太陽能

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Gemasolar聚光太陽能熱發電廠,每天有15小時的熱量存儲,並能提供24小時供電。發電容量19.9兆瓦(MW),位於西班牙
可再生能源
Wind turbine

太陽能
風能
水力發電
地熱能
海洋能
潮汐能
生物燃料
生物能

太陽能(英文:Solar Energy)是指來自太陽輻射出的被不斷發展的一系列技術所利用,例如,太陽熱能集熱器英語太陽熱能集熱器太陽能光電發電太陽熱能發電,和人工光合作用英語Artificial photosynthesis[1][2]

地球形成生物就主要以太陽提供的生存,而自古人類也懂得以陽光曬乾物件,並作為保存食物的方法,如製鹽和曬鹹魚等。但在化石燃料減少下,才有意把太陽能進一步發展。

太陽能技術分為有源(主動式)及無源(被動式)兩種。有源的例子有太陽能光電光熱轉換,使用電力或機械設備作太陽能收集,而這些設備是依靠外部能源運作的,因此稱為有源。無源的例子有在建築物引入太陽光作照明等,當中是利用建築物的設計、選擇所使用物料等達至利用太陽能的目的,由於當中的運作無需由外部提供能源,因此稱為無源。

太陽能發電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源,如風能化學能,水的勢能化石燃料可以稱為遠古的太陽能。太陽能資源豐富,且無需運輸,對環境污染低。太陽能為人類創造了一種新的生活形態,使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。

來自太陽的能量[編輯]

大約有一半來自太陽的能量可以到達地球的表面。
每年太陽能通量與人類能源消費
太陽能 3,850,000 EJ[3]
風能 2,250 EJ[4]
生物質能潛力 100–300 EJ[5]
主要能源消費(2010年) 539 EJ[6]
電力(2010年) 66.5 EJ[7]

地球在上層大氣傳入的太陽輻射(日照)接收了174 petawatts(PW)。大約有30%的太陽能被反射回太空,而其餘的太陽能則被雲層、海洋和陸地吸收。在地球表面的太陽能光譜大多分布在一小部分近紫外線,全部可見光,和近紅外線的光譜範圍。[8]

地球的大氣,海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是3,850,000 exajoules(EJ)。在2002年,一小時內的太陽能比全世界在一年內使用的能量還要更多。光合作用獲得的生物質能每年約3000 EJ。技術上的生物質能潛力有100–300 EJ/每年。[5] 。太陽的能量到達這個地球表面的數量是如此巨大,以至於在一年中的太陽能是自從人類取得和開採的所有在地球上不可再生資源的煤、石油、天然氣、和鈾都相結合的總能源的兩倍。[9]

在世界各地,主要根據緯度的不同來利用太陽能。[10]

太陽能技術的應用[編輯]

顯示的土地面積(黑色小點)的平均日射量與太陽能發電(18 TW是每年568 Exajoule,EJ)取代世界初級能源供應量需要。 日射量對於大多數人來說是從150到300 W/m2或3.5至7.0 kWh/m2/天.
美國加州陽光充沛,適合利用太陽能發電。圖中乃美國加州一座於樓頂安裝了太陽能電池板用作供電的洗衣房。

太陽能是指主要用於實際目的利用太陽光輻射。然而,除了地熱能潮汐能以外,所有其他的可再生能源都是來源自太陽的能量。

太陽能技術被廣泛定性為被動的或主動的方式來捕獲,轉換和分配太陽光。主動式太陽能技術,利用太陽能光電板,泵,風機將陽光轉換為有用的輸出。被動式太陽能技術,包括選擇材料具有良好的熱性能,設計,自然空氣流通的空間,並按照太陽來安排的建築物的位置。主動式太陽能技術,增加能源供應,被認為是供應端的技術;而被動式太陽能技術,減少替代資源的需要,通常被認為是需求端的技術。[11]

利用太陽能的方法主要有:

  • 使用太陽能電池,通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能
  • 利用便宜的鏡子將陽光反射至昂貴高效能太陽能電池(但需要注意散熱),可以減低發電成本
  • 使用太陽能熱水器,利用太陽光的熱量把水加熱
  • 利用太陽光的熱量加熱水,並利用熱水發電
  • 利用太陽的熱能來進行吸附式製冷
  • 透過機械及硬體設備來收集及傳送太陽能的熱量,以供應暖氣設備。可分為主動式太陽能加熱系統及被動式太陽能加熱系統[12]
  • 利用太陽能的熱量來驅動斯特林發動機
  • 利用太陽能加熱鹽類,再用鹽類儲存的熱量發電(在夜間仍會繼續發電)
  • 將吸收太陽能熱量的系統整合於太陽能電池上,降低成本。
  • 集中太陽能於定點製造龍捲風,利用龍捲風來做高效能的風力發電
  • 利用太陽能作為熱源進行海水淡化
  • 能源作物也是一種太陽能
  • 太空太陽能轉換電能儲存,輸送到地面電能接收站,訊號接收站
  • 根據環境與環境太陽日照的長短強弱,可移動式和固定式太陽能利用網
  • 太陽能運輸(汽車飛機...等)、太陽能公共設施(路燈紅綠燈、招牌...等)、建築整合太陽能房屋廠房電廠水廠...等)
  • 太陽能裝置,例如:太陽能計算機太陽能背包太陽能檯燈太陽能手電筒...等各式太陽能應用與裝置

