“能源之母”——太阳
自古以来，人们就把太阳看作是光明和温暖的源泉，用最美好的语言、最深情的歌声赞美她，歌唱她。太阳给了地球以生机，给了人类以生命，也给了人类维持生命的各种能源。可以说，没有太阳便没有今天世界的一切。
太阳是一个熊熊燃烧着的巨大的气体球，其表面温度接近6000℃，而内部温度高达2千万℃。她一刻不停地向宇宙空间发送着大量的能量。据科学家们计算，太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤燃烧时放出的全部热量。由于地球距太阳很远，再加上地球表面大气层的反射和吸收，真正落到地球上的能量仅是太阳辐射总能量的22亿分之一。也就是说，太阳每秒钟发出的能量约为11亿亿吨煤当量。而且，太阳已经燃烧了40多亿年以上，科学家们预计，她还能燃烧几十亿年，这是一个多么巨大的能源宝库啊！
那么，为什么太阳能够几十亿年经久不衰地燃烧，向周围发出巨大的光和热呢？科学家们经过对太阳光谱的分析，知道了太阳上主要元素是氢，约占71％，其次是氦，约占27％，还有2％的其它元素。太阳内部每时每刻都在进行着猛烈的核聚变反应，像威力无穷的氢弹一样，4个氢原子核在高温作用下聚合成一个氦原子核，同时释放出大量的光和热。这种热核聚变反应要比煤的燃烧放出的能量高100万倍。太阳内部有足够的氢，太阳的体积又特别巨大，是地球体积的130万倍，所以才有着我们人类取之不尽、用之不竭的丰富能量。
太阳能既是“一次能源”，又是“可再生能源”。实际上，煤炭、石油这些矿物燃料，从根本上说是远古以来贮存下的太阳能。风能、海洋能、生物能等也都直接或间接地来自太阳。而且，太阳能是一种不会污染环境的“清洁能源”，既不需要运输，又安全方便，成本低廉，是理想的自然能源。
回顾历史，人类对太阳能的利用早就有了可喜的先例。我国早在2000多年前的战国时期，就懂得用金属做成的凹面镜向太阳聚焦取火。古希腊著名物理学家阿基米德，也曾用镜子聚光，烧毁敌人战船。1837年，美国天文学家赫胥在去非洲好望角的探险途中，用一个双层玻璃套着的黑箱靠吸收阳光烧饭，箱内温度竟达100多度，开创了使用太阳炉的先河。然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，只是最近二三十年才真正开始。由于采集太阳能存在着许多技术问题，不像钻取石油、采煤那样立见成效，因此太阳能技术一直发展不快。近些年来，由于世界面临能源紧缺、需求量大的难以解决的矛盾，加之环境污染的日益严重，人们才把目光更多地转向了太阳能的开发和利用。
1954年，美国制造出了世界第一块硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的新纪元。
1980年，欧洲9国合作在意大利西西里岛建成了世界首座并网运行的塔式太阳能发电站，并于1981年正式投入运行。
70年代末和80年代初，以色列人在死海附近的沙漠中，率先建起了令世界瞩目的新颖的太阳池电站，用平静如练的水池发电，提供了开发利用太阳能的新途径。
随着科学技术的不断发展，现在，太阳能的利用已经扩展到人们生活的各个领域：从不用燃料的太阳能飞机到人造卫星、宇宙飞船上的太阳能电池；从太阳能自行车、太阳能汽车、太阳能游艇到舒适清洁的“太阳房”、“太阳村”、“日光城”；从各种轻便的太阳能热水器、聚光灶到不产生污染的太阳能电站、太阳能海水蒸馏器……人们正在建造着一个琳琅满目的太阳能世界。
当前，已有70多个国家在研究太阳能的集聚、使用和储存问题。一些国家建立了庞大的开发、利用太阳能的机构。跨世纪的太空电站将使“太阳神”阿波罗乘坐由4匹骏马拉着的战车奔驰在太空的古希腊神话成为现实。可以满怀信心地说，未来的时代，将是太阳能大显身手的时代。
向阳门户早迎春
