太阳能为世界供电的不同方式

谁没有享受过阳光带来的热量？这样做是通过辐射将热量直接从太阳的热表面传递到您的皮肤。一平方米可以捕获约1000 W的功率，这与便携式空间加热器的输出相当。深色表面可以以接近100％的效率捕获能量，例如击败（加热）太阳能光伏（PV）捕获效率。我们已经看到，太阳能光伏可作为一种超级丰富的资源，仅需要覆盖约0.5％土地的面板即可满足我们的全部能源需求（仍然是巨大的）。因此，来自太阳的直接热能（比PV可以更有效地进行收集）会自动存在于丰富的球杆中。让我们评估一下围绕太阳热能的一些实际问题：用于家庭供暖还是用于发电。

有用的热量

在物理课上，我经常发现自己重复着这样的口头禅：热量是一种无序的，无用的能量状态，通常是能量流动过程的终点。例如，分配给倒置自行车的快速旋转车轮的能量会随着车轮搅动空气，发出声音并在轴承处产生摩擦而缓慢消耗掉。这些能量路径中的每一个都会产生热量，直到100％的投资能量被消散，结果房间变得有点温暖。一旦熵要求它，我们将永远不会将损失的能量重新组合成有用的形式。所有这些都足够真实，但是我对说热是能量流的坟墓这句话感到非常尴尬，必须在声明中加上星号。

星号是，我们社会的绝大多数能源消耗都是利用热量-在美国超过90％！因此，热量不应该作为一文不值的废品使用。而是，热量运转着我们的世界！有时我们只是通过以下方式直接获取热量：用于炉子的天然气，热水和烹饪；家用取暖油；以及用于工业过程加热的天然气和煤炭。这占我们总能源需求的20％，约占总能源消耗的三分之二以热量的形式产生，这些热量为电力生产，运输和机械的热力发动机提供动力。简而言之，我们从化石燃料，核能和生物质能中获得的所有能量均来自热量。那几乎没有用！

辐射热

太阳通过辐射通过空虚将能量传递到地球。温度为T时，每平方米的表面以T4的速率发射辐射，其中T以σ开尔文表示（重要！），等于5.67108 W /σ m /× K4。−²通过序列5-6-7-8可以轻松记住该常数。现在忽略温室气体的微妙之处，地球表面（通常为288 K）的发射功率为390 W / m。²另一方面，太阳在5800 K时每平方米发射64兆瓦！

在地球半径109倍的球形太阳区域上求和，我们发现太阳的总辐射功率高达3.91026W。×这就是一个灯泡！太阳的辐射能扩散到各个方向，形成一个光球。在地球的距离处，该球体的面积为4r 2.81023 m，π其²中≈r×是地球²与太阳的平均距离。将这些巨大的数字相除，我们发现地球的辐射强度为1370 W /² m-我希望对于Do the Math读者来说，现在是一个熟悉的数字。

我们也可以将T4σ关系转过头来，说（地面上）接收到1000 W / m的一整片²阳光对应于364 K的辐射温度，或起泡°的91C。这意味着，如果没有其他辐射途径可用来冷却面板，则在充满阳光的黑色面板上可能会发烫。然后我们可以说面板与太阳处于辐射平衡。但是空气可以通过对流带走热量。一块热的平板的自对流约为面板与周²围空气之间每度差的10 W / m。如果周围空气温度为20°C，则需要将辐射损耗和对流损耗之和加起来等于1000² W / m的输入功率°，即可得出约°55C（328 K; 131F）的解决方案。°假设板没有通过（隔热）背面的热通道。另一方面，如果它是一块薄板，可以在两侧进行对流，则它会更冷-尽管“热量上升”现象会抑制相对于正面的背面热流（如果该板确实是水平的）。只是为了好玩，如果我们得到额外的5² W / m / K的对流损失，平衡温度将降至47C（117F）。°°一切似乎都合理。

被动太阳能：使用热量

用太阳能替代化石燃料能源的最简单方法称为窗户。当光线直射时，一块未镀膜的玻璃将透射92％的可见光（其余的反射光）（入射20入射时下降到75％，°入射10入射时下°降到60％）。该玻璃对于紫外线和中红外至远红外（IR）光是不透明的，但可以让95％以上的未反射入射太阳光谱通过。

