Солнечная энергия – это. Что такое солнечная энергия?

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для питания бортового источника питания автомобиля или электродвигателя электромобиля.

Солнечная энергия

Солнечная энергия – Использование солнечного света для получения энергии определенного вида. Солнечная энергия использует возобновляемый источник энергии и в долгосрочной перспективе может стать экологически безопасной, т.е. не производит вредных отходов [1] .

Солнечная энергия сегодня широко используется там, где отсутствие других источников энергии в сочетании с обилием солнечного излучения оправдывает ее экономически.

Частные лица и организации также используют ее по идеологическим причинам (экологизм), используя преимущества экологичности распределенной солнечной энергии [2]. Например, “Глобальный солнечный фонд”, инициированный Зеленым крестом Михаила Горбачева [3] .

20 ноября 1980 года Стив Птачек совершает полет на самолете, работающем исключительно на солнечной энергии.

Общая проектная мощность спроектированных и построенных солнечных электростанций составляет 1 079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, солнечные коллекторы и солнечные установки также широко используются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Каждый клиент сам решает, какой вариант он хочет использовать и как.

Распространение в России

солнечный12

Солнечная энергия получает все большее распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной большего распространения в последние годы является:

  • Развитие новых технологий, которые позволили снизить стоимость оборудования;
  • Желание людей иметь независимый источник энергии;
  • Производство чистой энергии (“зеленой энергии”);
  • Возобновляемый источник энергии.

Потенциал для развития солнечной энергетики есть в южных регионах нашей страны – республиках Закавказья, Краснодарском и Ставропольском краях, южных регионах Сибири и Дальнего Востока.
Регионы различаются по дневной и сезонной инсоляции, поэтому для разных регионов поток солнечной радиации летом составляет:

На начало 2017 года мощность действующих солнечных электростанций в России составляет 0,03% от мощности электростанций энергосистемы нашей страны. В цифрах это 75,2 МВт.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из кремния n-типа (синий) и кремния p-типа (красный). Он вырабатывает электричество, используя солнечный свет для отскока электронов между различными сортами кремния:

Как работают солнечные батареи?

Солнечная энергия удивительна. В среднем на каждый квадратный метр поверхности Земли приходится 164 ватта солнечной энергии (более подробно это значение будет описано ниже). Другими словами, вы можете поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу на каждый квадратный метр поверхности Земли и осветить всю планету солнечной энергией! Другими словами, если бы мы покрыли солнечными панелями всего один процент пустыни Сахара, мы могли бы вырабатывать достаточно электроэнергии, чтобы обеспечить энергией весь мир. В этом и заключается преимущество солнечной энергии: ее очень много – гораздо больше, чем мы когда-либо сможем использовать.

Однако есть и обратная сторона. Энергия, посылаемая Солнцем, поступает на Землю в виде смеси света и тепла. И то, и другое чрезвычайно важно: свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, а тепло согревает нас, чтобы мы могли выжить – но мы не можем использовать ни солнечный свет, ни тепло напрямую для питания телевизора или автомобиля. Нам необходимо найти способ преобразования солнечной энергии в другие виды энергии, которые мы могли бы использовать более легко, например, в электричество. И это именно то, что делают солнечные батареи.

Чтобы узнать, как работают солнечные батареи, нужно понять, как они сделаны. Во многих солнечных панелях используется кремний, один из самых распространенных элементов на планете. Однако, поскольку создать кристаллы кремния нужного качества сложно и дорого, домашние солнечные системы обычно строятся из аналогичных, но более дешевых материалов, таких как медь, индий, галлий и селенид (CIGS). Они не так эффективны, как высококачественный кремний, но все же обеспечивают достаточную мощность по разумной цене.

Кремний – это материал, используемый для изготовления транзисторов (крошечных переключателей) в микросхемах, и солнечные батареи работают аналогичным образом. Кремний – это материал, называемый полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, очень легко передают электричество; их называют проводниками. Другие материалы, такие как пластик и дерево, вообще не пропускают электричество через себя; они называются изоляторами. Полупроводники, такие как кремний, не являются ни проводниками, ни изоляторами: обычно они не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это делать.

