導讀太陽能是太陽發出的電磁輻射，它被捕獲并轉化為有用的能量。植物通過光合作用吸收太陽能，將陽光轉化為食物，而人類通過光伏效應等過程捕捉陽光，將其轉化為有用的電能....

太陽能是太陽發出的電磁輻射，它被捕獲并轉化為有用的能量。植物通過光合作用吸收太陽能，將陽光轉化為食物，而人類通過光伏效應等過程捕捉陽光，將其轉化為有用的電能。

太陽能產生的電能可以用于電網或儲存在電池中。太陽能資源豐富且免費，隨著太陽能技術變得更加先進和高效，將太陽能轉化為電能的成本繼續下降。太陽能是地球上最容易獲得和最豐富的能源。它還具有比化石燃料產生更低的碳足跡的優勢，這減少了它對環境的總體影響。

一、太陽能的定義

太陽是一顆主要由氫和氦組成的恒星。它通過一種叫做核聚變的過程在其核心內部產生能量，在這個過程中，氫聚變形成一個更輕的氦原子。在這個過程中損失的能量以能量的形式輻射到空間中，其中一小部分能量到達地球。

目前，世界的太陽能發電約為1023.10太瓦時（2021），大約占總發電量的3.72%。其中我們中國是太陽能發電第一大國，太陽能發電量約為330.71太瓦時，大約占總發電量的3.91%。

二、太陽能發電

太陽能技術可以利用光伏(PV)太陽能電池板或利用特殊的鏡子集中太陽輻射，將陽光轉化為能量。光的單個粒子稱為光子，這些微小的電磁輻射包根據移動的速度有不同的能量。在核聚變過程中，當氫轉化為氦時，太陽會釋放光子。如果光子有足夠的能量，就可以利用它們來發電。

光伏板由單個光伏電池制成。這些電池含有一種叫做半導體的材料，這種材料可以讓電子流過電池。光伏電池中最常用的半導體類型是晶體硅。它相對便宜，儲量豐富，而且使用時間長。在所有的半導體材料中，硅也是最有效的導電體之一。

當具有大量能量的光子與半導體接觸時，它們可以將電子撞散。這些電子產生的電流可用于供電或儲存在電池中。

太陽能電池板產生的大部分能量被送入電網，再分配到需要電力的地方。即使是私人屋頂的太陽能電池板也會將多余的電力送回電網。電池存儲往往是昂貴的，而將多余的電力賣回給電力公司是目前生產太陽能電力的最具成本效益的方式。

三、太陽能熱能

太陽能熱能(STE)技術捕獲太陽能并將其用作熱能。STE集熱器有三種不同的類別: 低、中、高溫

----低溫收集器利用空氣或水將太陽收集到的熱能轉移到需要加熱的地方。它們可能以玻璃太陽能集熱器的形式出現，通過建筑、金屬墻壁或安裝在屋頂的被陽光加熱的水袋來加熱空氣。它們最常用于小空間或加熱游泳池。

----中溫收集器的工作原理是將一種不結冰的化學物質通過一系列管道輸送到住宅和商業建筑中，這些管道收集陽光來加熱水和空氣。

----高溫收集器使用一系列的拋物面鏡有效地將太陽能轉化為高溫熱能，然后可以發電。鏡子捕捉陽光并將其聚焦到所謂的接收器中。然后這個系統加熱所含的液體并使其循環產生蒸汽。就像傳統的發電一樣，蒸汽帶動渦輪機，為發電機提供所需的電力。

為了最大限度地提高效率，收集陽光的鏡子必須能夠在一天中跟隨太陽的路徑。這些大型系統主要由公用事業公司提供電力，通過電網輸送。

四、太陽能的成本

太陽能技術在過去幾十年里取得了令人難以置信的進步，預計在未來幾年它將增長得更快。在世界上幾乎所有的地方，太陽能都是生產成本最低的能源。隨著技術的進步，成本也在不斷下降。到2050年，太陽能發電每千瓦時的成本預計為0.5美分。相比之下，目前商業公用事業規模的電價約為每千瓦時6美分。

2020年，國際能源機構的《世界能源展望》報告稱太陽能是“歷史上最便宜的電力”。美國太陽能行業提前三年，在2017年實現了2020年成本目標6美分/千瓦時。現在的目標是進一步降低成本，到2030年，將達到3美分/千瓦時.

