Что такое солнечная энергия – Активное использование солнечной энергии в быту на земле | Эфективность и виды использования энергии солнечного света для отопления в России

Содержание

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 ПВт солнечного излучения (инсоляции)[1]. Около 6 % инсоляции отражается от 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 диффундирует 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 эксаджоулей (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»‘1
Солнце 3 850 000 [6]
ветер 2 250 [11]
Потенциал биомассы ~200 [12]
Мировое потребление энергии2
539 [13]
Электроэнергия2 ~67 [14]
1 Энергию подано в эксаджоулях 1 ЭДж = 1018Дж = 278 ТВт/ч 
2 Потребления по состоянию на 2010 год

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 фотовольтонику, 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.


40
Франк шуман
New York Times, 2 июля 1916[20]
»

Нагревание воды[править | править код]

Солнечные водонагреватели направлены к Солнцу, 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]

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 чилийском 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]

Эта статья или раздел содержит незавершённый перевод с английского языка.

Вы можете помочь проекту, закончив перевод.

(Скрытый викитекст)

»

Сельское хозяйство и растениеводство ищут способы оптимизировать впитывание солнечной энергии для того, чтобы повысить продуктивность растений.

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[54]. Современные В Европе в XVI веке появились оранжереи для выращивания растений, привезённых из исследовательских путешествий[55].

