太陽能是來自太陽的熱量和輻射光，可以通過太陽能（用于發(fā)電）和太陽能熱能（用于熱水等應(yīng)用）等技術(shù)加以利用。

作為一種可再生的清潔能源，太陽能可以替代化石燃料、產(chǎn)生熱量、產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和發(fā)電。太陽能技術(shù)可以靈活地大規(guī)模構(gòu)建，并允許將收集到的能量儲存起來以備后用。

每天到達(dá)地球的潛在太陽能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界當(dāng)前和預(yù)期的未來能源需求。問題是如何利用潛力，為了理解這一點(diǎn)，我們需要看看太陽能是如何工作的……

太陽能如何工作？

太陽光是到達(dá)地球的最大能源，但盡管如此，由于太陽輻射從遙遠(yuǎn)的太陽傳播時的徑向擴(kuò)散，到達(dá)地球表面的能量強(qiáng)度相對較低。更多的陽光在地球大氣層中丟失，并且由于云層，它們之間散射了多達(dá) 54% 的入射光。因此，到達(dá)地面的太陽光大約是 50% 的可見光和 45% 的紅外輻射，其余的則由少量的紫外線和其他類型的電磁輻射組成。雖然大部分太陽能在到達(dá)地球表面時會損失掉，但這種能量仍然相當(dāng)于世界每日總發(fā)電量的 20 萬倍左右。然而，利用這種可再生資源可能很困難，因?yàn)槭占?/span>

例如，當(dāng)利用太陽能電池板時，太陽輻射可以轉(zhuǎn)化為電能，或者轉(zhuǎn)化為更容易實(shí)現(xiàn)的熱能（熱能）。

發(fā)電

可以使用太陽能電池從陽光中發(fā)電（也稱為光伏電池）。當(dāng)陽光照射到太陽能電池上時，會產(chǎn)生一個小的電壓，因?yàn)楣夥?yīng)發(fā)生在金屬和半導(dǎo)體（如硅）或兩種不同的半導(dǎo)體之間。光伏效應(yīng)釋放電子，當(dāng)半導(dǎo)體呈現(xiàn)出自然的電位（電壓）差異時，電子會流過外部電路。這為負(fù)載提供少量電力，每個光伏電池產(chǎn)生約 2 瓦的電力。用大量太陽能電池創(chuàng)建太陽能電池板陣列可以產(chǎn)生數(shù)千千瓦的能量。大多數(shù)現(xiàn)代光伏電池的能源效率約為 15-22%（盡管正在改進(jìn)），這意味著可能需要大型組件來產(chǎn)生適度的電力。

太陽能電池的常見小規(guī)模用途包括為袖珍計(jì)算器和手表提供電源，而房主和企業(yè)使用更大的陣列來替換或增加他們的傳統(tǒng)電源，太陽能發(fā)電廠可以通過集中或集中太陽能來提供更高水平的發(fā)電。帶有對齊的鏡子或透鏡的光。這種聚焦可以將目標(biāo)加熱到 2,000 °C (3,600 °F) 或更高，運(yùn)行產(chǎn)生蒸汽的鍋爐，從而轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)并為發(fā)電機(jī)供電。一種方法是將熱量集中在變黑的管道上，水通過這些管道加熱。

熱能

有幾種技術(shù)可用于捕獲太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能。一種更常見的方法是使用大型平板集熱器，通常由覆蓋玻璃片的黑色金屬板制成。這些板的表面積約為 40 平方米，當(dāng)陽光照射在它們上面時會變熱。諸如水之類的載液流過板的背面，加熱，因此熱能可以直接使用或作為不同的介質(zhì)存儲。平板集熱器用于太陽能水或房屋供暖，在晴天收集熱水并儲存在隔熱水箱中，以便在夜間或陰天使用。熱水可以直接從儲水箱中抽取，也可以通過地板和天花板的管道為家庭或商業(yè)場所供暖，作為空間供暖。這些載液通常被加熱到 66 到 93°C 之間。這種收集方法的效率為 20-80%，具體取決于收集器的設(shè)計(jì)。

太陽能池也可以實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換。這些是收集和儲存太陽能的鹽水體，可用于生產(chǎn)化學(xué)品、食品和紡織品等產(chǎn)品，也可用于加熱溫室、游泳池和畜舍。太陽能池也可用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)動機(jī)發(fā)電，但它們的安裝成本相當(dāng)高，而且它們的使用通常僅限于溫暖的農(nóng)村地區(qū)。

太陽能熱能的另一個用途是在便攜式太陽能烤箱中烹飪食物，該烤箱通常將來自太陽的太陽能集中在一個廣泛的區(qū)域收集到一個中心點(diǎn)，一個黑色表面的容器將陽光轉(zhuǎn)化為熱量。