Солнечный элемент – это сэндвич, состоящий из двух различных слоев кремния, специально обработанных или легированных таким образом, чтобы они могли пропускать электричество друг через друга определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому в нем слишком мало электронов. Его называют p-типом или положительным кремнием (потому что электроны заряжены отрицательно и их слишком мало в этом слое). Верхний слой легируется противоположным образом, чтобы дать ему слишком много электронов. Такой кремний называется кремнием n-типа или отрицательным кремнием.

Когда мы кладем слой кремния n-типа поверх слоя кремния p-типа, на границе раздела двух материалов образуется барьер (ключевая граница, где встречаются два типа кремния). Электроны не могут пересечь барьер, поэтому даже если мы подключим этот кремниевый сэндвич к лампочке, ток не пойдет: лампочка не загорится. Но если мы бросим свет на сэндвич, произойдет нечто необычное. Мы можем думать о свете как о потоке энергичных “световых частиц”, называемых фотонами. Когда фотоны попадают в наш сэндвич, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, они перескакивают через барьер в расположенный выше слой n-типа и движутся по кругу. Чем больше света, тем больше электронов подпрыгивает вверх, и тем больше течет ток.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическим напряжением, создающим свет, и это один из видов того, что ученые называют фотоэлектрическим эффектом.

Видимый солнечный свет состоит из невидимых частиц, называемых фотонами. Они обладают энергией, но имеют нулевую массу покоя. Когда фотоны сталкиваются с другими частицами, их энергия преобразуется в другие формы в зависимости от типа атомов, с которыми они вступают в контакт. В результате большинства столкновений выделяется только тепло.

Но электричество также может вырабатываться, когда фотоны вызывают такое возбуждение электронов в атомах, что они отрываются и свободно перемещаются. Электроны кремния n-типа ищут электроны в кремнии p-типа, чтобы заменить недостающие электроны, и перетекают между двумя произведенными типами.

Необычные свойства полупроводников, таких как кремний, позволяют поддерживать электрический баланс. Это означает постоянную подачу электроэнергии до тех пор, пока фотоны попадают на солнечные панели. Ток улавливается проводами и распределяется по всей системе.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из кремния n-типа (синий) и кремния p-типа (красный). Он вырабатывает электричество с помощью солнечного света, который заставляет электроны прыгать по соединениям между различными видами кремния:

  • Когда солнечный свет падает на клетку, фотоны (частицы света) бомбардируют ее верхнюю поверхность.
  • Фотоны (желтые пятна) переносят свою энергию через клетку.
  • Фотоны отдают свою энергию электронам (зеленые пятна) в нижнем слое p-типа.
  • Электроны используют эту энергию, чтобы перепрыгнуть барьер на верхний слой n-типа и выйти в цепь.
  • Поток электронов по цепи вызывает зажигание лампы.

Основной принцип физики, называемый законом сохранения энергии, гласит, что мы не можем волшебным образом создать энергию или заставить ее исчезнуть в воздухе; все, что мы можем сделать, это преобразовать ее из одной формы в другую. Это означает, что солнечный элемент не может произвести больше электроэнергии, чем он получает ежесекундно в виде света. На практике, как мы скоро увидим, большинство клеток преобразуют в электричество около 10-20 процентов получаемой ими энергии. Типичный однопроходный кремниевый солнечный элемент имеет теоретический максимальный КПД около 30 процентов, известный как предел Шокли-Кайссера. Это связано в основном с тем, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов различных длин волн и энергий, и любой однопроходный солнечный элемент будет оптимизирован для захвата фотонов только в определенном диапазоне, выбрасывая остальные. Некоторые фотоны, попадающие в солнечный элемент, не обладают достаточной энергией, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно расходуются, в то время как некоторые обладают слишком большой энергией, и избыток также расходуется. Лучшие, наиболее продвинутые лабораторные ячейки могут достичь 46-процентной эффективности при абсолютно идеальных условиях, используя несколько соединений для захвата фотонов различной энергии.