我国人民早就懂得利用太阳能，除了知道太阳对农作物生长有极大作用外，在日常生活的许多方面，也在尽力利用太阳能。
我国的民居，早就有座北朝南的取向，这就是因为朝南，可以更多地得到太阳光的照射。“向阳门户早迎春”，这句古话，说的就是这个道理。
最直接利用太阳能的途径是更多地索取它的热量。人们从生活的实践中体会到，穿黑色的衣服比穿白色的衣服保暖，于是出现了最简单的太阳能蓄热体。
这种蓄热体就是一个带玻璃盖的双层大木箱。木箱内表面涂成黑色，以便吸收更多的太阳热。再在木箱隔层中铺上绝热材料。将这种木箱放在太阳光下，可在箱内产生一二百摄氏度的高温。可用来热水、加热各种物品。如在里面通上水管，就可以得到源源不断的热水，用来洗浴或加温温室，还可以用来作干燥室和消毒器的高温源。
随着塑料工业的发展，出现了透光塑料薄膜。这种塑料薄膜透明度好，可以吸收更多的太阳光；同时，它又具有隔热保温性能，可以储存太阳热。现在我国农村已经广泛应用塑料薄膜来制作温室，或塑料大棚。在这种小空间内，可以形成四季如春的小气候，使蔬菜在严冬生长、水果提前结实。在我国北方地区，由于有了温室，人们可以四季吃到新鲜蔬菜和水果。
在沙漠大海等缺乏淡水的地区，可以利用太阳能蓄热器作蒸馏室。把含有矿物盐类的水或海水蒸发，再变成淡水供人们使用。有的大型太阳能蒸馏器每天可以生产80吨淡水，为那里解决饮水问题。
用太阳能来作空调器也很有意思。这种空调器包括有平板式集热器和管道。当天冷时，可以用热水加温；当天热时，可以使水蒸发，吸收热量而降温。利用太阳能吸收式制冷机，还可以制冰哩。一台采光面积144平方米的制冷机，在一天时间里，天晴时可用24摄氏度的水生产18千克冰。想不到吧，冷冷的冰竟可用热热的太阳光来制造。
叙拉古城的奇迹
公元前三世纪，罗马人发动了一次侵略希腊的战争。有一次，一艘名叫“马采尔”号的战船，载着罗马士兵，驶过地中海，向着希腊的叙拉古城开来。
形势十分危急，当时的叙拉古毫无设防，没有足以回击战船的武器。怎么办？有幸的是，著名的科学家阿基米德正好住在这里，他急中生智，想出了一个摧毁敌船的办法。那一天，天气晴朗，太阳当空照耀。阿基米德动员全城的妇女，每人拿着一面镜子，大家都齐心合力，用镜子把太阳光都反射集中到“马采尔”号战船上。这艘战船是用木头造的，张有布帆。在聚集的太阳光照射下，船身和帆布起火了，大火把船烧毁了，把罗马士兵烧死了，叙拉古城得救了。
叙拉古城发生的奇迹是怎样得到的？是利用了太阳能。从这个故事中我们可以看到，人类自古就知道用镜子来反射太阳光。
叙拉古人用镜子反射太阳光烧敌船不过，用镜子聚集太阳光的最好办法，还是凹面镜。这一点，我国古代劳动人民早就懂得。在汉代学者王充写的《论衡》一书中，就有“铸阳燧取火于日”的记载。阳燧是当时一种利用太阳光取火的工具，它实际就是一种凹面镜。
凹面镜是一种带曲面的凹形镜，太阳照在它上面，可以反射到一个焦点上。现代的凹面镜，一般呈抛物线型，它可以将80％以上的阳光聚集在焦点上，使那里得到很高的温度。
用凸透镜也可以聚集太阳光。18世纪时，法国化学家拉瓦锡做过一个试验。他用玻璃做了一个直径为132米的凸透镜。当阳光照射到这个镜上时，会通过透镜，会聚到一点。在这个焦点上，也会得到极高的温度。若把熔点达1540摄氏度的铁和熔点达1750摄氏度的铂放到焦点上，都会熔化成了液体，可见温度之高。
现在，利用凹面镜来制成太阳能集热器已经很普及了。比如有一种聚光式太阳灶就像一把伞，不过它是倒撑着向着太阳。一个直径15米左右的太阳伞，可以在焦点上得到四五百摄氏度的高温，足以烧水、做饭，在野外使用极为方便。为了有效地反射太阳光，一般都用涂铝的涤纶薄膜来制作反射面。为了使太阳运动时，伞面也随着运动，阳光永不偏离，又出现了一种自动追光式太阳灶。