優(yōu)點(diǎn)

太陽能具有許多固有的優(yōu)勢：

• 可再生能源：太陽能是一種完全可再生能源
• 無燃料成本：沒有與太陽能相關(guān)的燃料成本，這將節(jié)省資金
• 環(huán)保：與化石燃料等其他能源不同，太陽能不會釋放任何有害的天然氣或有害的副產(chǎn)品

缺點(diǎn)

盡管具有固有的優(yōu)勢，但太陽能也存在一些缺點(diǎn)：

• 可靠性：太陽能取決于天氣和日照時間。這意味著它比其他地方更適合世界的某些地方
• 成本：雖然成本正在降低，但太陽能電池板等太陽能技術(shù)的安裝成本可能很高

示例和應(yīng)用

太陽能已經(jīng)找到了豐富的應(yīng)用，無論是基于熱能或電能的產(chǎn)生，甚至是更被動地利用每天從太陽到達(dá)地球的光和熱……

熱能應(yīng)用

熱能有多種應(yīng)用，包括加熱水、冷卻或加熱建筑物、產(chǎn)生過程熱量、烹飪、水處理和熔鹽技術(shù)。

1.水加熱

陽光可用于使用真空管集熱器、玻璃平板集熱器和無釉塑料集熱器來加熱水。太陽能熱水系統(tǒng)在中國廣泛部署，以色列、塞浦路斯等國家人均使用量居世界前列，而澳大利亞、加拿大和美國則主要使用太陽能熱水加熱游泳池。

2. 冷卻、加熱和通風(fēng)

太陽能可用于加熱、冷卻和通風(fēng)。根據(jù)是否使用太陽能聚光光學(xué)元件或太陽跟蹤等有源元件，太陽能加熱分為被動太陽能概念和被動太陽能概念。熱質(zhì)是任何可用于儲存熱量的材料，也可用于干旱或溫暖的溫帶氣候，以保持建筑物涼爽。這些材料包括石頭、水泥或水，它們在白天吸收太陽能，然后在涼爽的夜間散發(fā)熱量。熱質(zhì)量的大小和位置取決于氣候、日照時間和陰影等因素，但可以減少對輔助冷卻或加熱設(shè)備的需求。太陽能或熱能煙囪也可用于通風(fēng)，讓空氣在內(nèi)部加熱，形成上升氣流，將空氣拉過建筑物，創(chuàng)造通風(fēng)。太陽能加熱控制的另一種被動形式涉及種植落葉樹。當(dāng)種植在北半球建筑物的南側(cè)或南半球的北側(cè)時，葉子在夏天提供遮蔭，光禿禿的樹枝在冬天讓光線穿過建筑物。

3. 烹飪

幾個世紀(jì)以來，太陽能炊具一直用于烹飪、干燥和巴氏殺菌等應(yīng)用。1767 年，霍勒斯·德·索緒爾 (Horace de Saussure) 制造了第一個箱式炊具，它是一個帶有透明蓋子的絕緣容器，可以達(dá)到 90-150°C 的溫度。面板炊具也使用絕緣容器，但包括一個反射面板來引導(dǎo)陽光并且可以達(dá)到與盒式炊具相似的溫度。反射器炊具使用聚光幾何形狀，例如盤子、槽或菲涅耳鏡來聚焦陽光，溫度可以達(dá)到 315°C，但需要直射光才能正常工作，并且必須重新定位以跟蹤太陽的運(yùn)動。

4. 工藝熱

聚光技術(shù)，如拋物面盤、槽和反射器，用于為一系列工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用提供過程熱量。這包括供暖、空調(diào)、通風(fēng)和發(fā)電。

5.水處理

太陽能至少從 16 世紀(jì)開始就被用于蒸餾，^以制造可飲用的微咸水或咸水。除了海水淡化，陽光還用于對水進(jìn)行消毒。發(fā)展中國家每天有超過 200 萬人使用太陽能水消毒 (SODIS) 來制造飲用水。該過程包括將聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 瓶水暴露在陽光下幾個小時。利用陽光從淺水池中蒸發(fā)水也是一種從海水中獲取鹽分的傳統(tǒng)方法，可用于濃縮鹽水溶液或從廢物流中去除溶解的固體。

發(fā)電示例

太陽可用于利用光伏 (PV) 和聚光太陽能發(fā)電。光伏電池，通常稱為太陽能電池，將光轉(zhuǎn)化為電流，而聚光太陽能涉及使用鏡子、透鏡和太陽跟蹤系統(tǒng)將陽光聚焦成小光束。

