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太阳能

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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
生物质

主题可再生能源主题

太阳能英语Solar energy),是指來自太陽辐射出的被不斷發展的一系列技術所利用,如,太陽熱能集熱器英语太陽熱能集熱器太陽能光伏發電太陽熱能發電,和人工光合作用英语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。

太阳能技術分為有源(主動式)及無源(被動式)兩種。有源的例子有太陽能光伏光热转换,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。

太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能化学能,水的势能化石燃料可以稱為遠古的太陽能。太阳能资源丰富,且无需运输,对环境污染低。太阳能为人类创造了一种新的生活形态,使社会以及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

来自太阳的能量[编辑]

大约有一半来自太阳的能量可以到达地球的表面。
每年太阳能通量与人类能源消费
太阳能 3,850,000 EJ[3]
风能 2,250 EJ[4]
生物质能潜力 100–300 EJ[5]
主要能源消费(2010年) 539 EJ[6]
电力(2010年) 66.5 EJ[7]

地球在上层大气传入的太阳辐射(日照)接收了174 petawatts(PW)。大约有30%的太阳能被反射回太空,而其余的太阳能则被云层、海洋和陆地吸收。在地球表面的太阳能光谱大多分布在一小部分近紫外线,全部可见光,和近红外线的光谱范围。[8]

地球的大气,海洋和陆地吸收的太阳能每年大约是3,850,000 exajoules(EJ)。在2002年,一小时内的太阳能比全世界在一年内使用的能量还要更多。光合作用获得的生物质能每年约3000 EJ。技术上的生物质能潜力有100–300 EJ/每年。[5] 。太阳的能量到达这个地球表面的数量是如此巨大,以至於在一年中的太阳能是自从人类取得和开采的所有在地球上不可再生资源的煤、石油、天然气、和铀都相结合的总能源的两倍。[9]

在世界各地,主要根據緯度的不同来利用太阳能。[10]

太阳能技术的应用[编辑]

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。

太阳能是指主要用于实际目的利用太阳光辐射。然而,除了地热能潮汐能以外,所有其他的可再生能源都是来源自太阳的能量。

太阳能技术被广泛定性为被动的或主动的方式来捕获,转换和分配太阳光。主动式太阳能技术,利用太阳能光伏板,泵,风机将阳光转换为有用的输出。被动式太阳能技术,包括选择材料具有良好的热性能,设计,自然空气流通的空间,并按照太阳来安排的建筑物的位置。主动式太阳能技术,增加能源供应,被认为是供应端的技术;而被动式太阳能技术,减少替代资源的需要,通常被认为是需求端的技术。[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0.5萬千瓦時

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。

建筑和城市规划[编辑]

德国达姆施塔特工业大学设计的位于华盛顿特区被动式节能屋,这是专门为了潮湿和炎热的亚热带气候而设计的。该设计赢得了2007年的国际太阳能十项全能竞赛(Solar Decathlon[13]

阳光影响了建筑设计建筑史的开始。[14]先进的太阳建筑和城市规划的方法,是最早被希腊人和中国人所采用,他们的建筑面向南方给人们提供光明和温暖。[15]

农业和园艺业[编辑]

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。

农业和园艺业,为了优化植物生产力而致力于优化太阳能的捕获。采用的技术,如定时种植周期,量身定制的行方向,交错行和混合的植物品种之间的高度可以提高农作物的产量。[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。

温室大棚将太阳光转换为热能,实现不是天生就适合当地气候的(在封闭的环境中)特种作物其他植物的生长和全年的生产。

交通运输[编辑]

在澳大利亚举办的世界太阳能挑战赛英语World Solar Challenge,太陽能車例如Nuna3横跨3,021 km(1,877 mi)从达尔文市到阿德莱德市的比赛路程。

自1980年代以来,一个太阳能汽车的发展一直是工程目标。世界太阳能车挑战赛英语World Solar Challenge是每半年以太阳能为动力的汽车比赛中,来自高校和企业的团队竞争横跨澳洲中部的3,021 km(1,877 mi),从达尔文市到阿德莱德市的比赛路程。在1987年,成立时,获奖者的平均车速为67公里每小時(42英里每小時),并在2007年获奖者的平均时速已提高到90.87公里每小時(56.46英里每小時)。[18]北美太阳能车挑战赛英语North American Solar Challenge和计划中的南非太阳能车挑战赛英语South African Solar Challenge是相媲美的比赛,反映出在太阳能车的设计和开发的国际关注。[19][20]

