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太阳能

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太阳能英语:Solar energy),是指来自太阳辐射出的[需要消歧义]被不断发展的一系列技术所利用的一种能量,如,太阳热能集热器英语太陽熱能集熱器太阳能光伏发电太阳热能发电,和人工光合作用英语Artificial photosynthesis[1][2]

地球形成生物就主要以太阳提供的生存,而自古人类也懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制[需要消歧义]和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下,才有意把太阳能进一步发展。

太阳能技术分为有源(主动式)及无源(被动式)两种。有源的例子有太阳能光伏光热转换,使用电力或机械设备作太阳能收集,而这些设备是依靠外部能源运作的,因此称为有源。无源的例子有在建筑物引入太阳光作照明等,当中是利用建筑物的设计、选择所使用物料等达至利用太阳能的目的,由于当中的运作无需由外部提供能源,因此称为无源。

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称为远古的太阳能。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 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,以至于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,主要根据纬度的不同来利用太阳能。[10]

太阳能技术的应用[编辑]

显示的土地面积(黑色小点)的平均日射量与太阳能发电(18 TW是每年568 Exajoule,EJ)取代世界初级能源供应量需要。 日射量对于大多数人来说是从150到300 W/m2或3.5至7.0 kWh/m2/天.
美国加州阳光充沛,适合利用太阳能发电。图中乃美国加州一座于楼顶安装了太阳能电池板用作供电的洗衣房。

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]

利用太阳能的方法主要有:

直到近期,太阳能还只能小规模使用,利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了很好的应用,而且在一些情况下,太阳能发电已经有经济竞争力;现在太阳能的成本已经在许多市场达到电网平价。

目前,全球最大的屋顶太阳能面板系统位于德国南部比兹塔特Bürstadt),面积为四万平方米,每年的发电量为0.5万千瓦时

日本为了达成京都议定书二氧化碳减量要求,全日本都普设太阳能光伏板,位于日本中部的长野县饭田市,居民在屋顶设置太阳能光伏板的比率甚至达2%,堪称日本第一。

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]

像这些在荷兰的韦斯特兰市的温室大棚种植蔬菜,水果和鲜花。

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]虽然阳光被普遍认为是一个丰富的资源,例外情况突出显示太阳能能源以农业的重要性。

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。

太阳能泵也可以用在农业和园艺业的灌溉上。

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,太阳能车例如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67千米每小时(42英里每小时),并在2007年获奖者的平均时速已提高到90.87千米每小时(56.46英里每小时)。[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)。

光热转换[编辑]

美国油式太阳能集热阵列,由于不使用高价太阳能光伏而纯粹采用镜面集热反成为最先达到经济规模的太阳电厂,量产后成本还能再降低
太空设立太阳能太空站的想像图

现代的太阳能科技可以将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。集热式太阳能(Solar Thermal)。原理是将镜子反射的太阳光,聚焦在一条叫接收器的玻璃管上,而该中空的玻璃[需要消歧义]可以让流过。从镜子反映的太阳光会令管子内的油升温,产生蒸气,再由蒸气推动涡轮机发电。[27]除了运用适当的科技来收集太阳能外,建筑物亦可利用太阳的光和热能,方法是在设计时加入合适的装备,例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。在适当地点,太阳能的长期使用成本已经接近甚至低于传统的化石燃料。

太阳能热水器[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年安装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,暖通空调(英语:Heating, Ventilation and Air Conditioning,简称: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]

小规模的太阳能污水处理厂。

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]

印度黎明之村的太阳碗,集中太阳光在一个可移动的接收器上产生蒸汽烹调

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]最简单的太阳灶是箱灶具,首先由奥拉斯-贝内迪克特·德索叙尔在1767年建造。[36]一个基本的箱灶具包括一个用透明盖子的隔热容器。它可以有效地在局部阴天使用,通常温度将可达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]

光伏转换[编辑]

光伏转换又称太阳能光伏。太阳能板是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置,几乎以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体太阳能电池组合。由于没有活动的部分,故可以长时间操作而不会导致任何损耗(薄膜太阳能电池会有光衰退的现象)。简单的光伏电池可为手表计算机提供能源,较大的光伏系统可为房屋照明,并为电网供电。

太阳能板可以制成不同形状,而又可并联、串联,以产生更多电力。近年,天台[需要消歧义]建筑物表面开始使用光伏组件,被用作窗户天窗或遮蔽装置的一部分,这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统

聚光太阳能热发电[编辑]

聚光太阳能发电(CSP)系统使用透镜或反射镜和跟踪系统,把大面积的阳光聚焦到一个小光束。然后将集中的热量用作常规发电厂的热源。广泛存在聚光技术,最发达的技术是抛物槽,集中线性菲涅尔反射镜,斯特林盘和太阳能发电塔。跟踪太阳和光线聚焦用了各种技术。在所有这些系统中,工作流体被聚光的太阳光加热,然后将其用于发电或能量存储。[40]

