太阳能
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太阳能（英语：Solar energy），是指来自太阳辐射出的光和热被不断发展的一系列技术所利用的一种能量，如，太阳热能集热器，太阳能光伏发电，太阳热能发电，和人工光合作用。[1][2]
自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。人类利用太阳能有三个途径，分别是：光热转换、光电转换和光化学转换。
太阳能利用技术分为有源（主动式）及无源（被动式）两种。有源的例子有太阳能光伏及光热转换，使用电力机械设备作太阳能收集，而这些设备是依靠外部能源运作的，因此称为有源。无源的例子有在建筑物引入太阳光作照明等，当中是利用建筑物的设计、选择所使用物料等达至利用太阳能的目的，由于当中的运作无需由外部提供能源，因此称为无源。
潜力
地球在上层大气层接收到174 拍瓦（PW）的入射太阳辐射（日射量）。[4]大约30%的辐射被反射回太空，剩余的122 PW被云层、海洋和陆地吸收。太阳光在地球表面的光谱主要分布在可见光和近红外范围，少部分在近紫外范围。[5]世界大部分人口居住在每平方米日射量为150–300瓦特/平方米或每天3.5–7.0千瓦时/平方米的地区。[6]
太阳辐射被地球的陆地表面、覆盖了约71%的海洋以及大气层吸收。含有海洋蒸发水的温暖空气上升，引起大气环流或对流。当空气达到高海拔，温度较低的地方时，水蒸气凝结成云，降雨到地球表面，完成水循环。水凝结的潜热放大了对流，产生风、气旋和反气旋等大气现象。[7]被海洋和陆地吸收的阳光使地表保持平均温度为14 °C。[8]通过光合作用，绿色植物将太阳能转化为化学储能，从而产生食物、木材和生物质，从而衍生出化石燃料。[9]
地球大气层、海洋和陆地吸收的总太阳能能量约为122 PW·年 = 3,850,000 亿艾可焦耳（EJ）每年。[10]在2002年（2019年），这个能量在一个小时（一个小时零25分钟）内就比全球一年的能量使用量还要多。[11][12] 光合作用每年在生物质中捕获约3,000 EJ的能量。[13]
人类可以利用的潜在太阳能与行星表面附近存在的太阳能数量不同，因为地理、时间变化、云层覆盖和人类可用的土地等因素限制了我们能够获取的太阳能量。在2021年，碳追踪倡议估计，仅从太阳能发电需要的土地面积为45万km2，约等于瑞典的面积，或者摩洛哥的面积，或者加利福尼亚州的面积（占地球总陆地面积的0.3%）。[18]
太阳能技术根据其捕获、转换和分配阳光的方式，以及在世界各地不同的能量利用水平上是否能够获取太阳能而被划分为被动或主动。这主要取决于距离赤道的距离。尽管太阳能主要指的是利用太阳辐射实现实际目标，除了地热能和潮汐能外，所有可再生能源都直接或间接地从太阳获得能量。
主动太阳能技术使用光伏、聚光太阳能发电、太阳热收集器、泵和风扇将阳光转化为有用的产出。被动太阳能技术包括选择具有有利热性能的材料，设计自然对流空气的空间，并将建筑物的位置与太阳相对应。主动太阳能技术增加了能源供应，被视为供给侧技术，而被动太阳能技术减少了对替代资源的需求，通常被视为需求侧技术。[19]
在2000年，联合国开发计划署、联合国经济和社会事务部以及世界能源理事会发布了一个每年可供人类使用的潜在太阳能量估计，该估计考虑了诸如日照、云层覆盖和人类可用土地等因素。该估计发现，太阳能的全球潜力为每年1,600至49,800艾焦耳（4.4×1014至1.4×1016千瓦·小时） （见下表）。[20][21]
| 地区 | 北美 | 拉丁美洲和加勒比海地区 | 西欧 | 中东欧 | 前苏联地区 | 中东和北非 | 撒哈拉以南非洲 | 亚太地区 | 南亚 | 中央规划亚洲 | 太平洋经合组织地区 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Minimum | 181.1 | 112.6 | 25.1 | 4.5 | 199.3 | 412.4 | 371.9 | 41.0 | 38.8 | 115.5 | 72.6 |
| Maximum | 7,410 | 3,385 | 914 | 154 | 8,655 | 11,060 | 9,528 | 994 | 1,339 | 4,135 | 2,263 |
注意：
| |||||||||||
来自太阳的能量
