Energia solară este energia de la Soare sub formă de radiație și lumină. Această energie controlează în mare măsură clima și vremea și stă la baza vieții. Tehnologia care folosește energia solară se numește energie solară .
174 PW de radiație solară ( insolation ) intră constant în straturile superioare ale atmosferei Pământului [1] . Aproximativ 6% din insolație este reflectată din atmosferă , 16% este absorbită de aceasta. Straturile mijlocii ale atmosferei, în funcție de condițiile meteorologice (nori, praf, poluare atmosferică), reflectă până la 20% din insolație și absorb 3%.
Atmosfera nu numai că reduce cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului, dar difuzează și aproximativ 20% din ceea ce intră și filtrează o parte din spectrul său. După trecerea prin atmosferă, aproximativ jumătate din insolație se află în partea vizibilă a spectrului . A doua jumătate este predominant în partea infraroșu a spectrului. Doar o mică parte din această insolație se datorează radiațiilor ultraviolete [2] [3] .
Radiația solară este absorbită de suprafața terestră, oceane (care acoperă aproximativ 71% din suprafața pământului) și atmosferă. Absorbția energiei solare prin convecția atmosferică , evaporarea și condensarea vaporilor de apă este forța motrice din spatele ciclului apei și conduce vânturile. Razele soarelui, absorbite de ocean și uscat, mențin temperatura medie pe suprafața Pământului, care este acum de 14 °C [4] . Prin fotosinteza plantelor , energia solară poate fi convertită în energie chimică, care este stocată ca hrană, lemn și biomasă , care în cele din urmă se transformă în combustibili fosili [5] .
Energia solară este o sursă de energie eoliană, apă, căldură mării, biomasă și, de asemenea, cauza formării turbei, cărbunelui, petrolului și gazelor naturale de -a lungul mileniilor , dar această energie indirectă a fost acumulată în mii și milioane de ani. Energia solară poate fi folosită direct ca sursă de energie electrică și căldură. Pentru a face acest lucru, este necesar să se creeze dispozitive care să concentreze energia Soarelui în zone mici și în volume mici.
Cantitatea totală de energie solară absorbită de atmosferă, suprafața terestră și ocean este de aproximativ 3.850.000 de exajouli (EJ) pe an [6] . Aceasta furnizează mai multă energie într-o oră decât întreaga lume folosită în întregul an 2002 [7] [8] . Fotosinteza consumă aproximativ 3.000 EJ pe an pentru producerea de biomasă [9] . Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața pământului este atât de mare încât într-un an va dubla aproximativ toată energia care poate fi generată potențial din toate sursele neregenerabile: cărbune, petrol, minereuri de uraniu [10] .
„„Aportul anual de radiație solară și consumul uman de energie”” 1 | ||
---|---|---|
Soare | 3 850 000 | [6] |
vânt | 2250 | [unsprezece] |
Potenţial de biomasă | ~200 | [12] |
Consumul mondial de energie 2 | 539 | [13] |
Electricitate 2 | ~67 | [paisprezece] |
1 Cantitate de energie în exajouli, 1 EJ = 10 18 J = 278 TWh 2 Consum din 2010 |
Cantitatea de energie solară pe care o poate folosi o persoană este diferită de cantitatea de energie care se află lângă suprafața pământului. Factori precum ciclurile zi/noapte, acoperirea norilor și suprafața de pământ disponibilă reduc cantitatea de energie disponibilă pentru utilizare.
Locația geografică afectează potențialul energetic, deoarece zonele mai apropiate de ecuator primesc mai multă radiație solară. Cu toate acestea, utilizarea dispozitivelor fotovoltaice , care își pot schimba orientarea în funcție de poziția Soarelui pe cer, poate crește semnificativ potențialul energiei solare în zonele departe de ecuator. [cincisprezece]
Disponibilitatea terenului afectează în mod semnificativ producția potențială de energie, deoarece panourile solare pot fi instalate numai pe terenuri care sunt potrivite pentru aceasta și nu sunt utilizate în alte scopuri. De exemplu, acoperișurile [15] sunt un loc potrivit pentru instalarea panourilor .
Sistemele solare sunt împărțite în active și pasive, în funcție de modul de a absorbi energia solară, de a o procesa și de a o distribui.
