13 太阳能#

（大模型翻译，未校对）

现在我们迎来了重头戏。正如我们在第 10 章所见，所有严格意义上的可再生能源选项最终都源自太阳。前两章讨论的两种资源——水力发电和风能——仅仅是到达地球的整体太阳能输入中的微小碎屑。实际上，很难设计出从基于水力或风力的资源中获取超过几太瓦（TW）功率的方法。类似的限制也适用于生物衍生能源、地热能、潮汐能、洋流能、波浪能等。考虑到人类社会目前需要 18 TW 的功率，这可能是令人担忧的。同时，太阳向地球表面输送了 83,000 TW 的能量（详见图 10.1，第 167 页；表 10.2，第 168 页）。这几乎是需求的 5,000 倍。因此，从数字上看，太阳似乎提供了我们可能需要的一切。事实上，这种数量上的不平衡如此极端，以至于让人不禁想知道为什么我们还要费心去做其他任何事情。

然而，目前美国只有大约 0.9% 的能源来自太阳能，或者说其电力的 2.3% 来自太阳能。世界范围内的情况也类似，全球能源的 1.2% 是太阳能（电力的 2.1%）。它似乎被极大地未充分利用了。

本章解释了太阳能的性质、其利用潜力、实际考虑因素，并考察了安装现状。虽然大部分重点放在直接从光发电的光伏（PV）面板上，但太阳热能发电也将涵盖。

13.1 光的能量#

第 5.10 节介绍了光能量的基础知识。本节作为复习，并为本章其余部分奠定基础。

光——一种电磁辐射形式——由光子组成，光子是各自具有特征波长（我们可能称之为颜色）的独立能量粒子。光子是如此微小的能量量子，以至于熟悉的现实环境都充斥着难以估量的大量光子。例如，一个典型的灯泡每秒发射出百亿亿（quintillions） ¹ ¹一百亿亿（quintillion）是 10¹⁸。个光子。

定义 13.1.1: 单个光子的能量（以各种形式表示）为：

\[E_\text{photon} = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \approx \frac{2 \times 10^{-19} \text{ J}}{\lambda \text{ (in } \mu\text{m)}} = \frac{1.24 \text{ eV}}{\lambda \text{ (in } \mu\text{m)}} \tag{13.1}\]

其中 $h = 6.626 \times 10^{-34} \text{ J}\cdot\text{s}`（普朗克常数），而 :math:$nu` 是光的频率，单位为赫兹（Hz，或反秒）。

第二种形式 $(hc/\lambda)$ 很有用，因为我们更常通过波长 $\lambda$ 来表征光的"颜色"。光速 $c \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}$ 通过下式将频率与波长联系起来：

\[\lambda\nu = c \tag{13.2}\]

定义 13.1.1 中的第三种形式使得在已知波长（以微米为单位） ² ²1 微米（micron，或 micro-meter），缩写为 $\mu\text{m}$，等于 10^-6 m。的情况下，很容易计算出以焦耳为单位的光子能量。可见光的波长约为 $0.4\text{--}0.7 \mu\text{m}`（紫到红），因此在 :math:`0.5 \mu\text{m}$ 处，典型的光子能量约为 $4 \times 10^{-19} \text{ J}$。这是一个极小的数字！

³0.4 m² 乘以 1,000 W/m²⁴或者试着推理一下：10¹⁹ 个光子将构成 4 J，所以我们需要 100 倍。

示例 13.1.1: 如果头顶的太阳正在提供 1,000 W/m² 的能量，那么每秒大约有多少个光子照射在一块 0.4 m² 的人行道上？

对于阳光特征的可见光，我们可以使用一个方便的波长 0.5 mu m，这相当于每个光子具有 $4 \times 10^{-19}$ J 的能量。我们描述的人行道以 400 W 或 400 J/s ³ ³0.4 m² 乘以 1,000 W/m² 的速率接收光能。需要多少个 $4 \times 10^{-19}$ J 的光子才能达到 400 J？

除法计算 ⁴ ⁴或者试着推理一下：10¹⁹ 个光子将构成 4 J，所以我们需要 100 倍。得到 $10^{21}$。

定义 13.1.1 中的最后一种形式涉及到光子经常与电子相互作用的事实（正如我们将在 13.3 节中看到的那样），这使得转换为另一种称为电子伏特或 eV（在第 5.9 节介绍）的能量单位变得很方便。一个电子伏特是将一个电子移动经过一伏特的电势差所需要的能量。换算关系是 1 eV = $1.602 \times 10^{-19}$ J。例如，我们在上一个示例中使用的 $0.5 \mu\text{m}$（蓝绿色）光子的能量约为 2.5 eV。

我们为什么要关心数量少得难以想象的光呢？可以想到三个原因：

⁵更短的波长。

式 13.1 阐明了更蓝的光子（较短波长 ⁵ ⁵更短的波长。）比红色的光子具有更高的能量，这一点很重要；
单个光子在微观尺度上与物质相互作用，这与理解太阳能光伏和光合作用相关；
这就是大自然真正的运作方式。

13.4 日照#

让我们从第 13.2 节涵盖的物理原理开始。太阳表面的温度为灼热的 5,770 K，意味着其表面辐射功率约为 $6.3 \times 10^7 \text{ W/m}^2$。太阳的半径约为地球半径的 109 倍 ⁴⁰ ⁴⁰为什么采用这种迂回的方式？为了提供背景。从我们更可能了解或记住的碎片知识入手，逐步构建，能更好地促进我们对材料的理解，并让我们在所学内容中获得“主人翁”感。，而地球赤道半径本身约为 6,378 km。将辐射强度乘以面积得到总功率输出：$4\pi R_{\odot}^2 \sigma T^4 \approx 3.82 \times 10^{26} \text{ W}$。这是一盏非常明亮的"灯泡"！

