可持续太阳能的兴起
太阳能是一种环境友好型能源。了解太阳光如何为地球供能和帮助保护地球。
什么是太阳能？
太阳能是来自太阳的能源。人们利用太阳的光和热来发电或产生热能，以满足家庭、企业和其他各种运营需求。太阳能系统的输出以瓦为单位。
太阳能（也称光能、太阳能发电或太阳辐射）是最丰富的 可再生能源。可再生能源是一种可以不断产生的能源。与化石燃料（石油、天然气和煤）不同，这种能源在使用一次后不会枯竭。此外，其他可再生能源的例子还包括风能、水能和地热能。
你可能会惊讶地发现，太阳能技术并非现代发现：早在公元前 7 世纪，人类就开始使用太阳能，当时人类使用放大镜和太阳光来生火和烧死蚂蚁。当然，自那时起，太阳能技术有了重大的发展和进步。
以下是美国能源部提供的太阳能概述和时间表：
- 1767 年，瑞士科学家 Horace de Saussure 建造了世界上第一个太阳能集热器。
- 法国物理学家 Edmond Becquerel 于 1839 年发现了光生伏打效应：光或辐射能可以产生电压或电流。
- 数十年后，法国数学家 Augustin Mouchot 注册了太阳能发动机专利。
- 据《Smithsonian》杂志报道，1883 年，纽约发明家 Charles Fritts 在硒上镀了一层薄薄的金，制成了一种太阳能电池，其能量转换率为 1%-2%（参考一下，大多数现代太阳能电池的能量转换率在 15%-20%之间）。五年后，发明家 Ward Weston 获得了两项太阳能电池专利。
- 20 世纪初，Albert Einstein 发表了一篇关于光电效应的论文。
- 1954 年，贝尔电话实验室生产出了硅太阳能电池。这是第一块可以转化足够能量以运行日常电气设备的电池，效率达到 4%（后来达到 11%）。六年后，Hoffman Electronics 将效率提升到了 14%。
- 20 世纪 70 年代，Elliot Berman 博士设计出一款价格更低的太阳能电池，将价格降至每瓦 20 美元。
- Paul MacCready 制造了第一架太阳能飞机，上面装有 16,000 块太阳能电池，并于 1981 年从法国飞往英国。
- 1998 年，科学家 Subhendu Guha 率先发明了可将太阳光转化为电能的柔性太阳能瓦。
- 2000 年代及以后，太阳能技术的性能和效率不断取得长足进步。
如今，"太阳能是美国增长最快、最经济实惠的新电力来源"， 根据 Energy.gov 的数据，美国已安装了 300 万套太阳能设备。在全球范围内，家用和工业用太阳能也在不断增加。
太阳能的一个常见例子是你在一些房屋屋顶上看到的黑色长方形太阳能电池板。企业也采用了这种形式的太阳能发电，甚至迪斯尼乐园也在其 Epcot 主题公园外建造了一个由 48,000 块太阳能电池板组成的米老鼠形状的太阳能设施。
多年来，太阳能技术不断发展和改进。本文将概述太阳能、太阳能的工作原理、使用太阳能的优势以及太阳能的未来。
如何收集和储存太阳能？
光伏发电 (PV)
涉及使用一种设备（如太阳能电池板）吸收阳光并将其转化为电能。这些设备称为太阳能电池，它们连接起来形成一个更大的发电装置。
聚光太阳能发电 (CSP)
收集太阳的能量以产生热量，然后使用热量来发电。此技术使用反光镜来聚焦或“聚集”光能。
太阳能供热和制冷 (SHC)
收集太阳的能量，并使用它为家庭和企业提供供暖和制冷服务。此技术使用太阳能集热器、隔热管和热水储存水箱。
太阳能储存组件
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电池
储能系统的核心。两种常见的电池是镍锰钴锂电池和磷酸铁锂电池。
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关键负载子板
使你能够决定在停电时让哪些重要设备保持通电。
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太阳能电池板
用于为电池充电。薄膜、PERC、多晶硅和单晶硅太阳能电池板是不同类型的太阳能电池板。
太阳能电池板由什么组成？ 太阳能电池板的核心部分通常包括硅（光伏电池中最常用的半导体材料）以及用于将电池板固定在一起并支持其功能的玻璃外壳、金属框架和其他硬件。
