太陽塔

太陽塔，又稱為塔式太陽望遠鏡，是專門用於觀測太陽的天文設備。太陽塔的高度通常在20米以上，目的在避免受到地面被太陽能加熱產生的熱輻射造成的大氣擾動，塔的頂部安置觀測太陽的定天鏡，將太陽光垂直導入正下方安置的成像系統和觀測儀器。

基本介紹

• 中文名：太陽塔
• 外文名：Solar tower
• 別稱：塔式太陽望遠鏡
• 功能：觀測太陽的天文設備
• 高度：高於20米
• 最早太陽塔：威爾遜山天文台

概述

有兩種方式從太陽身上汲取能量，一種就是通過光電板將太陽光直接轉化為電能。但是，太陽光也可以產生熱量，可以通過鏡面將太陽光聚焦從而產生蒸汽帶動發電渦輪機。這就是第二種方式，也被稱為太陽熱或聚焦太陽能。

太陽塔外形是塔式建築物，通常高20米以上。塔的頂部一般安置定天鏡，將入射的太陽光線垂直向下反射，進入成像光學系統和附屬儀器。這種結構是美國海耳在1904年提出的。他在地面20～30米高度處，用小望遠鏡目視觀測,發現太陽像的清晰度比近地面觀測有明顯提高，表明近地面的上升熱氣流對成像質量有嚴重影響。如果將定天鏡置於20米以上高度處，並用空心圓塔將向下反射的光路同近地面上升熱氣流隔開，塔內的空氣層次大致是水平的，就可消除上述影響。基於這個理由，美國威爾遜山天文台在1908年首先建造太陽塔，取得良好觀測結果。此後，許多國家相繼建造。

太陽望遠鏡

美國基特峰國立天文台的太陽塔。

南京大學的太陽塔

結構

太陽塔通常建為雙層結構，內塔頂部支承定天鏡，中間安置太陽望遠鏡成像光學元件，在塔底或地下豎井內設定大型太陽攝譜儀及其他附屬儀器，以便對太陽進行多方面觀測。外塔頂部支承圓頂和觀測室地板，從而減小儀器的振動。現代真空太陽望遠鏡,有建為塔式結構的，被稱為真空太陽塔。

建造歷史

在1904年，威爾遜山天文台建造了水平式的雪太陽觀測台，很快的就發現熱輻射會妨礙觀測的進行。幾乎就在雪觀測台開始運作的同時，60尺高的太陽塔就開始規劃，在1908年完成，是世界上最早見成的太陽塔。緊接著，150尺高的太陽塔也在1912年完成。60尺的太陽塔現在仍用於日震學的研究工作，而150尺的高塔仍活躍於加州大學的太陽周期計畫中。這個項目的觀測設備也用於其他的研究計畫，例如，太陽塔的切連科夫效應實驗（STACEE），就是用來研究契忍可夫輻射；還有魏茲曼學院的太陽能塔。

各國情況

南京大學太陽塔

南京大學太陽塔(The Solar Tower of Nanjing University)位於南京東郊紫金山南麓，1979年建成。南京大學太陽塔塔高21米，定天鏡口徑60厘米，成像鏡口徑43厘米，焦距2170厘米。南京大學太陽塔是中國第一座太陽塔，也是中國唯一一座塔式太陽望遠鏡。

南京大學太陽塔1982年通過國家級鑑定並正式投入觀測。主要的觀測儀器是一台多波段成像光譜儀，主要在Hα、CaⅡ8542和HeⅠ10830埃波段配有CCD探測器，能以高時間和高光譜解析度獲得太陽活動的二維光譜。此外，還配備有Hα濾光器進行單色光跟蹤和觀測。太陽塔的研製獲1985年國家首屆科技進步二等獎。通過太陽塔的觀測，已獲得大量太陽活動(耀斑、日珥、黑子等)的光譜資料。利用這些資料已取得了一系列重要成果：項目“太陽活動22周觀測和研究”獲教育部科技進步一等獎(1995)和國家自然科學三等獎(1997)，“太陽耀斑光譜診斷和日冕物質拋射物理機制的研究”獲教育部自然科學一等獎(2004)。

大阪太陽塔

日本名城大阪於1970年成功舉辦了世界博覽會，這也是首屆在亞洲舉辦的世博會。而在大阪世博會上最受人關注的建築莫過於日本現代藝術大師岡本太郎設計的太陽塔。大阪世博會使太陽塔家喻戶曉，成為了當年一座新潮的地標性建築。

大阪太陽塔

太陽塔的造型像是一個沖天巨人，其高舉的雙臂托起富麗堂皇的節日廣場的巨大屋頂。太陽塔上有四個寓意世界過去、現在和未來的大面具：塔頂是光芒四射的“黃金之面”，塔中央有“太陽之面”和“暗黑之星”注視著節日廣場，最底端的“地底之星”照耀著“逝去的世界”。 塔中展示相繼演繹著“人類與生活”、“人類與自然”、“人類與科技”和“人類戰勝自我”的主題。中心展品生命之樹表現了“生命力量”。大樹從塔底至塔頂，樹枝依次環繞而上，排列著自然界從原始生物到人類的292種生物體，科技手段則賦予了40餘種模型以生命活力，使它們擁有呼吸、可以運動。這些栩栩如生、生動有趣的展品，揭示了生物進化的里程，把大自然的造化演繹得淋漓盡致。五分鐘“生命之樹”的攀登里程，卻跨越了地球生物演變的悠久歲月，來到頂部平台，頓時，又會被光學製造出來的特殊七色太陽光芒所震懾。此時，地下傳來的“大地之歌”與高空迴響的“天堂之歌”和諧交融，共演一曲“生命的禮讚”。大阪世博會後，日本政府1972年正式確定了“還綠於民”的方針，將世博會園區改造成萬博紀念公園。歷經8年的整修，直到1980年公園才建設完成。太陽塔位於萬博紀念公園正門口，前往公園參觀的人第一眼就會看到它。