阳光从太阳向外均匀扩散到膨胀的球面中。当它到达地球时，球的半径等于日地距离，即 $A = 1.496 \times 10^{11} \text{ m}$。 ⁴¹ ⁴¹……约 1.5 亿公里，或 1 AU将 $3.82 \times 10^{26} \text{ W}$ 分布在面积为 $4\pi A^2$ 的球面上，计算得出 1,360 W/m²。这就是我们所说的太阳常数 [4]，这是一个值得记住的数字。 ⁴² ⁴²你看，知道这个数字是有来由的，是不是很令人满足？它不仅仅是一个随机的知识点，而是与其他内容相互关联。这正是之前旁注中“背景”一词所要表达的意思。

地球以面向太阳的投影面积拦截阳光：面积为 $\pi R_{\oplus}^2$ 的圆盘。云和雪等明亮特征将光线反射回太空而不被吸收，即使较暗的表面也会反射一些光。总体而言，29.3% 的入射光被反射，留下 960 W/m² 被地球的 $\pi R_{\oplus}^2$ 投影面积吸收。但现在将 960 W/m² 的输入平均到地球 $4\pi R_{\oplus}^2$ 的表面积上，数字被削减了四倍 ⁴³ ⁴³我们可以将这个四倍理解为两个单独的二倍效应：一个是白天与黑夜——一半的时间太阳不在。另一半与太阳不总是头顶直射有关，因此当阳光以倾斜角度照射时，击中每平方米土地的光量会减少。，至 240 W/m²。

高纬度地区因太阳角度低而受影响更大，多云地区显然会在地面接收更少的阳光。考虑到天气因素，到达地面的平均太阳功率约为 200 W/m² 的合理数字。这被称为日照（insolation） ⁴⁴ ⁴⁴……也称为全球水平辐照度——"sol"一词源自solar。

**表 13.1:** 太阳功率密度总结#
太阳通量背景	W/m²
到达地球	1360
强烈的正午阳光（无云）	~1000
地球截面吸收	960
地球全表面平均吸收	240
典型日照（包含天气影响）	~200
15%效率的光伏板提供的典型功率	30

表 13.1 总结了这些各种功率密度，最后一行是典型日照乘以 0.15 以代表位于接收 200 W/m² 日照位置的 15% 效率光伏面板的输出。图 13.8 显示了全球日照，变化由纬度和天气组合引起。

../_images/fig13-8.png — **图 13.8:** 全球水平面的日照量（面向正上方的平板），单位为 W/m² 和 kWh/m²/day。大西洋中部蓝色方块区域使用 15% 太阳能收集足以满足当前全球能源需求（当然需要分布式部署）。来源：世界银行。#

../_images/fig13-9.png — **图 13.9:** 美国水平日照量（面向正上方的平板）。图形的原生单位为 kWh/m²/day，颜色之间的分界从 4.0 到 5.75 kWh/m²/day，步长为 0.25。这些值可以通过乘以 1,000 W/kW 并除以 24 h/day 转换为 W/m²。[81] 阿拉斯加未按比例绘制。来自 NREL。#

图 13.9 显示了美国日照的变化。纬度效应很明显，但天气/云层也留下了印记，使西南沙漠具有最高的太阳能潜力。即便如此，从最好到最差位置 ⁴⁵ ⁴⁵……例如，200 对 100 W/m² 的变化甚至不超过两倍。

图 13.8 和图 13.9 都是在水平面的背景下。 ⁴⁶ ⁴⁶……日照的定义也是如此对于太阳能电池板，将它们倾斜到等于站点纬度的角度并朝向南面是有意义的。 ⁴⁷ ⁴⁷……对于北半球位置朝南；更一般的正确说法是"朝向赤道" 赤道附近的正午太阳总是高悬天空中，因此那里的面板应该平放。 ⁴⁸ ⁴⁸……主要朝上但在高纬度北部，太阳较低地朝向南方的地平线，因此面板应该倾斜以最好地面向太阳。倾斜到等于纬度的角度是最佳折中方案，如图 13.10 所示。

../_images/fig13-10.png — **图 13.10:** 倾斜到纬度、朝南的光伏板的太阳能潜力。图形以 kWh/m²/day 为单位呈现，颜色之间的分界从 4.0 到 7.0 kWh/m²/day，步长为 0.5。[82] 来自 NREL。#

../_images/fig13-11.png — **图 13.11:** 在一块固定的土地上，接收固定数量的倾斜阳光，无论面板是平放还是倾斜，接收的能量是独立的。仅仅将平板倾斜（中间）会导致自遮挡。最合理的做法是倾斜并分隔面板（右侧），一个好处是需要更少的面板来收集相同的入射能量。#

将面板朝赤道方向倾斜等于站点纬度的角度可以优化年产量，结果显示在图 13.10 中。请注意，图 13.10 中的数字不严格是日照，因为日照定义为到达平坦地面的量。在这种情况下，面积（平方米）是面板的，而不是土地的。

图 13.10 中的数字高于图 13.9 并不是说如果面板倾斜土地提供了更多太阳能：只是单个面板可以获得更多的光。但在这种情况下，面板需要间隔开以避免遮挡， ⁴⁹ ⁴⁹……可能比仅仅部分面积被遮挡更具破坏性，由于面板模块中电池的串联排列如图 13.11 所示。