  1. ↑ Smil (1991), p. 240
  2. ↑ Радиационный и световой режим (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 6 апреля 2018. Архивировано 12 октября 2013 года.
  3. ↑ Natural Forcing of the Climate System (неопр.) (недоступная ссылка). Intergovernmental Panel on Climate Change. Дата обращения 29 сентября 2007. Архивировано 29 сентября 2007 года.
  4. Сомервилл, Richard. Historical Overview of Climate Change Science (неопр.) (PDF). Intergovernmental Panel on Climate Change. Дата обращения 29 сентября 2007.
  5. Vermass, Wim. An Introduction to Photosynthesis and Its Applications (неопр.) (недоступная ссылка). Arizona State University. Дата обращения 29 сентября 2007. Архивировано 3 декабря 1998 года.
  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 (неопр.) (PDF). Дата обращения 7 августа 2008.
  9. ↑ Energy conversion by organisms photosynthetic (неопр.). Food and Agriculture Organization of the United Nations. Дата обращения 25 мая 2008.
  10. ↑ Exergy Flow Charts — GCEP (неопр.). stanford.edu.
  11. Archer, Cristina. Evaluation of Global Wind Power (неопр.). Stanford. Дата обращения 3 июня 2008.
  12. ↑ fa.upc.es/personals/fluids/oriol/ale/eolss.pdf Renewable Energy Sources (неопр.). Renewable and Appropriate Energy Laboratory. Дата обращения 6 декабря 2012.
  13. ↑ Total Primary Energy Consumption (неопр.). Energy Information Administration. Дата обращения 30 июня 2013.
  14. ↑ Total Electricity Consumption Net (неопр.). Energy Information Administration. Дата обращения 30 июня 2013.
  15. 1 2 3 4 Energy and the challenge of sustainability (неопр.) (PDF). UN Development Programme and World Energy Council (сентябрь 2000). Дата обращения 17 января 2017.
  16. 1 2 Philibert, Cédric The Present and Future use of Solar Thermal Energy as a Primary Source of Energy (неопр.). IEA (2005). Дата обращения 6 апреля 2018. Архивировано 12 декабря 2011 года.
  17. ↑ Solar Energy Technologies and Applications (неопр.) (недоступная ссылка). Canadian Renewable Energy Network. Дата обращения 22 октября 2007. Архивировано 15 ноября 2007 года.
  18. ↑ V.+Boys/famous/4c880e9645e2ca90f61156a9efa6d16a C. V. Boys — Scientist (неопр.). yatedo.com.
  19. Smith, Zachary Alden; Taylor, Katrina D. Renewable And Alternative Energy Resources: A Reference Handbook (англ.). — 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 (неопр.). nytimes.com.
  21. ↑ Renewables for Heating and Cooling (неопр.) (PDF). International Energy Agency. Дата обращения 13 августа 2015.
  22. Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide (Markets and Contributions to the Energy Supply 2005) (неопр.) (PDF). International Energy Agency. Дата обращения 30 мая 2008. Архивировано 10 сентября 2008 года.
  23. Weiss, Werner. Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2006 (неопр.) (PDF). International Energy Agency. Дата обращения 9 июня 2008.
  24. ↑ Renewables 2007 Global Status Report (неопр.) (PDF). Worldwatch Institute. Дата обращения 30 апреля 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  25. Del Chiaro, Bernadette. Solar Water Heating (California How Can Reduce Its Dependence on Natural Gas) (неопр.) (PDF). Environment California Research and Policy Center. Дата обращения 29 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  26. Apte, J. Future Advanced for Windows Zero-Energy Homes (неопр.) (PDF) (недоступная ссылка). American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Дата обращения 9 апреля 2008. Архивировано 10 апреля 2008 года.
  27. ↑ Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential (неопр.) (PDF) 2-2. United States Department of Energy. Дата обращения 24 июня 2008.
  28. ↑ Mazria(1979), p. 29-35
  29. Bright, David Passive solar heating simpler for the average owner. (неопр.). Bangor Daily News (18 февраля 1977). Дата обращения 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 (неопр.). John Wiley. Дата обращения 20 июля 2008.
  36. ↑ Bartlett (1998), p.393-394
  37. Thomson-Philbrook, Julia. Right to Dry Legislation in New England States and Other (неопр.). Connecticut General Assembly. Дата обращения 27 мая 2008.
  38. 1 2 Solar Buildings (Transpired Air Collectors — Ventilation Preheating) (неопр.) (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Дата обращения 29 сентября 2007.
  39. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок Leon 2006 не указан текст
  40. 1 2 3 Tiwari (2003), p. 368-371
  41. 1 2 Daniels (1964), p. 6
  42. ↑ SODIS solar water disinfection (неопр.). EAWAG (The Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology). Дата обращения 2 мая 2008.
  43. 1 2 Household Water Treatment Options in Developing Countries: Solar Disinfection (SODIS) (неопр.) (PDF) (недоступная ссылка). Centers for Disease Control and Prevention. Дата обращения 13 мая 2008. Архивировано 29 мая 2008 года.
  44. ↑ Household Water Treatment and Safe Storage (неопр.). World Health Organization. Дата обращения 2 мая 2008.
  45. Shilton A. N., Powell N., Mara D. D., Craggs R. 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 (англ.) // Water Sci. Technol. (англ.)русск. : journal. — 2008. — Vol. 58, no. 1. — P. 253—258. — DOI:10.2166/wst.2008.666. — PMID 18653962.
  46. Tadesse I., Isoaho S. A., Green F. B., Puhakka J. A. Removal of organics and nutrients from tannery effluent by advanced integrated Wastewater Pond Systems technology (англ.) // Water Sci. Technol. (англ.)русск. : journal. — 2003. — Vol. 48, no. 2. — P. 307—314. — PMID 14510225.
  47. International Energy Agency. Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy (неопр.) (PDF) (недоступная ссылка). http://www.iea.org. IEA (2014). Дата обращения 7 октября 2014. Архивировано 7 октября 2014 года.
  48. ↑ Historical Data Workbook (2013 calendar year)
  49. ↑ Darmstadt University of Technology solar decathlon home design (неопр.). Darmstadt University of Technology. Дата обращения 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 (неопр.) (недоступная ссылка). Heat Island Group. Дата обращения 29 сентября 2007. Архивировано 14 июля 2007 года.
  54. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 19
  55. ↑ Butti and Perlin (1981), p. 41

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 возобновляемый источник 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 СЭС
Год Энергия ГВт·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]
Power of solar energy by country.jpg Solar capacity.jpg

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. Флаг США First Solar — 1800 МВт
  3. Trina Solar — 1600 МВт
  4. Флаг Канады Canadian Solar — 1550 МВт
  5. Suntech — 1500 МВт
  6. Флаг Японии Sharp — 1050 МВт
  7. Jinko Solar — 900 МВт
  8. Флаг США SunPower — 850 МВт
  9. REC Group — 750 МВт
  10. Флаг Республики Корея 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].

Флаг Республики Корея

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].

Флаг Республики Корея 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.

