太阳能

地球接收到的太阳能总量远远超过世界当前和预期的能源需求，但其中不到 10% 用于满足能源需求。如果以正确的方式利用这些太阳能，它就有潜力满足所有未来的能源需求。最大的优点是太阳能是一种可再生能源，因此一旦开发出充分利用其能量的正确技术，将来就不需要寻找替代能源了。如今，太阳能的使用已变得非常普遍，但它仅用于满足世界总电力需求的 3.5%。太阳能的使用正在增加，并且正成为发电的热门选择；然而，仍有许多方面需要改进。

太阳能简介

利用太阳的热量和辐射光，通过广泛的技术和方法（如太阳能建筑、太阳能热能，包括太阳能热水、太阳能发电等）所获取的能量形式，称为太阳能。太阳能是一种重要且最受欢迎的可再生能源。太阳能因其无污染的特性和取之不尽的供应而成为最吸引人、最受欢迎的可再生能源选择。世界迅速转向太阳能的另一个主要原因是，当前的能源是不可再生资源，如石油、化石燃料、煤炭和天然气，预计它们只能持续到 21 世纪末。

太阳能潜力巨大，是目前最受欢迎的可再生能源选择，但仍有很大的改进空间。2020 年，太阳能仅占世界总电力需求的 3.5%，而 2019 年为 3%。因此，太阳能在总电力需求中的贡献有所进步，但进展非常缓慢，与太阳能满足我们总能源需求的潜力相比，这个数字非常小。Carbon Tracker Initiative 于 2021 年发布的数据显示，利用太阳能满足世界所有能源需求所需的总土地面积为 450,000 平方公里（仅占地球总陆地面积的 0.3%），几乎相当于摩洛哥、瑞典或加利福尼亚的总面积。因此，目前可用的太阳能的巨大规模使其成为发电最吸引人的可再生能源。

太阳能的优势

太阳能之所以成为最吸引人和最受欢迎的发电能源，有许多原因。与任何其他仅提供一定益处的可再生和不可再生能源相比，太阳能具有多重优势，使其成为不可再生能源的首选替代方案。以下是太阳能的一些主要优势，使其成为最受欢迎和最吸引人的发电替代能源

• 与不可再生能源不同，太阳能不会造成任何污染，并且在安装和太阳能发电过程中不会产生温室气体。因此，其发电和使用对环境没有威胁。
• 实际上，太阳能电池板几乎不需要任何维护，因为它们的寿命超过 30 年。
• 安装太阳能电池板非常容易，并且可以安装在任何地方；可以在建筑物屋顶、田野或任何其他地方。
• 由于太阳能设备可以放置在安装太阳能电池板的位置或靠近该位置，因此无需进行任何开挖即可从太阳能电池板发电。
• 随着技术的不断变化，太阳能电池板的效率正在提高，因此，今天产生较少太阳能的小型太阳能电池板在未来将能够产生更高的能量。
• 许多政府正在为安装太阳能电池板提供各种优惠，例如税收优惠、回扣计划和联邦补助金。
• 通过太阳能生产的能源和电力比传统的电流生产更安全。
• 可以使用电池与太阳能电池板配合，将它们产生的额外太阳能存储起来以备将来使用。
• 使用太阳能生产的电力可以执行所有传统的电力任务，例如为汽车供电、加热水，甚至为房屋和建筑物供电。
• 如果能够产生足够的太阳能为家庭和办公室供电，一个人甚至可以实现无电网生活。
• 太阳能电池板还在制造、安装、营销和各种其他部门创造就业机会。
• 太阳能电池板或太阳能实际上是一个很好的投资回报来源，因为一旦投资安装太阳能电池板，将来就不需要支付电费了。
• 太阳能减少了对化石燃料和外国石油的需求，这促进了经济发展，并有助于使环境免受污染。

太阳能：缺点

太阳能也有一些缺点，包括安装成本、需要大面积场地等等。太阳能发电和生产的这些缺点是太阳能在世界总能源消费中没有快速增长的主要原因。其中许多缺点是次要因素，但有些是严重的问题，只能通过政府的帮助和当前太阳能发电技术的改进来解决。以下是太阳能的一些主要缺点，包括生产和分销方面的限制

• 与以汽油、柴油或 CNG 为主要燃料的传统汽车相比，太阳能汽车的效率较低。太阳能汽车的发动机功率较小，速度也比传统汽车慢。
• 每天太阳能的总发电量完全取决于当天的天气，对此我们无能为力。阴天产生的太阳能可能不如晴天多，或者阴天可能根本不产生太阳能。
• 太阳能产生的电力是直流电（DC），直接使用 DC 电源的设备比使用交流电源（AC）的设备成本更高。
• 夜间没有太阳能，因此，捕获最大太阳能的时间有限。而且，要在有限的时间内捕获最大太阳能，需要大型电池和移动电源。
• 太阳能发电和生产的初始成本非常高，因为太阳能生产中使用的材料非常昂贵。此外，安装费用也很高，与初始投资相比，太阳能电池板的投资回报非常长（然而，随着技术的改进，太阳能电池板的材料和安装成本正在降低，因此它会随着时间的推移变得更具成本效益）。
• 如前所述，天气对太阳能生产有很大影响，因此冬季的太阳能产量将最低，这将影响能源需求周期和来源。要么在冬季切换到替代电源，要么需要大型电池或储能组来一次性捕获最大量的太阳能。
• 太阳能电池板的生产材料短缺，导致目前无法大规模生产太阳能电池板。这种无法大规模生产阻碍了降低其成本并使其能够被家家户户负担。
• 太阳能电池板的生产效率取决于太阳能电池板的安装地点，因此太阳能电池板的生产和效率因地区而异。
• 安装太阳能电池板需要大量空间，并且对于工业用途，必须有非常大的区域才能大量安装。