某些应用需要跟踪太阳，例如聚光太阳能发电系统，这类系统仅在太阳不被云层遮挡时才能工作 ⁵⁰ ⁵⁰光伏系统在白天阴天时仍能产生满负荷容量的10%–50%，具体取决于云层的厚度：白天意味着仍有光子存在。。这引出了图13.13，该图展示了用于聚光的集热器（反射镜或透镜）每平方米的潜力（相关内容见第13.8.2节）。同样的分布规律依然存在：沙漠西南部地区占据主导地位。但仔细观察数据会发现，云量较多的地区并不比一块平放朝上的平板（如图13.9所示）好多少。在天空通常无云的西南部地区，相比平放朝上的平板，其增益可达到约30%。而在远离此类地区的区域，聚光方案的意义就不太大了。

../_images/fig13-12.png — **图 13.12:** 在相同入射阳光条件下，三种面板配置方式的对比：左侧 5 块面板平放捕获全部阳光；中间同样数量的面板倾斜但产生阴影遮挡；右侧仅需 3 块倾斜面板即可捕获全部入射能量。这说明了倾斜分隔配置的经济优势。#

../_images/fig13-13.png — **图 13.13:** 美国太阳直射辐照度（DNI）分布图，单位为 kWh/m²/day。太阳热能发电需要直射阳光，因此西南沙漠地区具有最佳潜力。来自国家太阳辐射数据库物理太阳模型。#

向后退一步，让我们从这些地图中欣赏几个大局要点。首先，数字倾向于在 200–300 W/m² 的一般范围内。记住这个范围——它是一个有用的背景。其次，从美国太阳能最强的地方到最弱地区的变化 ⁵¹ ⁵¹……忽略偏向北极的阿拉斯加在年度基础上不超过两倍。这是令人惊讶的。加利福尼亚州的莫哈韦沙漠和华盛顿州的雨林奥林匹克半岛在太阳能照射方面似乎是白天和黑夜的对比。但并非如此：只有两倍 ⁵² ⁵²西北地区受益于夏季昼长且云层也较少。。这意味着如果能够实现年度时间尺度的储能，太阳能几乎在任何地方都可以变得实用。 ⁵³ ⁵³这将需要巨大的储能容量：例如巨型电池。

⁵⁴分子中的小时和分母中的小时约去，因为千瓦时是 kW 乘以小时。⁵⁵在大气层顶部的太阳辐射强度为 1,360 瓦/平方米，而大气层会阻挡或散射掉可见光谱之外的一些波长的光。⁵⁶这个等价依赖于一个方便的事实：全头顶太阳约为 1,000 W/m²。否则它不起作用。

Box 13.2: 全日照等效小时数

一个有用的指标是从原生地图中使用的单位得出：kWh/m²/day，而不是我们更喜欢的 W/m²。虽然乍一看它们不同，但 kWh 是能量单位，所以 kWh/day 是功率，就像 W 一样。由于 1 kW = 1,000 W 且一天有 24 小时，1 kWh/day 等于 1,000 Wh/24 h = 41.67 W ⁵⁴ ⁵⁴分子中的小时和分母中的小时约去，因为千瓦时是 kW 乘以小时。。所以我们可以将 1 kWh/m²/day 乘以 41.67 得到 41.67 W/m²。

但这个方框的主要目的是指出以下内容。头顶直射阳光以约 1,000 W/m² 的功率沐浴地面 ⁵⁵ ⁵⁵在大气层顶部的太阳辐射强度为 1,360 瓦/平方米，而大气层会阻挡或散射掉可见光谱之外的一些波长的光。。所以如果你能设法让太阳直接头顶照射 5 个小时，你将每平方米地面获得 5 kWh 的太阳能。因此，如果你的站点日照为 5 kWh/m²/day，它相当于全天有 5 个小时的"全日照等效小时数"。 ⁵⁶ ⁵⁶这个等价依赖于一个方便的事实：全头顶太阳约为 1,000 W/m²。否则它不起作用。

What actually happens is that the day is longer than 5 hours, but for much of the day the sun is at a lower angle so that the panel is not directly illuminated, and weather can also interfere. 这导致了一个全日照等效小时数的概念。一个年均日照为 5.4 kWh/m²/day 的站点可以说每天获得 5.4 小时的全日照等效。这是一个非常有用的指标。

Box 13.2 引出了一个关于表征光伏系统的关键理解。面板的额定值基于在 1,000 W/m² 光照下、温度为 25°C 时将交付的功率 ⁵⁷ ⁵⁷1000瓦/平方米的辐照度是合理的，但在充足日照下，光伏板的温度会比周围环境高出约30–40°C（它会变热！），因此要想使板温达到25°C的标定条件，外界环境必须非常寒冷。光伏板在高温下性能会下降，在典型工况下只能达到额定容量的85%–90%。。因此，以 kWh/m²/day 或全日照等效小时为单位的度量有效地告诉你面板在一天中将有多少时间以额定容量运行。

⁵⁸我们需要应用 0.85 到 0.90 的降额系数来考虑光伏板在阳光下的典型温度，使面板的平均功率约为 50 W。

示例 13.4.1: 一块 250 W_p 的面板在日照为 4.8 kWh/m²/day 的位置（即 4.8 个全日照等效小时），基本上在每 24 小时中的 4.8 小时以 250 W 运行，即 20% 的时间。因此面板输送的平均功率为 50 W，而不是 250 W。 ⁵⁸ ⁵⁸我们需要应用 0.85 到 0.90 的降额系数来考虑光伏板在阳光下的典型温度，使面板的平均功率约为 50 W。

