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太阳能

太阳能是能量的源泉,可用于加热、冷却、照明。不同技术可以把太阳光转化为可用在建筑物的能源。目前最普遍的太阳能利用如:太阳能热水器、取暖和制冷、被动式太阳能设计、太阳能光伏发电。

 太阳能光伏发电

太阳能电池,也被科学家称为光伏,是将太阳光直接转化为电能。光伏名字的由来是因为从光子转换为电(电压)的过程,这被称为光伏效应。光伏效应发现于1954年,当时在贝尔实验室的科学家发现,硅(存在于沙子中元素)暴露在阳光下时可以产生电荷。不久,太阳能电池被用于为太空卫星提供电力,也被用于像计算器和手表这样较小的项目。今天,成千上万的家庭和企业用独立的太阳能光伏发电系统提供电力。公用事业公司还利用光伏技术建成大型发电站。

 为家庭和企业提供电力的太阳能板通常是由太阳能电池片组成的组件构成,每个组件包含约40个太阳能电池片。一个典型的家庭将使用约10至20太阳能电池板提供电力。太阳能板都朝南安装在一个固定的角度,或者安装在能够跟踪太阳的装置上,从而捕捉到最多的阳光。许多太阳能电池板相结合组成一个系统被称为太阳能阵列。对于大型电力公司或工业应用,大量的太阳能阵列相互连接,形成一个大规模类型的光伏电站发电系统。

 传统的太阳能电池由硅制成,通常是平板式的,也是最有效的。第二代太阳能电池被称为薄膜电池,因为他们是由非晶硅或不含硅的材料制成,如碲化镉太阳能电池。薄膜太阳能电池使用的半导体材料只有几微米厚。由于其柔韧性,薄膜太阳能电池可以制成屋顶带状和瓦片形状,建筑物幕墙,或用于采光顶的透光材料。

  第三代太阳能电池由除硅以外的新材料制成,包括可以使用传统印刷技术的太阳能油墨,太阳能染料和导电塑料等。一些新的太阳能电池使用塑料透镜或反射镜将太阳光线聚焦到一个高效率的非常小的光伏材料上。光伏材料比较昂贵,但是需要的比较小,因此这些系统被公用事业公司或企业应用成本正变得可行。由于镜头必须正对着太阳,聚焦的使用仅限于阳光最充足的地区。

太阳能热发电
聚焦太阳能发电

今天,许多电厂以化石燃料作为热源煮沸水。以沸腾的水蒸汽推动涡轮机旋转,可驱动发电机产生电力。现在,新一代发电厂采用太阳能作为热源与发电系统一起提供电力。主要有三种太阳能聚焦发电系统:线性聚焦,碟式/发动机,塔式系统。 

线性聚焦系统使用长条,弯曲(U形)的镜子收集太阳的能量。镜子是向着太阳倾斜,将太阳光聚焦在中央的管子上(接收器),管子(或接收器)的长度与镜子一样。聚焦的太阳光加热管道里的液体,然后炎热的液体加热水产生水蒸汽,作用于传统的蒸汽涡轮发电机,产生电力。有两种主要类型的线性聚光系统:抛物线槽式系统,接收管是沿各抛物面焦线的位置;以及线性菲涅耳反射器系统,一个接收管对应几个镜子的位置,从而尽可能广泛地跟踪太阳。

 蝶式/发动机系统使用镜像盘,类似于一个非常大的卫星天线。碟形镜面直接或间接将太阳光线集中到一个热接收器上,这个接收器吸纳和收集热量并把它传送到发电机。今天所用的碟式系统的最常见的热机类型是斯特林发动机,该系统采用接收器加热的液体推动活塞,创造机械动力,然后用来运行一台发电机产生电力。 

 塔式系统使用大面积的太阳光跟踪镜场将阳光聚焦到一个塔顶的接收器上,加热传热流体,用来产生蒸汽,推动传统的涡轮发电机来产生电力。一些塔式系统用水/蒸汽作为传热流体,其他先进的设计尝试用熔盐,因为其具有优越的传热和能量存储能力。能量存储能力,或称为热储存,使发电系统具备调节能力,在多云天气期间或在夜间发电。

 被动式太阳能技术
炎热,阳光明媚的夏日在外面散步,你会感受到太阳热和光的能量。今天,许多建筑物的设计通过被动式太阳能采暖和采光技术,利用这一自然资源的优势。
   
建筑物的南面接收绝大部分的阳光。因此,被动式太阳能采暖建筑的设计通常有大的,朝南的窗户。地板和墙壁的材料一般具备吸收和储存太阳热量的功能。地板和墙壁白天被加热,然后在夜间最需要热量时缓慢释放热量。这种被动式太阳能设计被称为直接收益。

