Солнечная энергия — это лучистый свет и тепло Солнца , которые используются с использованием ряда технологий, таких как солнечная энергия для выработки электроэнергии , солнечная тепловая энергия (включая солнечный нагрев воды ) и солнечная архитектура . [1] [2] Это важный источник возобновляемой энергии , и его технологии в целом характеризуются как пассивные или активные солнечные, в зависимости от того, как они улавливают и распределяют солнечную энергию или преобразуют ее в солнечную энергию. Активные солнечные методы включают использование фотоэлектрических систем , концентрированной солнечной энергии и солнечного нагрева воды для использования энергии. Пассивные солнечные методы включают в себя ориентацию здания по Солнцу, выбор материалов с благоприятной тепловой массой или светорассеивающими свойствами, а также проектирование пространств, в которых воздух циркулирует естественным образом .
В 2011 году Международное энергетическое агентство заявило, что «развитие доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды. Это повысит энергетическую безопасность стран за счет опоры на местные, неисчерпаемые и в основном независимые от импорта ресурсы». , повысить устойчивость , уменьшить загрязнение окружающей среды , снизить затраты на борьбу с глобальным потеплением ... эти преимущества носят глобальный характер». [1]
Земля получает 174 петаватта (ПВт) приходящей солнечной радиации ( инсоляции ) в верхних слоях атмосферы . [4] Примерно 30% энергии отражается обратно в космос, а остальная часть, 122 ПВт, поглощается облаками, океанами и сушей. Спектр солнечного света на поверхности Земли в основном распространяется на видимый и ближний инфракрасный диапазоны с небольшой частью на ближний ультрафиолет . [5] Большая часть населения мира проживает в районах с уровнем инсоляции 150–300 Вт/м 2 или 3,5–7,0 кВтч /м 2 в день. [6]
Солнечная радиация поглощается поверхностью суши Земли, океанами, которые покрывают около 71% земного шара, и атмосферой. Теплый воздух, содержащий испарившуюся воду из океанов, поднимается вверх, вызывая атмосферную циркуляцию или конвекцию . Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака, которые выпадают дождем на поверхность Земли, завершая круговорот воды . Скрытая теплота конденсации воды усиливает конвекцию, вызывая такие атмосферные явления, как ветер, циклоны и антициклоны . [7] Солнечный свет, поглощаемый океанами и сушей, поддерживает среднюю температуру поверхности 14 °C. [8] С помощью фотосинтеза зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химически запасенную энергию, которая производит пищу, древесину и биомассу, из которой получают ископаемое топливо . [9]
Общая солнечная энергия, поглощаемая атмосферой, океанами и сушей Земли, составляет примерно 122 ПВт·год = 3 850 000 эксаджоулей (ЭДж) в год. [10] В 2002 (2019) году это было больше энергии за один час (один час 25 минут), чем мир использовал за один год. [11] [12] Фотосинтез улавливает примерно 3000 ЭДж в год в биомассу. [13]
Потенциальная солнечная энергия, которая может быть использована людьми, отличается от количества солнечной энергии, присутствующей у поверхности планеты, поскольку такие факторы, как география, изменение времени, облачный покров и земля, доступная людям, ограничивают количество солнечной энергии, которую мы можем использовать. можно приобрести. В 2021 году Carbon Tracker Initiative подсчитала, что площадь суши, необходимая для производства всей нашей энергии только за счет солнечной энергии, составит 450 000 км 2 — или примерно столько же, сколько площадь Швеции , или площадь Марокко , или площадь Калифорнии (0,3% площади общая площадь суши Земли). [18]
Солнечные технологии делятся на пассивные и активные в зависимости от того, как они улавливают, преобразуют и распределяют солнечный свет, а также позволяют использовать солнечную энергию на разных уровнях по всему миру, в основном в зависимости от расстояния от экватора. Хотя солнечная энергия относится в первую очередь к использованию солнечной радиации в практических целях, все виды возобновляемой энергии, кроме геотермальной энергии и энергии приливов , получаются прямо или косвенно от Солнца.
Активные солнечные технологии используют фотоэлектрические элементы, концентрированную солнечную энергию , солнечные тепловые коллекторы , насосы и вентиляторы для преобразования солнечного света в полезную продукцию. Пассивные солнечные методы включают в себя выбор материалов с благоприятными тепловыми свойствами, проектирование помещений, в которых воздух циркулирует естественным образом, и привязку [ необходимы разъяснения ] к положению здания по отношению к Солнцу. Активные солнечные технологии увеличивают предложение энергии и считаются технологиями со стороны предложения , тогда как пассивные солнечные технологии уменьшают потребность в альтернативных ресурсах и обычно считаются технологиями со стороны спроса. [19]
В 2000 году Программа развития ООН , Департамент ООН по экономическим и социальным вопросам и Мировой энергетический совет опубликовали оценку потенциальной солнечной энергии, которая может использоваться людьми каждый год. При этом учитывались такие факторы, как инсоляция, облачность и земля, пригодная для использования человеком. Было заявлено, что глобальный потенциал солнечной энергии составляет от 1600 до 49 800 эксаджоулей (от 4,4 × 10 14 до 1,4 × 10 16 кВтч) в год (см. таблицу ниже) . [20]
Солнечные тепловые технологии могут использоваться для нагрева воды, отопления, охлаждения помещений и выработки технологического тепла. [21]
В 1878 году на Всемирной выставке в Париже Огюстен Мушо успешно продемонстрировал солнечную паровую машину, но не смог продолжить разработку из-за дешевого угля и других факторов.