Флаг Республики Корея 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 железнодорожных 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 Архивная копия от 6 октября 2014 на Wayback Machine 15.12.2005
  2. ↑ Геополитика солнца (неопр.). Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). Дата обращения 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 (неопр.). Deutsche Welle (29 мая 2013). Дата обращения 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 (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 2 марта 2012. Архивировано 19 июня 2013 года.
  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 (неопр.). РБК (17 июня 2013). Дата обращения 15 июня 2013. (недоступная ссылка)
  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). Дата обращения 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). Дата обращения 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.
  • Умаров Г. Я.; Ершов А. А. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1974. — 64 с.
  • Алексеев В. В.; Чекарев К. В. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1991. — 64 с.
⛭

Отрасли промышленности

Солнечная энергия — огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс

Солнечная выработка электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электроэнергии из добываемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, отсутствием глобального загрязнения окружающей среды и без каких-либо угроз для нашего общественного здравоохранения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержит такое же количество энергии, какая хранится во всех запасах планеты угля, нефти и природного газа. За пределами атмосферы, солнечная энергия содержит около 1300 ватт на квадратный метр. После того, как она достигнет атмосферы, около одной трети этого света отражается обратно в космос, в то время как остальные продолжают следовать к поверхности Земли.

Усредненные по всей поверхности планеты, квадратный метр собирает 4,2 киловатт-часов энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облачности, могут получить более чем 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в среднем в течение года.

Преобразование солнечной энергии в электричество


Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.

В 2015 году почти 800 000 фотоэлектрических систем были установлены на крышах домов по всей территории Соединенных Штатов. Крупномасштабные PV проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электричество. Эти проекты часто имеют выходы в диапазоне сотен мегаватт, а это миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади земли.

Как работают панели солнечных батарей


Солнечные фотоэлектрические (PV) панели на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.

В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая (PV) ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.

Компоненты PV ячейки


Наиболее важными компонентами PV ячейки являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизирующийся кремний является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси — процесс, называемый допинг-этап.

Нижний слой из фотоэлементов обычно состоит из легированного борома, который в связке с кремнием создает положительный заряд (p), в то время как верхний слой, легированный фосфором, взаимодействуя с кремнием — отрицательный заряд (n).

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку и возвращаясь в n-слой.


беспилотные самолеты на солнечной энергии

Каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Панели затем либо используются как отдельные единицы или сгруппированы в более крупные массивы.

Переход к электрической системе с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ.

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 году -1кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 году – 1доллар, сейчас -20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, а ежегодный объем от продаваемых батарей превышает (по мощности) 40мВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% — из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16%), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). В скором времени ученые предполагают, что стоимость 1кВт-ч будет равна 10 центам, что поставит солнечную энергетику на первые места в энергетической независимости многих стран.

Перовскит «удешевит» солнечную энергию


Еще в 2013 году новость разнеслась по просторам сети: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Применение вместо кремния перовскита позволит снизить стоимость производства электроэнергии при помощи солнечных батарей. Перовскит (титанат кальция) был обнаружен в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного любителя минералов). Как компонент фотоэлемента начал использоваться в 2009 году.

Батареи покрываются инновационным недорогим фотоэлементом, основное достоинство которого в том, что он может конвертировать в энергию намного большее количество частей солнечного света. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, которая позволяет с максимальной эффективностью впитывать солнечный свет. По предварительным оценкам использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость киловатта энергии в семь раз.

«Главное преимущество новых фотоэлементов заключается не столько в эффективности, сколько в том, что материал чертовски дешев. Батареи на основе перовскита, в которых не используется кремний, могут сделать солнечную энергетику по-настоящему массовой».

Солнечная энергия для ЦОД


10 % всей производимой в мире электроэнергии потребляют серверные фермы. Так как энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сейчас внедряются во всех отраслях, ЦОД не остались в стороне. Негативное влияние серверных ферм на окружающую среду давно уже на устах экологов. Поэтому владельцы дата-центров стремятся к снижению негативного воздействия своих ЦОД, прибегая к передовым энергосберегающим и «зеленым» технологиям выработки электроэнергии, сюда можно отнести фрикулинг, системы локальных генерирующих мощностей на базе возобновляемых источников энергии.

Как выход — солнечная электростанция рядом с серверной фермой, в тех странах, где это позволяют климатические условия. Она идеальна для серверных ферм, которые развернуты в тропиках или субтропиках. Ведь использование солнечных панелей на крыше ЦОД, кроме того что предоставит «зеленую энергию», так еще и поможет уменьшить тепловую нагрузку на здание, так как создаваемая ими тень минимизирует количество поглощаемого крышей тепла. Гелиоэлектростанция снизит общий негативный эффект дата-центра на экологию, и повысит надежность ЦОД расположенных в регионах, где наблюдаются перебои в работе центральной электросети.