250 W 的额定值被称为"峰值"瓦特，有时记为 250 W_p。面板就是这样销售的，现在的价格约为 0.50 美元/W_p。

美国国家可再生能源实验室（NREL）[82] 于 1991 年启动的一项 30 年研究对美国各地的太阳能潜力进行了表征，并为不同方向的面板每月可能收集的能量产生了详细统计数据。表 13.2 是密苏里州圣路易斯完整数据的一个子集 ⁵⁹ ⁵⁹比较典型的美国太阳能安装位置。。表 13.2 中的所有情况对应于朝南的面板，在各种倾斜角度（包括平放的 0° 和垂直的 90°；其他倾斜角度相对于站点纬度 $\phi \approx 39°$）。由此，我们看到将面板倾斜到站点纬度时年均值为 4.8 kWh/m²/day，与图 13.10 的图形预期一致。还显示了月度细分以及不同倾斜角度如何转化为性能。

**表 13.2:** 密苏里州圣路易斯朝南面板的日照量（kWh/m²/天）[81]#
角度	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月	年均
0°	2.2	2.9	3.9	5.0	5.9	6.4	6.4	5.7	4.6	3.5	2.3	1.8	4.2
θ−15°	3.2	3.8	4.6	5.4	5.9	6.3	6.3	6.0	5.3	4.5	3.2	2.7	4.8
θ	3.6	4.2	4.7	5.3	5.6	5.8	5.9	5.7	5.3	4.8	3.5	3.1	4.8
θ+15°	3.8	4.3	4.6	4.9	4.9	5.0	5.1	5.2	5.1	4.8	3.7	3.3	4.6
90°	3.5	3.7	3.4	3.1	2.6	2.4	2.6	3.0	3.5	3.8	3.2	3.0	3.2

13.7 光伏安装#

能源信息署的《电力月报》（EPM）[80] 提供了美国电力生产的详细统计数据。光伏数据可在 EPM 的表 1.17.B 和 6.2.B 中找到。按照惯例，我们首先查看基于实际平均输送功率的已安装容量。图 13.17 显示了美国的情况。加利福尼亚独占鳌头！加利福尼亚州 2018 年的平均太阳能发电量为 4.3 GW，远超下一个最大的：北卡罗来纳州的 0.82 GW。对于加利福尼亚州，这占其电力的 13%。但电力生产仅占美国所有能源的 38%，因此我们可以说加利福尼亚州约 5% 的所有能源来自太阳能。这远远领先于其他州 ⁸⁷ ⁸⁷北卡罗来纳州 2018 年约 5% 的电力来自太阳能，或不到所有能源的 2%。。美国整体约 0.9% 的能源来自太阳能。

../_images/fig13-17.png — **图 13.17:** 2018 年各州光伏发电量，单位 GW。#

接下来，我们除以面积以获得光伏安装的功率密度。日照为 200 W/m² 且效率为 15% 的面板可使用 30 W/m² 的生产能力（表 13.1）。图 13.18 显示了我们实际获得了多少。新泽西州在这里迎来了它的阳光时刻。少数站点（NJ、MA）达到了约 ⁸⁸ ⁸⁸与华盛顿州水电的 50 mW/m^{2`（:ref:`图 11.6<fig11.6>}；第 179 页）和爱荷华州风电的 17 mW/m^{2`（:ref:`图 12.9<fig12.9>}；第 192 页）进行比较。 15 mW/m²，比满功率潜力低 2,000 倍。这意味着只有 1/2,000 的土地（0.05%）被太阳能面板覆盖。这从某种意义上说是合理的，对吧？

../_images/fig13-18.png — **图 13.18:** 各州光伏发电量的面积密度，单位为毫瓦每平方米。#

按人口计算（图 13.19），内华达州最为亮眼，人均 180 W ⁸⁹ ⁸⁹……与美国人均 10,000 W 的指标相比仍然很小。美国西南部总体表现良好，北卡罗来纳州在这一指标上也表现不俗。

最后，我们查看容量因子：实际发电量与已安装容量的比较（图 13.20）。我们预期约为 20%，对应每天 4.8 个全日照等效小时。表现最好的州最高约 0.27，相当于每天约 6.5 个全日照等效小时。高纬度和/或多云较多的州在这一指标上表现较差。阿拉斯加州刚过 0.1，平均每天约 2.5 小时。

../_images/fig13-19.png — **图 13.19:** 各州人均光伏发电量，单位为瓦特每人。#

../_images/fig13-20.png — **图 13.20:** 各州光伏容量因子。虽然我们看到了大量深绿色，但这是因为每个人的数字都同样低，由于不可避免的夜间和低太阳角度。有人告诉怀俄明州、北达科他州和阿拉巴马州赶紧跟上进度！#

在全球范围内，三分之二的光伏产能由五个国家代表，如表 13.3 所示。请注意，由于太阳能的低容量因子，输送功率显著低于已安装容量。

**表 13.3:** 2018 年全球光伏发电量前五名，占世界总产量的三分之二[86, 87]#
国家	已安装 (GW_p)	平均 (GW)	占所有能源 (%)	全球份额 (%)
中国	175	~18	1.2	27
美国	62	10.6	0.9	16
日本	56	6.5	3.5	10
德国	46	5.0	3.3	7.5
印度	27	4.1	1.5	6
世界总量	510	67	1.5	100

13.7.1 光伏的优缺点#

在进入太阳热能发电之前，让我们总结一下太阳能光伏的主要优缺点。首先是积极的方面：

光伏利用的是超丰富的资源——唯一具有如此大优势的可再生能源；
光伏技术没有活动部件或蒸汽；面板坚固且寿命长；
光伏是少数能够安装在屋顶并提供自包含发电的资源之一；
光伏效率相当不错：接近理论预期，远好于生物从阳光中获取能量的能力；
光伏技术运作良好，尽管有成本，已经在全球各地的屋顶上部署；
全生命周期 CO₂ 排放仅为传统化石燃料发电的 15 倍[64]；
当公用电力距离较远时，光伏往往是一个好的解决方案。