现在我们再回过来继续说古罗马时代阿基米德用镜子烧敌船的故事。有的历史学家认为，古希腊既没有玻璃透镜，又没有镀水银的镜子，即使有反光镜，也不可能把远在地中海里的战船点着。所以，他们认为这个故事是虚构出来的。
不过，法国科学家布丰却认为，即使故事是虚构的，但阿基米德采用的方法却是符合科学原理。为此，他决定重复阿基米德的做法。1747年，布丰在巴黎自家的花园里，摆出了360面边长为15厘米的正方形镜子。镜子摆成一个抛物线形状，让太阳光反射到70米远的一堆木柴上。在一个烈日当头的日子里，布丰在注视着他的试验结果。阳光果真集中到木柴上，明亮的光点把木柴照着刺眼地亮。时间一分钟、一分钟地过去了……不一会儿，木柴开始冒烟，接着出现了火苗，最后真点着了。
布丰的试验证明，阿基米德的方法是对的。
熠熠生辉的太阳房
1988年，日本建造出一幢奇怪的楼房，这是由日本太阳能专家茂利设计的六层楼房，它没有一个窗户，但楼内却是阳光明媚。茂利认为，过去利用阳光的效率太低。他想到，向日葵每天从早到晚都面向阳光。于是，他在大楼屋顶上安装了19个向日葵式的向日镜，由计算机控制，一直面向太阳；并在每个房间里装上由37根光导纤维组成的光缆，通过光缆把楼顶上收集的阳光传送到房间里，亮度相当于100瓦的灯。
人们需要太阳不仅是采光，而且还可取暖。
早在1882年，美国莫尔斯教授就发明了一种太阳能暖房，能照到太阳一侧的墙壁是用黑石板砌成，外面再罩上玻璃。太阳光被黑石板吸收，使石板与玻璃之间空气变热，空气又与房间相通，就使房屋变暖了，这是被动式取暖。
印度拉达克地区有二百多个农村，用一种太阳能取暖墙供温室能量。太阳能墙是把阳面涂成黑色，以便吸收太阳能量，墙前有双层玻璃窗，玻璃窗与墙之间有空隙。由黑色墙面吸收太阳能形成暖流，进入玻璃与墙之间的热空气收集器，也就是太阳能储能器。热空气由墙上端通气孔进入房内，再由墙下端的通风孔补充冷空气。这样的太阳能墙成本两年就可回收回来。
主动式暖房是利用集热器、储热装置、管道、风机、水泵等组成，吸收太阳热能，使房屋变暖。
1949年，美国麻省理工学院的特克博士建成了“多佛太阳房”，是完全由太阳能取暖的房子。
到90年代，德国又建成新型太阳房。这是“不消耗能源的住房”。房子的阳面全都用玻璃建成，阴面安上尽可能小的窗户，以减少热量散失。房顶上安装太阳能收集器，可以把供暖的热水烧热。庞大的长期存储器能把夏天太阳产生的热量保持到冬天。房顶安装的光电存储器，可把多余的电流输入电网。在冬季的几个月里，住户就可以利用外部电网的电。它的能源是自给自足的。
这所太阳房能自动调节室内温度。室内所需的热量，主要是由照在阳面玻璃上的阳光产生的。阳面的玻璃前装有遮蔽设备，由自动装置控制（也可用手动调节），这一装置，用来调节阳面获得的热量。在天气很热时，多余的热量，可通过一个自动开启的窗户释放。室外在37℃，室内温度只有28℃，由温度交换器起空调器作用。
不消耗能源的住房已成为现实。
绝妙的太阳池发电
如果提起用水发电，人们自然会想到那奔腾的瀑布，湍急的河流，汹涌的海潮。著名的钱塘江水电站，正在兴建的规模宏大的三峡水利工程，就是人们利用水力资源的宏伟实践。
可是，谁能想到，那水波不兴一平如镜的水池也能用来发电！这看来不可思议的事，在20世纪70年代变成了现实。不过，它不是利用水力，而是利用太阳能，被称为盐水湖太阳能发电，又称太阳池发电。
通过湖水来利用太阳能发电，可以说是一个绝妙的构思，这个设想是受到一种自然现象的启发而产生的。1902年，科学家们在考察一些盐水湖时发现，盐水湖有一个奇特的共性：越接近湖底，水温越高，在炎热的夏季，水温有时竟高达70℃！一般的湖泊，水面受到阳光的照射，水温会升高，并引起水的对流，热水上升，冷水下降，同时热水和冷水之间也在进行热传导。所以，湖水总是在这种对流和传导中进行着热交换，水层间温度不会相差太多。而且，温度较高的水从底部升到水面时，通过蒸发和反射将散失一部分热量，夏天湖水温度总不会达到气温以上。那么，盐水湖湖底的高温是怎么产生的呢？