直到近期,太陽能還只能小規模使用,利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題。但是太陽電池在為人造衛星提供能源方面得到了很好的應用,而且在一些情況下,太陽能發電已經有經濟競爭力;現在太陽能的成本已經在許多市場達到電網平價。

目前,全球最大的屋頂太陽能面板系統位於德國南部比茲塔特Bürstadt),面積為四萬平方公尺,每年的發電量為450萬千瓦時

日本為了達成京都議定書二氧化碳減量要求,全日本都普設太陽能光電板,位於日本中部的長野縣飯田市,居民在屋頂設置太陽能光電板的比率甚至達2%,堪稱日本第一。

建築和都市計畫[編輯]

德國達姆施塔特工業大學設計的位於華盛頓特區被動式節能屋,這是專門為了潮濕和炎熱的亞熱帶氣候而設計的。該設計贏得了2007年的國際太陽能十項全能競賽(Solar Decathlon[13]

陽光影響了建築設計建築史的開始。[14]先進的太陽建築和都市計畫的方法,是最早被希臘人和中國人所採用,他們的建築面向南方給人們提供光明和溫暖。[15]

農業和園藝業[編輯]

像這些在荷蘭的韋斯特蘭市的溫室大棚種植蔬菜,水果和鮮花。

農業和園藝業,為了優化植物生產力而致力於優化太陽能的捕獲。採用的技術,如定時種植周期,量身定製的行方向,交錯行和混合的植物品種之間的高度可以提高農作物的產量。[16][17]雖然陽光被普遍認為是一個豐富的資源,例外情況突出顯示太陽能能源以農業的重要性。

溫室大棚將太陽光轉換為熱能,實現不是天生就適合當地氣候的(在封閉的環境中)特種作物其他植物的生長和全年的生產。

交通運輸[編輯]

在澳大利亞舉辦的世界太陽能挑戰賽英語World Solar Challenge,太陽能車例如Nuna3橫跨3,021 km(1,877 mi)從達爾文市到阿德萊德市的比賽路程。

自1980年代以來,一個太陽能汽車的發展一直是工程目標。世界太陽能車挑戰賽英語World Solar Challenge是每半年以太陽能為動力的汽車比賽中,來自高校和企業的團隊競爭橫跨澳洲中部的3,021 km(1,877 mi),從達爾文市到阿德萊德市的比賽路程。在1987年,成立時,獲獎者的平均車速為67公里每小時(42英里每小時),並在2007年獲獎者的平均時速已提高到90.87公里每小時(56.46英里每小時)。[18]北美太陽能車挑戰賽英語North American Solar Challenge和計劃中的南非太陽能車挑戰賽英語South African Solar Challenge是相媲美的比賽,反映出在太陽能車的設計和開發的國際關注。[19][20]

有些汽車使用太陽能電池板為輔助電源,例如用於空調,保持汽車內涼爽,從而減少燃油消耗。[21][22]

1975年,第一艘實用的太陽能船被建造於英國。[23] 到1995年,客輪整合光電電池板開始出現,並且現在廣泛使用。[24]在1996年,堀江謙一英語Kenichi Horie作出第一次利用太陽能動力的太陽能船穿越太平洋,和在2006-2007年冬季sun21雙體船作出第一次利用太陽能動力的太陽能船穿越大西洋。[25] 在2010年有計劃作環球航行。[26]

太陽能動力飛行的無人機Helios UAV

在1974年,無人駕駛AstroFlight SunRise飛機作第一次太陽能飛行。在1979年4月29日,Solar Riser作出太陽能動力的,完全控制的,載人的飛行器的第一次飛行,高度達到40英尺(12公尺)。

光熱轉換[編輯]

