个电池的顶部。这种太阳能电池的理论效率达到百分之四十。斯坦福的理查德 · 斯旺森正在研究把太阳光谱改变成光生伏打电池能。这项方法称为热光电法，它使用了复杂的几何原理和耐熔辐射器。通过一个新的光生伏打电池的太阳光被吸收，然后通过耐熔物质再次对电池进行辐射，在这一过程中使其波长减短。实际上，根据斯旺森计算，该装置中太阳光将重复循环，直到其百分之三十至五十的太阳光变换为电。
瓦里安和斯坦福的研究者们相信，高效率的太阳射线收集系统将是发展光电学最佳的途径。
光电发电系统的基本组件是可产生数十千瓦电力的电池阵列。如果建造大型中心发电站，将装备这种规模的装置。这样光电系统将是组装的，其组装特点超过其他太阳能技术的应用。能源研究和开发署计划中的主导思想是，如果找到大量实用规模的应用机会，光电学将发挥重要的作用。
光电技术正以千军万马之势向前发展。斯坦福电子工程部主任约翰 · 林维尔，费尔柴尔德委员会副主席莱斯特 · 霍根在最近发表的一篇文章中写道：“我们相信，在十年之内太阳能的光电变换作为地球上的一种能源将会付诸实现。”
（许立言、许立达译）
光合太阳能：重新发现生物体燃料
[美]A·L·哈蒙德
木柴在美国许多地区，仍是一种常用的燃料，但在讨论国家能源政策时常常没有被提到。在一个世纪以前木柴是美国主要的燃料，迄今仍是大多数发展中国家的主要能源。
在第二次世界大战期间，瑞典被切断了石油的进口，所有的燃料实际上都取自木柴。由于阿拉伯石油的禁运，许多国家已经重新开始注意到各种生物体——木材，甘蔗，水藻，甚至包括人工光合过程所产生的物质的能量潜力。
木材和干作物废料每吨具有一千四百万到一千八百万个Btu①的能量，可与西部煤的含能量相比。未加工的生物体实际上不含硫，而含少量的灰分，除了某些处理上的困难以外，它像煤一样易于燃烧或气化。也存在其他的化学和生物转换技术，最值得注意的是将糖和谷物发酵成为乙醇，以及湿的生物体废料经厌氧微生物的菌致分解而成为甲烷。这样，生物体就潜在地成了范围极广的，可贮藏的液体和气体燃料的新来源，而在国内，液体和气体燃料的矿物资源正在逐渐减少。
加利福尼亚能源保护和发展委员会（ERCDC）提倡一种气体发生器。根据该委员会的R · 霍丹说，这种气体发生器几乎能将任何种类的干燥的农业废料或木材废料转换成低热量的气体，其效率达到百分之八十到八十五。这种气体可以代替油或天然气在锅炉中燃烧。霍丹估计，单在加利福尼亚州，每年所收集到的无用杂物和工厂废料就超过五百五十万吨，因而气体发生器就可以代替0.1 quad②的油和天然气。
利用生物体能量的主要问题是原料的来源数量难以确定。目前能立即利用的资源与美国目前每年消耗的75 quads的能量相比是很小的，大规模发展可用作能量的生物体是不经济的。而且，大多数的农业科学家认为，生物体用作能量必须不妨碍对食物和纤维的需要，因此在美国不可能将大面积的土地完全用于能量作物。但是，生物体分析家正日益乐观地认为，即使在我国，还是可从废料、从田地、树木和水生作物中得到为数不少的能量。
根据斯坦福研究所为能源研究和开发署所做的研究，每年可以收集二亿七千七百万吨的美国农业废料；此外还可从饲养场收集到二千六百万吨的肥料。在种玉米的州里，可以获得足够数量的玉米秆，苞壳，特别是玉米穗芯，它们可以提供1 quad的能量，而目前在这些州里为了给作物干燥机和其他农业设备提供燃料而消耗着大量的丙烷和液化天然气（LPG）。
甘蔗和甜高粱，以及玉米本身被证明是很好的能量作物。巴特利纪念协会的研究断定，可能会为销售由这些物质提炼出来的工业酒精（乙醇）而出现一个有价值的近期市场。现在，一年约三亿加仑的工业酒精是从乙烯制得的，这些乙烯又是从天然气或石油提制的。巴特利估计从一个规模完善的工厂里提制的生物体乙醇每加仑可卖1到1.25美元，而从乙烯提制的每加仑乙醇约1.15美元。据巴特利的研究主任E。李宾斯基的介绍，如果处理设备能够全年运转，而不仅仅用于甘蔗收获季节，则从生物体提炼出来的乙醇就可以进一步降低成本。
有些调研者提出，已经可以廉价地生产生物体乙醇，并且在美国一些地区已经能够与作为发动机燃料的汽油相竞争。在内布拉斯加州，有过多的腐烂玉米或低质玉米；在夏威夷州，那里燃料价格高，而甘蔗非常多；这些地方正在考虑大规模的商业性装置来生产乙醇以与汽油混合使用。
美国森林地带的废物几乎和农业废物一样多。根据曼特公司最近的报告，在无用的工厂废物中，森林废物每年约占二千四百万吨，而采用目前的收获方法残留在森林地带的废物则达八千三百万吨。这个报告总结说，只要将百分之十的目前尚空闲着的森林土地和牧场用密植和短期轮作的方式种上白杨、桉树或其他高产树木，每年就可以提供4.5 quads的能量。
