未來之光─太陽能
序言
人類生活水準與資源、人類智慧及努力三者成正比，而與人口數量成反比；自古以來，人類便不斷為改善生活、為增進社會福祉而奮鬥，能源在這種經濟發展及社會進步過程中扮演了極為重要的角色。
最近由於人口不斷增加，能源消耗量因生活及工業生產需要而大幅增高，以及由此而來的環境污染和石油資源儲存量及分配等問題，引起了所謂的能源危機，造成整個世界政治及經濟的困擾，也帶來人們對未來前途的隱憂。科學家認為21
世紀的科學研究分為四種，即能源科學、環境科學、資訊科學及材料科學，這表示了人類未來需努力的目標。
太陽能簡介
人類使用的能源有二種，一為地球本來儲存的能源，它為非再生能源，又稱耗竭能源，例如石油及煤；另一種為自地球外來的連續能源，即再生能源，直接外來的有太陽能，間接外來的有水力、風力及潮汐。嚴格地說，地球上除了地熱及核燃料，以外的能源均來自太陽能，譬如：化石燃料，便是幾百萬年前動植物本體吸收太陽能改變原來的面目，而以化學能儲存型式存在的高單位能源。
歷史上記載第一個直接有系統的應用太陽能的人，可能是希臘科學家阿基米德，傳說他在紀元前215∼212年間利用某種光滑反光器把太陽熱能集中，燒毀圍攻Syracuse的羅馬艦隊；由於此事被認為僅是傳說，1964年一位希臘工程師，將傳說中的內容，用打磨非常光亮的銅盾
100具(與古代軍人之盾類似)，將離海岸90公尺遠的木船利用太陽能予以著火燒毀(90ｍ比古代射程最遠的弓箭還遠)。由此推斷，此一傳說之真實性似乎頗高。
而太陽能最大之特徵在於它的不變性，它不從地球上帶走任何東西，也不帶來污染，有光有熱，卻默默地推動生命的活動。雖然太陽能應用有它先天性的缺點，例如能量密度低〈約１千瓦／平方公尺〉，而需有效收集，並受日夜季節、地理及氣候影響，造成應用的不便；然而太陽能本身便是能的形式，分布廣闊、容易獲得，使用時無任何污染問題，同時是世界上最豐富、最永久性的能源，的確有其發展的價值。
太陽所傳到地球的總能量（到達上大氣層之總量）每年達１．５５×１０^15百萬度之多。其中大約３５％被反射回太空去，１８％被大氣層所吸收，４７％到達地面。單就到達地面的那一部份來講，就等於目前全世界商業上年用量的一萬三千倍！
太陽能即地球接收自太陽之幅射能，其直接或間接的提供地求上絕大部份之能量。地球與大氣圈不斷地自太陽獲得０．１７×１０^18Ｗ之幅射能量，數量實在大得難以想像。假設每人平均需要１KＷ，則一百億人才不過是需要１０^13Ｗ，因此只要將抵達地表太陽能的百分之一轉換成可用的能量，則滿足全球能源需求已是綽綽有餘。但是太陽能在先天上也有它的缺點，首先，它是「稀薄的」能源，需要廣闊面積才能收集到足夠人類使用的人員。其次，太陽能是「間歇性」的能源，無法連續不斷地供應，例如陽光僅出現在白天，而且時常受到雲層掩蔽，因此太陽能必須加以儲存，以供夜晚或多雲日子使用，故有時需要他種輔助之能源設備配合使用。
未被吸收或散射而能夠直抵地表之太陽幅射能稱為「直接」幅射能；而被散射之幅射能，則稱為「漫射」幅射能，於地表上各點之總太陽幅射能即為直接和漫射幅射能二者之總和。所謂日照率係指地表上單位水平面積，於單位時間內所接收之總太陽幅射能量。某一地點之日照率隨太陽在天空之高度而變化，太陽仰角為日射方向與地平面之夾角。如太陽高度愈小，則太陽幅射能穿透之大氣層厚度愈大（如上圖），此時由於吸收與散熱作用，太陽在低空時之日照率較在高空時之日照率為低。
太陽能的利用形式