全球光热发电 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
装置量(MW)[41] 412 479 537 782 1,256 1,721 2,584 3,804 4,380 4,650
发电量(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
国家可再生能源实验室英语National Renewable Energy Laboratory(NREL) 编纂的从1976年到现在的太阳能电池效率的最好的研究

一种太阳能电池或光伏电池(PV),是一种利用光伏效应将光转换成电流使用的装置。于1880年代,第一个太阳能电池由查尔斯Fritts(Charles Fritts)构造。

全球太阳能光伏发电统计 [43]
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
装置量(MW) 1,313 1,592 2,033 2,595 3,682 5,083 6,671 9,370 16,226 24,514
发电量(GWh) 1,090 1,337 1,686 2,128 2,785 3,942 5,449 7,385 12,218 20,501
2010 2011 2012 2013 2014 2015
装置量(MW) 41,346 71,810 100,818 139,048 179,998 230,606
发电量(GWh) 33,333 63,835 101,919 142,588 190,773 253,037
占全球发电量比 0.16% 0.29% 0.45% 0.61% 0.80% 1.05%
全球太阳能光伏装置量前十国(2015年)[41]
国家 太阳能光伏装置量

百万瓦(MW)

 中华人民共和国 43,050
 德国 39,634
 日本 33,300
 美国 25,540
 意大利 18,910
 英国 9,077
 法国 6,549
 澳大利亚 5,031
 印度 4,964
 西班牙 4,832
欧盟太阳能光伏发电量前十国(2015年)[44]
国家 太阳能光伏发电量

百万千瓦时(GWh)

 德国 38,432
 意大利 22,847
 西班牙 8,264
 英国 7,556
 法国 6,700
 希腊 3,818
 比利时 2,865
 捷克 2,261
 罗马尼亚 1,328
 保加利亚 1,302

太阳化学[编辑]

太阳能的化学过程利用太阳能来驱动化学反应。

优点[编辑]

在光照充足的地区(例如:太空向阳区、海洋、海岸、空旷岩地...),太阳能的供应源源不绝,使用过程不会产生环境污染,亦不会产生温室气体导致地球温室效应加剧。

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,还能达到隔热的作用,可以有效降低建筑物内部的温度,降低建筑能耗;而且分散式发电的大规模停电风险较低。此外,将太阳能电池安装于家家户户,可以提供大量的在地工作机会,节省社福及社会成本。

太阳能虽具有间歇性,但太阳能发电量与用电尖峰需求呈现正相关,许多电力公司需要兴建只在高峰时间发电的电厂,这种电厂的成本较高,以太阳能取代此类发电厂,很早就具有经济效益。

太阳能的成本下降速度很快,在许多情况已经达到电网平价。

北非那些高辐射又干旱到无法种出农作物的沙漠国家,还可以把剩下的太阳能卖给电力公司,达到赚钱的效果(不过对于其他国家,太阳能的使用是不能影响到农业及生态)。

缺点[编辑]

目前利用太阳能的各种技术都具有成本高的缺点,因此首期资本投资不菲;不过近来这已经不是问题,因为全球有太多找不到投资标的的资金,而且整体寿命周期来看,太阳能已经在许多情况下达到电网平价,因此可以把过多的游资投入太阳能等再生能源。

另外,在许多阴雨绵绵或是日照短的地区,很难完全靠太阳能供应,投资报酬率较低。另外,除非有大量的太阳能板或更成熟的太阳能技术,不然目前仍然难以产生大量电源供给使用是其缺点。

除此之外,太阳能电池板寿命有限。大约是10-30年。而生产时所需使用的大量可能会造成其他方面的污染,需妥善管控处理。

世界各国家地区对太阳能的政策[编辑]

 中华人民共和国[编辑]

  • 2006年6月,中国成立风能太阳能资源评估中心
  • 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]

 德国[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强制固定费率入网(feed-in tariffs),即依法强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电网的可再生能源、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达到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]

 美国[编辑]