原来，盐水湖的奇特现象根源在于“盐”字。由于水中含有盐分，水的密度就会增大，含盐越多，密度越大。盐水湖越靠近湖底的水，含盐分的浓度越高，密度也就越大，比重也就越大，因而湖底的热水难以上升，热量便在湖底积蓄起来。湖水不断地接受太阳辐射的热量，又难以形成对流，因而湖底的热能越来越多，温度也就越来越高。
盐水湖的这种现象给了科学家们一个启发：盐水湖就是一个天然的太阳能存储器，能不能用热交换设备把它变成电能，而且，能不能人为地制造一些盐水湖，用以发电呢？
本世纪50年代，以色列科学家就提出了建造太阳池电站的设想，经过20年的探索和试验，终于在1979年把设想变成了现实。当这年年底，死海西南岸附近的一个面积为7000平方米的水池周围，突然亮起一片耀眼的灯光时，人类利用太阳能的史书上，又多了一个新颖的名称——太阳池电站。
太阳池电站的技术关键就是如何把池中的热能转换成电能。专家们采用一种叫“兰克茵循环”的涡轮机，用水泵把湖底的热盐水抽入管道蒸发器，用热盐水的热能使蒸发器中低沸点的有机液体蒸发为气体，去驱动涡轮机，带动发电机发电。从涡轮机出来的有机液体，经过冷凝器冷却为液体，被送回蒸发器；而通过蒸发器降温后的热水，又被送回盐水湖的底部，从而形成了循环系统。
以色列首先在死海建成太阳池电站，有着她得天独厚的条件。死海海水含盐浓度275％。几乎是一般海水含盐浓度的8倍！它在炎热的夏天充分吸收阳光热能后，湖底的水温有时可达90℃以上，这是其它国家的水域望尘莫及的。后来，以色列又在死海北岸附近的沙漠中建造了一座大型太阳池电站。这座电站有两个太阳池，其中一个是人工挖成的。为了防止渗漏，在池底铺了聚乙烯薄膜，水面上安装了用塑料制成的防浪网。这座电站运转情况良好，发电能力达2500千瓦，使以色列人对太阳池发电技术充满了信心，继而设计了更加宏伟的计划。
以色列人设想，如果挖一条水渠，把比死海水位高400米，含盐浓度只有35％的地中海海水引入死海，就可以把死海变成一个巨大的太阳池，那么这个天然太阳池的发电能力可高达150万千瓦，他们根据这个设想制定了“地中海——死海发电计划”。可以想像，如果这个计划得以实现，那将是一个多么辉煌的创举。
为了开发利用太阳能，许多科学家潜心研究，寻觅探索着各种途径，太阳池自然引起了世界的重视。美国已修建了10个太阳池，用以进行研究试验，并用于取暖和供应热水。日本也以太阳池为水产养殖和温室栽培提供热能。澳大利亚建成了3000平方米的太阳池，为周围地区供电、供暖。太阳池，作为人类开发利用太阳能的新途径，必将会在不远的将来，展现出它更加多姿多彩的风貌。
飞速发展的太阳能电池技术
在电池这个家族中，有着人们熟悉的干电池、蓄电池、汞锌电池、镍电池等众多的成员。值得注意的是，近年来，这个“家族”又增添了一位后来居上的年轻伙伴——太阳能电池。
太阳能电池又称充电池或光伏电池，它是以半导体为材料，应用光——电转换原理制成的。半导体是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，两种不同类型的半导体结合在一起，结合面就形成一个“结”，太阳能电池的奥妙就在这个“结”上。
和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成。如半导体硅原子的外层就有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、镓等元素，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P——N结。P——N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当受到阳光照射时，电子接受光能驱向N型区，使N型区带负电，同时空穴驱于P型区，使P型区带正电。这样，在P——N结两旁便产生了电动势，也就是通常所说的电压。科学家把这种现象叫作“光生伏打现象”。如果用导线连接P——N结两端，便会产生电流。