负面方面：

光伏是间歇性的，与能源需求不匹配；如果过多输入来自这种间歇性源，将很难"平衡"电网，储能也很困难；

⁹⁰成本一直是主要障碍，但随着价格进一步下降，这种情况可能会改变。

相对于现有能源资源，光伏仍然昂贵 ⁹⁰ ⁹⁰成本一直是主要障碍，但随着价格进一步下降，这种情况可能会改变。——尤其是前期成本方面；
仅靠电力本身并不适合我们当前的许多能源需求，如交通运输和工业热/加工；
独立运行需要电池，至少会使成本翻倍并增加维护/更换需求；
即使部分遮挡也可能造成不成比例的破坏；
光伏制造涉及对环境不友好的化学物质；
如果安装在未开发的地区，光伏部署可能损害栖息地。

13.8 太阳热能#

光伏（13.3 节）将阳光直接转化为电能，但这并非利用太阳能的唯一方式。太阳能也可以用于发热。我们将先简要了解一下家庭供暖，然后转向太阳热能发电。

13.8.1 被动式太阳能供暖#

全日照以地面约 1,000 W/m² 的功率传递能量。现在想象房屋中一扇拦截 1.5 m² 阳光的窗户，实际上向家中引入了 1,500 W——就像一个取暖器，而且是免费的！取决于窗户的构造，一些红外能量可能被阻挡，因此可能并非所有 1,000 W/m² 都能进入室内，但很大一部分会。巧妙的设计有朝南的窗户接收低角度的冬季阳光，但有遮阳板阻挡高角度的夏季阳光（图 13.21）。一个深色且有质量的吸收器 ⁹¹ ⁹¹……深色岩石或砖效果很好在屋内捕获热量可以在夜间继续提供温暖。在 Box 6.1（第 87 页）的上下文中提到的被动房设计试图最大化太阳能捕获，使所需的主动供暖最少。

../_images/fig13-21.png — **图 13.21:** 一个设计良好的房屋有厚墙、厚隔热层和双层玻璃窗。更好的是，它可以有朝南的窗户，在冬季透入阳光但在夏季不透入（遮阳板挡住窗户）。一个大的、深色的热质量——石头或砖效果很好——可以吸收能量并在夜间继续释放热量。#

13.8.2 太阳热能发电#

虽然 1,000 W/m² 很好，但功率过于分散，无法使任何东西变得足够热并产生足够大的温差以运行高效热机（第 6.4 节，第 88 页）。更复杂的安排可以集中太阳能——想想放大镜——加热管道中的液体。图 13.22 显示了一个抛物面反射器的例子，它可以跟踪太阳并将光线集中在中心吸能管道上。这种形状可以沿长圆柱体挤出——一个"槽"——沿着管道延伸。

../_images/fig13-23.png — **图 13.23:** 一种常见的太阳热能发电方案使用抛物面"槽"反射器将阳光聚焦到中心管道上，管道携带的油可以被加热到非常高的温度以产生蒸汽来运行传统的发电厂，非常像图 6.2。可选的热存储可以将热量保存以备后用。#

图 13.23 显示了典型太阳热能（ST）集热器的示意图，图 13.24 中显示了实际的图片。弯曲的反射器倾斜跟踪太阳，将光线集中在反射器前方的长管道中，管道中携带一种流体（通常是油），可以通过吸收的阳光加热到高温。然后将热油管道通过水以使其沸腾并制造蒸汽，此后驱动传统的蒸汽发电厂。这种 ST 装置有时被称为聚光太阳能发电（CSP）。另一种常见变体——称为"电力塔"——如图 13.25 所示，其中地面上的一系列可控制平板反射镜将阳光引导到中央塔的顶部来制造蒸汽。

至于效率，太阳热能表面上与光伏相似：15–20% 是相当典型的。细分来看，大约 50–75% 的可用能量成功转移到流体中，然后热机提供约 25–30% 的效率。但这些数字只有在计算反射集热器的面积时才适用。因为它们必须跟踪太阳并避免自遮挡，只有一小部分土地面积被反射器占据。对实际设施的表征表明，到达发电厂对应土地块的太阳能中只有 3% 以电能形式输出。

但效率并非一切。太阳能输入这种巨大资源的 3% 仍然可以非常大。对于 200 W/m² 的标准日照，这转化为超过 6 W/m²，按土地面积计算比风电好约 30 倍。虽然光伏面板阵列的性能超过 ST 装置 5–6 倍，但技术上更简单的太阳热能设计可能比光伏更具成本效益。反射器和油管道是低科技廉价设备，与光伏材料相比。太阳热能的生产成本估计约为 0.06 美元/kWh，低于典型的电力零售成本，但仍比化石燃料发电生产成本高约两倍。

太阳热能的一个缺点是聚光仅在太阳在天空中可见时才能工作：没有遮挡的云。可以这样理解：如果你看不到你的影子，太阳聚光将不起作用。与此同时，即使太阳本身没有"出来"，光伏面板仍然可以从明亮的天空和云层中产生有意义的日间电力。

平衡这一缺点的事实是，太阳热能具有一些内置的储能能力，因为加热的油可以被"储存"几个小时 ⁹² ⁹²……因此图 13.23 中的"可选存储"模块并在云层经过时或傍晚的几个小时内继续发电。从这个意义上说，它可以更好地匹配电力需求的峰值（傍晚：图 13.14），而光伏在太阳落山后就归零了。

如图 13.13 所示，美国西南沙漠是太阳热能发电的最佳地点。沙漠是合适的地点是合理的，因为有效聚光需要云层不产生干扰。顺便说一下，跨区域输电（跨区域）是相当高效的：对于短于约 1,000 km 的距离，通常优于 90%。

