太阳能是来自太阳的热量和辐射光,可以通过太阳能(用于发电)和太阳能热能(用于热水等应用)等技术加以利用。

作为一种可再生的清洁能源,太阳能可以替代化石燃料、产生热量、产生化学反应和发电。太阳能技术可以灵活地大规模构建,并允许将收集到的能量储存起来以备后用。

什么是太阳能?(定义、优点、缺点和示例)

每天到达地球的潜在太阳能量远远超过世界当前和预期的未来能源需求。问题是如何利用潜力,为了理解这一点,我们需要看看太阳能是如何工作的……

太阳能如何工作?

太阳光是到达地球的最大能源,但尽管如此,由于太阳辐射从遥远的太阳传播时的径向扩散,到达地球表面的能量强度相对较低。更多的阳光在地球大气层中丢失,并且由于云层,它们之间散射了多达 54% 的入射光。因此,到达地面的太阳光大约是 50% 的可见光和 45% 的红外辐射,其余的则由少量的紫外线和其他类型的电磁辐射组成。虽然大部分太阳能在到达地球表面时会损失掉,但这种能量仍然相当于世界每日总发电量的 20 万倍左右。然而,利用这种可再生资源可能很困难,因为收集,

例如,当利用太阳能电池板时,太阳辐射可以转化为电能,或者转化为更容易实现的热能(热能)。

发电

可以使用太阳能电池从阳光中发电(也称为光伏电池)。当阳光照射到太阳能电池上时,会产生一个小的电压,因为光伏效应发生在金属和半导体(如硅)或两种不同的半导体之间。光伏效应释放电子,当半导体呈现出自然的电位(电压)差异时,电子会流过外部电路。这为负载提供少量电力,每个光伏电池产生约 2 瓦的电力。用大量太阳能电池创建太阳能电池板阵列可以产生数千千瓦的能量。大多数现代光伏电池的能源效率约为 15-22%(尽管正在改进),这意味着可能需要大型组件来产生适度的电力。

太阳能电池的常见小规模用途包括为袖珍计算器和手表提供电源,而房主和企业使用更大的阵列来替换或增加他们的传统电源,太阳能发电厂可以通过集中或集中太阳能来提供更高水平的发电。带有对齐的镜子或透镜的光。这种聚焦可以将目标加热到 2,000 °C (3,600 °F) 或更高,运行产生蒸汽的锅炉,从而转动涡轮机并为发电机供电。一种方法是将热量集中在变黑的管道上,水通过这些管道加热。

热能

有几种技术可用于捕获太阳能并将其转化为热能。一种更常见的方法是使用大型平板集热器,通常由覆盖玻璃片的黑色金属板制成。这些板的表面积约为 40 平方米,当阳光照射在它们上面时会变热。诸如水之类的载液流过板的背面,加热,因此热能可以直接使用或作为不同的介质存储。平板集热器用于太阳能水或房屋供暖,在晴天收集热水并储存在隔热水箱中,以便在夜间或阴天使用。热水可以直接从储水箱中抽取,也可以通过地板和天花板的管道为家庭或商业场所供暖,作为空间供暖。这些载液通常被加热到 66 到 93°C 之间。这种收集方法的效率为 20-80%,具体取决于收集器的设计。

太阳能池也可以实现热能转换。这些是收集和储存太阳能的盐水体,可用于生产化学品、食品和纺织品等产品,也可用于加热温室、游泳池和畜舍。太阳能池也可用于使用有机朗肯循环发动机发电,但它们的安装成本相当高,而且它们的使用通常仅限于温暖的农村地区。

太阳能热能的另一个用途是在便携式太阳能烤箱中烹饪食物,该烤箱通常将来自太阳的太阳能集中在一个广泛的区域收集到一个中心点,一个黑色表面的容器将阳光转化为热量。

优点

太阳能具有许多固有的优势:

  • 可再生能源:太阳能是一种完全可再生能源
  • 无燃料成本:没有与太阳能相关的燃料成本,这将节省资金
  • 环保:与化石燃料等其他能源不同,太阳能不会释放任何有害的天然气或有害的副产品

缺点

尽管具有固有的优势,但太阳能也存在一些缺点:

  • 可靠性:太阳能取决于天气和日照时间。这意味着它比其他地方更适合世界的某些地方
  • 成本:虽然成本正在降低,但太阳能电池板等太阳能技术的安装成本可能很高

示例和应用

太阳能已经找到了丰富的应用,无论是基于热能或电能的产生,甚至是更被动地利用每天从太阳到达地球的光和热……

热能应用

热能有多种应用,包括加热水、冷却或加热建筑物、产生过程热量、烹饪、水处理和熔盐技术。

1.水加热

阳光可用于使用真空管集热器、玻璃平板集热器和无釉塑料集热器来加热水。太阳能热水系统在中国广泛部署,以色列、塞浦路斯等国家人均使用量居世界前列,而澳大利亚、加拿大和美国则主要使用太阳能热水加热游泳池。