以上列出的太阳能缺点大多是由于缺乏改进的技术和政府对当地人民的援助。因此，技术改进和政府的辅助帮助可以解决其中大多数问题，并鼓励人们购买更多太阳能电池板。

太阳能：太阳能发电技术类型

太阳能发电所使用的技术大致分为以下两类

1. 主动式太阳能发电技术： 这些是直接参与太阳能发电和利用的技术，例如太阳能热水器、聚光太阳能发电站、光伏系统等。
2. 被动式太阳能发电技术： 这些是间接参与太阳能发电和利用的技术，例如选择支持热能发电或有利于光分散和热质量特性的建筑材料，设计建筑物空间使其能够自然收集空气和阳光，将建筑物定向朝向太阳等。

用于利用太阳能的技术类别取决于以下三个因素

• 技术如何捕获太阳能
• 技术如何分配太阳能
• 技术如何将太阳能转化为太阳能

太阳能：应用

太阳能在许多家庭的日常工作中有着广泛的应用，因为它可以用于生产多种形式的能源。太阳能是一种更清洁、更便宜的能源，因此它被用于许多领域，包括农业和发展工作。以下是太阳能最常见的应用和用途

1) 热能生产

太阳能用于产生热能，然后用于许多应用，例如工艺热生成、制冷、空间制冷、空间供暖、热水供应等。太阳能热水系统用于利用阳光加热水，其中包括以下最常见的太阳能热水器类型

• 真空管式加热器（占所有太阳能热水器的 44%）
• 平板集热器（占所有太阳能热水器的 34%）
• 无釉塑料集热器（占所有太阳能热水器的 20%）

供暖、通风和空调应用占太阳能总热能的 30%，占建筑能耗的近 50%。太阳能烟囱、太阳能聚光光学器件等应用包含在供暖、通风和空调应用类别中。

太阳能供暖或热能的使用根据应用中使用的主动元件按照以下两个概念进行划分

(i) 被动式太阳能概念

(ii) 主动式太阳能概念

此外，太阳能供暖还用于以下工业和家用电器

• 熔盐技术
• 太阳灶
• 工艺热
• 水处理

2) 发电

使用太阳能直接通过光伏电池（PV）或通过聚光太阳能的间接使用产生的电力称为太阳能。

光伏电池

光伏电池将直接照射的阳光转换为电能，这些光伏电池由具有光伏特性的半导体材料组成。光伏效应，一种在物理学、光化学和电化学中研究的现象，被商业化用于发电和作为许多设备中的光电传感器。在光伏系统中，使用多个太阳能模块，每个模块包含多个太阳能电池，用于发电。该系统已在许多专业应用中使用了很长时间，它们带来了一些希望，即未来光伏技术将能够从阳光中生产出充足的可持续能源。

聚光太阳能

聚光太阳能（CSP）是一种利用跟踪系统和镜子或透镜将大面积的阳光聚焦成一束更小的光束的系统，从而产生集中的热量。然后，产生的集中热量在传统发电厂中用作热源来发电。如今，已经开发出多种用于跟踪和聚焦阳光的技术。其中最发达的是太阳能塔、斯特林盘、聚光菲涅尔反射器和抛物线槽。

3) 城市规划和建筑

太阳能对城市规划和建筑产生了深远影响，以便它们可以作为被动式太阳能收集器。中国人最早采用先进的太阳能城市规划和建筑方法，通过将建筑物朝南定向以最大程度地捕捉阳光和温暖。以下是被动式太阳能城市规划方法和与建筑物定向相关的太阳能建筑的一些常见特征

• 热质量
• 屋檐（用于选择性地为建筑物遮阳）
• 紧凑比例（低表面积与体积比）
• 相对于太阳的取向

当这些特征根据当地环境和气候量身定制时，这种被动式太阳能建筑和城市规划可以产生光线充足的空间。

4) 农业和园艺

如今，太阳能也广泛用于农业和园艺技术，以在更低的成本下实现最大化生产。农业和园艺部门通过混合种植品种、行间错落高度、定制行方向和定时播种周期等多种技术优化太阳能的捕获方式，从而优化植物的生产力。温室技术用于将太阳能转化为热能，然后将产生的热能用作动力源，从而能够种植特别是在当地气候下自然不可能存在的作物和植物，并实现全年生产多种期望的作物和植物。

5) 交通

如今，许多专用交通工具和其他车辆使用太阳能作为其动力和燃料来源。许多车辆配备有太阳能电池板，用于辅助供电，例如空调，从而减少了车辆的传统燃料消耗。

太阳能还在许多其他应用和部门中使用，这些部门属于以下类别

• 开发和部署
• 经济学
• 燃料
• 工业应用
• 储能方法