美國油式太陽能集熱陣列,由於不使用高價太陽能光電而純粹採用鏡面集熱反成為最先達到經濟規模的太陽電廠,量產後成本還能再降低
太空設立太陽能太空站的想像圖

現代的太陽能科技可以將陽光聚合,並運用其能量產生熱水、蒸汽和電力。集熱式太陽能(Solar Thermal)。原理是將鏡子反射的太陽光,聚焦在一條叫接收器的玻璃管上,而該中空的玻璃可以讓流過。從鏡子反映的太陽光會令管子內的油升溫,產生蒸氣,再由蒸氣推動渦輪機發電。[27]除了運用適當的科技來收集太陽能外,建築物亦可利用太陽的光和熱能,方法是在設計時加入合適的裝備,例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建築材料。在適當地點,太陽能的長期使用成本已經接近甚至低於傳統的化石燃料。

太陽能熱水器[編輯]

太陽能熱水系統利用太陽光來加熱水。在較低的地理緯度(低於40度)從60%到70%的生活熱水可以使用太陽能加熱系統提供溫度高達60°C的熱水[28]。最常見的類型的太陽能熱水器真空管集熱器(44%)和玻璃平板集熱器(34%),一般用於生活熱水;還有無釉的塑料收集器(21%),主要用於加熱游泳池[29]

截至2007年,太陽能熱水系統的總裝機容量約為154吉瓦(GW)。中國是世界的領先者,在截至2006年他們已經安裝了70吉瓦(GW),並且部署了在2020年安裝210吉瓦(GW)的長遠目標[30]以色列賽普勒斯是在人均使用量上面的領先者,超過90%的家庭使用太陽能熱水系統[31]。在美國加拿大澳大利亞佔主導地位的應用是加熱游泳池,在2005年太陽能熱水應用的裝機容量為18吉瓦(GW)[11]

加熱,冷卻和通風[編輯]

在美國,暖通空調(英語Heating, Ventilation and Air Conditioning,簡稱:HVAC)系統佔用商業樓宇使用的的能量30%(4.65 EJ),和在住宅建築近使用的能源的50%(10.1 EJ)。[32]太陽能加熱,冷卻和通風技術可用於抵銷了這些能量的一部分。

水處理[編輯]

小規模的太陽能污水處理廠。

太陽能可用於蒸餾處理鹽水或半鹹水的成可飲用水。這種應用的首次記錄是在16世紀的阿拉伯鍊金術士[33]。首先構建一個大型的太陽能蒸餾項目於1872年在智利的礦業城市拉斯維加斯薩利納斯(Las Salinas)[34]。該工廠有4700平方米的太陽能集熱面積,每天可產生高達22,700升淡水,並經營了40年[34]

烹飪[編輯]

印度黎明之村的太陽碗,集中太陽光在一個可移動的接收器上產生蒸汽烹調

太陽灶利用太陽光蒸煮,乾燥和殺菌消毒。它們可分為三大類:箱灶具,面板灶具和反射灶具。[35]最簡單的太陽灶是箱灶具,首先由奧拉斯-貝內迪克特·德索敘爾在1767年建造。[36]一個基本的箱灶具包括一個用透明蓋子的隔熱容器。它可以有效地在局部陰天使用,通常溫度將可達90-150 °C.[37]

熱處理[編輯]

太陽能聚光技術,如拋物面碟形,槽形及Scheffler反射器可為商業和工業應用提供工業用熱。

蒸發池是通過蒸發作用濃縮溶解固體的淺水池。使用蒸發池的從海水中獲得的鹽是太陽能最古老的應用之一。現代應用包括濃縮浸礦用鹵水的解決方案和從廢物流中除去溶解固體。[38]

通過蒸發作用由風和陽光的晾衣繩,晾衣架晾衣服不消耗電力或煤氣。在美國的一些州,有立法保護衣服的「晾乾的權利」。[39]

光電轉換[編輯]

光電轉換又稱太陽能光電。太陽能板是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置,由幾乎全部以半導體物料(例如矽)製成的薄身固體太陽能電池組成。由於沒有活動的部分,故可以長時間操作而不會導致任何損耗(薄膜太陽能電池會有光衰退的現象)。簡單的光電電池可為手錶計算機提供能源,較大的光電系統可為房屋照明,並為電網供電。

太陽能板可以製成不同形狀,而又可連接,以產生更多電力。近年,天台建築物表面開始使用光電板組件,被用作窗戶天窗或遮蔽裝置的一部分,這些光電設施通常被稱為附設於建築物的光電系統。

聚光太陽能熱發電[編輯]

聚光太陽能發電(CSP)系統使用透鏡或反射鏡和跟蹤系統,把大面積的陽光聚焦到一個小光束。然後將集中的熱量用作常規發電廠的熱源。廣泛存在聚光技術,最發達的技術是拋物槽,集中線性菲涅爾反射鏡,斯特林盤和太陽能發電塔。跟蹤太陽和光線聚焦用了各種技術。在所有這些系統中,工作流體被聚光的太陽光加熱,然後將其用於發電或能量存儲。[40]

