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[技术] 技术基础: DIY 太阳能 PC

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发表于 2008-12-9 08:53:23 | 显示全部楼层

技术基础: DIY 太阳能 PC

太阳能 PC: 将太阳光变成电脑动力

  认真的玩家级 PC 瘾君子终究也会体认到,高效能 PC的运作成本所费不赀。随着时间过去,这类装置真正耗电的地方并非某一项独立元件,而是系统从牆上电源插座所消耗的电源。真正惊人的系统每年可耗用超出500 美元费用的电力。日益提升的能源成本、政府前景的变化及对环保的追求,也一再提高光电技术 (photovoltaic)的最低门槛与重要性。

  这一切前提解释了过去几年来我们慕尼黑实验室透过一项令人亢奋的专桉,所投入的努力:购买太阳能电池 (cell),完全不靠输电网供电尖端科技的PC,以供每天二十四小时的运作。在这个过程中,我们花了数周的时间设计与组态出读者会在本文中更为瞭解的系统。但在开始讨论这个 DIY专桉之前,让我们先深入转换太阳能为可用电力的基础知识。

  光电科技的基础

  在提到太阳能技术时,节能(energy conservation) 的重要性超越所有其他考量-不过我们还是儘量设计与打造出相当一部强劲的桌上型PC,否则我们大可用太阳能来驱动任何一部笔记型电脑,而不必花太多时间或努力在这项任务上。但我们撰写本文的主要目的之一,就是让本专桉以一部可供日常使用的传统式尖端科技桌上型 PC,但前提必须搭配大尺寸高解析度显示器、合理的运算效能与全尺寸键盘。

  

  针对这项专桉,THG 使用多晶硅太阳能电池

  我们必须在一开始就坦率明确陈述的事相当戏剧化:我们完成的太阳能 PC 会自动弥补太阳光之不足,尖峰耗电水平约为 290瓦特。因此包括太阳能元件在内的系统的完整硬体需求并不便宜,这应该不会令人意外。话虽如此,我们预见这是不远未来的更进一步,让我们太阳能实验打造的系统,带动电脑使用者接受运算的全新方式-也就是完全以太阳能运作的高效能节能 PC。以不到三千美元,你可以选择花钱在一般的高阶 PC或终极的高能源效率模式-完全由太阳能运作的节能高效能 PC 系统。

  自力发电

  

  自动追踪装置是成功的太阳能发电的关键

  我们的专桉可算是归类为所谓的独立太阳能系统,不连接输电网。这种方式带来的好处是免除了变压器将太阳能面板输出转换为标准 110-120V,60 Hz AC 电源的必要性,让我们可以一个电压整流器 (regulator) 将 PC系统直接连接太阳能面板。在夜间或特别多云的日子裡,我们可以求助备用电池供电-在晴朗的白天已不断充电。即使在我们进行这项实验的德国,太阳光也足以供应我们的能源需求逾 80 倍。我们的太阳能阵列可使 PC使用者不必在乎能源价格,并带来最佳化与进一步实验的潜力。在购买之后,太阳能设备包含能源成本在内的运作成本非常低。

  事实上,现实世界中还是有使用太阳能电池是唯一发电选择的情况,例如没有连接输电网的地区。举例来说,巴伐利亚 (德国南部一省)的一些山上小屋就没有供电,想要接电,还得面对每英呎最高达 35美元的费用来铺设电力缆线。同时这也牵涉到高昂的接地与连线成本,因此电线铺设的动作并不容易。即使有人想要连接输电网,环保法规也可能无法容许铺设供电线,所以申请接电的成本可能会超越 3 万美元或以上。

  德国也设计一种称为 Schrebergarten公共花园的周延系统,让个人可以租一小块地来种植蔬菜、农作物与其他植物。很常见的情况是这些小土地会建筑一座花园小屋或附属建物,这些建物也没有连接输电网,在这种情况下的唯一电力来源就是太阳能。有些人可能会选择柴油或汽油发电机,因为市场上只要数百美元就买得到了。虽然以发电机来供应 PC电力较简单且低廉是事实,但并不是每个人都可以忍受这样的系统所产生的噪音与污染 (除了电力之外)。

  

  电池槽 (cell) 使用专用的太阳能电池: 130 Ah 容量

  

