太阳能：如何有效地获取太阳的能量

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更新于: 2020年12月14日13:25:34 格林尼治标准时

在2个小时内，太阳光照射地球的能量足以让全球的我们使用一年。

在我们探索太阳能板如何将它变成可用能量之前，让我们快速讲一下光。

到底是什么光？

我们可以将光视为波浪。波峰之间的距离称为波长。红光的波长约为700纳米（一米的七千亿分之一），而蓝光的波长约为450纳米：

Image of 波长 — 波长

完整的波长集称为{电磁谱。我们能看见的光只占其一小部分：

Image of 电磁铺 — 电磁铺

光携带能量 - 波长越短，其携带的能量就越多。

Image of 太阳辐射波谱 — 太阳辐射波谱

太阳能热是最直观的能量形式，所以让我们从这个开始吧。

太阳能热

在阳光明媚的一天，你在阳光下比在树荫下感觉更温暖，对吗？这是因为当你的皮肤吸收阳光时，它会将一部分光转化为热能。我们可以用这个热量！

{聚光太阳能热发电（CSP） 使用大量的镜子将阳光集中在较小的区域上。聚光用于将流体（水，油或熔盐）加热到很高的温度。然后，这种热量可以

用于加热，
为以后存储起来
或通过蒸发水并产生蒸汽，这些蒸汽用于旋转涡轮机而转化为电力。这与大多数其他电厂的运作方式一样。这一image展示了全过程：

Image of 聚光太阳能热发电 (CSP) — 聚光太阳能热发电 (CSP)

如今，聚光太阳能热的电力价格昂贵，但其具有一些独特的优势：

它可以与蓄热器结合起来以按需供电。
它有助于电力系统的稳定性和灵活性。

太阳能热也可用于住宅供暖。太阳能热板或太阳能热集热器吸收太阳的光能，使穿过面板的流体加温。然后将其用于加热可用于各种家庭应用的水。

反向灯泡：将光转化为电能？

Image of 太阳能电池、模块/面板、电池阵 — 太阳能电池、模块/面板、电池阵

{使用太阳能光伏（Solar PV）技术，我们将光直接转换为电能。 通过这种方式产生的电能的平均价格已经类似于化石燃料的价格 - 听起来很有希望！那么它是如何工作的呢？

大多数太阳能电池由硅制成。硅在其电子外壳中有4个电子。当许多硅原子聚在一起时，由于化学中的共价键，它们会形成晶格。如下所示：

Image of 硅结构 — 硅结构

如果我们在外壳中添加少量拥有5个电子的原子（例如磷），该化合物仍将形成晶体。但是，会有一些{自由电子在周围漂浮，因为它们根本不适合晶体结构中的任何地方。

另一方面，如果我们添加一个在外壳中只有3个电子的元素（例如硼），则结构中的电子空穴 会就会很尴尬。

Image of N型和P型半导体 — N型和P型半导体

那么，我们如何称呼这些不同的材料？

硅加上具有5个外部电子的元素称为{N型 半导体（n是负数的意思）。这是因为硅通常具有4个外部电子。具有5个外部电子的话，电子数会过量，使其为负。
硅加上一个具有3个外部电子的元素称为P型半导体（p意味着正数）。

这些名称可能会有些误导！ n型和p型材料都具有中性电荷（既不带负电荷也不带正电荷）。那么，为什么将它们称为正和负呢？让我们看一下上面显示的结构。n型材料具有额外一个带负电的电子，而p型材料则具有一个带正电的无电子空穴。

当来自n型的自由电子到达p型时，它将填充那里的一个孔。

Image of PN结 — PN结

空穴填充在p型和n型两半接触的小条带中发生。之所以被称为耗损区域，是因为该区域的空穴已“耗尽”。

这有一点好。但是，一旦填充了许多空穴，负电荷就会变强。这会产生所谓的电场屏障。此时，电场将电子推离耗尽区，不再填充空穴。

Image of 电子排斥进入N型中 — 电子排斥进入N型中

阳光在哪里起作用呢？

光携带能量。 光照射到耗尽区时，会导致电子离开它们填充了的空穴。

Image of 当光击中耗尽区时，电子如何运动 — 当光击中耗尽区时，电子如何运动

排出的电子周围的负离子将其排斥回到n型材料中。 少一个电子填充一个空穴，那么就有一个（电磁）空间来容纳一个新的！

电子在电线上移动？这就是电流！这就是我们使用太阳能光伏发电的方式。

Image of 太阳能光伏过程 — 太阳能光伏过程

当电子回到p型侧时，太阳能电池将返回其原始状态，并且只要太阳照耀，该过程就可以重复进行。太可爱啦！

总之，以下循环会反复发生：

空穴内的电子被光击中。光能使电子被射出。
耗尽区中离子产生的电场将电子推向n型一侧。
现在在p侧区域中还有一个空穴。这个空洞想被填补。
电子通过电线或电路进入后门以填充该空间。

太阳能是否可持续？

Image of 太阳能回收时间 — 太阳能回收时间

但是在太阳能板停止工作之后的25到30年会发生什么呢？可悲的是，这在很大程度上是一个悬而未决的问题。为了今天建造的太阳能电池板将成为废物做出准备，我们需要开发负担得起的大规模回收方法。

利用太阳能光伏发电来生产全部能源需要多少土地？

我们需要三个数字来粗略估计：

人类每年使用157,000太瓦时的能源 。
美国平均受到大约 每平方公里250百万瓦的能量 的打击。
现代太阳能光伏板的工作效率约为20％，这意味着它们可以 将撞击它们的20％的光能转化为电能。

由于效率只有20％，用太阳能电池板覆盖1平方公里可提供50兆瓦的功率。还记得能量=功率x时间吗？因此，这些太阳能板一年产生的能量将是50兆瓦 x 365天x 24小时= 438 吉瓦时。这等于0.438 太瓦时。

因此，为了满足157,000太瓦时的人类使用需求，我们将需要157,000 / 0.438 = 358,500km²的太阳能电池板。或更简单地说，是德国的面积。

Image of 为全世界提供能源所需的太阳能面积 — 为全世界提供能源所需的太阳能面积

这很多，但并非不合理。我们以农作物和牲畜提供粮食就覆盖了地球34％的土地，因此相比之下，一个拥有德国面积（地球土地的0.3％）的太阳能光伏发电厂并不是什么大问题。

但是，极大规模开发太阳能会带来问题，而上述的计算却忽略了这些问题。这些问题中最突出的是太阳能的供应是变化多端的：我们晚上无法产生能量，但当阳光普照时，我们又会产生太多的能量！我们稍后将讨论解决此问题的方法。

我们能否改进太阳能光伏和太阳能热？

太阳能光伏发电有很多种方法。晶体硅光伏（我们刚刚讨论过的技术）吸收大约20％的太阳能（MITSolarF）。其他太阳能技术显示出高达40％的效率，但成本要更高。

{所谓的“薄膜”技术可能会变得更便宜，更环保。为了让你对开发速度有所了解，请看以下图表：

Image of 太阳能光伏类型随时间的效率 — 太阳能光伏类型随时间的效率

今天，聚光太阳能热发电 (CSP) 系统可以被大规模设置 - 我们拥有构建它们的原材料。 {尽管CSP目前比化石燃料昂贵，但如果扩大规模，它有可能变得更可行。

人工光合作用是一项尚未被广泛探索但仍很有希望的技术。如果我们能够大规模开展这项工作，它将立即解决许多问题 - “氢”一章中会有更多关于这个的内容。但是不要跳过喔！介于这两章之间的章节涵盖了同样令人兴奋且重要的技术。