В 1897 году Фрэнк Шуман , американский изобретатель, инженер и пионер солнечной энергетики, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал за счет отражения солнечной энергии на квадратные коробки, наполненные эфиром, температура кипения которого ниже, чем у воды, и внутри были оснащены черными трубками, которые в свою очередь приводил в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company с намерением построить более крупные солнечные электростанции. Он вместе со своим техническим консультантом АСЕ Акерманном и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойсом [22] разработал улучшенную систему, использующую зеркала для отражения солнечной энергии на коллекторные коробки, увеличивая теплопроизводительность до такой степени, что теперь вместо эфира можно было использовать воду. Затем Шуман сконструировал полномасштабную паровую машину, работающую на воде низкого давления, что позволило ему к 1912 году запатентовать всю систему солнечного двигателя.
Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади , Египет , между 1912 и 1913 годами. Его электростанция использовала параболические желоба для питания двигателя мощностью 45–52 киловатт (60–70 л.с. ), который перекачивал более 22 000 литров (4800 имп галлонов; 5800 галлонов США) воды в минуту от реки Нил до прилегающих хлопковых полей. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах препятствовало развитию солнечной энергии, видение Шумана и базовый проект были возрождены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. [23] В 1916 году в средствах массовой информации цитировали Шумана, пропагандирующего использование солнечной энергии:
Мы доказали коммерческую выгоду от солнечной энергии в тропиках и, в частности, доказали, что после того, как наши запасы нефти и угля будут исчерпаны, человечество сможет получать неограниченную энергию от лучей Солнца.
- Фрэнк Шуман, New York Times, 2 июля 1916 г. [24]
Солнечные системы горячего водоснабжения используют солнечный свет для нагрева воды. В средних географических широтах (между 40 градусами северной широты и 40 градусами южной широты) от 60 до 70% потребления горячей воды для бытовых нужд при температуре воды до 60 °C (140 °F) может обеспечиваться системами солнечного отопления. [25] Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются вакуумные трубчатые коллекторы (44%) и застекленные плоские коллекторы (34%), обычно используемые для горячего водоснабжения; и неглазурованные пластиковые коллекторы (21%), используемые в основном для подогрева плавательных бассейнов. [26]
По состоянию на 2015 год общая установленная мощность солнечных систем горячего водоснабжения составляла примерно 436 тепловых гигаватт (ГВт тыс . ), а Китай является мировым лидером по их внедрению с установленной мощностью 309 ГВт тыс. , занимая 71% рынка. [27] Израиль и Кипр являются лидерами по использованию солнечных систем горячего водоснабжения на душу населения: их используют более 90% домов. [28] В США, Канаде и Австралии подогрев плавательных бассейнов является доминирующим применением солнечной горячей воды с установленной мощностью 18 ГВт тыс. по состоянию на 2005 год. [19]
В Соединенных Штатах на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) приходится 30% (4,65 ЭДж/год) энергии, используемой в коммерческих зданиях, и почти 50% (10,1 ЭДж/год) энергии, используемой в жилых зданиях. [29] [30] Технологии солнечного отопления, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Использование солнечной энергии для отопления можно грубо разделить на концепции пассивной солнечной энергии и концепции активной солнечной энергии , в зависимости от того, используются ли активные элементы, такие как системы слежения за солнцем и оптика солнечного концентратора.
Тепловая масса — это любой материал, который можно использовать для хранения тепла — тепла Солнца в случае солнечной энергии. Обычные тепловые массовые материалы включают камень, цемент и воду. Исторически они использовались в засушливом климате или регионах с теплым умеренным климатом для охлаждения зданий за счет поглощения солнечной энергии в течение дня и излучения накопленного тепла в более прохладную атмосферу ночью. Однако их можно использовать и в регионах с холодным умеренным климатом для поддержания тепла. Размер и расположение тепловой массы зависят от нескольких факторов, таких как климат, дневное освещение и условия затенения. При правильном использовании тепловая масса поддерживает температуру помещения в комфортном диапазоне и снижает потребность во вспомогательном оборудовании для обогрева и охлаждения. [31]
Солнечный дымоход (или в данном контексте тепловой дымоход) представляет собой пассивную солнечную вентиляционную систему, состоящую из вертикальной шахты, соединяющей внутреннюю и внешнюю часть здания. По мере того, как дымоход нагревается, воздух внутри нагревается, вызывая восходящий поток , который протягивает воздух через здание. Производительность можно улучшить, используя материалы для остекления и термомассы [32] таким образом, чтобы имитировать теплицы.
