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能源是人類文明的基石。然而,煤炭、石油和天然氣等化石燃料蘊藏量有限,長期依賴更會引致全球暖化的問題。因此,能否有效減少對化石燃料的依賴至關重要。人類近年致力開發可再生和清潔能源,不但可減低碳排放,降低能源成本,更能促進社會經濟發展,改善生活素質,意義實在非凡。


太陽能發電方式

萬里晴空,火熱的太陽照耀大地,這是大自然取之無禁,用之不竭的寶藏。太陽每分每秒釋放能量,地球表面所接收的太陽能功率,大約為每平方米1000W,當然這亦視乎大氣層狀態而定。所以太陽能是最廣為採用的再生能源,現行主要可分為以下兩種發電方式:

1. 光熱方式—聚光太陽能熱發電(Concentrated Solar Power CSP)

光熱方式,即通過太陽的熱能來發電,一般是運用帶有追日系統的鏡子或透鏡,將陽光聚焦到太陽能集熱器,藉着集中的高熱,使水氣化產生蒸汽,從而驅動渦輪發電。這方法特別適用於陽光強烈直射的乾旱地區,位於摩洛哥的瓦爾扎扎特太陽能發電站,是全球最大的聚光太陽能熱發電系統,整個項目最高能提供582兆瓦的電力,佔該國發電量超過40%。別以為入夜後便會完全陷入停工狀態,哪怕太陽下山後,也能靠着熱存儲系統中所儲存的熱量繼續發電,有助提升發電效率。

2. 光電方式— 太陽能光伏 (Photovoltaics PV)

光電方式,主要運用光伏電池吸收太陽光,透過光電效應將太陽光直接轉換成電能。

光伏電池的結構是由p型及n型兩塊半導體重疊而成。當光綫照射到半導體的連接面上,半導體內的電子吸收足夠能量後,就可脫離原子,從而流向n型半導體,形成電壓(下左圖)。

電池接通外部電路後,就會產生電流。將大量光伏電池串聯或並聯起來,就可以輸出較大功率的電流(下右圖)。

常見的光伏電池有晶態硅電池和薄膜電池兩類。常見的晶態硅電池有單晶硅和多晶硅兩種,都是由圓晶造成。它們的能源轉化效率比較高,通常介乎20-25%。

薄膜電池的能源轉化效率則比較低,通常只有10-20%。但優點是成本比較便宜、重量輕盈及可屈曲,所以用途較為廣泛,例如汽車、建築物表面甚至衣服等。


發展的無限潛能

太陽能發展日益蓬勃,世界各國積極推動產業發展,而中國是世界上最大的太陽能生產國和消費國,佔全球產能的三分之一以上,成就舉世矚目。根據國際能源署(IEA)報告顯示,在各種太陽能技術中,光伏發電佔全球太陽能發電能力的90%以上,技術被廣泛應用,中國在太陽能電池板的製造階段中,佔據逾85%的份額,技術發展超卓,值得我們引以為傲。

除了發電外,太陽能電池亦廣泛應用於日常生活中。近年歐洲及中國正大力推動太陽能電動車發展,雖然還是起步階段,但前途無限;香港亦將太陽能電池引入,作為巴士的輔助電力,以達省油之效。

此外,學校致力推動STEM教育,學生動動腦、動動手,製作一台環保、無污染的太陽能車,當中涉及如何運用太陽光為馬達提供電力的原理。學生更發揮創意,加上美侖美奐的圖案,太陽能車儼然化身成藝術品。活動能裝備年輕人21世紀所需的能力︰求真、探究、創意、協作、力行……有助培育未來創科人才。


小思考,大智慧

1. 太陽能發電的優勢是甚麼?

2. 太陽能發電的局限性是甚麼?

3. 試發揮創意,想想太陽能如何在日常生活中應用。


參考答案

1. 太陽能發電在運作過程中不產生碳排放或污染,有助紓緩污染問題;而它的運作不用購置燃料,成本較低。除此之外,太陽能電池可用於不同環境,小至屋頂安裝太陽能電池板,大至太陽能發電系統,用途非常廣泛。

2. 它不是一個恆定的能源來源,因為它依賴日照時間、天氣條件和陽光角度等因素,這可能會降低整體輸出。此外,光伏電池和能源儲存系統的安裝成本很高,需要大量的初始投資。

3. 自由作答


文:九龍真光中學STEM統籌主任林震東

本欄逢周四刊登,由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿,旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料,引發學生探求知識的興趣,將學習融入生活,培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。


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