Eng Ru
Отправить письмо

Солнечная энергетика. Солнечная энергия википедия

$direct1

Солнечная энергетика — Википедия

Карта солнечного излучения

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии[1] и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой или солью для последующего использования нагретой воды для отопления, горячего водоснабжения или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света. Этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.

Земные условия

Карта солнечного излучения — Европа

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в π раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Видео по теме

Достоинства и недостатки

Достоинства

  • Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.
  • Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

  • Зависимость от погоды и времени суток[3].
  • Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.
  • При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.
  • Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
  • Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.
  • Нагрев атмосферы над электростанцией.
  • Необходимость использования больших площадей[3].
  • Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.[3].

Солнечная электроэнергетика

Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС
Год Энергия ТВт·ч Годовой прирост Доля от всей
2004 2,6 0,01 %
2005 3,7 42 % 0,02 %
2006 5,0 35 % 0,03 %
2007 6,8 36 % 0,03 %
2008 11,4 68 % 0,06 %
2009 19,3 69 % 0,10 %
2010 31,4 63 % 0,15 %
2011 60,6 93 % 0,27 %
2012 96,7 60 % 0,43 %
2013 134,5 39 % 0,58 %
2014 185,9 38 % 0,79 %
2015 253,0 36 % 1,05 %
2016 301,0 33 % 1,3 %
Источник — BP Statistical Review of World Energy, 2015, 2017[4][5][6]

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году Производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии[7].

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[8]:

  1. Yingli — 2300 МВт
  2. First Solar — 1800 МВт
  3. Trina Solar — 1600 МВт
  4. Canadian Solar — 1550 МВт
  5. Suntech — 1500 МВт
  6. Sharp — 1050 МВт
  7. Jinko Solar — 900 МВт
  8. SunPower — 850 МВт
  9. REC Group — 750 МВт
  10. Hanwha SolarOne — 750 МВт

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт[9].

Лидером по установленной мощности является Евросоюз[10], среди отдельных стран — Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии[11].

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок[12].

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт[13]. Солнечный парк Перово в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция Sarnia (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая Finsterwalde (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков — 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма.

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт[14].

Рабочие места

В середине 2011 года в фотоэлектрической промышленности Германии было занято более 100 тысяч человек. В солнечной энергетике США работали 93,5 тысяч человек[15].

Перспективы солнечной электроэнергетики

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[16]. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно[7].

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей[17].

Тем не менее, по прогнозам, себестоимость генерации электроэнергии солнечными электростанциями к 2020 году снизится до себестоимости генерации с использованием ископаемого топлива и переход к использованию солнечных электростанций станет экономически выгодным[18].

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость не линейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей[19].

Освещение зданий

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке юрты. Световые фонари применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т. д. Световой колодец диаметром 300 мм способен освещать площадь 8 м². Один колодец позволяет в европейских условиях предотвратить ежегодный выброс в атмосферу до 7,4 тонн СО2. Световые колодцы с оптоволокном разработаны в 2004 году в США. В верхней части такого колодца применяются параболические коллекторы. Применение солнечных колодцев позволяет сократить потребление электроэнергии, в зимнее время — сократить дефицит солнечного света у людей, находящихся в здании[20].

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—$0,05 к 2015—2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта[7]. К 2020 году страны Евросоюза планируют построить 26,3 ГВт солнечных термальных мощностей[21].

Солнечная кухня

Солнечная жаровня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства простейшей «солнечной кухни» составляет $3—$7.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов и вреду для здоровья. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн тонн СО2. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров. Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

  • Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт NASA Pathfinder Helios с фотоэлементами на крыльях

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger[en], питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час[22]. В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также

Источники

  1. ↑ Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт 15.12.2005
  2. ↑ Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). Архивировано 22 августа 2011 года.
  3. ↑ 1 2 3 Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  4. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section, BP (June 2015).
  5. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section, BP (June 2015).
  6. ↑ Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года, BP (June 2017).
  7. ↑ 1 2 3 BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
  8. ↑ Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013// RE neweconomy
  9. ↑ http://www.ren21.net/Portals/0/documents/Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf
  10. ↑ Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год. Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  11. ↑ Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
  12. ↑ Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
  13. ↑ Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире
  14. ↑ Deutsche Welle 30.03.2018 Саудовская Аравия заменит нефть солнечными батареями
  15. ↑ Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г.
  16. ↑ Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика. РБК (17 июня 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  17. ↑ Кассандра Суит (перевёл Алексей Невельский). Гигантская солнечная электростанция в Калифорнии убивает птиц.. Гелиотермальная станция стоимостью $2,2 млрд может стать последним таким проектом: она нагревает воздух до 540 градусов по Цельсию, регуляторы и биологи считают это причиной смерти десятков птиц (рус.). Ведомости, перевод из The Wall Street Journal (13 февраля 2014). Проверено 6 июня 2016.
  18. ↑ Органическое топливо — на свалку истории? // Наука и жизнь. — 2018. — № 3. — С. 65.
  19. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Проверено 6 июня 2016.
  20. ↑ BBC News — Alfredo Moser: Bottle light inventor proud to be poor
  21. ↑ Tildy Bayar Solar Thermal Holds Steady in Europe 15 Октябрь 2012 г.
  22. ↑ Britannica Book of the Year 2008: «MacCready, Paul Beattie», page 140

Ссылки

Литература

  • Д. Мак-Вейг Применение солнечной энергии. — М.: Энергоиздат, 1981. — Тираж 5 600 экз. — 210 с.

Отрасли промышленности

wikipedia.green

Солнечная энергия Википедия

Эта статья или раздел содержит незавершённый перевод с английского языка.

Вы можете помочь проекту, закончив перевод.

Карта солнечного излучения на поверхности Земли Карта солнечного излучения — Европа

Со́лнечная эне́ргия — энергия от Солнца в форме радиации и света. Эта энергия в значительной мере управляет климатом и погодой, и является основой жизни. Технология, контролирующая солнечную энергию называется солнечной энергетикой.

Солнечная энергия и Земля

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 PW солнечного излучения (инсоляции)[1]. Около 6 % инсоляции отражается атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

Атмосфера не только уменьшает количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, но и дифузує около 20 % с того что поступает, и фильтрует часть его спектра. После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектр. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение[2][3].

Солнечное излучение поглощается поверхностью суши, океанами (покрывают около 71 % поверхности земного шара) и атмосферой. Абсорбция солнечной энергии через атмосферную конвекцию, испарение и конденсация водяного пара является движущей силой круговорота воды и управляет ветрами. Солнечные лучи абсорбоване океаном и сушей поддерживает среднюю температуру на поверхности Земли, что ныне составляет 14 °C[4]. Благодаря фотосинтезу растений солнечная энергия может превращаться в химическую, которая хранится в виде пищи, древесины и биомассы, которая в конце концов превращается в ископаемое топливо[5].

Перспективы использования

Солнечная энергия является источником энергии ветра, воды, тепла морей, биомассы, а также причиной образования на протяжении тысячелетий торфа, бурого и каменного угля, нефти и природного газа, однако эта опосредованная энергия и накопленная в течение тысяч и миллионов лет. Энергию Солнца можно использовать и непосредственно, как источник электроэнергии и тепла. Для этого нужно создать устройства, которые концентрируют энергию Солнца на малых площадях и в малых объемах.

Общее количество солнечной энергии, которую поглощает атмосфера, поверхность суши и океана составляет примерно 3 850 000 ексаджоулів (Эдж) в год[6]. За один час, это дает больше энергии, чем весь мир использовал за целый 2002 год[7][8]. Фотосинтез забирает около 3 000 Эдж в год на производство биомассы[9]. Количество солнечной энергии, которая достигает поверхность земли такая большая, что за год она примерно вдвое превзойдет всю энергию, которую потенциально можно выработать со всех невозобновляемых источников: угля, нефти, урановых руд[10].

"'Годовое поступление солнечного излучения и потребления энергии человеком"'11 Энергию подано в ексаджоулях 1 Эдж = 1018Дж = 278 ТВт/ч 2 Потребления по состоянию на 2010 год
Солнце 3 850 000 [6]
ветер 2 250 [11]
Потенциал биомассы ~200 [12]
Мировое потребление энергии2 539 [13]
Электроэнергия2 ~67 [14]

Количество солнечной энергии, которую потенциально может использовать человек, отличается от количества энергии, которое находится вблизи земной поверхности. Такие факторы как смена дня и ночи, облачность и доступная поверхность суши уменьшают количество энергии, пригодной для использования.

Географическое положение влияет на энергетический потенциал, поскольку ближе к экватора области принимают большее количество солнечного излучения. Однако, использование устройств на фотовольтації, которые могут изменять свою ориентацию в соответствии с положением Солнца на небосклоне, может значительно повышать потенциал солнечной энергии в отдалённых от экватора областях.[15]

Доступность земель значительно влияет на возможную добычу энергии, поскольку солнечные панели можно устанавливать лишь на землях, которые для этого подходят и не используются для других целей. Например, подходящим местом для установки панелей стали крыши[15].

Солнечные системы делятся на активные и пассивные, в зависимости от способа впитать солнечную энергию, ее переработать и распределить.

Активные солнечные технологии используют фотовольтаику, концентрированную солнечную энергию (англ.), солнечные коллекторы, насосы и вентиляторы, чтобы превратить солнечное излучение в полезный выход энергии. Среди пассивных солнечных технологий: использование материалов с благоприятными тепловыми характеристиками, дизайн помещений с естественной циркуляцией воздуха и выгодное расположение зданий относительно положения Солнца. Активные солнечные технологии повышают энергоснабжения, тогда как пассивные уменьшают потребность в дополнительных источниках энергии[16].

2000 года Программа развития ООН, Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН и Мировой энергетический совет опубликовали оценку потенциала солнечной энергии, которую человечество может добывать, приняв во внимание такие факторы, как инсоляция, облачность и доступна для использования поверхность суши. Оценка показала, что глобальный потенциал солнечной энергии составляет 1,575–49,837 Эдж на год "(см. таблицу ниже)"[15].

Годовой потенциал солнечной энергии по регионам (Эдж)[15] Регион Северная Америка Латинская Америка и Карибы Западная Европа Центральная и Восточная Европа Страны бывшего Советского Союза Ближний Восток и Северная Африка Sub-Saharan Африка Pacific Asia Южная Азия Centrally planned Asia Pacific OECD
Минимум 181,1 112,6 25,1 4,5 199,3 412,4 371,9 41,0 38,8 115,5 72,6
Максимум 7 410 3 385 914 154 8 655 11 060 9 528 994 1 339 4 135 2 263

В это время работают нагревательные устройства, которые аккумулируют энергию Солнца, а также опытные образцы электродвигателей и автомобилей, которые используют энергию Солнца.

Солнечная энергия, как полагают, к концу века может составить не более 1 % от общего количества используемой энергии. Еще в 1870 году в Чили было построено солнечный опреснитель морской воды, который производил до 30 т пресной воды в сутки и работал более 40 лет. Благодаря применению гетеропереходов коэффициент полезного действия солнечных батарей уже достигает 25 %. Налажено производство солнечных батарей в виде длинной поликристаллической кремниевой ленты, которые имеют КПД более 10 %.

Тепловая энергия

Технологии, которые используют тепловую энергию солнца, можно применять для нагрева воды, обогрева помещений, охлаждения помещений и генерации технологической теплоты[17].

В 1897 году Франк Шуман, американский изобретатель, инженер и пионер по использованию солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, принцип работы которого заключался в том, что солнечный свет отражалось на квадратные контейнеры, заполненные эфиром, температура кипения которого меньше, чем воды. Внутри до контейнеров были пригнаны черные трубы, которые приводили в движение паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company, которая должна была строить большие установки на солнечной энергии. Вместе со своим техническим советником А. С. Э Аккерманом и британским физиком Чарльзом Верноном Бойзом[18] Шуман разработал улучшенную систему, использовав систему зеркал, которые отражали солнечные лучи на коробки солнечных коллекторов, повышая эффективность нагрева до уровня, когда можно было вместо эфира использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, который работал на воде под низким давлением. Это дало ему возможность 1912 года запатентовать целую систему с солнечным двигателем.

Между 1912 и 1913 годами Шуман построил первую в мире геотермальную электростанцию в городе Маади Египет. Шумановская электростанция использовала параболоцилиндрический концентратор, чтобы привести в движение двигатель мощностью 45 — 52 кВт, который перекачивал более 22 000 литров воды за минуту с реки Нил на близлежащие хлопковые поля. Хотя Первая мировая война, а также открытие дешевой нефти в 1930-х годах, и помешали дальнейшему продвижению солнечной энергии, но шумановское видение и базовый дизайн был возрожден в 1970-х годах на новой волне интереса к геотермальной энергии[19]. В 1916 году в прессе часто Цитировали слова Шумана, в которых он защищал использования солнечной энергии:

Мы доказали, что использование солнечной энергии может быть коммерчески выгодным в тропиках, и даже более того, доказали, что после исчерпания запасов нефти и угля, человечество получит неисчерпаемый источник энергии в виде солнечных лучей.

Оригинальный текст (англ.)

We have proved the commercial profit of sun power in the tropics and have more particularly proved that after our stores of oil and coal are exhausted the human race can receive unlimited power from the rays of the sun.

40Франк шуманNew York Times, 2 июля 1916[20]

Нагревание воды

Солнечные водонагреватели возвращены в Солнца, чтобы повысить эффективность.

В низких географических широтах (ниже 40 градусов) от 60 до 70 % всей бытовой горячей воды температурой до 60 °C могут обеспечить солнечные системы для нагрева воды[21]. Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются: вакуумные трубные коллекторы (44 %) и плоские коллекторы (34 %), которые обычно используют для нагрева бытовой горячей воды; а также прозрачные пластиковые коллекторы (21 %), которые главным образом используют, чтобы подогревать плавательные бассейны[22].

По состоянию на 2007 год общая установленная мощность солнечных систем для нагрева воды составляла примерно 154 тепловых ГВт.[23] Китай является мировым лидером в этой области, установив по состоянию на 2006 год 70 ГВт тепловых и планируя к 2020 году достичь 210 ГВт тепловых[24]. Израиль и Кипр являются мировыми лидерами по использованию солнечных систем для подогрева воды на душу населения с 90 % домохозяйств, которые их установили[25]. В США, Канаде и Австралии солнечные водоподогреватели служат преимущественно для подогрева плавательных бассейнов, с установленной мощностью состоянию на 2005 год около 18 ГВт тепловых[16].

Обогрев, охлаждение и вентиляция

В США на HVAC приходится 30 % (4.65 EJ/yr) энергии, которая используется в коммерческих зданиях и почти 50 % (10.1 EJ/yr) энергии, которая используется в жилых домах[26][27]. Системы солнечного обогрева, охлаждения и вентиляции можно использовать, чтобы компенсировать часть этой энергии.

