太阳能：一个完整的历史

主要观点

物理学家和发明家从19世纪30年代开始尝试利用光伏能源。
直到1990年代，太阳能才开始被应用于居民区，而不仅仅局限于商业领域。
太阳能是唯一真正智能和可持续的充电电动车的能源来源。

截至2021年，可再生能源占美国电力发电的20%。虽然离美国到2050年实现全面可再生能源的目标还有很大差距，但这表明了美国在技术开发方面做出了坚定的努力。太阳能占据了最大的份额。

由于太阳能的应用历史悠久且制造简单，所以很容易理解为什么太阳能是如此重要。继续阅读，了解关于太阳能的一切以及它是如何随着时间的推移发展的。

太阳能是什么：完整解释

太阳能在过去30年中经历了快速增长，但已经被利用多年。作为对煤炭的主要替代能源之一，太阳能利用搭载透镜或镜子的半导体将太阳光转化为电力。随着我们对化石燃料依赖程度的改变，太阳能的受欢迎程度也会有起伏。

物理学家和发明家从19世纪30年代开始尝试利用光伏能源。应用结果是效率极低的系统，光伏输出仅为1%。由于效率如此之低，很难进行进一步的开发。直到20世纪50年代，太阳能才再次得到合法的使用。

虽然这项技术在20世纪下半叶找到了坚实的基础，但直到1990年代，太阳能才被用于商业以外的领域。然而，随着对生态环境的日益关注以及巨额关税，替代能源的成本创历史新低。太阳能现在在商业和居民用电、供暖、照明等方面得到广泛应用。

太阳能是唯一真正智能和可持续的充电电动车的能源来源。

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太阳能：确切定义

美国太阳能产业协会（seia）是美国最大的太阳能及相关行业的贸易协会，将太阳能定义为“太阳能转化为热能或电能的能源。”

“它是最清洁、最丰富的可再生能源来源。”

“[太阳能]被利用于各种用途，包括发电、提供光明…以及为家庭、商业或工业用途加热水。”

太阳能是如何工作的？

太阳能电池板上的光伏电池将太阳能转化为电力。

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组成部分

太阳能将来自太阳的光（也称为热辐射）转化为电力。这种获得的能量通过太阳能系统传输，并用于各种应用。

太阳能电池是将太阳能转化为电力的基本组成部分。由半导体材料制成的这些小型集中块吸收阳光。半导体材料的类型决定了系统的几个方面，包括：

带隙（电池能吸收的波频率）
寿命
成本
可获得性

生产商将几个太阳能电池串联起来，并用反射玻璃加固，形成一个面板。太阳能电板的大小因其用途不同而有所变化。太阳能电板的电效率随其特性和外部条件而异。

大多数太阳能应用在其功能中使用一种或多种形式的储存。如锂离子或agm深循环系统等电池储存广泛应用于住宅和商业实践中。然而，其他形式的储存也存在，包括热能（用于供暖和冷却解决方案）和机械能（飞轮，压缩空气）。

特性

影响太阳能电板可行效率的关键因素之一是其光伏电池组成。硅是一种流行的常见半导体，具有价格和寿命方面的高效带隙。硅太阳能电池能够将其上的热能转化为电能，最高可达22%。其他光伏电池组成包括：

镉碲化物
铜铟镓硒
钙钛矿
有机化合物
量子点
多级结构
浓度光伏

从实际角度来看，太阳能电板分为两种类型。单晶硅电板由单个硅晶体制成，形式坚硬。多晶硅电板混合了几个硅晶体，性质更加灵活。虽然多晶硅电板具有多种应用，但它们往往会牺牲效率。单晶硅电板往往提供更多的能量产量，效率提高了多达7%。

条件

尽管太阳能电板的半导体决定了其达到的最高效率，但有几个条件会影响其实际产量。决定太阳能产出的因素之一是最大日照时间。

这是一个地区平均接收到的最大阳光量。例如，在犹他州，最大日照时间为5.26小时，太阳能电板将比华盛顿州的太阳能电板（最大日照时间为3.57小时）获得更多的能量。

太阳能电板的朝向也会影响其接收到的热能量。虽然将太阳能阵列朝上安装很容易，但如果将其放置在太阳经常出现的位置，可以提高其效率。

最具影响力的调整是根据所处的半球位置调整电板的朝向。例如，美国大陆位于北半球，太阳始终位于南方。因此，将电板的朝向朝上和朝南，可以提高其对美国用户的效率。

遮蔽物也会影响电板的输出；一个被遮蔽的太阳能电池可以大大降低整个阵列的效率。这是因为每个电池都与相同的电流相连。

将电板想象成一条河流。如果河流中有一处阻塞（有阴影的太阳能电池），那么只有能够通过阻塞处的水量才会流动。太阳能能量也是如此。电板只能产生与最弱的太阳能电池收集到的热能量相等的电力。