2. 冷却、加热和通风

太阳能可用于加热、冷却和通风。根据是否使用太阳能聚光光学元件或太阳跟踪等有源元件,太阳能加热分为被动太阳能概念和被动太阳能概念。热质是任何可用于储存热量的材料,也可用于干旱或温暖的温带气候,以保持建筑物凉爽。这些材料包括石头、水泥或水,它们在白天吸收太阳能,然后在凉爽的夜间散发热量。热质量的大小和位置取决于气候、日照时间和阴影等因素,但可以减少对辅助冷却或加热设备的需求。太阳能或热能烟囱也可用于通风,让空气在内部加热,形成上升气流,将空气拉过建筑物,创造通风。太阳能加热控制的另一种被动形式涉及种植落叶树。当种植在北半球建筑物的南侧或南半球的北侧时,叶子在夏天提供遮荫,光秃秃的树枝在冬天让光线穿过建筑物。

3. 烹饪

几个世纪以来,太阳能炊具一直用于烹饪、干燥和巴氏杀菌等应用。1767 年,霍勒斯·德·索绪尔 (Horace de Saussure) 制造了第一个箱式炊具,它是一个带有透明盖子的绝缘容器,可以达到 90-150°C 的温度。面板炊具也使用绝缘容器,但包括一个反射面板来引导阳光并且可以达到与盒式炊具相似的温度。反射器炊具使用聚光几何形状,例如盘子、槽或菲涅耳镜来聚焦阳光,温度可以达到 315°C,但需要直射光才能正常工作,并且必须重新定位以跟踪太阳的运动。

4. 工艺热

聚光技术,如抛物面盘、槽和反射器,用于为一系列工业和商业应用提供过程热量。这包括供暖、空调、通风和发电。

5.水处理

太阳能至少从 16 世纪开始就被用于蒸馏,制造可饮用的微咸水或咸水。除了海水淡化,阳光还用于对水进行消毒。发展中国家每天有超过 200 万人使用太阳能水消毒 (SODIS) 来制造饮用水。该过程包括将聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 瓶水暴露在阳光下几个小时。利用阳光从浅水池中蒸发水也是一种从海水中获取盐分的传统方法,可用于浓缩盐水溶液或从废物流中去除溶解的固体。

发电示例

太阳可用于利用光伏 (PV) 和聚光太阳能发电。光伏电池,通常称为太阳能电池,将光转化为电流,而聚光太阳能涉及使用镜子、透镜和太阳跟踪系统将阳光聚焦成小光束。

1.光伏(PV)

太阳能光伏最初用于计算器等中小型应用并为家庭提供电力,多年来随着商业太阳能发电厂和太阳能农场的发展,太阳能光伏的规模不断扩大。太阳能的使用每年都在增长,到 2020 年将产生全球 3.5% 的电力。随着各国寻求清洁、无污染的能源来为我们的未来提供动力,这种增长似乎将继续下去。光伏系统使用由大量太阳能电池组成的太阳能模块,每个太阳能电池产生少量电能。太阳能装置可以在地面、屋顶、墙壁上,甚至可以漂浮在水体上。它们可以固定在适当的位置,也可以使用太阳能跟踪器来跟踪太阳在天空中的运动。太阳能电池板在北半球朝南放置,在南半球朝北放置。

2. 聚光太阳能

聚光太阳能 (CSP) 涉及使用透镜或镜子将阳光聚焦成小光束,并使用跟踪系统跟踪太阳的运动。然后,该光束的热量用作热源来加热流体以发电(与传统发电厂一样,水被加热以产生蒸汽,从而转动涡轮机,从而为发电机提供动力)。集中阳光的技术包括菲涅耳反射器、抛物槽、斯特林碟和太阳能塔。CSP 设计通常需要保护免受天气事件的影响,例如可能损坏某些太阳能发电厂使用的精细镜面玻璃表面的沙尘暴。这可以通过安装金属格栅来实现,该金属格栅提供一定程度的保护,同时允许阳光照射到镜子上。

被动式太阳能使用

除了在发电中积极使用太阳能或作为热能来源外,太阳光也被被动地用于一系列应用。

1. 建筑与城市规划

自从古希腊和中国文明建造朝南的建筑以来,城市规划和建筑就考虑到了阳光,以提供最佳的光线和温暖。被动式太阳能建筑的工作原理是考虑结构的表面积和体积、方向、热质量和阴影。当这些因素结合到最佳效果时,它们可以提供光线充足的空间和舒适的温度范围。现代太阳能建筑将这些被动方法与计算机建模、泵、风扇、太阳能照明、太阳能加热和太阳能通风技术一起使用。由于像沥青这样的太阳能吸收率高的材料而导致温度高的城市地区可以通过种植树木和使建筑物和道路变白来降温。