考虑到房屋/建筑物中的窗户往往是垂直的，我们可以评估窗户的能量输入，并考虑传输损耗，反射损耗和角度缩短。由于夏天天空中的太阳较高，因此窗户看起来比直射的阳光更短，并且反射更多。因此，朝南的窗户在没有调节的情况下，冬天自动吸收的热量比夏天多。在窗口上方悬垂（最好在窗口和悬垂之间留一些垂直空间）可以完全消除夏季中午的时间。下图显示了窗户允许入射的直接太阳能量的比例（认为²是1000 W / m）。垂直参考线表示冬至的太阳在午后40°度的正午高度。全年中午的太阳将介于这些值之间。调整其他纬度需要通过纬度差简单地移动虚线。

入射直接能量（垂直于射线）的分数，使其通过垂直窗口。突出部分的延伸量是窗口高度的一半，并且可以选择在窗口顶部上方以0.2窗口高度单位间隔。

因此，在冬天的阳光下将超过500 W / m的能量吸收到您的²房屋中并不是一件容易的事。您可以很快堆叠相当于一打左右的空间加热器。

DRAB WINTER？

听起来不错，但冬天并非总是阳光明媚的日子。但是，它并不像您担心的那样糟糕。穿过窗口的可见光的每个光子-即使来自单调的灰色云层-都将沉积相同数量的热量，无论其与太阳的路径如何回旋。确实，我家中的一项测量运动表明，即使在一天阴云密布的日子里°，当我的太°阳能光伏系统仅捕获到通常光量的四分之一时，阁楼也比周围的空气温度高出令人惊讶的温度（10C或18F）。因此，我们可以将NREL数据库用于向南倾斜90度的平板收集器（在本例中为°窗户），以表示窗户将要捕获的能量。下表显示了华盛顿州西雅图市（贫困端），圣路易斯密苏里州（美国代表性的平均太阳能城市）和圣地亚哥（我的家）在供暖月份每天的全天太阳时数。

如果一所房子有四个朝南的大窗户，每个窗户宽2 m，高3 m，则在12月的西雅图典型一天将沉积900 W / m（根²据之前的图表，低海拔的太阳）乘以24² m，即大约22 kW的功率持续约1.3个小时。这相当于28 kWh的能量（相当于大约1 Therm的天然气能量）。

为了使这种热量发挥作用，房屋必须非常隔热，要使用花式窗户，并且必须使用热回收通风机，并且必须通风良好。但是，即使在似乎完全与被动式太阳能供暖概念相抵触的气候中，也可以通过被动式家居设计来实现这种壮举。

通常，在家中存放几天的热量以平均晴天和阴天也很有利。深色的块状岩石或砖墙可以完成此任务-最好在巨大的朝南窗户对面，直接吸收太阳能。在1000 J / kg / K的比热容和3000 kg / m的密³度下，一块0.5 m厚的岩墙并与我们的24 m窗口²足迹相匹配，每当阳光照射到其上，每小°时就会出现大约2C的温度上升。晴朗的晴天向物体中注入五个小时的太阳能会使其温度升高10C，因此°，懒散的空气以2 W / m / ²K的热量散发热量，最初会在太阳下山后抽出2400 W的功率（假设向后隔热），并提供约2天的热量，无需额外输入。

当然，聪明的被动式太阳能热设计涉及许多工程挑战，因此我应该在职位陷入困境之前就撤退（您说太晚了吗？）。也许我稍后会回到主题。就目前而言，值得理解的是，即使在不利的气候条件下，入射到房屋上的太阳辐射量也足以提供热量。我要提一个警告：被动加热可能在90％的时间内就足够了，而在其余10％的时间里，需要备用热量，或者（最好是）灵活应对较冷的房屋。

