太陽能

太陽能，是指來自太陽輻射出的光和熱被不斷發展的一系列技術所利用的一種能量，如，，太陽能光伏發電，太陽熱能發電，和人工光合作用。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬乾物件，並作為儲存食物的方法，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。人類利用太陽能有三個途徑，分別是：光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。太陽能利用技術分為有源兩種。有源的例子有太陽能光伏及光熱轉換，使用電力機械裝置作太陽能收集，而這些裝置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。潛力.地球在上層大氣層接收到174 拍瓦。大約30%的輻射被反射回太空，剩餘的122 PW被雲層、海洋和陸地吸收。太陽光在地球表面的光譜主要分佈在可見光和近紅外範圍，少部分在近紫外範圍。世界大部分人口居住在每平方米日射量為150–300瓦特/平方米或每天3.5–7.0千瓦時/平方米的地區。太陽輻射被地球的陸地表面、覆蓋了約71%的海洋以及大氣層吸收。含有海洋蒸發水的溫暖空氣上升，引起大氣環流或對流。當空氣達到高海拔，溫度較低的地方時，水蒸氣凝結成雲，降雨到地球表面，完成水迴圈。水凝結的潛熱放大了對流，產生風、氣旋和反氣旋等大氣現象。被海洋和陸地吸收的陽光使地表保持平均溫度為14 °C。透過光合作用，綠色植物將太陽能轉化為化學儲能，從而產生食物、木材和生物質，從而衍生出化石燃料。地球大氣層、海洋和陸地吸收的總太陽能能量約為122 PW·年 = 3,850,000 億艾可焦耳內就比全球一年的能量使用量還要多。 光合作用每年在生物質中捕獲約3,000 EJ的能量。人類可以利用的潛在太陽能與行星表面附近存在的太陽能數量不同，因為地理、時間變化、雲層覆蓋和人類可用的土地等因素限制了我們能夠獲取的太陽能量。在2021年，碳追蹤倡議估計，僅從太陽能發電需要的土地面積為45萬km2，約等於瑞典的面積，或者摩洛哥的面積，或者加利福尼亞州的面積。太陽能技術根據其捕獲、轉換和分配陽光的方式，以及在世界各地不同的能量利用水平上是否能夠獲取太陽能而被劃分為被動或主動。這主要取決於距離赤道的距離。儘管太陽能主要指的是利用太陽輻射實現實際目標，除了地熱能和潮汐能外，所有可再生能源都直接或間接地從太陽獲得能量。主動太陽能技術使用光伏、聚光太陽能發電、太陽熱收集器、泵和風扇將陽光轉化為有用的產出。被動太陽能技術包括選擇具有有利熱效能的材料，設計自然對流空氣的空間，並將建築物的位置與太陽相對應。主動太陽能技術增加了能源供應，被視為供給側技術，而被動太陽能技術減少了對替代資源的需求，通常被視為需求側技術。在2000年，聯合國開發計劃署、聯合國經濟和社會事務部以及世界能源理事會發布了一個每年可供人類使用的潛在太陽能量估計，該估計考慮了諸如日照、雲層覆蓋和人類可用土地等因素。該估計發現，太陽能的全球潛力為每年 ""。來自太陽的能量.地球在上層大氣傳入的太陽輻射接收了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佈在一小部分近紫外線，全部可見光，和近紅外線的光譜範圍。地球的大氣，海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是3,850,000 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。 。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。在世界各地，主要根據緯度的不同來利用太陽能。太陽能技術的應用.太陽能是指主要用於實際目的利用太陽光輻射。然而，除了地熱能和潮汐能以外，所有其他的可再生能源都是太陽的能量。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，利用太陽能光伏板，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效能，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。利用太陽能的方法主要有：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爾施塔特，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的二氧化碳減量要求，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，居民在屋頂設定太陽能光電板的比率甚至達2%，堪稱日本第一。建築和城市規劃.陽光影響了建築設計建築史的開始。先進的太陽建築和城市規劃的方法，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。農業和園藝業.農業和園藝業，為了最佳化植物生產力而致力於最佳化太陽能的捕獲。採用的技術，如定時種植週期，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。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特種作物其他植物的生長和全年的生產。太陽能泵也可以用在農業和園藝業的灌溉上。交通運輸.自1980年代以來，一個太陽能汽車的發展一直是工程目標。