太阳能：环保新宠儿，你了解多少？
太阳能：环保新宠儿，你了解多少？
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，近年来在全球范围内得到了快速发展。从家庭屋顶的光伏板到大型太阳能电站，从太空中的太阳能帆板到便携式太阳能充电器，太阳能技术正在以前所未有的速度改变着我们的生活。本文将为您详细介绍太阳能的工作原理、最新技术突破、产业发展现状以及未来发展前景。
太阳能的基本原理
太阳能是利用阳光粒子（光子）产生能量的可再生能源。太阳核心发生的核反应使产生太阳能成为了可能。此时，氢质子会剧烈碰撞并融合在一起以形成氦气，从而产生大量能量。此能量会通过电磁波光谱（也称为电磁辐射）从太阳辐射到太阳系。
在地球上，太阳能光伏 (PV) 与聚光太阳能 (CSP) 系统可用于将阳光转化为其他形式的能量；例如，电能和热能。
太阳能光伏（PV）
太阳能光伏利用光伏效应（在光照下产生电压）来发电。太阳能电池板或模块是光伏系统的常见例子，因为它可以容纳一组光伏电池（或太阳能电池）。一块光伏板上的光伏电池数量从一个到数百个不等。
每个光伏电池都包含一个由硅或其他半导体材料制成的半导体，用于产生电场。当光线被吸收后，电子会从半导体中解离出来，并以电流的形式流向外部设备。这种能量流被视为直流电 (DC)，产生的电能与接收的光线量成正比。直流电可以通过太阳能逆变器转换为交流电 (AC)，因此可以在设定电压下产生交流电。
太阳能电池板系统产生的电能可以立即使用。多余的能量可以储存在太阳能电池中，或输送到电网。房主可以通过对太阳能电池板的贡献，在电费单上获得能源积分。这是通过净计量实现的。光伏系统是小规模应用中最常见的转换方式，可用于为计算器供电等简单用途。但是，它们也可以扩大规模，增加发电量。有些光伏电站可以为整个城镇提供能源。
聚光太阳能（CSP）
聚光太阳能（也称为聚光太阳能热力发电）使用反射镜将太阳光反射并聚集到充满液体的接收器上。太阳能加热会提高液体的温度，通过热水产生热能。这些能量用于为发动机或旋转涡轮机提供动力，然后产生流向发电厂或补充电网的电力。
CSP 通常用于大规模公用事业和工业应用。例如，太阳能发电厂每年可通过 CSP 系统发电数百兆瓦 (MW)。不过，也可以小规模应用 CSP，例如用于太阳能炊具等设备。
太阳能应用技术的最新突破
尽管太阳能电池板已“飞入寻常百姓家”，但它们并非尽善尽美。为此，科学家还在孜孜不倦探索新技术，力求使其更高效、更可靠。美国the cool down网站在近日的报道中，列出了研究人员今年取得的五大极具发展潜力的太阳能创新技术突破。
钙钛矿电池：稳定耐用性增加
钙钛矿太阳能电池，曾被《科学》杂志评为2013年十大突破之一，更被视为下一代光伏技术的璀璨明星，其受关注程度与日俱增。
钙钛矿是一组与矿物质钙钛氧化物拥有相同原子排列（晶体结构）的材料，在太阳能电池中展现出独特的潜力。相比传统硅基太阳能电池，钙钛矿太阳能电池不仅成本更低，而且更加柔韧。它还能制成透光、半透明的光伏组件，广泛应用到建筑窗户上。但钙钛矿也有一个致命缺陷：在自然状态下，它会很快降解。
今年1月传来喜讯，美国密歇根大学团队发现，通过“修复缺陷”，即向钙钛矿电池中添加各种分子，会显著提升钙钛矿太阳能电池板的稳定性和耐用性。相关论文发表于《物质》杂志。
这一突破的关键在于巧妙使用添加剂，以抵消钙钛矿晶体结构内阻碍电子运动并加速降解的缺陷，研究团队对不同尺寸、重量和配置的添加剂进行了深入评估，以探究它们对钙钛矿太阳能电池耐用性的影响。结果显示，质量较大的分子在预防缺陷形成方面表现更佳，且分子越宽，效果越显著。研究团队表示，这一创新有望大幅降低太阳能电池板的成本。
