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能源科普 丨太阳能是什么,它的工作原理是什么,它有什么利与弊?

2022-11-06 09:05:51 383

摘要:太阳能是太阳发出的电磁辐射,它被捕获并转化为有用的能量。植物通过光合作用吸收太阳能,将阳光转化为食物,而人类通过光伏效应等过程捕捉阳光,将其转化为有用的电能。太阳能产生的电能可以用于电网或储存在电池中。太阳能资源丰富且免费,随着太阳能技术变...


太阳能是太阳发出的电磁辐射,它被捕获并转化为有用的能量。植物通过光合作用吸收太阳能,将阳光转化为食物,而人类通过光伏效应等过程捕捉阳光,将其转化为有用的电能。

太阳能产生的电能可以用于电网或储存在电池中。太阳能资源丰富且免费,随着太阳能技术变得更加先进和高效,将太阳能转化为电能的成本继续下降。太阳能是地球上最容易获得和最丰富的能源。它还具有比化石燃料产生更低的碳足迹的优势,这减少了它对环境的总体影响。

一、太阳能的定义

太阳是一颗主要由氢和氦组成的恒星。它通过一种叫做核聚变的过程在其核心内部产生能量,在这个过程中,氢聚变形成一个更轻的氦原子。在这个过程中损失的能量以能量的形式辐射到空间中,其中一小部分能量到达地球。

目前,世界的太阳能发电约为1023.10太瓦时(2021),大约占总发电量的3.72%。其中我们中国是太阳能发电第一大国,太阳能发电量约为330.71太瓦时,大约占总发电量的3.91%。

二、太阳能发电

太阳能技术可以利用光伏(PV)太阳能电池板或利用特殊的镜子集中太阳辐射,将阳光转化为能量。光的单个粒子称为光子,这些微小的电磁辐射包根据移动的速度有不同的能量。在核聚变过程中,当氢转化为氦时,太阳会释放光子。如果光子有足够的能量,就可以利用它们来发电。

光伏板由单个光伏电池制成。这些电池含有一种叫做半导体的材料,这种材料可以让电子流过电池。光伏电池中最常用的半导体类型是晶体硅。它相对便宜,储量丰富,而且使用时间长。在所有的半导体材料中,硅也是最有效的导电体之一。

当具有大量能量的光子与半导体接触时,它们可以将电子撞散。这些电子产生的电流可用于供电或储存在电池中。

太阳能电池板产生的大部分能量被送入电网,再分配到需要电力的地方。即使是私人屋顶的太阳能电池板也会将多余的电力送回电网。电池存储往往是昂贵的,而将多余的电力卖回给电力公司是目前生产太阳能电力的最具成本效益的方式。

三、太阳能热能

太阳能热能(STE)技术捕获太阳能并将其用作热能。STE集热器有三种不同的类别: 低、中、高温

----低温收集器利用空气或水将太阳收集到的热能转移到需要加热的地方。它们可能以玻璃太阳能集热器的形式出现,通过建筑、金属墙壁或安装在屋顶的被阳光加热的水袋来加热空气。它们最常用于小空间或加热游泳池。

----中温收集器的工作原理是将一种不结冰的化学物质通过一系列管道输送到住宅和商业建筑中,这些管道收集阳光来加热水和空气。

----高温收集器使用一系列的抛物面镜有效地将太阳能转化为高温热能,然后可以发电。镜子捕捉阳光并将其聚焦到所谓的接收器中。然后这个系统加热所含的液体并使其循环产生蒸汽。就像传统的发电一样,蒸汽带动涡轮机,为发电机提供所需的电力。

为了最大限度地提高效率,收集阳光的镜子必须能够在一天中跟随太阳的路径。这些大型系统主要由公用事业公司提供电力,通过电网输送。

四、太阳能的成本

太阳能技术在过去几十年里取得了令人难以置信的进步,预计在未来几年它将增长得更快。在世界上几乎所有的地方,太阳能都是生产成本最低的能源。随着技术的进步,成本也在不断下降。到2050年,太阳能发电每千瓦时的成本预计为0.5美分。相比之下,目前商业公用事业规模的电价约为每千瓦时6美分。

2020年,国际能源机构的《世界能源展望》报告称太阳能是“历史上最便宜的电力”。美国太阳能行业提前三年,在2017年实现了2020年成本目标6美分/千瓦时。现在的目标是进一步降低成本,到2030年,将达到3美分/千瓦时.