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,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，並在2007年獲獎者的平均時速已提高到。和計劃中的是相媲美的比賽，反映出在太陽能車的設計和開發的國際關注。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。1975年，第一艘實用的太陽能船被建造於英國。 到1995年，客輪整合光伏電池板開始出現，並且現在廣泛使用。在1996年，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。 在2010年有計劃作環球航行。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。光熱轉換.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。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，而該中空的玻璃管可以讓油流過。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。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.太陽能熱水系統利用太陽光來加熱水。在較低的地理緯度，主要用於加熱游泳池。截至2007年，太陽能熱水系統的總裝機容量約為154吉瓦。加熱，冷卻和通風.在美國，暖通空調。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.太陽能可用於蒸餾處理鹽水或半鹹水使其可成飲用水。這種應用的首次記錄是在16世紀的阿拉伯鍊金術士。首先構建一個大型的太陽能蒸餾專案於1872年在智利的礦業城市拉斯維加斯薩利納斯。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。烹飪.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。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。一個基本的箱灶具包括一個用透明蓋子的隔熱容器。它可以有效地在區域性陰天使用，通常溫度將可達90-150 °C.熱處理.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。蒸發池是透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滷水的解決方案和從廢物流中除去溶解固體。透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”。光電轉換.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。簡單的光伏電池可為手錶及計算機提供能源，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，而又可並聯、串聯，以產生更多電力。近年，天台及建築物表面開始使用光伏元件，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統。聚光太陽能熱發電.聚光太陽能發電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儲存。太陽能光伏.一種太陽能電池或光伏電池，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.太陽能的化學過程利用太陽能來驅動化學反應。優點在光照充足的地區，太陽能的供應源源不絕，且不會產生溫室氣體導致地球溫室效應加劇。太陽能電池元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，可以有效降低建築物內部的溫度，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。一些有著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。缺點.截至2017年12月，澳洲東部昆士蘭州有超過31%居民擁有屋頂太陽能系統，平均安裝功率超過3.5千瓦。但是高太陽能系統普及率也給電網電壓帶來問題。居民區中午用電量低，主要以出售電力給電力公司為主。傳統電網並沒有考慮雙向電力輸送。在居民區電力大額傳輸回電網的時候，電壓會逐步抬高，而且可能超過電器裝置可能受範圍 . 。科學研究已經有方法解決這種問題，但是都有各種成本考慮，例如，在中壓電網額外增加電壓控制裝置。對於其他國家或地區的啟示：沒有系統性的分析和規劃，單一鼓勵促進太陽能在居民區的普及會帶來新的風險。更好的方式之一是，透過稅收或其他鼓勵措施，促進工業和商業使用者的太陽能系統安裝。因為工商業使用者主要用電高峰經常在白天，太陽能系統在日照白天發電，補充工商業用電，降低工商業對電網的壓力。現實生活中的問題經常複雜多變，原因錯綜複雜。對於能源投資和電費管理也是同樣的道理，沒有適合每個方案的萬用靈丹。太陽能系統投資也許是很好的選擇，如果：當地陽光充足，電價較高而且持續漲價，政府透過財政或金融方式大力支援，電力可賣回給電力公司 。投資回報經常是能源投資的主要考量。但是系統性的檢查，評估和分析，也許會發現，在目前市場條件下，一套綜合性的方案是最合適的。例如，透過房屋建築能效提高，既有裝置執行的改善，和太陽能系統投資 ，可能會提供業主最好的投資回報相關條目.