TShopping

 找回密碼
 註冊
搜索
查看: 1208|回復: 3

[分享] 太陽能發電

[複製鏈接]
發表於 2008-6-30 01:15:29 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
 
Push to Facebook Push to Plurk Push to Twitter 
圖 1   太陽的能量是用之不竭的。
我們每天都接收到大量來自太陽的輻射能量。你有沒有想像過每天香港接收到多少太陽能呢?據香港天文台的統計資料 [1],香港每平方米的土地每日平均接收約 14.5 MJ 的太陽輻射。那麼整個香港接收的輻射能量有多大呢?香港的土地面積約有 109 m2 [2],這樣算起來,總輻射量就應該有 1.45 × 1016 J。這比香港兩間電力公司於 2003 年每天平均產生的電能多 40 倍以上!我們可以利用太陽的能量來推動家庭電器或運輸系統的運作嗎?

以太陽能發電可行嗎?
如果我們能善用太陽能,即使把小部份的太陽能轉換成電能,對生活也會有莫大的裨益。光伏電池 (太陽能電池) 是一個可以把太陽能收集和轉換成電能的裝置。太陽能電池一般擁有較大的受光面積,故又俗稱為太陽能板。但是,要供給我們日常所需的能源,便需要建造很巨大的太陽能板列陣 (由很多太陽能板組成),這些列陣的造價非常昂貴而且不實際。因此,在目前的技術水平下,我們並不能使用太陽能作為城市的主要能源,但太陽能仍然用於一些發展中國家,或者是一些發達國家的偏遠地區。你知道在家中安裝太陽能發電裝置需要多少金錢嗎?我們在哪些地方可以找到太陽能的實際應用呢?在以下的活動中,你可能會得到一些啟發。
圖 2   太陽能板是一個可以把太陽能轉換成電能的裝置。圖 3   要建造大型的太陽能板列陣是非常昂貴的 (圖片鳴謝:DOE/ NREL)。

    活動:太陽能發電在香港適用嗎?
從上述的活動中,我們得知在一些偏遠地區建造傳統的發電廠或輸電網並不合乎經濟原則。在這些情況下,太陽能可以提供相對經濟、清潔、免卻維修和穩定的電力供應,特別是在街道照明系統和氣象站這類應用上。太陽能在太空科技中也扮演重要角色。很多人造衛星和太空站都是利用太陽能發電的。
圖 4   哈勃太空望遠鏡的大型太陽能板能產生電能以推動望遠鏡。圖 5   香港「地球之友」所製造的小型太陽能車。
太陽能是一種用之不竭而又不會帶來污染的能源。太陽能的應用亦可以使公眾更注重保護環境,以及另類能源的新應用。部份環保人士亦會設計太陽能車作比賽或教育之用。在很多著名的建築物都裝有太陽能板,為建築物提供部份能源之餘,亦可作為時尚的設計。
在香港,太陽能的應用已逐漸受人注意。一些新型的建築物都會在屋頂裝上太陽能板,例如新的機電工程署總部。在科學園,太陽能板更加被融合於外觀的設計中。香港天文台則利用太陽能板為偏遠的氣象站提供部份的電能,包括大帽山雷達站。環保人士也試驗建造太陽能電動車。
圖 6   太陽能板融合在科學園的外觀設計中。圖 7   這個氣象站裝有太陽能板,俯瞰香港國際機場。
圖 8   這個充電器利用太陽能把蓄電池充電。
除了大型的應用外,你一定見過不少太陽能的小型應用。太陽能設備適用於一些便攜式的電子儀器,它可為電池充電,或作輔助電池,或直接代替電池。有些電子計算機和充電器都安裝了小型太陽能板。你也可以在香港太空館或科學館賣紀念品的地方找到不少有趣的太陽能小車和玩具。
    短片:太陽能的小應用
1. 太陽能玩具車     
2. 太陽能電池     

