太陽能是來自太陽的熱量和輻射光，可以通過太陽能（用于發電）和太陽能熱能（用于熱水等應用）等技術加以利用。

作為一種可再生的清潔能源，太陽能可以替代化石燃料、產生熱量、產生化學反應和發電。太陽能技術可以靈活地大規模構建，并允許將收集到的能量儲存起來以備后用。

每天到達地球的潛在太陽能量遠遠超過世界當前和預期的未來能源需求。問題是如何利用潛力，為了理解這一點，我們需要看看太陽能是如何工作的……

太陽能如何工作？

太陽光是到達地球的最大能源，但盡管如此，由于太陽輻射從遙遠的太陽傳播時的徑向擴散，到達地球表面的能量強度相對較低。更多的陽光在地球大氣層中丟失，并且由于云層，它們之間散射了多達 54% 的入射光。因此，到達地面的太陽光大約是 50% 的可見光和 45% 的紅外輻射，其余的則由少量的紫外線和其他類型的電磁輻射組成。雖然大部分太陽能在到達地球表面時會損失掉，但這種能量仍然相當于世界每日總發電量的 20 萬倍左右。然而，利用這種可再生資源可能很困難，因為收集，

例如，當利用太陽能電池板時，太陽輻射可以轉化為電能，或者轉化為更容易實現的熱能（熱能）。

發電

可以使用太陽能電池從陽光中發電（也稱為光伏電池）。當陽光照射到太陽能電池上時，會產生一個小的電壓，因為光伏效應發生在金屬和半導體（如硅）或兩種不同的半導體之間。光伏效應釋放電子，當半導體呈現出自然的電位（電壓）差異時，電子會流過外部電路。這為負載提供少量電力，每個光伏電池產生約 2 瓦的電力。用大量太陽能電池創建太陽能電池板陣列可以產生數千千瓦的能量。大多數現代光伏電池的能源效率約為 15-22%（盡管正在改進），這意味著可能需要大型組件來產生適度的電力。

太陽能電池的常見小規模用途包括為袖珍計算器和手表提供電源，而房主和企業使用更大的陣列來替換或增加他們的傳統電源，太陽能發電廠可以通過集中或集中太陽能來提供更高水平的發電。帶有對齊的鏡子或透鏡的光。這種聚焦可以將目標加熱到 2,000 °C (3,600 °F) 或更高，運行產生蒸汽的鍋爐，從而轉動渦輪機并為發電機供電。一種方法是將熱量集中在變黑的管道上，水通過這些管道加熱。

熱能

有幾種技術可用于捕獲太陽能并將其轉化為熱能。一種更常見的方法是使用大型平板集熱器，通常由覆蓋玻璃片的黑色金屬板制成。這些板的表面積約為 40 平方米，當陽光照射在它們上面時會變熱。諸如水之類的載液流過板的背面，加熱，因此熱能可以直接使用或作為不同的介質存儲。平板集熱器用于太陽能水或房屋供暖，在晴天收集熱水并儲存在隔熱水箱中，以便在夜間或陰天使用。熱水可以直接從儲水箱中抽取，也可以通過地板和天花板的管道為家庭或商業場所供暖，作為空間供暖。這些載液通常被加熱到 66 到 93°C 之間。這種收集方法的效率為 20-80%，具體取決于收集器的設計。

太陽能池也可以實現熱能轉換。這些是收集和儲存太陽能的鹽水體，可用于生產化學品、食品和紡織品等產品，也可用于加熱溫室、游泳池和畜舍。太陽能池也可用于使用有機朗肯循環發動機發電，但它們的安裝成本相當高，而且它們的使用通常僅限于溫暖的農村地區。

太陽能熱能的另一個用途是在便攜式太陽能烤箱中烹飪食物，該烤箱通常將來自太陽的太陽能集中在一個廣泛的區域收集到一個中心點，一個黑色表面的容器將陽光轉化為熱量。

優點

太陽能具有許多固有的優勢：

• 可再生能源：太陽能是一種完全可再生能源
• 無燃料成本：沒有與太陽能相關的燃料成本，這將節省資金
• 環保：與化石燃料等其他能源不同，太陽能不會釋放任何有害的天然氣或有害的副產品

