Солнечная энергия — это лучистая энергия света и тепла Солнца , которую можно использовать с помощью ряда технологий, таких как солнечное электричество , солнечная тепловая энергия (включая солнечный водонагреватель ) и солнечная архитектура . [1] [2] [3] Это важный источник возобновляемой энергии , и ее технологии в целом характеризуются как пассивные солнечные 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 водонагревателя для использования энергии. Пассивные солнечные методы включают проектирование здания для лучшего дневного освещения , выбор материалов с благоприятной тепловой массой или светорассеивающими свойствами и организацию пространств, в которых воздух естественным образом циркулирует .
В 2011 году Международное энергетическое агентство заявило, что «разработка доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды. Это увеличит энергетическую безопасность стран за счет опоры на местные, неисчерпаемые и в основном независимые от импорта ресурсы, повысит устойчивость , сократит загрязнение , снизит затраты на смягчение глобального потепления ... эти преимущества являются глобальными». [1] [4]
Земля получает 174 петаватт (ПВт) входящего солнечного излучения ( инсоляции ) в верхних слоях атмосферы . [6] Примерно 30% отражается обратно в космос, а остальная часть, 122 ПВт, поглощается облаками, океанами и сушей. Спектр солнечного света на поверхности Земли в основном распределен по видимому и ближнему инфракрасному диапазонам с небольшой частью в ближнем ультрафиолете . [7] Большая часть населения мира проживает в районах с уровнем инсоляции 150–300 Вт/м 2 или 3,5–7,0 кВт·ч /м 2 в день. [8]
Солнечное излучение поглощается поверхностью суши Земли, океанами, которые покрывают около 71% земного шара, и атмосферой. Теплый воздух, содержащий испарившуюся воду из океанов, поднимается, вызывая атмосферную циркуляцию или конвекцию . Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака, которые проливаются дождем на поверхность Земли, завершая круговорот воды . Скрытая теплота конденсации воды усиливает конвекцию, производя атмосферные явления, такие как ветер, циклоны и антициклоны . [9] Солнечный свет, поглощаемый океанами и сушей, поддерживает среднюю температуру поверхности 14 °C. [10] С помощью фотосинтеза зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химически сохраненную энергию, которая производит пищу, древесину и биомассу , из которой получают ископаемое топливо . [11]
Общая солнечная энергия, поглощаемая атмосферой Земли, океанами и сушей, составляет приблизительно 122 ПВт·год = 3 850 000 эксаджоулей (ЭДж) в год. [12] В 2002 (2019) году это было больше энергии за один час (один час и 25 минут), чем мир использовал за один год. [13] [14] Фотосинтез поглощает приблизительно 3 000 ЭДж в год в биомассе. [15]
Потенциальная солнечная энергия, которая может быть использована людьми, отличается от количества солнечной энергии, присутствующей вблизи поверхности планеты, поскольку такие факторы, как география, изменение времени, облачный покров и земля, доступная людям, ограничивают количество солнечной энергии, которое мы можем получить. В 2021 году Carbon Tracker Initiative подсчитала, что площадь земли, необходимая для получения всей нашей энергии только из солнечной энергии, составляет 450 000 км 2 — или примерно столько же, сколько площадь Швеции , или площадь Марокко , или площадь Калифорнии (0,3% от общей площади суши Земли). [20]
Солнечные технологии классифицируются как пассивные или активные в зависимости от того, как они захватывают, преобразуют и распределяют солнечный свет и 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 солнечного излучения в практических целях, все типы возобновляемой энергии, кроме геотермальной энергии и энергии приливов , напрямую или косвенно извлекаются из Солнца.
Активные солнечные технологии используют фотоэлектрические элементы, концентрированную солнечную энергию , солнечные тепловые коллекторы , насосы и вентиляторы для преобразования солнечного света в полезный выход. Пассивные солнечные технологии включают выбор материалов с благоприятными тепловыми свойствами, проектирование пространств, в которых воздух циркулирует естественным образом, и привязку [ необходимо разъяснение ] положения здания к Солнцу. Активные солнечные технологии увеличивают подачу энергии и считаются технологиями со стороны предложения , в то время как пассивные солнечные технологии снижают потребность в альтернативных ресурсах и, как правило, считаются технологиями со стороны спроса. [21]
В 2000 году Программа развития ООН , Департамент ООН по экономическим и социальным вопросам и Всемирный энергетический совет опубликовали оценку потенциальной солнечной энергии, которая может быть использована людьми каждый год. Она учитывала такие факторы, как инсоляция, облачный покров и земля, пригодная для использования людьми. Было заявлено, что глобальный потенциал солнечной энергии составляет от 1600 до 49 800 эксаджоулей (от 4,4 × 1014 до 1,4 × 1016 кВт·ч) в год ( см. таблицу ниже) . [ 22]
Солнечные тепловые технологии могут использоваться для нагрева воды, отопления и охлаждения помещений, а также для получения технологического тепла. [23]
В 1878 году на Всемирной выставке в Париже Огюстен Мушо успешно продемонстрировал паровой двигатель на солнечной энергии, но продолжить разработку не удалось из-за дешевизны угля и других факторов.