地球在上层大气传入的太阳辐射（日照）接收了174 petawatts(PW)。大约有30%的太阳能被反射回太空，而其余的太阳能则被云层、海洋和陆地吸收。在地球表面的太阳能光谱大多分布在一小部分近紫外线，全部可见光，和近红外线的光谱范围。[26]
地球的大气，海洋和陆地吸收的太阳能每年大约是3,850,000 EJ。在2002年，一小时内的太阳能比全世界在一年内使用的能量还要更多。光合作用获得的生物质能每年约3000 EJ。技术上的生物质能潜力有100–300 EJ/每年。[23] 。太阳的能量到达这个地球表面的数量是如此巨大，以至于在一年中的太阳能是自从人类取得和开采的所有在地球上不可再生资源的煤、石油、天然气、和铀都相结合的总能源的两倍。[27]
在世界各地，主要根据纬度的不同来利用太阳能。[28]
太阳能技术的应用
太阳能是指主要用于实际目的利用太阳光辐射。然而，除了地热能和潮汐能以外，所有其他的可再生能源都是来源自太阳的能量[29]。
太阳能技术被广泛定性为被动的或主动的方式来捕获，转换和分配太阳光。主动式太阳能技术，利用太阳能光伏板，泵，风机将阳光转换为有用的输出。被动式太阳能技术，包括选择材料具有良好的热性能，设计，自然空气流通的空间，并按照太阳来安排的建筑物的位置。主动式太阳能技术，增加能源供应，被认为是供应端的技术；而被动式太阳能技术，减少替代资源的需要，通常被认为是需求端的技术。[19]
利用太阳能的方法主要有：
- 使用太阳能电池，通过光伏转换把太阳光中包含的能量转化为电能
- 利用便宜的镜子将阳光反射至昂贵高效能太阳能电池（但需要注意散热），可以减低发电成本
- 使用太阳能热水器，利用太阳光的热量把水加热
- 利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电
- 利用太阳的热能来进行吸附式制冷
- 透过机械及硬件设备来收集及传送太阳能的热量，以供应暖气设备。可分为主动式太阳能加热系统及被动式太阳能加热系统[30]
- 利用太阳能的热量来驱动斯特林发动机
- 利用太阳能加热盐类，再用盐类储存的热量发电（在夜间仍会继续发电）
- 将吸收太阳能热量的系统整合于太阳能电池上，降低成本。
- 集中太阳能于定点制造龙卷风，利用龙卷风来做高效能的风力发电
- 利用太阳能作为热源进行海水淡化
- 能源作物也是一种太阳能
- 太空太阳能转换电能储存，输送到地面电能接收站，讯号接收站
- 根据环境与环境太阳日照的长短强弱，可移动式和固定式太阳能利用网
- 太阳能运输（汽车、船、飞机...等）、太阳能公共设施（路灯、红绿灯、招牌...等）、建筑整合太阳能（房屋、厂房、电厂、水厂...等）
- 太阳能装置，例如：太阳能计算机、太阳能背包、太阳能台灯、太阳能手电筒...等各式太阳能应用与装置
直到近期，太阳能还只能小规模使用，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了很好的应用，而且在一些情况下，太阳能发电已经有经济竞争力；现在太阳能的成本已经在许多市场达到电网平价。
目前，全球最大的屋顶太阳能面板系统位于德国南部比尔施塔特，面积为四万平方米，每年的发电量为0.5万千瓦时。
日本为了达成京都议定书的二氧化碳减量要求，全日本都普设太阳能光伏板，位于日本中部的长野县饭田市，居民在屋顶设置太阳能光伏板的比率甚至达2%，堪称日本第一。
阳光影响了建筑设计建筑史的开始。[32]先进的太阳建筑和城市规划的方法，是最早被希腊人和中国人所采用，他们的建筑面向南方给人们提供光明和温暖。[33]
农业和园艺业，为了优化植物生产力而致力于优化太阳能的捕获。采用的技术，如定时种植周期，量身定制的行方向，交错行和混合的植物品种之间的高度可以提高农作物的产量。[34][35]虽然阳光被普遍认为是一个丰富的资源，例外情况突出显示太阳能能源以农业的重要性。
温室大棚将太阳光转换为热能，实现不是天生就适合当地气候的（在封闭的环境中）特种作物其他植物的生长和全年的生产。
太阳能泵也可以用在农业和园艺业的灌溉上。
自1980年代以来，一个太阳能汽车的发展一直是工程目标。世界太阳能车挑战赛是每半年以太阳能为动力的汽车比赛中，来自高校和企业的团队竞争横跨澳洲中部的3,021 km（1,877 mi）,从达尔文市到阿德莱德市的比赛路程。在1987年，成立时，获奖者的平均车速为67千米每小时（42英里每小时），并在2007年获奖者的平均时速已提高到90.87千米每小时（56.46英里每小时）。[36]北美太阳能车挑战赛和计划中的南非太阳能车挑战赛是相媲美的比赛，反映出在太阳能车的设计和开发的国际关注。[37][38]
