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多年來(lái)太陽(yáng)能電池板發(fā)生了怎樣的變化
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| 發(fā)布時(shí)間：
2024/5/8 |
當今太陽(yáng)能生產(chǎn)和利用的格局已廣泛且全面發(fā)展。當然，研究仍然沒(méi)有創(chuàng )造出一種持續有效的長(cháng)期儲存太陽(yáng)能的方法。但光伏（PV）電池確實(shí)可以將太陽(yáng)能轉化為電能，可用于對鋰離子電池等進(jìn)行充電（然后放電），盡管這一過(guò)程中的效率損失可能會(huì )給住宅用戶(hù)帶來(lái)挑戰。即便如此，全國和世界各地的太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)已經(jīng)改變了人類(lèi)生產(chǎn)電能的方式，住宅系統正在提高能源獨立性，同時(shí)改善環(huán)境安全。
從早期收集太陽(yáng)能的探索到現在以及以后的旅程是一段令人著(zhù)迷的旅程。古代人類(lèi)以多種方式利用了我們恒星的潛力，現代地球居民也紛紛效仿，盡管越來(lái)越令人印象深刻的技術(shù)突破使太陽(yáng)變得越來(lái)越有價(jià)值。當代太陽(yáng)能電池板的存在歸功于歷史悠久的一系列進(jìn)步，但真正發(fā)揮作用是在過(guò)去的幾百年里。這就是太陽(yáng)能電池板的演變。
古代收集太陽(yáng)光線(xiàn)
早在公元前7世紀，人類(lèi)就在初級放大鏡技術(shù)的幫助下利用太陽(yáng)生火。這些太陽(yáng)能實(shí)驗為人類(lèi)與天空古老能源生產(chǎn)者的合作奠定了基礎，而且它們經(jīng)受住了時(shí)間的考驗——年輕的學(xué)生仍然在老師的監督下到外面去制造熱量和微小的燒傷痕跡。在這些早期駕馭者數千年后，中國和希臘文明在建造城市時(shí)考慮了太陽(yáng)的位置。
這些社區精心設計的房屋和聚會(huì )場(chǎng)所直接受到太陽(yáng)在天空中位置的影響，全年不斷變化以適應天氣模式和舒適度要求。他們利用太陽(yáng)的軌跡和一年中的季節模式來(lái)利用恒星在冬季的熱量，并在夏季產(chǎn)生冷卻效果。這些捕捉太陽(yáng)輻射能的早期努力影響了未來(lái)幾個(gè)世紀人類(lèi)對天體的看法。人類(lèi)發(fā)現自己能夠真正捕獲和操縱太陽(yáng)的能量需要數千年的時(shí)間，但這次航行從這里開(kāi)始，在古代的第一步。
第一個(gè)太陽(yáng)能電池于1767年開(kāi)發(fā)出來(lái)
1767年，霍勒斯·本尼迪克特·德·索緒爾 (Horace Benedicte de Saussure) 創(chuàng )建了第一塊電池后，太陽(yáng)能以全新的方式被概念化。這位瑞士知識分子開(kāi)始嘗試一種可能有助于利用太陽(yáng)能的太陽(yáng)能捕獲設計。索緒爾以探索阿爾卑斯山和進(jìn)行一系列地質(zhì)測試和測量而聞名。1767年，他發(fā)明了日光溫度計，這是一種放大入射陽(yáng)光以產(chǎn)生更多熱量輸出的裝置。索緒爾的日光溫度計是在隔熱盒中由多層玻璃制成的。本質(zhì)上，該設備就像一個(gè)小型溫室，會(huì )逐漸升高溫度，以便將太陽(yáng)的光能轉化為熱能。該設備將熱量放大到足以達到108攝氏度，突破了水的沸點(diǎn)，使用戶(hù)能夠利用太陽(yáng)能進(jìn)行烹飪和其他基本任務(wù)。