据国际可再生能源署(IRENA)“Renewable Technology Innovation Indicators”报告,回顾2010年,各个国家公用事业级太阳能光伏平准化电力成本 (LCOE)的下降趋势表明,在有历史数据的市场中,2010年至2020年,各个国家公用事业级太阳能光伏LCOE的加权平均降幅在72%至88%之间。在公用事业级行业中,加权平均LCOE最低的国家是印度,2010年至2020年期间,成本下降了88%,达到0.038美元/千瓦时,比当年全球加权平均水平低33%。

五、太阳能的优点

对于个人业主和公用事业规模发电厂的开发商来说,太阳能几乎是世界上每个地方成本最低的能源。政府的激励措施使其作为一项投资更具吸引力。一旦安装,它的运行和维护成本接近于零,这意味着它正在取代煤炭和天然气等化石燃料。它的零排放和可再生燃料来源(太阳)可以减少空气污染和导致气候变化的温室气体的排放。

1)可负担性

太阳能现在几乎是世界上所有地方最便宜的电力形式。太阳能发电的成本在2009年到2020年之间下降了90%,而且现在建造一个新的公用事业规模的太阳能发电厂比保持现有的燃煤电厂运行要便宜得多随着太阳能需求的增长和生产规模的扩大,太阳能发电预计将遵循所谓的斯旺森定律,即太阳能电池板的生产每增加一倍,其成本就会降低20%。2010年,太阳能发电的成本约为37美分。到2030年,预计成本将为2美分,到2050年将为0.5美分。

太阳能的大部分成本是在安装上,但由于阳光是免费的,太阳能资源通常产生零(甚至负)边际成本能源。边际成本是指额外生产一单位产品所需的成本。电网的管理者经常根据边际成本从供应商那里购买电力,这就是为什么太阳能在能源市场上常常胜过煤炭。

2)政府激励

美国联邦税收抵免允许房主从他们每年的所得税负担中扣除一定百分比的安装太阳能电池板的费用。截至2021年初,这一额度为太阳能光伏系统成本的26%。美国各州也有不同的激励措施,电力公司也可以提供不包括所得税在内的退税太阳能光伏系统的所有者还可以获得可再生能源证书(RECs),公用事业或其他公司可以购买该证书以抵消其碳排放。联邦税收抵免也适用于在家中安装蓄电池以储存太阳能电池板产生的能量的房主。

3)维修费用低

一旦安装,太阳能电池板的维护费用是最低的,这是太阳能的边际成本如此低的一个原因。雨水会清洁大部分太阳能电池板。虽然雪会覆盖太阳能电池板,阻碍能量转换,但雪会相对较快地从电池板的倾斜玻璃上融化,积雪屋顶或田野的反照率(反射光)增加了太阳能电池板可以收集的太阳辐射。太阳能逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换成交流电,送入家庭并进入电网,在需要更换之前,它可以使用10到15年。由于电池板没有可移动的部件,制造商通常保证电池板的使用寿命为25年。太阳能电池板的效率以每年约0.5%的速度下降。即使降解率是这一数字的两倍,太阳能电池板在30年后仍将以74%的速度运行。

4)零排放

根据美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的数据,一个屋顶太阳能系统可以在整个系统使用期间满足普通家庭的所有用电需求,可以防止200吨二氧化碳被释放到大气中。这相当于每年少开四辆汽油动力车,或者每年少开5.4万英里。

虽然太阳能电池板的制造和最终处理需要付出环境代价,但太阳能产业不会遭受环境灾难,不会造成大量生命损失和清理成本。没有太阳泄漏、太阳井喷、太阳井火灾、太阳熔毁、太阳矿井塌方、太阳管道爆炸、太阳径流、太阳油轮碰撞、太阳火车脱轨,或者太阳能炼油厂泄漏这样的事情。事实上,由于太阳能有助于减少对煤炭的依赖,电力部门的煤炭碳排放量自2007年以来已经下降了50%以上。

