太阳能

太阳能（英语：Solar energy），是指来自太阳辐射出的光和热被不断发展的一系列技术所利用的一种能量，如，太阳热能集热器（英语：Solar thermal collector），太阳能光伏发电，太阳热能发电，和人工光合作用（英语：Artificial photosynthesis）。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能技术分为有源（主动式）及无源（被动式）两种。有源的例子有太阳能光伏及光热转换，使用电力或机械设备作太阳能收集，而这些设备是依靠外部能源运作的，因此称为有源。无源的例子有在建筑物引入太阳光作照明等，当中是利用建筑物的设计、选择所使用物料等达至利用太阳能的目的，由于当中的运作无需由外部提供能源，因此称为无源。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能。化石燃料可以称为远古的太阳能。太阳能资源丰富，无需运输，但生产太阳能板的过程对环境有严重且不可逆的污染，且会造成飞航安全。太阳能为人类创造了一种新的生活形态，使社会以及人类进入一个额外再生能源可使用的时代。地球在上层大气传入的太阳辐射（日照）接收了174 petawatts(PW)。大约有30%的太阳能被反射回太空，而其余的太阳能则被云层、海洋和陆地吸收。在地球表面的太阳能光谱大多分布在一小部分近紫外线，全部可见光，和近红外线的光谱范围。地球的大气，海洋和陆地吸收的太阳能每年大约是3,850,000 EJ。在2002年，一小时内的太阳能比全世界在一年内使用的能量还要更多。光合作用获得的生物质能每年约3000 EJ。技术上的生物质能潜力有100–300 EJ/每年。 。太阳的能量到达这个地球表面的数量是如此巨大，以至于在一年中的太阳能是自从人类取得和开采的所有在地球上不可再生资源的煤、石油、天然气、和铀都相结合的总能源的两倍。在世界各地，主要根据纬度的不同来利用太阳能。太阳能是指主要用于实际目的利用太阳光辐射。然而，除了地热能和潮汐能以外，所有其他的可再生能源都是来源自太阳的能量。太阳能技术被广泛定性为被动的或主动的方式来捕获，转换和分配太阳光。主动式太阳能技术，利用太阳能光伏板，泵，风机将阳光转换为有用的输出。被动式太阳能技术，包括选择材料具有良好的热性能，设计，自然空气流通的空间，并按照太阳来安排的建筑物的位置。主动式太阳能技术，增加能源供应，被认为是供应端的技术；而被动式太阳能技术，减少替代资源的需要，通常被认为是需求端的技术。利用太阳能的方法主要有：直到近期，太阳能还只能小规模使用，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了很好的应用，而且在一些情况下，太阳能发电已经有经济竞争力；现在太阳能的成本已经在许多市场达到电网平价。目前，全球最大的屋顶太阳能面板系统位于德国南部比尔施塔特（Bürstadt（德语：Bürstadt）），面积为四万平方米，每年的发电量为0.5万千瓦时。日本为了达成京都议定书的二氧化碳减量要求，全日本都普设太阳能光伏板，位于日本中部的长野县饭田市，居民在屋顶设置太阳能光伏板的比率甚至达2%，堪称日本第一。阳光影响了建筑设计建筑史的开始。先进的太阳建筑和城市规划的方法，是最早被希腊人和中国人所采用，他们的建筑面向南方给人们提供光明和温暖。农业和园艺业，为了优化植物生产力而致力于优化太阳能的捕获。采用的技术，如定时种植周期，量身定制的行方向，交错行和混合的植物品种之间的高度可以提高农作物的产量。虽然阳光被普遍认为是一个丰富的资源，例外情况突出显示太阳能能源以农业的重要性。温室大棚将太阳光转换为热能，实现不是天生就适合当地气候的（在封闭的环境中）特种作物其他植物的生长和全年的生产。太阳能泵也可以用在农业和园艺业的灌溉上。自1980年代以来，一个太阳能汽车的发展一直是工程目标。世界太阳能车挑战赛（英语：World Solar Challenge）是每半年以太阳能为动力的汽车比赛中，来自高校和企业的团队竞争横跨澳洲中部的3,021 km（1,877 mi）,从达尔文市到阿德莱德市的比赛路程。