Solenergi er energi fra Solen i form af stråling og lys. Denne energi styrer i høj grad klimaet og vejret og er grundlaget for livet. Den teknologi, der bruger solenergi, kaldes solenergi .
174 PW solstråling ( insolation ) kommer konstant ind i de øverste lag af Jordens atmosfære [1] . Omkring 6% af solstrålingen reflekteres fra atmosfæren , 16% absorberes af den. De midterste lag af atmosfæren, afhængigt af vejrforhold (skyer, støv, atmosfærisk forurening), reflekterer op til 20 % af solstrålingen og absorberer 3 %.
Atmosfæren reducerer ikke kun mængden af solenergi, der når jordens overflade, men diffunderer også omkring 20 % af det, der kommer ind og filtrerer en del af dens spektrum. Efter at have passeret gennem atmosfæren, er omkring halvdelen af bestrålingen i den synlige del af spektret . Anden halvdel er overvejende i den infrarøde del af spektret. Kun en lille del af denne insolation skyldes ultraviolet stråling [2] [3] .
Solstråling absorberes af jordoverfladen, oceanerne (der dækker omkring 71 % af jordens overflade) og atmosfæren. Absorptionen af solenergi gennem atmosfærisk konvektion , fordampning og kondensering af vanddamp er drivkraften bag vandets kredsløb og driver vinden. Solens stråler, absorberet af havet og landjorden, opretholder gennemsnitstemperaturen på jordens overflade, som nu er 14 °C [4] . Gennem plantefotosyntese kan solenergi omdannes til kemisk energi, som lagres som mad, træ og biomasse , som til sidst bliver til fossile brændstoffer [5] .
Solenergi er en kilde til vindenergi, vand, havvarme, biomasse, og også årsagen til dannelsen af tørv, brun og kul, olie og naturgas gennem årtusinder , men denne indirekte energi er blevet akkumuleret over tusinder og millioner af flere år. Solenergi kan også bruges direkte som kilde til elektricitet og varme. For at gøre dette er det nødvendigt at skabe enheder, der koncentrerer solens energi i små områder og i små volumener.
Den samlede mængde solenergi, der absorberes af atmosfæren, jordoverfladen og havet, er cirka 3.850.000 exajoule (EJ) om året [6] . Dette giver mere energi på en time end hele verden brugt i hele året 2002 [7] [8] . Fotosyntese forbruger omkring 3.000 EJ om året til produktion af biomasse [9] . Mængden af solenergi, der når jordens overflade, er så stor, at den på et år cirka vil fordoble al den energi, der potentielt kan genereres fra alle ikke-vedvarende kilder: kul, olie, uranmalm [10] .
"'Årlig solstrålingsinput og menneskelig energiforbrug"' 1 | ||
---|---|---|
Sol | 3 850 000 | [6] |
vind | 2250 | [elleve] |
Biomasse potentiale | ~200 | [12] |
Verdens energiforbrug 2 | 539 | [13] |
Elektricitet 2 | ~67 | [fjorten] |
1 Energimængde i exajoule, 1 EJ = 10 18 J = 278 TWh 2 Forbrug pr. 2010 |
Mængden af solenergi, som en person potentielt kan bruge, er forskellig fra den mængde energi, der er nær jordens overflade. Faktorer som dag/nat-cyklusser, skydække og tilgængelig jordoverflade reducerer mængden af energi, der er tilgængelig til brug.
Den geografiske placering påvirker energipotentialet, da områder tættere på ækvator modtager mere solstråling. Imidlertid kan brugen af fotovoltaiske enheder , som kan ændre deres orientering i overensstemmelse med solens position på himlen, markant øge potentialet for solenergi i områder langt fra ækvator. [femten]
Tilgængeligheden af jord påvirker den potentielle energiproduktion markant, da solpaneler kun kan installeres på arealer, der er egnet hertil, og ikke anvendes til andre formål. For eksempel er tagene [15] et egnet sted at installere paneler .
Solsystemer er opdelt i aktive og passive, afhængigt af måden at absorbere solenergi, behandle den og distribuere den.
