關於太陽能 : 太陽能定義

太陽能通過利用太陽光和熱產生可再生或“綠色”電力。太陽能電池板，也稱為光伏電池，是利用太陽能的最常見方式。它們在太陽能發電廠中幾乎是無邊無際的，可以在廣闊的田野中捕捉陽光。您偶爾會在建築物頂部找到它們。半導體材料用於製造電池。當它們撞擊細胞時，太陽光線從它們的原子中釋放電子。這允許電子自由地流過電池，從而產生電力。太陽能集熱器可以在更廣泛的範圍內為數千人同時發電。太陽能熱電廠採用多種方法從太陽中發電。太陽能被用來煮沸水，然後為蒸汽輪機提供動力，蒸汽輪機產生類似於煤炭或核電站的電力。

太陽能技術

可以使用三種不同的技術來利用太陽能：

1. 光伏 (PV)，將光直接轉換為電能。

2. 聚光太陽能 (CSP)，它使用太陽能熱能為大型電動渦輪機提供動力。

3. 太陽能加熱和冷卻 (SHC) 系統，可收集熱能並將其用於加熱或冷卻水和空氣。

光伏（PV）

光伏 (PV) 太陽能可以釋放這些材料中的電子，然後可以誘導這些電子通過電路、操作設備或將電力傳輸到電網。光伏小工具可用於為從計算器到路標以及家庭和大型商業公司的一切事物供電。

光伏 (PV) 技術如何運作？

光子使太陽能電池板上的半導體材料電離，導致外部電子破壞它們的原子鍵。電子被半導體結構沿一個方向驅動，從而產生電流。由晶體矽製成的太陽能電池並非 100% 有效，部分原因是只能吸收特定波長的光。一些光譜被反射，而另一些（紅外線）太微弱而不能發電，還有一些（紫外線）產生熱能而不是電。

其他形式的光伏技術

除了晶體矽 (c-Si) 外，光伏技術還有兩種基本形式：

• 薄膜光伏是商業太陽能業務中一個微小但迅速擴張的部分。許多薄膜公司正在嘗試新技術。它們的效率低於 c-Si 模塊，儘管它們通常更便宜。聚光光伏陣列大多位於美國西南部的沙漠中。它們使用透鏡和鏡子將集中的太陽能反射到高效電池上。

• 光伏建築一體化

作為結構的外層，產生電力供現場使用或輸出到電網。他們需要陽光直射和跟踪設備才能最成功。 BIPV 系統可以節省材料和電力，減少污染，並提高建築物的美感。

聚光太陽能 (CSP)

CSP 發電廠使用鏡子來聚集太陽能，然後將其用於為傳統蒸汽渦輪機甚至發動機提供動力以發電。無論白天還是黑夜，CSP 工廠的集中熱能都可以儲存起來並用於發電。在美國，目前大約有 1,815 兆瓦 (MWac) 的 CSP 設施在運行。

拋物線槽

曲面鏡將太陽的能量聚焦到接收管上，該接收管在拋物線槽系統中沿槽中心運行。高溫傳熱流體（如合成油）在接收管中吸收太陽能，加熱水，並通過在 750°F 或更高溫度下通過熱交換器產生蒸汽。為了發電，蒸汽為傳統的汽輪機發電廠提供動力。作為一系列環連接的數以千計的平行槽位於南北軸上，使得槽可以在典型的太陽能集熱器場中從東向到西向跟踪太陽。單個收集器模塊的高度範圍從 15-20 英尺到 300-450 英尺。

緊湊型線性菲涅爾反射器

CLFR 基於曲面鏡槽技術，但具有較長的平行排較便宜的平面鏡。太陽的能量集中在凸起的接收器上，接收器由水流經的管結構組成。集中的陽光可以使水沸騰，產生可直接用於發電廠和工業蒸汽應用的高壓蒸汽。

電力塔

電力塔系統中使用中央接收器系統，可實現更高的工作溫度，從而提高效率。計算機控制的鏡子（稱為定日鏡）沿兩個軸跟踪太陽，將太陽能聚焦在高塔頂部的接收器上。集中的能量用於將傳輸流體加熱到 1,000 華氏度以上，以產生蒸汽並為中央發電機供電。這些項目可以輕鬆且經濟高效地整合儲能，實現 24 小時發電。