В 1897 году Фрэнк Шуман , американский изобретатель, инженер и пионер солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал, отражая солнечную энергию на квадратные коробки, заполненные эфиром, который имеет более низкую температуру кипения, чем вода, и был оснащен внутри черными трубами, которые, в свою очередь, приводили в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал Sun Power Company с намерением построить более крупные солнечные электростанции. Он, вместе со своим техническим консультантом А. С. Э. Аккерманном и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойзом , [24] разработал усовершенствованную систему, использующую зеркала для отражения солнечной энергии на коробки коллекторов, увеличивая теплопроизводительность до такой степени, что теперь вместо эфира можно было использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, работающий на воде низкого давления, что позволило ему запатентовать всю систему солнечного двигателя к 1912 году.
Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади , Египет , между 1912 и 1913 годами. Его установка использовала параболические желоба для питания двигателя мощностью 45–52 кВт (60–70 л. с. ), который перекачивал более 22 000 литров (4 800 имп галлонов; 5 800 галлонов США) воды в минуту из реки Нил на соседние хлопковые поля. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах препятствовали развитию солнечной энергии, видение Шумана и его базовый дизайн были воскрешены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. [25] В 1916 году Шуман был процитирован в СМИ, выступая за использование солнечной энергии, сказав:
Мы доказали коммерческую выгоду от использования 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 солнечных лучей.
— Фрэнк Шуман, New York Times, 2 июля 1916 г. [26]
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% бытового потребления горячей воды с температурой воды до 60 °C (140 °F) может быть обеспечено солнечными системами отопления. [27] Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются вакуумные трубчатые коллекторы (44%) и застекленные плоские пластинчатые коллекторы (34%), обычно используемые для бытового горячего водоснабжения; и неглазурованные пластиковые коллекторы (21%), используемые в основном для нагрева бассейнов. [28]
По состоянию на 2015 год общая установленная мощность солнечных систем горячего водоснабжения составляла приблизительно 436 тепловых гигаватт (ГВт -ч ), а Китай является мировым лидером по их развертыванию с установленной мощностью 309 ГВт -ч , занимая 71% рынка. [29] Израиль и Кипр являются лидерами на душу населения по использованию солнечных систем горячего водоснабжения, более 90% домов используют их. [30] В Соединенных Штатах, Канаде и Австралии подогрев бассейнов является доминирующим применением солнечного горячего водоснабжения с установленной мощностью 18 ГВт- ч по состоянию на 2005 год. [21]
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. [31] [32] Технологии солнечного отопления, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Использование солнечной энергии для отопления можно грубо разделить на пассивные солнечные концепции и активные солнечные концепции, в зависимости от того, используются ли активные элементы, такие как отслеживание солнца и оптика солнечного концентратора.
Тепловая масса — это любой материал, который может использоваться для хранения тепла — тепла от Солнца в случае солнечной энергии. Распространенные тепловые материалы включают камень, цемент и воду. Исторически они использовались в засушливом климате или регионах с теплым умеренным климатом для поддержания прохлады зданий путем поглощения солнечной энергии в течение дня и излучения накопленного тепла в более прохладную атмосферу ночью. Однако их также можно использовать в регионах с холодным умеренным климатом для поддержания тепла. Размер и размещение тепловой массы зависят от нескольких факторов, таких как климат, дневное освещение и условия затенения. При правильном включении тепловая масса поддерживает температуру помещения в комфортном диапазоне и снижает потребность во вспомогательном отопительном и охлаждающем оборудовании. [33]
Солнечный дымоход (или тепловой дымоход в данном контексте) — это пассивная система солнечной вентиляции, состоящая из вертикальной шахты, соединяющей внутреннюю и внешнюю части здания. По мере нагрева дымохода воздух внутри нагревается, вызывая восходящий поток , который протягивает воздух через здание. Производительность можно улучшить, используя остекление и тепловые массовые материалы [34] таким образом, чтобы имитировать теплицы.