1953年，美国贝尔电话公司就是应用这个原理，制成了世界上第一个硅太阳能电池。尽管当时这种电池的光电转换效率很低，单个太阳能电池不能直接作为电源使用，需要多个太阳能电池一起作用才能获得需要的电能。但光电池的出现，好比一道曙光，使人们的眼睛为之一亮，尤其是航天领域的科学家，对它更是注目。
卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响。太阳能电池能完全满足这些要求，是航天事业的理想能源，而令其他所有电池相形见绌。
1958年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星。太阳能电池一下子使卫星电源可以安全工作达20年之久，从而取代了只能连续工作几天的化学电池。现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“铁翅膀”，使它们能够在太空中长久邀游。我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上，随后，又向高效能的砷化镓太阳能电池迈进。1991年，我国砷化镓太阳能电池试验成功，并在“风云一号”气象卫星上正常使用，使我国成为继美、日、俄后的第四个拥有砷化镓太阳能电池太空试验数据的国家。
太阳能电池不仅是太空骄子，也被人们生产、生活的许多领域视为至宝。
从1974年，世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，无污染，噪音小，节能耐用的太阳能飞机便飞速地发展起来，从飞行几分钟，航程几公里到飞越英吉利海峡，航程2000多公里，只用了六七年时间。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。
在建造太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展。1985年，美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站，用108个太阳板，256个光电池模块，年发电能力300万度。德国1990年建造的小型太阳能电站，光电转换率可达30％多，适于为家庭和团体供电。1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”，预计可供加州1／3的用电量。用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1％收集起来，足够全世界的所有能源消耗。
生活中，太阳能电池电话已在一些国家得到了应用。约旦的一些公路两旁，常见到“顶着”太阳能电池板的电线杆，司机随时可以使用这种太阳能电池电话。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎。
当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；光电转换技术日益成熟，转换率逐步提高；可以预见，太阳能电池——这个电池家族的后起之秀，很有可能作为替代化石燃料的重要能源，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。