碟機

拋物面盤的表面覆蓋著鏡子，將陽光集中在固定在焦點上的接收器上。與其他使用蒸汽通過渦輪發電的 CSP 技術不同，這種碟式發動機系統使用工作流體（如在接收器中加熱到 1,200° F 的氫氣）驅動發動機。為了追踪太陽，每道菜都沿著兩個軸旋轉。

聚光太陽能發電廠最重要的要求

• 資金- 項目融資是任何公用事業規模的能源生產基礎設施（包括 CSP）中最困難的方面。

• 高太陽輻射區域- 太陽的能量不應過於分散而無法聚焦。太陽能的直接法向強度 (DNI) 用於確定這一點。

• 雲量很少的連續土地- 容量為 100 MW 和更大的 CSP 發電廠的運行效率最高，因此成本效益最高。雖然所需的土地數量因技術而異，但典型的 CSP 設施每兆瓦容量需要 5 到 10 英畝。由於土地面積較大，熱能儲存成為可能。

• 水資源——與煤炭、天然氣和核能等類似的熱電廠一樣，大多數 CSP 系統都需要水來冷卻。清潔收集器和鏡面，只需要少量的水。 CSP 設施可以使用濕式、乾式和混合冷卻系統來提高發電和節水效率。

• 既可用又接近的輸電通道——CSP 工廠必須建在合適的地形上以進行發電，並且能夠充分接入快速過載和陳舊的輸電網。公用事業規模的太陽能發電設施的建設需要能夠使用高效用輸電線路，以將電力從太陽能發電廠輸送到最終消費者。西南地區現有的大部分輸電系統已滿負荷運轉，迫切需要新的輸電系統。

SHC（太陽能加熱和冷卻）系統是一種太陽能加熱和冷卻系統。

太陽能加熱和冷卻 (SHC) 系統捕獲太陽的熱能，並在住宅、商業和工業環境中使用它來生產熱水、房間加熱、冷卻和游泳池加熱。由於這些技術，不再需要電力和天然氣。太陽能加熱和冷卻解決方案正在世界各地製造和安裝，大大減少了我們對進口燃料的依賴。為了擴大這個快速增長、創造就業機會的部門，政府需要明智的政策。

太陽能儲存

太陽能電池板有一個缺點，即使是最熱心的太陽能佈道者也會同意：它們僅在陽光明媚的時候發電。另一方面，能源使用高峰發生在夜間，恰逢太陽能發電量減少並導致供需問題。另一方面，太陽能電池板經常在陽光明媚的低需求時段產生足夠的能量來滿足當天之後的高峰需求。這意味著有效的太陽能存儲可以為房主和企業提供廣泛的好處。

本文將介紹太陽能存儲的好處、它的運作方式以及它如何提供幫助。

太陽能儲能的優勢是什麼？

儲存多餘的能量對於最大限度地利用太陽能電池板系統至關重要。它可以節省成本、提高電網效率並減少化石燃料排放。儲存太陽能有幾個優點：

1. 電力負載均衡

如果電能不儲存，則必須在產生後立即消耗。能量存儲使多餘的發電能夠被存儲以滿足高峰需求。對於可再生能源，儲存多餘的電力意味著即使在太陽落山或風停止吹時，燈也能保持亮著。簡而言之，儲能允許蓄能器在需求低、發電量高時充電，然後在需求增加和發電量減少時釋放。

2. 填補空白。

短期太陽能存儲可確保在發電機停電期間（如日常維護或云霧繚繞）的穩定能量流動。

3. 能源彈性。

從野火到極端風暴，電網很容易受到干擾和中斷。通過分散我們獲取能量的地方，太陽能存儲在災難性事件期間提供了保護性的泡沫。

儲存太陽能的最佳方式是什麼？

太陽能的存儲可分為三部分：熱能、電池和機械。讓我們分別看一看。

什麼是蓄熱？

熱能儲存使用各種材料（如水或熔鹽）吸收並保留來自太陽的熱量。這種加熱的介質被保存在絕緣罐中，直到需要使用為止，這通常用於將水煮沸以產生能量。

什麼是電池存儲？

電化學電池也可用於儲存太陽能。當太陽能注入電池時，能量通過電池組件之間的化學過程存儲。當電池耗盡時，反應相反，允許電流離開電池。鋰離子電池是太陽能應用中最普遍的電池類型，而且新電池技術正在快速發展，有望提供更便宜、額外可擴展的電池存儲解決方案。事實上，到 2025 年，英國的年度儲能預計將達到近 7.5 吉瓦，是 2020 年的六倍，創造了超過 73 億美元的市場價值。