热水

利用太阳加热水是一个非常相似的概念。我们看到在阳光下一块黑色的平板可以烤得很香。实际上，平板式集热器可以挂在约60％的入射太阳能上，将其转移到水中。热量通过前面板玻璃的辐射，面板内空气的对流以及通过后面板和安装框架的热传导都会造成损耗。对于辐射损失，黑色面板的辐射被玻璃拦截（玻璃不透射热红外），从而使其变热。然后，这可以向上辐射并向后辐射到吸收器。第二块玻璃（双层玻璃）可以减少辐射损失，方法是从前面板返回大约一半的损失。一些高档单位将空气排空以将对流损失降至最低，并且可以对背板进行隔热处理以减少损失。考虑到所有这些热泄漏，保持60％的入射能量非常可观。

简单平板集热器的示例构造。

假设您的家庭每天需要300升热水-相当于以每分钟8升的健康流量进行四个“长” 10分钟的淋浴。顺便说一句，这远远超出了我认为对于家庭而言确实必要的数量，即使它是典型的。如果水在10摄氏度进入，°并加热到60摄氏度，°那么我们需要按照千卡的定义提供15,000大卡的能量。考虑到60％的效率并考虑到每天的存储损失，我们每天需要提供30,000 kcal的太阳能输入，相当于35 kWh的能源。事实证明，即使在12月，将一块面板倾斜°到圣路易斯的54块也能获得至少3.5个小时的全太阳当量²（1000 W / m），因此我们需要10 m的面板（²一间卧室的大小）。

屋顶上的两个面板提供热水。

太阳能热电

平板在阳光下达到的相对较低的温度不会鼓励以热力发动机的形式进行发电。但是，我们可以通过简单的集中注意力来解决此问题。不，不仅仅是认真思考。就像可以使用放大镜来烧纸一样，任何太阳光的堆积都会使温度升高。我亲自将几美分硬币，白开水融化，并用一个大的手持菲涅尔透镜将沙子变成玻璃。甚至一堆将太阳光引导到一个公共点的平面镜也会造成极高的温度。

浓度用比率表示，因此，如果我取一个直径为100毫米的圆形放大镜，使太阳图像横过1毫米，则浓度系数为10,000（面积比）。使用我们的辐射关系，所得的10 MW² / m对应于3600 K的温度！如果将集中的光线照射到比亮点小的金属斑点上，这种温度将熔化任何金属。发电厂中的典型锅炉产生的高温大约为1000K。通过太阳能输入达到相当的温度需要超过60的浓度。

缺点之一是专注意味着跟踪，这增加了复杂性。像放大镜一样，二维集中需要两轴控制才能将热点保持在小目标上。一维集中（例如抛物线槽）仅需要沿一个轴跟踪。一维浓缩器的浓度比大约是二维品种的平方根，但是如果我们只需要约100左右的浓度比就可以了。一维集中也更能容忍反射镜形状中的瑕疵（可以更便宜地制造）。

集中注意力的另一个缺点是，它需要真正的直射阳光才能工作。您能在地面上看到锐利的阴影吗？如果没有，集中力实际上是无效的。本质上，聚光器正在形成太阳的图像，对于槽式收集器，有时会延伸出线性图像。在收集器上形成云的图像不会使它非常兴奋。它需要真实的东西。比较不同位置的跟踪配置的有效收益，可以从某种意义上了解某些地方在利用太阳能方面的不同优势。总的来说，沙漠地区表现很好。

在比PV面板收集更多能量的区域中，太阳能热最有意义-但这不是严格的标准，因为太阳能比PV提供了一些优势，对此我们还要稍作讨论。在上表中，只有加利福尼亚州的达吉特市（莫哈韦沙漠中）的总能量集中度超过平板光伏。美国西南部的其他沙漠城市也同样倾向于太阳能发电。但是它绝对是一种依赖位置的技术。

太阳能热方案

方案比比皆是：1）电力塔，其中倾斜一排单独操纵的平面镜，以将阳光放置在塔中位于阵列中间的顶部； 2）看起来像碟形卫星电视的分段碗，重点放在热机上； 3）抛物线形槽阵列，其热油输送管沿焦点向下流动； 4）和其他拓扑，我相信。