據國際可再生能源署（IRENA）“Renewable Technology Innovation Indicators”報告，回顧2010年，各個國家公用事業級太陽能光伏平準化電力成本 （LCOE）的下降趨勢表明，在有歷史數據的市場中，2010年至2020年，各個國家公用事業級太陽能光伏LCOE的加權平均降幅在72%至88%之間。在公用事業級行業中，加權平均LCOE最低的國家是印度，2010年至2020年期間，成本下降了88%，達到0.038美元/千瓦時，比當年全球加權平均水平低33%。

五、太陽能的優點

對于個人業主和公用事業規模發電廠的開發商來說，太陽能幾乎是世界上每個地方成本最低的能源。政府的激勵措施使其作為一項投資更具吸引力。一旦安裝，它的運行和維護成本接近于零，這意味著它正在取代煤炭和天然氣等化石燃料。它的零排放和可再生燃料來源(太陽)可以減少空氣污染和導致氣候變化的溫室氣體的排放。

1）可負擔性

太陽能現在幾乎是世界上所有地方最便宜的電力形式。太陽能發電的成本在2009年到2020年之間下降了90%，而且現在建造一個新的公用事業規模的太陽能發電廠比保持現有的燃煤電廠運行要便宜得多隨著太陽能需求的增長和生產規模的擴大，太陽能發電預計將遵循所謂的斯旺森定律，即太陽能電池板的生產每增加一倍，其成本就會降低20%。2010年，太陽能發電的成本約為37美分。到2030年，預計成本將為2美分，到2050年將為0.5美分。

太陽能的大部分成本是在安裝上，但由于陽光是免費的，太陽能資源通常產生零(甚至負)邊際成本能源。邊際成本是指額外生產一單位產品所需的成本。電網的管理者經常根據邊際成本從供應商那里購買電力，這就是為什么太陽能在能源市場上常常勝過煤炭。

2）政府激勵

美國聯邦稅收抵免允許房主從他們每年的所得稅負擔中扣除一定百分比的安裝太陽能電池板的費用。截至2021年初，這一額度為太陽能光伏系統成本的26%。美國各州也有不同的激勵措施，電力公司也可以提供不包括所得稅在內的退稅太陽能光伏系統的所有者還可以獲得可再生能源證書(RECs)，公用事業或其他公司可以購買該證書以抵消其碳排放。聯邦稅收抵免也適用于在家中安裝蓄電池以儲存太陽能電池板產生的能量的房主。

3）維修費用低

一旦安裝，太陽能電池板的維護費用是最低的，這是太陽能的邊際成本如此低的一個原因。雨水會清潔大部分太陽能電池板。雖然雪會覆蓋太陽能電池板，阻礙能量轉換，但雪會相對較快地從電池板的傾斜玻璃上融化，積雪屋頂或田野的反照率(反射光)增加了太陽能電池板可以收集的太陽輻射。太陽能逆變器將太陽能電池板產生的直流電轉換成交流電，送入家庭并進入電網，在需要更換之前，它可以使用10到15年。由于電池板沒有可移動的部件，制造商通常保證電池板的使用壽命為25年。太陽能電池板的效率以每年約0.5%的速度下降。即使降解率是這一數字的兩倍，太陽能電池板在30年后仍將以74%的速度運行。

4）零排放

根據美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)的數據，一個屋頂太陽能系統可以在整個系統使用期間滿足普通家庭的所有用電需求，可以防止200噸二氧化碳被釋放到大氣中。這相當于每年少開四輛汽油動力車，或者每年少開5.4萬英里。

雖然太陽能電池板的制造和最終處理需要付出環境代價，但太陽能產業不會遭受環境災難，不會造成大量生命損失和清理成本。沒有太陽泄漏、太陽井噴、太陽井火災、太陽熔毀、太陽礦井塌方、太陽管道爆炸、太陽徑流、太陽油輪碰撞、太陽火車脫軌，或者太陽能煉油廠泄漏這樣的事情。事實上，由于太陽能有助于減少對煤炭的依賴，電力部門的煤炭碳排放量自2007年以來已經下降了50%以上。