Лиственные деревья и растения пропагандировались 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, в то время как голые ветви пропускают свет зимой. [35] Поскольку голые, безлистные деревья затеняют от 1/3 до 1/2 падающего солнечного излучения, существует баланс между преимуществами летнего затенения и соответствующей потерей зимнего отопления. [36] В климате со значительными отопительными нагрузками лиственные деревья не следует высаживать на стороне здания, обращенной к экватору, поскольку они будут мешать зимнему солнечному доступу. Однако их можно использовать на восточной и западной сторонах, чтобы обеспечить некоторую степень летнего затенения без заметного влияния на зимнее солнечное поступление . [37]
Солнечные печи используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации . Их можно разделить на три основные категории: ящичные печи, панельные печи и отражательные печи. [38] Самая простая солнечная печь — это ящичная печь, впервые построенная Орасом де Соссюром в 1767 году. [39] Базовая ящичная печь состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Ее можно эффективно использовать при частично затянутом облаками небе, и обычно она достигает температуры 90–150 °C (194–302 °F). [40] Панельные печи используют отражающую панель для направления солнечного света на изолированный контейнер и достигают температур, сопоставимых с ящичными печами. Отражательные печи используют различные концентрирующие геометрии (тарелка, желоб, зеркала Френеля) для фокусировки света на контейнере для приготовления пищи. Эти печи достигают температуры 315 °C (599 °F) и выше, но для правильной работы им требуется прямой свет, и их необходимо переместить для отслеживания Солнца. [41]
Технологии концентрации солнечной энергии, такие как параболические тарелки, желоба и отражатели Шеффлера, могут обеспечить технологическое тепло для коммерческих и промышленных применений. Первой коммерческой системой был проект Solar Total Energy Project (STEP) в Шенандоа, штат Джорджия, США, где поле из 114 параболических тарелок обеспечивало 50% потребностей в технологическом отоплении, кондиционировании воздуха и электричестве для швейной фабрики. Эта подключенная к сети система когенерации обеспечивала 400 кВт электроэнергии плюс тепловую энергию в виде 401 кВт пара и 468 кВт охлажденной воды и имела одночасовое пиковое тепловое хранилище. [42] Пруды-испарители представляют собой неглубокие бассейны, которые концентрируют растворенные твердые вещества посредством испарения . Использование прудов-испарителей для получения соли из морской воды является одним из старейших применений солнечной энергии. Современное использование включает концентрирование солевых растворов, используемых при выщелачивании и удалении растворенных твердых веществ из потоков отходов. [43]
Бельевые веревки , сушилки для белья и вешалки для одежды сушат одежду посредством испарения под действием ветра и солнечного света без потребления электроэнергии или газа. В некоторых штатах США законодательство защищает «право на сушку» одежды. [44] Неглазурованные испарительные коллекторы (UTC) представляют собой перфорированные стены, обращенные к солнцу, используемые для предварительного нагрева вентиляционного воздуха. UTC могут повышать температуру входящего воздуха до 22 °C (40 °F) и обеспечивать температуру на выходе 45–60 °C (113–140 °F). [45] Короткий срок окупаемости испарительных коллекторов (от 3 до 12 лет) делает их более экономически эффективной альтернативой остекленным системам сбора. [45] По состоянию на 2003 год по всему миру было установлено более 80 систем с общей площадью коллектора 35 000 квадратных метров (380 000 квадратных футов), включая коллектор площадью 860 м 2 (9 300 квадратных футов) в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен, и коллектор площадью 1 300 м 2 (14 000 квадратных футов) в Коимбатуре , Индия, используемый для сушки бархатцев. [46] [ требуется обновление ]
Солнечная дистилляция может использоваться для приготовления питьевой соленой или солоноватой воды . Первый зарегистрированный случай этого был сделан арабскими алхимиками 16-го века. [47] Крупномасштабный проект солнечной дистилляции был впервые реализован в 1872 году в чилийском шахтерском городе Лас-Салинас. [48] Установка, которая имела площадь сбора солнечной энергии 4700 м 2 (51 000 кв. футов), могла производить до 22 700 л (5000 имп галлонов; 6000 галлонов США) в день и работала в течение 40 лет. [48] Индивидуальные конструкции дистилляторов включают односкатные, двухскатные (или тепличного типа), вертикальные, конические, перевернутые абсорберы, многофитильные и многоэффектные. Эти дистилляторы могут работать в пассивном, активном или гибридном режимах. Дистилляторы с двойным наклоном являются наиболее экономичными для децентрализованных бытовых целей, в то время как активные многоэффектные блоки больше подходят для крупномасштабного применения. [47]
Дезинфекция воды с помощью солнечной энергии (SODIS) заключается в том, что наполненные водой пластиковые бутылки из полиэтилентерефталата (ПЭТ) подвергаются воздействию солнечного света в течение нескольких часов. [49] Время воздействия варьируется в зависимости от погоды и климата от минимум шести часов до двух дней в условиях полной облачности. [50] Всемирная организация здравоохранения рекомендует этот метод в качестве эффективного метода очистки и безопасного хранения воды в домашних условиях. [51] Более двух миллионов человек в развивающихся странах используют этот метод для ежедневного получения питьевой воды. [50]
Солнечная энергия может использоваться в пруду стабилизации воды для очистки сточных вод без химикатов или 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 химикаты, которые делают воду непригодной для использования. [52] [53]
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. Прогнозируется, что система будет иметь годовую эффективность 99%, что соответствует энергии, сохраненной путем хранения тепла перед его превращением в электричество, по сравнению с преобразованием тепла напрямую в электричество. [54] [55] [56] Смеси расплавленной соли различаются. Самая расширенная смесь содержит нитрат натрия , нитрат калия и нитрат кальция . Она негорючая и нетоксичная и уже использовалась в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя. Следовательно, опыт использования таких систем существует в несолнечных приложениях.