  • Штриховка. Затененные солнечные панели не будут производить столько энергии, сколько панели, находящиеся под полным солнечным светом. Если ваша крыша лишена солнечного света, затенена неподстриженными деревьями или зданиями, солнечная энергия может оказаться не лучшим выбором.
  • Сезонность. Как и погода, производство солнечной энергии меняется от дня к дню и от месяца к месяцу. Пасмурный зимний день будет не таким продуктивным, как солнечный летний день. Тем не менее, важно сосредоточиться на круглогодичной картине. Например, снег иногда может отражать свет и улучшать работу фотоэлектрических установок. Поэтому в действительности холодный месяц станет антагонистом для солнечной установки только в том случае, если слякоть не покроет панели.
  • Склон. Солнечные панели должны иметь хороший наклон. Направление, в котором стоит ваш дом, его расположение и даже наклон крыши оказывают значительное влияние на производительность солнечной системы. В идеале солнечные панели должны быть установлены под тем же углом, что и широта, на которой они установлены. Отклонения от 30 до 45 градусов обычно хорошо работают в большинстве сценариев.
  • Азимут. Угол солнечного азимута – это направление по компасу, с которого поступает солнечный свет. В полдень солнечный свет поступает с юга в северном полушарии и с севера в южном полушарии. Неправильный азимутальный угол может снизить эффективность солнечных панелей вашего дома на 35%. Нулевой азимут (направленный на экватор) обычно является наилучшим выбором.

Настоящие домашние солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, дать процент здесь или там, и вряд ли они станут намного лучше. Однопроходные солнечные батареи первого поколения не приблизятся к 30-процентной эффективности, достигаемой при ограничении Шокли-Кайссера, не говоря уже о 46-процентной эффективности, достигнутой в лаборатории. Всевозможные неприятные факторы реального мира будут влиять на номинальную мощность, включая конструкцию панелей, их расположение и угол наклона, затененность, чистоту, температуру (повышение температуры снижает мощность) и наличие вентиляционных отверстий (позволяющих воздуху циркулировать внизу) для сохранения прохлады.

Большинство солнечных панелей, которые сегодня можно увидеть на крышах домов, по сути, представляют собой сэндвичи из кремния, специально обработанные (“сплавленные”) для лучшей проводимости электричества. Ученые называют эти классические солнечные батареи первым поколением, отличая их от двух других, более современных технологий, известных как второе и третье поколение. В чем же заключаются различия?

Около 90 процентов всех солнечных батарей в мире изготавливаются из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), вырезанных из больших слитков, которые выращиваются в суперчистых лабораториях, и этот процесс может занимать до месяца. Слитки имеют форму монокристаллов (монокристаллические или моно-Si) или содержат множество кристаллов (поликристаллические, мульти-Si или поли-C-Si). Солнечные батареи первого поколения работают так, как показано выше: они используют один простой переход между слоями кремния n-типа и p-типа, которые вырезаются из отдельных слитков. Так, слитки n-типа могут быть изготовлены путем нагревания кусков кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей добавки, в то время как в слитках p-типа в качестве легирующей примеси будет использоваться бор. Затем слитки кремния n-типа и p-типа сплавляются, образуя соединение. Было добавлено еще несколько усовершенствований (например, антибликовое покрытие для улучшения поглощения света и придания фотоэлементу характерного синего цвета, защитное стекло на передней панели и пластиковая подложка, а также металлические соединения, соединяющие элемент с цепью), но суть большинства солнечных панелей заключается в простом pn-переходе.

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины – обычно глубиной в доли миллиметра (около 200 микрометров, 200 микрон или более). Однако они являются абсолютными пластинами по сравнению со вторым поколением элементов, широко известных как тонкопленочные солнечные элементы (ТПСК) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (ТФЭЛ), которые опять же примерно в 100 раз тоньше (несколько микрометров или миллионных долей метра). Хотя большинство из них по-прежнему изготавливаются из кремния (другая форма известна как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены беспорядочно, а не точно упорядочены в регулярную кристаллическую структуру), некоторые из них изготавливаются из других материалов, в частности из теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенида меди-индия-галлия (CIGS). Поскольку они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие, солнечные батареи второго поколения можно ламинировать на окна, световые люки, черепицу и всевозможные “подложки”. (материалы подложки), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы). Ячейки второго поколения выигрывают в гибкости, но проигрывают в эффективности: классические солнечные батареи первого поколения по-прежнему лучше. Таким образом, если ячейки первого поколения могут достигать эффективности 15-20%, то аморфный кремний с трудом достигает более 7%, лучшие тонкопленочные ячейки Cd-Te – всего 11%, а ячейки CIGS – не более 7-12%. Это одна из причин, по которой ячейки второго поколения, несмотря на их практические преимущества, до сих пор оказывали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Новейшая технология сочетает в себе лучшие характеристики клеток первого и второго поколения. Как и ячейки первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 и более процентов). Как и ячейки второго поколения, они, скорее всего, будут изготовлены из материалов, отличных от “обычного” кремния, таких как аморфный кремний, органические полимеры (образующие органические фотоэлектрические элементы), кристаллы перовскита, и будут иметь несколько комбинаций (несколько слоев) различных полупроводниковых материалов. В идеале это позволит сделать их более дешевыми, эффективными и практичными, чем ячейки первого или второго поколения.