缺點

盡管具有固有的優勢，但太陽能也存在一些缺點：

• 可靠性：太陽能取決于天氣和日照時間。這意味著它比其他地方更適合世界的某些地方
• 成本：雖然成本正在降低，但太陽能電池板等太陽能技術的安裝成本可能很高

示例和應用

太陽能已經找到了豐富的應用，無論是基于熱能或電能的產生，甚至是更被動地利用每天從太陽到達地球的光和熱……

熱能應用

熱能有多種應用，包括加熱水、冷卻或加熱建筑物、產生過程熱量、烹飪、水處理和熔鹽技術。

1.水加熱

陽光可用于使用真空管集熱器、玻璃平板集熱器和無釉塑料集熱器來加熱水。太陽能熱水系統在中國廣泛部署，以色列、塞浦路斯等國家人均使用量居世界前列，而澳大利亞、加拿大和美國則主要使用太陽能熱水加熱游泳池。

2. 冷卻、加熱和通風

太陽能可用于加熱、冷卻和通風。根據是否使用太陽能聚光光學元件或太陽跟蹤等有源元件，太陽能加熱分為被動太陽能概念和被動太陽能概念。熱質是任何可用于儲存熱量的材料，也可用于干旱或溫暖的溫帶氣候，以保持建筑物涼爽。這些材料包括石頭、水泥或水，它們在白天吸收太陽能，然后在涼爽的夜間散發熱量。熱質量的大小和位置取決于氣候、日照時間和陰影等因素，但可以減少對輔助冷卻或加熱設備的需求。太陽能或熱能煙囪也可用于通風，讓空氣在內部加熱，形成上升氣流，將空氣拉過建筑物，創造通風。太陽能加熱控制的另一種被動形式涉及種植落葉樹。當種植在北半球建筑物的南側或南半球的北側時，葉子在夏天提供遮蔭，光禿禿的樹枝在冬天讓光線穿過建筑物。

3. 烹飪

幾個世紀以來，太陽能炊具一直用于烹飪、干燥和巴氏殺菌等應用。1767 年，霍勒斯·德·索緒爾 (Horace de Saussure) 制造了第一個箱式炊具，它是一個帶有透明蓋子的絕緣容器，可以達到 90-150°C 的溫度。面板炊具也使用絕緣容器，但包括一個反射面板來引導陽光并且可以達到與盒式炊具相似的溫度。反射器炊具使用聚光幾何形狀，例如盤子、槽或菲涅耳鏡來聚焦陽光，溫度可以達到 315°C，但需要直射光才能正常工作，并且必須重新定位以跟蹤太陽的運動。

4. 工藝熱

聚光技術，如拋物面盤、槽和反射器，用于為一系列工業和商業應用提供過程熱量。這包括供暖、空調、通風和發電。

5.水處理

太陽能至少從 16 世紀開始就被用于蒸餾，^以制造可飲用的微咸水或咸水。除了海水淡化，陽光還用于對水進行消毒。發展中國家每天有超過 200 萬人使用太陽能水消毒 (SODIS) 來制造飲用水。該過程包括將聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 瓶水暴露在陽光下幾個小時。利用陽光從淺水池中蒸發水也是一種從海水中獲取鹽分的傳統方法，可用于濃縮鹽水溶液或從廢物流中去除溶解的固體。