什麼是機械存儲？

為了發電，機械儲能使用物體的預期能量。多餘的電能轉化為機械能，然後再轉換回電能供以後使用。機械儲能裝置分為三類：

• 飛輪。這種方法利用剩餘功率旋轉飛輪，然後產生電力以滿足高峰需求。

• 抽水蓄能。在抽水蓄能中，水被向上泵送到渦輪發電機上方的水庫。當對電力的需求很大時，允許水流過渦輪機並發電。

• 壓縮的空氣。通過這種儲能技術，壓縮空氣被注入到巨大的容器中，例如坦克或地下地層。在高峰需求期間，排放空氣以發電。

最有效的太陽能存儲

太陽能存儲沒有一刀切的答案。太陽能存儲選項取決於您的需求和資源。讓我們來看看一些用於商業和住宅用途的最流行的太陽能存儲替代方案。

商業太陽能存儲

對於公用事業公司和其他預算大於個人的企業來說，機械和熱存儲是可行的解決方案。儘管這些存儲系統可能很昂貴，但它們有助於公用事業滿足峰值能源需求。

• 採用下一代電池的電網儲能。在美國，2020年是新型儲能具有里程碑意義的一年。美國僅在第三季度就安裝了 476 兆瓦的額外存儲，比上一季度創紀錄的總數增加了 240%。儘管大多數新部署是 1 小時電錶前 (FTM) 存儲系統，但它們為商業太陽能存儲的未來提供了有希望的一瞥。

• 壓縮的空氣。根據最新的政府估計，壓縮空氣的成本為每千瓦時 105 美元，使其成為大規模應用中最具成本效益的機械存儲替代方案。

• 抽水蓄能。未被消耗的太陽能可用於向上抽水，產生大量的勢能。抽水蓄能目前的成本約為 165 美元/千瓦時，使其成為大規模機械儲能的第二佳選擇。然而，因為新的抽水蓄能涉及大量的前期成本和相當大的監管障礙，所以它只在特定的地方可行。

家庭太陽能儲存

成本節約、彈性和電力輸出分散（有時稱為“虛擬發電廠”）只是住宅太陽能的一些優勢。然而，我們上面概述的商業儲能解決方案對於普通房主來說可能過於昂貴。值得慶幸的是，電池存儲現在可以為家庭提供經濟高效且可靠的太陽能存儲解決方案。

鋰離子電池是迄今為止最流行的家庭太陽能儲存選擇。它們價格便宜（而且越來越便宜），外形低調，可用於多種用途。鹽水電池和鉛酸電池是家庭中常用的另外兩種電池。

無論電池類型如何，家用備用電池都允許房主在高產量和低需求期間（例如，整個工作日）保存能量，以供在發電量下降時的高需求期間使用。家庭太陽能存儲的好處類似於大規模太陽能存儲的好處，具有彈性、不間斷電力和節省成本。這些優勢會傳遞給房主。

那麼，電池究竟是如何工作的呢？

電池是將化學能轉化為電能的裝置。它們由兩個電極、一個陽極和一個陰極組成，陰極由導電材料製成並由隔板隔開。

電解質，一種包含離子的化學物質，位於陽極和陰極之間，與陰極和陽極的導電元素反應以產生電流。

電極中的化學氧化還原（氧化還原）反應導致離子在兩個電極之間移動，並且電子從一個電極中釋放出來。自由電子聚集在一個電極上，導致不同的電荷，電子將試圖通過移動到另一個電極來平衡。

另一方面，分離器阻止它們移動，有效地斷開電路。電路形成後，電子可以在電極之間移動（陽極和陰極都相連），電池有效耗盡。

各種類型的電池

電池具有多種化學特性、生命週期、能量密度、工作溫度和功率密度參數。以下是最常見的電池技術：

• 鉛酸 (PbA)

• 鎳金屬氫化物 (NiMH)

• 鎳鎘 (NiCd)

• 鋰離子（Li-ion）

• 鈉硫 (NaS)

• 碳-鋅 f) 鋅-溴

太陽能定義總結

隨著越來越多的人轉向可再生能源和綠色能源，了解每種能源的利弊至關重要。在轉向現代、更環保的能源之前，請嘗試制定一個您和您的家人可以負擔得起的預算。然後弄清楚從長遠來看，選擇太陽能會花費您多少以及您會節省多少。列出對您和家人而言特別的優點和缺點，以便您可以更好地了解哪些解決方案比其他解決方案對您更有幫助。