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凹面镜:太阳能技术领域显身手

[10-19 22:41:23]   来源:http://www.kgf8.com  高一趣味课堂   阅读:8475

概要:从阿基米德“魔镜”,到我国祖先发明的阳燧,再到雅典奥林匹克点燃圣火的凹镜,以及现在利用太阳能聚热发电供热,这一连串历史轨迹,反映出镜子在人类历史长河中的功用变迁。相传在公元前213年前后,西西里岛上的叙拉古王国被罗马舰队包围。当时,古希腊最伟大的学者阿基米德兼做国王顾问。根据阿基米德的提议,将许多小镜组合成一面大镜,用以会聚阳光,并将反射光对准罗马人的船帆,结果强光引燃帆蓬,致使战船起火,罗马军队损失惨重。从此,阿基米德的大镜以“魔镜”、“杀人大镜”之称流传开来。凹面镜成像原理阿基米德其实是利用了凹面镜的聚光原理。这和我们祖先发明的阳燧一样,都属于凹面镜,都能会聚太阳光,具有向日取火的功能。1995年,我国陕西省周原地区出土了一件稀世珍宝——3000多年前的铜制阳燧。为证实其会聚太阳光的本领,科研人员克隆了一面式样、大小完全一样的铜阳燧。在强阳光下,铜阳燧上方的易燃物在几秒钟内被点燃。2006年10月11日上午10时,一面直径1.4米、通体厚4厘米、重1.2吨的世界特大&

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  从阿基米德“魔镜”,到我国祖先发明的阳燧,再到雅典奥林匹克点燃圣火的凹镜,以及现在利用太阳能聚热发电供热,这一连串历史轨迹,反映出镜子在人类历史长河中的功用变迁。

  相传在公元前213年前后,西西里岛上的叙拉古王国被罗马舰队包围。当时,古希腊最伟大的学者阿基米德兼做国王顾问。根据阿基米德的提议,将许多小镜组合成一面大镜,用以会聚阳光,并将反射光对准罗马人的船帆,结果强光引燃帆蓬,致使战船起火,罗马军队损失惨重。从此,阿基米德的大镜以“魔镜”、“杀人大镜”之称流传开来。

  凹面镜成像原理

  阿基米德其实是利用了凹面镜的聚光原理。这和我们祖先发明的阳燧一样,都属于凹面镜,都能会聚太阳光,具有向日取火的功能。

  1995年,我国陕西省周原地区出土了一件稀世珍宝——3000多年前的铜制阳燧。为证实其会聚太阳光的本领,科研人员克隆了一面式样、大小完全一样的铜阳燧。在强阳光下,铜阳燧上方的易燃物在几秒钟内被点燃。

  2006年10月11日上午10时,一面直径1.4米、通体厚4厘米、重1.2吨的世界特大“虢国阳燧”在河南省三门峡虢国博物馆成功颉取天火,从而验证了《周礼》等史志“阳燧以铜为之,向日则生火”的记载。

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  如今,美国科学家在洛杉矶东北的沙漠上,架起数10面直径约10米的大凹面镜。在电脑调控下,这些凹面镜绕着太阳旋转,以便更有效地聚焦阳光,将太阳能集中到盛有压缩气体的容器内,使气体温度升高到摄氏700度。这时,再利用气体膨胀产生的动力,驱动汽轮机发电。

  美国利用“魔镜”的聪明之举

  太阳能是取之不尽用之不竭的资源,如果人类能够合理加以利用,不断能满足自身的能源需求,还会给子孙后代留下一笔宝贵的财富。虽然,目前全世界范围内在太阳能使用技术及实际应用上还面临种种困难,但是毋庸置疑的是太阳能作为人类未来可再生能源,其前景是非常光明的。

  图1:加州圣巴汀诺郡的广袤沙漠全年日照充裕,斯特林能源系统公司计划在此建立3万个太阳能接收装置。新墨西哥州的桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)测试表明,该装置能将接收到光能25%转化成交流电。虽然高尖端的光伏太阳能板较之效率更高,但是光伏太阳能板所产生的直流电再次转化为交流电时,能量损耗更大。

  图2:南加州爱迪生电力公司的工人们正在面积达14英亩的仓库屋顶上铺设3.3万块轻型太阳能光电池板,将为1300户家庭供电。此前,加州政府颁布条款要求到2010年由可再生能源提 供的电力要达到全州的总电量的20%.

  美国在太阳能技术使用和实际应用方面是走在世界前列的国家。美国内华达太阳一号发电厂位于内华达州莫哈韦沙漠。该发电厂占地250英亩,拥有18.2万块凹面镜。凹面镜组成的太阳能槽式设备将太阳的能量聚焦在位于镜子焦点线上的不锈钢接收器管,而钢管内装有可流动的油等传热液体,在高温作用下油的温度升高至750华氏度,巨型的散热器吸收其中的热量给水加热产生蒸汽,蒸汽带动高压驱动涡轮机和发电机运转,从而产生电能。这座发电厂每年可产生6400万瓦特,足够供1.4万户家庭或者几家拉斯维加斯赌场使用。

  内华达太阳一号太阳能发电厂于2007年投产,是美国17年来第一座大型太阳能电厂。从那以后,太阳能电厂在美国遍地开花。内华达太阳一号发电厂属于西班牙Acciona公司, 生产的电能又销售给内华达能源公司,而凹面镜则由德国生产。凹面镜坚硬无比,但易受灰尘的影响,需工作人员经常用水冲洗。钢管就安装在镜子焦点线上,上面涂有黑色的陶瓷以便更好地吸收阳光,而黑色陶瓷外面包裹着真空玻璃管实现绝缘。

  在晴朗的夏天,太阳直射的情况下,该发电厂能将21%的阳光转化成电能。每隔30秒钟,凹面镜就会随太阳的移动改变朝向,直至正午完全朝上。760列凹面镜,每一列镜子能够生产8.4万瓦特的电力。虽然天然气发电厂效率更高,但是太阳能的优势在于来源免费,而且不会产生温室气体。而且,与其它形式的可再生能源相比如风能,太阳能是来源最为丰富且最稳定的能源。

  由于美国政府承诺要负责任地对待全球变暖问题,并且要放宽对外国石油的控制,太阳能最终可能会受到青睐。去年油价飙升至每桶140美元,虽然在之后在经济危机中又持续走低一段时间,但是这仍然提醒人们未来不能过分依赖像石油这样不确定的能源。面对经济危机,美国政府正着手发展国家的基础设施,其中就包括能源供应。奥巴马总统在他的就职演说中承诺“要发展利用太阳能、风能和石油能源”,并且在2010年的财政预算中提出,要计划3年内将可再生能源总量翻一番。

  德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems)主任韦伯(EickeWeber)表示:“人类目前大约需要16兆兆瓦的电能,到2020年预计这一数字会达到20兆兆瓦,而地球陆地上所产生的太阳能是12万兆兆瓦。从这点来看,太阳能实际上是取之不尽的。”

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