Лиственные деревья и растения пропагандируются как средство контроля солнечного нагрева и охлаждения. При посадке на южной стороне здания в северном полушарии или на северной стороне в южном полушарии их листья обеспечивают тень летом, а голые ветки пропускают свет зимой. [33] Поскольку голые, безлистные деревья затеняют от 1/3 до 1/2 падающей солнечной радиации, существует баланс между преимуществами летнего затенения и соответствующей потерей зимнего отопления. [34] В климате со значительными отопительными нагрузками лиственные деревья не следует сажать на стороне здания, обращенной к экватору, поскольку они будут мешать доступу солнечной энергии в зимнее время. Однако их можно использовать на восточной и западной сторонах, чтобы обеспечить определенную степень затенения летом, не оказывая заметного влияния на зимнюю солнечную энергию . [35]
Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризации . Их можно сгруппировать в три большие категории: камерные плиты, панельные плиты и отражательные плиты. [36] Самая простая солнечная плита — это коробчатая плита, впервые построенная Орасом де Соссюром в 1767 году . [37] Базовая коробчатая плита состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Его можно эффективно использовать при частично пасмурном небе, и его температура обычно достигает 90–150 °C (194–302 °F). [38] В панельных плитах используется отражающая панель, которая направляет солнечный свет на изолированный контейнер и позволяет достигать температур, сравнимых с камерными плитами. В плитах с рефлектором используются различные концентрирующие конструкции (блюдо, корыто, зеркала Френеля), чтобы фокусировать свет на емкости для приготовления пищи. Эти плиты достигают температуры 315 ° C (599 ° F) и выше, но для правильной работы им требуется прямой свет, и их необходимо переместить, чтобы следить за Солнцем. [39]
Технологии концентрации солнечной энергии, такие как параболические тарелки, желоба и отражатели Шеффлера, могут обеспечить технологическое тепло для коммерческого и промышленного применения. Первой коммерческой системой был проект Solar Total Energy Project (STEP) в Шенандоа, штат Джорджия, США, где поле из 114 параболических тарелок обеспечивало 50% технологических потребностей в отоплении, кондиционировании воздуха и электричестве для швейной фабрики. Эта подключенная к сети когенерационная система обеспечивала 400 кВт электроэнергии плюс тепловую энергию в виде пара 401 кВт и охлажденной воды 468 кВт и имела тепловой аккумулятор в течение одного часа при пиковой нагрузке. [40] Пруды-испарители — это неглубокие бассейны, в которых концентрируются растворенные твердые вещества посредством испарения . Использование прудов-испарителей для получения соли из морской воды — одно из старейших применений солнечной энергии. Современное использование включает концентрирование соляных растворов, используемых при выщелачивании, и удаление растворенных твердых веществ из потоков отходов. [41]
Веревки для белья , вешалки для белья и вешалки для одежды сушат одежду за счет испарения ветром и солнечным светом без потребления электроэнергии или газа. В некоторых штатах США законодательство защищает «право сушить» одежду. [42] Неглазурованные испарительные коллекторы (UTC) представляют собой перфорированные, обращенные к солнцу стены, используемые для предварительного подогрева вентиляционного воздуха. UTC могут повысить температуру входящего воздуха до 22 ° C (40 ° F) и обеспечить температуру на выходе до 45–60 ° C (113–140 ° F). [43] Короткий период окупаемости транспирированных коллекторов (от 3 до 12 лет) делает их более рентабельной альтернативой, чем застекленные системы сбора. [43] По состоянию на 2003 год по всему миру было установлено более 80 систем с общей площадью коллекторов 35 000 квадратных метров (380 000 квадратных футов), в том числе коллектор площадью 860 м 2 (9300 квадратных футов) в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен, и Коллектор площадью 1300 м 2 (14 000 кв. футов) в Коимбаторе , Индия, используется для сушки бархатцев. [44] [ нужно обновить ]
Солнечную дистилляцию можно использовать для приготовления соленой или солоноватой воды . Первый зарегистрированный случай этого был сделан арабскими алхимиками 16-го века. [45] Крупномасштабный проект солнечной дистилляции был впервые построен в 1872 году в чилийском шахтерском городке Лас-Салинас. [46] Завод с площадью сбора солнечной энергии 4700 м 2 (51 000 кв. футов) мог производить до 22 700 л (5 000 имп галлонов; 6 000 галлонов США) в день и работать в течение 40 лет. [46] Отдельные конструкции аппаратов включают одно-, двух-наклонные (или тепличные), вертикальные, конические, перевернутые поглотители, многофитильные и многоступенчатые. Эти кадры могут работать в пассивном, активном или гибридном режимах. Двухступенчатые аппараты наиболее экономичны для децентрализованных бытовых целей, тогда как активные многоэффектные установки больше подходят для крупномасштабных применений. [45]
Солнечная дезинфекция воды (SODIS) включает в себя подвергание наполненных водой пластиковых бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ) воздействию солнечного света в течение нескольких часов. [47] Время воздействия варьируется в зависимости от погоды и климата от минимум шести часов до двух дней в условиях полной облачности. [48] Всемирная организация здравоохранения рекомендует его как эффективный метод очистки и безопасного хранения воды в домашних условиях. [49] Более двух миллионов человек в развивающихся странах используют этот метод для ежедневной питьевой воды. [48]
Солнечная энергия может использоваться в прудах для стабилизации воды для очистки сточных вод без использования химикатов и электричества. Еще одним экологическим преимуществом является то, что водоросли растут в таких прудах и потребляют углекислый газ в процессе фотосинтеза, хотя водоросли могут производить токсичные химические вещества, которые делают воду непригодной для использования. [50] [51]
Расплавленная соль может использоваться в качестве метода хранения тепловой энергии для сохранения тепловой энергии, собранной солнечной башней или солнечным желобом концентрированной солнечной электростанции , чтобы ее можно было использовать для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в проекте Solar Two с 1995 по 1999 год. По прогнозам, годовая эффективность системы составит 99%, что означает энергию, сохраняемую за счет хранения тепла перед превращением его в электричество, а не за счет преобразования тепла непосредственно в электричество. [52] [53] [54] Смеси расплавленных солей различаются. Наиболее распространенная смесь содержит нитрат натрия , нитрат калия и нитрат кальция . Он негорюч и нетоксичен и уже используется в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя. Следовательно, существует опыт использования таких систем в несолнечных приложениях.