加利福尼亚州巴斯托市外的太阳能“电力塔”。

以简单的抛物线形波谷为例，约70％的入射能量使其进入中心°管内流动的400C流体。在传统的发电厂意义上，油中携带的热量使蒸汽转向涡轮机。电厂部分的效率通常为30％。仅这两个因素就能产生20％的效率，但其他损失往往会使效率下降到15％左右。槽通常沿南北方向定向，并每日跟踪（例如，绕热管旋转）。通过在收集器之间提供足够的空间可以缓解自我屏蔽问题。例如，如果要跟踪低至15度仰角且没有阴影的太阳，则仅使用四分之一的陆地面积。东西方向训练也是可能的，全年效果不佳，但全年效果更均匀。

抛物槽收集器。

我认为，由于各种原因，抛物线槽非常整洁。首先，抛物线形状实现了聚焦，而与沿轴方向的光的倾斜角度无关：无论角度如何，数学上都是完美的。这导致了已经讨论的第二个重要优势，即沿南北轴的单轴跟踪。使用流体/管道沿轴传输热量的能力是此设计独有的功能，可方便地将热量传送到所需位置。最后，由于发亮的材料只需要沿一个方向弯曲（比碗形容易得多），因此反射器的制造成本相对较低。

评估一个已实现的示例，内华达州的Solar One电厂的额定容量为64兆瓦，每年发电1.34亿千瓦时。将这两者相除意味着每年约有2100小时的全功率运行，占空缺率为24％，即每天5.7小时。拉斯维加斯的NREL数据库预计，南北单轴跟踪器平均每天从地平线到地平线的时间为6.2小时。所以距离不太远。该工厂的建造成本为2.66亿美元，每瓦成本为4.15美元。与安装的太阳能光伏发电非常相似。该工厂占地约1.6 km，²按额定全功率计算为²40 W / m。这是事件1000 W / m（²在夏季的高度）的4％，这与我们猜测15％的高效集热器占用了25％的土地面积非常接近。当数字有意义时，我喜欢它！

储存宝

蓄热是太阳能热的一个严重的问题-尚未得到充分利用。当阳光普照时放干草，将其松开，过夜即可使用。由于系统中的热质量，所有太阳能热电厂都具有短期不受间歇性影响的能力。太阳能热电厂的设计具有不同的存储程度，许多电厂只是为了几个小时而努力，以便更好地遵循高峰需求曲线直至晚上。但是随着可再生能源在化石燃料上的统治地位（正如我所希望的那样），存储将变得越来越重要。在我看来，存储与收集的比率很容易更改（即，较大的热流体桶），因此，原则上，太阳能热电厂可以在不增加复杂性的情况下实现几天的存储。我们不能说关于光伏或风能。大型容器的存储效率随罐尺寸而线性增长，因为它所包含的能量像体积一样成比例增加，而热损失路径则随面积成比例增加。

获奖者之一

我们研究了利用太阳热的三种类型：被动式家庭供暖，热水和太阳能热电。实际上，涉及直接使用太阳能的任何事物（与水力发电，风能，海浪等相反）都是太阳能输入的二阶和三阶导数，都必然会出现在故事​​的丰富方面。这三个也是如此，尽管也许前两个只限于屋顶和/或窗户所代表的微薄区域，而不是整个土地区域，但它们应该更合理地藏在“有效”框中。

太阳能热电无疑是该阵营的丰富资源。迄今为止描述的其他一些丰富资源（核育种者，地热耗竭等）将带来技术障碍或其他实际障碍，从而削弱了我对它们的兴奋。我不会声称太阳能热能没有困难（例如，反射器被尘土覆盖或被沙漠沙擦伤）。但是它的技术含量很低，在运行热力发动机方面拥有超过一个世纪的经验，可以使存储成为设计不可或缺的一部分，并且在事物规模上非常丰富。尽管如此，我们发现了另一种可行的发电方式，几乎没有直接解决液体燃料短缺的问题。

太阳热能的技术含量低，使其在困难时期尤其坚固。我可以想象亲自设计和建造被动式太阳能房屋，用于热水的平板集热器，甚至是用来产生蒸汽的抛物线槽。对于光伏面板，核反应堆或数千米深的地热井，我不能说同样的话。得到我的投票。

好吧，下周见核聚变。听起来有点熟？

通过。汤姆·墨菲