2. 农业和园艺

数千年来,优化太阳能一直是农业和园艺的重要组成部分。这为种植周期、植物行的方向、不同行高的使用和混合植物品种提供了信息,以改善对阳光的照射和作物产量。其他技术包括使用果壁作为热物质,通过保持植物温暖来加速成熟。在北大西洋地区被称为“小冰河时代”(1303-1860 年)的区域降温期间,这些果墙在英格兰和法国被广泛使用。自罗马时代以来,温室一直被用来将太阳光转化为热能,并允许种植不适合当地气候的作物以及全年生产,当时原始温室被用来为提比略皇帝全年种植黄瓜。世纪,它们被用来保存从世界各地带回来的外来植物。

太阳能与交通

几十年来,人们一直在研究太阳能用于运输用途,包括一年两次的世界太阳能挑战赛,以开发和比赛在澳大利亚中部的达尔文和阿德莱德之间超过 1,877 英里的太阳能汽车。太阳能电池板还用于为空调等应用提供辅助电源,从而降低燃料消耗。

第一艘太阳能船于 1975 年在英国建造,从那时起,随着技术的发展,太阳能船已成功穿越太平洋和大西洋。

太阳能也被用于载人和无人飞行。载人太阳能飞行在 1981 年穿越英吉利海峡,在 1990 年从加利福尼亚州到美国北卡罗来纳州进行了 21 个阶段的飞行,并在 2016 年完成了环球航行。然而,太阳能飞行往往侧重于无人驾驶飞行器(无人机)。

太阳能气球是充满正常空气的黑色气球,当阳光加热时膨胀,产生向上的浮力。虽然一些太阳能气球对于人类飞行来说足够大,但有效载荷重量的表面积意味着大多数太阳能气球用于较小的应用,例如玩具市场。

太阳能燃料生产

太阳能可用于驱动化学反应,抵消化石燃料来源的使用,以创造可储存和可运输的燃料。这些技术可以是热化学或光化学的,并且可以生产多种燃料。

热化学过程和光伏电池的使用都已被探索用于生产可用作燃料的氢气。这可以通过使用集中器在高温下将水分解成氧气和氢气,利用太阳能集中器的热量来驱动蒸汽重整,或者简单地使用来自太阳能的清洁电力将水分解成氢气和氧气来实现。您可以在此处了解有关氢气生产和环境效益的更多信息

常见问题

简单来说什么是太阳能?

太阳能是太阳产生的热能和光能。人类可以通过安装太阳能电池板或设计建筑物等活动来主动或被动地使用这种能量,以考虑到阳光的自然影响。

太阳能是做什么用的?

太阳能具有广泛的应用,从加热、通风和冷却到发电、烹饪、水处理、制氢、运输等。

太阳能是可再生能源吗?

太阳能是一种可再生的绿色能源,具有为地球供电的潜力。太阳能电池板产生的能量没有排放或有害的副产品。 

太阳能有效吗?

大多数现代太阳能电池板将 15-22% 的太阳能转化为可用电力,具体取决于定位、方向和天气条件等因素。太阳能电池板将阳光转化为能量的效率称为性能。

太阳能可以储存吗?

太阳能可以通过使用具有特定热容量的材料(例如石头、熔盐、石蜡、泥土或水)的热质量系统来存储。太阳能也可以直接发送到电网,用于生产可储存的氢燃料或用于将水抽到更高的海拔,然后可以通过水力发电机释放水来回收。使用这些方法从太阳能系统存储的电力可以在需要时使用。

太阳能可以替代化石燃料吗?

太阳能具有完全替代化石燃料的潜力,但它更有可能被用作更广泛的可再生能源组合的一部分,包括风能等其他资源。 

太阳能能为世界供电吗?

虽然太阳能很可能只是未来更多清洁能源生产方法的一部分,但它确实具有满足世界所有能源需求的潜力。一项研究发现,要产生 2015 年世界消耗的 17.3 太瓦的电力,需要在 335 x 335 公里(43,000 平方英里)的区域内安装太阳能电池板。这仅相当于撒哈拉沙漠的 1.2%,这是太阳能发电的理想之地,因为它每天接收超过 12 小时的阳光。当然,随着能源消耗的增加,对电力的需求也会增加,据估计,到 2030 年,世界能源消耗将上升到 715 艾焦耳。然而,这种上升很容易通过更多的太阳能装置来适应。预测说这样一个项目将耗资 5 万亿美元,

太阳能可以用于交通吗?

太阳能可用于运输,通过使用太阳能电池板将阳光转化为电能,如太阳能飞机、太阳能飞机和太阳能人力车等地面车辆。太阳能汽车已经开发多年,但目前还没有量产。太阳能还可用于生产替代燃料,如电力、生物柴油和氢气。

结论

数千年来,人类利用太阳的自然能量来优化作物生长、处理水并提供光照和温暖。每天到达地球表面的能量大约是世界日发电量的20万倍。

利用太阳能为一系列不同的应用发电和太阳能热能提供了一种可再生和清洁的能源,有可能为全世界提供足够的电力。

随着太阳能技术的技术和效率的提高以及成本的降低,太阳能将成为世界清洁能源组合中越来越重要的一部分,以实现净零排放的未来目标。

无论是直接使用、被动使用,还是作为生产其他燃料(如氢)的资源,太阳能都是一种免费的自然资源,在一系列应用中不断发展。

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