  精度量测: Voltech PM 3000A 的电力读数详细显示太阳能的电力产出

  太阳能的应用极为广泛。比方说,作家或科学家可以远离文明安心安静地工作,而不需要与外面的世界有任何接触。这种系统可用来处理与强化照片与影像,甚至是利用太阳能对摄影机电池充电。也别忘了,对许多使用者而言,完全太阳能供电的 PC 也可能是一项富社会政治意义的宣示动作。

  

  Tom\'s 硬体的太阳能专桉:需要粗铜线

  

  储存槽的电池夹具就像汽车用的

  一年日光 1,800 小时

  

  德国南部比北端好:图形化的阳光量测数字

  在慕尼黑的夏季无云白天,太阳可以每平方公尺提供约 1100 瓦特 (每平方英呎约 102 瓦特)。天气不好时,这个数字会降为约 100 瓦特(每平方英呎约 10 瓦特)。转换太阳能为电力能源的理论最大效率约为 85%,但由于可见阳光的频宽限制,实际效率较接近29%。阳光提供的能源也取决于太阳光束击中地球表面的角度,地球的轴面倾斜也代表这个角度因季节而异,所以冬季月份 (尤其在德国)提供的太阳能远低于夏季,因为白昼较短,阳光在天空的高度较低。

  

  每平方公尺的每日平均太阳能,单位为千瓦小时

  在慕尼黑地区,太阳能电池在倾斜 28度并面向南方时,可以产生最大的电力。我们的量测数字显示,即使是小小的定向与倾斜错误,也会大幅影响每年的能源年产量。若是未能针对方位每天调整太阳能电池,以配合太阳划过天际的路线,总和能源量也会大幅降低。太阳能电池位置最佳化的精确指示会出现在此系列文章的第二与第三部分。

  但如果你计画部署太阳能电池在屋顶时,固定方向是唯一的可行方式。以面西南或东南的屋顶与 45 度的倾斜,你必须安装较大的太阳能阵列,才能等于面南 28 度倾斜的效果。如以下插图所示,如果你愿意接受建议,屋顶上几乎任何区域都可以安装太阳能面板。

  

  最佳的能源产生条件是面南时的 28 度倾斜

  

  屋顶太阳能面板的可能安装策略

  就太阳能面板的利用问题上,德国北部与南部就有很大的差异,世界的其他地区当然更不会例外。愈接近赤道,可用的太阳能就愈多,这也是在德国愈往南部,太阳能的利用率就愈高的原因。举例说明,慕尼黑每年就可接受 1,800 小时的日光。先不管变动天气的情况,7 月份通常可以享受 260小时的日光,这已足够最佳方向与倾斜度的太阳能面板产生庞大的能源输出。以下建议应有助有意使用太阳能电池来供电 PC (甚至其他电器)的使用者,达到最佳的效果:

  • 儘可能无阴影的区域 (屋顶或无阴影的地面区域)

  • 东西向的屋顶方向也可行,但最佳能源输出来自倾斜度在 20 到 40 度之间的面南屋顶

  • 供桌上型 PC 使用的足够太阳能面板表面积

  • 太阳能面板周围的良好通风与空气对流,以利冷却 (有助能源效率)

  • 当太阳能面板可以配合太阳的天体位置调整时,会带来最佳的能源产生效果

  

  夏季月份是整体日光水准最高的时候

  

  南向的优势: 2007 年 6 月的日光时数

  太阳能电池类型:最高达 25% 的效率

  

  夏普的工业级太阳能模组分成单晶与多晶硅形式

  每个太阳能阵列具有总共 36、72 甚至是 96 个标准太阳能电池。近年来,电池尺寸已达到将近 5\" 平方的水准 (12.5 mm)。最常用的太阳能电池类型是由厚膜硅製造,其额定效率为多晶硅电池 20% 的相对高值,单晶硅电池最高达25%。在太阳能电池技术开发的相对简短历史中,已开发出多种类型的太阳能电池,它们的差异多在于面板的构造与转换太阳能为电力的能力。就加入输电网的工业与家庭使用而言,最常使用单晶或多晶硅技术。多晶硅的较低额定效率,多少被其较低成本抵销。以上照片显示了不同类型电池产生 1,000瓦特电力时所需的相对表面区域。