Соль плавится при температуре 131 °C (268 °F). Она хранится в жидком состоянии при температуре 288 °C (550 °F) в изолированном «холодном» резервуаре для хранения. Жидкая соль прокачивается через панели в солнечном коллекторе, где сфокусированное излучение нагревает ее до 566 °C (1051 °F). Затем она отправляется в горячий резервуар для хранения. Он настолько хорошо изолирован, что тепловая энергия может с пользой храниться до недели. [57]
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 понадобится бак высотой около 9,1 метра (30 футов) и диаметром 24 метра (79 футов), чтобы она могла работать в течение четырех часов при такой конструкции.
Несколько электростанций с параболическими желобами в Испании [58] и разработчик солнечной башни SolarReserve используют эту концепцию хранения тепловой энергии. Электростанция Solana Generating Station в США имеет шесть часов хранения расплавленной солью. В Чили электростанция Cerro Dominador имеет солнечно-тепловую башню мощностью 110 МВт, тепло передается расплавленным солям . [59] Затем расплавленные соли передают свое тепло в теплообменнике воде, генерируя перегретый пар, который питает турбину, преобразующую кинетическую энергию пара в электрическую энергию с помощью цикла Ренкина . [60] Таким образом, станция Cerro Dominador способна вырабатывать около 110 МВт электроэнергии. [61] На станции установлена усовершенствованная система хранения, позволяющая ей вырабатывать электроэнергию в течение 17,5 часов без прямого солнечного излучения, что позволяет ей обеспечивать стабильную подачу электроэнергии без перебоев, если это необходимо. Проект обеспечил продажу до 950 ГВт·ч в год. Другой проект — электростанция Мария Елена [62] — это комплекс термосолнечных батарей 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 . Солнечные панели используют фотоэлектрический эффект для преобразования света в электрический ток . [63] Концентрированные солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала и системы слежения за солнцем для фокусировки большой площади солнечного света в горячую точку, часто для приведения в действие паровой турбины .
Фотоэлектрические системы (PV) изначально использовались исключительно в качестве источника электроэнергии для малых и средних приложений, от калькулятора, работающего от одной солнечной батареи, до удаленных домов, питаемых от автономной фотоэлектрической системы на крыше. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. С тех пор, поскольку стоимость солнечных панелей упала, мощность и производство сетевых солнечных фотоэлектрических систем удваивались примерно каждые три года . Три четверти новых генерирующих мощностей составляют солнечные батареи, [64] при этом продолжают строиться как миллионы установок на крышах, так и гигаваттные фотоэлектрические электростанции .
В 2023 году солнечная энергия выработала 5,5% (1631 ТВт-ч) мировой электроэнергии и более 1% первичной энергии , добавив вдвое больше новой электроэнергии, чем уголь. [65] [66] Наряду с наземной ветровой энергией , солнечная энергия коммунального масштаба является источником с самой низкой приведенной стоимостью электроэнергии для новых установок в большинстве стран. [67] [68] По состоянию на 2023 год 33 страны вырабатывали более десятой части своей электроэнергии за счет солнечной энергии, причем Китай обеспечивал более половины роста солнечной энергии. [69] Почти половина солнечной энергии, установленной в 2022 году, была установлена на крышах . [70]
Для электрификации и ограничения изменения климата требуется гораздо больше низкоуглеродной энергии . [64] Международное энергетическое агентство заявило в 2022 году, что необходимы дополнительные усилия для интеграции сетей и смягчения проблем политики, регулирования и финансирования. [71] Тем не менее, солнечная энергия может значительно снизить стоимость энергии. [66]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 концентрации; наиболее разработанными являются параболический желоб, солнечные башенные коллекторы, концентрирующий линейный отражатель Френеля и тарелка Стирлинга. Различные методы используются для отслеживания Солнца и фокусировки света. Во всех этих системах рабочая жидкость нагревается концентрированным солнечным светом, а затем используется для выработки электроэнергии или ее хранения. [72] Проекты должны учитывать риск пылевой бури , града или другого экстремального погодного явления, которое может повредить тонкие стеклянные поверхности солнечных электростанций. Металлические решетки позволят большому проценту солнечного света проникать в зеркала и солнечные панели, а также предотвращать большую часть повреждений.