發電示例

太陽可用于利用光伏 (PV) 和聚光太陽能發電。光伏電池，通常稱為太陽能電池，將光轉化為電流，而聚光太陽能涉及使用鏡子、透鏡和太陽跟蹤系統將陽光聚焦成小光束。

1.光伏（PV）

太陽能光伏最初用于計算器等中小型應用并為家庭提供電力，多年來隨著商業太陽能發電廠和太陽能農場的發展，太陽能光伏的規模不斷擴大。太陽能的使用每年都在增長，到 2020 年將產生全球 3.5% 的電力。隨著各國尋求清潔、無污染的能源來為我們的未來提供動力，這種增長似乎將繼續下去。光伏系統使用由大量太陽能電池組成的太陽能模塊，每個太陽能電池產生少量電能。太陽能裝置可以在地面、屋頂、墻壁上，甚至可以漂浮在水體上。它們可以固定在適當的位置，也可以使用太陽能跟蹤器來跟蹤太陽在天空中的運動。太陽能電池板在北半球朝南放置，在南半球朝北放置。

2. 聚光太陽能

聚光太陽能 (CSP) 涉及使用透鏡或鏡子將陽光聚焦成小光束，并使用跟蹤系統跟蹤太陽的運動。然后，該光束的熱量用作熱源來加熱流體以發電（與傳統發電廠一樣，水被加熱以產生蒸汽，從而轉動渦輪機，從而為發電機提供動力）。集中陽光的技術包括菲涅耳反射器、拋物槽、斯特林碟和太陽能塔。CSP 設計通常需要保護免受天氣事件的影響，例如可能損壞某些太陽能發電廠使用的精細鏡面玻璃表面的沙塵暴。這可以通過安裝金屬格柵來實現，該金屬格柵提供一定程度的保護，同時允許陽光照射到鏡子上。

被動式太陽能使用

除了在發電中積極使用太陽能或作為熱能來源外，太陽光也被被動地用于一系列應用。

1. 建筑與城市規劃

自從古希臘和中國文明建造朝南的建筑以來，城市規劃和建筑就考慮到了陽光，以提供最佳的光線和溫暖。被動式太陽能建筑的工作原理是考慮結構的表面積和體積、方向、熱質量和陰影。當這些因素結合到最佳效果時，它們可以提供光線充足的空間和舒適的溫度范圍。現代太陽能建筑將這些被動方法與計算機建模、泵、風扇、太陽能照明、太陽能加熱和太陽能通風技術一起使用。由于像瀝青這樣的太陽能吸收率高的材料而導致溫度高的城市地區可以通過種植樹木和使建筑物和道路變白來降溫。

2. 農業和園藝

數千年來，優化太陽能一直是農業和園藝的重要組成部分。這為種植周期、植物行的方向、不同行高的使用和混合植物品種提供了信息，以改善對陽光的照射和作物產量。其他技術包括使用果壁作為熱物質，通過保持植物溫暖來加速成熟。在北大西洋地區被稱為“小冰河時代”（1303-1860 年）的區域降溫期間，這些果墻在英格蘭和法國被廣泛使用。自羅馬時代以來，溫室一直被用來將太陽光轉化為熱能，并允許種植不適合當地氣候的作物以及全年生產，當時原始溫室被用來為提比略皇帝全年種植黃瓜。^世紀，它們被用來保存從世界各地帶回來的外來植物。

太陽能與交通

幾十年來，人們一直在研究太陽能用于運輸用途，包括一年兩次的世界太陽能挑戰賽，以開發和比賽在澳大利亞中部的達爾文和阿德萊德之間超過 1,877 英里的太陽能汽車。太陽能電池板還用于為空調等應用提供輔助電源，從而降低燃料消耗。

第一艘太陽能船于 1975 年在英國建造，從那時起，隨著技術的發展，太陽能船已成功穿越太平洋和大西洋。

太陽能也被用于載人和無人飛行。載人太陽能飛行在 1981 年穿越英吉利海峽，在 1990 年從加利福尼亞州到美國北卡羅來納州進行了 21 個階段的飛行，并在 2016 年完成了環球航行。然而，太陽能飛行往往側重于無人駕駛飛行器（無人機）。