相关条目[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Solar Energy Perspectives: Executive Summary. International Energy Agency. 2011. (原始内容 (PDF)存档于2011-12-03). 
  2. ^ Solar Fuels and Artificial Photosynthesis. Royal Society of Chemistry 2012 http://www.rsc.org/ScienceAndTechnology/Policy/Documents/solar-fuels.asp (accessed 11 March 2013)
  3. ^ Smil (2006), p. 12
  4. ^ Archer, Cristina; Jacobson, Mark. Evaluation of Global Wind Power. Stanford. [2008-06-03]. 
  5. ^ 5.0 5.1 Renewable Energy Sources (PDF). Renewable and Appropriate Energy Laboratory: 12. [2012-12-06]. 
  6. ^ Total Primary Energy Consumption. Energy Information Administration. [2013-06-30]. 
  7. ^ Total Electricity Net Consumption. Energy Information Administration. [2013-06-30]. 
  8. ^ Natural Forcing of the Climate System. Intergovernmental Panel on Climate Change. [2007-09-29]. 
  9. ^ Exergy (available energy) Flow Charts 2.7 YJ solar energy each year for two billion years vs. 1.4 YJ non-renewable resources available once.
  10. ^ PVWatts Viewer
  11. ^ 11.0 11.1 Philibert, Cédric. The Present and Future use of Solar Thermal Energy as a Primary Source of Energy. IEA. 2005. (原始内容 (PDF)存档于2011-12-12). 
  12. ^ 艺术与建筑索引典—被动式太阳能加热于2010年7月14日查阅
  13. ^ Darmstadt University of Technology solar decathlon home design. Darmstadt University of Technology. [2008-04-25]. (原始内容存档于October 18, 2007). 
  14. ^ Schittich (2003), p. 14
  15. ^ Butti and Perlin (1981), p. 4, 159
  16. ^ Jeffrey C. Silvertooth. Row Spacing, Plant Population, and Yield Relationships. University of Arizona. [2008-06-24]. 
  17. ^ Kaul (2005), p. 169–174
  18. ^ The WORLD Solar Challenge - The Background (PDF). Australian and New Zealand Solar Energy Society. [2008-08-05]. (原始内容 (PDF)存档于July 19, 2008). 
  19. ^ North American Solar Challenge. New Resources Group. [2008-07-03]. 
  20. ^ South African Solar Challenge. Advanced Energy Foundation. [2008-07-03]. (原始内容存档于June 12, 2008). 
  21. ^ Vehicle auxiliary power applications for solar cells 1991 Retrieved 11 October 2008
  22. ^ systaic AG: Demand for Car Solar Roofs Skyrockets 26 June 2008 Retrieved 11 October 2008
  23. ^ Electrical Review Vol 201 No 7 12 August 1977
  24. ^ Schmidt, Theodor. Solar Ships for the new Millennium. TO Engineering. [2007-09-30]. 
  25. ^ The sun21 completes the first transatlantic crossing with a solar powered boat. Transatlantic 21. [2007-09-30]. 
  26. ^ PlanetSolar, the first solar-powered round-the-world voyage. PlanetSolar. [2008-08-19]. [失效链接]
  27. ^ Martin LaMonica. Big solar: Utility-scale power plants arise. cnet news. May 26, 2008. 
  28. ^ Renewables for Heating and Cooling (PDF). International Energy Agency. [2008-05-26]. 
  29. ^ Weiss, Werner; Bergmann, Irene; Faninger, Gerhard. Solar Heat Worldwide(Markets and Contributions to the Energy Supply 2005) (PDF). International Energy Agency. [2008-05-30]. 
  30. ^ Renewables 2007 Global Status Report (PDF). Worldwatch Institute. [2008-04-30]. 
  31. ^ Del Chiaro, Bernadette; Telleen-Lawton, Timothy. Solar Water Heating(How California Can Reduce Its Dependence on Natural Gas) (PDF). Environment California Research and Policy Center. [2007-09-29]. 
  32. ^ Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential (PDF). United States Department of Energy: 2–2. [2008-06-24]. 
  33. ^ Tiwari (2003), p. 368–371
  34. ^ 34.0 34.1 Daniels (1964), p. 6
  35. ^ Anderson and Palkovic (1994), p. xi
  36. ^ Butti and Perlin (1981), p. 54–59
  37. ^ Anderson and Palkovic (1994), p. xii
  38. ^ Bartlett (1998), p.393–394
  39. ^ Thomson-Philbrook, Julia. Right to Dry Legislation in New England and Other States. Connecticut General Assembly. [2008-05-27]. 
  40. ^ Martin and Goswami (2005), p. 45
  41. ^ 41.0 41.1 International Renewable Energy Agency: Renewable Capacity Statistics 2016 PDF
  42. ^ International Energy Agency: www.iea.org/statistics/statisticssearch/report/?country=WORLD&product=electricityandheat&year=2013
  43. ^ BP: Statistical Review of World Energy 2016
  44. ^ Observ'ER Photovoltaic barometer 2016. 
  45. ^ {{Cite web|url=http://www.cusdn.org.cn/news_detail.php?md=3&pid=1&id=214923 |title=能源局印发太阳能发电发展“十二五”规划 |publisher=中国城市低碳经济网 |date=2012-09-13
  46. ^ [1] (in German)
  47. ^ Bund und Länder beenden Streit um Solarförderung (in German)
  48. ^ Property Wire. Germany Reducing Incentives For Solar Property Investment. NuWire Investor. 2010-04-22 [2010-09-10]. 
  49. ^ Lang, Matthias. New German 7.5 GWp PV Record by End of 2011. German Energy Blog. 21 November 2011 [9 January 2012]. 
  50. ^ Germany

外部链接[编辑]

相关期刊论文[编辑]