有些汽车使用太阳能电池板为辅助电源，例如用于空调，保持汽车内凉爽，从而减少燃油消耗。[39][40]
1975年，第一艘实用的太阳能船被建造于英国。[41] 到1995年，客轮整合光伏电池板开始出现，并且现在广泛使用。[42]在1996年，堀江谦一作出第一次利用太阳能动力的太阳能船穿越太平洋，和在2006-2007年冬季sun21双体船作出第一次利用太阳能动力的太阳能船穿越大西洋。[43] 在2010年有计划作环球航行。[44]
在1974年，无人驾驶AstroFlight SunRise飞机作第一次太阳能飞行。在1979年4月29日，Solar Riser作出太阳能动力的，完全控制的，载人的飞行器的第一次飞行，高度达到40英尺（12米）。
现代的太阳能科技可以将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。集热式太阳能（Solar Thermal）。原理是将镜子反射的太阳光，聚焦在一条叫接收器的玻璃管上，而该中空的玻璃管可以让油流过。从镜子反映的太阳光会令管子内的油升温，产生蒸气，再由蒸气推动涡轮机发电。[45]除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。在适当地点，太阳能的长期使用成本已经接近甚至低于传统的化石燃料。
太阳能热水系统利用太阳光来加热水。在较低的地理纬度（低于40度）从60％到70％的生活热水可以使用太阳能加热系统提供温度高达60°C的热水[46]。最常见的类型的太阳能热水器真空管集热器（44％）和玻璃平板集热器（34％），一般用于生活热水；还有无釉的塑料收集器（21％），主要用于加热游泳池[47]。
截至2007年，太阳能热水系统的总装机容量约为154吉瓦（GW）。中国是世界的领先者，在截至2006年他们已经安装了70吉瓦（GW），并且部署了在2020年安装210吉瓦（GW）的长远目标[48]。以色列和塞浦路斯是在人均使用量上面的领先者，超过90％的家庭使用太阳能热水系统[49]。在美国，加拿大和澳大利亚占主导地位的应用是加热游泳池，在2005年太阳能热水应用的装机容量为18吉瓦（GW）[19]。
在美国，暖通空调（英语：Heating, Ventilation and Air Conditioning，简称:HVAC）系统占用商业楼宇使用的能量30％（4.65 EJ），和在住宅建筑近使用的能源的50％（10.1 EJ）。[50]太阳能加热，冷却和通风技术可用于抵销了这些能量的一部分。
太阳能可用于蒸馏处理盐水或半咸水使其可成饮用水。这种应用的首次记录是在16世纪的阿拉伯炼金术士[51]。首先构建一个大型的太阳能蒸馏项目于1872年在智利的矿业城市拉斯维加斯萨利纳斯（Las Salinas）[52]。该工厂有4700平方米的太阳能集热面积，每天可产生高达22,700升淡水，并经营了40年[52]。
太阳灶利用太阳光蒸煮，干燥和杀菌消毒。它们可分为三大类：箱灶具，面板灶具和反射灶具。[53]最简单的太阳灶是箱灶具，首先由奥拉斯-贝内迪克特·德索叙尔在1767年建造。[54]一个基本的箱灶具包括一个用透明盖子的隔热容器。它可以有效地在局部阴天使用，通常温度将可达90-150 °C.[55]
太阳能聚光技术，如抛物面碟形，槽形及Scheffler反射器可为商业和工业应用提供工业用热。
蒸发池是通过蒸发作用浓缩溶解固体的浅水池。使用蒸发池的从海水中获得的盐是太阳能最古老的应用之一。现代应用包括浓缩浸矿用卤水的解决方案和从废物流中除去溶解固体。[56]
通过蒸发作用由风和阳光的晾衣绳，晾衣架晾衣服不消耗电力或煤气。在美国的一些州，有立法保护衣服的“晾干的权利”。[57]
光伏转换又称太阳能光伏。太阳能板是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，几乎以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体太阳能电池组合。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗（薄膜太阳能电池会有光衰退的现象）。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较大的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。