Тепловая масса — это любой материал, который можно применять, чтобы сохранять тепло, в частности солнечное. Среди материалов, которые могут выполнять функцию тепловой массы, камень, цемент и вода. На протяжении истории их применяли в засушливом или теплом климате, чтобы сохранить помещение прохладным, поскольку они впитывают солнечную энергию в течение дня и выпускают накопленное тепло ночью. Однако их можно применять и в прохладных регионах, чтобы сохранять тепло. Размер и расположение тепловой массы зависит от нескольких факторов, таких как климат, соотношение времени солнечной освещенности и пребывание в тени. Если тепловую массу правильно разместить, то она сохраняет температуру в помещении в комфортном диапазоне и уменьшает потребность в устройствах для дополнительного обогрева и охлаждения[28].

Солнечный дымоход (англ.) (или тепловой дымоход, в этом контексте) — это пассивная система солнечной вентиляции, состоящей из вертикального ствола, который соединяет внутреннюю и внешнюю стороны здания. Если дымоход нагревается, то воздух внутри также нагревается, вызывая вертикальный сквозняк (англ.) который протягивает воздух через дом. Его работу можно улучшить, если использовать непрозрачные материалы и тепловую массу[29] таким образом, который напоминает теплицу.

Листопадные растения предложено как способ контролировать солнечное нагревание и охлаждение. Если они растут на южной стороне здания в северном полушарии или северной стороне здания в южном полушарии, то их листья обеспечивает тень в течение лета, тогда как голые стволы без препятствий пропускают солнечные лучи зимой[30].

Приготовление еды

Параболическая тарелка вырабатывает пар для приготовления пищи, Ауровіль (Индия)

Солнечные печи используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации. Их можно разделить на три широких категории: коробчасті печи (англ. box cookers), панельные печи (англ. panel cookers) и отражательные печи (англ. reflector cookers)[31]. Простейшая солнечная печь — коробчаста, которую впервые построил Орас Бенедикт де Соссюр 1767 года[32]. Простая коробчаста печь состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Она может эффективно применяться при частично закрытом облаками небе и обычно достигает температуры 90-150 °C[33]. Панельная печь использует отражающую панель, чтобы на солнечные лучи на изолированный контейнер и достичь температуры, сравнимой с коробчастою печью. Отражательные печи используют различную геометрию отражателя (тарелку, корыто, зеркала Френеля), чтобы сфокусировать лучи на контейнер. Эти печи достигают температуры 315 °C, но требуют прямого луча и их нужно переставлять вместе с изменением положения Солнца[34].

Технологическое тепло

Шаблон:Перевод Системы концентрации солнечной энергии, такие как параболические тарелки, корыта и отражатели Шеффлера могут обеспечивать технологическое тепло для коммерческих и индустриальных нужд. Первой коммерческой системой был Total Solar Energy Project (англ.) (STEP) в Шенандоа, (Джорджия, США), где поле со 114 параболических тарелок обеспечило 50 % технологического тепла, вентиляции воздуха и потребностей в электроэнергии для швейной фабрики. Эта подключена к сети когенерационная установка обеспечила 400 Квт электроэнергии а также тепловую энергию в виде 401 Вт пара и 468 КВт охлажденной воды и обеспечивала хранение тепла с одногодинним пиковой нагрузкой[35]. Пруды-испарители — это мелкие бассейны, которые сконцентровують растворенные в воде твердые вещества с помощью испарение. Использование прудов-испарителей, чтобы добыть соль из морской воды, является одним из старейших применений солнечной энергии. Среди современных применений: повышение концентрации солей при добыче металлов методом выщелачивания, а также удаления твердых веществ из сточных вод[36]. При использовании шнуров (англ.), сушилки (англ.) и вешалок белье высыхает в процессе испарения под действием ветра и солнечных лучей без потребления электроэнергии и газа. В законах некоторых штатов даже специально прописан защита «права сушить» одежду[37]. Unglazed transpired collectors (UTC) are perforated sun-facing walls used for ventilation air preheating. UTCs can raise the incoming air temperature up to 22 °C (40 °F) and deliver outlet temperatures of Шаблон:Convert/Dual/LoffAoffDbSoffT.[38] Короткий период возврата вложенных денег (от 3 до 12 лет) делает transpired collectors финансово выгоднее, чем glazed collection systems[38]. По состоянию на 2003 год более 80 систем с суммарной коллекторной площадью 35 000 м2 были установлены во всем мире, включая коллектор площадью 860 м2 в Коста-Рике для сушки кофейных бобов и коллектор площадью 1300 м2 в Коїмбатори (Индия) для высушивания marigolds[39].

Обработка воды

Солнечное опреснение можно использовать, чтобы превратить соленую или солоноватую воду на питьевую. Впервые пример такого преобразования зафиксировали арабские алхимики XVI века[40]. Впервые масштабный проект из солнечного опреснения построили в 1872 году в чилийському шахтерском городке Лас-Салинас[41]. Завод, который имел площадь солнечного коллектора 4700 м2 мог производить до 22 700 л питьевой воды и оставался в работе на протяжении 40 лет[41]. Individual still designs include single-slope, double-slope (greenhouse or type), vertical, conical, inverted absorber, multi-wick, and multiple effect.[40]. Эти опреснители могут работать в пассивном, активном и гибридном режимах. Double-slope казани наиболее экономически выгодные для децентрализованных бытовых нужд, тогда как active multiple effect units более подходят для широкомасштабных проектов[40].

Для солнечной дезинфекции воду наливают в прозрачные бутылки с ПЭТ и помещают их на несколько часов под солнечные лучи[42]. Время дезинфекции зависит от климата и погодных условий, по крайней мере от 6 часов до 2 дней, если небо полностью покрыто облаками[43]. Этот способ рекомендовала Всемирная организация здравоохранения как доступный метод обработки бытовой воды и безопасного хранения[44]. Более 2 миллионов людей в странах, что развиваются, ежедневно применяют этот метод для обработки своей питьевой воды[43].

Солнечную энергию можно использовать в ставках-усереднювачах для обработки сточных вод без применения химикатов и затраты электроэнергии. Еще одним преимуществом для окружающей среды является то, что водоросли живут в таких прудах и потребляют диоксид углерода в процессе фотосинтеза, хотя они могут вырабатывать токсичные вещества, которые делают воду непригодной для употребления[45][46].

Производство электроэнергии

Солнечная энергетика работает за счет преобразования солнечного света в электроэнергию. Это может происходить или непосредственно, с использованием фотовольтаики, или косвенно, с использованием систем концентрированной солнечной энергии (англ.), в которых линзы и зеркала собирают солнечный свет с большой площади в тонкий луч, а механизм слежения отслеживает положение Солнца. Фотовольтаика превращает свет в электрический ток с помощью фотоэффект.

Предполагают, что солнечная энергетика станет крупнейшим источником электроэнергии к 2050 году, в которой на долю фотовольтаики и концентрированной солнечной энергии будет приходиться 16 и 11 % мирового производства электроэнергии соответственно[47].

Коммерческие электростанции на концентрированной солнечной энергии впервые появились в 1980-х годах. После 1985 года установка этого типа SEGS (англ.) в пустыне Мохаве (Калифорния) 354 МВт стала крупнейшей солнечной электростанцией в мире. Среди других солнечных электростанций этого типа СЭС Солнова (англ.) (150 МВт) и СЭС Андасол (англ.) (100 МВт), обе в Испании. Среди крупнейших электростанций на фотовольтаїці (англ.): Agua Caliente Solar Project (250 МВт) в США, и Charanka Solar Park (221 МВТ) в Индии. Проекты мощностью более 1 ГВт находятся на стадии разработки, но большинство установок на фотовольтаїці, мощностью до 5 КВт, имеют небольшой размер и расположены на крышах.По состоянию на 2013 год на солнечную энергию приходилось менее 1 % от электроэнергии в мировой сети[48].

Архитектура и городское планирование

Наличие солнечного света влияла на дизайн зданий от самого начала истории архитектуры[50]. Впервые продвинутые методы солнечной архитектуры и городского планирования ввели древние греки и китайцы, которые ориентировали свои дома на юг, чтобы обеспечить их освещением и теплом[51].

Среди общих характеристик пассивной солнечной архитектуры (англ.): благоприятная ориентация зданий относительно Солнца, компактные пропорции (малое отношение площади поверхности к объему), выборочное затемнение (навесы) и тепловая масса (англ.)[50]. Когда эти свойства удачно подобраны с учетом местного климата, то это обеспечивает хорошее освещение помещений и позволяет оставаться в комфортном диапазоне температур. Дом мегаронного типа Сократа — является классическим примером пассивной солнечной архитектуры[50]. На нынешнем этапе солнечного дизайна применяют компьютерное моделирование с помощью которой связывают между собой дневное освещение (англ.), а также системы солнечного обогрева и вентиляции в an integrated solar design package[52]. Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и switchable windows может дополнить пассивный дизайн и улучшить показатели работы системы.

Городской тепловой остров (МТО) — это городской район, где температура выше, чем в окружающих сельских местностях. Выше температуры является следствием применения таких материалов как асфальт и бетон, которые лучше впитывают солнечное излучение, поскольку имеют ниже альбедо и выше теплоемкость, чем в окружающей среде. Чтобы непосредственно противодействовать эффекту, здания красят в белое и насаживают на улицах деревья. Согласно проекту гипотетической программы «cool communities» в Лос-Анджелеси, используя эти методы городскую температуру можно снизить примерно на 3 °C. Стоимость проекта оценивается в US$1 млрд, а общая годовая выгода может составлять US$530 млн благодаря уменьшению затрат на вентиляцию и охрану здоровья[53].

Сельское хозяйство и растениеводство

Сельское хозяйство и растениеводство ищут способ оптимизировать впитывание солнечной энергии для того, чтобы повысить продуктивность растений. Techniques such as timed planting cycles, tailored row orientation, staggered heights between rows и смешивания различных видов растений может повышать урожайность[54][55]. Обычно солнечный свет считают избыточным ресурсом и исключения из этого правила лишь подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. В течение коротких growing seasons Малого ледникового периода французские и английские (англ.) фермеры использовали фруктовые стены чтобы увеличить поступления солнечной энергии. Эти стены действовали как тепловая масса и ускоряли созревание by keeping plants warm. Ранние фруктовые стены строили перпендикулярно к поверхности земли и возвращенными на юг, но со временем появились наклонные стены, которые лучше использовали солнечный свет. 1699 года, Никола Фатіо где Дьюїльє (англ.) даже предложил применять tracking mechanism, которые мог бы возвращаться в направлении солнца[56]. Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве кроме выращивания растений включает перекачки воды, высушивание урожая, выведение цыплят и высушивание птичьего помета[39][57]. В последнее время эту технологию стали применять виноделы, которые используют энергию от солнечных панелей, чтобы обеспечить энергией винодельческие прессы[58].

оранжерея превращают солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное выращивание растений, которые в природе не приспособлены для этого климата. Простейшие оранжереи использовали в римские времена, чтобы круглый год выращивать огурцы для императора Тиберия[59]. Самые современные оранжереи появились в Европе в XVI веке, чтобы хранить в них растения, которые привезли с исследовательских путешествий[60].

См. также

Примечания

  1. ↑ Smil (1991), p. 240
  2. ↑ Радиационный и световой режим
  3. ↑ Natural Forcing of the Climate System. Intergovernmental Panel on Climate Change. Проверено 29 сентября 2007.
  4. ↑ Сомервилл, Richard. Historical Overview of Climate Change Science (PDF). Intergovernmental Panel on Climate Change. Проверено 29 сентября 2007.
  5. ↑ Vermass, Wim. An Introduction to Photosynthesis and Its Applications. Arizona State University. Проверено 29 сентября 2007.
  6. ↑ 1 2 Smil (2006), p. 12
  7. ↑ http://www.nature.com/nature/journal/v443/n7107/full/443019a.html
  8. ↑ Powering the Planet: Chemical challenges in solar energy utilization (PDF). Проверено 7 августа 2008.
  9. ↑ Energy conversion by organisms photosynthetic. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Проверено 25 мая 2008.
  10. ↑ Exergy Flow Charts - GCEP. stanford.edu.
  11. ↑ Archer, Cristina. Evaluation of Global Wind Power. Stanford. Проверено 3 июня 2008.
  12. ↑ fa.upc.es/personals/fluids/oriol/ale/eolss.pdf Renewable Energy Sources. Renewable and Appropriate Energy Laboratory. Проверено 6 декабря 2012.
  13. ↑ Total Primary Energy Consumption. Energy Information Administration. Проверено 30 июня 2013.
  14. ↑ Total Electricity Consumption Net. Energy Information Administration. Проверено 30 июня 2013.
  15. ↑ 1 2 3 4 Energy and the challenge of sustainability (PDF). UN Development Programme and World Energy Council (September 2000). Проверено 17 января 2017.
  16. ↑ 1 2 Philibert, Cédric The Present and Future use of Solar Thermal Energy as a Primary Source of Energy. IEA (2005). Архивировано 12 декабря 2011 года.
  17. ↑ Solar Energy Technologies and Applications. Canadian Renewable Energy Network. Проверено 22 октября 2007.
  18. ↑ V.+Boys/famous/4c880e9645e2ca90f61156a9efa6d16a C. V. Boys - Scientist. yatedo.com.
  19. ↑ Smith, Zachary Alden. Renewable And Alternative Energy Resources: A Reference Handbook. — ABC-CLIO, 2008. — P. 174. — ISBN 978-1-59884-089-6..
  20. ↑ American Inventor Uses egypt's Sun for Power - Appliance Concentrates the Heat Rays and Produces Steam, Which Can Be Used to Drive Irrigation Pumps in Hot Climates - View Article - NYTimes.com/date=2 July 1916. nytimes.com.
  21. ↑ Renewables for Heating and Cooling (PDF). International Energy Agency. Проверено 13 августа 2015.
  22. ↑ Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide (Markets and Contributions to the Energy Supply 2005) (PDF). International Energy Agency. Проверено 30 мая 2008. Архивировано 10 сентября 2008 года.
  23. ↑ Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2006 (PDF). International Energy Agency. Проверено 9 июня 2008.
  24. ↑ Renewables 2007 Global Status Report (PDF). Worldwatch Institute. Проверено 30 апреля 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  25. ↑ Del Chiaro, Bernadette. Solar Water Heating (California How Can Reduce Its Dependence on Natural Gas) (PDF). Environment California Research and Policy Center. Проверено 29 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  26. ↑ Apte, J. Future Advanced for Windows Zero-Energy Homes (PDF). American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Проверено 9 апреля 2008.
  27. ↑ Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential (PDF) 2-2. United States Department of Energy. Проверено 24 июня 2008.
  28. ↑ Mazria(1979), p. 29-35
  29. ↑ Bright, David Passive solar heating simpler for the average owner.. Bangor Daily News (18 February 1977). Проверено 3 июля 2011.
  30. ↑ Mazria(1979), p. 255
  31. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xi
  32. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 54-59
  33. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xii
  34. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xiii
  35. ↑ Stine, W B and Harrigan, R W. Shenandoah Total Solar Energy Project. John Wiley. Проверено 20 июля 2008.
  36. ↑ Bartlett (1998), p.393-394
  37. ↑ Thomson-Philbrook, Julia. Right to Dry Legislation in New England States and Other. Connecticut General Assembly. Проверено 27 мая 2008.
  38. ↑ 1 2 Solar Buildings (Transpired Air Collectors - Ventilation Preheating) (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Проверено 29 сентября 2007.
  39. ↑ 1 2 Leon (2006), p. 62
  40. ↑ 1 2 3 Tiwari (2003), p. 368-371
  41. ↑ 1 2 Daniels (1964), p. 6
  42. ↑ SODIS solar water disinfection. EAWAG (The Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology). Проверено 2 мая 2008.
  43. ↑ 1 2 Household Water Treatment Options in Developing Countries: Solar Disinfection (SODIS) (PDF). Centers for Disease Control and Prevention. Проверено 13 мая 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  44. ↑ Household Water Treatment and Safe Storage. World Health Organization. Проверено 2 мая 2008.
  45. ↑ Shilton AN, Powell N, Mara DD, Craggs R (2008). «Solar-powered aeration and disinfection, anaerobic co-digestion, biological CO(2) scrubbing and biofuel production: the energy and carbon management opportunities of waste stabilisation ponds». Water Sci. Technol. 58 (1): 253-258. DOI:10.2166/wst.2008.666. PMID 18653962.
  46. ↑ Tadesse I, Isoaho SA, Green FB, Puhakka JA (2003). «Removal of organics and nutrients from tannery effluent by advanced integrated Wastewater Pond Systems technology». Water Sci. Technol. 48 (2): 307-14. PMID 14510225.
  47. ↑ International Energy Agency. Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy (PDF). http://www.iea.org. IEA (2014). Проверено 7 октября 2014. Архивировано 7 октября 2014 года.
  48. ↑ Historical Data Workbook (2013 calendar year)
  49. ↑ Darmstadt University of Technology solar decathlon home design. Darmstadt University of Technology. Проверено 25 апреля 2008. Архивировано 18 октября 2007 года.
  50. ↑ 1 2 3 Schittich (2003), p. 14
  51. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 4, 159
  52. ↑ Balcomb(1992)
  53. ↑ Rosenfeld, Arthur; Romm, Joseph; Akbari, Hashem; Lloyd, Alan. Painting the Town White -- and Green. Heat Island Group. Проверено 29 сентября 2007. Архивировано 14 июля 2007 года.
  54. ↑ Jeffrey C. Silvertooth. Row Spacing, Plant Population, and Yield Relationships. University of Arizona. Проверено 24 июня 2008.
  55. ↑ Kaul (2005), p. 169-174
  56. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 42-46
  57. ↑ Bénard (1981), p. 347
  58. ↑ A Электростанция Winery. News Update. Novus Vinum (27 октября 2008). Проверено 5 ноября 2008.
  59. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 19
  60. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 41