太陽能電池是如何運作的?
我們看了不少太陽能發電的應用,但它們背後的物理原理是怎樣的呢?基本上,太陽能電池的主要物料是半導體。半導體可以導電,但它們的電阻遠比導體 (例如金屬) 為高。在半導體工業中常用的半導體有矽和鍺。半導體的電阻值隨溫度改變,極少量雜質原子的存在亦會對它們的電阻值有很大的影響。科學家可以在半導體內加入不同種類和數量的雜質原子 (稱為摻雜),以控制半導體的各種特性。以導電的性質來說,經摻雜的矽可以分為兩種:p-型矽和 n-型矽。當 p-型矽和 n-型矽被連接在一起,形成所謂 pn 接面時,一個內在的電場便會在接面處產生,電場的方向是由 n-型矽指向 p-型矽。pn 接面的特性是一切半導體技術的關鍵。
圖 9   太陽能電池的基本結構。
圖 10   光線使半導體的 pn 接面產生電子—空穴對的一個比喻。小球代表電子,而小洞則代表原子中電子的「空位」。(a) 在pn 接面處,內在電場由n-型矽指向 p-型矽。(b) 當光照射在接面時,一粒電子離開了原子,並移向 n-型矽那一邊。失去了一粒電子後,原子成為一個帶正電的「空穴」。(c) 內在電場使相鄰原子的電子移動,續一填補鄰近原子內電子的「空位」,因此空穴便好像是向 p-型矽的那一邊移動。
典型的太陽能電池的結構就如圖 9 所示。一個矽的 pn 接面處,被夾在上、下兩個金屬接觸層之間。上金屬接觸層是格子狀的,以容許光線射到 pn 接面之上。pn 接面的頂部有一層防反射薄層,減低光亮的矽表面對光線的反射。這就是太陽能板的表面看起來很暗淡的原因。
究竟太陽能電池是如何運作的呢?當光照射到 pn 接面時,能量傳遞至矽原子的電子。部份電子因而擁有足夠的能量,離開原子而變成自由電子。當電子離開原子時,原子內電子的位置上出現一個「空位」,稱為「空穴」 (見圖 10 的比喻) [3]。所謂空穴,其實只是一個原子缺少了一粒電子,因此整體來說帶正電。pn 接面的內在電場施力於那自由電子,把它推往 n-型矽的一邊。內在電場也使相鄰原子的電子移動,續一填補鄰近原子內電子的「空位」,因此空穴便好像是向 p-型矽的那一邊移動。自由電子和空穴向相反方向移動,把正電和負電分開,在 pn 接面的兩端產生電位差。因此,當 pn 接面處通過上、下兩個金屬接觸層連接至外在的電路時,電路便提供了一條路徑,使電子得以通過並在 pn 接面的另外一端與空穴再次結合。電路中便產生電流了。要更清楚整個過程,看看以下的動畫吧。
    Flash 動畫:太陽能電池的物理
一般來說,由太陽能電池產生的電能並不是直接用來推動電器,而是首先儲存在蓄電池裡。當蓄電池被充電後,便可以連續而穩定地為電器供電。為了要推動用交流電的電器,蓄電池的直流電會先經過變換器轉換成交流電輸出。以現時的技術水平來說,這樣產生電力的費用仍遠高於傳統的發電方式。

太陽能板如何收集陽光?
典型的太陽能電池的效率在 10-20% 左右;即它可以把輻射能量的 10-20% 轉換成電能。還有很多外在因素影響太陽能電池的輸出,例如天氣狀況和季節的變更都會影響日照的時間和日照的強度。在陰天或雨天,接收到的太陽能自然很少。在夏季,日照的時間較長,而亦由於太陽在天空的位置較高,在地面接收到的陽光強度也較高。
被太陽能板吸收的陽光可分為兩部份:直射陽光和彌漫陽光。直射陽光直接來自太陽,彌漫陽光是太陽光經由大氣、地面或其他物件反射後才到達太陽能板的。要收集多些直射陽光,可以為太陽能板裝上追蹤系統,自動把太陽能板轉動至陽光直射的方向。透鏡和曲面鏡也有助把陽光匯聚於接收面積較小的太陽能板上。可是,彌漫陽光從四方八面而來,就不能以追蹤或匯聚等方法增加接收效率了。研究顯示,在大部份時間裡,香港接收到的陽光中,少於 50% 是直射陽光 [4]
圖 11   追蹤系統可以自動把太陽能板轉動至陽光的方向 (圖片鳴謝:DOE/ NREL)。圖 12   使用大量的塑膠透鏡可把陽光匯聚於太陽能板上 (圖片鳴謝:DOE/ NREL)。
除了太陽能外,香港也有發展其他另類能源,其中最重要的是風能。要知道多些在香港應用風能的情況,可參考香港的電力公司有關風能發電的網頁 [5]

    互動問題

參考資料
[1]  
香港天文台網頁:http://www.hko.gov.hk/wxinfo/climat/normalsc.htm
[2]  
地政署的網頁:http://www.info.gov.hk/landsd/geodata/cindex.htm
[3]  
這裡所說的只是一個比喻,真正的情況更為複雜。半導體的原子一般有兩組電子能階,分別稱為導電帶和價電帶。導電帶中的電子很少,但電子的能量比價電帶的高。當價電帶中的一些電子吸收能量 (例如光能) 後,便可能會躍遷至導電帶,成為可直接傳導電流的電子,即我們說的「自由電子」,而價電帶中便留下了一個電子的「空位」,即我們所說的「空穴」。
[4]  
機電工程總署研究報告:Study on the Potential Applications of Renewable Energy in Hong Kong, published by EMSD, HKSAR, 28-29 頁 (http://www.info.gov.hk/archive/consult/2003/emsd-e.pdf)
[5]  
港燈南丫風力發電站網頁
http://www.heh.com/hehWeb/CommunityAndEducation/SmartPowerCampaign/WindTurbine_zh.htm
中電集團商用風力發電試驗計劃網頁
http://www.clpgroup.com/clp/SocNEnv/Env/PrjHiLit/WindPrj/?lang=tc

 

臉書網友討論
發表於 2011-11-29 00:46:19 | 顯示全部樓層
寫得好啊 估計有馬甲  

版主招募中

您需要登錄後才可以回帖 登錄 | 註冊 |

本版積分規則



Archiver|手機版|小黑屋|免責聲明|TShopping

GMT+8, 2016-12-9 14:08 , Processed in 0.058333 second(s), 19 queries .

本論壇言論純屬發表者個人意見,與 TShopping綜合論壇 立場無關 如有意見侵犯了您的權益 請寫信聯絡我們。

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回復 返回頂部 返回列表