在1987年，成立时，获奖者的平均车速为67千米每小时（42英里每小时），并在2007年获奖者的平均时速已提高到90.87千米每小时（56.46英里每小时）。北美太阳能车挑战赛（英语：North American Solar Challenge）和计划中的南非太阳能车挑战赛（英语：South African Solar Challenge）是相媲美的比赛，反映出在太阳能车的设计和开发的国际关注。有些汽车使用太阳能电池板为辅助电源，例如用于空调，保持汽车内凉爽，从而减少燃油消耗。1975年，第一艘实用的太阳能船被建造于英国。 到1995年，客轮整合光伏电池板开始出现，并且现在广泛使用。在1996年，堀江谦一（英语：Kenichi Horie）作出第一次利用太阳能动力的太阳能船穿越太平洋，和在2006-2007年冬季sun21双体船作出第一次利用太阳能动力的太阳能船穿越大西洋。 在2010年有计划作环球航行。在1974年，无人驾驶AstroFlight SunRise飞机作第一次太阳能飞行。在1979年4月29日，Solar Riser作出太阳能动力的，完全控制的，载人的飞行器的第一次飞行，高度达到40英尺（12米）。现代的太阳能科技可以将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。集热式太阳能（Solar Thermal）。原理是将镜子反射的太阳光，聚焦在一条叫接收器的玻璃管上，而该中空的玻璃管可以让油流过。从镜子反映的太阳光会令管子内的油升温，产生蒸气，再由蒸气推动涡轮机发电。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。在适当地点，太阳能的长期使用成本已经接近甚至低于传统的化石燃料。太阳能热水系统利用太阳光来加热水。在较低的地理纬度（低于40度）从60％到70％的生活热水可以使用太阳能加热系统提供温度高达60°C的热水。最常见的类型的太阳能热水器真空管集热器（44％）和玻璃平板集热器（34％），一般用于生活热水；还有无釉的塑料收集器（21％），主要用于加热游泳池。截至2007年，太阳能热水系统的总装机容量约为154吉瓦（GW）。中国是世界的领先者，在截至2006年他们已经安装了70吉瓦（GW），并且部署了在2020年安装210吉瓦（GW）的长远目标。以色列和塞浦路斯是在人均使用量上面的领先者，超过90％的家庭使用太阳能热水系统。在美国，加拿大和澳大利亚占主导地位的应用是加热游泳池，在2005年太阳能热水应用的装机容量为18吉瓦（GW）。在美国，暖通空调（英语：Heating, Ventilation and Air Conditioning，简称:HVAC）系统占用商业楼宇使用的的能量30％（4.65 EJ），和在住宅建筑近使用的能源的50％（10.1 EJ）。太阳能加热，冷却和通风技术可用于抵销了这些能量的一部分。太阳能可用于蒸馏处理盐水或半咸水使其可成饮用水。这种应用的首次记录是在16世纪的阿拉伯炼金术士。首先构建一个大型的太阳能蒸馏项目于1872年在智利的矿业城市拉斯维加斯萨利纳斯（Las Salinas）。该工厂有4700平方米的太阳能集热面积，每天可产生高达22,700升淡水，并经营了40年。太阳灶利用太阳光蒸煮，干燥和杀菌消毒。它们可分为三大类：箱灶具，面板灶具和反射灶具。最简单的太阳灶是箱灶具，首先由奥拉斯-贝内迪克特·德索叙尔在1767年建造。一个基本的箱灶具包括一个用透明盖子的隔热容器。它可以有效地在局部阴天使用，通常温度将可达90-150 °C.太阳能聚光技术，如抛物面碟形，槽形及Scheffler反射器可为商业和工业应用提供工业用热。蒸发池是通过蒸发作用浓缩溶解固体的浅水池。使用蒸发池的从海水中获得的盐是太阳能最古老的应用之一。现代应用包括浓缩浸矿用卤水的解决方案和从废物流中除去溶解固体。通过蒸发作用由风和阳光的晾衣绳，晾衣架晾衣服不消耗电力或煤气。在美国的一些州，有立法保护衣服的“晾干的权利”。光伏转换又称太阳能光伏。