wikiredia.ru

Солнечная энергетика Википедия

Карта солнечного излучения

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии[1] и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой или солью для последующего использования нагретой воды для отопления, горячего водоснабжения или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света. Этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.

Земные условия

Карта солнечного излучения — Европа

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в π раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Достоинства и недостатки

Достоинства

  • Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.
  • Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

  • Зависимость от погоды и времени суток[3].
  • Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.
  • При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.
  • Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
  • Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.
  • Нагрев атмосферы над электростанцией.
  • Необходимость использования больших площадей[3].
  • Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.[3].

Солнечная электроэнергетика

Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС Год Энергия ТВт·ч Годовой прирост Доля от всей
2004 2,6 0,01 %
2005 3,7 42 % 0,02 %
2006 5,0 35 % 0,03 %
2007 6,8 36 % 0,03 %
2008 11,4 68 % 0,06 %
2009 19,3 69 % 0,10 %
2010 31,4 63 % 0,15 %
2011 60,6 93 % 0,27 %
2012 96,7 60 % 0,43 %
2013 134,5 39 % 0,58 %
2014 185,9 38 % 0,79 %
2015 253,0 36 % 1,05 %
2016 301,0 33 % 1,3 %
Источник — BP Statistical Review of World Energy, 2015, 2017[4][5][6]

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году Производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии[7].

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[8]:

  1. Yingli — 2300 МВт
  2. First Solar — 1800 МВт
  3. Trina Solar — 1600 МВт
  4. Canadian Solar — 1550 МВт
  5. Suntech — 1500 МВт
  6. Sharp — 1050 МВт
  7. Jinko Solar — 900 МВт
  8. SunPower — 850 МВт
  9. REC Group — 750 МВт
  10. Hanwha SolarOne — 750 МВт

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт[9].

Лидером по установленной мощности является Евросоюз[10], среди отдельных стран — Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии[11].

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок[12].

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт[13]. Солнечный парк Перово в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция Sarnia (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая Finsterwalde (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков — 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма.

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт[14].

Рабочие места

В середине 2011 года в фотоэлектрической промышленности Германии было занято более 100 тысяч человек. В солнечной энергетике США работали 93,5 тысяч человек[15].

Перспективы солнечной электроэнергетики

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[16]. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно[7].

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей[17].

Тем не менее, по прогнозам, себестоимость генерации электроэнергии солнечными электростанциями к 2020 году снизится до себестоимости генерации с использованием ископаемого топлива и переход к использованию солнечных электростанций станет экономически выгодным[18].

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость не линейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут сся с задачей охлаждения солнечных батарей[19].

Освещение зданий

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке юрты. Световые фонари применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т. д. Световой колодец диаметром 300 мм способен освещать площадь 8 м². Один колодец позволяет в европейских условиях предотвратить ежегодный выброс в атмосферу до 7,4 тонн СО2. Световые колодцы с оптоволокном разработаны в 2004 году в США. В верхней части такого колодца применяются параболические коллекторы. Применение солнечных колодцев позволяет сократить потребление электроэнергии, в зимнее время — сократить дефицит солнечного света у людей, находящихся в здании[20].

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—$0,05 к 2015—2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта[7]. К 2020 году страны Евросоюза планируют построить 26,3 ГВт солнечных термальных мощностей[21].

Солнечная кухня

Солнечная жаровня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства простейшей «солнечной кухни» составляет $3—$7.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов и вреду для здоровья. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн тонн СО2. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров. Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

  • Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт NASA Pathfinder Helios с фотоэлементами на крыльях

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger[en], питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час[22]. В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также

Источники

  1. ↑ Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт 15.12.2005
  2. ↑ Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). Архивировано 22 августа 2011 года.
  3. ↑ 1 2 3 Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  4. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section, BP (June 2015).
  5. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section, BP (June 2015).
  6. ↑ Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года, BP (June 2017).
  7. ↑ 1 2 3 BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
  8. ↑ Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013// RE neweconomy
  9. ↑ http://www.ren21.net/Portals/0/documents/Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf
  10. ↑ Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год. Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  11. ↑ Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
  12. ↑ Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
  13. ↑ Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире
  14. ↑ Deutsche Welle 30.03.2018 Саудовская Аравия заменит нефть солнечными батареями
  15. ↑ Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г.
  16. ↑ Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика. РБК (17 июня 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  17. ↑ Кассандра Суит (перевёл Алексей Невельский). Гигантская солнечная электростанция в Калифорнии убивает птиц.. Гелиотермальная станция стоимостью $2,2 млрд может стать последним таким проектом: она нагревает воздух до 540 градусов по Цельсию, регуляторы и биологи считают это причиной смерти десятков птиц (рус.). Ведомости, перевод из The Wall Street Journal (13 февраля 2014). Проверено 6 июня 2016.
  18. ↑ Органическое топливо — на свалку истории? // Наука и жизнь. — 2018. — № 3. — С. 65.
  19. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Проверено 6 июня 2016.
  20. ↑ BBC News — Alfredo Moser: Bottle light inventor proud to be poor
  21. ↑ Tildy Bayar Solar Thermal Holds Steady in Europe 15 Октябрь 2012 г.
  22. ↑ Britannica Book of the Year 2008: «MacCready, Paul Beattie», page 140

Ссылки

Литература

  • Д. Мак-Вейг Применение солнечной энергии. — М.: Энергоиздат, 1981. — Тираж 5 600 экз. — 210 с.

Отрасли промышленности

wikiredia.ru

Солнечная энергия — Википедия © ru.wikipedia.org

Эта статья или раздел содержит незавершённый перевод с английского языка.

Вы можете помочь проекту, закончив перевод.

Карта солнечного излучения на поверхности Земли Карта солнечного излучения — Европа

Со́лнечная эне́ргия — энергия от Солнца в форме радиации и света. Эта энергия в значительной мере управляет климатом и погодой, и является основой жизни. Технология, контролирующая солнечную энергию называется солнечной энергетикой.

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 PW солнечного излучения (инсоляции)[1]. Около 6 % инсоляции отражается атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

Атмосфера не только уменьшает количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, но и дифузує около 20 % с того что поступает, и фильтрует часть его спектра. После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектр. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение[2][3].

Солнечное излучение поглощается поверхностью суши, океанами (покрывают около 71 % поверхности земного шара) и атмосферой. Абсорбция солнечной энергии через атмосферную конвекцию, испарение и конденсация водяного пара является движущей силой круговорота воды и управляет ветрами. Солнечные лучи абсорбоване океаном и сушей поддерживает среднюю температуру на поверхности Земли, что ныне составляет 14 °C[4]. Благодаря фотосинтезу растений солнечная энергия может превращаться в химическую, которая хранится в виде пищи, древесины и биомассы, которая в конце концов превращается в ископаемое топливо[5].

Солнечная энергия является источником энергии ветра, воды, тепла морей, биомассы, а также причиной образования на протяжении тысячелетий торфа, бурого и каменного угля, нефти и природного газа, однако эта опосредованная энергия и накопленная в течение тысяч и миллионов лет. Энергию Солнца можно использовать и непосредственно, как источник электроэнергии и тепла. Для этого нужно создать устройства, которые концентрируют энергию Солнца на малых площадях и в малых объемах.

Общее количество солнечной энергии, которую поглощает атмосфера, поверхность суши и океана составляет примерно 3 850 000 ексаджоулів (Эдж) в год[6]. За один час, это дает больше энергии, чем весь мир использовал за целый 2002 год[7][8]. Фотосинтез забирает около 3 000 Эдж в год на производство биомассы[9]. Количество солнечной энергии, которая достигает поверхность земли такая большая, что за год она примерно вдвое превзойдет всю энергию, которую потенциально можно выработать со всех невозобновляемых источников: угля, нефти, урановых руд[10].

"'Годовое поступление солнечного излучения и потребления энергии человеком"'11 Энергию подано в ексаджоулях 1 Эдж=1018Дж=278 ТВт/ч 2 Потребления по состоянию на 2010 год
Солнце3 850 000[6]
ветер2 250[11]
Потенциал биомассы~200[12]
Мировое потребление энергии2539[13]
Электроэнергия2~67[14]

Количество солнечной энергии, которую потенциально может использовать человек, отличается от количества энергии, которое находится вблизи земной поверхности. Такие факторы как смена дня и ночи, облачность и доступная поверхность суши уменьшают количество энергии, пригодной для использования.

Географическое положение влияет на энергетический потенциал, поскольку ближе к экватора области принимают большее количество солнечного излучения. Однако, использование устройств на фотовольтації, которые могут изменять свою ориентацию в соответствии с положением Солнца на небосклоне, может значительно повышать потенциал солнечной энергии в отдалённых от экватора областях.[15]

Доступность земель значительно влияет на возможную добычу энергии, поскольку солнечные панели можно устанавливать лишь на землях, которые для этого подходят и не используются для других целей. Например, подходящим местом для установки панелей стали крыши[15].

Солнечные системы делятся на активные и пассивные, в зависимости от способа впитать солнечную энергию, ее переработать и распределить.

Активные солнечные технологии используют фотовольтаику, концентрированную солнечную энергию (англ.), солнечные коллекторы, насосы и вентиляторы, чтобы превратить солнечное излучение в полезный выход энергии. Среди пассивных солнечных технологий: использование материалов с благоприятными тепловыми характеристиками, дизайн помещений с естественной циркуляцией воздуха и выгодное расположение зданий относительно положения Солнца. Активные солнечные технологии повышают энергоснабжения, тогда как пассивные уменьшают потребность в дополнительных источниках энергии[16].

2000 года Программа развития ООН, Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН и Мировой энергетический совет опубликовали оценку потенциала солнечной энергии, которую человечество может добывать, приняв во внимание такие факторы, как инсоляция, облачность и доступна для использования поверхность суши. Оценка показала, что глобальный потенциал солнечной энергии составляет 1,575–49,837 Эдж на год "(см. таблицу ниже)"[15].

Годовой потенциал солнечной энергии по регионам (Эдж)[15]РегионСеверная АмерикаЛатинская Америка и КарибыЗападная ЕвропаЦентральная и Восточная ЕвропаСтраны бывшего Советского СоюзаБлижний Восток и Северная АфрикаSub-Saharan АфрикаPacific AsiaЮжная АзияCentrally planned AsiaPacific OECD
Минимум181,1112,625,14,5199,3412,4371,941,038,8115,572,6
Максимум7 4103 3859141548 65511 0609 5289941 3394 1352 263

В это время работают нагревательные устройства, которые аккумулируют энергию Солнца, а также опытные образцы электродвигателей и автомобилей, которые используют энергию Солнца.

Солнечная энергия, как полагают, к концу века может составить не более 1 % от общего количества используемой энергии. Еще в 1870 году в Чили было построено солнечный опреснитель морской воды, который производил до 30 т пресной воды в сутки и работал более 40 лет. Благодаря применению гетеропереходов коэффициент полезного действия солнечных батарей уже достигает 25 %. Налажено производство солнечных батарей в виде длинной поликристаллической кремниевой ленты, которые имеют КПД более 10 %.

Технологии, которые используют тепловую энергию солнца, можно применять для нагрева воды, обогрева помещений, охлаждения помещений и генерации технологической теплоты[17].

В 1897 году Франк Шуман, американский изобретатель, инженер и пионер по использованию солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, принцип работы которого заключался в том, что солнечный свет отражалось на квадратные контейнеры, заполненные эфиром, температура кипения которого меньше, чем воды. Внутри до контейнеров были пригнаны черные трубы, которые приводили в движение паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company, которая должна была строить большие установки на солнечной энергии. Вместе со своим техническим советником А. С. Э Аккерманом и британским физиком Чарльзом Верноном Бойзом[18] Шуман разработал улучшенную систему, использовав систему зеркал, которые отражали солнечные лучи на коробки солнечных коллекторов, повышая эффективность нагрева до уровня, когда можно было вместо эфира использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, который работал на воде под низким давлением. Это дало ему возможность 1912 года запатентовать целую систему с солнечным двигателем.

