太陽能:如何有效地從太陽裡獲取能量

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向Mon Dec 14 2020 提供最新信息

在兩個小時之內,太陽照向地球發射的能量相當於全球人民一年的使用的能量

在我們探索太陽能板如何將其轉化為有用的能量之前,讓我們先快速地談一談光!

什麼光是真實的?

我們可以將光當做一種波。 波峰之間的距離叫做它的波長。紅光的波長約為700納米 (1米的7000億分之一),而藍光的波長大概只有450納米

波長

我們的眼睛只能看到波長大約在380納米到700納米之間的光。那其餘的光呢


全部波長的合集被通稱為 \bold電磁波譜{Electromagnetic Spectrum}。其中只有很小的一部分是我們可以看見的可見光:

電磁波譜

光能攜帶能量 - 光的波長越短,它所攜帶的能量就越大

以下哪三種波大量地從太陽照射到地球


太陽輻射光譜

哪三種方法被用來收集太陽的能量


太陽熱能是最簡單易懂的一種能源,所以讓我們從它開始。

太陽熱能

在陽光明媚的日子裡,你能感覺到陽光下比陰影裡更溫暖,對嗎?這是因為當你的皮膚吸收陽光時,它將一部分能量轉化為了熱能。我們能夠利用這份熱量

\bold聚光太陽能{Concentrated solar power (CSP)} 運用大量的鏡子將陽光聚集在一塊很小的面積上。聚集的陽光可以被用來加熱流體 (水、油或融化的鹽) 到很高的溫度。然後,這種熱量可以

  • 被用來加熱,
  • 儲存起來以備不時之需,
  • 或通過蒸發水並產生蒸汽,用於旋轉渦輪機,從而轉換為電力。這和許多發電站的原理相同。這裡有一幅展現全過程的圖片:
聚光太陽能 (CSP)

今天,用CPS太陽熱能發電非常昂貴,但是它擁有著一些獨特的優勢

  • 它可以與熱能儲存相結合去,按需送電。
  • 它有助於電力系統的穩定性和靈活性。

太陽能也可以用於家庭供暖。太陽能板或太陽能收集器吸收太陽的光能,使通過管道的液體升溫,然後用於加熱水,可用於各種家庭應用。

反向電燈泡:將光能轉化為電能?

太陽能電池,太陽能板/組件和太陽能電池陣

通過太陽能光伏 (Solar PV) 技術,我們能將光能直接轉化為電能 令人充滿希望的是用這種方法生產出的電和用化石燃料生產出的電已經有著非常相近的平均價格。這是如何工作的呢?

大部分的太陽能電池是由硅製成的。硅在最外層電子層有四個電子。當許多硅原子聚集在一起時,它們因為共價鍵 會形成一個晶格。這將看起來如下:

硅結構

如果我們加入少量的,外層有5個電子的原子(比如,磷),混合物依舊仍然會形成晶體。然而,晶體結構中會存在一些不屬於任何部分的游離電子

反過來說,如果我們加入一個最外層只有3個電子的元素(比如,硼),晶體結構中就會出現奇怪的電子空穴

N型半導體和P型半導體

所以我們該如何稱呼這些不同的材料?

  • 硅和有5個最外層電子的元素的組合被稱作N型 半導體(N的代表負極 - negative)。這是因為硅通常有4個最外層電子,再加上5個最外層電子,它就擁有了過量的電子,所以成為了負極。
  • 硅和有3個最外層電子的組合被稱作P型 半導體(P代表正極 - positive)。

這些半導體的名字可能有一些誤導性!實際上,N型半導體和P型半導體都是中性的(既不帶負電荷也不帶正電荷)。那麼,我們為什麼將它們稱作正極和負極呢?讓我們看一看上面顯示的結構。N型材料有一個額外的帶負電點電子,而P型材料則有一個帶正電荷的無電子空穴。

我們把N型半導體和P型半導體放在一起時,我們形成了所謂的稱作PN结。你認為當兩種半導體接觸時,其中的自由電子會怎樣運動


當一個自由電子從N型移動到P型材料中時,它會填補其中的電子空穴。

PN結

電子空穴填充的過程發生在N型和P型兩半接觸處的小空隙中。這個區域被稱作耗盡區 因為這個區域的空穴已經被“耗盡”了。

因為電子進入耗盡層來填補空穴,所以原子中的耗盡層逐漸變成負電性的。為什麼呢?