Tehnologiile solare active folosesc fotovoltaica, energia solară concentrată colectoare solare pompe și ventilatoare pentru a transforma radiația solară într-o ieșire de energie utilă Tehnologiile solare pasive includ utilizarea materialelor cu caracteristici termice favorabile, proiectarea încăperilor cu circulație naturală a aerului și amplasarea favorabilă a clădirilor în raport cu poziția Soarelui. Tehnologiile solare active măresc furnizarea de energie, în timp ce tehnologiile solare pasive reduc nevoia de surse suplimentare de energie [16] .
În 2000, Programul Națiunilor Unite pentru Dezvoltare , Departamentul Națiunilor Unite pentru Afaceri Economice și Sociale și Consiliul Mondial al Energiei au publicat o evaluare a potențialului de energie solară pe care umanitatea o poate extrage, ținând cont de factori precum insolația, acoperirea norilor și terenul disponibil. suprafaţă. Evaluarea a arătat că potențialul global al energiei solare este de 1.575-49.837 EJ pe an „(vezi tabelul de mai jos)” [15] .
Potenţialul anual de energie solară pe regiune (EJ) [15]Regiune | America de Nord | America Latină și Caraibe | Europa de Vest | Europa Centrală și de Est | Țări din fosta Uniune Sovietică | Orientul Mijlociu și Africa de Nord | Africa Sub-Sahariana | Asia Pacifică | Asia de Sud | Asia planificată central | Pacific OCDE |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Minim | 181.1 | 112,6 | 25.1 | 4.5 | 199,3 | 412,4 | 371,9 | 41,0 | 38,8 | 115,5 | 72,6 |
Maxim | 7410 | 3 385 | 914 | 154 | 8 655 | 11 060 | 9 528 | 994 | 1 339 | 4 135 | 2263 |
În acest moment funcționează dispozitive de încălzire care acumulează energie solară, precum și prototipuri de motoare electrice și mașini care folosesc energie solară.
Se crede că energia solară nu reprezintă mai mult de 1% din consumul total de energie până la sfârșitul secolului. În 1870, în Chile a fost construită o instalație solară de desalinizare a apei de mare , care producea până la 30 de tone de apă dulce pe zi și a funcționat mai mult de 40 de ani. Datorită utilizării heterojoncțiilor , eficiența celulelor solare ajunge deja la 25%. S-a lansat producția de baterii solare sub formă de bandă lungă de siliciu policristalin, care au o eficiență de peste 10%.
Tehnologiile care folosesc energia termică a soarelui pot fi folosite pentru încălzirea apei, încălzirea spațiilor, răcirea spațiului și generarea de căldură de proces [17] .
În 1897, Frank Schumann , un inventator , inginer și pionier american în utilizarea energiei solare, a construit un mic motor solar demonstrativ, al cărui principiu era că lumina soarelui era reflectată pe recipiente pătrate umplute cu eter, care aveau un punct de fierbere mai mic decât apă. Înăuntru, țevile negre au fost conduse până la containere, care au pus în mișcare motorul cu abur. În 1908, Schumann a fondat Sun Power Company, care urma să construiască instalații mari folosind energia solară. Împreună cu consilierul său tehnic A. C. E Ackerman și fizicianul britanic Charles Vernon Boys [18] , Schumann a dezvoltat un sistem îmbunătățit folosind un sistem de oglinzi care reflectă razele soarelui pe cutiile colectoarelor solare , crescând eficiența încălzirii la un nivel în care eterul ar putea fi folosit în loc de eter.apă. Schuman a construit apoi un motor cu abur la scară largă, care funcționa cu apă la presiune scăzută. Acest lucru i-a dat ocazia în 1912 de a breveta întregul sistem alimentat cu energie solară.
Între 1912 și 1913, Schuman a construit prima centrală solară termică din lume în orașul Maadi Egipt . Centrala electrică Shumanow a folosit un concentrator parabolic pentru a antrena un motor de 45-52 kW care pompa peste 22.000 de litri de apă pe minut din râul Nil către câmpurile de bumbac din apropiere. Deși Primul Război Mondial și descoperirea petrolului ieftin în anii 1930 au împiedicat dezvoltarea în continuare a energiei solare, viziunea și designul de bază ale lui Schumann au fost reînviate în anii 1970 cu un nou val de interes pentru energia solară termică [19] . În 1916, presa l-a citat adesea pe Schumann că a apărat utilizarea energiei solare:
Am demonstrat că utilizarea energiei solare poate fi viabilă din punct de vedere comercial la tropice și, mai mult decât atât, am demonstrat că, după epuizarea rezervelor de petrol și cărbune, omenirea va primi o sursă inepuizabilă de energie sub formă de lumină solară.