Теоретически, цифры огромны. Давайте на время забудем о солнечных батареях и рассмотрим чистый солнечный свет. До 1000 ватт непереработанной солнечной энергии, направленной непосредственно от солнца (это теоретическая мощность прямого солнечного света в полдень в безоблачный день – солнечные лучи излучаются перпендикулярно поверхности Земли и дают максимальное освещение или инсоляцию), как это технически известно, поступает на каждый квадратный метр Земли. На практике, после поправки на наклон планеты и время суток, лучшее, что мы можем получить, это, вероятно, 100-250 ватт на квадратный метр в типичных северных широтах (даже в безоблачный день). Это дает около 2-6 кВт/ч в день (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландии, или, наоборот, в южном полушарии, например, в Аризоне или Мексике). Умножая производство на весь год, получаем от 700 до 2500 кВт/ч на квадратный метр (700-2500 единиц электроэнергии). Более жаркие регионы, очевидно, имеют гораздо более высокий солнечный потенциал: например, Ближний Восток производит на 50-100 процентов больше солнечной энергии в год, чем Европа.

К сожалению, эффективность типичных солнечных батарей составляет всего 15 процентов, поэтому мы можем уловить лишь часть этой теоретической энергии. Именно поэтому солнечные панели должны быть такими большими: количество энергии, которое может быть произведено, конечно, напрямую связано с тем, какую площадь поверхности можно покрыть панелями. Один солнечный элемент (размером с компакт-диск) может генерировать около 3-4,5 ватт; типичный солнечный модуль из массива примерно 40 элементов (5 рядов по 8 элементов) может генерировать около 100-300 ватт; таким образом, несколько солнечных панелей, каждая из которых состоит из 3-4 модулей, могут генерировать абсолютный максимум в несколько киловатт (вероятно, достаточно для удовлетворения пиковых потребностей дома в электроэнергии).

Хотя вначале внедрение солнечной энергии шло довольно медленно, ряд государственных и федеральных стимулов и законов помогли снизить стоимость солнечных панелей настолько, что они стали более распространенными. Сегодня солнечной энергии достаточно для питания 11 миллионов из 126 миллионов домохозяйств страны.

Стоимость солнечной энергии

Одновременно с ростом эффективности солнечных панелей значительно снизилась стоимость солнечной энергии. Только за последнее десятилетие стоимость установки солнечных панелей снизилась более чем на 60 процентов, и многие эксперты отрасли прогнозируют, что в ближайшие годы цены продолжат снижаться:

Стоимость солнечной энергии с течением времени

Существуют активные и пассивные солнечные технологии. Первые основаны на фотоэлектрических панелях и солнечных коллекторах. В последних используется ориентация конструкции на солнце и подбираются специальные материалы.

Что такое солнечная энергия?

Что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия – Свет и солнечная радиация: как выглядит солнечная энергия, использование солнечной энергии, количество, источники, преобразования.

Речь идет об энергии главной звезды Солнечной системы – Солнца. Наряду с энергией ветра и волн, энергия солнечного света входит в список возобновляемых источников энергии. Как используется солнечная энергия?

Верхние слои атмосферы нашей планеты Земля получают 174 петаватта (мегаватта) солнечного света. 30% отражается обратно в космос, а остальное поглощается облаками, океанами и сушей. Естественно, это приводит к повышению температуры объектов. Теплый воздух, содержащий воду, испарившуюся из океана, поднимается и вызывает конвекцию. На высоте теплый воздух сталкивается с холодным. Пар превращается в облако и выпадает в виде дождя. Поглощенная энергия поддерживает среднюю температуру поверхности на уровне 14°C.

Зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергию в процессе фотосинтеза. Когда растения умирают, они разлагаются, позволяя солнечной энергии обеспечивать нас биомассой. Люди научились использовать солнечную энергию в бытовых целях. Он используется для обогрева домов, воды и даже для приготовления пищи.

Существуют активные и пассивные солнечные технологии. Первые основаны на фотоэлектрических панелях и солнечных коллекторах. Последние используют ориентацию здания на солнце и выбирают специальные материалы.