Между 1912 и 1913 годами Шуман построил первую в мире геотермальную электростанцию в городе Маади Египет. Шумановская электростанция использовала параболоцилиндрический концентратор, чтобы привести в движение двигатель мощностью 45 — 52 кВт, который перекачивал более 22 000 литров воды за минуту с реки Нил на близлежащие хлопковые поля. Хотя Первая мировая война, а также открытие дешевой нефти в 1930-х годах, и помешали дальнейшему продвижению солнечной энергии, но шумановское видение и базовый дизайн был возрожден в 1970-х годах на новой волне интереса к геотермальной энергии[19]. В 1916 году в прессе часто Цитировали слова Шумана, в которых он защищал использования солнечной энергии:

Мы доказали, что использование солнечной энергии может быть коммерчески выгодным в тропиках, и даже более того, доказали, что после исчерпания запасов нефти и угля, человечество получит неисчерпаемый источник энергии в виде солнечных лучей.

Оригинальный текст (англ.)

We have proved the commercial profit of sun power in the tropics and have more particularly proved that after our stores of oil and coal are exhausted the human race can receive unlimited power from the rays of the sun.

40Франк шуманNew York Times, 2 июля 1916[20]

Нагревание воды[править | править код]

Солнечные водонагреватели возвращены в Солнца, чтобы повысить эффективность.

В низких географических широтах (ниже 40 градусов) от 60 до 70 % всей бытовой горячей воды температурой до 60 °C могут обеспечить солнечные системы для нагрева воды[21]. Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются: вакуумные трубные коллекторы (44 %) и плоские коллекторы (34 %), которые обычно используют для нагрева бытовой горячей воды; а также прозрачные пластиковые коллекторы (21 %), которые главным образом используют, чтобы подогревать плавательные бассейны[22].

По состоянию на 2007 год общая установленная мощность солнечных систем для нагрева воды составляла примерно 154 тепловых ГВт.[23] Китай является мировым лидером в этой области, установив по состоянию на 2006 год 70 ГВт тепловых и планируя к 2020 году достичь 210 ГВт тепловых[24]. Израиль и Кипр являются мировыми лидерами по использованию солнечных систем для подогрева воды на душу населения с 90 % домохозяйств, которые их установили[25]. В США, Канаде и Австралии солнечные водоподогреватели служат преимущественно для подогрева плавательных бассейнов, с установленной мощностью состоянию на 2005 год около 18 ГВт тепловых[16].

Обогрев, охлаждение и вентиляция[править | править код]

В США на HVAC приходится 30 % (4.65 EJ/yr) энергии, которая используется в коммерческих зданиях и почти 50 % (10.1 EJ/yr) энергии, которая используется в жилых домах[26][27]. Системы солнечного обогрева, охлаждения и вентиляции можно использовать, чтобы компенсировать часть этой энергии.

Тепловая масса — это любой материал, который можно применять, чтобы сохранять тепло, в частности солнечное. Среди материалов, которые могут выполнять функцию тепловой массы, камень, цемент и вода. На протяжении истории их применяли в засушливом или теплом климате, чтобы сохранить помещение прохладным, поскольку они впитывают солнечную энергию в течение дня и выпускают накопленное тепло ночью. Однако их можно применять и в прохладных регионах, чтобы сохранять тепло. Размер и расположение тепловой массы зависит от нескольких факторов, таких как климат, соотношение времени солнечной освещенности и пребывание в тени. Если тепловую массу правильно разместить, то она сохраняет температуру в помещении в комфортном диапазоне и уменьшает потребность в устройствах для дополнительного обогрева и охлаждения[28].

Солнечный дымоход (англ.) (или тепловой дымоход, в этом контексте) — это пассивная система солнечной вентиляции, состоящей из вертикального ствола, который соединяет внутреннюю и внешнюю стороны здания. Если дымоход нагревается, то воздух внутри также нагревается, вызывая вертикальный сквозняк (англ.) который протягивает воздух через дом. Его работу можно улучшить, если использовать непрозрачные материалы и тепловую массу[29] таким образом, который напоминает теплицу.

Листопадные растения предложено как способ контролировать солнечное нагревание и охлаждение. Если они растут на южной стороне здания в северном полушарии или северной стороне здания в южном полушарии, то их листья обеспечивает тень в течение лета, тогда как голые стволы без препятствий пропускают солнечные лучи зимой[30].

Приготовление еды[править | править код]

Параболическая тарелка вырабатывает пар для приготовления пищи, Ауровіль (Индия)

Солнечные печи используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации. Их можно разделить на три широких категории: коробчасті печи (англ. box cookers), панельные печи (англ. panel cookers) и отражательные печи (англ. reflector cookers)[31]. Простейшая солнечная печь — коробчаста, которую впервые построил Орас Бенедикт де Соссюр 1767 года[32]. Простая коробчаста печь состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Она может эффективно применяться при частично закрытом облаками небе и обычно достигает температуры 90-150 °C[33]. Панельная печь использует отражающую панель, чтобы направить солнечные лучи на изолированный контейнер и достичь температуры, сравнимой с коробчастою печью. Отражательные печи используют различную геометрию отражателя (тарелку, корыто, зеркала Френеля), чтобы сфокусировать лучи на контейнер. Эти печи достигают температуры 315 °C, но требуют прямого луча и их нужно переставлять вместе с изменением положения Солнца[34].

Технологическое тепло[править | править код]

Шаблон:ПереводСистемы концентрации солнечной энергии, такие как параболические тарелки, корыта и отражатели Шеффлера могут обеспечивать технологическое тепло для коммерческих и индустриальных нужд. Первой коммерческой системой был Total Solar Energy Project (англ.) (STEP) в Шенандоа, (Джорджия, США), где поле со 114 параболических тарелок обеспечило 50 % технологического тепла, вентиляции воздуха и потребностей в электроэнергии для швейной фабрики. Эта подключена к сети когенерационная установка обеспечила 400 Квт электроэнергии а также тепловую энергию в виде 401 Вт пара и 468 КВт охлажденной воды и обеспечивала хранение тепла с одногодинним пиковой нагрузкой[35]. Пруды-испарители — это мелкие бассейны, которые сконцентровують растворенные в воде твердые вещества с помощью испарение. Использование прудов-испарителей, чтобы добыть соль из морской воды, является одним из старейших применений солнечной энергии. Среди современных применений: повышение концентрации солей при добыче металлов методом выщелачивания, а также удаления твердых веществ из сточных вод[36]. При использовании шнуров (англ.), сушилки (англ.) и вешалок белье высыхает в процессе испарения под действием ветра и солнечных лучей без потребления электроэнергии и газа. В законах некоторых штатов даже специально прописан защита «права сушить» одежду[37]. Unglazed transpired collectors (UTC) are perforated sun-facing walls used for ventilation air preheating. UTCs can raise the incoming air temperature up to 22 °C (40 °F) and deliver outlet temperatures of Шаблон:Convert/Dual/LoffAoffDbSoffT.[38] Короткий период возврата вложенных денег (от 3 до 12 лет) делает transpired collectors финансово выгоднее, чем glazed collection systems[38]. По состоянию на 2003 год более 80 систем с суммарной коллекторной площадью 35 000 м2 были установлены во всем мире, включая коллектор площадью 860 м2 в Коста-Рике для сушки кофейных бобов и коллектор площадью 1300 м2 в Коїмбатори (Индия) для высушивания marigolds[39].

Обработка воды[править | править код]

Солнечное опреснение можно использовать, чтобы превратить соленую или солоноватую воду на питьевую. Впервые пример такого преобразования зафиксировали арабские алхимики XVI века[40]. Впервые масштабный проект из солнечного опреснения построили в 1872 году в чилийському шахтерском городке Лас-Салинас[41]. Завод, который имел площадь солнечного коллектора 4700 м2 мог производить до 22 700 л питьевой воды и оставался в работе на протяжении 40 лет[41]. Individual still designs include single-slope, double-slope (greenhouse or type), vertical, conical, inverted absorber, multi-wick, and multiple effect.[40]. Эти опреснители могут работать в пассивном, активном и гибридном режимах. Double-slope казани наиболее экономически выгодные для децентрализованных бытовых нужд, тогда как active multiple effect units более подходят для широкомасштабных проектов[40].

Для солнечной дезинфекции воду наливают в прозрачные бутылки с ПЭТ и помещают их на несколько часов под солнечные лучи[42]. Время дезинфекции зависит от климата и погодных условий, по крайней мере от 6 часов до 2 дней, если небо полностью покрыто облаками[43]. Этот способ рекомендовала Всемирная организация здравоохранения как доступный метод обработки бытовой воды и безопасного хранения[44]. Более 2 миллионов людей в странах, что развиваются, ежедневно применяют этот метод для обработки своей питьевой воды[43].

Солнечную энергию можно использовать в ставках-усереднювачах для обработки сточных вод без применения химикатов и затраты электроэнергии. Еще одним преимуществом для окружающей среды является то, что водоросли живут в таких прудах и потребляют диоксид углерода в процессе фотосинтеза, хотя они могут вырабатывать токсичные вещества, которые делают воду непригодной для употребления[45][46].

Солнечная энергетика работает за счет преобразования солнечного света в электроэнергию. Это может происходить или непосредственно, с использованием фотовольтаики, или косвенно, с использованием систем концентрированной солнечной энергии (англ.), в которых линзы и зеркала собирают солнечный свет с большой площади в тонкий луч, а механизм слежения отслеживает положение Солнца. Фотовольтаика превращает свет в электрический ток с помощью фотоэффект.

Предполагают, что солнечная энергетика станет крупнейшим источником электроэнергии к 2050 году, в которой на долю фотовольтаики и концентрированной солнечной энергии будет приходиться 16 и 11 % мирового производства электроэнергии соответственно[47].

Коммерческие электростанции на концентрированной солнечной энергии впервые появились в 1980-х годах. После 1985 года установка этого типа SEGS (англ.) в пустыне Мохаве (Калифорния) 354 МВт стала крупнейшей солнечной электростанцией в мире. Среди других солнечных электростанций этого типа СЭС Солнова (англ.) (150 МВт) и СЭС Андасол (англ.) (100 МВт), обе в Испании. Среди крупнейших электростанций на фотовольтаїці (англ.): Agua Caliente Solar Project (250 МВт) в США, и Charanka Solar Park (221 МВТ) в Индии. Проекты мощностью более 1 ГВт находятся на стадии разработки, но большинство установок на фотовольтаїці, мощностью до 5 КВт, имеют небольшой размер и расположены на крышах.По состоянию на 2013 год на солнечную энергию приходилось менее 1 % от электроэнергии в мировой сети[48].

Архитектура и городское планирование[править | править код]

Наличие солнечного света влияла на дизайн зданий от самого начала истории архитектуры[50]. Впервые продвинутые методы солнечной архитектуры и городского планирования ввели древние греки и китайцы, которые ориентировали свои дома на юг, чтобы обеспечить их освещением и теплом[51].

Среди общих характеристик пассивной солнечной архитектуры (англ.): благоприятная ориентация зданий относительно Солнца, компактные пропорции (малое отношение площади поверхности к объему), выборочное затемнение (навесы) и тепловая масса (англ.)[50]. Когда эти свойства удачно подобраны с учетом местного климата, то это обеспечивает хорошее освещение помещений и позволяет оставаться в комфортном диапазоне температур. Дом мегаронного типа Сократа — является классическим примером пассивной солнечной архитектуры[50]. На нынешнем этапе солнечного дизайна применяют компьютерное моделирование с помощью которой связывают между собой дневное освещение (англ.), а также системы солнечного обогрева и вентиляции в an integrated solar design package[52]. Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и switchable windows может дополнить пассивный дизайн и улучшить показатели работы системы.

Городской тепловой остров (МТО) — это городской район, где температура выше, чем в окружающих сельских местностях. Выше температуры является следствием применения таких материалов как асфальт и бетон, которые лучше впитывают солнечное излучение, поскольку имеют ниже альбедо и выше теплоемкость, чем в окружающей среде. Чтобы непосредственно противодействовать эффекту, здания красят в белое и насаживают на улицах деревья. Согласно проекту гипотетической программы «cool communities» в Лос-Анджелеси, используя эти методы городскую температуру можно снизить примерно на 3 °C. Стоимость проекта оценивается в US$1 млрд, а общая годовая выгода может составлять US$530 млн благодаря уменьшению затрат на вентиляцию и охрану здоровья[53].

Сельское хозяйство и растениеводство[править | править код]

Сельское хозяйство и растениеводство ищут способ оптимизировать впитывание солнечной энергии для того, чтобы повысить продуктивность растений. Techniques such as timed planting cycles, tailored row orientation, staggered heights between rows и смешивания различных видов растений может повышать урожайность[54][55]. Обычно солнечный свет считают избыточным ресурсом и исключения из этого правила лишь подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. В течение коротких growing seasons Малого ледникового периода французские и английские (англ.) фермеры использовали фруктовые стены чтобы увеличить поступления солнечной энергии. Эти стены действовали как тепловая масса и ускоряли созревание by keeping plants warm. Ранние фруктовые стены строили перпендикулярно к поверхности земли и возвращенными на юг, но со временем появились наклонные стены, которые лучше использовали солнечный свет. 1699 года, Никола Фатіо где Дьюїльє (англ.) даже предложил применять tracking mechanism, которые мог бы возвращаться в направлении солнца[56]. Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве кроме выращивания растений включает перекачки воды, высушивание урожая, выведение цыплят и высушивание птичьего помета[39][57]. В последнее время эту технологию стали применять виноделы, которые используют энергию от солнечных панелей, чтобы обеспечить энергией винодельческие прессы[58].

оранжерея превращают солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное выращивание растений, которые в природе не приспособлены для этого климата. Простейшие оранжереи использовали в римские времена, чтобы круглый год выращивать огурцы для императора Тиберия[59]. Самые современные оранжереи появились в Европе в XVI веке, чтобы хранить в них растения, которые привезли с исследовательских путешествий[60].