○生物轉換利用太陽能─通過光合作用使太陽能吸收和儲存在生物質內經過化學和生物處理，製成液體或固體燃料，簡單地分成四類：
1.將糖類作物、穀物和植物纖維作原料，生產燃料酒精，滲到汽油中合成酒精汽油，例如巴西已從甘蔗中提煉酒精和汽油合成汽車用油。
2.發展薪炭林。燒炭是一種古老的生物能利用方式，若有計劃的植林，不僅可作燃料以及作為酒精沼氣原料，而且還能保護環境，防止水土流失。
3.將高等有機廢物進行分解，在厭氧微生物作用下，可產生沼氣。
4.尚在研究利用藻類和某些微生物的光合作用，在陽光下分解製氫，提供燃料。
○光熱轉換利用太陽能─利用太陽輻射能加熱集熱器，把吸收的熱能轉換為機械能或電能。例如太陽能烘乾機可以烘乾糧食、煙葉、乾果、農副產品及木材等；主動和被動的太陽房是利用太陽能採暖，是空調的一種簡單、經濟、有實效的項目；可利用太陽能蒸餾器，用於海水淡化。利用太陽熱力發電，雖然現在成本較貴，但仍是將來利用的方向。目前世界上已建成
160多座太陽爐，美國 1980
年在莫哈維沙漠興建《太陽１號》工程，是世界上最大的太陽能發電站，發電量為10兆瓦。
○光電轉換利用太陽能─即通過半導體材料直接將太陽輻射能轉變為電能(直流電)，目前太陽能電池的種類主要有珪、硫化鎘、砷化鎵等電池。珪電池技術較成熟，主要用於航天、無人燈塔、無線電中繼站、無人氣象站、浮標和電圍欄等作為電源。
○光化學轉換利用太陽能─通過光解或電解作用的熱化學方法製造氫氣，是對未來能源發展具有戰略意義的一個途徑。意大利和瑞士發明了一種有效地利用太陽能分解水中氫氣的方法，從生態角度上看，氫氣一直被認為是理想的燃料，因為氫不產生有害廢棄物，它燃燒後的唯一副產品是水，所以氫是一種清潔的燃料。
太陽能的應用，內容十分豐富，在節約燃料和改善群體生活等方面都有成效，利用太陽能烘乾糧食和農副產品，是人類在長期生產實踐中摸索出來的經驗，而且目前進一步採用太陽能糧食烘乾機；另外有太陽能熱水器、塑料大棚及太陽能溫室也都有很大的發展，值得一提的是太陽灶多數為拋物面偏軸聚光式的，適用於蒸、煮、炒等各種烹調方式。目前太陽能發電站有兩種系統，中央接受式的塔式電站和分布式電站。太陽能為可再生能源，為目前新能源開發的重要方面，更可以進一步研究發展，利用太陽能、風能、沼氣、水電和地熱能等各種能源互補，也是一個有發展前途的技術。
在現代這個能源需求龐大的社會，多方面地考量各式能源的良窳，從而挑選出最適切的能源加以利用，是刻不容緩的工作，現就探討的主題─太陽能之利用加以剖析其優缺點。不妨先褒後貶，再評估其存在價值，太陽能具有以下三點好處：
１.普遍性，太陽光照射的面積散布在地球大部分角落，僅差入射角不同而造成的光能有異，但至少不會被少數國家或地區壟斷，造成無謂的能源危機。
2.永久性，太陽的能量極其龐大，科學家計算出至少有六百萬年的期限，對於人類而言，這樣的時間可謂是無限。
3.無污染性，現今使用最多的礦物能源，其滋生的問題不外是廢物的處理，物體不滅，能源耗竭越多，產生污染也相對增加，太陽能則無危險性及污染性。在人類與自然和平共處的原則下，使用太陽能最不傷和氣，且若設備使用得當，裝置成後所需費用極少，而每年至少可生十的十七次方千瓦的電力。
接下來談太陽能使用的缺點：
1.穩定性差，受日夜季候的影響，太陽能不斷地生變化。
2.裝置成本過高，吸收太陽能的受光面積須達一定規模方有效果，因此相對地成本提高。