  以非晶硅製造的太阳能阵列可以当作休閒活动安装 (很轻鬆)。像硒化铜铟 (CopperIndium diselenide) 与碲化镉 (Cadmium-Tulluride; CdTe) 等薄膜技术,目前只佔有约 2%的市佔率。但较之以晶硅製造的太阳能面板,以这些材料製造的产品享有大幅优势。最重要的是,它们比晶材料薄了 100倍,封装后当然也薄了许多。同时较之晶硅模组,当天空因乌云而变暗时,薄膜太阳能面板也可利用散射或微弱的日光,也因此薄膜模组对部分遮蔽的容忍度更高。另一项优势来自其对较高运作温度的容忍度,这常见于阳光充足的区域。但薄膜面板也拥有本身的缺点:要达到与厚膜模组相同水准的能源输出,它们需要较大面积来进行能源蒐集与产生的动作。

  

  形形色色的太阳能电池,从单晶硅与多晶硅厚膜,一直到薄膜类型设计

  厚膜太阳能电池的能源效率

  • 单晶硅 25%

  • 多晶硅 20%

  薄膜太阳能电池的能源效率

  • 非晶硅 (amorphous silicon) 10%

  • 碲化镉 16%

  • 硒化铜铟/铜铟镓二硒 20%

  • 奈米晶硅 10%

  • 微晶硅/多晶硅 10%

  • 聚合 (polymerous) 硅 5%

  在实际使用时,电池是串联方式连接,从标准电池提供的 0.6V累积足够电压,以产生实用的电压水准。工业级太阳能模组是以个别电池製造,以配线互连,并夹在玻璃板与聚合物膜之间保护。薄膜电池也以大型互连阵列的方式提供,有时候甚至会以自动定位载具 (carrier) 方式供货。

  

  供电 1,000 瓦特所需的表面区域大小,取决于太阳能电池构造使用的材料

  对厚膜电池而言,机械载具与光电主动 (photovoltaically active) 的材料相同。 这些电池的製造方式差不多接近使用晶圆製造 CPU与 绘图晶片的过程。

  工业级太阳能电池厂商

  

  就太阳能源使用而言,德国大幅超前美国、日本与西班牙

  主要由于政府政策之故,就太阳能而言,德国享有最高水平的技术创新与投资。 即使以全球的太阳能产生排名来看,德国 (针对 2010年的研究预估) 佔全球安装总数的 36%,高出美国的 15% 与西班牙的 8%。全球总计有逾 1,000 百万瓦特 (十亿瓦特)电力是由太阳产生。我们也提供另一张图表,显示较之全球总能源产生方式,太阳能产生能源所佔的微小比例。全球目前的太阳能电池製造厂商有限,而大多数厂商都只是重新封装标准太阳能电池到面板或阵列中。以下清单显示 7 大太阳能电池製造厂商:

  • 夏普 (Sharp) 28%

  • Q-Cells 11%

  • 京瓷美达 (Kyocera) 9%

  • 三洋 (Sanyo) 8%

  • 三菱 (Mitsubishi) 7%

  • RWE Schott Solar 6%

  • BP Solar 5%

  德国也在全球最大规格安装地点上领先,这位于巴伐利亚省 Franken 的 Erlasse 酿酒厂。那裡总计有 1,408 个太阳能阵列产生 12 百万瓦的电力,以供应 8,500 居民小镇的电力。以下是德国名列前矛的太阳能安装地点总览:

  • 巴伐利亚省 Franken 的 Erlasse 酿酒厂: 16,896 太阳能面板 (1,480 Solon Mover 阵列),输出量 12,000 千瓦

  • 巴伐利亚省 Mühlhausen 的巴伐利亚省太阳能发电厂 (Solarpark Bavaria),共 57,600 独立太阳能面板,6300 千瓦

  • Sachsen 的 Leipziger Wand 太阳能发电厂,33,500 太阳能面板,5000 千瓦

  • 巴伐利亚省的 München-Riem 太阳能屋顶,1000 千瓦

  • 柏林的主车站 Lehrter Bahnhof 拥有 780 个太阳能面板,1,700 平方公尺,180 千瓦

  • 柏林的德国首相办公室拥有 756 太阳能面板,1,270 平方公尺,150 千瓦

  

  大规模安装:工厂屋顶装载多晶硅面板

  

  未来视野: 家庭住宅屋顶全装上太阳能面板

  

  合理设计: 太阳能面板完全整合到屋顶结构中

  

  太阳能发电只佔所有能源的一小部分
发表于 2008-12-14 21:47:00 | 显示全部楼层
发表于 2015-11-17 08:03:28 | 显示全部楼层
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