Конечно, по мере развития технологий мы все больше отходим от 100% зависимости от солнечной энергии. Однако все альтернативы на исходе (как и топливо). С другой стороны, звезда, хотя и является нашим единственным источником солнечной энергии, просуществует очень долго. Даже после сжигания водорода он будет продолжать светиться, пока не взорвется. Сейчас человечество должно перейти от ископаемого топлива к чистой солнечной энергии.

Расплавленная соль может быть использована в качестве накопителя тепловой энергии для хранения тепловой энергии, собранной солнечной башней или солнечным желобом более концентрированной солнечной электростанции, чтобы использовать ее для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в проекте Solar Two в период с 1995 по 1999 год. Ожидается, что годовая эффективность системы составит 99%, что соответствует энергии, накопленной за счет хранения тепла перед преобразованием его в электричество, по сравнению с прямым преобразованием тепла в электричество. Смеси для плавления соли могут быть разными. Наиболее распространенные смеси включают нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция. Он невоспламеняем и нетоксичен и уже используется в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя. Следовательно, имеется опыт использования таких систем в несолнечных установках.

Тепловая энергия

Технология солнечной тепловой энергии может быть использована для нагрева воды, отопления помещений, охлаждения помещений и выработки технологического тепла.

Ранняя коммерческая адаптация

В 1878 году. Огюстен Муше успешно продемонстрировал солнечный паровой двигатель на Всемирной выставке в Париже, но не смог продолжить разработку из-за дешевого угля и других факторов.

В 1897 году Франк Шуман, изобретатель, инженер и пионер солнечной энергии из США, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал за счет отражения солнечной энергии от квадратных коробок, заполненных эфиром, который имеет более низкую температуру кипения, чем вода, и был оснащен внутренними черными трубками, которые, в свою очередь, приводили в действие паровой двигатель. В 1908 г. Шуман основал компанию Sun Power Company с намерением построить более крупные солнечные электростанции. Вместе со своим техническим советником А.С. Акерманном и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойесом он разработал усовершенствованную систему с использованием зеркал для отражения солнечной энергии от коллекторов, увеличив тепловую эффективность до такой степени, что вместо эфира можно было использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель низкого давления, работающий на воде, что позволило ему запатентовать всю систему солнечного двигателя в 1912 году.

В 1912-1913 годах Шуман построил первую в мире солнечную электростанцию в Маади, Египет. Его установка использовала параболические желоба для питания двигателя мощностью 45-52 киловатта (60-70 л.с.), который перекачивал более 22 000 литров (4 800 имп. гал.; 5 800 имп. гал.). галлонов США) воды в минуту из реки Нил на прилегающие хлопковые поля. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах приостановили развитие солнечной энергетики, видение и базовая конструкция Шумана возродились в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной энергетике. В 1916 г. Шуманн цитировался в СМИ как сторонник солнечной энергии:

Мы доказали коммерческую выгоду от использования солнечной энергии в тропиках, и в частности мы доказали, что после того, как наши запасы нефти и угля будут исчерпаны, человечество сможет получать неограниченное количество энергии из солнечного света.

Водяное отопление

Солнечные тепловые системы используют солнечный свет для нагрева воды. В средних широтах (между 40 градусами северной широты и 40 градусами южной широты) от 60 до 70% потребления горячей воды с температурой воды до 60 °C (140 °F) может быть обеспечено солнечными системами нагрева воды. Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются вакуумные трубчатые коллекторы (44%) и плоские стеклянные коллекторы (34%), используемые чаще всего для нагрева горячей воды для бытовых нужд, и неглазурованные пластиковые коллекторы (21%), используемые в основном для нагрева плавательных бассейнов.

В 2015 г. общая установленная мощность солнечных систем горячего водоснабжения составила около 436 гигаватт (ГВт). тепловой. ), а Китай является мировым лидером по их внедрению с установленной мощностью 309 ГВт-ч. тепловой. на долю которого приходится 71% рынка. Израиль и Кипр являются лидерами по использованию солнечных систем горячего водоснабжения в расчете на душу населения: более 90% домов пользуются ими. В Соединенных Штатах, Канаде и Австралии нагрев бассейнов является доминирующим применением солнечной энергии для нагрева воды, с установленной мощностью 18 ГВт. с сайта 2005.