Соль плавится при температуре 131 ° C (268 ° F). Он хранится в жидком состоянии при температуре 288 ° C (550 ° F) в изолированном «холодном» резервуаре для хранения. Жидкая соль прокачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное излучение нагревает ее до 566 °C (1051 °F). Затем его отправляют в горячий резервуар для хранения. Он настолько хорошо изолирован, что тепловую энергию можно с пользой хранить до недели. [55]
Когда требуется электричество, горячая соль перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара для турбины/генератора, который используется на любой обычной угольной, нефтяной или атомной электростанции. Для турбины мощностью 100 мегаватт потребуется резервуар высотой около 9,1 метра (30 футов) и диаметром 24 метра (79 футов), чтобы при такой конструкции работать в течение четырех часов.
Эту концепцию хранения тепловой энергии используют несколько электростанций с параболическими желобами в Испании [56] и разработчик солнечных энергетических башен SolarReserve . Электростанция Солана в США имеет шесть часов хранения расплавленной соли. В Чили на электростанции Cerro Dominador установлена солнечно-термальная башня мощностью 110 МВт, тепло передается расплавленным солям . [57] Расплавленные соли затем передают свое тепло в теплообменнике воде, генерируя перегретый пар, который питает турбину, которая преобразует кинетическую энергию пара в электрическую энергию с использованием цикла Ренкина . [58] Таким образом, электростанция Cerro Dominador способна вырабатывать около 110 МВт электроэнергии. [59] Завод имеет усовершенствованную систему хранения, позволяющую генерировать электроэнергию в течение до 17,5 часов без прямого солнечного излучения, что позволяет ей обеспечивать стабильное электроснабжение без перебоев, если это необходимо. Проект обеспечил продажу до 950 ГВт·ч в год. Другой проект — электростанция Мария Елена [60] — термосолнечный комплекс мощностью 400 МВт в северном чилийском регионе Антофагаста , использующий технологию расплавленной соли.
Солнечная энергия , также известная как солнечное электричество, представляет собой преобразование энергии солнечного света в электричество либо напрямую с использованием фотоэлектрических элементов (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии . Фотоэлектрические элементы преобразуют свет в электрический ток , используя фотоэлектрический эффект . [61] В системах концентрированной солнечной энергии используются линзы или зеркала, а также системы слежения за солнечной энергией для фокусировки большой площади солнечного света в горячей точке, часто для привода паровой турбины .
Первоначально фотогальваника использовалась исключительно в качестве источника электроэнергии для малых и средних предприятий: от калькулятора, питаемого от одной солнечной батареи, до удаленных домов, питаемых автономной фотоэлектрической системой на крыше. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. С тех пор, когда стоимость солнечной электроэнергии упала, мощность и производство солнечных фотоэлектрических систем , подключенных к сети , выросли более или менее экспоненциально , удваиваясь примерно каждые три года. Продолжается строительство миллионов установок и фотоэлектрических электростанций мощностью в гигаватты , причем в 2021 году половина новых генерирующих мощностей будет солнечной . [62]
В 2023 году солнечная энергия выработала 5% мировой электроэнергии [63] по сравнению с 1% в 2015 году, когда было подписано Парижское соглашение по ограничению изменения климата . [64] Наряду с наземными ветровыми электростанциями , в большинстве стран самой дешевой приведенной стоимостью электроэнергии для новых установок является солнечная энергия для коммунальных предприятий . [65] [66]
Почти половина солнечной энергии, установленной в 2022 году, приходилась на крыши . [67] Низкоуглеродная энергетика была рекомендована в рамках плана по ограничению изменения климата . В 2022 году Международное энергетическое агентство заявило, что необходимы дополнительные усилия для интеграции энергосистем и смягчения проблем политики, регулирования и финансирования. [68]Системы концентрации солнечной энергии (CSP) используют линзы или зеркала и системы слежения для фокусировки большой площади солнечного света в небольшой луч. Концентрированное тепло затем используется в качестве источника тепла для обычной электростанции. Существует широкий спектр технологий обогащения; наиболее развитыми являются параболический желоб, коллекторы солнечной башни, концентрирующий линейный отражатель Френеля и тарелка Стирлинга. Для отслеживания Солнца и фокусировки света используются различные методы. Во всех этих системах рабочая жидкость нагревается концентрированным солнечным светом, а затем используется для выработки или хранения энергии. [69] При проектировании необходимо учитывать риск пыльной бури , града или других экстремальных погодных явлений, которые могут повредить тонкие стеклянные поверхности солнечных электростанций. Металлические решетки позволят большому проценту солнечного света проникать в зеркала и солнечные панели, а также предотвратят большинство повреждений.