太阳能板可以制成不同形状，而又可并联、串联，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面开始使用光伏组件，被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。
聚光太阳能发电（CSP）系统使用透镜或反射镜和跟踪系统，把大面积的阳光聚焦到一个小光束。然后将集中的热量用作常规发电厂的热源。广泛存在聚光技术，最发达的技术是抛物槽，集中线性菲涅尔反射镜，斯特林盘和太阳能发电塔。跟踪太阳和光线聚焦用了各种技术。在所有这些系统中，工作流体被聚光的太阳光加热，然后将其用于发电或能量存储。[58]
一种太阳能电池或光伏电池（PV），是一种利用光伏效应将光转换成电流使用的装置。于1880年代，第一个太阳能电池由查尔斯Fritts(Charles Fritts)构造。
| 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 装置量(MW) | 1,313 | 1,592 | 2,033 | 2,595 | 3,682 | 5,083 | 6,671 | 9,370 | 16,226 | 24,514 |
| 发电量(GWh) | 1,090 | 1,337 | 1,686 | 2,128 | 2,785 | 3,942 | 5,449 | 7,385 | 12,218 | 20,501 |
| 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | |||||
| 装置量(MW) | 41,346 | 71,810 | 100,818 | 139,048 | 179,998 | 230,606 | ||||
| 发电量(GWh) | 33,333 | 63,835 | 101,919 | 142,588 | 190,773 | 253,037 | ||||
| 占全球发电量比 | 0.16% | 0.29% | 0.45% | 0.61% | 0.80% | 1.05% | ||||
太阳能的化学过程利用太阳能来驱动化学反应。
优点 在光照充足的地区（例如：太空向阳区、海洋、海岸、空旷岩地、平面地区...），太阳能的供应源源不绝，且不会产生温室气体导致地球温室效应加剧。
太阳能电池组件可以安装在建筑物上，称为光电一体化建筑，如此太阳能电池板不仅可以在有阳光的时候产生电力，还能达到隔热的作用，可以有效降低建筑物内部的温度，降低建筑能耗；而且分散式发电的大规模停电风险较低。此外，将太阳能电池安装于家家户户，可以提供大量的在地工作机会，节省社福及社会成本。
一些有着高辐射又干旱到无法种出农作物的沙漠国家，还可以把剩下的太阳能卖给电力公司，达到赚钱的效果（不过对于其他国家，太阳能的使用是不能影响到农业及生态）。
缺点
- 太阳能板的成本从2000年到2018年已经降低了70-90%电厂的成本[63]，某些地区大型太阳能电厂成本已经比传统发电还低，但屋顶型太阳能成本还是偏高，约是大型电厂的两倍[64]，且投资电厂须要高额的初期投资。
- 如果考虑气候，日照强度，成本和投资回报的经济效益，太阳能系统并不适合世界的每一个角落。而在许多阴雨绵绵或是日照短的地区，太阳能的发电量偏低，投资报酬率较低。
- 大规模地面型太阳电厂，如果设计不当，会造成生态和环境的影响。
- 太阳能电池板寿命有限。大约是20-30年。而生产时所需使用的硅、锗、硼可能会造成其他方面的污染，需妥善管控处理。太阳能板的原材料和电脑芯片原材料一样。大量生产过程中化学物质是有毒有害，主要靠工厂所在地法律法规管控。
- 对电网的影响
截至2017年12月，澳洲东部昆士兰州有超过31%居民拥有屋顶太阳能系统，平均安装功率超过3.5千瓦（世界第一）。但是高太阳能系统普及率也给电网电压带来问题。居民区中午用电量低，主要以出售电力给电力公司为主。传统电网并没有考虑双向电力输送。在居民区电力大额传输回电网的时候，电压会逐步抬高，而且可能超过电器设备可能受范围 [65]. 。科学研究已经有方法解决这种问题，但是都有各种成本考虑，例如，在中压电网额外增加电压控制装置。 对于其他国家或地区的启示：没有系统性的分析和规划，单一鼓励促进太阳能在居民区的普及会带来新的风险。更好的方式之一是，通过税收或其他鼓励措施，促进工业和商业用户的太阳能系统安装。因为工商业用户主要用电高峰经常在白天，太阳能系统在日照白天发电，补充工商业用电，降低工商业对电网的压力。