крупная электростанция на базе возобновляемых источников энергии рядом с дата-центром Apple в городе Мейден, штат Северная Каролина (США)

Switch совместно с энергетической компанией Nevada Power начала сооружение рядом с Лас-Вегасом солнечной станции Switch Station мощностью 100 МВт. В американских СМИ компанию Switch называют «возмутителям спокойствия» на рынке коммерческих ЦОД, это один из крупнейших игроков, данной отрасли. Компания занимается сооружением и поддержкой datacenter facilities – зданий и и инженерной инфраструктуры без собственно вычислительной аппаратуры, ее основная модель взаимодействия с клиентами – colocation.


крупнейшая в мире гелиотермальная электростанция Айванпа мощностью 400 МВт

В 2015 году США и Япония начали разрабатывать новый механизм электроснабжения ЦОД за счет солнечной энергии. Проект предполагает исследование новых возможностей «… использования связки генерирующих мощностей на базе солнечной энергии и систем класса HVDC (высокое напряжение постоянного тока), применяемых для распределения генерируемой солнечными батареями электроэнергии на уровне ЦОД». Такое комбинирование HVDC и солнечных панелей даст возможность развернуть единую систему резервного электропитания на базе аккумуляторных батарей, при этом можно будет экономить на капитальных и эксплуатационных расходах.

Интересно


Немецкий архитектор Андре Броезель из компании Rawlemon создал солнечую батарею в форме движущего стеклянного шара. Он называет его генератором нового поколения, который будет ловить максимальное количество лучей, так как он оснащен системой отслеживания перемещения солнца и датчиками смены погоды, а это на 35 % эффективней в сравнении с стандартными солнечными батареями.

Японская энергетическая компания Shimizu Corporation в 2015 году обьявила о своем намерение построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в виде колец с солнечными батареями будет опоясывать Луну по примеру планеты Сатурн и передавать энергию на Землю. От такой солнечной станции Shimizu Corporation ожидает 13 тысяч тераватт энергии/ год. Еще не известна стоимость и дата начала такого космического строительства.

В институте прогрессивной архитектуры в Каталонии разработали солнечную панель, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Плюсом такой технологии является отказ от опасных токсичных материалов и тяжелых металлов в производстве солнечных панелей. Тут используются специальные бактерии в крохотных топливных ячейках, размещенных в земле под корнями растений. Бактерии нужны для выработки дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут обеспечивать жизненный цикл бактерий, а вода служить в качестве подпитки для всей системы. Такая инновационная система может работать на территориях, где солнечного света не так уж и много, если заменить растения мхом, так как он может расти в тени.

Что такое солнечная энергия?

Подробности
Опубликовано 08.07.2015 15:28

Что принято называть солнечной энергией? Это энергия, производимая солнцем в виде света и тепла. Кроме того, существуют вторичные виды солнечной энергии, такие как энергия ветра и волн. Все названые виды энергии составляют большую часть возобновляемой энергии Земли.

Земля получает 174 петаватт (PW) солнечной радиации в верхних слоях атмосферы. 30% отражается обратно в космос, а остальная часть поглощается облаками, океанами и сушей. Поверхность земли, океаны и атмосфера поглощают солнечное излучение, что повышает их температуру. Теплый воздух, содержащий воду из океанов, поднимается вверх, вызывая конвекцию. Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака и вызывает дождь. Скрытая теплота конденсации воды увеличивает конвекцию, производя ветер. Энергия поглощается океанами и сушей, сохраняя поверхность при средней температуре около 14 C.

Зеленые растения преобразовывают солнечную энергию в химическую энергию посредством фотосинтеза. Производство наших продовольственных товаров полностью зависит от солнечной энергии. После своей жизни растения умирают и распадаются в Земле, так солнечная энергия обеспечивает биомассу, которая создала ископаемые виды топлива, которые мы знаем.

Способы использования солнечной энергии

Люди используют солнечную энергию в самых разных формах: для отопления и охлаждения помещений, производства питьевой воды дистилляции, дезинфекции, освещения, производства горячей воды и приготовления пищи. Способы использования солнечной энергии ограничены только человеческой изобретательностью.