Aktive solteknologier bruger fotovoltaik, koncentreret solenergisolfangere pumper og ventilatorer til at omdanne solstråling til en nyttig energiproduktion Passive solteknologier omfatter brugen af materialer med gunstige termiske egenskaber, design af rum med naturlig luftcirkulation og den gunstige placering af bygninger i forhold til solens position. Aktive solenergiteknologier øger energiforsyningen, mens passive solcelleteknologier reducerer behovet for yderligere energikilder [16] .
I 2000 offentliggjorde De Forenede Nationers Udviklingsprogram , De Forenede Nationers Department of Economic and Social Affairs og World Energy Council en vurdering af potentialet for solenergi, som menneskeheden kan udvinde, under hensyntagen til faktorer som solstråling, skydække og tilgængelig jord overflade. Vurderingen viste, at det globale potentiale for solenergi er 1.575-49.837 EJ om året "(se tabel nedenfor)" [15] .
Område | Nordamerika | Latinamerika og Caribien | Vesteuropa | Central- og Østeuropa | Lande i det tidligere Sovjetunionen | Mellemøsten og Nordafrika | Afrika syd for Sahara | Stillehavet Asien | syd Asien | Centralt planlagt Asien | Stillehavs-OECD |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Minimum | 181,1 | 112,6 | 25.1 | 4.5 | 199,3 | 412,4 | 371,9 | 41,0 | 38,8 | 115,5 | 72,6 |
Maksimum | 7410 | 3 385 | 914 | 154 | 8 655 | 11 060 | 9 528 | 994 | 1 339 | 4 135 | 2263 |
På dette tidspunkt er der opvarmningsanordninger, der akkumulerer solenergi, såvel som prototyper af elektriske motorer og biler, der bruger solenergi.
Solenergi menes at udgøre højst 1 % af det samlede energiforbrug ved udgangen af århundredet. Tilbage i 1870 blev der bygget et solafsaltningsanlæg til havvand i Chile , som producerede op til 30 tons ferskvand om dagen og arbejdede i mere end 40 år. Takket være brugen af heterojunctions når solcellernes effektivitet allerede 25%. Der er lanceret produktion af solbatterier i form af et langt polykrystallinsk siliciumtape, som har en virkningsgrad på mere end 10%.
Teknologier, der bruger solens termiske energi, kan bruges til vandopvarmning, rumopvarmning, rumkøling og procesvarmegenerering [17] .
I 1897 byggede Frank Schumann , en amerikansk opfinder , ingeniør og pioner inden for brugen af solenergi, en lille demonstrationssolmotor, hvis princip var, at sollys blev reflekteret på firkantede beholdere fyldt med æter, som havde et lavere kogepunkt end vand. Indenfor blev der kørt sorte rør op til containerne, som satte dampmaskinen i gang. I 1908 grundlagde Schumann Sun Power Company, som skulle bygge store installationer ved hjælp af solenergi. Sammen med sin tekniske rådgiver A. C. E Ackerman og den britiske fysiker Charles Vernon Boys [18] udviklede Schumann et forbedret system ved hjælp af et system af spejle, der reflekterede solens stråler på solfangerkasserne , hvilket øgede opvarmningseffektiviteten til et niveau, hvor ether kunne bruges i stedet for æter.vand. Schuman byggede derefter en fuldskala dampmaskine, der kørte på lavtryksvand. Dette gav ham muligheden i 1912 for at patentere hele det solcelledrevne system.
Mellem 1912 og 1913 byggede Schuman verdens første solvarmekraftværk i byen Maadi Egypten . Shumanow kraftværket brugte en parabolsk trugkoncentrator til at drive en 45-52 kW motor, der pumpede over 22.000 liter vand i minuttet fra Nilen til nærliggende bomuldsmarker. Selvom Første Verdenskrig og opdagelsen af billig olie i 1930'erne forhindrede solenergiens videre fremskridt, blev Schumanns vision og grundlæggende design genoplivet i 1970'erne med en ny bølge af interesse for solvarmeenergi [19] . I 1916 citerede pressen ofte Schumann for at forsvare brugen af solenergi:
Vi har bevist, at brugen af solenergi kan være kommercielt levedygtig i troperne, og endnu mere end det, vi har bevist, at efter udtømningen af olie- og kulreserverne vil menneskeheden modtage en uudtømmelig energikilde i form af sollys.