威斯康星州麦迪逊市的林木产品实验室的研究指出，瑞典森林工业正提供它本身所需能量的百分之六十，并由此得出结论：美国森林工业只要利用废物到1990年就可以在能量上接近于自足——这项发展将使目前的生物体能量生产从1 quad几乎增长到3 quads。
佐治亚大学森林学院的C · 布朗所做的实验表明：成行栽植的美国梧桐生长五年后收获，每年每英亩可提供十到十六吨的生物体，这为传统的长期轮作造林产量的三倍。幼年的树证明更易于用机械设备收获，并对于生产能量或生产纸浆具有适宜的质量。布朗还指出，现代高产谷物所需的繁殖和遗传控制技术还只是刚刚应用到林业上，因此可以预期有重大的改进，或许在产量上可提高一倍以上。
第三种生物体的主要潜在资源是水生植物。伯克利市加利福尼亚大学的W · 奥斯瓦尔特提出在污水废物上生长蓝绿色的水藻，并且每年每英亩已获得了十六到三十二吨干生物体的产量。水藻通过厌氧微生物菌的分解作用转换成甲烷，它们的蛋白质含量也是很高的，它们可以为能量和食物提供共同产品。水风信子是一种生长很快的作物，现在经常阻塞许多内河航道，也被提出来作为潜在的原料用于生产甲烷。
在加利福尼亚州约拉市海军海底中心的H · 威尔科克斯提出了一项更具雄心的建议，就是在公海上种植大量的海草以作甲烷、动物食料和化学制品的原料。并从深海里抽出富有营养的水来饲养海草。然而，这项计划可能会遇到环境保护方面的反对，因为深海的水同时还富有二氧化碳。据估计，人工抽水为获得每单位能量而释放到大气中去的二氧化碳要比燃烧煤或油来获得相同能量时所释放的二氧化碳要大三倍。
产生生物体能量的另一种途径是力求提高植物光合太阳能的效率。任何作物的最高持续产量据报道接近于每年每英亩五十吨，伯克利市加利福尼亚大学的M · 凯尔文将甘蔗称之为“我们至今最大最好、最有效的太阳能摄取装置。”可见光的量子通过光合作用转换为化学键时，按每克分子量所获得的能量来计算，相当于五十到九十千卡（路里），当热度达摄氏七百度时所获得的同样量子只相当于二千卡/克分子量。到达蔗茎的光只有百分之四是起光合作用的。为了克服这种局限性，凯尔文正在建立人造膜系统，这种系统可以通过模拟光合过程从水中生产氢。他确信效率最终可以高达百分之七十五，人造光合膜可以在十五年内制成。
随着石油和天然气供应的减少以及价格的上涨，生物体燃料显然会增加它的竞争性。
有关生物体精炼厂的新奇想法是由普林西顿大学的M · J · 恩特尔提出的。他建议把太阳热能集中在锅炉上来产生蒸汽，借此从有机废物中制造氢。按他的估算，这样的精炼厂每天可以处理玉米残物约一百吨；所取得的氢的含能量比未加工的生物体高达百分之三十六，而成本却比由天然气所生产的氢要低。将太阳热和生物体结合起来的效率估计将高达百分之七十以上。
这种到处存在的生物体资源具有无限的潜在能量。如何利用这种潜力的新思想正以极快的速度涌现出来，其中大都可以在近期中得到应用。
（袁杰译）
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① 英国热量单位，=252卡——译者注。
② 1 quad=1015Btu——译者注。
中温系统
[美]W·D·梅茨
太阳热系统能够抽水来灌溉，能为工业加工过程生产蒸汽，能为小型和中型的装置发电，也能为住宅供应热量。用摄氏一百度到四百度的温度进行运转的系统都适用于这些目的。以前的研究表明，当这些系统以互补的方式为几个目的服务时，它们是最经济的。美国的太阳能计划的注意力和资本侧重于用低温系统来加热和冷却，或专用高温系统来生产电力。但许多分析家认为，综合利用中温系统具有最大的潜力。
最大的潜在市场之一是在食品、纺织和化学工业。这些工业需要消耗大量中温热量。所有工业加工过程有百分之三十要用三百度以下的热量，太阳能系统很适用于这种工业目的，而且这是长期的需要。最近，能源研究和开发署计划用二千个太阳能来代替7.5×101?个Btu的矿物燃料。这些矿物燃料在三百度以下的加工热量。这种计划对太阳能灌溉、发电或生产热量都不适用，但中温系统却能在这些领域中作出重大贡献，因为改变一些硬件便可适用于各种不同的用途。
现在中温系统所需的部件都已具备。聚集阳光的聚集器的发展特别迅速，它能把液体的温度升高到沸点以上。
中温最早是利用太阳能来抽水。在美国，最大的太阳能抽水设备建立在亚利桑那州的菲尼克斯城附近的一个农场。这个系统有550平方米的聚集器，在阳光暴晒最高峰时，每天能抽1060万加仑水。这个设备一直运转了四个月之久，很少维修。
太阳能系统的效率特别重要，因为效率决定了太阳能聚集器的大小。中温系统最重要的优点是要比平板式体系的效率高。用于试验中温体系的最完善的设备是新墨西哥州阿尔伯克基城的总能源试验设备。那里运转的是一个32千瓦的系统，试验各种类型的聚集器和热发动机，以及热量贮藏系统。中温系统具有广阔的发展前途。
（刘远交译）