Солнечный свет оказывал влияние на проектирование зданий с самого начала истории архитектуры. [74] Передовые методы солнечной архитектуры и городского планирования впервые были использованы греками и китайцами , которые ориентировали свои здания на юг, чтобы обеспечить свет и тепло. [75]
Общими чертами пассивной солнечной архитектуры являются ориентация относительно Солнца, компактные пропорции (низкое отношение площади поверхности к объему), выборочное затенение (навесы) и тепловая масса . [74] Когда эти черты адаптированы к местному климату и окружающей среде, они могут создавать хорошо освещенные пространства, которые остаются в комфортном диапазоне температур. Socrates ' Megaron House является классическим примером пассивного солнечного дизайна. [74] Самые последние подходы к солнечному дизайну используют компьютерное моделирование, связывая вместе системы солнечного освещения , отопления и вентиляции в интегрированный пакет солнечного дизайна . [76] Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и переключаемые окна, может дополнять пассивный дизайн и улучшать производительность системы.
Городские острова тепла (UHI) — это городские районы с более высокими температурами, чем окружающая среда. 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 в естественной среде. Простой метод противодействия эффекту UHI — покрасить здания и дороги в белый цвет и посадить деревья в этом районе. Используя эти методы, гипотетическая программа «прохладных сообществ» в Лос-Анджелесе спрогнозировала, что городские температуры могут быть снижены примерно на 3 °C при предполагаемой стоимости в 1 миллиард долларов США, что дает предполагаемую общую ежегодную выгоду в размере 530 миллионов долларов США за счет снижения расходов на кондиционирование воздуха и экономии на здравоохранении. [77]
Сельское хозяйство и садоводство стремятся оптимизировать захват солнечной энергии для оптимизации производительности растений. Такие методы, как циклы посадки по времени, индивидуальная ориентация рядов, ступенчатая высота между рядами и смешивание сортов растений, могут улучшить урожайность. [78] [79] [80] Хотя солнечный свет обычно считается обильным ресурсом, исключения подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. В течение 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. Ранние фруктовые стены строились перпендикулярно земле и обращенными на юг, но со временем были разработаны наклонные стены, чтобы лучше использовать солнечный свет. В 1699 году Николя Фатио де Дюйе даже предложил использовать следящий механизм , который мог поворачиваться, чтобы следовать за Солнцем. [81] Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве помимо выращивания сельскохозяйственных культур включает перекачку воды, сушку урожая, высиживание цыплят и сушку куриного помета. [46] [82] Совсем недавно эту технологию стали использовать виноделы , которые используют энергию, вырабатываемую солнечными батареями, для питания виноградных прессов. [83]
Теплицы преобразуют солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное производство и рост (в закрытых помещениях) специальных культур и других растений, которые не подходят для местного климата. Примитивные теплицы впервые использовались во времена Римской империи для круглогодичного выращивания огурцов для римского императора Тиберия . [84] Первые современные теплицы были построены в Европе в 16 веке для хранения экзотических растений, привезенных из зарубежных исследований. [85] Теплицы остаются важной частью садоводства и сегодня. Пластиковые прозрачные материалы также использовались для аналогичного эффекта в многотоннелях и покрытиях рядов .