3.目視污染，有人針對太陽能的污染問題提出「目視污染」，意即龐大的太陽能收集器造成視覺上的污染，有此一說。
綜觀太陽能利用的優缺之處，發現太陽能仍是非常可取的，目視污染是很主觀的，又有誰能擔保龐大的收集器不會成為壯觀的景色，而成本問題也不能短視近利的，花下去的金錢、空間，是可以在時間上換回的，想想當幾年之後，所有非再生的能源都消耗殆盡了，這時的太陽能將是無比珍貴的，至於穩定性差的問題，這是誰都無法改變的事實，正如農人們看老天的臉色過活，人與大自然之間的關係不正如此，萬物生滅自有他道理，這也是人類改變不了的，所以，太陽能的利用是勢在必行的。在臺灣，根據中央氣象局資料，水平日射量統計，以恆春最大，且具有以下特色：
1.北部、東部地區夏季以七月最高，冬季十二月及一月最低。
2.嘉南、高屏地區以五月最高，六七月因西南氣流使雲量增加而稍減，八月又增加，十二月最低。此區日照率高變化少，且位於北迴歸線之南，入射近垂直，故為最理想太陽能利用地區。
而在中國大陸，依其太陽能資源分布可分為以下幾區：
1.太陽能豐富區，在內蒙中西部、青藏高原等地，年總輻射在150千卡／平方公分以上。
2.太陽能較豐富區，北疆及內蒙東部等地，年總輻射約130∼150千卡／平方公分。
3.太陽能可利用區，分布在長江下游、兩廣、貴州南部和雲南，及松遼平原，年總輻射量為110∼130
千卡／平方公分。
太陽能應用實例:
1.太陽能車橫越加國
燃料費僅2美元
根據路透社報導，一群來自加拿大安大略省皇后大學的學生，以1台太陽能電動車展開近月旅程，結果以平均時速50英里（大約每小時80公里），總距離4,376英里，一舉打破由澳洲隊伍所保持的2,500英里紀錄，創下以太陽能電動車完成最長距離旅行的世界記錄。更令人驚訝的是，這部車所耗電力和烤麵包機差不多。
為進一步展示這台太陽能電動車的威力，領隊吉斯泰德表示，駕駛這台電動車從哈利法克斯到多倫多，只需花費2美元（約合台幣62元）的電費，但如果是搭乘小型客車載著整組隊員加上裝備完成相同旅程的話，則大約要花上405美元（約台幣1萬2千元）的油錢。
這群學生是在7月1日駕駛著這台名為「光輝」的電動車，從加國東岸哈利法克斯出發，並在7月29日抵達溫哥華，完成這項橫越加拿大的壯舉，總計全程只用掉1千瓦電力。
吉斯泰德表示：「沿路上總是會發生一些小故障，或是有些零件沒黏牢，但幸好都不是太嚴重。」在2名專業的司機輪流駕駛下，這輛電動車平均每天可以行駛300公里。吉斯泰德等人希望藉由這趟旅程來提升民眾的環保觀念，教育大眾關於替代能源的可行性。
除了擔心這台自製的電動車隨時可能會解體外，隊員們所面臨的另一個困難就是在洛磯山脈所遇到的幾場雨。對此吉斯泰德表示：「我們之所會開車啟程，就是為了證明我們可以走完全程。」
整體而言，這台電動車的外型有點類似太空船，除了有一個看似輕薄的橢圓形車體外，還夾帶著一顆長方形的太陽能電池。由於是靠太陽能發電，因此它會將陽光聚集到太陽能電池中，並產生電力驅動馬達。過剩的電力則會被儲存起來，供陰天時使用。
2.太陽能熱水器
由於台灣自產能源的不足，95％以上的能源均自國外進口，且進口的燃料多屬石油及煤碳等高污染的化石燃料。然而，每年大量使用化石燃料的結果，將會加速地球的污染問題，再加上各界均期望今（89）年二氧化碳的排放量仍能維持1990年時的標準，使得大家無不積極地尋求適當的替代性能源。因此，乾淨、無污染、取之不盡、用之不竭的太陽能便應運而生。