在实施方面，太阳热能是一个小参与者。2018 年，只有四个州产生了太阳热能，80% 来自加利福尼亚州，15% 来自亚利桑那州。表 13.4 提供了一些背景，比较了四个有太阳热能的州中 ST 与 PV 的情况。就全美国而言，不到 0.7% 的电力来自太阳热能，而光伏在整体上大约是太阳热能的 20 倍。在全球范围内，ST 平均约 7.1 GW（2020 年） ⁹³ ⁹³全球需求的 0.006% ，其中约一半在西班牙，三分之一在美国。 ⁹⁴ ⁹⁴因此世界其它国家并不多

**表 13.4:** 2018 年美国太阳热能（ST）发电量，与光伏（PV）的比较[80]#
州	ST 平均 (MW)	ST 占电力 (%)	PV 平均 (MW)	PV 占电力 (%)	ST/PV (%)
加利福尼亚	540	0.70	5700	13.0	9.5
亚利桑那	170	1.70	1700	4.0	10.0
内华达	65	0.50	1050	3.70	6.2
佛罗里达	25	0.10	2800	3.80	0.9
美国总量	800	0.70	6400	4.50	12.5

13.8.3 太阳热能的优缺点#

总结太阳热能（ST）的优缺点，先从积极方面开始：

ST 利用的是超丰富的资源——唯一具有如此大优势的可再生能源；
ST 技术是低技术含量的，利用成熟的热电厂技术，成本可控；
ST 具有内置的短期储热能力，可满足傍晚高峰用电需求；
全生命周期 CO₂ 排放比传统化石燃料发电低 10 倍[64]。

负面方面：

ST 需要直接日照，不耐受云层；
ST 只适用于大规模电厂建设；
ST 的土地面积利用效率低于光伏面板；
对当地环境/栖息地会造成一些干扰。

13.9 总结#

毫无疑问第 13.7.1 节和第 13.8.3 节分别列出了光伏（PV）和太阳能热（ST）的优缺点。，太阳能是唯一有能力匹配目前全社会能源需求的可再生资源。它不仅能够达到 18 TW，还可以超出几个数量级。为面板寻找空间并不是限制。基于物理预期，光伏面板的效率完全可以接受，并且比生物学的最佳表现高 3–5 倍。效率已经足够高，屋顶面积往往足以满足单个房屋的需求。

阻碍太阳能发展的是其间歇性和高昂的前期成本。间歇性 ⁹⁵ ⁹⁵取决于天气的低容量系数可以通过电池储能来解决，但这会使成本翻倍，并需要维护和定期电池更换。此外——正如我们许多可再生选项一样——我们社会的所有需求 ⁹⁶ ⁹⁶例如交通运输和工业加工并不能很好地由发电来满足。

确定光伏装置的尺寸相当简单。首先确定平均每天要生产多少 kWh，然后除以该站点的 kWh/m²/天值 ⁹⁷ ⁹⁷……年度或月度，本质上是全日照 ⁹⁸ ⁹⁸1,000 W/m²等效小时数，通常在 4–6 小时的范围内。这说明阵列在全日照下应该产生多少千瓦（峰值瓦特）。例如，如果只需要 10 kWh/天 ⁹⁹ ⁹⁹……因为你对能源支出很谨慎并且该地区有 5 kWh/m²/天，系统需要在峰值功率下运行 2 kW_p，安装成本约为 6,000 美元（并网）。上调 20% ¹⁰⁰ ¹⁰⁰……发热、肮的面板和转换效率可以抵消未计算的损失以更好地匹配实际条件。

太阳热能是另一种运行传统蒸汽发电厂的方式，使用相对低技术的镜子和管道将太阳能集中到传热流体中，之后可以制造蒸汽。有效效率相对较低 ¹⁰¹ ¹⁰¹太阳能发电厂面积的 3% 作为电能输出，但从积极的一面来看，低技术特性使其相当便宜，并且该技术可以适应一定程度的短期热存储，在傍晚使用数小时。任何 ¹⁰² ¹⁰²……即使效率一般或较低从太阳能输入开始的事物都有可能成为主要参与者，考虑到入射地球的约 83,000 TW 规模的太阳能。

13.10 思考题#

¹⁰³提示：回忆一下 1 W 是 1 J/s。

如果我们有两个单色（单一波长）光源——一个绿色的在 $\lambda = 0.5 \mu\text{m}$，一个近红外的在 $\lambda = 1.0 \mu\text{m}$ ——每个光源以 1 W 的速率发射光子 ¹⁰³ ¹⁰³提示：回忆一下 1 W 是 1 J/s。，那么从每个光源每秒发出的光子数量如何比较？两个光源都是 1 W，所以数量相同，还是不同——如果是的话，相差多少倍？

头顶阳光以约 1,000 W/m² 的强度到达地球表面。如果典型波长为 $\lambda = 0.5 \mu\text{m}$，每秒有多少个光子照射在面积为 0.4 平方米的光伏电池板上？
使用第 2 题的设定，如果你直视太阳，每秒有多少光子进入你的瞳孔？这样做时，你的瞳孔收缩到直径约 3 mm。

¹⁰⁴10¹³ 倍

我们肉眼能看到的最暗恒星比太阳的强度暗十三个数量级 ¹⁰⁴ ¹⁰⁴10¹³ 倍。基于第 24 题，在可检测性边缘每秒有多少光子进入你的眼睛？

温暖的人类（约 310 K）和发光的白炽灯泡灯丝（约 2,800 K）都按方程 13.3 辐射。白炽灯丝每单位面积（W/m²）比人类皮肤多发出多少功率，大致？

¹⁰⁵人类在红外线中发射，所以我们的眼睛看不到。

第 5 题的结果表明，热的灯泡灯丝每单位面积发出的功率比人类皮肤多数千倍。然而，人类和灯泡可能发出相似数量的光 ¹⁰⁵ ¹⁰⁵人类在红外线中发射，所以我们的眼睛看不到。——都约为 100 W。解释这两件事怎么可能同时为真？