- 对能源投资和电费管理的影响
现实生活中的问题经常复杂多变，原因错综复杂。对于能源投资和电费管理也是同样的道理，没有适合每个方案的万用灵丹。太阳能系统投资也许是很好的选择，如果：当地阳光充足，电价较高而且持续涨价，政府通过财政或金融方式大力支持，电力可卖回给电力公司 （澳洲和德国）。投资回报经常是能源投资的主要考量。但是系统性的检查，评估和分析，也许会发现，在目前市场条件下，一套综合性的方案是最合适的。例如，通过房屋建筑能效提高[66]，既有设备运行的改善[67]，和太阳能系统投资[68] ，可能会提供业主最好的投资回报 [69] 。
世界各国家地区对太阳能的政策
- 2006年6月，中华人民共和国成立风能太阳能资源评估中心。
- 2009年3月23日，中华人民共和国财政部印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。
- 2011年7月24日，中华人民共和国国家发展和改革委员会发布《国家发展改革委关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》
- 2012年9月13日，中华人民共和国国家能源局发布《太阳能发电发展“十二五”规划》[70]。《规划》提出，到2015年底，中华人民共和国太阳能发电装机容量达到21吉瓦（GW）以上，这意味着未来3年中华人民共和国光伏发电装机容量有望扩大6倍以上。这个规划提出加快推动太阳能技术产业创新发展。
- 2005年发表“阳光伏城计划”（Solar Cities initiative），目前已有圣地爱丽丝泉、阿得雷德、佩斯、汤士维尔与布莱克顿五个城市获取政府补助打造太阳能发电系统城市。
- 2012年前，澳洲东部各州，在政府支持下有高额电力回购计划，例如,$0.60澳币每度电（$AUD/kWh）。同时政府对于太阳能板(solar panel)有高额补贴，在澳洲高薪水高人工成本的情况下，在2016~2017年，民用系统（包括太阳能板，逆变器，人工，电线和辅料，政府许可申请）可以做到1kW屋顶太阳能系统1000澳币，或更低。截至2017年12月，澳洲东部昆士兰州，31%居民家安装有屋顶太阳能系统，平均功率在3.5千瓦以上（世界第一）。
- 2017年及以后，澳洲居民电力出售给电力零售商主要以市场定价为主，在$0.06 ~$0.16每度电。2018年，澳洲东部昆士兰州居民普通电力价格大约是$0.25澳币每度电
- 德国《可再生能源法》于2000年4月出台，其前身是1991年生效的《强制输电法案》。《可再生能源法》是开发和利用可再生能源，加强节能环保的纲领性法规，后随时间推移和形势变化多次修改补充。
- 2009年新《可再生能源法》设定，2020年德国的可再生能源在电力消费中的占比目标为30%。德国《可再生能源法》的基本政策方针是可再生能源优先以强制固定费率入网（feed-in tariffs），即依法强制电网运营商必须以法律规定的固定费率，收购可再生能源供应商的电力。同时，供电商再根据全部入电网的可再生能源、传统能源成本状况，厘定电价。这样，尽管可再生能源目前的成本还高于传统能源的，但《可再生能源法》为可再生能源提供了和传统能源同样的机会；再加上可再生能源还有其他方面优惠，使其发展风险得以大大降低。
- 德国是世界顶极的太阳能光伏（PV）安装国家之一，在2011年的用光伏发电的容量达到25 GW。在2012-10-31，有31.62 GW光伏发电连接电网。[71] [72]
- 德国联邦政府已制定到2030年安装的太阳能光伏发电容量66 GW的目标[73]，年均增长将达到2.5-3.5 GW[74]，和到2050年80％的电力来自可再生能源的目标。[75]
- 2007年3月30日，欧洲第一座商业太阳能发电厂（PS10太阳能发电塔）启用，这座电厂自2001年7月于西班牙南部的塞维利亚西方25公里的桑路卡拉马尤（Sanlucar la Mayor）开始兴建，直到2005年12月31日完工，费时4年多建造完成。
- 2011年10月，Gemasolar Thermosolar Plant太阳能热电厂启用，这座电厂位于西班牙南部的塞维利亚丰特斯德亚恩达卢西亚。发电容量19.9 MW。
相关条目
参考文献
外部链接
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