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Vi har bevist den kommercielle fordel af solkraft i troperne og har mere specifikt bevist, at efter vores lagre af olie og kul er opbrugt, kan menneskeheden modtage ubegrænset kraft fra solens stråler.
40
Frank Schumann
New York Times, 2. juli 1916 [20]
På lave geografiske breddegrader (under 40 grader) kan 60 til 70 % af alt varmt brugsvand med temperaturer op til 60 °C leveres af solvarmeanlæg [21] . De mest almindelige typer af solvarmere er: vakuumrørsamlere (44%) og fladpladesamlere (34%), som almindeligvis anvendes til opvarmning af varmt brugsvand; samt gennemsigtige plastopsamlere (21 %), som hovedsageligt bruges til at opvarme svømmebassiner [22] .
Fra 2007 var den samlede installerede kapacitet for solvarmeanlæg til vand cirka 154 termisk GW. [23] Kina er verdens førende inden for dette område, der har installeret 70 GW termisk effekt fra 2006 og sigter mod at nå 210 GW termisk effekt i 2020 [24] . Israel og Republikken Cypern er verdens førende inden for brugen af solvarmeanlæg til vandopvarmning pr. indbygger, hvor 90 % af husstandene har dem installeret [25] . I USA, Canada og Australien tjener solvarmere overvejende til opvarmning af swimmingpools med en installeret kapacitet fra 2005 på omkring 18 GW termisk [16] .
I USA tegner HVAC sig for 30 % (4,65 EJ/år) af den energi, der bruges i kommercielle bygninger og næsten 50 % (10,1 EJ/år) af den energi, der bruges i beboelsesbygninger [26] [27] . Solvarme-, køle- og ventilationssystemer kan bruges til at udligne noget af denne energi.
Termisk masse er ethvert materiale, der kan bruges til at lagre varme, især solenergi. Materialer, der kan fungere som en termisk masse, omfatter sten, cement og vand. Gennem historien er de blevet brugt i tørt eller varmt klima for at holde værelser kølige, da de absorberer solenergi om dagen og frigiver lagret varme om natten. De kan dog også bruges i kølige områder for at holde varmen. Størrelsen og placeringen af den termiske masse afhænger af flere faktorer, såsom klima, forholdet mellem soleksponeringstid og skyggeeksponering. Hvis den er korrekt placeret, holder den termiske masse rumtemperaturen inden for et behageligt område og reducerer behovet for yderligere varme- og køleanordninger [28] .
En solskorsten (eller termisk skorsten, i denne sammenhæng) er et passivt solcelleventilationssystem, der består af en lodret skakt, der forbinder indersiden og ydersiden af en bygning. Hvis skorstenen bliver varm, bliver luften inde også varm, hvilket giver et, der trækker luft gennem husetDens ydeevne kan forbedres ved at bruge uigennemsigtige materialer og termisk masse [29] på en måde, der ligner et drivhus.
Løvfældende planter er blevet foreslået som en måde at kontrollere solvarme og køling på. Hvis de vokser på sydsiden af en bygning på den nordlige halvkugle, eller nordsiden af en bygning på den sydlige halvkugle, giver deres blade skygge om sommeren, mens de bare stammer lukker solens stråler ind uden hindring om vinteren [ 30] .
Solovne bruger sollys til madlavning, tørring og pasteurisering . De kan opdeles i tre brede kategorier: kammerovne ( engelske komfurer ), panelovne ( engelske panelkomfurer ) og reflekterende ovne ( engelske reflektorkomfurer ) [31] . Den enkleste solovn er kammerovnen, som først blev bygget af Horace Benedict de Saussure i 1767 [32] . En simpel kammerovn består af en isoleret beholder med et gennemsigtigt låg. Den kan bruges effektivt i delvist overskyet himmel og når typisk temperaturer på 90-150°C [33] . Panelovnen bruger et reflekterende panel til at rette solens stråler mod en isoleret beholder og nå en temperatur, der kan sammenlignes med en kammerovns temperatur. Reflektorovne bruger forskellige reflektorgeometrier (fad, trug, Fresnel-spejle ) til at fokusere stråler på en beholder. Disse ovne når temperaturer på 315°C, men kræver en direkte stråle og skal omplaceres, når Solen skifter position [34] .