太陽塔正面的“黃金之面”和“太陽之面”仍然像39年前那樣照耀著每一個前來參觀的遊人。太陽塔高65米，是紀念公園中的最高建築。由於太陽塔坐落在公園的中心地帶，又是公園中最醒目的標誌，因此成為迷路兒童的航標塔。來公園遊玩的家長通常會告訴孩子，找不到爸爸媽媽就到太陽塔下面去等，太陽塔會為你指路。太陽塔是世博會輝煌歷史上的一座紀念碑，它承載著人們對1970年大阪世博會的美好回憶，也承載著人們對美好未來的憧憬。

太陽塔發電

煙囪效應造電:澳大利亞千米“太陽塔”工程

澳大利亞EnviroMission公司正在準備建造一個規模龐大的太陽能風力發電站，即“太陽塔”工程。該發電裝置位於澳大利亞新南威爾斯州（New South Wales）溫特烏斯郡（Wentworth）的波朗格（Buronga）。

這座高達1000米的“太陽塔”發電容量達到200MW，足夠20萬戶家庭使用，相當於澳大利亞Tasmania州首府Hobart全市或者墨爾本主要郊區Geelong全市的用電量。

“太陽塔”投入運行之後，每年可以減少至少90萬噸溫室氣體CO2的產生，生命周期分析為2.5年。

澳大利亞“太陽塔”工程共分為六個階段進行：設計最佳化（已完成）、商業可行性預測和探討（已建成）、可行性最終討論（正在進行）、設計和施工方案的最終審定、施工和調試、投入商業運作。Enviro Mission目前還處於第三階段運作，主要包括項目協作和籌集資金。而南非提出的一項計畫更加雄心勃勃，他們想要建造高達1500米的太陽塔，用來為納米比亞的首都供電。

技術原理

“太陽塔”技術原理如下：太陽對“太陽塔”底部圓盤狀集熱器中的空氣加熱，由於“煙囪效應”，集熱區域的空氣被太陽輻射加熱後便向塔底部流去，在塔內集中並形成一股向上流動的強大空氣流，熱氣流沿著“太陽塔”這根“煙囪”繼續向上升，推動塔內特別設計的一組32台每台發電容量為6.25MW的渦輪，產生電力。塔底入口處空氣溫度為70℃，空氣流速為15m/s，塔頂空氣出口溫度為20℃。到了晚上，白天積聚在熱能存儲單元中的熱能，此時開始釋放出來，繼續推動渦輪旋轉，因而“太陽塔”可以一年365天、一天24小時不間斷地工作。

中試樣機

為了確保澳大利亞“太陽塔”發電的成功，德國的設計者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner聯同西班牙政府，在西班牙的Manzanares建造了一個小型的樣板裝置進行中試。中試樣機在1982至1989間的7年運行中產生了50KW的電能。中試的研究結果驗證了這種風道式太陽能發電的構想是可行的，過程中取得的數據為下一步擴大規模的設計提供了依據。

設計者

“太陽塔”之設計出自於德國著名建築工程師J?rg Schlaich教授的手筆。J?rg Schlaich教授是建造慕尼黑奧運場的德國公司Schlaich Bergermann and Partner的始創合伙人之一，這德國公司曾建造香港的汀九橋（Ting Kau Bridge）及加拿大蒙特婁奧運場。

太陽塔

發展趨勢

據英國媒體2002年9月7日披露，澳大利亞政府日決定全力支持“大型環保能源工程”的建設——造一座高達1000米的“太陽塔”，這一高度將是世界上目前最高的建築——加拿大國家鐵塔CN塔的近2倍！

設計效果圖

現代“巴比倫通天塔”， 簡單地說這項工程是一個規模極為龐大的太陽能風力發電站。它的工作原理也很簡單——對流原理，即熱空氣向上升，冷空氣下降——而那座高達1000米的“太陽塔”的作用則和一根煙囪的作用類似。在這根“大煙囪”的底端，是一個直徑達7000米的集熱器（如右圖），太陽對這個圓盤形狀的集熱器中的空氣加熱，然後，溫度將達到65℃的熱空氣從四面八方向集熱器中部的“太陽塔”匯集，形成了一個巨大的溫室。接著，由於對流效應，熱氣流沿著“太陽塔”這根“大煙囪”以35英里每小時的高速度繼續向上升，推動“煙囪”內部特別設計的渦輪，並產生電力。到了晚上，這個發電系統依然可以工作。白天積聚在熱能存儲單元中的熱能，此時開始釋放出來，繼續推動渦輪旋轉。和傳統的風力發電系統不同，這個“太陽塔”不管天氣好壞都可以很順利地工作。道理很簡單，它可以自己產生風動力，而且一天24小時、一星期7天永不間斷。工程中那根1000米高的“太陽塔”，有人把它形容成是現代的“巴比倫通天塔”，如果它真能建起來的話，即使在離開地面100多公里的太空中，也將清晰可辨。