有些汽车使用太阳能电池板为辅助电源,例如用于空调,保持汽车内凉爽,从而减少燃油消耗。[21][22]

1975年,第一艘实用的太阳能船被建造于英国。[23] 到1995年,客轮整合光伏电池板开始出现,并且现在广泛使用。[24]在1996年,堀江谦一英语Kenichi Horie作出第一次利用太阳能动力的太阳能船穿越太平洋,和在2006-2007年冬季sun21双体船作出第一次利用太阳能动力的太阳能船穿越大西洋。[25] 在2010年有计划作环球航行。[26]

太阳能动力飞行的无人机Helios UAV

在1974年,无人驾驶AstroFlight SunRise飞机作第一次太阳能飞行。在1979年4月29日,Solar Riser作出太阳能动力的,完全控制的,载人的飞行器的第一次飞行,高度达到40英尺(12米)。

光熱轉換[编辑]

美國油式太陽能集熱陣列,由於不使用高價太陽能光伏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[编辑]

太阳能热水系统利用太阳光来加热水。在较低的地理纬度(低于40度)从60%到70%的生活热水可以使用太阳能加热系统提供温度高达60°C的热水[28]。最常见的类型的太阳能热水器真空管集热器(44%)和玻璃平板集热器(34%),一般用于生活热水;还有无釉的塑料收集器(21%),主要用于加热游泳池[29]

截至2007年,太阳能热水系统的总装机容量约为154吉瓦(GW)。中国是世界的领先者,在截至2006年他们已经安装了70吉瓦(GW),并且部署了在2020年安裝210吉瓦(GW)的长远目标[30]以色列塞浦路斯是在人均使用量上面的领先者,超过90%的家庭使用太阳能热水系统[31]。在美国加拿大澳大利亚占主导地位的应用是加热游泳池,在2005年太阳能热水应用的装机容量为18吉瓦(GW)[11]

加热,冷却和通风[编辑]

在美国,暖通空調(英语:Heating, Ventilation and Air Conditioning,簡稱:HVAC)系统占用商业楼宇使用的的能量30%(4.65 EJ),和在住宅建筑近使用的能源的50%(10.1 EJ)。[32]太阳能加热,冷却和通风技术可用于抵销了这些能量的一部分。

水处理[编辑]

小規模的太陽能污水處理廠。

太阳能可用于蒸馏处理盐水或半咸水使其可成饮用水。这种应用的首次记录是在16世纪的阿拉伯炼金术士[33]。首先构建一个大型的太阳能蒸馏项目于1872年在智利的矿业城市拉斯维加斯萨利纳斯(Las Salinas)[34]。该工厂有4700平方米的太阳能集热面积,每天可产生高达22,700升淡水,并经营了40年[34]

烹饪[编辑]

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

太阳灶利用太阳光蒸煮,干燥和杀菌消毒。它们可分为三大类:箱灶具,面板灶具和反射灶具。[35]最簡單的太陽灶是箱灶具,首先由奥拉斯-贝内迪克特·德索叙尔在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]

热处理[编辑]

太阳能聚光技术,如抛物面碟形,槽形及Scheffler反射器可为商业和工业应用提供工业用热。

蒸发池是通过蒸发作用浓缩溶解固体的浅水池。使用蒸发池的从海水中获得的盐是太阳能最古老的应用之一。现代应用包括浓缩浸矿用卤水的解决方案和从废物流中除去溶解固体。[38]

通过蒸发作用由风和阳光的晾衣绳,晾衣架晾衣服不消耗电力或煤气。在美国的一些州,有立法保护衣服的“晾干的权利”。[39]

光電轉換[编辑]

光電轉換又稱太陽能光伏。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,幾乎以半導體物料(例如硅)製成的薄身固體太陽能電池組合。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)。簡單的光伏電池可為手錶計算機提供能源,較大的光伏系統可為房屋照明,並為電網供電。

太陽能板可以製成不同形狀,而又可并联、串联,以產生更多電力。近年,天台建築物表面開始使用光伏组件,被用作窗戶天窗或遮蔽裝置的一部分,這些光伏設施通常被稱為附設於建築物的光伏系统

聚光太阳能热发电[编辑]

聚光太陽能發電(CSP)系統使用透鏡或反射鏡和跟踪系統,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。跟踪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]

