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

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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。这一图片展示了全过程:
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

  1. 它可以与蓄热器结合起来以按需供电。
  2. 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。

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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:

  1. 空穴内的电子被光击中。光能使电子被射出。
  2. 耗尽区中离子产生的电场将电子推向n型一侧。
  3. 现在在p侧区域中还有一个空穴。这个空洞想被填补。
  4. 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:

  1. 人类每年使用157,000太瓦时的能源
  2. 美国平均受到大约 每平方公里250百万瓦的能量 的打击
  3. 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。

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