Solar koncentration systemer såsom parabolske skåle, trug og Scheffler reflektorer kan levere proces varme til kommercielle og industrielle applikationer. Det første kommercielle system var Total Solar Energy Project i Shenandoah, Georgia, USA, hvor et felt med 114 parabolske bakker leverede 50 % af procesvarme, luftventilation og strømbehov til en beklædningsfabrik. Dette nettilsluttede kraftvarmeværk leverede 400 kW elektricitet samt termisk energi i form af 401 watt damp og 468 kW kølet vand og gav varmelager med en etårig spidsbelastning [35] . Fordampningsdamme er lavvandede bassiner, der koncentrerer de faste stoffer opløst i vand ved hjælp af fordampning . Brug af fordampningsdamme til at udvinde salt fra havvand er en af de ældste anvendelser for solenergi. Moderne anvendelser omfatter: at øge koncentrationen af salte i udvindingen af metaller ved udvaskning , samt fjernelse af faste stoffer fra spildevand [36] . Med ledninger , tørretumbler og bøjler tørrer vasketøjet i fordampningsprocessen under påvirkning af vind og sollys uden forbrug af el og gas. Nogle statslige love beskytter endda specifikt "retten til at tørre" tøj . Uglaserede transpirerede solfangere ( UTC ) er perforerede vægge ("kollektorvæg") rettet mod solen, der bruges til at forvarme ventilationsluft. UTC kan hæve indsugningslufttemperaturen til 22°C (40°F) og give en udgangslufttemperatur på 45°C (81°F) - 60°C (108°F) . [38] Den korte tilbagebetalingstid (3 til 12 år) gør indhentede indsamlere økonomisk mere rentable end glaserede indsamlingssystemer [38] . Fra 2003 blev mere end 80 systemer med et samlet samleareal på 35.000 m2 installeret på verdensplan, herunder en 860 m2 opsamler i Costa Rica til tørring af kaffebønner og en 1300 m2 opsamler i Coimbatore (Indien) til tørring af morgenfruer [39] .
Solafsaltning kan bruges til at omdanne salt- eller brakvand til drikkevand. For første gang blev et eksempel på en sådan transformation registreret af arabiske alkymister fra det 16. århundrede [40] . Det første storstilede solafsaltningsprojekt blev bygget i 1872 i den chilenske mineby Las Salinas [41] . Anlægget, som havde et solfangerareal på 4700 m2, kunne producere op til 22.700 liter drikkevand og forblev i drift i 40 år [41] . Brugerdefinerede design af faste elementer inkluderer enkelt hældning, dobbelt hældning (drivhus eller standard), lodrette, koniske, omvendte absorbere, multiwick og multiple effekter. . [40] . Disse vandproducenter kan fungere i passiv, aktiv og hybrid tilstand. Dobbelt-slope-enheder er de mest omkostningseffektive til decentraliserede husholdningsbehov, mens aktive multiple-effektenheder er mere velegnede til storskalaprojekter [40] .
Til soldesinfektion hældes vand i gennemsigtige PET-flasker og placeres i sollys i flere timer [42] . Desinfektionstiden afhænger af klima og vejrforhold, mindst 6 timer til 2 dage, hvis himlen er helt dækket af skyer [43] . Denne metode er blevet anbefalet af Verdenssundhedsorganisationen som en overkommelig metode til behandling af husholdningsvand og sikker opbevaring [44] . Mere end 2 millioner mennesker i udviklingslande bruger denne metode hver dag til at behandle deres drikkevand [43] .