太陽能氣球是充滿正?？諝獾暮谏珰馇颍旉柟饧訜釙r膨脹，產生向上的浮力。雖然一些太陽能氣球對于人類飛行來說足夠大，但有效載荷重量的表面積意味著大多數太陽能氣球用于較小的應用，例如玩具市場。

太陽能燃料生產

太陽能可用于驅動化學反應，抵消化石燃料來源的使用，以創造可儲存和可運輸的燃料。這些技術可以是熱化學或光化學的，并且可以生產多種燃料。

熱化學過程和光伏電池的使用都已被探索用于生產可用作燃料的氫氣。這可以通過使用集中器在高溫下將水分解成氧氣和氫氣，利用太陽能集中器的熱量來驅動蒸汽重整，或者簡單地使用來自太陽能的清潔電力將水分解成氫氣和氧氣來實現。您可以在此處了解有關氫氣生產和環境效益的更多信息。

常見問題

簡單來說什么是太陽能？

太陽能是太陽產生的熱能和光能。人類可以通過安裝太陽能電池板或設計建筑物等活動來主動或被動地使用這種能量，以考慮到陽光的自然影響。

太陽能是做什么用的？

太陽能具有廣泛的應用，從加熱、通風和冷卻到發電、烹飪、水處理、制氫、運輸等。

太陽能是可再生能源嗎？

太陽能是一種可再生的綠色能源，具有為地球供電的潛力。太陽能電池板產生的能量沒有排放或有害的副產品。?

太陽能有效嗎？

大多數現代太陽能電池板將 15-22% 的太陽能轉化為可用電力，具體取決于定位、方向和天氣條件等因素。太陽能電池板將陽光轉化為能量的效率稱為性能。

太陽能可以儲存嗎？

太陽能可以通過使用具有特定熱容量的材料（例如石頭、熔鹽、石蠟、泥土或水）的熱質量系統來存儲。太陽能也可以直接發送到電網，用于生產可儲存的氫燃料或用于將水抽到更高的海拔，然后可以通過水力發電機釋放水來回收。使用這些方法從太陽能系統存儲的電力可以在需要時使用。

太陽能可以替代化石燃料嗎？

太陽能具有完全替代化石燃料的潛力，但它更有可能被用作更廣泛的可再生能源組合的一部分，包括風能等其他資源。?

太陽能能為世界供電嗎？

雖然太陽能很可能只是未來更多清潔能源生產方法的一部分，但它確實具有滿足世界所有能源需求的潛力。一項研究發現，要產生 2015 年世界消耗的 17.3 太瓦的電力，需要在 335 x 335 公里（43,000 平方英里）的區域內安裝太陽能電池板。這僅相當于撒哈拉沙漠的 1.2%，這是太陽能發電的理想之地，因為它每天接收超過 12 小時的陽光。當然，隨著能源消耗的增加，對電力的需求也會增加，據估計，到 2030 年，世界能源消耗將上升到 715 艾焦耳。然而，這種上升很容易通過更多的太陽能裝置來適應。預測說這樣一個項目將耗資 5 萬億美元，

太陽能可以用于交通嗎？

太陽能可用于運輸，通過使用太陽能電池板將陽光轉化為電能，如太陽能飛機、太陽能飛機和太陽能人力車等地面車輛。太陽能汽車已經開發多年，但目前還沒有量產。太陽能還可用于生產替代燃料，如電力、生物柴油和氫氣。

結論

數千年來，人類利用太陽的自然能量來優化作物生長、處理水并提供光照和溫暖。每天到達地球表面的能量大約是世界日發電量的20萬倍。

利用太陽能為一系列不同的應用發電和太陽能熱能提供了一種可再生和清潔的能源，有可能為全世界提供足夠的電力。

隨著太陽能技術的技術和效率的提高以及成本的降低，太陽能將成為世界清潔能源組合中越來越重要的一部分，以實現凈零排放的未來目標。

無論是直接使用、被動使用，還是作為生產其他燃料（如氫）的資源，太陽能都是一種免費的自然資源，在一系列應用中不斷發展。