太阳能板是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，几乎以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体太阳能电池组合。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗（薄膜太阳能电池会有光衰退的现象）。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较大的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。太阳能板可以制成不同形状，而又可并联、串联，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面开始使用光伏组件，被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。聚光太阳能发电（CSP）系统使用透镜或反射镜和跟踪系统，把大面积的阳光聚焦到一个小光束。然后将集中的热量用作常规发电厂的热源。广泛存在聚光技术，最发达的技术是抛物槽，集中线性菲涅尔反射镜，斯特林盘和太阳能发电塔。跟踪太阳和光线聚焦用了各种技术。在所有这些系统中，工作流体被聚光的太阳光加热，然后将其用于发电或能量存储。一种太阳能电池或光伏电池（PV），是一种利用光伏效应将光转换成电流使用的装置。于1880年代，第一个太阳能电池由查尔斯Fritts(Charles Fritts)构造。百万瓦（MW）百万千瓦时（GWh）太阳能的化学过程利用太阳能来驱动化学反应。优点 在光照充足的地区（例如：太空向阳区、海洋、海岸、空旷岩地、平面地区...），太阳能的供应源源不绝，且不会产生温室气体导致地球温室效应加剧。太阳能电池组件可以安装在建筑物上，称为光电一体化建筑，如此太阳能电池板不仅可以在有阳光的时候产生电力，还能达到隔热的作用，可以有效降低建筑物内部的温度，降低建筑能耗；而且分散式发电的大规模停电风险较低。此外，将太阳能电池安装于家家户户，可以提供大量的在地工作机会，节省社福及社会成本。一些有着高辐射又干旱到无法种出农作物的沙漠国家，还可以把剩下的太阳能卖给电力公司，达到赚钱的效果（不过对于其他国家，太阳能的使用是不能影响到农业及生态）。截至2017年12月，澳洲东部昆士兰州有超过31%居民拥有屋顶太阳能系统，平均安装功率超过3.5千瓦（世界第一）。但是高太阳能系统普及率也给电网电压带来问题。居民区中午用电量低，主要以出售电力给电力公司为主。传统电网并没有考虑双向电力输送。在居民区电力大额传输回电网的时候，电压会逐步抬高，而且可能超过电器设备可能受范围 . 。科学研究已经有方法解决这种问题，但是都有各种成本考虑，例如，在中压电网额外增加电压控制装置。 对于其他国家或地区的启示：没有系统性的分析和规划，单一鼓励促进太阳能在居民区的普及会带来新的风险。更好的方式之一是，通过税收或其他鼓励措施，促进工业和商业用户的太阳能系统安装。因为工商业用户主要用电高峰经常在白天，太阳能系统在日照白天发电，补充工商业用电，降低工商业对电网的压力。现实生活中的问题经常复杂多变，原因错综复杂。对于能源投资和电费管理也是同样的道理，没有适合每个方案的万用灵丹。太阳能系统投资也许是很好的选择，如果：当地阳光充足，电价较高而且持续涨价，政府通过财政或金融方式大力支持，电力可卖回给电力公司 （澳洲和德国）。投资回报经常是能源投资的主要考量。但是系统性的检查，评估和分析，也许会发现，在目前市场条件下，一套综合性的方案是最合适的。例如，通过房屋建筑能效提高，既有设备运行的改善，和太阳能系统投资 ，可能会提供业主最好的投资回报 。太阳活动 · 太阳天文学 · 太阳发电机 · 太阳望远镜 · 日食 · 太阳光 · 太阳辐射 · 太阳能 · 太阳物理学 · 太阳日 · 太阳系 · 太阳常数 · 太阳微中子问题 · 中微子振荡 · 蒙德极小期 · 太阳星云 · 太阳系的形成和演化 · 日震学 · 标准太阳模型