太阳能采集的 5 种方法

想象一下，白天在莫哈韦沙漠中放一个黑色煎锅。煎锅会逐渐变热并摸起来发烫，最后温度超过 90 °C (195°F)。在锅内打一个鸡蛋，鸡蛋在几分钟内就会完全煮熟。您可能没有意识到，但这个简单的实验正是太阳能采集应用的体现。 最常见的太阳能采集就是您看到的位于住宅屋顶上的太阳能电池板。不过，太阳能采集的商业化应用涵盖各种各样的应用情形，为全世界提供了大量能源。我们来看五种创新型太阳能采集技术。

1) 光伏太阳能电池板 光伏 (PV)

太阳能电池板利用太阳的能量来产生电流。这是目前应用最广泛的太阳能采集方法。这些尺寸范围在几平方厘米到几平方米的电池板由许多排列成复杂矩阵的光伏电池组成。直观而言，太阳光照射到光伏电池上的可用表面积越大，所采集的太阳能就越多。

每个光伏太阳能电池通常由化合物半导体晶片结构构成，其可以是单晶结构，也可以是多晶结构。结构内两个薄薄的半导体晶片（一个为 P 型，一个为 N 型）各自分别扩散。两个晶片彼此上下重叠放置，两种半导体类型之间发生的自然反应会产生一个耗尽区，此区域内达到平衡点，不产生电。由于采用的是光伏电池，当光中的光子穿过并与半导体晶片接触时，它们之间的相互作用就会释放充足的能量，从而扰乱耗尽区的平衡状态。这一行为随后产生短暂的电流。然而，由于光线持续存在，这种相互作用就会持续发生，从而产生大量电能。

单个光子相互作用重复不断在整个光伏电池表面上产生电能。这些电能汇入整个太阳能电池板，然后流入巨大的光伏电池板阵列。耗尽区上这种微弱的相互作用重复出现并成倍增加，从而产生大量电能。而光伏太阳能阵列则产生直流电。要融入到现代输电技术（如您家里的电源插座）中，必须使用逆变器将这种直流电必须转换为交流电。人们对这一基础性技术重复多次展开了各种专有尝试，寻求在分子层面上优化每个光伏电池的效率，改进电池板的组装以及电池板集成到大型太阳能阵列中的能力。

2) 热能收集：电磁辐射能

太阳会产生包括红外线在内的许多不同波长的辐射光谱。此光谱有效地将热能传输到能够吸收热能的物体上。能够有效吸收这种热电磁能的元素称为“黑体”，因为黑颜色吸收人类眼睛可以看见的所有波长的辐射。理想的黑体是能够正确吸收并发射所有波长的电磁辐射光谱。

电磁辐射长期以来都被用于在许多被动加热系统中进行加热，如烹饪鸡蛋的例子以及用于罗马浴室和古埃及家中，现代解决方案中也有应用，如热太阳能电池板和温差环流系统。这些热太阳能采集策略十分依赖于黑体的辐射物理性质及其吸收和传递电磁辐射的能力。在住宅方面，收集起来的热能最常用于热水系统。不过这些解决方案不太适用于工业规模的能源生产。

3) 太阳能热水器

在全球范围内阳光充足气候条件下，最常用的热太阳能采集应用的最佳示例便是太阳能热水器。最简单的太阳能热水器系统版本是，使用一个泵来使冷水在黑体电池板内循环流动。这在外观上类似于一个光伏太阳能电池板，黑色表面有效吸收热能，循环水将热能冷却，从而将水加热。水在这个环路内不断循环，在整个太阳能活动中变成热水。一些系统可以利用热水产生的浮力，从而无需使用泵系统。热水“上浮”，冷水下沉，在系统中产生少量热量流动，形成热虹吸管效应。此类系统要求储水罐位于太阳能吸收源上方（如此处所示）。

4) 真空管太阳能热水器

更先进、更高效的太阳能热水系统利用真空管和独立热管将热能传递到辅助水箱。真空管确保辐射能能够进入系统，但所有转化为热能的能量都位于管内。热管吸收这些能量后将其传递给大水箱。此类系统在寒冷月份期间加热水的效率显著较高，因为真空管中流失的热能量极少，几乎所有的辐射能都转化成了热能。

5) 熔盐太阳能  

熔盐太阳能系统领域最近实现的重大发展正在突破利用太阳能发电的界限。但是，与先前探讨的太阳能热水系统非常相似，熔盐发电厂利用电磁辐射来熔化盐。之后，熔盐被转移到热交换器，热交换器将水加热成蒸汽，蒸汽随后推动蒸汽机发电。熔盐发电厂（如 Ivanpah Solar Plant）依靠庞大的定日镜网来将太阳光反射到单个点，这个点通常称为电力塔或中央塔。该塔收集周围所有定日镜反射来的能量，这些能量的温度接近 1500°F，足以将盐熔化。熔盐随后储存到工业罐中，即使在没有太阳光照时也能用于提供能量。

太阳能的未来

太阳能采集技术逐渐被用于替代化石燃料发电。虽然有各种各样采集太阳能的方法，但它们本质上都是利用太阳来以特定所需的方式执行工作，而这些工作是我们传统上依靠电力来实现的。效率提高和工艺优化会继续提升太阳能采集工作的生产率，并可能完全消除对使用化石燃料的需求。