全球光熱發電 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
裝置量(MW)[41] 412 479 537 782 1,256 1,721 2,584 3,804 4,380 4,650
發電量(GWh)[42] 551 685 898 924 1,646 2,862 4,766 5,460


太阳能光伏[编辑]

德国的19 MW 太阳能光伏发电园区
國家可再生能源實驗室英语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

一種太阳能电池或光伏電池(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。

全球太陽能光伏裝置量前十國(2015年)[41]
國家 太陽能光伏裝置量

百萬瓦(MW)

 中华人民共和国 43,050
 德國 39,634
 日本 33,300
 美國 25,540
 義大利 18,910
 英國 9,077
 法国 6,549
 澳大利亚 5,031
 印度 4,964
 西班牙 4,832
歐盟太陽能光伏發電量前十國(2015年)[43]
國家 太陽能光伏發電量

百萬千瓦時(GWh)

 德國 38,432
 義大利 22,847
 西班牙 8,264
 英國 7,556
 法国 6,700
 希臘 3,818
 比利時 2,865
 捷克 2,261
 羅馬尼亞 1,328
 保加利亚 1,302


全球光伏發電 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
裝置量(MW) 1,275 1,602 2,037 2,598 3,684 5,083 6,658 9,305 15,929 24,194
發電量(GWh) 1,028 1,257 1,590 2,007 2,607 3,682 5,040 6,833 11,387 19,345
全球光伏發電 2010 2011 2012 2013 2014 2015
裝置量(MW) 41,345 71,304 101,560 140,150 180,396
發電量(GWh) 31,410 60,623 96,749 134,484 185,882
佔全球發電量比 0.15% 0.27% 0.43% 0.58% 0.79% [44]

太陽化学[编辑]

太阳能的化学过程利用太阳能来驱动化学反应。

優點[编辑]

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絕,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。

太阳能电池组件可以安装在建筑物上,称为光电一体化建筑,如此太阳能电池板不仅可以在有阳光的时候产生电力,还能達到隔热的作用,可以有效降低建筑物内部的温度,降低建筑能耗;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。

北非那些高輻射又乾旱到無法種出農作物的沙漠國家,還可以把剩下的太陽能賣給電力公司,達到賺錢的效果(不過對於其他國家,太陽能的使用是不能影響到農業及生態)。

缺點[编辑]

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,太陽能电池板壽命有限。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。

世界各国家地区對太陽能的政策[编辑]

 中华人民共和国[编辑]

  • 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,中华人民共和国财政部印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》,对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。
  • 2011年7月24日,中国国家发展和改革委员会发布《国家发展改革委关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》
  • 2012年9月13日,中国国家能源局发布《太阳能发电发展“十二五”规划》[45]。《规划》提出,到2015年底,中国太阳能发电装机容量达到21吉瓦(GW)以上,这意味着未来3年中国光伏发电装机容量有望扩大6倍以上。这个规划提出加快推动太阳能技术产业创新发展。

 澳大利亚[编辑]

 德國[编辑]

  • 德国《可再生能源法》于2000年4月出台,其前身是1991年生效的《强制输电法案》。《可再生能源法》是开发和利用可再生能源,加强节能环保的纲领性法规,后随时间推移和形势变化多次修改补充。
  • 2009年新《可再生能源法》设定,2020年德国的可再生能源在电力消费中的占比目标为30%。德国《可再生能源法》的基本政策方针是可再生能源优先以強制固定费率入网(feed-in tariffs),即依法強制电网运营商必须以法律规定的固定费率,收购可再生能源供应商的电力。同时,供电商再根据全部入電网的可再生能源、传统能源成本状况,厘定电价。这样,尽管可再生能源目前的成本还高于传统能源的,但《可再生能源法》为可再生能源提供了和传统能源同样的机会;再加上可再生能源还有其他方面优惠,使其发展风险得以大大降低。
  • 德国是世界顶极的太阳能光伏(PV)安装国家之一,在2011年的用光伏发电的容量達到25 GW。在2012-10-31,有31.62 GW光伏发电连接电网。[46] [47]
  • 德国联邦政府已制定到2030年安装的太阳能光伏发电容量66 GW的目标[48],年均增长将达到2.5-3.5 GW[49],和到2050年80%的电力来自可再生能源的目标。[50]

 西班牙[编辑]

 美國[编辑]

相關條目[编辑]

參考文獻[编辑]

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外部链接[编辑]

相關期刊論文[编辑]