此時(shí)，太陽(yáng)能捕獲技術(shù)顯然效率不高，但索緒爾的突破為未來(lái)250多年出現的所有其他太陽(yáng)能電池技術(shù)奠定了基礎?？赡芎茈y相信這項尖端技術(shù)很久以前就已經(jīng)開(kāi)始了，但它實(shí)際上是從了解如何可靠地將陽(yáng)光轉化為可用的替代能源格式開(kāi)始的。
1839年發(fā)現光伏效應
1839年，也就是第一個(gè)太陽(yáng)能電池問(wèn)世大約70年后，埃德蒙·貝克勒爾 (Edmond Becquerel) 觀(guān)察到了光伏效應的作用，引發(fā)了人類(lèi)對太陽(yáng)能以及更廣泛的電力生產(chǎn)和使用理解的一場(chǎng)革命。目前，電力實(shí)驗正在如火如荼地進(jìn)行中，盡管距離美國第一個(gè)電網(wǎng)技術(shù)的出現還需要幾十年的時(shí)間。光伏效應是支撐現代太陽(yáng)能技術(shù)存在的基本原理。簡(jiǎn)而言之，貝克勒爾觀(guān)察到某些材料在暴露于陽(yáng)光甚至輻射熱時(shí)會(huì )產(chǎn)生電流。
年僅19歲的貝克勒爾在父親的實(shí)驗室進(jìn)行研究時(shí)取得了這一突破。在這個(gè)拐點(diǎn)之后，很明顯，太陽(yáng)能捕獲技術(shù)不需要額外的能量轉換來(lái)利用以光的形式收集的資源。早期的太陽(yáng)能捕獲圍繞著(zhù)產(chǎn)生熱量，但必須再次轉化為產(chǎn)生可為機器、燈泡或汽車(chē)提供動(dòng)力的電荷。每次轉換都會(huì )損失能量——另一個(gè)基本原理——這意味著(zhù)直接從收集的陽(yáng)光產(chǎn)生電流的能力本身節省了令人難以置信的空間、時(shí)間和能源。
1883年：Charles Fritts 建造了現代太陽(yáng)能捕獲電池
硒電池是太陽(yáng)能發(fā)電的下一個(gè)重大突破。查爾斯·弗里茨 (Charles Fritts) 延續了該領(lǐng)域許多其他發(fā)明家的進(jìn)步，在對其光電導性進(jìn)行了其他開(kāi)創(chuàng )性研究后，最終選擇了硒。1883年，Fritts 成功制造了第一個(gè)固體材料太陽(yáng)能電池，無(wú)需移動(dòng)部件即可捕獲陽(yáng)光并輸出可用于滿(mǎn)足人類(lèi)需求的電荷。
弗里茨的電池以大約1% 或2% 的效率轉換率產(chǎn)生電力，但這是制造越來(lái)越有用的發(fā)電太陽(yáng)能電池所需的突破。據《史密森尼雜志》報道，弗里茨高興地注意到他的硒發(fā)明，它產(chǎn)生了“連續、恒定且具有相當大力量”的電流。這一改進(jìn)使太陽(yáng)能發(fā)電取得了重大飛躍。用戶(hù)不再需要依賴(lài)笨重的產(chǎn)品或移動(dòng)組件，這使得工具變得更加復雜。太陽(yáng)能電池即將成型。
觀(guān)察光電過(guò)程并改進(jìn)細胞外觀(guān)
在現有光伏效應原理的基礎上，德國物理學(xué)家海因里?！ず掌?(Heinrich Hertz) 于1887年觀(guān)察到了類(lèi)似的現象——光電效應。這是當電子被發(fā)射到太空而不是進(jìn)入所討論材料的所謂導帶時(shí)。赫茲注意到，將紫外線(xiàn)照射在節點(diǎn)上會(huì )在電極之間產(chǎn)生火花，最終發(fā)現了這種相關(guān)現象。
一年后，亞歷山大·斯托萊托夫 (Aleksandr Stoletov) 建造了第一個(gè)可工作的光電電池。也許這種競爭設計最重要的特點(diǎn)是赫茲發(fā)現暴露在紫外線(xiàn)下產(chǎn)生的電能比暴露在可見(jiàn)光譜下產(chǎn)生的電能更多?？紤]到太陽(yáng)紫外線(xiàn)的巨大輻射輸出，這一新發(fā)現和由此產(chǎn)生的突破為追求不斷提高的太陽(yáng)能效率和功能創(chuàng )造了一條令人興奮的新途徑。