  1. ↑ Smil (1991), p. 240
  2. ↑ Радиационный и световой режим
  3. ↑ Natural Forcing of the Climate System. Intergovernmental Panel on Climate Change. Проверено 29 сентября 2007.
  4. ↑ Сомервилл, Richard. Historical Overview of Climate Change Science (PDF). Intergovernmental Panel on Climate Change. Проверено 29 сентября 2007.
  5. ↑ Vermass, Wim. An Introduction to Photosynthesis and Its Applications. Arizona State University. Проверено 29 сентября 2007.
  6. ↑ 1 2 Smil (2006), p. 12
  7. ↑ http://www.nature.com/nature/journal/v443/n7107/full/443019a.html
  8. ↑ Powering the Planet: Chemical challenges in solar energy utilization (PDF). Проверено 7 августа 2008.
  9. ↑ Energy conversion by organisms photosynthetic. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Проверено 25 мая 2008.
  10. ↑ Exergy Flow Charts - GCEP. stanford.edu.
  11. ↑ Archer, Cristina. Evaluation of Global Wind Power. Stanford. Проверено 3 июня 2008.
  12. ↑ fa.upc.es/personals/fluids/oriol/ale/eolss.pdf Renewable Energy Sources. Renewable and Appropriate Energy Laboratory. Проверено 6 декабря 2012.
  13. ↑ Total Primary Energy Consumption. Energy Information Administration. Проверено 30 июня 2013.
  14. ↑ Total Electricity Consumption Net. Energy Information Administration. Проверено 30 июня 2013.
  15. ↑ 1 2 3 4 Energy and the challenge of sustainability (PDF). UN Development Programme and World Energy Council (September 2000). Проверено 17 января 2017.
  16. ↑ 1 2 Philibert, Cédric The Present and Future use of Solar Thermal Energy as a Primary Source of Energy. IEA (2005). Архивировано 12 декабря 2011 года.
  17. ↑ Solar Energy Technologies and Applications. Canadian Renewable Energy Network. Проверено 22 октября 2007.
  18. ↑ V.+Boys/famous/4c880e9645e2ca90f61156a9efa6d16a C. V. Boys - Scientist. yatedo.com.
  19. ↑ Smith, Zachary Alden. Renewable And Alternative Energy Resources: A Reference Handbook. — ABC-CLIO, 2008. — P. 174. — ISBN 978-1-59884-089-6..
  20. ↑ American Inventor Uses egypt's Sun for Power - Appliance Concentrates the Heat Rays and Produces Steam, Which Can Be Used to Drive Irrigation Pumps in Hot Climates - View Article - NYTimes.com/date=2 July 1916. nytimes.com.
  21. ↑ Renewables for Heating and Cooling (PDF). International Energy Agency. Проверено 13 августа 2015.
  22. ↑ Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide (Markets and Contributions to the Energy Supply 2005) (PDF). International Energy Agency. Проверено 30 мая 2008. Архивировано 10 сентября 2008 года.
  23. ↑ Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2006 (PDF). International Energy Agency. Проверено 9 июня 2008.
  24. ↑ Renewables 2007 Global Status Report (PDF). Worldwatch Institute. Проверено 30 апреля 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  25. ↑ Del Chiaro, Bernadette. Solar Water Heating (California How Can Reduce Its Dependence on Natural Gas) (PDF). Environment California Research and Policy Center. Проверено 29 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  26. ↑ Apte, J. Future Advanced for Windows Zero-Energy Homes (PDF). American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Проверено 9 апреля 2008.
  27. ↑ Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential (PDF) 2-2. United States Department of Energy. Проверено 24 июня 2008.
  28. ↑ Mazria(1979), p. 29-35
  29. ↑ Bright, David Passive solar heating simpler for the average owner.. Bangor Daily News (18 February 1977). Проверено 3 июля 2011.
  30. ↑ Mazria(1979), p. 255
  31. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xi
  32. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 54-59
  33. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xii
  34. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xiii
  35. ↑ Stine, W B and Harrigan, R W. Shenandoah Total Solar Energy Project. John Wiley. Проверено 20 июля 2008.
  36. ↑ Bartlett (1998), p.393-394
  37. ↑ Thomson-Philbrook, Julia. Right to Dry Legislation in New England States and Other. Connecticut General Assembly. Проверено 27 мая 2008.
  38. ↑ 1 2 Solar Buildings (Transpired Air Collectors - Ventilation Preheating) (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Проверено 29 сентября 2007.
  39. ↑ 1 2 Leon (2006), p. 62
  40. ↑ 1 2 3 Tiwari (2003), p. 368-371
  41. ↑ 1 2 Daniels (1964), p. 6
  42. ↑ SODIS solar water disinfection. EAWAG (The Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology). Проверено 2 мая 2008.
  43. ↑ 1 2 Household Water Treatment Options in Developing Countries: Solar Disinfection (SODIS) (PDF). Centers for Disease Control and Prevention. Проверено 13 мая 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  44. ↑ Household Water Treatment and Safe Storage. World Health Organization. Проверено 2 мая 2008.
  45. ↑ Shilton AN, Powell N, Mara DD, Craggs R (2008). «Solar-powered aeration and disinfection, anaerobic co-digestion, biological CO(2) scrubbing and biofuel production: the energy and carbon management opportunities of waste stabilisation ponds». Water Sci. Technol. 58 (1): 253-258. DOI:10.2166/wst.2008.666. PMID 18653962.
  46. ↑ Tadesse I, Isoaho SA, Green FB, Puhakka JA (2003). «Removal of organics and nutrients from tannery effluent by advanced integrated Wastewater Pond Systems technology». Water Sci. Technol. 48 (2): 307-14. PMID 14510225.
  47. ↑ International Energy Agency. Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy (PDF). http://www.iea.org. IEA (2014). Проверено 7 октября 2014. Архивировано 7 октября 2014 года.
  48. ↑ Historical Data Workbook (2013 calendar year)
  49. ↑ Darmstadt University of Technology solar decathlon home design. Darmstadt University of Technology. Проверено 25 апреля 2008. Архивировано 18 октября 2007 года.
  50. ↑ 1 2 3 Schittich (2003), p. 14
  51. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 4, 159
  52. ↑ Balcomb(1992)
  53. ↑ Rosenfeld, Arthur; Romm, Joseph; Akbari, Hashem; Lloyd, Alan. Painting the Town White -- and Green. Heat Island Group. Проверено 29 сентября 2007. Архивировано 14 июля 2007 года.
  54. ↑ Jeffrey C. Silvertooth. Row Spacing, Plant Population, and Yield Relationships. University of Arizona. Проверено 24 июня 2008.
  55. ↑ Kaul (2005), p. 169-174
  56. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 42-46
  57. ↑ Bénard (1981), p. 347
  58. ↑ A Электростанция Winery. News Update. Novus Vinum (27 октября 2008). Проверено 5 ноября 2008.
  59. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 19
  60. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 41

ru.wikipedia.org.mevn.net

Солнечная энергетика — Википедия © ru.wikipedia.org

Карта солнечного излучения

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии[1] и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой или солью для последующего использования нагретой воды для отопления, горячего водоснабжения или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света. Этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.

Карта солнечного излучения — Европа

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в π раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Достоинства[править | править код]

  • Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.
  • Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки[править | править код]

  • Зависимость от погоды и времени суток[3].
  • Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.
  • При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.
  • Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
  • Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.
  • Нагрев атмосферы над электростанцией.
  • Необходимость использования больших площадей[3].
  • Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.[3].
Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭСГодЭнергия ТВт·чГодовой приростДоля от всей
20042,60,01 %
20053,742 %0,02 %
20065,035 %0,03 %
20076,836 %0,03 %
200811,468 %0,06 %
200919,369 %0,10 %
201031,463 %0,15 %
201160,693 %0,27 %
201296,760 %0,43 %
2013134,539 %0,58 %
2014185,938 %0,79 %
2015253,036 %1,05 %
2016301,033 %1,3 %
Источник — BP Statistical Review of World Energy, 2015, 2017[4][5][6]

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году Производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии[7].

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[8]:

  1. Yingli — 2300 МВт
  2. First Solar — 1800 МВт
  3. Trina Solar — 1600 МВт
  4. Canadian Solar — 1550 МВт
  5. Suntech — 1500 МВт
  6. Sharp — 1050 МВт
  7. Jinko Solar — 900 МВт
  8. SunPower — 850 МВт
  9. REC Group — 750 МВт
  10. Hanwha SolarOne — 750 МВт

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт[9].

Лидером по установленной мощности является Евросоюз[10], среди отдельных стран — Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии[11].

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок[12].

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт[13]. Солнечный парк Перово в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция Sarnia (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая Finsterwalde (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков — 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма.

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт[14].

Рабочие места[править | править код]

В середине 2011 года в фотоэлектрической промышленности Германии было занято более 100 тысяч человек. В солнечной энергетике США работали 93,5 тысяч человек[15].

Перспективы солнечной электроэнергетики[править | править код]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[16]. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно[7].

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей[17].

Тем не менее, по прогнозам, себестоимость генерации электроэнергии солнечными электростанциями к 2020 году снизится до себестоимости генерации с использованием ископаемого топлива и переход к использованию солнечных электростанций станет экономически выгодным[18].

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость не линейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей[19].

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке юрты. Световые фонари применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т. д. Световой колодец диаметром 300 мм способен освещать площадь 8 м². Один колодец позволяет в европейских условиях предотвратить ежегодный выброс в атмосферу до 7,4 тонн СО2. Световые колодцы с оптоволокном разработаны в 2004 году в США. В верхней части такого колодца применяются параболические коллекторы. Применение солнечных колодцев позволяет сократить потребление электроэнергии, в зимнее время — сократить дефицит солнечного света у людей, находящихся в здании[20].

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—$0,05 к 2015—2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта[7]. К 2020 году страны Евросоюза планируют построить 26,3 ГВт солнечных термальных мощностей[21].

Солнечная жаровня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства простейшей «солнечной кухни» составляет $3—$7.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов и вреду для здоровья. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн тонн СО2. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров. Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве[править | править код]

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

  • Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Беспилотный самолёт NASA Pathfinder Helios с фотоэлементами на крыльях

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger[en], питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час[22]. В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

  1. ↑ Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт 15.12.2005
  2. ↑ Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). Архивировано 22 августа 2011 года.
  3. ↑ 1 2 3 Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  4. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section, BP (June 2015).
  5. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section, BP (June 2015).
  6. ↑ Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года, BP (June 2017).
  7. ↑ 1 2 3 BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
  8. ↑ Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013// RE neweconomy
  9. ↑ http://www.ren21.net/Portals/0/documents/Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf
  10. ↑ Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год. Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  11. ↑ Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
  12. ↑ Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
  13. ↑ Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире
  14. ↑ Deutsche Welle 30.03.2018 Саудовская Аравия заменит нефть солнечными батареями
  15. ↑ Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г.
  16. ↑ Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика. РБК (17 июня 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  17. ↑ Кассандра Суит (перевёл Алексей Невельский). Гигантская солнечная электростанция в Калифорнии убивает птиц.. Гелиотермальная станция стоимостью $2,2 млрд может стать последним таким проектом: она нагревает воздух до 540 градусов по Цельсию, регуляторы и биологи считают это причиной смерти десятков птиц (рус.). Ведомости, перевод из The Wall Street Journal (13 февраля 2014). Проверено 6 июня 2016.
  18. ↑ Органическое топливо — на свалку истории? // Наука и жизнь. — 2018. — № 3. — С. 65.
  19. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Проверено 6 июня 2016.
  20. ↑ BBC News — Alfredo Moser: Bottle light inventor proud to be poor
  21. ↑ Tildy Bayar Solar Thermal Holds Steady in Europe 15 Октябрь 2012 г.
  22. ↑ Britannica Book of the Year 2008: «MacCready, Paul Beattie», page 140
  • Д. Мак-Вейг Применение солнечной энергии. — М.: Энергоиздат, 1981. — Тираж 5 600 экз. — 210 с.

Отрасли промышленности

ru.wikipedia.org.mevn.net

Солнечная энергия — Википедия

Эта статья или раздел содержит незавершённый перевод с английского языка.

Вы можете помочь проекту, закончив перевод.

Карта солнечного излучения на поверхности Земли Карта солнечного излучения — Европа

Со́лнечная эне́ргия — энергия от Солнца в форме радиации и света. Эта энергия в значительной мере управляет климатом и погодой, и является основой жизни. Технология, контролирующая солнечную энергию называется солнечной энергетикой.

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 PW солнечного излучения (инсоляции)[1]. Около 6 % инсоляции отражается атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

Атмосфера не только уменьшает количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, но и дифузує около 20 % с того что поступает, и фильтрует часть его спектра. После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектр. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение[2][3].

Солнечное излучение поглощается поверхностью суши, океанами (покрывают около 71 % поверхности земного шара) и атмосферой. Абсорбция солнечной энергии через атмосферную конвекцию, испарение и конденсация водяного пара является движущей силой круговорота воды и управляет ветрами. Солнечные лучи абсорбоване океаном и сушей поддерживает среднюю температуру на поверхности Земли, что ныне составляет 14 °C[4]. Благодаря фотосинтезу растений солнечная энергия может превращаться в химическую, которая хранится в виде пищи, древесины и биомассы, которая в конце концов превращается в ископаемое топливо[5].

Солнечная энергия является источником энергии ветра, воды, тепла морей, биомассы, а также причиной образования на протяжении тысячелетий торфа, бурого и каменного угля, нефти и природного газа, однако эта опосредованная энергия и накопленная в течение тысяч и миллионов лет. Энергию Солнца можно использовать и непосредственно, как источник электроэнергии и тепла. Для этого нужно создать устройства, которые концентрируют энергию Солнца на малых площадях и в малых объемах.

Общее количество солнечной энергии, которую поглощает атмосфера, поверхность суши и океана составляет примерно 3 850 000 ексаджоулів (Эдж) в год[6]. За один час, это дает больше энергии, чем весь мир использовал за целый 2002 год[7][8]. Фотосинтез забирает около 3 000 Эдж в год на производство биомассы[9]. Количество солнечной энергии, которая достигает поверхность земли такая большая, что за год она примерно вдвое превзойдет всю энергию, которую потенциально можно выработать со всех невозобновляемых источников: угля, нефти, урановых руд[10].

"'Годовое поступление солнечного излучения и потребления энергии человеком"'11 Энергию подано в ексаджоулях 1 Эдж = 1018Дж = 278 ТВт/ч 2 Потребления по состоянию на 2010 год
Солнце 3 850 000 [6]
ветер 2 250 [11]
Потенциал биомассы ~200 [12]
Мировое потребление энергии2 539 [13]
Электроэнергия2 ~67 [14]

Количество солнечной энергии, которую потенциально может использовать человек, отличается от количества энергии, которое находится вблизи земной поверхности. Такие факторы как смена дня и ночи, облачность и доступная поверхность суши уменьшают количество энергии, пригодной для использования.

Географическое положение влияет на энергетический потенциал, поскольку ближе к экватора области принимают большее количество солнечного излучения. Однако, использование устройств на фотовольтації, которые могут изменять свою ориентацию в соответствии с положением Солнца на небосклоне, может значительно повышать потенциал солнечной энергии в отдалённых от экватора областях.[15]

Доступность земель значительно влияет на возможную добычу энергии, поскольку солнечные панели можно устанавливать лишь на землях, которые для этого подходят и не используются для других целей. Например, подходящим местом для установки панелей стали крыши[15].

Солнечные системы делятся на активные и пассивные, в зависимости от способа впитать солнечную энергию, ее переработать и распределить.