Text original (engleză)[ arataascunde] Am dovedit profitul comercial al energiei solare la tropice și, mai ales, am demonstrat că, după ce rezervele noastre de petrol și cărbune sunt epuizate, rasa umană poate primi putere nelimitată de la razele soarelui.
40
Frank Schumann
New York Times, 2 iulie 1916 [20]
La latitudini geografice joase (sub 40 de grade), 60 până la 70% din toată apa caldă menajeră cu temperaturi de până la 60 °C poate fi furnizată de sistemele solare de încălzire a apei [21] . Cele mai comune tipuri de încălzitoare solare de apă sunt: colectoarele cu tub vidat (44%) și colectoarele cu plată (34%), care sunt utilizate în mod obișnuit pentru încălzirea apei calde menajere; precum și colectoarele din plastic transparent (21%), care sunt utilizate în principal pentru încălzirea piscinelor [22] .
În 2007, capacitatea totală instalată a sistemelor solare de încălzire a apei a fost de aproximativ 154 GW termici. [23] China este liderul mondial în acest domeniu, având instalate 70 GW de putere termică începând cu 2006 și urmărește să ajungă la 210 GW de putere termică până în 2020 [24] . Israelul și Republica Cipru sunt liderii mondiali în utilizarea sistemelor solare de încălzire a apei pe cap de locuitor, 90% din gospodării avându-le instalate [25] . În SUA, Canada și Australia, încălzitoarele solare de apă servesc în principal pentru încălzirea piscinelor, cu o capacitate instalată din 2005 de aproximativ 18 GW termică [16] .
În SUA, HVAC reprezintă 30% (4,65 EJ/an) din energia utilizată în clădirile comerciale și aproape 50% (10,1 EJ/an) din energia utilizată în clădirile rezidențiale [26] [27] . Sistemele solare de încălzire, răcire și ventilație pot fi folosite pentru a compensa o parte din această energie.
Masa termică este orice material care poate fi folosit pentru a stoca căldură, în special solară. Materialele care pot funcționa ca o masă termică includ piatra, cimentul și apa. De-a lungul istoriei, acestea au fost folosite în climat uscat sau cald pentru a menține încăperile răcoroase, deoarece absorb energia solară în timpul zilei și eliberează căldura stocată noaptea. Cu toate acestea, pot fi folosite și în regiunile răcoroase pentru a se menține cald. Mărimea și locația masei termice depind de mai mulți factori, cum ar fi clima, raportul dintre timpul de expunere la soare și expunerea la umbră. Dacă este plasată corect, masa termică menține temperatura camerei într-un interval confortabil și reduce nevoia de dispozitive suplimentare de încălzire și răcire [28] .
Un coș de fum solar (sau coș de fum termic, în acest context) este un sistem pasiv de ventilație solară format dintr-un puț vertical care leagă interiorul și exteriorul unei clădiri. Dacă coșul de fum se încălzește, se încălzește și aerul din interior, provocând untrage aer prin casăPerformanța sa poate fi îmbunătățită prin utilizarea materialelor opace și a masei termice [29] într-un mod care seamănă cu o seră.
Plantele de foioase au fost propuse ca o modalitate de a controla încălzirea și răcirea solară. Dacă cresc pe partea de sud a unei clădiri din emisfera nordică sau pe partea de nord a unei clădiri din emisfera sudică, frunzele lor oferă umbră în timpul verii, în timp ce trunchiurile goale lasă razele soarelui fără obstacole în timpul iernii . 30] .
Cuptoarele solare folosesc lumina soarelui pentru gătit, uscare și pasteurizare . Acestea pot fi împărțite în trei mari categorii: cuptoare cu cameră ( English box cookers ), cuptoare cu panou ( English panel cookers ) și cuptoare reflective ( English reflector cookers ) [31] . Cel mai simplu cuptor solar este cuptorul cu cameră, care a fost construit pentru prima dată de Horace Benedict de Saussure în 1767 [32] . Un cuptor cu cameră simplă constă dintr-un recipient izolat cu un capac transparent. Poate fi folosit eficient pe cer parțial înnorat și atinge în mod obișnuit temperaturi de 90-150°C [33] . Cuptorul cu panou folosește un panou reflectorizant pentru a direcționa razele soarelui asupra unui recipient izolat și pentru a atinge o temperatură comparabilă cu cea a unui cuptor cu cameră. Cuptoarele cu reflectoare folosesc diferite geometrii de reflectoare (plata, jgheab, oglinzi Fresnel ) pentru a focaliza fasciculele pe un container. Aceste cuptoare ating temperaturi de 315°C, dar necesită un fascicul direct și trebuie repoziționate pe măsură ce Soarele își schimbă poziția [34] .