六、太阳能的缺点

尽管太阳能是当今最便宜的能源形式,但广泛采用太阳能仍然存在障碍。如上所述,太阳能产业在过去十年中增长了十倍,但它仍然只占世界发电量的不到4%。太阳能本身是可变的,它可能是昂贵的,并且太阳能电池板的最初生产和最终处置可能有很高的环境成本。太阳能的壁垒正在降低,但要实现提供真正可持续能源的承诺,太阳能还需要不断进步。

1)前期成本高

尽管住宅太阳能系统的成本从2010年到2019年下降了近三分之二,但根据国际能源署(IEA)的数据,考虑到大部分安装成本是在劳动力和硬件上,在家中安装太阳能电池板仍然很昂贵。例如,虽然美国联邦和州的税收抵免可以显著降低太阳能系统的前期成本,但低收入消费者可能没有足够的税收来利用这些抵免。当然,一个人必须拥有财产,以安装面板,这排除了许多承租人。社区太阳能项目允许太阳能客户在太阳能农场的许多成员之间分摊前期成本,或者每月向社区太阳能供应商订购,而不需要任何前期成本。

2)太阳照射的变异性

没有人会感到惊讶,晚上太阳不会照耀,有些日子会阴天,冬天的白天比夏天的短。太阳能本身是可变的,在需要的时候并不总是可用的。随着太阳能在世界电力供应中的比重越来越大,电网规划者和管理者需要找到创造性的方法,将可变的可再生电力集成到电力系统中。他们依靠非常详细的天气预报来预测未来几天或几个小时内有多少能源可用,这使得太阳能更容易预测。扩大电网的地理范围也允许电网管理者从有阳光的地区和时区获取电力,并将其输送到没有阳光的地区。

越来越多的电网管理者和家庭业主可以将他们的太阳能发电储存到大型电池中,以帮助缓和太阳能的可变性。新型电网电池继续创造着世界上最大电池的记录。2021年3月,苹果宣布正在建造一款电池,能够存储其位于加州的太阳能发电厂产生的240兆瓦时的能量。这些能量足以供应7000多户家庭一天的用电。

截至2019年底,28%的新增太阳能设备配备了电池各种形式的储能是集成可变可再生能源(如风能和太阳能)的领先解决方案,但储能行业在开发成熟的技术、公认的行业标准和可扩展的制造方面可能落后于太阳能行业10年。

3)不可移动性

如果你搬家,你不太可能带着你的太阳能电池板。投资太阳能通常是一项长期的承诺,业主最初的投资可能需要7到10年才能收回。这给那些居住安排更灵活的人带来了障碍,比如租房者,或者决定出售房屋的屋顶太阳能房主。根据Zillow Research的研究,太阳能电池板可以为房屋增值,但并不是所有潜在的购房者都希望在他们的下一套房子里安装太阳能电池板,或者甚至知道如何与买家谈判。

4)环境影响

虽然太阳能电池板在为消费者发电时不会产生任何温室气体排放,但这些电池板的生产和处置确实会对环境造成影响,需要加以解决。这些问题包括原材料的提取、制造过程中废水和危险废物的产生、太阳能电池板选址时的土地使用问题以及不再使用的电池板的回收。据国际可再生能源署(IRENA)估计,到2050年,每年将产生600万吨太阳能电子垃圾。

最近为了应对这些挑战,绿色电子委员会努力提高可持续性标准,为太阳能光伏组件和逆变器创建EPEAT生态标签; 欧盟、华盛顿州和其他地方要求对太阳能电池板进行适当回收的法律,改变生产工艺,减少废物的数量和毒性;提高整个太阳能供应链中材料和做法的可追溯性,以及将农业和太阳能电池板结合在一起,而不是电池板消除宝贵的农业土地的共同选址做法。

本文主要据Emily Rhode “What Is Solar Energy? Definition, How It Works, and Pros and Cons”和David M. Kuchta “The Pros and Cons of Solar Energy”编译。除注明外,图片来自网络。

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