Разработка автомобиля на солнечных батареях была инженерной целью с 1980-х годов. World Solar Challenge — это двухгодичная гонка на автомобилях на солнечных батареях, в которой команды из университетов и предприятий соревнуются на дистанции 3021 километр (1877 миль) по центральной Австралии от Дарвина до Аделаиды . В 1987 году, когда она была основана, средняя скорость победителя составляла 67 километров в час (42 мили в час), а к 2007 году средняя скорость победителя увеличилась до 90,87 километров в час (56,46 миль в час). [86] North American Solar Challenge и запланированный South African Solar Challenge — это сопоставимые соревнования, которые отражают международный интерес к проектированию и разработке транспортных средств на солнечных батареях. [87] [88]
Некоторые транспортные средства используют солнечные панели в качестве вспомогательного источника питания, например, для кондиционирования воздуха, чтобы поддерживать прохладу в салоне, тем самым снижая расход топлива. [89] [90]
В 1975 году в Англии была построена первая практичная лодка на солнечных батареях. [91] К 1995 году начали появляться пассажирские суда, включающие в себя фотоэлектрические панели, и в настоящее время они широко используются. [92] 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. [93] Были планы совершить кругосветное плавание в 2010 году. [94]
В 1974 году беспилотный самолет AstroFlight Sunrise совершил первый полет на солнечной энергии. 29 апреля 1979 года Solar Riser совершил первый полет на солнечной энергии, полностью управляемый, пилотируемый летательный аппарат, достигнув высоты 40 футов (12 м). В 1980 году Gossamer Penguin совершил первые пилотируемые полеты, работающие исключительно на фотоэлектрических элементах. За ним вскоре 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. [95] Затем разработки вернулись к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) с Pathfinder (1997) и последующими конструкциями, кульминацией которых стал Helios , установивший рекорд высоты для неракетных самолетов на высоте 29 524 метра (96 864 фута) в 2001 году. [96] Zephyr , разработанный BAE Systems , является последним в линейке рекордных солнечных самолетов, совершив 54-часовой полет в 2007 году, а месячные полеты были предусмотрены к 2010 году. [97] С марта 2015 года по июль 2016 года Solar Impulse , электрический самолет , успешно облетел земной шар. Это одноместный самолет, работающий на солнечных батареях и способный взлетать самостоятельно. Конструкция позволяет самолету оставаться в воздухе в течение нескольких дней. [98]
Солнечный шар — это черный шар, наполненный обычным воздухом. Когда солнечный свет падает на шар, воздух внутри нагревается и расширяется, вызывая подъемную силу , как у искусственно нагретого воздушного шара . Некоторые солнечные шары достаточно велики для полета человека, но их использование, как правило, ограничивается рынком игрушек, поскольку соотношение площади поверхности к весу полезной нагрузки относительно велико. [99]
.jpg/1280px-Squad_Solar_Car_(Fully_Charged_2022).jpg)
Squad Solar — это местный электромобиль с солнечной крышей, который можно подключить к обычной розетке на 120 вольт для зарядки. [100]
.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 хранимое и транспортируемое топливо. Химические реакции, вызванные солнечным излучением, можно разделить на термохимические и фотохимические . [101] Различные виды топлива могут быть получены путем искусственного фотосинтеза . [102] Многоэлектронная каталитическая химия, участвующая в производстве углеродного топлива (например, метанола ) путем восстановления углекислого газа , 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. [103] Некоторые предполагают, что к 2050 году в прибрежных городских районах будут работать работающие солнечные топливные заводы — расщепление морской воды с получением водорода для подачи через соседние электростанции на топливных элементах и чистый побочный продукт, поступающий непосредственно в муниципальную систему водоснабжения. [104] Кроме того, химическое хранение энергии является еще одним решением для хранения солнечной энергии. [105]
Технологии производства водорода стали важной областью исследований солнечной химии с 1970-х годов. Помимо электролиза, осуществляемого фотоэлектрическими или фотохимическими ячейками, также были исследованы несколько термохимических процессов. Один из таких путей использует концентраторы для расщепления воды на кислород и водород при высоких температурах (2300–2600 °C или 4200–4700 °F). [106] Другой подход использует тепло от солнечных концентраторов для приведения в действие паровой конверсии природного газа, тем самым увеличивая общий выход водорода по сравнению с традиционными методами конверсии. [107] Термохимические циклы, характеризующиеся разложением и регенерацией реагентов, представляют собой еще один путь для производства водорода. Процесс Solzinc, разрабатываемый в Институте науки Вейцмана, использует солнечную печь мощностью 1 МВт для разложения оксида цинка (ZnO) при температурах выше 1200 °C (2200 °F). Эта начальная реакция производит чистый цинк, который впоследствии может реагировать с водой для получения водорода. [108]
Системы тепловой массы могут хранить солнечную энергию в виде тепла при бытовых полезных температурах в течение дневных или межсезонных периодов . Системы тепловой аккумуляции обычно используют легкодоступные материалы с высокой удельной теплоемкостью, такие как вода, земля и камень. Хорошо спроектированные системы могут снизить пиковый спрос , сместить время использования на непиковые часы и снизить общие потребности в отоплении и охлаждении. [109] [110]
Материалы с фазовым переходом, такие как парафин и глауберова соль, являются еще одним носителем тепла. Эти материалы недороги, легкодоступны и могут обеспечивать бытовые полезные температуры (приблизительно 64 °C или 147 °F). «Dover House» (в Дувре, Массачусетс ) был первым, кто использовал систему отопления на основе глауберовой соли в 1948 году. [111] Солнечную энергию также можно хранить при высоких температурах с помощью расплавленных солей . Соли являются эффективным носителем тепла, поскольку они недорогие, имеют высокую удельную теплоемкость и могут отдавать тепло при температурах, совместимых с обычными энергосистемами. Проект Solar Two использовал этот метод хранения энергии, что позволило ему хранить 1,44 тераджоуля (400 000 кВт·ч) в своем резервуаре для хранения объемом 68 м³ с годовой эффективностью хранения около 99%. [112]
Автономные фотоэлектрические системы традиционно использовали перезаряжаемые батареи для хранения избыточного электричества. В системах, привязанных к сети, избыточное электричество может быть отправлено в передающую сеть , в то время как стандартное сетевое электричество может быть использовано для покрытия дефицита. Программы чистого учета дают бытовым системам кредит за любое электричество, которое они поставляют в сеть. Это осуществляется путем «отката» счетчика всякий раз, когда дом производит больше электроэнергии, чем потребляет. Если чистое потребление электроэнергии ниже нуля, коммунальное предприятие затем переносит кредит киловатт-часа на следующий месяц. [113] Другие подходы предполагают использование двух счетчиков для измерения потребленной электроэнергии по сравнению с произведенной. Это встречается реже из-за возросшей стоимости установки второго счетчика. Большинство стандартных счетчиков точно измеряют в обоих направлениях, что делает второй счетчик ненужным.