通常，太陽熱能應用在發電、熱水、乾燥、空調、溫室和蒸氣消毒等各方面，而太陽能熱水器（系統）更是台灣唯一商品化的太陽熱能技術應用產品。它多運用於家用熱水、宿舍用水、工業製程預熱、旅館、養殖業及溫水游泳池等領域。
台灣地處亞熱帶，日照非常充足，但是由於地形之故，南北日照的情形不盡相同，尤其在冬天差別更大。因此，中南部擁有相當優越的條件，使得中南部平地裝設太陽能熱水器的人口較多。
太陽能熱水器在國內早已行之有年，在民國75年時，相關單位即對太陽能熱水系統施行各項的獎勵措施，根據資料統計截至87年底，台灣所累計的太陽能熱水器集熱板面積已達83萬平方公尺，推算它每年所節省的能源相當於7萬公秉的原油，可減少19萬噸的二氧化碳排放量，增加92億元左右的產值。然而，由於近幾年來國內景氣低迷的影響，使得太陽能熱水器熱潮逐漸消褪，而產生市場萎縮的情形。
有鑑於此，相關單位便於今（89）年5月初訂定並發布「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」，以獎勵補助方式，再配合教育宣傳、展示活動等措施，以提高民間設置太陽能熱水系統，及購置利用太陽能熱水器的意願。
一般我們所知的熱水系統多以電熱水器、瓦斯熱水器、鍋爐為大宗，這些傳統的熱水系統已使用經年，為大多數人所接受。然而，它們在操作、安全性、費用等各方面，均不如太陽能熱水系統佳，且有許多的缺失待改進：像電熱水器、瓦斯熱水系統便有漏電、外洩中毒的危險；鍋爐熱水系統則有爆炸之虞；相對於太陽能熱水系統，便無安全方面的考量。
但是，若以成本的層面考量，太陽能熱水系統初期投資的成本較高，像設備費、維護費等方面，均是亟待解決的地方。
P.s太陽能熱水器的種類
通常，太陽能熱水系統可分為幾類：第一種為自然循環式太陽能熱水器：太陽能熱水器的水，流經集熱器吸收太陽能輻射熱後，它的溫度便升高密度變小，再往上升到儲水筒內。因為儲水筒內的密度較大，使得較冷的水往下流到集熱器，之後，產生自然對流循環便將儲水筒內的水加熱，此類型多為小型家用的熱水系統。第二種為強制循環式太陽能熱水系統：藉由溫差控制使得儲水槽內的水，強制流經太陽能集熱器，再將集熱器所吸收的太陽能輻射熱帶回儲水槽。此類型多使用在用水量大的大型系統，像是宿舍、工業製程預熱等。
第三種為儲置式太陽能熱水器：它是將集熱器與儲水筒合一的太陽能熱水器。儲水筒本身除了有儲水的功能外，亦有收集太陽熱能的效用。由於它的熱效率不高，所以適合在高日照的地區使用。
由於油價不斷地上漲，再加上石油估計上只可再使用35年，天然氣僅可再使用100年左右等能源短缺的問題，更顯現再生能源的重要性。國內目前是以太陽能作為推廣的重點，除了應用於太陽能家用熱水器、大型太陽能熱水系統外，更運用於發電等方面。
在日本，太陽能熱水器的普及率是11％，而以色列更達到80％，相對於國內的3％左右的使用率，實是相差甚遠。因此，此產品在國內仍深具潛力，值得多加開發。
§人們使用太陽能已有數千年的歷史，然而發展卻相當地緩慢，主要是因它的能量密度低，且易隨日夜、季節、氣候的變化，不容易應用於生活中，然而，面對變遷中的生態環境，污染問題相當嚴重，使得推廣太陽能的工作顯得日益重要。
資料來源：
「太陽能」工研院能資所、李季品
「淨能計畫」來帶動溫室效應氣體的減量黃秉鈞台大機械系教授
「太陽能利用」劉如敏、吳珍珍、王惠瀅
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