Солнечные технологии бывают пассивными или активными, в зависимости от способа захвата энергии, которая затем преобразуется, и распространятся.

Активные солнечные технологии

К активным солнечным технологиям относят фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы.

 

Пассивные солнечные технологии

Пассивные методы включают ориентацию здание к Солнцу, чтобы получать максимальное количество дневного света и тепла, а также выбор материалов с нужными тепловыми свойствами.

 

Наша нынешняя зависимость от ископаемого топлива медленно заменяется альтернативными источниками энергии. Некоторые виды топлива, в конечном итоге могут стать бесполезным, но солнечная энергия никогда не устареет, не будет контролироваться иностранными державами, и не закончится. Солнце использует собственные запасы водорода, оно будет производить полезную энергию, пока не взорвется. Задачей, стоящей перед людьми, является захват этой энергии, пока что самым простым способом это сделать, остается использование ископаемого топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

  • < Назад
  • Вперёд >

Солнечная энергия – решение будущего. Солнечные электростанции.

солнечная энергияЛюди уже не представляют себе жизнь без электричества, и с каждым годом потребность в энергии все больше растет, в то время как запасы энергоресурсов таких нефть, газ, уголь стремительно сокращаются.  У человечества не остается других вариантов, как использование альтернативных источников энергии. Одним из способов получения электроэнергии является преобразование солнечной энергии с помощью фотоэлементов. То, что можно использовать энергию солнца люди узнали относительно давно, но активно развивать начали лишь в последние 20 лет.  За последние годы благодаря не прекращающимся исследованиям, использованию новейших материалов и креативных конструкторских решений удалось значительно увеличить производительность солнечных батарей. Многие полагают, что в будущем человечество сможет отказаться от традиционных способов получения электроэнергии в пользу солнечной энергии и получать ее с помощью солнечных электростанций.

Солнечная энергетика один из источников получения электроэнергии не традиционным способом, поэтому относится к альтернативным источникам энергии. Солнечная энергетика использует солнечное излучение и преобразовывает его в электричество или в другие виды энергии. Солнечная энергия является не только экологически чистым источником энергии, т.к. при преобразовании солнечной энергии не выделяется вредных побочных продуктов, но еще энергия солнца самовосстанавливающийся источник альтернативной энергии.

Теоретически рассчитать, сколько можно получить энергии от потока солнечной энергии несложно, давно известно, что пройдя расстояние от Солнца до Земли и падая на поверхность площадью 1 м² под углом 90°, солнечный поток на входе в атмосферу несет в себе энергетический заряд равный 1367 Вт/м², это так называемая солнечная постоянная. Это идеальный вариант при идеальных условиях, которых как мы знаем добиться практически не возможно. Таким образом после прохождения атмосферы максимальный поток который можно получить будет на экваторе и будет составлять 1020 Вт/м², но среднесуточное значение которое мы сможем получить будет в 3 раза меньше из-за смены дня и ночи и изменения угла падения солнечного потока. А в умеренных широтах к смене дня и ночи прибавляется еще и смена времен года, а с ним и изменение длительности светового дня, поэтому в умеренных широтах количество получаемой энергии сократится еще в 2 раза.

солнечная энергия

Как мы все знаем, в последние несколько лет развитие солнечной энергетики с каждым годом все больше набирает темпы, но давайте попробуем проследить динамику развития.  В далеком 1985 году мировые мощности, использующие солнечную энергию, составляли всего лишь 0,021 ГВт. В 2005 году они уже составляли 1,656 ГВт. 2005 год считают переломным в развитии солнечной энергетике, именно с этого года люди началось активно интересоваться исследованиями и развитием электросистем работающих на солнечной энергии.  Далее динамика не оставляет сомнений (2008г-15,5 ГВт, 2009-22,8 ГВт, 2010-40 ГВт, 2011-70 ГВт, 2012-108 ГВт, 2013-150 ГВт, 2014-203 ГВт). Пальму первенства в использовании солнечной энергии держат страны Евросоюза и США, в производственной и эксплуатационной сфере только в США и Германии заняты больше 100 тыс. людей в каждой. Также своими достижениями в освоении солнечной энергии могут похвастаться Италия, Испания и, конечно же, Китай, который если и не является лидером в эксплуатации солнечных элементов то, как производитель фотоэлементов из года в год наращивает темпы производства.