Активные солнечные технологии используют фотовольтаику, концентрированную солнечную энергию (англ.), солнечные коллекторы, насосы и вентиляторы, чтобы превратить солнечное излучение в полезный выход энергии. Среди пассивных солнечных технологий: использование материалов с благоприятными тепловыми характеристиками, дизайн помещений с естественной циркуляцией воздуха и выгодное расположение зданий относительно положения Солнца. Активные солнечные технологии повышают энергоснабжения, тогда как пассивные уменьшают потребность в дополнительных источниках энергии[16].

2000 года Программа развития ООН, Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН и Мировой энергетический совет опубликовали оценку потенциала солнечной энергии, которую человечество может добывать, приняв во внимание такие факторы, как инсоляция, облачность и доступна для использования поверхность суши. Оценка показала, что глобальный потенциал солнечной энергии составляет 1,575–49,837 Эдж на год "(см. таблицу ниже)"[15].

Годовой потенциал солнечной энергии по регионам (Эдж)[15] Регион Северная Америка Латинская Америка и Карибы Западная Европа Центральная и Восточная Европа Страны бывшего Советского Союза Ближний Восток и Северная Африка Sub-Saharan Африка Pacific Asia Южная Азия Centrally planned Asia Pacific OECD
Минимум 181,1 112,6 25,1 4,5 199,3 412,4 371,9 41,0 38,8 115,5 72,6
Максимум 7 410 3 385 914 154 8 655 11 060 9 528 994 1 339 4 135 2 263

В это время работают нагревательные устройства, которые аккумулируют энергию Солнца, а также опытные образцы электродвигателей и автомобилей, которые используют энергию Солнца.

Солнечная энергия, как полагают, к концу века может составить не более 1 % от общего количества используемой энергии. Еще в 1870 году в Чили было построено солнечный опреснитель морской воды, который производил до 30 т пресной воды в сутки и работал более 40 лет. Благодаря применению гетеропереходов коэффициент полезного действия солнечных батарей уже достигает 25 %. Налажено производство солнечных батарей в виде длинной поликристаллической кремниевой ленты, которые имеют КПД более 10 %.

Технологии, которые используют тепловую энергию солнца, можно применять для нагрева воды, обогрева помещений, охлаждения помещений и генерации технологической теплоты[17].

В 1897 году Франк Шуман, американский изобретатель, инженер и пионер по использованию солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, принцип работы которого заключался в том, что солнечный свет отражалось на квадратные контейнеры, заполненные эфиром, температура кипения которого меньше, чем воды. Внутри до контейнеров были пригнаны черные трубы, которые приводили в движение паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company, которая должна была строить большие установки на солнечной энергии. Вместе со своим техническим советником А. С. Э Аккерманом и британским физиком Чарльзом Верноном Бойзом[18] Шуман разработал улучшенную систему, использовав систему зеркал, которые отражали солнечные лучи на коробки солнечных коллекторов, повышая эффективность нагрева до уровня, когда можно было вместо эфира использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, который работал на воде под низким давлением. Это дало ему возможность 1912 года запатентовать целую систему с солнечным двигателем.

Между 1912 и 1913 годами Шуман построил первую в мире геотермальную электростанцию в городе Маади Египет. Шумановская электростанция использовала параболоцилиндрический концентратор, чтобы привести в движение двигатель мощностью 45 — 52 кВт, который перекачивал более 22 000 литров воды за минуту с реки Нил на близлежащие хлопковые поля. Хотя Первая мировая война, а также открытие дешевой нефти в 1930-х годах, и помешали дальнейшему продвижению солнечной энергии, но шумановское видение и базовый дизайн был возрожден в 1970-х годах на новой волне интереса к геотермальной энергии[19]. В 1916 году в прессе часто Цитировали слова Шумана, в которых он защищал использования солнечной энергии:

Мы доказали, что использование солнечной энергии может быть коммерчески выгодным в тропиках, и даже более того, доказали, что после исчерпания запасов нефти и угля, человечество получит неисчерпаемый источник энергии в виде солнечных лучей.

Оригинальный текст (англ.)

We have proved the commercial profit of sun power in the tropics and have more particularly proved that after our stores of oil and coal are exhausted the human race can receive unlimited power from the rays of the sun.

40Франк шуманNew York Times, 2 июля 1916[20]

Нагревание воды[править | править код]

Солнечные водонагреватели возвращены в Солнца, чтобы повысить эффективность.

В низких географических широтах (ниже 40 градусов) от 60 до 70 % всей бытовой горячей воды температурой до 60 °C могут обеспечить солнечные системы для нагрева воды[21]. Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются: вакуумные трубные коллекторы (44 %) и плоские коллекторы (34 %), которые обычно используют для нагрева бытовой горячей воды; а также прозрачные пластиковые коллекторы (21 %), которые главным образом используют, чтобы подогревать плавательные бассейны[22].

По состоянию на 2007 год общая установленная мощность солнечных систем для нагрева воды составляла примерно 154 тепловых ГВт.[23] Китай является мировым лидером в этой области, установив по состоянию на 2006 год 70 ГВт тепловых и планируя к 2020 году достичь 210 ГВт тепловых[24]. Израиль и Кипр являются мировыми лидерами по использованию солнечных систем для подогрева воды на душу населения с 90 % домохозяйств, которые их установили[25]. В США, Канаде и Австралии солнечные водоподогреватели служат преимущественно для подогрева плавательных бассейнов, с установленной мощностью состоянию на 2005 год около 18 ГВт тепловых[16].

Обогрев, охлаждение и вентиляция[править | править код]

В США на HVAC приходится 30 % (4.65 EJ/yr) энергии, которая используется в коммерческих зданиях и почти 50 % (10.1 EJ/yr) энергии, которая используется в жилых домах[26][27]. Системы солнечного обогрева, охлаждения и вентиляции можно использовать, чтобы компенсировать часть этой энергии.

Тепловая масса — это любой материал, который можно применять, чтобы сохранять тепло, в частности солнечное. Среди материалов, которые могут выполнять функцию тепловой массы, камень, цемент и вода. На протяжении истории их применяли в засушливом или теплом климате, чтобы сохранить помещение прохладным, поскольку они впитывают солнечную энергию в течение дня и выпускают накопленное тепло ночью. Однако их можно применять и в прохладных регионах, чтобы сохранять тепло. Размер и расположение тепловой массы зависит от нескольких факторов, таких как климат, соотношение времени солнечной освещенности и пребывание в тени. Если тепловую массу правильно разместить, то она сохраняет температуру в помещении в комфортном диапазоне и уменьшает потребность в устройствах для дополнительного обогрева и охлаждения[28].

Солнечный дымоход (англ.) (или тепловой дымоход, в этом контексте) — это пассивная система солнечной вентиляции, состоящей из вертикального ствола, который соединяет внутреннюю и внешнюю стороны здания. Если дымоход нагревается, то воздух внутри также нагревается, вызывая вертикальный сквозняк (англ.) который протягивает воздух через дом. Его работу можно улучшить, если использовать непрозрачные материалы и тепловую массу[29] таким образом, который напоминает теплицу.

Листопадные растения предложено как способ контролировать солнечное нагревание и охлаждение. Если они растут на южной стороне здания в северном полушарии или северной стороне здания в южном полушарии, то их листья обеспечивает тень в течение лета, тогда как голые стволы без препятствий пропускают солнечные лучи зимой[30].

Приготовление еды[править | править код]

Параболическая тарелка вырабатывает пар для приготовления пищи, Ауровіль (Индия)

Солнечные печи используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации. Их можно разделить на три широких категории: коробчасті печи (англ. box cookers), панельные печи (англ. panel cookers) и отражательные печи (англ. reflector cookers)[31]. Простейшая солнечная печь — коробчаста, которую впервые построил Орас Бенедикт де Соссюр 1767 года[32]. Простая коробчаста печь состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Она может эффективно применяться при частично закрытом облаками небе и обычно достигает температуры 90-150 °C[33]. Панельная печь использует отражающую панель, чтобы направить солнечные лучи на изолированный контейнер и достичь температуры, сравнимой с коробчастою печью. Отражательные печи используют различную геометрию отражателя (тарелку, корыто, зеркала Френеля), чтобы сфокусировать лучи на контейнер. Эти печи достигают температуры 315 °C, но требуют прямого луча и их нужно переставлять вместе с изменением положения Солнца[34].

Технологическое тепло[править | править код]

Шаблон:Перевод Системы концентрации солнечной энергии, такие как параболические тарелки, корыта и отражатели Шеффлера могут обеспечивать технологическое тепло для коммерческих и индустриальных нужд. Первой коммерческой системой был Total Solar Energy Project (англ.) (STEP) в Шенандоа, (Джорджия, США), где поле со 114 параболических тарелок обеспечило 50 % технологического тепла, вентиляции воздуха и потребностей в электроэнергии для швейной фабрики. Эта подключена к сети когенерационная установка обеспечила 400 Квт электроэнергии а также тепловую энергию в виде 401 Вт пара и 468 КВт охлажденной воды и обеспечивала хранение тепла с одногодинним пиковой нагрузкой[35]. Пруды-испарители — это мелкие бассейны, которые сконцентровують растворенные в воде твердые вещества с помощью испарение. Использование прудов-испарителей, чтобы добыть соль из морской воды, является одним из старейших применений солнечной энергии. Среди современных применений: повышение концентрации солей при добыче металлов методом выщелачивания, а также удаления твердых веществ из сточных вод[36]. При использовании шнуров (англ.), сушилки (англ.) и вешалок белье высыхает в процессе испарения под действием ветра и солнечных лучей без потребления электроэнергии и газа. В законах некоторых штатов даже специально прописан защита «права сушить» одежду[37]. Unglazed transpired collectors (UTC) are perforated sun-facing walls used for ventilation air preheating. UTCs can raise the incoming air temperature up to 22 °C (40 °F) and deliver outlet temperatures of Шаблон:Convert/Dual/LoffAoffDbSoffT.[38] Короткий период возврата вложенных денег (от 3 до 12 лет) делает transpired collectors финансово выгоднее, чем glazed collection systems[38]. По состоянию на 2003 год более 80 систем с суммарной коллекторной площадью 35 000 м2 были установлены во всем мире, включая коллектор площадью 860 м2 в Коста-Рике для сушки кофейных бобов и коллектор площадью 1300 м2 в Коїмбатори (Индия) для высушивания marigolds[39].

Обработка воды[править | править код]

Солнечное опреснение можно использовать, чтобы превратить соленую или солоноватую воду на питьевую. Впервые пример такого преобразования зафиксировали арабские алхимики XVI века[40]. Впервые масштабный проект из солнечного опреснения построили в 1872 году в чилийському шахтерском городке Лас-Салинас[41]. Завод, который имел площадь солнечного коллектора 4700 м2 мог производить до 22 700 л питьевой воды и оставался в работе на протяжении 40 лет[41]. Individual still designs include single-slope, double-slope (greenhouse or type), vertical, conical, inverted absorber, multi-wick, and multiple effect.[40]. Эти опреснители могут работать в пассивном, активном и гибридном режимах. Double-slope казани наиболее экономически выгодные для децентрализованных бытовых нужд, тогда как active multiple effect units более подходят для широкомасштабных проектов[40].

Для солнечной дезинфекции воду наливают в прозрачные бутылки с ПЭТ и помещают их на несколько часов под солнечные лучи[42]. Время дезинфекции зависит от климата и погодных условий, по крайней мере от 6 часов до 2 дней, если небо полностью покрыто облаками[43]. Этот способ рекомендовала Всемирная организация здравоохранения как доступный метод обработки бытовой воды и безопасного хранения[44]. Более 2 миллионов людей в странах, что развиваются, ежедневно применяют этот метод для обработки своей питьевой воды[43].

Солнечную энергию можно использовать в ставках-усереднювачах для обработки сточных вод без применения химикатов и затраты электроэнергии. Еще одним преимуществом для окружающей среды является то, что водоросли живут в таких прудах и потребляют диоксид углерода в процессе фотосинтеза, хотя они могут вырабатывать токсичные вещества, которые делают воду непригодной для употребления[45][46].

Солнечная энергетика работает за счет преобразования солнечного света в электроэнергию. Это может происходить или непосредственно, с использованием фотовольтаики, или косвенно, с использованием систем концентрированной солнечной энергии (англ.), в которых линзы и зеркала собирают солнечный свет с большой площади в тонкий луч, а механизм слежения отслеживает положение Солнца. Фотовольтаика превращает свет в электрический ток с помощью фотоэффект.

Предполагают, что солнечная энергетика станет крупнейшим источником электроэнергии к 2050 году, в которой на долю фотовольтаики и концентрированной солнечной энергии будет приходиться 16 и 11 % мирового производства электроэнергии соответственно[47].

Коммерческие электростанции на концентрированной солнечной энергии впервые появились в 1980-х годах. После 1985 года установка этого типа SEGS (англ.) в пустыне Мохаве (Калифорния) 354 МВт стала крупнейшей солнечной электростанцией в мире. Среди других солнечных электростанций этого типа СЭС Солнова (англ.) (150 МВт) и СЭС Андасол (англ.) (100 МВт), обе в Испании. Среди крупнейших электростанций на фотовольтаїці (англ.): Agua Caliente Solar Project (250 МВт) в США, и Charanka Solar Park (221 МВТ) в Индии. Проекты мощностью более 1 ГВт находятся на стадии разработки, но большинство установок на фотовольтаїці, мощностью до 5 КВт, имеют небольшой размер и расположены на крышах.По состоянию на 2013 год на солнечную энергию приходилось менее 1 % от электроэнергии в мировой сети[48].

Архитектура и городское планирование[править | править код]

Наличие солнечного света влияла на дизайн зданий от самого начала истории архитектуры[50]. Впервые продвинутые методы солнечной архитектуры и городского планирования ввели древние греки и китайцы, которые ориентировали свои дома на юг, чтобы обеспечить их освещением и теплом[51].

Среди общих характеристик пассивной солнечной архитектуры (англ.): благоприятная ориентация зданий относительно Солнца, компактные пропорции (малое отношение площади поверхности к объему), выборочное затемнение (навесы) и тепловая масса (англ.)[50]. Когда эти свойства удачно подобраны с учетом местного климата, то это обеспечивает хорошее освещение помещений и позволяет оставаться в комфортном диапазоне температур. Дом мегаронного типа Сократа — является классическим примером пассивной солнечной архитектуры[50]. На нынешнем этапе солнечного дизайна применяют компьютерное моделирование с помощью которой связывают между собой дневное освещение (англ.), а также системы солнечного обогрева и вентиляции в an integrated solar design package[52]. Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и switchable windows может дополнить пассивный дизайн и улучшить показатели работы системы.