硅太陽(yáng)能電池實(shí)現商業(yè)化生產(chǎn)
在這些早期突破之后，穩步進(jìn)展仍在繼續，但爆炸性增長(cháng)在20世紀50年代開(kāi)始扎根。本世紀初，貝爾實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了硅太陽(yáng)能電池，使發(fā)電效率達到6%。雖然仍然明顯低于現代住宅能效標準（約20%），但與第一波太陽(yáng)能收集工具能夠聚集的低數字相比，這是一個(gè)巨大的變化。事實(shí)上，這個(gè)時(shí)代的電池突然能夠為實(shí)驗室、家庭和其他地方使用的設備供電。1958年，太陽(yáng)能收集工具被部署在太空探索設備中，為設備提供穩定的電力，這些設備將與其能源祖先一起生活在遙遠的未來(lái)。
生產(chǎn)效率的提高在很大程度上歸功于設計中包含硅，而不是早期使用的硒。它提供了更高的效率，但在現階段，除了最專(zhuān)業(yè)的用途外，成本仍然過(guò)高。典型的例子是：1958年，美國國家航空航天局 (NASA) 發(fā)射了先鋒一號 (Vanguard1) 衛星，這顆衛星如今已借助光電太陽(yáng)能電池板繞地球運行了近20萬(wàn)圈。研究和專(zhuān)業(yè)用途仍然是太陽(yáng)能技術(shù)的主要用途，但幕后正在發(fā)生變化。
?？松镜难芯客度胭Y金到該技術(shù)上
在當代，太陽(yáng)能一直面臨著(zhù)兩個(gè)致命的威脅。在該技術(shù)的現代框架中，價(jià)格和效率成為全面采用的雙重障礙，并嚴重挑戰任何主要依靠太陽(yáng)能來(lái)取代破壞環(huán)境的做法的環(huán)境和電網(wǎng)可持續性模型。從長(cháng)遠來(lái)看，燃煤工業(yè)生產(chǎn)可能是骯臟且不可持續的，但建造太陽(yáng)能集熱器并以極低的效率運行它們所帶來(lái)的過(guò)高成本使其目前無(wú)法啟動(dòng)。
然而，到了20世紀70年代，這兩方面的情況都開(kāi)始發(fā)生變化。?？松镜难芯块_(kāi)始起步，美國政府開(kāi)始認真對待旨在創(chuàng )造更強大的能源獨立性的項目。1974年的《太陽(yáng)能研究、開(kāi)發(fā)和示范法案》將聯(lián)邦資金投入太陽(yáng)能項目，旨在使太陽(yáng)能變得實(shí)用且負擔得起，以便公眾能夠輕松享受這種新能源選擇的好處。與此同時(shí)，?？松梨诘难芯恐攸c(diǎn)是降低成本，該公司成功地將太陽(yáng)能發(fā)電的價(jià)格從每瓦100美元降至20美元。這仍然不足以使其與其替代品直接競爭，但可行的前進(jìn)道路的框架肯定已經(jīng)開(kāi)始形成。
1985年實(shí)現20% 效率
廣泛采用的第二個(gè)障礙是效率。波浪能捕獲技術(shù)最近找到了解決這個(gè)問(wèn)題的方法，1985年，太陽(yáng)能電池似乎也解決了這個(gè)問(wèn)題。1985年，南威爾士大學(xué)突破了硅電池20% 的大關(guān)，太陽(yáng)能建筑、公園和其他大型建設項目也在此時(shí)在全國和全球各地涌現。值得注意的是，20世紀80年代又出現了一波嚴重的能源危機，引發(fā)了全球經(jīng)濟衰退。
