太阳能

**太陽能**（英語：Solar energy），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。

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。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（主動式）及無源（被動式）兩種。有源的例子有太陽能光電及光熱轉換，使用電力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。

## 來自太陽的能量

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。

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。

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
* 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、船、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

陽光影響了建築設計建築史的開始。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。

### 農業和園藝業

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。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。

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。世界太陽能車挑戰賽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）。北美太陽能車挑戰賽和計劃中的南非太陽能車挑戰賽是相媲美的比賽，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，客輪整合光電電池板開始出現，並且現在廣泛使用。在 1996 年，堀江謙一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 40 英尺（12 公尺）。

### 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（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（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。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。

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。以色列和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。在美國，加拿大和澳大利亞占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）。

#### 加熱，冷卻和通風

在美國，暖通空調（英語：Heating, Ventilation and Air Conditioning，簡稱：HVAC）系統占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）。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項目於 1872 年在智利的礦業城市拉斯維加斯薩利納斯（Las Salinas）。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。它可以有效地在局部陰天使用，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滷水的解決方案和從廢物流中除去溶解固體。

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」。

### 光電轉換

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，幾乎以半導體物料（例如矽）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）。簡單的光電電池可為手錶及計算機提供能源，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電組件，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

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。

#### 太陽能光電

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

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（例如：太空向陽區、海洋、海岸、空曠岩地、平面地區...），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（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

* 太陽能板的成本從 2000 年到 2018 年已經降低了 70-90% 電廠的成本，某些地區大型太陽能電廠成本已經比傳統電發還低，但屋頂型太陽成本還是偏高，約是大型電廠的兩倍，且投資電廠須要高額的初期投資。
* 如果考慮氣候，日照強度，成本和投資回報的經濟效益，太陽能系統並不適合世界的每一個角落。而在許多陰雨綿綿或是日照短的地區，太陽能的發電量偏低，投資報酬率較低。
* 大規模地面型太陽電廠，如果設計不當，會造成生態和環境的影響。
* 太陽能電池板壽命有限。大約是 20-30 年。而生產時所需使用的矽、鍺、硼可能會造成其他方面的污染，需妥善管控處理。太陽能板的原材料和電腦晶片原材料一樣。大量生產過程中化學物質是有毒有害，主要靠工廠所在地法律法規管控。
* 對電網的影響

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（世界第一）。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，而且可能超過電器設備可能受範圍 . 。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，通過稅收或其他鼓勵措施，促進工業和商業用戶的太陽能系統安裝。因為工商業用戶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。

* 對能源投資和電費管理的影響

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，政府通過財政或金融方式大力支持，電力可賣回給電力公司 （澳洲和德國）。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，通過房屋建築能效提高，既有設備運行的改善，和太陽能系統投資 ，可能會提供業主最好的投資回報 
。

## 世界各國家地區對太陽能的政策

### 中華人民共和國

* 2006 年 6 月，中華人民共和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，中華人民共和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，中華人民共和國國家能源局發布《太陽能發電發展「十二五」規劃》。《規劃》提出，到 2015 年底，中華人民共和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 年中華人民共和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。

### 澳大利亞

* 2005 年發表「陽光電城計劃」（Solar Cities initiative），目前已有聖地愛麗絲泉、阿得雷德、佩斯、湯士維爾與布萊克頓五個城市獲取政府補助打造太陽能發電系統城市。
* 2012 年前，澳洲東部各州，在政府支持下有高額電力回購計劃，例如，$0.60 澳幣每度電（$AUD/kWh）。同時政府對於太陽能板 (solar panel) 有高額補貼，在澳洲高薪水高人工成本的情況下，在 2016~2017 年，民用系統（包括太陽能板，逆變器，人工，電線和輔料，政府許可申請）可以做到 1kW 屋頂太陽能系統 1000 澳幣，或更低。截至 2017 年 12 月，澳洲東部昆士蘭州，31% 居民家安裝有屋頂太陽能系統，平均功率在 3.5 千瓦以上（世界第一）。
* 2017 年及以後，澳洲居民電力出售給電力零售商主要以市場定價為主，在 $0.06 ~$0.16 每度電。2018 年，澳洲東部昆士蘭州居民普通電力價格大約是 $0.25 澳幣每度電

### 德國

* 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占比目標為 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，厘定電價。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。
* 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，年均增長將達到 2.5-3.5 GW，和到 2050 年 80％的電力來自可再生能源的目標。

### 西班牙

* 2007 年 3 月 30 日，歐洲第一座商業太陽能發電廠（PS10 太陽能發電塔）啟用，這座電廠自 2001 年 7 月於西班牙南部的塞維亞西方 25 公里的桑路卡拉馬尤（Sanlucar la Mayor）開始興建，直到 2005 年 12 月 31 日完工，費時 4 年多建造完成。
* 2011 年 10 月，Gemasolar Thermosolar Plant 太陽能熱電廠啟用，這座電廠位於西班牙南部的塞維亞豐特斯德亞恩達盧西亞。發電容量 19.9 MW。

### 美國

* 2006 年 8 月，美國加州參議院以 36 票對 4 票獲得壓倒性的勝利，通過「百萬太陽能屋頂法案」，法案計畫在未來 10 年，在加州百萬個屋頂上裝設太陽能發電系統，將太陽能發電的上限由 0.5％提升為 2.5％，整個計畫總發電規模將達 300 萬千瓦。

### 台灣

* 2016 年 7 月，啟動「太陽光電 2 年推動計畫」，至 2018 年 12 月累積設置 1.7GW、超過 1.52GW 的計畫目標。
* 2019 年 10 月，提出 2020 年太陽光電 6.5GW 達標計畫，預計年發電量可達 46 億度電，可供 132 萬戶用電。長期目標則是 2025 年裝置容量為 20GW，漁電共生、屋頂太陽能是主要推行的相關專案。

## 相關條目

## 參考文獻

## 外部連結

* 綠色和平：太陽能（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 央視 - 中國太陽能大戰略（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

### 相關期刊論文

* （英文） 光電發電進展：研究和應用
* （英文） 太陽能（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文） 太陽能材料和太陽能電池