Гидроаккумулирующая электростанция хранит энергию в форме воды, перекачиваемой, когда энергия доступна, из резервуара с более низкой высотой в резервуар с более высокой высотой. Энергия восстанавливается, когда спрос высок, путем сброса воды, при этом насос становится генератором гидроэлектроэнергии. [114]
Начиная с всплеска использования угля , который сопровождал промышленную революцию , потребление энергии неуклонно переходило от древесины и биомассы к ископаемому топливу . Раннее развитие солнечных технологий, начавшееся в 1860-х годах, было обусловлено ожиданием того, что уголь скоро станет дефицитным. Однако развитие солнечных технологий застопорилось в начале 20-го века в условиях растущей доступности, экономичности и полезности угля и нефти . [115]
Нефтяное эмбарго 1973 года и энергетический кризис 1979 года вызвали реорганизацию энергетической политики во всем мире. Это вновь привлекло внимание к разработке солнечных технологий. [116] [117] Стратегии развертывания были сосредоточены на программах стимулирования, таких как Федеральная программа использования фотоэлектрических систем в США и Программа солнечного света в Японии. Другие усилия включали формирование исследовательских учреждений в США (SERI, теперь NREL ), Японии ( NEDO ) и Германии ( Институт Фраунгофера по системам солнечной энергии ISE ). [118]
Коммерческие солнечные водонагреватели начали появляться в Соединенных Штатах в 1890-х годах. [119] Эти системы все чаще использовались до 1920-х годов, но постепенно были заменены более дешевым и надежным топливом для отопления. [120] Как и в случае с фотоэлектричеством, солнечный водонагреватель вновь привлек внимание в результате нефтяных кризисов в 1970-х годах, но интерес угас в 1980-х годах из-за падения цен на нефть. Развитие сектора солнечного водонагревателя неуклонно прогрессировало в течение 1990-х годов, и ежегодные темпы роста составляли в среднем 20% с 1999 года. [121] Хотя в целом его недооценивают, солнечный водонагреватель и охлаждение на сегодняшний день являются наиболее широко используемой солнечной технологией с предполагаемой мощностью 154 ГВт по состоянию на 2007 год. [121]
Международное энергетическое агентство заявило, что солнечная энергия может внести значительный вклад в решение некоторых из наиболее острых проблем, с которыми сталкивается мир в настоящее время: [1]
Разработка доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды. Это увеличит энергетическую безопасность стран за счет опоры на местные, неисчерпаемые и в основном независимые от импорта ресурсы, повысит устойчивость, сократит загрязнение, снизит затраты на смягчение последствий изменения климата и сохранит цены на ископаемое топливо ниже, чем в противном случае. Эти преимущества являются глобальными. Следовательно, дополнительные затраты на стимулы для раннего развертывания следует считать инвестициями в обучение; они должны быть разумно потрачены и должны быть широко распределены. [1]
В 2011 году в отчете Международного энергетического агентства было установлено, что такие технологии солнечной энергетики, как фотоэлектричество, 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 введением затрат для стран-эмитентов парниковых газов . «Сила солнечной энергии заключается в невероятном разнообразии и гибкости применений, от малых до больших масштабов». [122]
Мы доказали... что после того, как наши запасы нефти и угля будут исчерпаны, человечество сможет получать неограниченную энергию от лучей Солнца.
