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19.3: 太阳能

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    太阳能是指来自太阳的热能或光能。 太阳能是迄今为止最丰富的可再生能源，以每小时12万太瓦（TW）的速度输送到地球表面，而2019年全年的全球人类使用量为19.8兆瓦。 从角度来看，用太阳能电池板覆盖撒哈拉沙漠的1.2％可以满足地球的能源需求。 当然，这不考虑存储容量和分配能量能力的限制。

    利用太阳能的技术可以是被动的，也可以是主动的。 被动式太阳能技术不需要复杂的设备，可以像使用窗户或天窗的自然光照亮房间一样简单（图\(\PageIndex{a}\)）。 同样，太阳能管内衬有反射材料，可以集中光能以更好地照亮房间（图\(\PageIndex{a}\)）。 它们像普通灯具一样嵌入在天花板上。

    天窗看起来像天花板上稍微打开的窗户EfficiencySkylights1200.jpg
    图\(\PageIndex{a}\)：天窗和太阳能管（管状采光装置，TDD）。 虽然天窗类似于安装在天花板上的窗户，但太阳能管使用透镜和反射衬里来聚焦阳光，为房屋较暗的部分提供明亮的照明。 是什么让天窗节能？ 传统天窗是使用与窗户相同技术的天窗，但这些技术对于天窗来说更有价值，因为天窗在夏季阳光直射，冬季的室外/内部温差更大。 管状采光设备在屋顶收集阳光，然后将其向下传输到安装在内表面（通常是天花板）的漫射透镜。 来自 TDD 的自然光可以照亮壁橱、浴室、走廊或其他通常无法获得阳光的空间，从而减少对电力照明的需求。 左图为美国能源部（公共领域），右图为能源之星（公共领域）。

    太阳能也可以用作热量，通过精心的建筑可以最大限度地利用太阳能（图\(\PageIndex{b}\)）。 首先，该建筑需要朝南的窗户（或玻璃门）。 当阳光穿过这些区域时，能量储存在建筑物的热物质中。 这是指诸如岩石或瓷砖之类的散热材料。 建筑物的设计还使热量随后分布在整个建筑物中。 最后，屋顶屋檐或类似结构在夏季阻挡阳光进入家中。

    房屋的一部分，显示冬日阳光透过窗户进入以及吸收和分布。
    图\(\PageIndex{b}\)：该建筑设计在冬季使用阳光取暖，因此是一种被动式太阳能技术。 屋顶悬物起到控制作用，可以阻挡较高的夏日阳光，同时允许较低的冬季阳光穿过窗户（光圈）。 然后，来自太阳的热能被分配到建筑物中。 热物质（例如瓷砖或石材地板）吸收并随后释放热能。 图片由美国能源部（公共领域）提供。

    简单的太阳能热水器是一种被动技术，由太阳加热的管网组成（图\(\PageIndex{c}\)）。 然后，热水通过房屋的充气流动。 （有些太阳能热水器更复杂，使用水泵，因此被认为是主动式太阳能技术。）

    太阳能热水器的顶部有一个圆柱形水箱，成排的管子与之对角线。
    图\(\PageIndex{c}\)：太阳能热水器。 图片由 Vijayanarasimha/Pixabay（公共领域）提供。

    主动太阳能技术更为复杂。 例如，太阳能电池板使用光能发电（图\(\PageIndex{d}\)）。 这种情况发生在太阳能电池板的单元中，这些单元被称为光伏电池（光伏电池；图\(\PageIndex{e}\)）。 每个光伏电池由两层半导体组成，这些物质只能在某些情况下传导电能。 （相比之下，导体总是传导电能，而绝缘体不能。） 一个半导体有额外的电子，但另一个半导体有额外的电子空间。 当光照射在光伏电池上时，它会使电子从半导体层之间移动，穿过连接它们的导体（例如金属线或板）。 这种运动会产生电流。

    屋顶太阳能装置是深色平板电池板，里面装有较小的电池。 城市景观在背景中可见。
    图\(\PageIndex{d}\)：在伊利诺伊大学芝加哥分校道格拉斯霍尔安装屋顶太阳能对土地资源没有影响，同时发电量为零排放。 资料来源：UIC 可持续发展办公室
    光伏电池显示玻璃、两个半导体层和电子的运动。
    图\(\PageIndex{e}\)：由两层半导体组成的光伏电池示意图。 顶部（n 型）半导体有额外的电子，底部（p 型）半导体有额外的电子点（孔）。 交汇点将这两个图层分开。 光释放电子，允许它们穿过 n 型的电线，填充 p 型半导体中的 “电子洞”。 电子通过电线的运动会产生电流。 图片由美国能源信息管理局提供（公共领域）。

    该视频解释了太阳能电池板中的光伏电池如何发电。

    主动太阳能技术的另一个例子是太阳热技术。 这包括使用一系列镜子来聚焦太阳能，最终产生蒸汽。 蒸汽从那里转动涡轮机并为发电机提供动力（图\(\PageIndex{f}\)）。

    镜子将阳光反射到液体管中。 这会加热产生蒸汽的水循环，为发电机提供动力。
    图\(\PageIndex{f}\)：在太阳能热技术中，（1）反射镜或反射镜集中太阳光线加热一种吸收热量的特殊液体。（2）这种液体产生的热量在热交换器的帮助下将水煮沸产生蒸汽。（3）蒸汽旋转与发电机相连的涡轮机，它会产生电能。（4）蒸汽冷却并冷凝回水，水被回收、重新加热，然后再次转化为蒸汽。 EPA（公共领域）的图片和标题（已修改）。

    不仅太阳能丰富，而且使用太阳能电池板发电不会产生空气污染或助长气候变化。 （太阳能电池板的制造会产生一些污染，包括温室气体排放，但与化石燃料相比，这种污染微乎其微。） 与风能一样，太阳能的扩张可以创造就业机会和提振经济。 与风一样，阳光是间歇性的，太阳能的存储受电池容量的限制。 有些地方没有持续的阳光直射，不适合安装太阳能电池板。 尽管太阳能历来是最昂贵的可再生能源形式，但新技术降低了其成本。

    太阳能电池板的放置决定了它们对环境的影响。 太阳能电池板通常放置在建筑物的屋顶或停车场上方，或者以其他方式集成到建筑物中。 但是，大型系统可能会被放置在陆地上，尤其是在沙漠中，如果不加以注意，这些脆弱的生态系统可能会受到破坏。 此外，太阳能发电厂可以争夺农业空间。

    太阳能的其他缺点是耗水（用于某些用途）和产生危险废物。 大型反射镜和透镜网络可能需要定期用水清洁，这些网络将太阳能集中在太阳能热系统中发电或用于加热。 冷却涡轮发电机也需要水。 在一些干旱地区，使用地下水井的水可能会影响生态系统。 光伏电池的制造会从加工中使用的化学品和溶剂中产生一些危险废物。 一些太阳能热系统使用有潜在危险的液体（传递热量），需要妥善处理和处置。 但是，在耗水量和危险废物生成方面，核能超过太阳能。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：