Городской тепловой остров (МТО) — это городской район, где температура выше, чем в окружающих сельских местностях. Выше температуры является следствием применения таких материалов как асфальт и бетон, которые лучше впитывают солнечное излучение, поскольку имеют ниже альбедо и выше теплоемкость, чем в окружающей среде. Чтобы непосредственно противодействовать эффекту, здания красят в белое и насаживают на улицах деревья. Согласно проекту гипотетической программы «cool communities» в Лос-Анджелеси, используя эти методы городскую температуру можно снизить примерно на 3 °C. Стоимость проекта оценивается в US$1 млрд, а общая годовая выгода может составлять US$530 млн благодаря уменьшению затрат на вентиляцию и охрану здоровья[53].

Сельское хозяйство и растениеводство[править | править код]

Сельское хозяйство и растениеводство ищут способ оптимизировать впитывание солнечной энергии для того, чтобы повысить продуктивность растений. Techniques such as timed planting cycles, tailored row orientation, staggered heights between rows и смешивания различных видов растений может повышать урожайность[54][55]. Обычно солнечный свет считают избыточным ресурсом и исключения из этого правила лишь подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. В течение коротких growing seasons Малого ледникового периода французские и английские (англ.) фермеры использовали фруктовые стены чтобы увеличить поступления солнечной энергии. Эти стены действовали как тепловая масса и ускоряли созревание by keeping plants warm. Ранние фруктовые стены строили перпендикулярно к поверхности земли и возвращенными на юг, но со временем появились наклонные стены, которые лучше использовали солнечный свет. 1699 года, Никола Фатіо где Дьюїльє (англ.) даже предложил применять tracking mechanism, которые мог бы возвращаться в направлении солнца[56]. Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве кроме выращивания растений включает перекачки воды, высушивание урожая, выведение цыплят и высушивание птичьего помета[39][57]. В последнее время эту технологию стали применять виноделы, которые используют энергию от солнечных панелей, чтобы обеспечить энергией винодельческие прессы[58].

оранжерея превращают солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное выращивание растений, которые в природе не приспособлены для этого климата. Простейшие оранжереи использовали в римские времена, чтобы круглый год выращивать огурцы для императора Тиберия[59]. Самые современные оранжереи появились в Европе в XVI веке, чтобы хранить в них растения, которые привезли с исследовательских путешествий[60].

ru.wikiyy.com

Солнечная энергия — Википедия РУ

Эта статья или раздел содержит незавершённый перевод с иностранного языка.

Вы можете помочь проекту, закончив перевод. Если вы знаете, на каком языке написан фрагмент, укажите его в этом шаблоне.

Карта солнечного излучения на поверхности Земли Карта солнечного излучения — Европа

Со́лнечная эне́ргия — энергия от Солнца в форме радиации и света. Эта энергия в значительной мере управляет климатом и погодой, и является основой жизни. Технология, контролирующая солнечную энергию называется солнечной энергетикой.

Солнечная энергия и Земля

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 PW солнечного излучения (инсоляции)[1]. Около 6 % инсоляции отражается атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

Атмосфера не только уменьшает количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, но и дифузує около 20 % с того что поступает, и фильтрует часть его спектра. После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектр. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение[2][3].

Солнечное излучение поглощается поверхностью суши, океанами (покрывают около 71 % поверхности земного шара) и атмосферой. Абсорбция солнечной энергии через атмосферную конвекцию, испарение и конденсация водяного пара является движущей силой круговорота воды и управляет ветрами. Солнечные лучи абсорбоване океаном и сушей поддерживает среднюю температуру на поверхности Земли, что ныне составляет 14 °C[4]. Благодаря фотосинтезу растений солнечная энергия может превращаться в химическую, которая хранится в виде пищи, древесины и биомассы, которая в конце концов превращается в ископаемое топливо[5].

Перспективы использования

Солнечная энергия является источником энергии ветра, воды, тепла морей, биомассы, а также причиной образования на протяжении тысячелетий торфа, бурого и каменного угля, нефти и природного газа, однако эта опосредованная энергия и накопленная в течение тысяч и миллионов лет. Энергию Солнца можно использовать и непосредственно, как источник электроэнергии и тепла. Для этого нужно создать устройства, которые концентрируют энергию Солнца на малых площадях и в малых объемах.

Общее количество солнечной энергии, которую поглощает атмосфера, поверхность суши и океана составляет примерно 3 850 000 ексаджоулів (Эдж) в год[6]. За один час, это дает больше энергии, чем весь мир использовал за целый 2002 год[7][8]. Фотосинтез забирает около 3 000 Эдж в год на производство биомассы[9]. Количество солнечной энергии, которая достигает поверхность земли такая большая, что за год она примерно вдвое превзойдет всю энергию, которую потенциально можно выработать со всех невозобновляемых источников: угля, нефти, урановых руд[10].

"'Годовое поступление солнечного излучения и потребления энергии человеком"'11 Энергию подано в ексаджоулях 1 Эдж = 1018Дж = 278 ТВт/ч 2 Потребления по состоянию на 2010 год
Солнце 3 850 000 [6]
ветер 2 250 [11]
Потенциал биомассы ~200 [12]
Мировое потребление энергии2 539 [13]
Электроэнергия2 ~67 [14]

Количество солнечной энергии, которую потенциально может использовать человек, отличается от количества энергии, которое находится вблизи земной поверхности. Такие факторы как смена дня и ночи, облачность и доступная поверхность суши уменьшают количество энергии, пригодной для использования.

Географическое положение влияет на энергетический потенциал, поскольку ближе к экватора области принимают большее количество солнечного излучения. Однако, использование устройств на фотовольтації, которые могут изменять свою ориентацию в соответствии с положением Солнца на небосклоне, может значительно повышать потенциал солнечной энергии в отдалённых от экватора областях.[15]

Доступность земель значительно влияет на возможную добычу энергии, поскольку солнечные панели можно устанавливать лишь на землях, которые для этого подходят и не используются для других целей. Например, подходящим местом для установки панелей стали крыши[15].

Солнечные системы делятся на активные и пассивные, в зависимости от способа впитать солнечную энергию, ее переработать и распределить.

Активные солнечные технологии используют фотовольтаику, концентрированную солнечную энергию (англ.), солнечные коллекторы, насосы и вентиляторы, чтобы превратить солнечное излучение в полезный выход энергии. Среди пассивных солнечных технологий: использование материалов с благоприятными тепловыми характеристиками, дизайн помещений с естественной циркуляцией воздуха и выгодное расположение зданий относительно положения Солнца. Активные солнечные технологии повышают энергоснабжения, тогда как пассивные уменьшают потребность в дополнительных источниках энергии[16].

2000 года Программа развития ООН, Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН и Мировой энергетический совет опубликовали оценку потенциала солнечной энергии, которую человечество может добывать, приняв во внимание такие факторы, как инсоляция, облачность и доступна для использования поверхность суши. Оценка показала, что глобальный потенциал солнечной энергии составляет 1,575–49,837 Эдж на год "(см. таблицу ниже)"[15].

Годовой потенциал солнечной энергии по регионам (Эдж)[15] Регион Северная Америка Латинская Америка и Карибы Западная Европа Центральная и Восточная Европа Страны бывшего Советского Союза Ближний Восток и Северная Африка Sub-Saharan Африка Pacific Asia Южная Азия Centrally planned Asia Pacific OECD
Минимум 181,1 112,6 25,1 4,5 199,3 412,4 371,9 41,0 38,8 115,5 72,6
Максимум 7 410 3 385 914 154 8 655 11 060 9 528 994 1 339 4 135 2 263

В это время работают нагревательные устройства, которые аккумулируют энергию Солнца, а также опытные образцы электродвигателей и автомобилей, которые используют энергию Солнца.

Солнечная энергия, как полагают, к концу века может составить не более 1 % от общего количества используемой энергии. Еще в 1870 году в Чили было построено солнечный опреснитель морской воды, который производил до 30 т пресной воды в сутки и работал более 40 лет. Благодаря применению гетеропереходов коэффициент полезного действия солнечных батарей уже достигает 25 %. Налажено производство солнечных батарей в виде длинной поликристаллической кремниевой ленты, которые имеют КПД более 10 %.

Тепловая энергия

Технологии, которые используют тепловую энергию солнца, можно применять для нагрева воды, обогрева помещений, охлаждения помещений и генерации технологической теплоты[17].

В 1897 году Франк Шуман, американский изобретатель, инженер и пионер по использованию солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, принцип работы которого заключался в том, что солнечный свет отражалось на квадратные контейнеры, заполненные эфиром, температура кипения которого меньше, чем воды. Внутри до контейнеров были пригнаны черные трубы, которые приводили в движение паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company, которая должна была строить большие установки на солнечной энергии. Вместе со своим техническим советником А. С. Э Аккерманом и британским физиком Чарльзом Верноном Бойзом[18] Шуман разработал улучшенную систему, использовав систему зеркал, которые отражали солнечные лучи на коробки солнечных коллекторов, повышая эффективность нагрева до уровня, когда можно было вместо эфира использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, который работал на воде под низким давлением. Это дало ему возможность 1912 года запатентовать целую систему с солнечным двигателем.

Между 1912 и 1913 годами Шуман построил первую в мире геотермальную электростанцию в городе Маади Египет. Шумановская электростанция использовала параболоцилиндрический концентратор, чтобы привести в движение двигатель мощностью 45 — 52 кВт, который перекачивал более 22 000 литров воды за минуту с реки Нил на близлежащие хлопковые поля. Хотя Первая мировая война, а также открытие дешевой нефти в 1930-х годах, и помешали дальнейшему продвижению солнечной энергии, но шумановское видение и базовый дизайн был возрожден в 1970-х годах на новой волне интереса к геотермальной энергии[19]. В 1916 году в прессе часто Цитировали слова Шумана, в которых он защищал использования солнечной энергии:

  Мы доказали, что использование солнечной энергии может быть коммерчески выгодным в тропиках, и даже более того, доказали, что после исчерпания запасов нефти и угля, человечество получит неисчерпаемый источник энергии в виде солнечных лучей.

Оригинальный текст (англ.)

We have proved the commercial profit of sun power in the tropics and have more particularly proved that after our stores of oil and coal are exhausted the human race can receive unlimited power from the rays of the sun.

40Франк шуманNew York Times, 2 июля 1916[20]
 

Нагревание воды

  Солнечные водонагреватели возвращены в Солнца, чтобы повысить эффективность.

В низких географических широтах (ниже 40 градусов) от 60 до 70 % всей бытовой горячей воды температурой до 60 °C могут обеспечить солнечные системы для нагрева воды[21]. Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются: вакуумные трубные коллекторы (44 %) и плоские коллекторы (34 %), которые обычно используют для нагрева бытовой горячей воды; а также прозрачные пластиковые коллекторы (21 %), которые главным образом используют, чтобы подогревать плавательные бассейны[22].

По состоянию на 2007 год общая установленная мощность солнечных систем для нагрева воды составляла примерно 154 тепловых ГВт.[23] Китай является мировым лидером в этой области, установив по состоянию на 2006 год 70 ГВт тепловых и планируя к 2020 году достичь 210 ГВт тепловых[24]. Израиль и Кипр являются мировыми лидерами по использованию солнечных систем для подогрева воды на душу населения с 90 % домохозяйств, которые их установили[25]. В США, Канаде и Австралии солнечные водоподогреватели служат преимущественно для подогрева плавательных бассейнов, с установленной мощностью состоянию на 2005 год около 18 ГВт тепловых[16].

Обогрев, охлаждение и вентиляция

В США на HVAC приходится 30 % (4.65 EJ/yr) энергии, которая используется в коммерческих зданиях и почти 50 % (10.1 EJ/yr) энергии, которая используется в жилых домах[26][27]. Системы солнечного обогрева, охлаждения и вентиляции можно использовать, чтобы компенсировать часть этой энергии.

Тепловая масса — это любой материал, который можно применять, чтобы сохранять тепло, в частности солнечное. Среди материалов, которые могут выполнять функцию тепловой массы, камень, цемент и вода. На протяжении истории их применяли в засушливом или теплом климате, чтобы сохранить помещение прохладным, поскольку они впитывают солнечную энергию в течение дня и выпускают накопленное тепло ночью. Однако их можно применять и в прохладных регионах, чтобы сохранять тепло. Размер и расположение тепловой массы зависит от нескольких факторов, таких как климат, соотношение времени солнечной освещенности и пребывание в тени. Если тепловую массу правильно разместить, то она сохраняет температуру в помещении в комфортном диапазоне и уменьшает потребность в устройствах для дополнительного обогрева и охлаждения[28].

Солнечный дымоход (англ.) (или тепловой дымоход, в этом контексте) — это пассивная система солнечной вентиляции, состоящей из вертикального ствола, который соединяет внутреннюю и внешнюю стороны здания. Если дымоход нагревается, то воздух внутри также нагревается, вызывая вертикальный сквозняк (англ.) который протягивает воздух через дом. Его работу можно улучшить, если использовать непрозрачные материалы и тепловую массу[29] таким образом, который напоминает теплицу.

Листопадные растения предложено как способ контролировать солнечное нагревание и охлаждение. Если они растут на южной стороне здания в северном полушарии или северной стороне здания в южном полушарии, то их листья обеспечивает тень в течение лета, тогда как голые стволы без препятствий пропускают солнечные лучи зимой[30].

Приготовление еды

  Параболическая тарелка вырабатывает пар для приготовления пищи, Ауровіль (Индия)

Солнечные печи используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации. Их можно разделить на три широких категории: коробчасті печи (англ. box cookers), панельные печи (англ. panel cookers) и отражательные печи (англ. reflector cookers)[31]. Простейшая солнечная печь — коробчаста, которую впервые построил Орас Бенедикт де Соссюр 1767 года[32]. Простая коробчаста печь состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Она может эффективно применяться при частично закрытом облаками небе и обычно достигает температуры 90-150 °C[33]. Панельная печь использует отражающую панель, чтобы направить солнечные лучи на изолированный контейнер и достичь температуры, сравнимой с коробчастою печью. Отражательные печи используют различную геометрию отражателя (тарелку, корыто, зеркала Френеля), чтобы сфокусировать лучи на контейнер. Эти печи достигают температуры 315 °C, но требуют прямого луча и их нужно переставлять вместе с изменением положения Солнца[34].