 其他被动式太阳能采暖设计功能包括阳光房和特朗伯墙(太阳能蓄热墙)。一个阳光房(这很像一个温室)是建立在建筑的南边,阳光透过玻璃加热阳光房,适当的通风使热量散发到建筑里。另一方面,特朗伯墙是一个很厚的,朝南的墙壁,涂成黑色并由能吸收大量热量的材料制成。墙壁外几英寸安装玻璃或塑料的玻璃面板,以助于保存热量。白天墙壁慢慢被加热,然后夜间逐渐降温,将热量释放到建筑内。
   
很多被动式太阳能采暖设计中还提供采光。采光是简单利用自然阳光照亮建筑内部。为了照亮朝北房间和上层,采用天窗(屋脊附近的窗口)配合内部开放式楼层设计,从而使自然光能照亮整个房间。
   
当然,过多的太阳能采暖和采光,在炎热的夏季可能成为问题。但有许多设计,有助于被动太阳能建筑的夏季凉爽。例如,前悬可以设计成遮阳窗夏天在阳光较强时遮挡阳光,阳光房也可以关闭,而且建筑可以设计兴风系统在夏天使新鲜空气流通。

太阳能热利用
商业和工业楼宇可能与住宅使用相同的太阳能技术——光电、被动式采暖、自然采光和热水。这些非住宅楼宇也可以利用对于家庭还不现实的太阳能技术,这些技术包括通风空气预热,太阳能加热和太阳能制冷。

    空间加热 
      许多大型建筑物必须通风以保持室内空气的空气质量。在寒冷的气候条件下,加热这些空气要使用大量的能源。但是,太阳能通风系统可以预热空气,节约能源和资金。这种类型的系统通常使用一个蒸发集热器,集热器由薄的,黑色金属面板组成安装在朝南的墙上,以吸收太阳的热量,空气通过集热器的许多小孔,穿孔墙后面的空间使流经孔的空气流混合,被加热的空气从顶端吸入到通风系统。

    水加热 
      太阳能热水系统提供非住宅楼宇的大量热水。一个典型的系统包括太阳能集热器,工作用泵,换热器,一个或多个大型储水箱。用于非住宅建筑的两种主要类型集热器是真空管集热器和线性聚焦集热器,可以工作在较高温度且具有较高的效率。真空管集热器是由许多双层玻璃管材和反射器组成,来加热管内的液体。双层之间的真空可以保温内管,保留热量。线性聚焦集线器使用长的,矩形,弯曲(U形)的镜面将光线聚焦到沿镜面长度方向的集热管上,加热管内的流体。

    空间制冷 
      空间制冷可以通过使用太阳能的实现。由于初始成本较高,热驱动制冷系统应用并不广泛。目前运行的两种类型的系统是太阳能吸收式制冷系统和太阳能除湿式制冷系统。太阳能吸收式制冷系统利用热能使制冷剂蒸发从而冷却空气。相比之下,太阳能除湿式制冷系统利用热能循环产生干燥剂干燥空气,从而冷却了空气。这些系统也可以在较潮湿的气候地区与蒸发冷却器很好的一起运行。

太阳能热水
       一个湖泊的浅水区通常比深水区温暖。这是因为阳光中的热量可以加热浅水区底部,然后依次加热水。这是自然的太阳能热水加热方式。太阳可以用基本相同的方式来加热建筑物和游泳池用水。

    大多数用于建筑的太阳能热水系统有两个主要部分:一个太阳能收集器和一个储水箱。最常见的收集器被称为平板集热器,装在屋顶上,它由一个带透明罩的薄的,平的矩形框组成,且面对太阳。小的管道携带液体流经矩形框—可以是水或其它液体,如防冻液—被加热。管道连接到一个吸收板,吸热板被涂成黑色以吸收热量。当热量在集热器积聚,就可以加热流经管道的流体。

    储水箱则存储热的流体。它可以是一个改造过的热水器,但它通常较大并具有非常良好的保温。使用其他液体而不是水的系统通常通过储水箱里的盘管加热水,盘管里充满热的流体。

    太阳能热水系统可以是主动也可以是被动的,但最常见的是主动式系统。主动式系统依靠泵移动集热器和储水箱之间的流体,而被动系统依靠重力和水自然循环的趋势来加热。

    游泳池系统比较简单。泳池的过滤泵用来将水循环通过太阳能集热器,集热器通常是由黑色的塑料或橡胶制成,泳池用来储存热水。
(引自NREL网站)