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逆变器
用于将交流电转换为直流电（太阳能电池板和蓄电池将直流电转换为交流电）。
太阳能储存
根据 Green Building Elements 提供的信息，有三种方法可以储存太阳能：
电池储能
最常见的例子是，使用锂离子电池储存太阳能。
机械式储能
压缩空气（强制注入气罐等容器中，在需要时释放）、抽水储能水力发电（在需要时放水推动涡轮发电机）和飞轮（多余的能量在需要时用于提供电力）是此类储能系统的三种变体。
热储能
利用隔热罐中的熔盐和水来储存能量。
太阳能的优势
那么，太阳能有哪些优势？ 相当多，包括环境福利、就业机会和税收抵免。下面概述了一些主要好处：
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太阳能系统可享受税收优惠
改用太阳能可省钱（虽非立竿见影）。例如，美国政府推出了联邦太阳能税收抵免政策，可用于太阳能光伏系统的安装成本。州政府和其他地方政府也可能推出有助于消抵高价的计划。
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太阳能技术进一步发展
多年来，设备和存储技术有了长足发展。现在的太阳能电池板可产生更多能量，可以使用更长时间（效能约为 20%），使用寿命最长可达 30 年。
在家庭或企业中使用太阳能好处多多。但是，此能源并非没有限制。下面是使用太阳能的一些缺点：
- 污染问题依然令人担忧。 虽然太阳能是比燃烧化石燃料更环保的解决方案，但光伏电池制造过程中使用的一些化学品和材料会产生有害的废弃物。
- 安装价格高昂。 虽然太阳能可以节省资金，但初始安装和设备可能很昂贵。
- 存在使用限制。 由于在太阳出来时才能发电，一天中的某些时间和某些天气条件（如阴天）并不适合太阳能发电。
- 其他环境影响。 在扩大太阳能发电系统规模时，需要考虑用水、土地使用和潜在的栖息地丧失。
从最后一点开始，太阳能为工业和商业提供了环保机会。例如，新兴工具和应用可帮助组织可视化油藏模拟，以提高钻取命中率并升级分布式能源电网，从而降低成本并拓展可能性。使用量子计算优化发电也取得了长足进步。
如何落实太阳能
在落实太阳能之前，请开展调研。你需要计算所在地区的成本，查看可用的退税和税收抵免，探索不同的系统，并查看对系统安装公司的评论。从技术上讲，你可以自行安装太阳能电池板，但建议你考虑这是否是你的最佳选择。
如果你是企业主，在转向使用太阳能时需要考虑几个因素，包括工作场所的用电单位（制冷和供暖系统、机械、设备等）。虽然与家庭一样，你最终会节省成本，但改用太阳能可能是时间和金钱的前期投资。但是，有 IoT 能源解决方案可帮助你降低运营成本，同时优化供需和监视电网资产维护。
就家庭安装而言，大多数人可能会认为高昂的价格是开始使用太阳能的最大障碍。例如，根据 Consumer Affairs 的数据，美国一栋普通大小的房屋安装太阳能电池板系统的成本在扣除任何太阳能税收抵免后，为 11,144 美元到 14,696 美元不等，如果是小型 DIY 项目，每块电池板的成本约为 200 美元到 250 美元。一些指南进一步扩大了范围，列出了在美国介于 10,000 美元到 25,000 美元之间的成本。另外，还需要考虑“软成本”，例如许可费和安装人工成本。可以选择租用太阳能电池板（这意味着无需支付安装、维护或维修费用），但需要考虑一些利弊。
对于大多数家庭来说，前期价格可能会很高，而且达到太阳能电池板的投资回收期需要等待一段时间（一般会在 7 到 12 年内看到投资回报)。但节省的资金也很可观：根据 HomeGuide 的数据，太阳能每年可为美国居民节省 600 美元到 2,000 美元的电费。此外，某些安装的成本低于列出的数字。房屋面积（房屋面积越大，价格越高）、能耗水平以及为系统选择的技术类型是影响成本的三个主要因素。借助 Solar Estimate 等网站，你可以输入邮政编码或在虚拟地图上选择你的位置，以帮助确定在家中安装太阳能电池板的成本。