Отопление, охлаждение и вентиляция

В США на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) приходится 30% (4,65 ЭДж/год) энергии, используемой в коммерческих зданиях, и почти 50% (10,1 ЭДж/год) энергии, используемой в жилых домах. Технологии солнечного отопления, охлаждения и вентиляции могут быть использованы для компенсации части этой энергии.

Тепловая масса – это любой материал, который может быть использован для сохранения тепла – в случае солнечной энергии, тепла от солнца. Типичные тепловые массы включают камень, цемент и воду. Исторически они использовались в засушливом климате или в регионах с умеренно теплым климатом для охлаждения зданий путем поглощения солнечной энергии днем и излучения накопленного тепла в более прохладную атмосферу ночью. Однако их можно использовать и в регионах с умеренно холодным климатом для сохранения тепла. Размер и расположение тепловой массы зависит от нескольких факторов, таких как климат, дневной свет и условия затенения. При правильном использовании тепловая масса поддерживает температуру в помещении в комфортном диапазоне и снижает потребность в дополнительном отопительном и охлаждающем оборудовании.

Солнечный дымоход (или тепловой дымоход в данном контексте) – это система пассивной солнечной вентиляции, состоящая из вертикальной шахты, соединяющей внутреннюю и внешнюю части здания. Когда дымоход нагревается, воздух внутри него нагревается, вызывая восходящий поток воздуха, который тянет воздух через здание. Эффективность можно повысить, используя остекление и тепловые материалы, имитирующие теплицы.

Лиственные деревья и растения рекламируются для управления солнечным нагревом и охлаждением. Если посадить растение на южной стороне здания в северном полушарии или на северной стороне в южном полушарии, его листья будут давать тень летом, а голые конечности будут пропускать свет зимой. Поскольку голые, безлистные деревья затеняют от 1/3 до 1/2 падающего солнечного излучения, существует баланс между преимуществами затенения летом и соответствующими потерями тепла зимой. В климате со значительными тепловыми нагрузками не следует высаживать лиственные деревья на стороне здания, обращенной к экватору, так как они будут препятствовать поступлению солнечной энергии зимой. Однако их можно использовать на восточной и западной сторонах, чтобы обеспечить некоторую тень летом без заметного влияния на зимний солнечный свет.

Приготовление

Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации. Их можно разделить на три большие категории: плиты, панельные плиты и рефлекторы. Простейшей солнечной плитой является ящичная плита, впервые построенная Горацием де Соссюром в 1767 году. Базовая бокс-пластина состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Он может эффективно использоваться при частично облачном небе и обычно достигает температуры 90-150°C (194-302°F). Панельные плиты используют отражающую панель для направления солнечного света на изотермический контейнер и достигают температуры, сравнимой с коробчатыми плитами. В отражательных плитах используются различные геометрические формы (пластина, корыто, зеркала Френеля) для фокусировки света на варочной емкости. Эти плиты достигают температуры 599°F (315°C) и выше, но для их нормальной работы требуется прямой свет, и их необходимо перемещать вслед за солнцем.

Технологическое тепло

Технологии солнечной концентрации, такие как параболические пластины, желоба и рефлекторы Шеффлера, могут обеспечить технологическое тепло для коммерческих и промышленных приложений. Первой коммерческой системой стал проект Solar Total Energy Project (STEP) в Шенандоа, Джорджия, США, где 114 параболических панелей обеспечивали 50% потребностей швейной фабрики в технологическом тепле, кондиционировании воздуха и электроэнергии. Эта когенерационная система, подключенная к сети, обеспечивала 400 кВт электроэнергии и тепловой энергии в виде 401 кВт пара и 468 кВт охлажденной воды, а также имела часовую теплоаккумуляцию при пиковой нагрузке. Пруды-испарители – это неглубокие бассейны, в которых растворенные твердые вещества концентрируются путем испарения. Использование испарительных прудов для извлечения солей из морской воды является одним из старейших применений солнечной энергии. Современное применение включает в себя концентрирование солевых растворов, используемых в экстрактивном выщелачивании, и удаление растворенных твердых частиц из потоков отходов. Линии для одежды, вешалки и консоли для одежды сушат одежду путем испарения под воздействием ветра и солнечного света без использования электричества или газа. В некоторых штатах США законодательство защищает “право на сушку” одежды. Неглазурованные прозрачные коллекторы (UTC) представляют собой перфорированные стены, обращенные к солнцу, которые используются для предварительного нагрева вентиляционного воздуха. Установки UTC могут повышать температуру приточного воздуха до 22°C (40°F) и обеспечивать температуру на выходе 45-60°C (113-140°F). Короткий срок окупаемости установленных коллекторов (от 3 до 12 лет) делает их более экономически выгодной альтернативой, чем остекленные коллекторы. К 2003 году в мире было установлено более 80 систем с общей площадью коллекторов 35 000 м2 (380 000 кв. футов), включая коллектор площадью 860 м 2 (9 300 кв. футов) в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен, и коллектор площадью 1 300 м 2. (14 000 кв. футов) коллектор в Коимбаторе, Индия, используемый для сушки бархатных растений.