太阳能起源于何处？

早期发展

19世纪初见证了电力及其应用的大规模发展。太阳能和光伏效应随之而来，法国物理学家亚历山大·爱德蒙·贝克勒尔于1839年展示了光伏效应。

40年后，美国发明家查尔斯·弗里茨（charles fritts）设计了第一个家庭太阳能阵列，并在纽约实际应用了该技术。这种应用展示了一种替代煤炭的可能性，但效率还不足以商业化推广。

首次商业应用

太阳能的应用在20世纪50年代得到了恢复，当时美国和苏联在冷战期间争夺优势。在成立nasa的同时，美国政府于1958年推出了第一艘太阳能动力的宇宙飞船（先锋一号）。随着大规模的联邦资金投入，可替代能源在现代时代找到了基础。然而，太空竞赛并不足以推动太阳能进入商业或住宅领域。

1979年石油危机

20世纪70年代全球石油供应遭到重大干扰，沙特阿拉伯于1973年对原油实施禁运，伊朗政府变得越来越不稳定。油价突然飙升，错误信息使人们相信价格将继续上涨。

1979年，伊朗革命爆发，导致该国及周边地区原油产量大幅下降。

1979年的石油危机迫使主要国家改革其能源政策，太阳能技术开始受到重视。日本、德国和美国将太阳能制造业作为重点发展产业，全球产业迅速发展。

到了20世纪90年代，许多城市开始建设大型太阳能发电厂。多年后，太阳能成本下降了近85%。

太阳能的应用有哪些？

太阳能发电

住宅和商业房地产业主利用太阳能为他们的住宅和建筑提供电力。这些系统成本低廉，甚至可以辅助市政电网的供电。太阳能电力通常存储在深循环电池中，可以在紧急情况或离网场景下实现实用应用。

太阳能供暖

像图片中所示的太阳能热水器通常利用太阳能提供热水。

太阳能还提供了水和环境供暖的解决方案。屋顶太阳能阵列吸收太阳的热量并将其传递到水箱，可以提供所需的热水。另外，太阳能电池板可以与强制热空气系统配对，通过空气循环来保持室内在寒冷的季节保持温暖，即使阳光较少。

太阳能照明

简单的照明系统白天收集太阳能供夜间照明。这些系统相对容易制造，寿命为10-20年。太阳能照明可为家中的黑暗空间提供快速解决方案（例如亚马逊的这些太阳能聚光灯），但它们也在城市中得到了实际应用。

太阳能在现实世界中的应用示例

ivanpah项目

ivanpah太阳能发电系统（isegs）是世界上最大的太阳能发电厂。位于加利福尼亚州的莫哈维沙漠，ivanpah能够产生377兆瓦的太阳能。这足够为14万个家庭供电，同时每年减少40万吨二氧化碳排放。

beaumont太阳能路灯

同时在加利福尼亚州，博蒙市已在整个市政区安装了数百个太阳能路灯。作为该州增长最快的城市，博蒙市采用太阳能解决方案来容纳新的社区，这极大地降低了开发和维护成本。太阳能路灯可以在挖掘沟渠方面为城市节省费用，帮助其投资社区参与。

nasa的高效电池

尽管硅半导体在大多数情况下表现出色，但nasa的工程师们仍在推动卫星太阳能电池的效率极限。该机构正在使用iii-v多结太阳能电池，这种电池巧妙地将多个具有不同能隙评级的半导体层层叠加。这些光伏电池的效率已达到46%，可以为航天任务提供动力，例如“阿尔忒弥斯计划”的“月球网关”。

太阳能：进一步阅读

随着我们将环境问题放在首位，逐渐转向煤炭和石油以外的能源，太阳能将发挥更大的作用。热能发电以及其他可再生能源可能在未来占据我们能源产出的大部分。要了解更多关于我们如何利用太阳能的信息，请参阅以下文章。

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