Sistemele de concentrare solară, cum ar fi vasele parabolice, jgheaburile și reflectoarele Scheffler pot furniza căldură de proces pentru aplicații comerciale și industriale. Primul sistem comercial a fost Proiectul Total Solar Energy din Shenandoah, Georgia, SUA, unde un câmp de 114 tăvi parabolice asigura 50% din necesarul de căldură, ventilație a aerului și energie pentru o fabrică de confecții. Această centrală de cogenerare conectată la rețea a furnizat 400 kW de energie electrică, precum și energie termică sub formă de 401 wați de abur și 468 kW de apă răcită și a asigurat stocarea căldurii cu o sarcină de vârf de un an [35] . Iazurile de evaporare sunt bazine de mică adâncime care concentrează solidele dizolvate în apă prin evaporare . Utilizarea iazurilor de evaporare pentru a extrage sare din apa de mare este una dintre cele mai vechi utilizări ale energiei solare. Aplicațiile moderne includ: creșterea concentrației de săruri în extracția metalelor prin levigare , precum și îndepărtarea solidelor din apele uzate [36] . Cu cabluri , uscător și umerase, rufele se usucă în procesul de evaporare sub influența vântului și a razelor solare fără consum de energie electrică și gaz. Unele legi de stat chiar protejează în mod specific „dreptul de a usca” hainele . Colectoarele transpirate neglazurate ( UTC ) sunt pereți perforați („peretele colector”) îndreptați spre soare, utilizați pentru preîncălzirea aerului de ventilație. UTC poate ridica temperatura aerului de intrare la 22°C (40°F) și poate oferi o temperatură a aerului de ieșire de 45°C (81°F) - 60°C (108°F) . [38] Perioada scurtă de amortizare (3 până la 12 ani) face ca colectorii transpirați să fie mai profitați din punct de vedere financiar decât sistemele de colectare vitrate [38] . Începând cu 2003, în întreaga lume au fost instalate peste 80 de sisteme cu o suprafață totală de colectare de 35.000 m2, inclusiv un colector de 860 m2 în Costa Rica pentru uscarea boabelor de cafea și un colector de 1300 m2 în Coimbatore (India) pentru uscarea gălbenelelor [39] .
Desalinizarea solară poate fi folosită pentru a transforma apa sărată sau salmară în apă potabilă. Pentru prima dată, un exemplu al unei astfel de transformări a fost înregistrat de alchimiștii arabi din secolul al XVI-lea [40] . Primul proiect de desalinizare solară la scară largă a fost construit în 1872 în orașul minier chilian Las Salinas [41] . Uzina, care avea o suprafață de colector solar de 4700 m2, putea produce până la 22.700 litri de apă potabilă și a rămas în funcțiune timp de 40 de ani [41] . Design-urile personalizate cu elemente fixe includ o singură pantă, dublă pantă (sară sau standard), verticale, conice, absorbante inversate, multifit și efecte multiple. . [40] . Aceste aparate de alimentare cu apă pot funcționa în moduri pasive, active și hibride. Unitățile cu dublă pantă sunt cele mai eficiente din punct de vedere al costurilor pentru nevoile casnice descentralizate, în timp ce unitățile active cu efecte multiple sunt mai potrivite pentru proiectele la scară largă [40] .
Pentru dezinfecția solară , apa este turnată în sticle transparente din PET și plasată în lumina soarelui timp de câteva ore [42] . Timpul de dezinfecție depinde de climă și condițiile meteo, cel puțin 6 ore până la 2 zile dacă cerul este complet acoperit de nori [43] . Această metodă a fost recomandată de Organizația Mondială a Sănătății ca metodă accesibilă pentru tratarea apei menajere și depozitarea în siguranță [44] . Peste 2 milioane de oameni din țările în curs de dezvoltare folosesc această metodă în fiecare zi pentru a-și trata apa potabilă [43] .