1.光伏（PV）

太陽能光伏最初用于計(jì)算器等中小型應(yīng)用并為家庭提供電力，多年來隨著商業(yè)太陽能發(fā)電廠和太陽能農(nóng)場的發(fā)展，太陽能光伏的規(guī)模不斷擴(kuò)大。太陽能的使用每年都在增長，到 2020 年將產(chǎn)生全球 3.5% 的電力。隨著各國尋求清潔、無污染的能源來為我們的未來提供動力，這種增長似乎將繼續(xù)下去。光伏系統(tǒng)使用由大量太陽能電池組成的太陽能模塊，每個太陽能電池產(chǎn)生少量電能。太陽能裝置可以在地面、屋頂、墻壁上，甚至可以漂浮在水體上。它們可以固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，也可以使用太陽能跟蹤器來跟蹤太陽在天空中的運(yùn)動。太陽能電池板在北半球朝南放置，在南半球朝北放置。

2. 聚光太陽能

聚光太陽能 (CSP) 涉及使用透鏡或鏡子將陽光聚焦成小光束，并使用跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽的運(yùn)動。然后，該光束的熱量用作熱源來加熱流體以發(fā)電（與傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣，水被加熱以產(chǎn)生蒸汽，從而轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)，從而為發(fā)電機(jī)提供動力）。集中陽光的技術(shù)包括菲涅耳反射器、拋物槽、斯特林碟和太陽能塔。CSP 設(shè)計(jì)通常需要保護(hù)免受天氣事件的影響，例如可能損壞某些太陽能發(fā)電廠使用的精細(xì)鏡面玻璃表面的沙塵暴。這可以通過安裝金屬格柵來實(shí)現(xiàn)，該金屬格柵提供一定程度的保護(hù)，同時允許陽光照射到鏡子上。

被動式太陽能使用

除了在發(fā)電中積極使用太陽能或作為熱能來源外，太陽光也被被動地用于一系列應(yīng)用。

1. 建筑與城市規(guī)劃

自從古希臘和中國文明建造朝南的建筑以來，城市規(guī)劃和建筑就考慮到了陽光，以提供最佳的光線和溫暖。被動式太陽能建筑的工作原理是考慮結(jié)構(gòu)的表面積和體積、方向、熱質(zhì)量和陰影。當(dāng)這些因素結(jié)合到最佳效果時，它們可以提供光線充足的空間和舒適的溫度范圍?，F(xiàn)代太陽能建筑將這些被動方法與計(jì)算機(jī)建模、泵、風(fēng)扇、太陽能照明、太陽能加熱和太陽能通風(fēng)技術(shù)一起使用。由于像瀝青這樣的太陽能吸收率高的材料而導(dǎo)致溫度高的城市地區(qū)可以通過種植樹木和使建筑物和道路變白來降溫。

2. 農(nóng)業(yè)和園藝

數(shù)千年來，優(yōu)化太陽能一直是農(nóng)業(yè)和園藝的重要組成部分。這為種植周期、植物行的方向、不同行高的使用和混合植物品種提供了信息，以改善對陽光的照射和作物產(chǎn)量。其他技術(shù)包括使用果壁作為熱物質(zhì)，通過保持植物溫暖來加速成熟。在北大西洋地區(qū)被稱為“小冰河時代”（1303-1860 年）的區(qū)域降溫期間，這些果墻在英格蘭和法國被廣泛使用。自羅馬時代以來，溫室一直被用來將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，并允許種植不適合當(dāng)?shù)貧夂虻淖魑镆约叭晟a(chǎn)，當(dāng)時原始溫室被用來為提比略皇帝全年種植黃瓜。^世紀(jì)，它們被用來保存從世界各地帶回來的外來植物。

太陽能與交通

幾十年來，人們一直在研究太陽能用于運(yùn)輸用途，包括一年兩次的世界太陽能挑戰(zhàn)賽，以開發(fā)和比賽在澳大利亞中部的達(dá)爾文和阿德萊德之間超過 1,877 英里的太陽能汽車。太陽能電池板還用于為空調(diào)等應(yīng)用提供輔助電源，從而降低燃料消耗。

第一艘太陽能船于 1975 年在英國建造，從那時起，隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽能船已成功穿越太平洋和大西洋。

太陽能也被用于載人和無人飛行。載人太陽能飛行在 1981 年穿越英吉利海峽，在 1990 年從加利福尼亞州到美國北卡羅來納州進(jìn)行了 21 個階段的飛行，并在 2016 年完成了環(huán)球航行。然而，太陽能飛行往往側(cè)重于無人駕駛飛行器（無人機(jī)）。

太陽能氣球是充滿正常空氣的黑色氣球，當(dāng)陽光加熱時膨脹，產(chǎn)生向上的浮力。雖然一些太陽能氣球?qū)τ谌祟愶w行來說足夠大，但有效載荷重量的表面積意味著大多數(shù)太陽能氣球用于較小的應(yīng)用，例如玩具市場。