Solenergi kan bruges i bundfældningsdamme til rensning af spildevand uden brug af kemikalier og energiomkostninger. En anden miljømæssig fordel er, at alger lever i sådanne damme og forbruger kuldioxid gennem fotosyntese, selvom de kan producere giftige stoffer, der gør vandet uegnet til konsum [45] [46] .
Solenergi virker ved at omdanne sollys til elektricitet . Dette kan ske enten direkte ved hjælp af fotovoltaik eller indirekte ved hjælp af koncentrerede solenergisystemer , hvor linser og spejle samler sollys fra et stort område til en tynd stråle, og en sporingsmekanisme sporer Solens position. Fotovoltaik omdanner lys til elektrisk strøm ved hjælp af den fotoelektriske effekt .
Det antages, at solenergi vil blive den største kilde til elektricitet i 2050, hvor fotovoltaik og koncentreret solenergi vil stå for henholdsvis 16 og 11 % af verdens elproduktion [47] .
Kommercielle kraftværker, der bruger koncentreret solenergi, dukkede første gang op i 1980'erne. Efter 1985 blev en 354 MW SEGS -installation denne type i Mojave-ørkenen det største solenergianlæg i verden. Andre solenergianlæg af denne type omfatter SPP Solnova (150 MW) og SPP Andasol (100 MW), begge i Spanien. Blandt de største solenergianlæg : Agua Caliente Solar Project (250 MW) i USA og Charanka Solar Park (221 MW) i Indien . Projekter over 1 GW er under udvikling, men de fleste solcelleanlæg op til 5 kW er små og tagterrasse. Fra 2013 udgjorde solenergi mindre end 1 % af elektriciteten i det globale net [48] .
Tilstedeværelsen af sollys har påvirket udformningen af bygninger fra begyndelsen af arkitekturhistorien [50] . Avancerede metoder til solarkitektur og byplanlægning blev først introduceret af de gamle grækere og kinesere, som orienterede deres huse mod syd for at give dem lys og varme [51] .
Fælles kendetegn ved solarkitektur bygninger i forhold til solen, kompakte proportioner (lavt overfladeareal til volumenforhold), selektiv skygge (baldakiner) termisk masse50Når disse egenskaber er godt tilpasset det lokale klima, giver det god belysning og giver dig mulighed for at holde dig inden for et behageligt temperaturområde. Socrates megaronhuset er et klassisk eksempel på passiv solararkitektur [50] . der brugt computersimuleringer, der forbinder dagslysbelysning solvarme- og ventilationssystemer til en integreret solcelledesignpakke [ 52] Aktivt solcelleudstyr såsom pumper, ventilatorer og omskiftelige vinduer kan supplere et passivt design og forbedre systemets ydeevne.
En byvarmeø (UHE) er et byområde, hvor temperaturen er højere end i de omkringliggende landområder. Temperaturstigningen er en konsekvens af brugen af materialer som asfalt og beton, der absorberer solstråling bedre, fordi de har en lavere albedo og en højere varmekapacitet end i miljøet. For direkte at modvirke effekten males bygninger hvide, og der plantes træer i gaderne. Ifølge designet af et hypotetisk "cool communities"-program i Los Angeles , ved hjælp af disse metoder, kan bytemperaturen reduceres med omkring 3 °C. Projektomkostningerne er anslået til 1 milliard USD, og den samlede årlige fordel kan være 530 millioner USD på grund af reducerede ventilations- og sundhedsomkostninger [53] .
Landbrug og gartneri leder efter måder at optimere optagelsen af solenergi for at øge planternes produktivitet.
Drivhuset omdanner sollys til varme, hvilket muliggør dyrkning året rundt af planter, der ikke er naturligt tilpasset dette klima. De enkleste drivhuse blev brugt i romertiden til at dyrke agurker året rundt for kejser Tiberius [54] . Moderne I Europa i det 16. århundrede dukkede drivhuse op til dyrkning af planter medbragt fra forskningsrejser [55] .
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|
Sol | ||
---|---|---|
Struktur | ||
Stemning | ||
Udvidet struktur | ||
Fænomener relateret til solen | ||
relaterede emner | ||
Spektralklasse : G2 |