六、太陽能的缺點

盡管太陽能是當今最便宜的能源形式，但廣泛采用太陽能仍然存在障礙。如上所述，太陽能產業在過去十年中增長了十倍，但它仍然只占世界發電量的不到4%。太陽能本身是可變的，它可能是昂貴的，并且太陽能電池板的最初生產和最終處置可能有很高的環境成本。太陽能的壁壘正在降低，但要實現提供真正可持續能源的承諾，太陽能還需要不斷進步。

1）前期成本高

盡管住宅太陽能系統的成本從2010年到2019年下降了近三分之二，但根據國際能源署(IEA)的數據，考慮到大部分安裝成本是在勞動力和硬件上，在家中安裝太陽能電池板仍然很昂貴。例如，雖然美國聯邦和州的稅收抵免可以顯著降低太陽能系統的前期成本，但低收入消費者可能沒有足夠的稅收來利用這些抵免。當然，一個人必須擁有財產，以安裝面板，這排除了許多承租人。社區太陽能項目允許太陽能客戶在太陽能農場的許多成員之間分攤前期成本，或者每月向社區太陽能供應商訂購，而不需要任何前期成本。

2)太陽照射的變異性

沒有人會感到驚訝，晚上太陽不會照耀，有些日子會陰天，冬天的白天比夏天的短。太陽能本身是可變的，在需要的時候并不總是可用的。隨著太陽能在世界電力供應中的比重越來越大，電網規劃者和管理者需要找到創造性的方法，將可變的可再生電力集成到電力系統中。他們依靠非常詳細的天氣預報來預測未來幾天或幾個小時內有多少能源可用，這使得太陽能更容易預測。擴大電網的地理范圍也允許電網管理者從有陽光的地區和時區獲取電力，并將其輸送到沒有陽光的地區。

越來越多的電網管理者和家庭業主可以將他們的太陽能發電儲存到大型電池中，以幫助緩和太陽能的可變性。新型電網電池繼續創造著世界上最大電池的記錄。2021年3月，蘋果宣布正在建造一款電池，能夠存儲其位于加州的太陽能發電廠產生的240兆瓦時的能量。這些能量足以供應7000多戶家庭一天的用電。

截至2019年底，28%的新增太陽能設備配備了電池各種形式的儲能是集成可變可再生能源(如風能和太陽能)的領先解決方案，但儲能行業在開發成熟的技術、公認的行業標準和可擴展的制造方面可能落后于太陽能行業10年。

3)不可移動性

如果你搬家，你不太可能帶著你的太陽能電池板。投資太陽能通常是一項長期的承諾，業主最初的投資可能需要7到10年才能收回。這給那些居住安排更靈活的人帶來了障礙，比如租房者，或者決定出售房屋的屋頂太陽能房主。根據Zillow Research的研究，太陽能電池板可以為房屋增值，但并不是所有潛在的購房者都希望在他們的下一套房子里安裝太陽能電池板，或者甚至知道如何與買家談判。

4)環境影響

雖然太陽能電池板在為消費者發電時不會產生任何溫室氣體排放，但這些電池板的生產和處置確實會對環境造成影響，需要加以解決。這些問題包括原材料的提取、制造過程中廢水和危險廢物的產生、太陽能電池板選址時的土地使用問題以及不再使用的電池板的回收。據國際可再生能源署(IRENA)估計，到2050年，每年將產生600萬噸太陽能電子垃圾。

最近為了應對這些挑戰，綠色電子委員會努力提高可持續性標準，為太陽能光伏組件和逆變器創建EPEAT生態標簽; 歐盟、華盛頓州和其他地方要求對太陽能電池板進行適當回收的法律，改變生產工藝，減少廢物的數量和毒性;提高整個太陽能供應鏈中材料和做法的可追溯性，以及將農業和太陽能電池板結合在一起，而不是電池板消除寶貴的農業土地的共同選址做法。

本文主要據Emily Rhode “What Is Solar Energy? Definition, How It Works, and Pros and Cons”和David M. Kuchta “The Pros and Cons of Solar Energy”編譯。除注明外，圖片來自網絡。