Солнечный свет влиял на дизайн зданий с самого начала истории архитектуры. [71] Передовые методы солнечной архитектуры и городского планирования были впервые использованы греками и китайцами , которые ориентировали свои здания на юг, чтобы обеспечить свет и тепло. [72]
Общими чертами пассивной солнечной архитектуры являются ориентация относительно Солнца, компактные пропорции (низкое соотношение площади поверхности к объему), выборочное затенение (свесы) и тепловая масса . [71] Когда эти функции адаптированы к местному климату и окружающей среде, они могут создавать хорошо освещенные помещения с комфортным температурным диапазоном. Дом Мегарона Сократа — классический пример пассивного солнечного дизайна. [71] Самые последние подходы к солнечному проектированию используют компьютерное моделирование, объединяющее системы солнечного освещения , отопления и вентиляции в интегрированный пакет солнечного проектирования . [73] Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и переключаемые окна, может дополнять пассивную конструкцию и улучшать производительность системы.
Городские острова тепла (UHI) — это мегаполисы с более высокими температурами, чем температура окружающей среды. Более высокие температуры являются результатом повышенного поглощения солнечной энергии городскими материалами, такими как асфальт и бетон, которые имеют более низкое альбедо и более высокую теплоемкость , чем материалы в естественной среде. Простой метод противодействия эффекту UHI — покрасить здания и дороги в белый цвет и посадить на этом участке деревья. Используя эти методы, гипотетическая программа «холодных сообществ» в Лос-Анджелесе спрогнозировала, что городские температуры могут быть снижены примерно на 3 °C при ориентировочной стоимости в 1 миллиард долларов США, что дает предполагаемую общую годовую выгоду в 530 миллионов долларов США от сокращения использования кондиционеров. затраты и экономия на здравоохранении. [74]
Сельское хозяйство и садоводство стремятся оптимизировать улавливание солнечной энергии для оптимизации продуктивности растений. Такие методы, как синхронизированные циклы посева, индивидуальная ориентация рядов, шахматная высота между рядами и смешивание сортов растений, могут повысить урожайность сельскохозяйственных культур. [75] [76] Хотя солнечный свет обычно считается богатым ресурсом, исключения подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. Во время коротких вегетационных периодов Малого ледникового периода французские и английские фермеры использовали фруктовые стены, чтобы максимизировать сбор солнечной энергии. Эти стены действовали как тепловые массы и ускоряли созревание, сохраняя растения в тепле. Стены для ранних фруктов были построены перпендикулярно земле и обращены на юг, но со временем были построены наклонные стены, чтобы лучше использовать солнечный свет. В 1699 году Николя Фатио де Дюйе даже предложил использовать механизм слежения , который мог бы поворачиваться, следуя за Солнцем. [77] Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве, помимо выращивания сельскохозяйственных культур, включает перекачку воды, сушку сельскохозяйственных культур, высиживание цыплят и сушку куриного помета. [44] [78] Совсем недавно эту технологию начали использовать виноделы , которые используют энергию, вырабатываемую солнечными батареями, для питания виноградных прессов. [79]
Теплицы преобразуют солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное производство и рост (в закрытых помещениях) специальных культур и других растений, не приспособленных естественным образом к местному климату. Примитивные теплицы впервые использовались во времена Римской империи для выращивания огурцов круглый год для римского императора Тиберия . [80] Первые современные теплицы были построены в Европе в 16 веке для хранения экзотических растений, привезенных из зарубежных исследований. [81] Теплицы остаются важной частью садоводства и сегодня. Пластиковые прозрачные материалы также использовались с аналогичным эффектом в многотоннелях и покрытиях рядов .