太陽能光電[編輯]

德國的19 MW 太陽能光電發電園區
國家可再生能源實驗室英語National Renewable Energy Laboratory(NREL) 編纂的從1976年到現在的太陽能電池效率的最好的研究

一種太陽能電池或光電電池(PV),是一種利用光電效應將光轉換成電流使用的裝置。於1880年代,第一個太陽能電池由查爾斯Fritts(Charles Fritts)構造。

太陽化學[編輯]

太陽能的化學過程利用太陽能來驅動化學反應。

優點[編輯]

在光照充足的地區(例如:太空向陽區、海洋、海岸、空曠岩地...),太陽能的供應源源不斷,使用過程不會產生環境污染,亦不會產生溫室氣體導致地球溫室效應加劇。

太陽能電池組件可以安裝在建築物上,稱為光電一體化建築,如此太陽能電池板不僅可以在有陽光的時候產生電力,還能達到隔熱的作用,可以有效降低建物內部的溫度,降低建築能耗;而且分散式發電的大規模停電風險較低。此外,將太陽能電池安裝於家家戶戶,可以提供大量的在地工作機會,節省社福及社會成本。

太陽能雖具有間歇性,但太陽能發電量與用電尖峰需求呈現正相關,許多電力公司需要興建只在尖峰時間發電的電廠,這種電廠的成本較高,以太陽能取代此類發電廠,很早就具有經濟效益。

太陽能的成本下降速度很快,在許多情況已經達到電網平價。

缺點[編輯]

目前利用太陽能的各種技術都具有成本高的缺點,因此首期資本投資不菲;不過近來這已經不是缺點,因為全球有太多找不到投資標的的資金,而且整體壽命週期來看,太陽能已經在許多情況下達到電網平價,因此可以把過多的游資投入太陽能等再生能源。

另外,在許多陰雨綿綿或是日照短的地區,很難完全靠太陽能供應,投資報酬率較低。另外,除非有大量的太陽能板或更成熟的太陽能技術,不然目前仍然難以產生大量電源供給使用是其缺點。

除此之外,太陽能板壽命有限。大約是10-30年。而生產時所需使用的大量可能會造成其他方面的污染,需妥善管控處理。

世界各國家地區對太陽能的政策[編輯]

 中華人民共和國大陸地區[編輯]

  • 2006年6月,中國成立風能太陽能資源評估中心
  • 2009年3月23日,中華人民共和國財政部印發《太陽能光電建築應用財政補助資金管理暫行辦法》,對太陽能光電建築等大型太陽能工程進行補貼。
  • 2011年7月24日,中國國家發展和改革委員會發布《國家發展改革委關於完善太陽能光電發電上網電價政策的通知》
  • 2012年9月13日,中國國家能源局發布《太陽能發電發展「十二五」規劃》[41]。《規劃》提出,到2015年底,中國太陽能發電裝機容量達到21吉瓦(GW)以上,這意味著未來3年中國光電發電裝機容量有望擴大6倍以上。這個規劃提出加快推動太陽能技術產業創新發展。

 澳洲[編輯]

 德國[編輯]

  • 德國《可再生能源法》於2000年4月出台,其前身是1991年生效的《強制輸電法案》。《可再生能源法》是開發和利用可再生能源,加強節能環保的綱領性法規,後隨時間推移和形勢變化多次修改補充。
  • 2009年新《可再生能源法》設定,2020年德國的可再生能源在電力消費中的佔比目標為30%。德國《可再生能源法》的基本政策方針是可再生能源優先以強制固定費率入網(feed-in tariffs),即依法強制電網運營商必須以法律規定的固定費率,收購可再生能源供應商的電力。同時,供電商再根據全部入電網的可再生能源、傳統能源成本狀況,釐定電價。這樣,儘管可再生能源目前的成本還高於傳統能源的,但《可再生能源法》為可再生能源提供了和傳統能源同樣的機會;再加上可再生能源還有其他方面優惠,使其發展風險得以大大降低。
  • 德國是世界頂極的太陽能光電(PV)安裝國家之一,在2011年的用光電發電的容量達到25 GW。在2012-10-31,有31.62 GW光電發電連接電網。[42] [43]
  • 德國聯邦政府已制定到2030年安裝的太陽能光電發電容量66 GW的目標[44],年均增長將達到2.5-3.5 GW[45],和到2050年80%的電力來自可再生能源的目標。[46]

 西班牙[編輯]

 美國[編輯]

相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

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外部連結[編輯]

相關期刊論文[編輯]