Очистка воды

Солнечная дистилляция может быть использована для очистки соленой или солоноватой воды для питья. Впервые это было зафиксировано арабскими алхимиками XVI века. Первый крупномасштабный проект солнечной дистилляции был построен в 1872 году в чилийском шахтерском городе Лас-Салинас. Установка с площадью солнечных коллекторов 4700 м 2 (51 000 квадратных футов) могла производить до 22 700 литров (5000 имп. галлонов; 6000 галлонов США) в день и работала в течение 40 лет. Различные конструкции неподвижных элементов включают одиночные, двойные (или тепличные), вертикальные, конические, инвертированные, многоступенчатые и многоэффективные абсорберы. Эти рамки могут работать в пассивном, активном или гибридном режиме. Двухградиентные перегонные кубы наиболее экономичны для децентрализованного бытового применения, в то время как активные многоэффективные установки больше подходят для крупномасштабного применения.

Солнечная дезинфекция воды (SODIS) включает в себя воздействие солнечного света на пластиковые бутылки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), наполненные водой, в течение нескольких часов. Время экспозиции варьируется в зависимости от погоды и климата от минимум шести часов до двух дней, если пасмурно. Он рекомендован Всемирной организацией здравоохранения как эффективный метод очистки воды в домашних условиях и ее безопасного хранения. Более двух миллионов человек в развивающихся странах ежедневно используют этот метод для питья воды.

Солнечная энергия может быть использована в прудах для стабилизации воды для очистки сточных вод без использования химикатов или электричества. Еще одним экологическим преимуществом является то, что водоросли растут в таких прудах и потребляют углекислый газ путем фотосинтеза, хотя водоросли могут выделять токсичные химические вещества, которые делают воду непригодной для использования.

Технология расплавленной соли

Расплавленная соль может быть использована в качестве накопителя тепловой энергии для хранения тепловой энергии, собранной солнечной башней или солнечным желобом более концентрированной солнечной электростанции, чтобы ее можно было использовать для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в проекте Solar Two в период с 1995 по 1999 г. Ожидается, что годовая эффективность системы составит 99%, что эквивалентно энергии, запасенной за счет хранения тепла до преобразования его в электричество, по сравнению с прямым преобразованием тепла в электричество. Смеси для плавления соли различны. Наиболее распространенные смеси содержат нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция. Он невоспламеняем и нетоксичен и уже используется в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя. Следовательно, имеется опыт использования таких систем в несолнечных установках.

Соль плавится при температуре 131 °C (268 °F). Он хранится в жидком состоянии при температуре 288 °C (550 °F) в изолированном “холодном” резервуаре. Жидкая соль прокачивается через солнечную панель, где сфокусированное излучение нагревает ее до 566 °C (1051 °F). Затем она передается в бак с горячей водой. Он настолько хорошо изолирован, что тепловая энергия может сохраняться до недели.

Когда требуется электроэнергия, горячая соль закачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара для турбины/генератора, используемого на обычной угольной, нефтяной или атомной электростанции. Для работы 100-мегаваттной турбины в течение четырех часов потребуется резервуар высотой около 9,1 метра (30 футов) и диаметром 24 метра (79 футов).

Несколько электростанций с параболическим желобом в Испании и разработчики солнечных башен SolarReserve используют эту концепцию хранения тепловой энергии. Электростанция Solana в США имеет шестичасовой запас энергии в расплавленной соли. Станция “Мария Елена” – это тепло-солнечный комплекс мощностью 400 МВт в северном регионе Антофагаста в Чили, использующий технологию расплавленной соли.

Читайте далее:
Сохранить статью?