维恩定律说普朗克光谱在 5,800 K 温度下的峰值位于什么波长？以微米为单位表达你的答案，并与图 13.1 确认。

请注意，光谱分布在如此多的微米范围内，而且我们对温度的估算只是近似值，所以请将答案放宽到一个简单的整数。

人体请注意，光谱分布在如此多的微米范围内，而且我们对温度的估算只是近似值，所以请将答案放宽到一个简单的整数。也像太阳或灯泡灯丝一样通过相同的物理学发光，只是它远在红外线区域，人眼看不到。对于常见物体（和人类皮肤）都在 310 K 左右，峰值黑体辐射的近似波长是多少微米？

¹⁰⁶……如太阳或白炽灯泡；服从方程 13.3 的光源

我们可以将灯泡的效率描述为其总光输出中落在可见光范围内的比例。如果使用热源 ¹⁰⁶ ¹⁰⁶……如太阳或白炽灯泡；服从方程 13.3 的光源为什么基于图 13.1 所示，你会认为在任何光源温度下都不可能达到 100% 的效率？

使用与文本中类似的技术，近似图 13.1 中 $T = 4500 \text{ K}$ 光谱的矩形的高度和宽度。计算你的矩形面积并与 $\sigma T^4$ 的预期进行比较。
有哪两个原因导致蓝色光子在硅光伏中有助于电流方面处于劣势？
哪些光子最负责加热硅光伏面板：蓝色光子还是红外光子（超过 1.1 mu m）？

¹⁰⁷剩余部分转化为多余的动能，只会加热光伏电池。

如果一个具有 2.5 电子伏特能量的蓝色光子在硅（带隙为 1.1 eV）中释放一个电子，那么一旦电子从多余动能中安定下来，光子能量的多大比例被电子"保留"？ ¹⁰⁷ ¹⁰⁷剩余部分转化为多余的动能，只会加热光伏电池。

如果一个 2.5 电子伏特的光子在硅中释放一个电子（带隙为 1.1 eV），出来的电子有多少动能？以 eV 和焦耳表示，然后如果电子质量为 $9 \times 10^{-31}$ kg，确定电子的速度。

¹⁰⁸……当然要符合相关的物理学原理

简要描述从绿色光子离开太阳到电子穿过结成功贡献光伏电流的一系列事件。 ¹⁰⁸ ¹⁰⁸……当然要符合相关的物理学原理

许多人对光伏面板低于 20% 的效率有本能的反应，认为这令人失望——也许认为他们应该等待更高的效率。提出一个多点的论点，说明为什么效率实际上相当好，为什么在实践中它已经完全足够实用。

¹⁰⁹如果有帮助可以自行选择数字。

如果目标是光伏阵列的特定功率输出 ¹⁰⁹ ¹⁰⁹如果有帮助可以自行选择数字。，明确/定量地描述光伏面板效率如何与阵列的物理尺寸（面积）相互作用。例如，如果效率翻倍或减半，同时保持相同的目标输出，会发生什么？

通过绘制图 13.6 中一个电池的左下角的放大图，建立图 13.4 和图 13.7 之间的联系。

¹¹⁰……曲线内最大的矩形

图 13.7 显示了光伏电池在不同光照水平下的工作曲线。如果光照较弱，面板继续以最大功率运行 ¹¹⁰ ¹¹⁰……曲线内最大的矩形，与全日照运行相比，哪个变化最大：电压还是电流？为什么较弱的光线（更少的光子）可能直接联系到较低的电流，基于光伏运作的物理学原理是什么？

复现第 208 页上从太阳表面为 5,770 K 开始并发现我们在地球接收 1,360 W/m² 的计算（展示计算过程）。
根据图 13.8，哪个大洲似乎具有最多的太阳能潜力？你如何评价中国？世界上最大的人口和/或最大的能源消费者是否倾向于与最好的太阳能资源对齐？

只是把这个地点当作地图上一个明确无误的点来使用。

检查图 13.9 以确定亚利桑那州、新墨西哥州、犹他州和科罗拉多州交汇处的"四角"位置的日照。以 kWh/m²/天和 W/m² 两种单位表示，只是把这个地点当作地图上一个明确无误的点来使用。展示如何从一种转换为另一种。

¹¹¹全日照意味着 1,000 W/m²

根据地图和图 13.9 中的原生单位，美国典型的全日照 ¹¹¹ ¹¹¹全日照意味着 1,000 W/m²等效小时数的太阳能暴露值是多少？解释你是如何得出这个结果的。

美国国家可再生能源实验室的一项 30 年研究（称为 Redbook 研究[82]）表明，在圣地亚哥，水平朝上放置的面板每年的日照量平均为 5.5 kWh/m²/天。将其转换为 W/m²。
第 24 题中提到的同一研究发现，圣地亚哥最差的一年平均日照量为 4.6 kWh/m²/天，最好的一年为 6.2 kWh/m²/天，用于水平朝上的面板。那么，圣地亚哥的年均日照值范围是多少（以 W/m² 为单位），大约是多少百分比的变异（整数）？