Разработка автомобиля на солнечной энергии была инженерной целью с 1980-х годов. World Solar Challenge — это автогонка на солнечных батареях, проводимая два раза в год, в которой команды университетов и предприятий соревнуются на дистанции более 3021 километра (1877 миль) по центральной Австралии от Дарвина до Аделаиды . В 1987 году, когда он был основан, средняя скорость победителя составляла 67 километров в час (42 мили в час), а к 2007 году средняя скорость победителя улучшилась до 90,87 километра в час (56,46 миль в час). [82] North American Solar Challenge и планируемый South African Solar Challenge являются сопоставимыми соревнованиями, которые отражают международный интерес к проектированию и разработке транспортных средств, работающих на солнечной энергии. [83] [84]
В некоторых автомобилях солнечные панели используются в качестве вспомогательных источников энергии, например, для кондиционирования воздуха, чтобы поддерживать прохладу в салоне и тем самым снижать расход топлива. [85] [86]
В 1975 году в Англии была построена первая практичная лодка на солнечных батареях. [87] К 1995 году начали появляться пассажирские суда с фотоэлектрическими панелями, которые сейчас широко используются. [88] В 1996 году Кеничи Хори совершил первое пересечение Тихого океана на солнечной энергии, а катамаран Sun21 совершил первое пересечение Атлантического океана на солнечной энергии зимой 2006–2007 годов. [89] В 2010 году планировалось совершить кругосветное путешествие. [90]
В 1974 году беспилотный самолет AstroFlight Sunrise совершил первый полет к солнечной энергии. 29 апреля 1979 года Solar Riser совершил первый полет на полностью управляемом летательном аппарате, работающем на солнечной энергии, достигнув высоты 40 футов (12 м). В 1980 году « Паутинный пингвин» совершил первые пилотируемые полеты, работая исключительно на фотоэлектрических элементах. Вскоре за ним последовал Solar Challenger , который пересек Ла-Манш в июле 1981 года. В 1990 году Эрик Скотт Рэймонд за 21 прыжок перелетел из Калифорнии в Северную Каролину, используя солнечную энергию. [91] Затем разработки вернулись к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) с Pathfinder ( 1997 г.) и последующими разработками, кульминацией которых стал Helios , который установил рекорд высоты для неракетного самолета на высоте 29 524 метра (96 864 фута) в 2001 году. [92] Zephyr , разработанный BAE Systems , является последним в линейке рекордных солнечных самолетов, совершивший 54-часовой полет в 2007 году, а полеты продолжительностью в месяц были предусмотрены к 2010 году . по июль 2016 года электрический самолет Solar Impulse успешно совершил кругосветное путешествие. Это одноместный самолет, работающий на солнечных батареях и способный взлетать собственным ходом. Конструкция позволяет самолету оставаться в воздухе несколько дней. [94]
Солнечный воздушный шар — это черный воздушный шар, наполненный обычным воздухом. Когда солнечный свет падает на воздушный шар, воздух внутри нагревается и расширяется, вызывая восходящую силу плавучести , очень похожую на искусственно нагретый воздушный шар . Некоторые солнечные воздушные шары достаточно велики для полета человека, но их использование обычно ограничивается рынком игрушек, поскольку соотношение площади поверхности к весу полезной нагрузки относительно велико. [95]
.jpg/1280px-Squad_Solar_Car_(Fully_Charged_2022).jpg)
Squad Solar — это электромобиль для района , который имеет солнечную крышу и может быть подключен к обычной розетке на 120 В для зарядки. [96]
.jpg/1280px-Photo_of_the_Week-_Boosting_Solar_Technology_(8722948189).jpg)
Солнечные химические процессы используют солнечную энергию для запуска химических реакций. Эти процессы компенсируют энергию, которая в противном случае поступала бы из источника ископаемого топлива, а также могут преобразовывать солнечную энергию в топливо, которое можно хранить и транспортировать. Химические реакции, вызванные солнечной энергией, можно разделить на термохимические и фотохимические . [97] С помощью искусственного фотосинтеза можно производить различные виды топлива . [98] Многоэлектронная каталитическая химия, используемая в производстве углеродного топлива (например, метанола ) путем восстановления диоксида углерода, является сложной задачей; возможной альтернативой является производство водорода из протонов, хотя использование воды в качестве источника электронов (как это делают растения) требует освоения многоэлектронного окисления двух молекул воды до молекулярного кислорода. [99] Некоторые предполагали, что к 2050 году в прибрежных мегаполисах будут работать заводы по производству солнечного топлива – разделение морской воды обеспечит водород, который будет пропускаться через соседние электростанции на топливных элементах, а побочный продукт в виде чистой воды будет направляться непосредственно в муниципальную систему водоснабжения. [100] Кроме того, химическое хранение энергии является еще одним решением для хранения солнечной энергии. [101]
Технологии производства водорода являются важной областью исследований солнечной химии с 1970-х годов. Помимо электролиза, вызываемого фотоэлектрическими или фотохимическими элементами, также было исследовано несколько термохимических процессов. Один из таких маршрутов использует концентраторы для разделения воды на кислород и водород при высоких температурах (2300–2600 °C или 4200–4700 °F). [102] Другой подход использует тепло от солнечных концентраторов для запуска паровой конверсии природного газа, тем самым увеличивая общий выход водорода по сравнению с традиционными методами риформинга. [103] Термохимические циклы, характеризующиеся разложением и регенерацией реагентов, представляют собой еще один путь производства водорода. Процесс Solzinc, разрабатываемый в Научном институте Вейцмана, использует солнечную печь мощностью 1 МВт для разложения оксида цинка (ZnO) при температуре выше 1200 °C (2200 °F). В результате этой первоначальной реакции образуется чистый цинк, который впоследствии можно подвергнуть реакции с водой для получения водорода. [104]