太陽能燃料生產(chǎn)

太陽能可用于驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，抵消化石燃料來源的使用，以創(chuàng)造可儲存和可運(yùn)輸?shù)娜剂稀＿@些技術(shù)可以是熱化學(xué)或光化學(xué)的，并且可以生產(chǎn)多種燃料。

熱化學(xué)過程和光伏電池的使用都已被探索用于生產(chǎn)可用作燃料的氫氣。這可以通過使用集中器在高溫下將水分解成氧氣和氫氣，利用太陽能集中器的熱量來驅(qū)動蒸汽重整，或者簡單地使用來自太陽能的清潔電力將水分解成氫氣和氧氣來實(shí)現(xiàn)。您可以在此處了解有關(guān)氫氣生產(chǎn)和環(huán)境效益的更多信息。

常見問題

簡單來說什么是太陽能？

太陽能是太陽產(chǎn)生的熱能和光能。人類可以通過安裝太陽能電池板或設(shè)計(jì)建筑物等活動來主動或被動地使用這種能量，以考慮到陽光的自然影響。

太陽能是做什么用的？

太陽能具有廣泛的應(yīng)用，從加熱、通風(fēng)和冷卻到發(fā)電、烹飪、水處理、制氫、運(yùn)輸?shù)取?/span>

太陽能是可再生能源嗎？

太陽能是一種可再生的綠色能源，具有為地球供電的潛力。太陽能電池板產(chǎn)生的能量沒有排放或有害的副產(chǎn)品。?

太陽能有效嗎？

大多數(shù)現(xiàn)代太陽能電池板將 15-22% 的太陽能轉(zhuǎn)化為可用電力，具體取決于定位、方向和天氣條件等因素。太陽能電池板將陽光轉(zhuǎn)化為能量的效率稱為性能。

太陽能可以儲存嗎？

太陽能可以通過使用具有特定熱容量的材料（例如石頭、熔鹽、石蠟、泥土或水）的熱質(zhì)量系統(tǒng)來存儲。太陽能也可以直接發(fā)送到電網(wǎng)，用于生產(chǎn)可儲存的氫燃料或用于將水抽到更高的海拔，然后可以通過水力發(fā)電機(jī)釋放水來回收。使用這些方法從太陽能系統(tǒng)存儲的電力可以在需要時使用。

太陽能可以替代化石燃料嗎？

太陽能具有完全替代化石燃料的潛力，但它更有可能被用作更廣泛的可再生能源組合的一部分，包括風(fēng)能等其他資源。?

太陽能能為世界供電嗎？

雖然太陽能很可能只是未來更多清潔能源生產(chǎn)方法的一部分，但它確實(shí)具有滿足世界所有能源需求的潛力。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，要產(chǎn)生 2015 年世界消耗的 17.3 太瓦的電力，需要在 335 x 335 公里（43,000 平方英里）的區(qū)域內(nèi)安裝太陽能電池板。這僅相當(dāng)于撒哈拉沙漠的 1.2%，這是太陽能發(fā)電的理想之地，因?yàn)樗刻旖邮粘^ 12 小時的陽光。當(dāng)然，隨著能源消耗的增加，對電力的需求也會增加，據(jù)估計(jì)，到 2030 年，世界能源消耗將上升到 715 艾焦耳。然而，這種上升很容易通過更多的太陽能裝置來適應(yīng)。預(yù)測說這樣一個項(xiàng)目將耗資 5 萬億美元，

太陽能可以用于交通嗎？

太陽能可用于運(yùn)輸，通過使用太陽能電池板將陽光轉(zhuǎn)化為電能，如太陽能飛機(jī)、太陽能飛機(jī)和太陽能人力車等地面車輛。太陽能汽車已經(jīng)開發(fā)多年，但目前還沒有量產(chǎn)。太陽能還可用于生產(chǎn)替代燃料，如電力、生物柴油和氫氣。

結(jié)論

數(shù)千年來，人類利用太陽的自然能量來優(yōu)化作物生長、處理水并提供光照和溫暖。每天到達(dá)地球表面的能量大約是世界日發(fā)電量的20萬倍。

利用太陽能為一系列不同的應(yīng)用發(fā)電和太陽能熱能提供了一種可再生和清潔的能源，有可能為全世界提供足夠的電力。

隨著太陽能技術(shù)的技術(shù)和效率的提高以及成本的降低，太陽能將成為世界清潔能源組合中越來越重要的一部分，以實(shí)現(xiàn)凈零排放的未來目標(biāo)。

無論是直接使用、被動使用，還是作為生產(chǎn)其他燃料（如氫）的資源，太陽能都是一種免費(fèi)的自然資源，在一系列應(yīng)用中不斷發(fā)展。