为应对气候变化和减少温室气体排放,解决石油和天然气燃烧带来的环境问题,发展可再生能源已成为全球能源转型的必然选择。太阳能作为最具潜力的可再生能源之一,正展现出巨大的发展前景。太阳每秒释放的能量高达约3.8×1026焦耳,虽然仅有少量到达地球,但这已经约是全球用电需求的7000倍。关键在于如何高效捕获和利用这些能量。
2001年,这处光电障壁建于德国佛莱辛
太阳能电池(正式名称为光伏电池)通过光电效应将阳光直接转化为电能。在无光照时,硅原子中的电子保持稳定状态;当阳光照射时,光子能量激发电子跃迁,形成电流。光照强度越大,产生的电力就越强,这些电力可以用于各种用途,从家庭热水供应到电子设备充电。德国弗莱辛早在2001年就建成了早期的光伏发电设施,展示了太阳能技术的应用潜力。
更先进的太阳能热发电厂采用电脑控制的定日镜阵列,这些镜子会实时追踪太阳轨迹,将阳光反射到中央接收塔。塔内的锅炉产生高温蒸汽驱动涡轮机发电,部分多余的热能还能储存起来,确保电厂在夜间或阴天也能持续供电。这种储能技术大大提高了太阳能发电的稳定性和实用性,为可再生能源的大规模应用铺平了道路。随着技术不断进步,太阳能有望在未来完全取代传统化石燃料发电。
西班牙的PS10太阳能发电厂拥有624面向日镜
全球范围内,各国正加速推进可再生能源的应用与发展,其中太阳能因其清洁特性在日照充足地区备受青睐。西班牙和葡萄牙已制定雄心勃勃的太阳能发展计划,印度更是占据全球前五大太阳能发电厂中的三席,展现出强劲的发展势头。尽管近年来太阳能产业呈现爆发式增长,但目前仍仅占全球发电总量的不足2%,其推广很大程度上依赖政府补贴政策的支持。
欧洲国家特别是德国通过实施优厚的上网电价补贴政策,有效促进了太阳能技术在民用和商业领域的普及。美国等国家则主要依靠屋顶光伏系统的推广应用实现市场扩张。
家庭安装太阳能系统的显著优势在于可以实现“自发自用,余电上网”的运营模式——当光伏系统发电量超过家庭用电需求时,多余电力可通过智能电表反馈至公共电网。根据各国推行的净计量政策,电力公司需按既定费率收购这些分布式能源,业主可定期获得售电收益。这种双向计量系统不仅能精确记录家庭用电量,还能实时监测光伏系统的发电情况,为电力公司的结算提供准确依据。
随着技术进步和政策完善,太阳能正逐步从环保选择转变为具有经济吸引力的能源解决方案。
选择脱离电网的生活方式对许多人来说可能难以想象,但全球已有越来越多家庭选择完全独立的水电系统。这些离网家庭不仅安装太阳能板,更彻底切断与公共电网和水电公司的连接,通过蓄电池储存光伏电力来满足全天候用电需求。太阳能技术的灵活性使其既能集成于建筑结构,也可作为独立系统使用,为追求自给自足的生活提供了可能。
这种生活方式必然伴随着能源使用的调整和妥协。由于电力供应完全依赖日照条件,离网家庭通常需要控制用电需求,如缩短淋浴时间或使用小型节能电器。尽管太阳辐射到地球的能量远超人类需求,但当前商用太阳能电池的转换效率仅约20%,与燃气锅炉相比仍有差距。不过相比早期3%-5%的转换效率,这已是重大技术进步。科学家正致力于开发有机光伏材料、纳米结构太阳能电池甚至可印刷光伏技术,以期突破效率瓶颈,更充分地利用这份来自宇宙的清洁能源馈赠。随着技术发展,离网生活或将从特殊选择转变为更普及的可持续生活方式。
文中图片均来源于《How it works》杂志
作者:《how it works》科普团队
审核:孙明轩 上海工程技术大学 教授
来源: 科普中国创作培育计划
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