人類生活和社會的發展離不開能源。當前,世界上消耗能源的90%左右來自石油、天然氣、煤炭等不可再生的能源,用多少就少多少,最終會用完的。迄今為止,人類已消耗掉了世界煤炭儲量的1/4,石油儲量的l/3,使地球的礦物燃料日趨枯竭。為了今後的生存和發展,人類必須不斷地探尋和開發新的能源。在此過程中,人們離不開對電磁波的研究和應用,在有的情況下,可以設法把電磁波所攜帶的能量直接轉換成有用的能量供人們使用。比如,人們對太陽能的利用,就是典型的一例。
太陽是一個熾熱的大火球,它每時每刻都通過輻射電磁波的形式,向外釋放著巨大的能量。雖然太陽射向地球的電磁波所攜帶的能量隻占太陽總輻射能量的二十二億分之一,但這個數量已是2000年全世界耗電量的1萬多倍。因此,太陽能的利用是十分吸引人的,它不僅取之不盡,用之不竭,而且沒有公害,沒有汙染,被稱為是“永恒的清潔能源”。
那麼,到底怎樣利用太陽能呢?各國科學家們一直在進行著探索。到目前為止,科學家們總結出兩種方式:一種是直接把太陽的輻射熱能集中起來加以利用,如太陽灶、太陽能取暖係統、太陽能熱水器等等,這種方式研究比較成熟,早已廣泛使用。另一種方式就是太陽能發電,也就是說把太陽輻射的電磁波所攜的能量,轉換成為電能再加以利用,這種方式現在在研究之中,雖然尚不太成熟,但有著廣闊的發展前景。
太陽能發電係統大致有兩類:一類位於地麵,另一類位於太空與地球同步的軌道上。地麵太陽能發電站由龐大的太陽電池陣列構成,太陽能經過太陽電池轉變成電能。但這種地麵太陽能發電站有三大缺點:建站地點受氣候條件的限製較大;不能日夜工作,因此效率低;易受天氣變化的影響。
衛星太陽能發電站在地球的同步軌道上收集太陽能,克服了地麵太陽能發電站的缺點,不受氣候的影響,可以全天工作,因此效率較高,有著廣闊的發展前景。
衛星太陽能發電站係統的核心是太陽電池板和微波變電及輸電線路。它位於地球同步軌道上,距離地球赤道表麵大約35800千米。它用微波射束將收集的太陽能傳輸到地球表麵上的一個直徑為10千米的接收天線,然後把微波能量再轉變成電能,並入電網供使用。地麵接收天線的有效輸出功率可達5000兆瓦(MW)。
衛星太陽能發電站的設想,是於1968年由美國格魯門航空空間公司首次提出的,此後立刻得到了美國和其他國家的有關科學團體和政府部門的重視。在太空建立衛星太陽能發電站,預計分兩步走:第一步,先用航天飛機或新式大推力火箭往返數百次,將數萬噸器材和幾百名工作人員運送到離地麵500千米的低地軌道中繼站建設基地,衛星電站在這裏安裝完畢;第二步,再由離子推進裝置升入同步軌道。目前存在的主要問題是在環境方麵,如運載火箭排出的尾氣對大氣層的汙染;大功率的微波對地球接收站及其周圍環境的電磁汙染;大功率微波對無線電通信和雷達產生幹擾,等等。
美國曾計劃在1995~2000年期間,讓衛星太陽能發電站升空並投入實際運行,但由於經費方麵的原因未能實現,原計劃隻好延期。日本也非常重視開展這方麵的研究工作,從政府到工業界和學術界,都在進行著積極的調查和研究。
未來,衛星太陽能發電站的預計發電成本,要比礦物燃料的發電站的成本還要低,因此,經濟上是可行的,發展前景是樂觀的。
下麵再簡單介紹一下原子核能的開發與利用。原子核能也是一種新型的能源,原子能發電也是人類和平利用原子核裂變反應能量最早的重要成果之一。當今,全世界已有數百座原子能發電站在運轉,我國在秦山和大亞灣兩個地方也建立了原子能發電站。原子能電站的優點是經濟、無汙染。建立原子能電站的一項重要技術是從天然鈾礦中,將含量較少的U235分離出來並將它濃縮,以達到使用上的要求。這是一項十分困難的事情,直到20世紀、60年代激光出現以後,人們才找到了有效的解決辦法,這就是用激光的方法將U235分離出來,再用激光將它濃縮,使它達到實際使用上的要求。
在這裏,一種特殊形式的電磁波——激光,起到了關鍵性作用。此外,在核聚變等離子體的射頻電磁波加熱以及激光核聚變中,電磁波的理論和應用技術,都起到了極為重要的作用。由此可以看出,沒有對電磁波的深入研究和激光技術的實際應用,也就不可能將原子能這種新的能源開發出來。因此,我們可以說電磁波的應用技術,是開發新能源的助手,這是很恰當的比喻。