Системы тепломассы могут хранить солнечную энергию в виде тепла при температурах, полезных для внутреннего использования, в течение дневного или межсезонного периода . В системах хранения тепла обычно используются легкодоступные материалы с высокой удельной теплоемкостью, такие как вода, земля и камень. Хорошо спроектированные системы могут снизить пиковую нагрузку , перенести время использования на непиковые часы и снизить общие требования к отоплению и охлаждению. [105] [106]
Материалы с фазовым переходом, такие как парафин и глауберова соль, являются еще одним теплоаккумулирующим средством. Эти материалы недороги, легко доступны и могут обеспечивать температуру, пригодную для использования в домашних условиях (приблизительно 64 °C или 147 °F). «Дуврский дом» (в Дувре, Массачусетс ) был первым, кто использовал систему отопления с использованием глауберовой соли в 1948 году. [107] Солнечную энергию также можно хранить при высоких температурах с использованием расплавленных солей . Соли являются эффективным средством хранения, поскольку они дешевы, имеют высокую удельную теплоемкость и могут доставлять тепло при температурах, совместимых с обычными энергосистемами. В проекте Solar Two использовался этот метод хранения энергии, что позволило хранить 1,44 тераджоуля (400 000 кВтч) в резервуаре для хранения объемом 68 м³ с годовой эффективностью хранения около 99%. [108]
Автономные фотоэлектрические системы традиционно использовали перезаряжаемые батареи для хранения избыточной электроэнергии. В системах, связанных с сетью, избыточная электроэнергия может быть отправлена в передающую сеть , в то время как стандартная сетевая электроэнергия может использоваться для покрытия дефицита. Программы чистого учета дают бытовым системам кредит за любую электроэнергию, которую они поставляют в сеть. Это достигается путем «отката» счетчика всякий раз, когда дом производит больше электроэнергии, чем потребляет. Если чистое потребление электроэнергии ниже нуля, коммунальное предприятие переносит кредит за киловатт-часы на следующий месяц. [109] Другие подходы включают использование двух счетчиков для измерения потребляемой и произведенной электроэнергии. Такое встречается реже из-за повышенной стоимости установки второго счетчика. Большинство стандартных счетчиков точно измеряют в обоих направлениях, поэтому второй счетчик не нужен.
Гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия хранит энергию в виде воды, перекачиваемой, когда энергия доступна из резервуара с более низкой высотой в более высокий. Энергия восстанавливается, когда потребность высока, путем выпуска воды, при этом насос становится гидроэлектрогенератором. [110]
Начиная с всплеска использования угля , который сопровождал промышленную революцию , потребление энергии постепенно переходило от древесины и биомассы к ископаемому топливу . Раннее развитие солнечных технологий, начавшееся в 1860-х годах, было вызвано ожиданием того, что уголь вскоре станет дефицитным. Однако развитие солнечных технологий в начале 20 века застопорилось из-за растущей доступности, экономичности и полезности угля и нефти . [111]
Нефтяное эмбарго 1973 года и энергетический кризис 1979 года привели к реорганизации энергетической политики во всем мире. Это привлекло новое внимание к развитию солнечных технологий. [112] [113] Стратегии развертывания сосредоточены на программах стимулирования, таких как Федеральная программа использования фотоэлектрической энергии в США и Программа Sunshine в Японии. Другие усилия включали создание исследовательских центров в США (SERI, ныне NREL ), Японии ( NEDO ) и Германии ( Институт Фраунгофера систем солнечной энергии ISE ). [114]
Коммерческие солнечные водонагреватели начали появляться в Соединенных Штатах в 1890-х годах. [115] Эти системы все чаще использовались до 1920-х годов, но постепенно были заменены более дешевыми и надежными видами топлива для отопления. [116] Как и в случае с фотоэлектрикой, солнечное нагрев воды привлекло новое внимание в результате нефтяного кризиса 1970-х годов, но интерес утих в 1980-х годах из-за падения цен на нефть. Развитие сектора солнечного нагрева воды неуклонно прогрессировало на протяжении 1990-х годов, и с 1999 года ежегодные темпы роста в среднем составляли 20 % . 154 ГВт по состоянию на 2007 год. [117]
Международное энергетическое агентство заявило, что солнечная энергия может внести значительный вклад в решение некоторых из наиболее насущных проблем, с которыми сейчас сталкивается мир: [1]
Развитие доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергетики принесет огромные долгосрочные выгоды. Это повысит энергетическую безопасность стран за счет опоры на местные, неисчерпаемые и в основном независимые от импорта ресурсы, повысит устойчивость, уменьшит загрязнение, снизит затраты на смягчение последствий изменения климата и удержит цены на ископаемое топливо ниже, чем в противном случае. Эти преимущества глобальны. Следовательно, дополнительные затраты на стимулирование раннего развертывания следует рассматривать как инвестиции в обучение; их необходимо расходовать разумно и широко распределять. [1]
В 2011 году отчет Международного энергетического агентства показал, что технологии солнечной энергии, такие как фотоэлектрическая энергетика, солнечная горячая вода и концентрированная солнечная энергия, могут обеспечить треть мировой энергии к 2060 году, если политики возьмут на себя обязательство ограничить изменение климата и перейти на возобновляемые источники энергии . Энергия Солнца может сыграть ключевую роль в декарбонизации мировой экономики наряду с повышением энергоэффективности и увеличением затрат на источники выбросов парниковых газов . «Сила солнечной энергии заключается в невероятном разнообразии и гибкости применения, от небольших до крупных». [118]
Мы доказали... что после того, как наши запасы нефти и угля истощатся, человечество сможет получать неограниченную энергию от лучей Солнца.