Достоинства: 1) экологичность-не загрязняет окружающую среду; 2) доступность-фотоэлементы доступны в продаже не только для промышленного использования, но и для создания частных мини солнечных электростанций; 3) неисчерпаемость и само восстанавливаемость источника энергии; 4) постоянно снижающаяся себестоимость  производства электроэнергии.
Недостатки: 1) влияние на производительность погодных условий и времени суток; 2) для сохранения энергии необходимо аккумулировать энергию; 3) меньшая производительность в умеренных широтах из-за смены времен года; 4)значительный нагрев воздуха над солнечной электростанцией; 5) потребность периодически очищать поверхность фотоэлементов от загрязнения, а это проблематично из за огромных площадей, занимаемых под установку фотоэлементов; 6) также можно сказать об относительно высокой стоимости оборудования, хоть с каждым годом себестоимость снижается, пока говорить о дешевой  солнечной энергии не приходится.

На сегодняшний день развитию солнечной энергетики пророчат большое будущее, с каждым годом все больше строятся новые солнечные электростанции, которые поражают своими масштабами и техническими решениями. Также не прекращаются научные исследования, направленные на увеличение КПД фотоэлементов. Ученые посчитали, что если покрыть сушу планеты Земля на 0,07%, с КПД фотоэлементов в 10%, то энергии хватит более чем на 100% обеспечения всех потребностей человечества. На сегодняшний день уже используются фотоэлементы с  КПД в 30%. По исследовательским данным известно, что амбиции ученых обещают довести его до 85%.

Солнечные электростанции это сооружения задачей, которых является преобразовывать потоки солнечной энергии в  электрическую энергию.  Размеры солнечных электростанций могут быть различными, начиная от частных мини электростанций с несколькими солнечными панелями и заканчивая огромными, занимающими площади свыше 10 км².

Со времени постройки первых солнечных электростанций прошло довольно много времени, за которое было осуществлено множество проектов и применено немало интересных конструкционных решений. Принято делить все солнечные электростанции на несколько типов:
1.    Солнечные электростанции башенного типа.
2.    Солнечные электростанции, где солнечные батарей представляют собой фотоэлементы.
3.    Тарельчатые солнечные электростанции.
4.    Параболические солнечные электростанции.
5.    Солнечные электростанции солнечно-вакуумного типа.
6.    Солнечные электростанции смешанного типа.

Очень распространенный тип конструкции электростанции. Представляет собой высокую башенную конструкцию на вершине, которой расположен резервуар, с водой выкрашенный в черный цвет для  лучшего притягивания отраженного солнечного света.  Вокруг башни по кругу расположены большие зеркала площадью свыше 2 м², они все подключены к единой системе управления, которая следит за изменением угла наклона зеркал, что бы они всегда отражали солнечный свет и направляли его прямиком на резервуар с водой расположенный на верхушке башни. Таким образом, отраженный солнечный свет нагревает воду, которая образует пар, а затем этот пар с помощью насосов подается на турбогенератор где и происходит выработка электроэнергии. Температура нагрева бака может достигать 700 °C. Высота башни зависит от размеров и мощности солнечной электростанции и, как правило, начинается от 15 м, а высота самой большой на сегодняшний день составляет 140 м. Такой тип солнечных электростанций очень распространен и  предпочитается многими странами за свой высокий КПД в 20%.

солнечные электростанции башенного типа

Используют для преобразования солнечного потока в электричество фотоэлементы (солнечные батареи). Данный тип электростанций стал очень популярным благодаря возможности использования солнечных батарей небольшими блоками, что позволяет применять солнечные батареи для обеспечения электричеством, как частных домов, так и крупных промышленных объектов.  Тем более что КПД с каждым годом растет и на сегодняшний день уже существуют фотоэлементы с КПД 30%.

солнечные электростанции фотоэлементного типа

Данный тип солнечной электростанции имеет вид огромных спутниковых антенн, внутренняя сторона которых покрыта зеркальными пластинами. Принцип, по которому происходит преобразование энергии, похож с башенными станциями с небольшим отличием, параболическая форма зеркал обусловливает, что солнечные лучи, отражаясь от  всей поверхности зеркала, концентрируются в центре, где расположен приемник с жидкостью, которая нагревается, образуя пар, который в свою очередь и является движущей силой для небольших генераторов.