這樣的情況在一段時間內是好的。但是,一旦很多空穴都被填補,電負性就會變得很強。這就產生了所謂的電場障礙。此時,電子就會被耗盡區的電場排斥,剩餘的空穴就不能再被填補。

被排斥的電子進入N型材料

陽光在其中扮演怎樣的角色呢?

光攜帶著能量。當光撞擊耗盡層時,它可以促使電子離開已經填滿的空穴

當光撞擊耗盡層時,電子時如何移動的?

噴出的電子會因為周圍陰離子的排斥而返回N型材料。隨著原本填補空穴的電子減少,就會產生(電磁)空間接納新的電子

但是,如何才能讓電子穿過由耗盡區所有的陰離子組成的電場障礙呢


電子在電線中移動?那就是電流!那也是我們用太陽能光伏生產出電的方法。

太陽能光伏的過程

當電子回到P型一側時,太陽能電池又回到了它的初始狀態。只要有陽光照射,這一過程就會再次重複。太棒了!

總的來說,以下這樣的循環一次又一次地發生:

  • 光撞擊在空穴中的電子。光所帶的能量導致電子被發射出去。
  • 耗盡區的離子創造出的電場將電子推向N型一側。
  • 這樣P型一側就會出現一個需要被填補的空穴。
  • 一個電子通過電線或電路的後門來填補這個位置。

太陽能是可持續的嗎?

太陽能回報所需時間

但是在這25到30年後,當太陽能板停止工作之後,會發生什麼呢?遺憾的是,這在很大程度上是一個無解的問題。為了應對今天建造的太陽能電池板成為廢物的情況,我們須要發開負擔得起的大規模回收方法

用太陽能光伏生產人類所需的所有能量需要多大的土地面積?

在我們開始計算之前,你是怎麼想的?


我們需要三個數據來進行估計:

  • 全人類每年使用157000TWh的能量
  • 美國接收到來自太陽的平均能量為250MW每km²
  • 現代太陽能光伏板的運行效率大約為20%, 這意味著光伏板能將擊中它們的光能中的20%轉化為電能。

因為20%的效率,每1平方公里的太陽能板能生產電的功率為50MW。還記得能量 = 功率 x 時間嗎?所以這些太陽能板一年生產的總能量為50MW x 365天 x 24小時 = 438 GWh。相當於0.438TWh。

為了滿足人們157000TWh的使用量,我們需要 157000/0.438 = 358500km² 的太陽能板。簡單來說,像整個德國那麼大的面積

支持全世界能量需求的太陽能面積

這個面積雖然很大,但不是毫無道理的。我們將34%的地球土地用於糧食和牲畜等食物生產,因為,與此之下,一個德國大小(0.3%的地球土地)的太陽能光伏場並不算很大。

然而,大規模地安裝太陽能會帶來一些被以上計算忽略的問題。這些問題中最突出的問題是,太陽能源的供給是多變的:我們無法在晚上生產能量,但當太陽照耀時,我們生產的能量又會過剩!我們之後會探討解決這一問題的方法。

我們該如何改進太陽光伏和太陽熱能呢?

有很多方法可以實現太陽能光伏。晶體硅光伏(我們剛剛談到過這種技術)能吸收照射在上面的20%的太陽能。其他太陽能技術能有40%的效率,但是價格更高

所謂的「薄膜」技術成為了一種更便宜也更環保的技術。為了讓你了解到這一個技術的發展速度,看看下面這張圖:

太陽能光伏類型的效率隨時間的變化

太陽熱能技術能生產可再生的熱能而不是直接生產電力。這有什麼重要的呢


聚光太陽能熱發電 (CSP) 如今,我們有原材料去大規模部署聚光太陽能系統(CSP)雖然現在CSP比化石燃料更貴,但是随着规模增大,它的可行潛力也会增加

人工光合作用是一项探索較少但仍有前景的技术。如果我们能使其規模化運作,它就能一勞永逸地解决許多问题。我们将会在「氫氣」一章中讨论更多的相关问题。不過不要跳過前面的內容!中間要講到的一些技術同樣精彩、同樣令人興奮。

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