- Фрэнк Шуман , The New York Times , 2 июля 1916 г. [24]
В 2021 году Лазард оценил приведенную стоимость нового строительства несубсидируемой солнечной электроэнергии в масштабах коммунальных предприятий менее чем в 37 долларов за МВтч, а существующую угольную электростанцию - выше этой суммы. [119] [120] В отчете за 2021 год также говорится, что новая солнечная энергия также дешевле, чем новая газовая энергия, но не обычно существующая газовая энергия. [120]
Системы концентрированной фотоэлектрической энергии (CPV) используют солнечный свет, сконцентрированный на фотоэлектрических поверхностях с целью выработки электроэнергии. Термоэлектрические или «термоэлектрические» устройства преобразуют разницу температур между разнородными материалами в электрический ток.
Плавающие солнечные батареи или плавучие фотоэлектрические батареи (FPV), иногда называемые плавающими фотоэлектрическими батареями, представляют собой солнечные панели , установленные на конструкции, которая плавает на водоеме, обычно в водоеме или озере, таком как резервуары с питьевой водой, карьерные озера, оросительные каналы или очистные и хвостохранилища. . Все большее число таких систем существует в Китае , Франции , Индонезии , Индии , Японии , Южной Корее , Великобритании , Сингапуре и США . [121] [122] [123] [124] [125]
Эти системы могут иметь преимущества перед фотоэлектрическими (PV) на суше. Водные поверхности могут быть дешевле, чем стоимость земли, и существует меньше правил и положений для сооружений, построенных на водоемах, не используемых для отдыха. Анализ жизненного цикла показывает, что FPV на основе пенопласта [126] имеют одни из самых низких сроков окупаемости энергии (1,3 года) и самое низкое соотношение выбросов парниковых газов к энергии (11 кг CO 2 экв/МВтч) среди зарегистрированных солнечных фотоэлектрических технологий на основе кристаллического кремния. [127]
Плавающие массивы могут обеспечить более высокую эффективность, чем фотоэлектрические панели на суше, поскольку вода охлаждает панели. Панели могут иметь специальное покрытие для предотвращения ржавчины и коррозии. [128]
Рынок этой технологии возобновляемой энергетики быстро рос с 2016 года. Первые 20 электростанций мощностью в несколько десятков кВт-пик были построены в период с 2007 по 2013 год. [129] Установленная мощность выросла с 3 ГВт в 2020 году до 13 ГВт в 2022 году . 130] превысит прогноз в 10 ГВт к 2025 году. [131] По оценкам Всемирного банка, существует 6600 крупных водоемов, пригодных для использования плавучих солнечных батарей, с технической мощностью более 4000 ГВт, если 10% их поверхностей будут покрыты солнечными панелями. [130]
Затраты на плавучую систему примерно на 10-20% выше, чем на наземные системы. [132] [133]Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к месту назначения, называемому «радиатор». Тепловые насосы предназначены для перемещения тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольного теплового потока, путем поглощения тепла из холодного помещения и передачи его в более теплое. Солнечный тепловой насос представляет собой интеграцию теплового насоса и солнечных панелей в единую интегрированную систему. Обычно эти две технологии используются отдельно (или только параллельно) для производства горячей воды . [134] В этой системе солнечная тепловая панель выполняет функцию низкотемпературного источника тепла, а вырабатываемое тепло используется для питания испарителя теплового насоса. [135] Целью этой системы является получение высокого КПД , а затем производство энергии более эффективным и менее дорогим способом.
В сочетании с тепловым насосом можно использовать любой тип солнечной тепловой панели (листовая и трубчатая, рулонная, тепловая труба, термопластины) или гибридную ( моно / поликристаллическая , тонкая пленка ). Использование гибридной панели предпочтительнее, поскольку она позволяет покрыть часть потребности теплового насоса в электроэнергии и снижает энергопотребление и, следовательно, переменные затраты системы.
Электрический самолет — это летательный аппарат, который работает на электродвигателях , а не на двигателях внутреннего сгорания , при этом электричество поступает от топливных элементов , солнечных элементов , ультраконденсаторов , энергетических излучателей [136] или батарей .
В настоящее время летающие пилотируемые электрические самолеты представляют собой в основном экспериментальные образцы, хотя многие небольшие беспилотные летательные аппараты питаются от аккумуляторов. Модели самолетов с электрическим приводом летают с 1970-х годов, один отчет был опубликован в 1957 году. [137] [ 138 ] Первые полеты с человеком на электрическом двигателе были совершены в 1973 году. Самолет Solar Impulse 2 совершил кругосветное плавание вокруг Земли. [140]
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Гюнтер Рохельт был проектировщиком и строителем Solair I, солнечного самолета с размахом крыльев 16 м... 21 августа 1983 года он летал на Solair I, в основном на солнечной энергии, а также на термических источниках, в течение 5 часов 41 минуты.