印制电池：规模生产能效高
今年3月，英国剑桥大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）等机构科学家组成的国际团队经多年研究，创下卷对卷印制钙钛矿太阳能电池光电转化效率新纪录，相关论文发表于《自然·通讯》杂志。
研究负责人之一、CSIRO首席研究科学家度晶·瓦克博士认为，传统硅基太阳能电池板既坚硬又笨重，印制太阳能电池能效高、成本低。但在保持太阳能电池光电转化效率的同时扩大生产规模，一直是印制太阳能电池技术的“拦路虎”，此前问世的印制柔性太阳能电池板的光电转化效率仅1%—2%。他们借助全新卷对卷印制技术，得到的柔性太阳能电池实现了高达15.5%的创纪录能源转化效率。
研究团队表示，这些电池非常轻便且柔韧，便于携带，有望在城市建设、国防、太空和个人电子产品等领域“大显身手”。
有机电池：可穿戴设备“好搭档”
随着可穿戴设备逐渐融入人们日常生活，从智能手环到健康监测设备，再到未来可能出现的各种新奇产品，不断推动着人们生活方式的变革。但如火如荼的繁华背后，电源问题一直是制约可穿戴设备发展的关键因素之一，一种有机太阳能电池似乎提供了新的解决方案。
今年年初，韩国科学技术院科学家在《焦耳》杂志刊发论文称，他们研发出一种新型有机聚合物材料，具有很高的光伏特性，能像橡胶一样拉伸。在这种聚合物的基础上，他们研制出一款可拉伸的有机太阳能电池。新电池的最大特点是，即使拉伸超过其原始状态40%，光电转换效率依然能够保持19%，使其成为服装或可穿戴设备的“好搭档”。
研究团队表示，该电池还具有出色的耐用性和稳定性，能长时间为可穿戴设备提供稳定可靠的电力支持。由于电池采用了有机材料，在生产和使用过程中产生的环境污染较小，具有环保优势。
串联电池：光电转化率提升
目前的太阳能电池板大部分是单层，且大部分光电转化效率已经超过20%。中国科技大学陈涛教授等人今年3月在《能源材料与器件》杂志刊发论文指出，他们的一项新研究表明，串联（双层）太阳能电池也能具有很好的光电转化效率。
他们研制出的电池顶层由钙钛矿制成，底层由硒化锑制成，整个电池实现了20.58%的光电转换效率。硒化锑是一种极好的无机吸光材料，毒性相对较低。
陈涛表示，硒化锑的高稳定性为制备串联太阳能电池提供了极大便利，它与多种不同类型的顶部电池材料配对，都可能获得良好效果。美国可再生能源实验室指出，2009年，串联太阳能电池的光电转化效率仅3%，目前已20%以上。有不少科学家正在开发叠层太阳能电池，测试其他底层材料，以提升其效率。
电池板：最大限度吸收阳光
当其他科学家致力于寻找提高太阳能电池光电转化效率的新方法时，英国剑桥卡文迪什实验室和阿姆斯特丹AMOLF公司的科学家另辟蹊径。
今年3月份，他们在《焦耳》杂志刊发论文称，可以通过让太阳能电池板更适应周围环境，来提高其光电转化效率。具体途径包括让太阳能电池板弯曲、折叠或半透明，以便更好地融入周围环境。此外，研究人员还建议对太阳能捕获装置进行图案化处理，以最大限度地吸收阳光。
太阳能产业现状
当前，光伏产业已经成为全球能源市场的重要组成部分。根据国际能源署（IEA）的数据，光伏发电在全球电力供应中的占比逐年上升，特别是在中国、欧洲和美国等地区，光伏装机容量稳步增长。中国是全球最大的光伏市场，拥有世界上最大的光伏装机容量和生产能力。光伏支架厂家和光伏组件制造商在全球市场中占据重要地位，推动了光伏技术的广泛应用。
欧洲则以其先进的光伏技术和政策支持，成为全球光伏产业的技术引领者。德国、西班牙和意大利等国家通过补贴和激励政策，促进了光伏项目的快速发展。美国也在积极推动光伏产业的发展，特别是在加利福尼亚州和德克萨斯州，光伏电站的建设项目不断增加。