— Фрэнк Шуман , The New York Times , 2 июля 1916 г. [26]
В 2021 году компания Lazard оценила нормированную стоимость новой несубсидированной солнечной электроэнергии коммунального масштаба менее чем в 37 долларов за МВт-ч, а существующую угольную электроэнергию — выше этой суммы. [123] [124] В отчете за 2021 год также говорится, что новая солнечная электростанция также дешевле новой газовой, но не существующей газовой. [124]
Системы концентрированной фотовольтаики (CPV) используют солнечный свет, сконцентрированный на фотоэлектрических поверхностях, для выработки электроэнергии. Термоэлектрические или «термоэлектрические» устройства преобразуют разницу температур между разнородными материалами в электрический ток.
Плавающие солнечные батареи или плавающие фотоэлектрические системы (FPV), иногда называемые плавающими фотоэлектрическими системами, представляют собой солнечные панели, установленные на конструкции, которая плавает на поверхности водоема, как правило, водохранилища или озера, например, резервуаров питьевой воды, карьерных озер, оросительных каналов или прудов-отстойников. [125] [126] [127] [128] [129]
Системы могут иметь преимущества перед фотоэлектрическими системами (ФС) на суше. Водные поверхности могут быть менее дорогими, 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 пены [130] имеют одни из самых коротких сроков окупаемости энергии (1,3 года) и самое низкое соотношение выбросов парниковых газов к энергии (11 кг CO 2 экв/МВт·ч) среди известных технологий солнечных фотоэлектрических систем на основе кристаллического кремния. [131]
Плавающие массивы могут достигать более высокой эффективности, чем фотоэлектрические панели на суше, поскольку вода охлаждает панели. Панели могут иметь специальное покрытие для предотвращения ржавчины или коррозии. [132]
Рынок этой технологии возобновляемой энергии стремительно рос с 2016 года. Первые 20 установок мощностью в несколько десятков кВт/пик были построены в период с 2007 по 2013 год. [133] Установленная мощность выросла с 3 ГВт в 2020 году до 13 ГВт в 2022 году, [134] превзойдя прогноз в 10 ГВт к 2025 году. [135] Всемирный банк подсчитал, что существует 6600 крупных водоемов, подходящих для плавучих солнечных батарей, с технической мощностью более 4000 ГВт, если 10% их поверхности будут покрыты солнечными панелями. [134]
Расходы на плавающую систему примерно на 10-20% выше, чем на наземные системы. [136] [137] [138] По словам исследователя из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), это увеличение в первую очередь связано с необходимостью использования систем крепления для закрепления панелей на воде, что делает плавучие солнечные установки примерно на 25% дороже, чем наземные. [139]Тепловой насос — это устройство, которое обеспечивает подачу тепловой энергии от источника тепла к месту назначения, называемому «теплоотводчиком». Тепловые насосы предназначены для перемещения тепловой энергии в направлении, противоположном направлению спонтанного теплового потока, путем поглощения тепла из холодного пространства и передачи его в более теплое. Солнечный тепловой насос представляет собой интеграцию теплового насоса и тепловых солнечных панелей в единую интегрированную систему. Обычно эти две технологии используются по отдельности (или только размещая их параллельно) для производства горячей воды . [140] В этой системе солнечная тепловая панель выполняет функцию низкотемпературного источника тепла, а произведенное тепло используется для питания испарителя теплового насоса. [141] Цель этой системы — получить высокий КПД , а затем производить энергию более эффективным и менее затратным способом.
В сочетании с тепловым насосом можно использовать любой тип солнечной тепловой панели (листовая и трубчатая, рулонная, тепловая трубка, тепловые пластины) или гибридную ( моно / поликристаллическую , тонкопленочную ). Использование гибридной панели предпочтительнее, поскольку она позволяет покрыть часть потребности теплового насоса в электроэнергии и снижает потребление электроэнергии и, следовательно, переменные затраты системы.
Электрический самолет — это самолет, который работает на электродвигателях , а не на двигателях внутреннего сгорания , при этом электричество поступает от топливных элементов , солнечных батарей , ультраконденсаторов , энергетических лучей [142] или батарей .
В настоящее время летающие пилотируемые электрические самолеты в основном являются экспериментальными демонстраторами, хотя многие небольшие беспилотные летательные аппараты питаются от батарей. Электрические модели самолетов летали с 1970-х годов, один из отчетов был в 1957 году. [143] [144] Первые полеты людей на электрическом приводе были совершены в 1973 году. [145] В период с 2015 по 2016 год пилотируемый самолет на солнечных батареях Solar Impulse 2 совершил кругосветное путешествие вокруг Земли. [146]
Гюнтер Рохельт был конструктором и строителем Solair I, солнечного самолета с размахом крыльев 16 м... 21 августа 1983 г. он совершил полет на Solair I, в основном на солнечной энергии, а также на термических потоках, в течение 5 часов 41 минуты.