Energia solară poate fi utilizată în iazurile de decantare pentru tratarea apelor uzate fără utilizarea de substanțe chimice și costuri energetice. Un alt beneficiu de mediu este că algele trăiesc în astfel de iazuri și consumă dioxid de carbon prin fotosinteză, deși pot produce substanțe toxice care fac apa improprie pentru consum [45] [46] .
Energia solară funcționează prin transformarea razelor solare în energie electrică . Acest lucru se poate întâmpla fie direct, folosind sisteme fotovoltaice , fie indirect, folosind sisteme de energie solară concentrată , în care lentilele și oglinzile colectează lumina solară dintr-o zonă mare într-un fascicul subțire, iar un mecanism de urmărire urmărește poziția Soarelui. Fotovoltaica convertește lumina în curent electric folosind efectul fotoelectric .
Se presupune că energia solară va deveni cea mai mare sursă de energie electrică până în 2050, în care fotovoltaica și energia solară concentrată vor reprezenta 16, respectiv 11% din producția mondială de energie electrică [47] .
Centralele electrice comerciale care utilizează energie solară concentrată au apărut pentru prima dată în anii 1980. După 1985, o instalație SEGS de 354 MW acest tip în deșertul Mojave a devenit cea mai mare centrală solară din lume. Alte centrale solare de acest tip includ SPP Solnova (150 MW) și SPP Andasol (100 MW), ambele în Spania. Printre cele mai mari centrale solare : Agua Caliente Solar Project (250 MW) în SUA și Charanka Solar Park (221 MW) în India . Sunt în curs de dezvoltare proiecte de peste 1 GW, dar majoritatea instalațiilor solare de până la 5 kW sunt mici și pe acoperiș. Începând cu 2013, energia solară a reprezentat mai puțin de 1% din energia electrică din rețeaua globală [48] .
Prezența luminii solare a influențat proiectarea clădirilor încă de la începutul istoriei arhitecturii [50] . Metodele avansate de arhitectură solară și planificare urbană au fost introduse pentru prima dată de grecii antici și chinezi, care și-au orientat casele spre sud pentru a le asigura lumină și căldură [51] .
Caracteristicile comune ale arhitecturii solare clădirilor în raport cu soarele, proporțiile compacte (raportul suprafață scăzut la volum), umbrirea selectivă (copertine) masa termică 50Atunci când aceste proprietăți se potrivesc bine cu clima locală, oferă o iluminare bună și vă permite să rămâneți într-un interval de temperatură confortabil. Casa megaron al lui Socrate este un exemplu clasic de arhitectură solară pasivă [50] . utilizate simulări pe computer care leagă iluminatul cu lumină naturală precum și sistemele solare de încălzire și ventilație, într-un pachet integrat de proiectare solară [ 52] Echipamentele solare active, cum ar fi pompele, ventilatoarele și ferestrele comutabile, pot completa un design pasiv și pot îmbunătăți performanța sistemului.
O insulă de căldură urbană (UHE) este o zonă urbană în care temperatura este mai mare decât în zonele rurale din jur. Creșterea temperaturii este o consecință a utilizării materialelor precum asfaltul și betonul, care absorb mai bine radiațiile solare, deoarece au un albedo mai mic și o capacitate termică mai mare decât în mediu. Pentru a contracara efectul direct, clădirile sunt vopsite în alb și arbori sunt plantați pe străzi. Conform proiectării unui program ipotetic de „comunități cool” din Los Angeles , folosind aceste metode, temperatura orașului poate fi redusă cu aproximativ 3 °C. Costul proiectului este estimat la 1 miliard USD, iar beneficiul total anual ar putea fi de 530 milioane USD din cauza costurilor reduse de ventilație și sănătate [53] .
Agricultura și horticultura caută modalități de optimizare a absorbției energiei solare pentru a crește productivitatea plantelor.
Sera transformă lumina soarelui în căldură, permițând cultivarea pe tot parcursul anului a plantelor care nu sunt adaptate în mod natural la acest climat. Cele mai simple sere erau folosite în epoca romană pentru a cultiva castraveți pe tot parcursul anului pentru împăratul Tiberiu [54] . Modern În Europa în secolul al XVI-lea, au apărut sere pentru cultivarea plantelor aduse din călătoriile de cercetare [55] .
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|
Soare | ||
---|---|---|
Structura | ![]() | |
Atmosfera | ||
Structură extinsă | ||
Fenomene legate de Soare | ||
subiecte asemănătoare | ||
Clasa spectrală : G2 |