параболические солнечные электростанции

Принцип работы и способ получения электроэнергии идентичен солнечным электростанциям  башенного и параболического типа. Отличие составляет лишь конструктивные особенности. На стационарной конструкции немного похожей на гигантское металлическое дерево, на котором развешены круглые плоские зеркала, которые концентрируют солнечную энергию на приемнике.

тарельчатые солнечные электростанции

Это очень необычный способ использования энергии солнца и разности температур. Конструкция электростанции состоит из покрытого стеклянной крышей участка земли круглой формы с башней в центре. Башня внутри полая, в ее основании расположены несколько турбин, которые вращаются благодаря возникающему из-за разности температур потоку воздуха.  Через стеклянную крышу солнце нагревает землю и воздух внутри помещения, а с внешней средой  здание сообщается трубой и так как вне помещения температура воздух значительно ниже, то создается воздушная тяга, которая увеличивается с  ростом разницы температур. Таким образом, ночью турбины вырабатывают электроэнергии больше чем днем.

солнечные электростанции солнечно-вакуумного типа

Это когда на солнечных электростанциях определенного типа в качестве вспомогательных элементов используют, например солнечные коллекторы для обеспечения объектов горячей водой и теплом или возможно использование одновременно на электростанции башенного типа участков фотоэлементов.

Солнечная энергетика развивается высокими темпами, люди, наконец, то всерьез задумались об альтернативных источниках энергии, что бы предупредить неизбежно надвигающийся энергетический кризис и экологическую катастрофу.  Хоть лидерами в солнечной энергетике по-прежнему остаются США и Евросоюз, но все остальные мировые державы постепенно начинают перенимать и использовать опыт и технологии производства и использования солнечных электростанций. Можно не сомневаться, что рано или поздно солнечная энергия станет основным источником энергии на Земле.

Солнечная энергетика: технологии, достоинства и недостатки

Мы живём в мире будущего, хотя не во всех регионах это заметно. В любом случае возможность развития новых источников энергии сегодня всерьёз обсуждается в прогрессивных кругах. Одним из самых перспективных направлений выступает солнечная энергетика.

На данный момент около 1% электроэнергии на Земле получается вследствие переработки солнечного излучения. Так почему мы до сих пор не отказались от других «вредных» способов, и откажемся ли вообще? Предлагаем ознакомиться с нашей статьей и попытаться самостоятельно ответить на этот вопрос.

Как солнечная энергия преобразуется в электричество

Начнём с самого важного – каким образом солнечные лучи перерабатываются в электроэнергию.

Сам процесс носит название «Солнечная генерация». Наиболее эффективные пути его обеспечения следующие:

  • фотовольтарика;
  • гелиотермальная энергетика;
  • солнечные аэростатные электростанции.

Рассмотрим каждый из них.

Фотовольтарика

В этом случае электрический ток появляется вследствие фотовольтарического эффекта. Принцип такой: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию фотонов (частиц света) и приходят в движение. В итоге мы получаем электрическое напряжение.

Подробнее можете почитать на Википедии: Фотовольтарический эффект

Именно такой процесс происходит в солнечных панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество.

Сама конструкция фотовольтарических панелей достаточно гибкая и может иметь разные размеры. Поэтому в использовании они очень практичны. К тому же панели имеют высокие эксплуатационные свойства: устойчивы к воздействию осадков и перепадам температур.

А вот как устроен отдельный модуль солнечной панели:

О применении солнечных батарей в качестве зарядных устройств, источников питания частных домах, для облагораживания городов и в медицинских целях можно почитать в отдельной статье.

Современные солнечные панели и электростанции

Из недавних примеров можно отметить солнечные панели компании SistineSolar. Они могут иметь любой оттенок и текстуру в отличие от традиционных тёмно-синих панелей. А это значит, что ими можно «оформить» крышу дома так, как Вам заблагорассудится.

Другое решение предложили разработчики Tesla. Они выпустили в продажу не просто панели, а полноценный кровельный материл, перерабатывающий солнечную энергию. Черепица Solar Roof содержит встроенные солнечные модули и также может иметь самое разнообразное исполнение. При этом сам материал гораздо прочнее обычной кровельной черепицы, у Solar Roof даже гарантия бесконечная.

Ещё много интересного в наших соцсетях