26. 第 24 题中提到的研究发现，朝南倾斜不同角度 ¹¹² ¹¹²其中我们用 θ 来表示该地点的纬度，圣迭戈为 32.7°。的水平面板产生以下年均产量（单位为 kWh/m²/天）：哪种倾斜角度产生最佳的年产量，比面向正上方的平板好多少（百分比）？哪种倾斜角度似乎使季节性变化最小？

圣地亚哥南向面板在不同倾斜角度下的年均日照量（kWh/m²/天）#
角度	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月	年均
0°	4.2	4.7	5.5	6.5	7.3	7.8	7.6	6.8	5.9	4.8	3.8	3.3	5.8
θ−15°	5.0	5.6	6.1	6.5	7.0	7.2	7.0	6.5	5.9	5.0	4.3	3.9	6.0
θ	5.2	5.9	6.2	6.5	6.8	6.8	6.7	6.5	6.3	5.3	4.5	4.1	6.0
θ+15°	5.3	5.9	6.0	6.0	6.0	5.8	5.8	5.8	5.9	5.7	4.9	4.6	5.7
90°	5.5	5.7	5.3	5.0	4.5	4.2	4.4	5.0	5.4	5.4	4.9	4.7	5.2

¹¹³这个模式将随时间"图表化"倾斜调整。

如果在整个季节中调整面板的倾斜以最大化产量？复制上表，但只写出每个月的最高数字 ¹¹³ ¹¹³这个模式将随时间"图表化"倾斜调整。。这会产生什么年均值，与最佳固定倾斜性能相比改善了百分之多少？

这个练习提供了关于覆盖美国人所有部门总能源需求的个人规模光伏的见解。

如果典型日照为 200 W/m²，为输送平均 5 kW 功率这个练习提供了关于覆盖美国人所有部门总能源需求的个人规模光伏的见解。的 15% 效率平板光伏阵列需要多少土地面积？如果排列成正方形，这个阵列的边长有多长？将其大小或面积与某个熟悉的事物进行比较。

这个练习提供了关于覆盖美国所有部门总能源需求所需的总光伏面积的见解。

如果这个练习提供了关于覆盖美国所有部门总能源需求所需的总光伏面积的见解。典型日照为 200 W/m²，为美国所有人（人口 3.3 亿）每人输送 10,000 W 的 15% 效率平板光伏阵列需要多少土地面积？如果排列成正方形，这个阵列的边长有多长？按比例在你选择的州上绘制。

¹¹⁴……也可以引入先前/外部知识

基于文中呈现的内容 ¹¹⁴ ¹¹⁴……也可以引入先前/外部知识，如果太阳能如此丰富且技术已经存在很长时间，为什么它仍然是一个次要参与者？有哪些挑战？

你看一个光伏面板并目测估计它约为 1.5 m × 1.0 m。知道光伏面板的效率通常为 15–20%，你估计它为 15% 的效率。在全日照（1,000 W/m² 入射）下你预计它能输出多少功率？

¹¹⁵……当然要排除任何阴影

根据第 26 题中的表格，圣地亚哥在面板倾斜到站点纬度并朝南时可以预期年均太阳能产量为 6.0 kWh/m²/天 ¹¹⁵ ¹¹⁵……当然要排除任何阴影。如果一个家庭寻求使用 18% 效率的面板生产适度的 8 kWh/天，阵列需要多大？以平方米的面积表示，以及相同面积的平方边长表示。

使用第 32 题的参数，将太阳能产量解释为全天候峰值日照等效小时数（太阳能暴露为 1,000 W/m²），阵列应该以峰值瓦特为单位指定多大才能每天输送 8 kWh？以每 W_p 3 美元的安装成本计算，系统需要多少钱？

¹¹⁶……由于 kW/kW_p 的太阳能产量，$0.15 × 5 = $0.75/天

看待太阳能回报时间的一种方法是注意已安装系统的成本约为每 kW_p 15,000 美元，如果你的地区平均获得 G 小时的全日照等效，你将从这个 kW_p 阵列产生 G kWh。由于每 kWh 的电力成本约为 0.15 美元，可以简单地计算每天的价值为 0.15 × G 美元，并确定需要多长时间才能匹配 15,000 美元的投资。结果与实际阵列大小无关，仅取决于每 W_p 的成本、你所在位置的太阳能产量以及电力成本。如果成本为 3 美元/W_p， ¹¹⁶ ¹¹⁶……由于 kW/kW_p 的太阳能产量，$0.15 × 5 = $0.75/天产量为每天 5 个全日照等效小时，且你所在地区的电力成本为 0.15 美元/kWh，回报时间（以年为单位）是多少？

¹¹⁷提示：很大一部分是日照与头顶太阳的对比。

根据表 13.3，基于平均与已安装功率计算各列国家及整个世界的容量因子。特征数值范围是多少，为什么 ¹¹⁷ ¹¹⁷提示：很大一部分是日照与头顶太阳的对比。它这么低？哪个国家表现最好，哪个最差？图 13.18 提供了什么线索？

¹¹⁸……与第一句话一致

一扇 2 m 宽、1.5 m 高的大窗户，如果太阳从无云的天空中直接 ¹¹⁸ ¹¹⁸……与第一句话一致照射进来，会接入多少功率？这在四小时期间转化为多少千瓦时，以及与 0.15 美元/kWh 的电力相比价值多少？

太阳能光伏可以用于个人家庭，但太阳热能只能在大规模公用事业级装置中找到。为什么我们不应该预期在人们的屋顶上有太阳热能发电装置？
太阳热能的土地面积效率约为 3%，相比之下光伏为 15–20%。许多人会摇头说这太低而毫无用处。反论是什么，它可能完全没问题？

13 太阳能

目录

13 太阳能#

13.1 光的能量#

13.2 普朗克谱#

13.3 光伏发电#

13.3.1 光伏的理论效率#