你还可以选择以各种方式将太阳能融入你的日常生活中（投入大小皆可）。无需花费大量资金也可开始使用太阳能。例如，可以为智能手机购买太阳能充电宝，为汽车应急包购买太阳能充电手电筒，或为下一次野营旅行购买太阳能炉灶 - 在某些情况下，只需不到 100 美元。除了太阳能电池板之外，还有其他选项可以利用太阳为你的房屋供能。房主可以使用太阳能设备为泳池加温，还可以安装太阳能灯，在夜晚照亮后院或庭院。你还可以在工作生活中使用太阳能发电。想要远程工作？ 带上便携式太阳能电池板充电器，在外面的咖啡馆工作时为笔记本电脑供电。
太阳能的未来
太阳能的未来一片光明（双关语），因为：
- 它有益于地球。 太阳能是可持续的和环境友好的。
- 清洁能源是世界发展的方向。 2035 年之后， 50% 的发电量将是可再生能源。
- 它正在变得越来越经济实惠和高效。 预计太阳能系统的价格会继续下降，同时服务会继续改善。
- 它有助于产生新企业和工作岗位。 预计该领域的产业和就业增长都将蓬勃发展。
最后一点，可再生能源领域的职业正在蓬勃发展。根据环境与能源研究所的数据，该行业在美国雇用了 300 多万名员工，在全球雇用了 1100 多万名员工。太阳能行业的工作岗位数量在美国各地各不相同。例如，根据太阳能行业协会 (SEIA) 的数据，北达科他州有 211 个太阳能工作岗位，而德克萨斯州则有 1 万多个。尽管如此，太阳能领域的工程师、研究人员、太阳能发电厂操作员、设备安装人员和其他各种专业人员的工作岗位遍布全国各地。
公司也展望太阳能和其他可再生能源。大型科技公司已经宣布了组织的社会责任倡议和环保目标。例如，Microsoft 承诺在 2030 年之前实现水资源正效益和负碳排。 消费者也越来越关注企业社会责任，因此希望更多组织在不久的将来围绕其可持续性承诺制定策略。
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常见问题解答
- 太阳能是一种来自太阳的能源，可以用来发电。它是一种可再生能源，这意味着它可以补充，不会在一次性使用后耗尽。太阳能具有多种用途，可用于为建筑物供电、热水、为适用的电子设备充电等。太阳能也称为光能或太阳辐射。了解详细信息>
- 太阳能家用商用均可。例如，在住宅级别，它可以为家庭供电、供热水、供暖和制冷。一些企业利用太阳能来为办公室、工厂或农场供能。此外，政府还可以利用太阳能为公共事业和设施（如路灯、停车场、交通运输工具和学校）供电。
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使用太阳能有几项优势。除了丰富和可再生之外，太阳能还能减少我们的集体碳足迹，因为太阳能发电本身就是零排放。太阳能也可以经济高效。例如，技术进步使太阳能系统越来越经济实惠，随着时间的推移，这些系统可以大幅降低电费。更重要的是，太阳能是可扩缩的，它既可以为单个住宅供电，也可以为整个社区供电。最后，太阳能系统几乎可以安装在任何地方，甚至是偏远地区，这意味着可以为缺电的地方提供电力。
- 首先，有三种主要技术用于利用太阳能：光伏发电 (PV)、聚光太阳能发电 (CSP) 以及太阳能供热和制冷 (SHC)。利用太阳能发电后，需要一些基本组件来储存电能：蓄电池、太阳能电池板、关键负载子板和逆变器。然后，可通过三种方法来储存太阳能：电池储能、机械式储能和热储能。根据你的需求和使用太阳能的目的（例如，为 1,200 平方英尺的郊区住宅供电，还是为电网以外的大型物业供电），过程可能会有所不同。
- 对许多消费者来说，安装的初始费用可能会很昂贵。在美国，住宅的安装费用从 10,000 美元到 25,000 美元不等。但是，某些国家/地区有政府计划，可帮助你抵扣开始使用太阳能的成本。这可能包括有关建立经济高效的系统或如何获得可用税收抵免的资源。这需要一些时间（大约十年），但你应该能收回太阳能电池板系统的成本，并在电费账单上看到节省的电费。根据太阳能系统成本和物业面积等因素，每年可以节省几百美元到几千美元不等的电费。
- 太阳能是当今最可持续的能源形式之一。太阳能不仅资源丰富、可再生（太阳每天提供的能量足以满足目前全球一整年的能源需求），而且可以用低廉的成本大规模发电。太阳能发电不会产生温室气体排放，安装太阳能电池板后只需极少的维护成本，并且在提供电力的同时不会对水或空气造成污染。
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