光伏产业的快速发展不仅带来了可观的经济效益，还显著减少了温室气体排放，对全球气候变化的应对起到了积极作用。尽管如此，光伏产业仍面临技术创新、政策支持和市场竞争等多方面的挑战，需要各国政府、企业和科研机构的共同努力，推动光伏技术的进一步发展和应用。
太阳能的优势与挑战
太阳能与风能是美国最主要的可再生能源，两者合计占美国发电量的20%。其中，风力发电占11%，太阳能紧随其后，占9%。但情况正在迅速变化，双方都在发展，技术也越来越好。
效率比较
风力发电在效率方面具有巨大优势。2022 年，风力发电占英国可再生能源的 41.4%。风力涡轮机比太阳能电池板发电量更大。事实上，一台风力涡轮机可以产生相当于七个足球场大小的太阳能电池板的电量。
此外，风能对环境更有利。风力涡轮机产生的二氧化碳比太阳能电池板少。但太阳能仍然是一个不错的选择。两者都有助于我们减少使用化石燃料并应对气候变化。
指标 | 太阳能 | 风能 |
|---|---|---|
CO2排放 | 更高 | 更低 |
能源生产 | 较低 | 更高 |
维护成本 | 较低 | 更高 |
对环境的影响 | 最小 | 对野生动物的潜在影响 |
成本考虑
在过去十年中，太阳能成本已经大幅下降。这使得太阳能对家庭和企业来说更具吸引力。
家庭安装太阳能电池板系统的成本约为每瓦 2.19 美元。获得补贴后，10 千瓦系统的成本约为 21,900 美元。太阳能系统的维护成本比风力涡轮机更低，从长远来看，这是一个明智的选择。
能源来源 | 平均成本 | 维护费用 | 寿命 |
|---|---|---|---|
太阳能 | 每瓦 2.19 美元 | 较低 | 25-30年 |
风能 | 每千瓦 1,498 美元 | 较高 | 可变 |
环境影响
太阳能可以减少温室气体排放通过使用更少的化石燃料来发电。风能对环境的影响也很小，因为它发电时不会产生任何温室气体排放。
但是，建造和维护这些能源也有其弊端。风力涡轮机需要大量的钢铁、混凝土和稀土金属，这些材料可能会危害环境。制造太阳能电池板需要使用盐酸和硫酸等有毒化学品。这些化学品需要小心处理和处置。
环境因素 | 太阳能 | 风能 |
|---|---|---|
温室气体排放 | 每千瓦时产生 70 克二氧化碳 | 每千瓦时产生 4.64 克二氧化碳 |
太阳能的未来展望
太阳能技术的未来发展前景广阔。随着技术的不断进步和成本的持续下降，太阳能将在全球能源转型中发挥越来越重要的作用。预计到2027年，太阳能发电量将超过煤炭和天然气发电量，成为替代化石燃料的主要清洁能源。
各国政府和企业都在积极投资太阳能领域。例如，美国能源部正与拜登政府密切合作，力争减少储能障碍并改善脱碳工作。印度Adani Green Energy在古吉拉特邦的Khavda太阳能光伏园区投产了1千兆瓦（GW）太阳能发电量，这是该公司向建设30GW发电能力迈出的关键一步。英国的Lightsource公司正在希腊开发一个560兆瓦的太阳能光伏园区，该园区将成为欧洲第二大太阳能园区。
此外，太阳能技术的创新也在不断涌现。例如，日本正在制定计划，以便到2025年将太阳能从太空直接照射到地球。这些创新之举之所以有可能实现，是因为太阳能发电的成本在过去10年中降低了90%，而储能系统也得到了发展。
总之，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的发展潜力。虽然目前仍面临一些技术和成本上的挑战，但随着科技的进步和政策的支持，太阳能必将在未来能源结构中占据更加重要的地位。