就在幾年前，即1982年，第一輛太陽(yáng)能汽車(chē)從悉尼行駛到珀斯（約2,800英里），所用時(shí)間是第一輛汽油動(dòng)力汽車(chē)完成這一壯舉所需的時(shí)間的一半。1983年全球采用量也超過(guò)了21.3兆瓦。1992年，即這些新進(jìn)展十年后，南佛羅里達大學(xué)的研究人員首次利用薄膜光伏太陽(yáng)能電池（由碲化鎘制成，效率達到15.9%）突破了15% 的效率障礙。開(kāi)發(fā)一年后，太平洋天然氣與電力公司安裝了第一個(gè)電網(wǎng)支持的光伏系統。這是加利福尼亞州克爾曼的一個(gè)500千瓦項目，也是第一個(gè)建成的太陽(yáng)能分布式發(fā)電系統。又一年后，國家可再生能源實(shí)驗室利用磷化鎵銦和砷化鎵的新型太陽(yáng)能電池設計突破了30% 的能量轉換門(mén)檻。
到2010年，太陽(yáng)能發(fā)電在美國各地蓬勃發(fā)展
正如波士頓大學(xué)全球可持續發(fā)展研究所所記錄的那樣 ，過(guò)去二十年來(lái)，美國通過(guò)太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)電的發(fā)電量呈爆炸式增長(cháng)。2006年推出的太陽(yáng)能投資稅收抵免刺激了企業(yè)和住宅電力生產(chǎn)和使用方式的重大轉變，到2010年太陽(yáng)能發(fā)電已成為幾乎不可忽視的新機遇。在北卡羅來(lái)納州，特別是加利福尼亞州，新的太陽(yáng)能建設項目躍然紙上。繼這些早期采用者之后，馬里蘭州和新澤西州-紐約海岸線(xiàn)以及科羅拉多州、新墨西哥州和整個(gè)中西部的少數島嶼社區開(kāi)始出現對太陽(yáng)能建設的大規模投資。
這些項目為以前依賴(lài)煤炭開(kāi)采、石油鉆探、水力壓裂和其他形式的能源采集的社區帶來(lái)了巨額金融投資。能源行業(yè)勞動(dòng)力的演變始于2010年左右，此后的14年里一直沒(méi)有放緩。與2006年立法相協(xié)調，2009年《美國復蘇和再投資法案》簽署成為法律，擴大了稅收減免、補助金和其他令人難以置信的財政激勵措施，以鼓勵企業(yè)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能基礎設施。
如今的稅收優(yōu)惠使住宅太陽(yáng)能成為真正的選擇
如今，大多數住宅太陽(yáng)能電池板的平均效率 約為20%。隨著(zhù)價(jià)格持續下降——在蓬勃發(fā)展的太陽(yáng)能行業(yè)取得重大立法勝利前后的10年間，安裝價(jià)格下降了70%——住宅電池板的可行性越來(lái)越高。事實(shí)上，能源效率與可再生能源辦公室 在2017年報告稱(chēng)，太陽(yáng)能行業(yè)每周創(chuàng )造大約1,000個(gè)新就業(yè)崗位。此外，針對住宅用戶(hù)的稅收減免和其他財政激勵措施使其成為當前和現在都能負擔得起的解決方案，并且從長(cháng)遠來(lái)看，可以作為降低持續能源使用成本的一種手段。目前的稅收優(yōu)惠政策在2017年至2034年間提供高達30% 的安裝成本回收，并為安裝房主（甚至可能是安裝太陽(yáng)能的租戶(hù)）提供展期信貸，以便他們能夠充分利用財務(wù)價(jià)值。
那些在家中安裝太陽(yáng)能電池板的人還可以利用銀行業(yè)務(wù)、凈計量和能源回售。通過(guò)增加家庭電池技術(shù)，住宅用戶(hù)現在可以存儲通過(guò)家庭系統捕獲的剩余能源。各州還規定用戶(hù)可以將產(chǎn)生的剩余能源賣(mài)回給電力公司，以額外抵消電費。持續的技術(shù)改進(jìn)和政府計劃使太陽(yáng)能成為商業(yè)和住宅領(lǐng)域真正有價(jià)值的選擇。
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