Технологическое тепло

Шаблон:Перевод Системы концентрации солнечной энергии, такие как параболические тарелки, корыта и отражатели Шеффлера могут обеспечивать технологическое тепло для коммерческих и индустриальных нужд. Первой коммерческой системой был Total Solar Energy Project (англ.) (STEP) в Шенандоа, (Джорджия, США), где поле со 114 параболических тарелок обеспечило 50 % технологического тепла, вентиляции воздуха и потребностей в электроэнергии для швейной фабрики. Эта подключена к сети когенерационная установка обеспечила 400 Квт электроэнергии а также тепловую энергию в виде 401 Вт пара и 468 КВт охлажденной воды и обеспечивала хранение тепла с одногодинним пиковой нагрузкой[35]. Пруды-испарители — это мелкие бассейны, которые сконцентровують растворенные в воде твердые вещества с помощью испарение. Использование прудов-испарителей, чтобы добыть соль из морской воды, является одним из старейших применений солнечной энергии. Среди современных применений: повышение концентрации солей при добыче металлов методом выщелачивания, а также удаления твердых веществ из сточных вод[36]. При использовании шнуров (англ.), сушилки (англ.) и вешалок белье высыхает в процессе испарения под действием ветра и солнечных лучей без потребления электроэнергии и газа. В законах некоторых штатов даже специально прописан защита «права сушить» одежду[37]. Unglazed transpired collectors (UTC) are perforated sun-facing walls used for ventilation air preheating. UTCs can raise the incoming air temperature up to 22 °C (40 °F) and deliver outlet temperatures of Шаблон:Convert/Dual/LoffAoffDbSoffT.[38] Короткий период возврата вложенных денег (от 3 до 12 лет) делает transpired collectors финансово выгоднее, чем glazed collection systems[38]. По состоянию на 2003 год более 80 систем с суммарной коллекторной площадью 35 000 м2 были установлены во всем мире, включая коллектор площадью 860 м2 в Коста-Рике для сушки кофейных бобов и коллектор площадью 1300 м2 в Коїмбатори (Индия) для высушивания marigolds[39].

Обработка воды

Солнечное опреснение можно использовать, чтобы превратить соленую или солоноватую воду на питьевую. Впервые пример такого преобразования зафиксировали арабские алхимики XVI века[40]. Впервые масштабный проект из солнечного опреснения построили в 1872 году в чилийському шахтерском городке Лас-Салинас[41]. Завод, который имел площадь солнечного коллектора 4700 м2 мог производить до 22 700 л питьевой воды и оставался в работе на протяжении 40 лет[41]. Individual still designs include single-slope, double-slope (greenhouse or type), vertical, conical, inverted absorber, multi-wick, and multiple effect.[40]. Эти опреснители могут работать в пассивном, активном и гибридном режимах. Double-slope казани наиболее экономически выгодные для децентрализованных бытовых нужд, тогда как active multiple effect units более подходят для широкомасштабных проектов[40].

Для солнечной дезинфекции воду наливают в прозрачные бутылки с ПЭТ и помещают их на несколько часов под солнечные лучи[42]. Время дезинфекции зависит от климата и погодных условий, по крайней мере от 6 часов до 2 дней, если небо полностью покрыто облаками[43]. Этот способ рекомендовала Всемирная организация здравоохранения как доступный метод обработки бытовой воды и безопасного хранения[44]. Более 2 миллионов людей в странах, что развиваются, ежедневно применяют этот метод для обработки своей питьевой воды[43].

Солнечную энергию можно использовать в ставках-усереднювачах для обработки сточных вод без применения химикатов и затраты электроэнергии. Еще одним преимуществом для окружающей среды является то, что водоросли живут в таких прудах и потребляют диоксид углерода в процессе фотосинтеза, хотя они могут вырабатывать токсичные вещества, которые делают воду непригодной для употребления[45][46].

Производство электроэнергии

Солнечная энергетика работает за счет преобразования солнечного света в электроэнергию. Это может происходить или непосредственно, с использованием фотовольтаики, или косвенно, с использованием систем концентрированной солнечной энергии (англ.), в которых линзы и зеркала собирают солнечный свет с большой площади в тонкий луч, а механизм слежения отслеживает положение Солнца. Фотовольтаика превращает свет в электрический ток с помощью фотоэффект.

Предполагают, что солнечная энергетика станет крупнейшим источником электроэнергии к 2050 году, в которой на долю фотовольтаики и концентрированной солнечной энергии будет приходиться 16 и 11 % мирового производства электроэнергии соответственно[47].

Коммерческие электростанции на концентрированной солнечной энергии впервые появились в 1980-х годах. После 1985 года установка этого типа SEGS (англ.) в пустыне Мохаве (Калифорния) 354 МВт стала крупнейшей солнечной электростанцией в мире. Среди других солнечных электростанций этого типа СЭС Солнова (англ.) (150 МВт) и СЭС Андасол (англ.) (100 МВт), обе в Испании. Среди крупнейших электростанций на фотовольтаїці (англ.): Agua Caliente Solar Project (250 МВт) в США, и Charanka Solar Park (221 МВТ) в Индии. Проекты мощностью более 1 ГВт находятся на стадии разработки, но большинство установок на фотовольтаїці, мощностью до 5 КВт, имеют небольшой размер и расположены на крышах.По состоянию на 2013 год на солнечную энергию приходилось менее 1 % от электроэнергии в мировой сети[48].

Архитектура и городское планирование

Основные статьи: Пассивный солнечный дизайн зданий, Городской тепловой остров

Наличие солнечного света влияла на дизайн зданий от самого начала истории архитектуры[50]. Впервые продвинутые методы солнечной архитектуры и городского планирования ввели древние греки и китайцы, которые ориентировали свои дома на юг, чтобы обеспечить их освещением и теплом[51].

Среди общих характеристик пассивной солнечной архитектуры (англ.): благоприятная ориентация зданий относительно Солнца, компактные пропорции (малое отношение площади поверхности к объему), выборочное затемнение (навесы) и тепловая масса (англ.)[50]. Когда эти свойства удачно подобраны с учетом местного климата, то это обеспечивает хорошее освещение помещений и позволяет оставаться в комфортном диапазоне температур. Дом мегаронного типа Сократа — является классическим примером пассивной солнечной архитектуры[50]. На нынешнем этапе солнечного дизайна применяют компьютерное моделирование с помощью которой связывают между собой дневное освещение (англ.), а также системы солнечного обогрева и вентиляции в an integrated solar design package[52]. Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и switchable windows может дополнить пассивный дизайн и улучшить показатели работы системы.

Городской тепловой остров (МТО) — это городской район, где температура выше, чем в окружающих сельских местностях. Выше температуры является следствием применения таких материалов как асфальт и бетон, которые лучше впитывают солнечное излучение, поскольку имеют ниже альбедо и выше теплоемкость, чем в окружающей среде. Чтобы непосредственно противодействовать эффекту, здания красят в белое и насаживают на улицах деревья. Согласно проекту гипотетической программы «cool communities» в Лос-Анджелеси, используя эти методы городскую температуру можно снизить примерно на 3 °C. Стоимость проекта оценивается в US$1 млрд, а общая годовая выгода может составлять US$530 млн благодаря уменьшению затрат на вентиляцию и охрану здоровья[53].

Сельское хозяйство и растениеводство

Сельское хозяйство и растениеводство ищут способ оптимизировать впитывание солнечной энергии для того, чтобы повысить продуктивность растений. Techniques such as timed planting cycles, tailored row orientation, staggered heights between rows и смешивания различных видов растений может повышать урожайность[54][55]. Обычно солнечный свет считают избыточным ресурсом и исключения из этого правила лишь подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. В течение коротких growing seasons Малого ледникового периода французские и английские (англ.) фермеры использовали фруктовые стены чтобы увеличить поступления солнечной энергии. Эти стены действовали как тепловая масса и ускоряли созревание by keeping plants warm. Ранние фруктовые стены строили перпендикулярно к поверхности земли и возвращенными на юг, но со временем появились наклонные стены, которые лучше использовали солнечный свет. 1699 года, Никола Фатіо где Дьюїльє (англ.) даже предложил применять tracking mechanism, которые мог бы возвращаться в направлении солнца[56]. Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве кроме выращивания растений включает перекачки воды, высушивание урожая, выведение цыплят и высушивание птичьего помета[39][57]. В последнее время эту технологию стали применять виноделы, которые используют энергию от солнечных панелей, чтобы обеспечить энергией винодельческие прессы[58].

оранжерея превращают солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное выращивание растений, которые в природе не приспособлены для этого климата. Простейшие оранжереи использовали в римские времена, чтобы круглый год выращивать огурцы для императора Тиберия[59]. Самые современные оранжереи появились в Европе в XVI веке, чтобы хранить в них растения, которые привезли с исследовательских путешествий[60].

См. также

Примечания

  1. ↑ Smil (1991), p. 240
  2. ↑ Радиационный и световой режим
  3. ↑ Natural Forcing of the Climate System. Intergovernmental Panel on Climate Change. Проверено 29 сентября 2007.
  4. ↑ Сомервилл, Richard. Historical Overview of Climate Change Science (PDF). Intergovernmental Panel on Climate Change. Проверено 29 сентября 2007.
  5. ↑ Vermass, Wim. An Introduction to Photosynthesis and Its Applications. Arizona State University. Проверено 29 сентября 2007.
  6. ↑ 1 2 Smil (2006), p. 12
  7. ↑ http://www.nature.com/nature/journal/v443/n7107/full/443019a.html
  8. ↑ Powering the Planet: Chemical challenges in solar energy utilization (PDF). Проверено 7 августа 2008.
  9. ↑ Energy conversion by organisms photosynthetic. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Проверено 25 мая 2008.
  10. ↑ Exergy Flow Charts - GCEP. stanford.edu.
  11. ↑ Archer, Cristina. Evaluation of Global Wind Power. Stanford. Проверено 3 июня 2008.
  12. ↑ fa.upc.es/personals/fluids/oriol/ale/eolss.pdf Renewable Energy Sources. Renewable and Appropriate Energy Laboratory. Проверено 6 декабря 2012.
  13. ↑ Total Primary Energy Consumption. Energy Information Administration. Проверено 30 июня 2013.
  14. ↑ Total Electricity Consumption Net. Energy Information Administration. Проверено 30 июня 2013.
  15. ↑ 1 2 3 4 Energy and the challenge of sustainability (PDF). UN Development Programme and World Energy Council (September 2000). Проверено 17 января 2017.
  16. ↑ 1 2 Philibert, Cédric The Present and Future use of Solar Thermal Energy as a Primary Source of Energy. IEA (2005). Архивировано 12 декабря 2011 года.
  17. ↑ Solar Energy Technologies and Applications. Canadian Renewable Energy Network. Проверено 22 октября 2007.
  18. ↑ V.+Boys/famous/4c880e9645e2ca90f61156a9efa6d16a C. V. Boys - Scientist. yatedo.com.
  19. ↑ Smith, Zachary Alden. Renewable And Alternative Energy Resources: A Reference Handbook. — ABC-CLIO, 2008. — P. 174. — ISBN 978-1-59884-089-6..
  20. ↑ American Inventor Uses egypt's Sun for Power - Appliance Concentrates the Heat Rays and Produces Steam, Which Can Be Used to Drive Irrigation Pumps in Hot Climates - View Article - NYTimes.com/date=2 July 1916. nytimes.com.
  21. ↑ Renewables for Heating and Cooling (PDF). International Energy Agency. Проверено 13 августа 2015.
  22. ↑ Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide (Markets and Contributions to the Energy Supply 2005) (PDF). International Energy Agency. Проверено 30 мая 2008. Архивировано 10 сентября 2008 года.
  23. ↑ Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2006 (PDF). International Energy Agency. Проверено 9 июня 2008.
  24. ↑ Renewables 2007 Global Status Report (PDF). Worldwatch Institute. Проверено 30 апреля 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  25. ↑ Del Chiaro, Bernadette. Solar Water Heating (California How Can Reduce Its Dependence on Natural Gas) (PDF). Environment California Research and Policy Center. Проверено 29 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  26. ↑ Apte, J. Future Advanced for Windows Zero-Energy Homes (PDF). American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Проверено 9 апреля 2008.
  27. ↑ Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential (PDF) 2-2. United States Department of Energy. Проверено 24 июня 2008.
  28. ↑ Mazria(1979), p. 29-35
  29. ↑ Bright, David Passive solar heating simpler for the average owner.. Bangor Daily News (18 February 1977). Проверено 3 июля 2011.
  30. ↑ Mazria(1979), p. 255
  31. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xi
  32. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 54-59
  33. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xii
  34. ↑ Anderson and Palkovic (1994), p. xiii
  35. ↑ Stine, W B and Harrigan, R W. Shenandoah Total Solar Energy Project. John Wiley. Проверено 20 июля 2008.
  36. ↑ Bartlett (1998), p.393-394
  37. ↑ Thomson-Philbrook, Julia. Right to Dry Legislation in New England States and Other. Connecticut General Assembly. Проверено 27 мая 2008.
  38. ↑ 1 2 Solar Buildings (Transpired Air Collectors - Ventilation Preheating) (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Проверено 29 сентября 2007.
  39. ↑ 1 2 Leon (2006), p. 62
  40. ↑ 1 2 3 Tiwari (2003), p. 368-371
  41. ↑ 1 2 Daniels (1964), p. 6
  42. ↑ SODIS solar water disinfection. EAWAG (The Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology). Проверено 2 мая 2008.
  43. ↑ 1 2 Household Water Treatment Options in Developing Countries: Solar Disinfection (SODIS) (PDF). Centers for Disease Control and Prevention. Проверено 13 мая 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  44. ↑ Household Water Treatment and Safe Storage. World Health Organization. Проверено 2 мая 2008.
  45. ↑ Shilton AN, Powell N, Mara DD, Craggs R (2008). «Solar-powered aeration and disinfection, anaerobic co-digestion, biological CO(2) scrubbing and biofuel production: the energy and carbon management opportunities of waste stabilisation ponds». Water Sci. Technol. 58 (1): 253-258. DOI:10.2166/wst.2008.666. PMID 18653962.
  46. ↑ Tadesse I, Isoaho SA, Green FB, Puhakka JA (2003). «Removal of organics and nutrients from tannery effluent by advanced integrated Wastewater Pond Systems technology». Water Sci. Technol. 48 (2): 307-14. PMID 14510225.
  47. ↑ International Energy Agency. Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy (PDF). http://www.iea.org. IEA (2014). Проверено 7 октября 2014. Архивировано 7 октября 2014 года.
  48. ↑ Historical Data Workbook (2013 calendar year)
  49. ↑ Darmstadt University of Technology solar decathlon home design. Darmstadt University of Technology. Проверено 25 апреля 2008. Архивировано 18 октября 2007 года.
  50. ↑ 1 2 3 Schittich (2003), p. 14
  51. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 4, 159
  52. ↑ Balcomb(1992)
  53. ↑ Rosenfeld, Arthur; Romm, Joseph; Akbari, Hashem; Lloyd, Alan. Painting the Town White -- and Green. Heat Island Group. Проверено 29 сентября 2007. Архивировано 14 июля 2007 года.
  54. ↑ Jeffrey C. Silvertooth. Row Spacing, Plant Population, and Yield Relationships. University of Arizona. Проверено 24 июня 2008.
  55. ↑ Kaul (2005), p. 169-174
  56. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 42-46
  57. ↑ Bénard (1981), p. 347
  58. ↑ A Электростанция Winery. News Update. Novus Vinum (27 октября 2008). Проверено 5 ноября 2008.
  59. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 19
  60. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 41

http-wikipediya.ru


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта