Solenergi - Solar energy

Källan till jordens solkraft: Solen

Del av en serie om
Förnybar energi
Biobränsle Biomassa Biogas Geotermisk Vattenkraft Solenergi Tidvattenkraft Vågkraft Vindkraft
Ämnen efter land Marknadsföring och politiska trender
v t e

Del av en serie om
Hållbar energi
Energibesparing Kraftvärme Effektiv energianvändning Energilagring Grön byggnad Värmepump Mikrogenerering
Förnybar energi Vattenkraft Sol Vind Geotermisk Biobränsle Kolneutralt bränsle Förnybar energiomställning Marin energi
Hållbar transport Elektriskt fordon Grönt fordon Plug-in hybrid Avfasning av fossilt bränsle
Portal för förnybar energi  Kategori
v t e

Solenergi är strålande ljus och värme från solen som utnyttjas med hjälp av en rad tekniker som solvattenuppvärmning , solceller , termisk solenergi , solarkitektur , kraftverk i smält salt och artificiell fotosyntes .

Det är en viktig källa till förnybar energi , och dess teknik kännetecknas i stort sett som antingen passiv sol eller aktiv sol beroende på hur de fångar och distribuerar solenergi eller omvandlar den till solenergi . Aktiva soltekniker inkluderar användning av solcellsanläggningar , koncentrerad solenergi och solvattenuppvärmning för att utnyttja energin. Passiva soltekniker inkluderar att orientera en byggnad mot solen, välja material med gynnsam termisk massa eller ljusspridande egenskaper och utforma utrymmen som naturligt cirkulerar luft .

Den stora solenergi som finns tillgänglig gör den till en mycket tilltalande elkälla. Den FN: s utvecklingsprogram i sin World Energy Assessment 2000 fann att den årliga potentialen av solenergi var 1,575-49,837 exajoule (EJ). Detta är flera gånger större än den totala energiförbrukningen i världen , som var 559,8 EJ 2012.

2011 sade International Energy Agency att "utvecklingen av överkomliga, outtömliga och rena solenergiteknologier kommer att ha enorma långsiktiga fördelar. Det kommer att öka ländernas energisäkerhet genom att förlita sig på en inhemsk, outtömlig och mestadels importoberoende resurs , öka hållbarheten , minska föroreningarna, sänka kostnaderna för att mildra den globala uppvärmningen och hålla priserna på fossila bränslen lägre än annars. Dessa fördelar är globala. Därför bör merkostnaderna för incitament för tidig utplacering betraktas som lärande investeringar; de måste vara klokt spenderade och måste delas brett ".

Potential

Ungefär hälften av den inkommande solenergin når jordens yta.

Genomsnittlig insolation . Det teoretiska området för de små svarta prickarna är tillräckligt för att förse världens totala energibehov på 18 TW med solenergi.

Jorden tar emot 174  petawatt (PW) inkommande solstrålning ( insolation ) vid den övre atmosfären . Ungefär 30% reflekteras tillbaka till rymden medan resten absorberas av moln, hav och landmassor. Det spektrum av sol- ljus vid jordens yta är mestadels spridda över de synliga och nära-infraröda intervall med en liten del i den nära-ultraviolett . De flesta av världens befolkning bor i områden med isoleringsnivåer på 150–300 watt /m ² , eller 3,5–7,0 kWh /m ² per dag.

Solstrålning absorberas av jordens landyta, hav - som täcker cirka 71% av jordklotet - och atmosfären. Varm luft som innehåller förångat vatten från haven stiger, vilket orsakar atmosfärisk cirkulation eller konvektion . När luften når en hög höjd, där temperaturen är låg, kondenseras vattenånga till moln, som regnar på jordens yta och slutför vattencykeln . Den latenta värmen i vattenkondensation förstärker konvektion och producerar atmosfäriska fenomen som vind, cykloner och anticykloner . Solljus som absorberas av haven och landmassorna håller ytan vid en medeltemperatur på 14 ° C. Genom fotosyntes omvandlar gröna växter solenergi till kemiskt lagrad energi, som producerar mat, trä och den biomassa som fossila bränslen härrör från.

Den totala solenergin som absorberas av jordens atmosfär, hav och landmassor är cirka 3 850 000  exajoules (EJ) per år. År 2002 var detta mer energi på en timme än världen använde på ett år. Fotosyntes fångar cirka 3000 EJ per år i biomassa. Mängden solenergi som når planetens yta är så stor att det på ett år är ungefär dubbelt så mycket som någonsin kommer att erhållas från alla jordens icke-förnybara resurser av kol, olja, naturgas och utvunnet uran tillsammans ,

Den potentiella solenergi som kan användas av människor skiljer sig från mängden solenergi som finns nära planetens yta eftersom faktorer som geografi, tidsvariation, molntäckning och marken som är tillgänglig för människor begränsar mängden solenergi som vi kan förvärva.

Geografi påverkar solenergipotentialen eftersom områden som ligger närmare ekvatorn har en högre mängd solstrålning. Användningen av solceller som kan följa solens position kan dock avsevärt öka solenergipotentialen i områden som ligger längre från ekvatorn. Tidsvariation påverkar potentialen för solenergi eftersom det under natten är lite solstrålning på jordens yta för solpaneler att absorbera. Detta begränsar mängden energi som solpaneler kan absorbera på en dag. Molntäcke kan påverka potentialen för solpaneler eftersom moln blockerar inkommande ljus från solen och minskar ljuset som finns tillgängligt för solceller.

Dessutom har marktillgänglighet en stor effekt på tillgänglig solenergi eftersom solpaneler bara kan sättas upp på mark som annars är oanvänd och lämplig för solpaneler. Tak är en lämplig plats för solceller, eftersom många människor har upptäckt att de kan samla energi direkt från sina hem på detta sätt. Andra områden som är lämpliga för solceller är mark som inte används för företag där solcellsanläggningar kan etableras.

Solteknik karakteriseras som antingen passiv eller aktiv beroende på hur de fångar, konverterar och distribuerar solljus och gör det möjligt att utnyttja solenergi på olika nivåer runt om i världen, mestadels beroende på avståndet från ekvatorn. Även om solenergi främst hänvisar till användning av solstrålning för praktiska ändamål, hämtar all förnybar energi, förutom geotermisk kraft och tidvattenkraft , sin energi antingen direkt eller indirekt från solen.

Aktiva soltekniker använder solceller, koncentrerad solenergi , solfångare , pumpar och fläktar för att omvandla solljus till användbara utgångar. Passiva soltekniker inkluderar att välja material med gynnsamma värmeegenskaper, designa utrymmen som naturligt cirkulerar luft och hänvisa en byggnads position till solen. Aktiv solteknik ökar energiförsörjningen och betraktas som teknik på utbudssidan , medan passiv solteknik minskar behovet av alternativa resurser och betraktas i allmänhet som teknik på efterfrågan.

År 2000 publicerade FN: s utvecklingsprogram , FN: s avdelning för ekonomi och sociala frågor och Världsenergirådet en uppskattning av den potentiella solenergi som kan användas av människor varje år som tog hänsyn till faktorer som insolering, molntäckning och marken som är användbar av människor. Uppskattningen visade att solenergi har en global potential på 1 600 till 49 800 exajoules (4,4 × 10 ¹⁴ till 1,4 × 10 ¹⁶  kWh) per år (se tabell nedan) .

Värmeenergi

Solvärmetekniker kan användas för vattenuppvärmning, uppvärmning, rymdkylning och processvärme.

Tidig kommersiell anpassning

År 1878, vid Universal Exposition i Paris, demonstrerade Augustin Mouchot framgångsrikt en ångmaskin med sol, men kunde inte fortsätta utvecklingen på grund av billigt kol och andra faktorer.

1917 Patentritning av Shumans solfångare

År 1897 byggde Frank Shuman , en amerikansk uppfinnare, ingenjör och pionjär inom solenergi en liten demonstrationssolmotor som fungerade genom att reflektera solenergi på fyrkantiga lådor fyllda med eter, som har en lägre kokpunkt än vatten och var utrustade internt med svarta rör som i sin tur drev en ångmaskin. 1908 bildade Shuman Sun Power Company i avsikt att bygga större solkraftverk. Han, tillsammans med sin tekniska rådgivare ASE Ackermann och brittiska fysikern Sir Charles Vernon Boys , utvecklade ett förbättrat system med speglar för att reflektera solenergi på kollektorlådor, vilket ökar uppvärmningskapaciteten i den utsträckning att vatten nu kan användas istället för eter. Shuman konstruerade sedan en ångmaskin i full skala som drivs av lågtrycksvatten, vilket gjorde att han kunde patentera hela solmotorsystemet 1912.

Shuman byggde världens första solvärmekraftverk i Maadi , Egypten , mellan 1912 och 1913. Hans anläggning använde paraboliska tråg för att driva en 45–52 kilowatt (60–70  hk ) motor som pumpade mer än 22 000 liter (4800 imp gal; 5 800 US gal) vatten per minut från Nilen till intilliggande bomullsfält. Även om första världskrigets utbrott och upptäckten av billig olja på 1930 -talet avskräckt utvecklingen av solenergi, återuppstod Shumans vision och grundläggande design på 1970 -talet med en ny våg av intresse för solenergi. År 1916 citerades Shuman i media som förespråkade användning av solenergi och sa:

Vi har bevisat den kommersiella vinsten med solkraft i tropikerna och har särskilt bevisat att när våra lager av olja och kol är uttömda kan mänskligheten få obegränsad kraft från solens strålar.

-  Frank Shuman, New York Times, 2 juli 1916

Vatten värmning

Solvattenberedare som vetter mot solen för att maximera vinsten

Solvarmvattensystem använder solljus för att värma vatten. På mellersta geografiska breddgrader (mellan 40 grader norr och 40 grader söder) kan 60 till 70% av varmvattenanvändningen för hushållsbruk, med vattentemperaturer upp till 60 ° C (140 ° F), tillhandahållas av solvärmesystem. De vanligaste typerna av solvärmare är evakuerade röruppsamlare (44%) och glaserade platta uppsamlare (34%) som vanligtvis används för tappvarmvatten; och oglaserade plastuppsamlare (21%) som främst används för att värma upp simbassänger.

Från och med 2015 var den totala installerade kapaciteten för solvarmvattensystem cirka 436 termisk gigawatt (GW _th ), och Kina är världsledande i deras distribution med 309 GW _th installerat, som tar upp 71% av marknaden. Israel och Cypern är ledande per capita när det gäller användning av solvarmvattensystem med över 90% av bostäderna som använder dem. I USA, Kanada och Australien är uppvärmning av pooler den dominerande tillämpningen av solvarmvatten med en installerad kapacitet på 18 GW _th från 2005.

Värme, kyla och ventilation

I USA står värme, ventilation och luftkonditionering (HVAC) för 30% (4,65 EJ/år) av energin som används i kommersiella byggnader och nästan 50% (10,1 EJ/år) av energin som används i bostadshus. Solvärme, kyla och ventilationsteknik kan användas för att kompensera en del av denna energi.

MIT 's Solar House #1, byggt 1939 i USA, använde säsongens lagring av termisk energi för uppvärmning året runt.

Termisk massa är vilket material som helst som kan användas för att lagra värme - värme från solen vid solenergi. Vanliga termiska massmaterial inkluderar sten, cement och vatten. Historiskt sett har de använts i torra klimat eller varma tempererade regioner för att hålla byggnader svala genom att absorbera solenergi under dagen och utstråla lagrad värme till den svalare atmosfären på natten. De kan dock användas i kalla tempererade områden för att bibehålla värmen också. Storleken och placeringen av termisk massa beror på flera faktorer som klimat, dagsljus och skuggförhållanden. När den är korrekt inkorporerad håller termisk massa rumstemperaturer i ett bekvämt område och minskar behovet av hjälpvärme- och kylutrustning.

En solskorsten (eller termisk skorsten, i detta sammanhang) är ett passivt solventilationssystem som består av en vertikal axel som förbinder byggnadens inre och yttre. När skorstenen värms upp värms luften inuti, vilket orsakar ett uppslag som drar luft genom byggnaden. Prestanda kan förbättras genom att använda glas och termiska massmaterial på ett sätt som efterliknar växthus.

Lövträd och växter har främjats som ett sätt att kontrollera solvärme och kyla. När de planteras på södra sidan av en byggnad på norra halvklotet eller norra sidan på södra halvklotet, ger deras blad skugga under sommaren, medan de nakna lemmarna låter ljus passera under vintern. Eftersom nakna, lövlösa träd skuggar 1/3 till 1/2 av infallande solstrålning, finns det en balans mellan fördelarna med sommarskuggning och motsvarande förlust av vintervärme. I klimat med betydande värmebelastningar bör lövträd inte planteras på den ekvatorn som vetter mot en byggnad eftersom de kommer att störa tillgängligheten för vintersol. De kan dock användas på öst och väst sidor för att ge en viss grad av sommar skuggning utan att nämnvärt påverka vintern solvärme .

Matlagning

Parabolisk maträtt producerar ånga för matlagning, i Auroville , Indien

Solspisar använder solljus för matlagning, torkning och pastörisering . De kan grupperas i tre breda kategorier: lådkokare, panelkokare och reflektorkokare. Den enklaste solspisen är lådspisen som först byggdes av Horace de Saussure 1767. En grundläggande lådspis består av en isolerad behållare med ett transparent lock. Den kan användas effektivt med delvis mulen himmel och når vanligtvis temperaturer på 90–150 ° C (194–302 ° F). Panelspisar använder en reflekterande panel för att rikta solljus mot en isolerad behållare och nå temperaturer som är jämförbara med boxspisar. Reflektorkokare använder olika koncentrerade geometrier (fat, tråg, Fresnel -speglar) för att fokusera ljuset på en matlagningsbehållare. Dessa spisar når temperaturer på 315 ° C (599 ° F) och högre men kräver direkt ljus för att fungera korrekt och måste flyttas för att spåra solen.

Bearbeta värme

Solkoncentreringsteknik som parabolskål, tråg och Scheffler -reflektorer kan ge processvärme för kommersiella och industriella tillämpningar. Det första kommersiella systemet var Solar Total Energy Project (STEP) i Shenandoah, Georgia, USA där ett fält med 114 paraboliska rätter gav 50% av processuppvärmning, luftkonditionering och elektriska krav för en klädfabrik. Detta nätanslutna kraftvärmesystem gav 400 kW el plus värmeenergi i form av 401 kW ånga och 468 kW kylt vatten, och hade en timmes topplast termisk lagring. Avdunstningsdammar är grunda pooler som koncentrerar upplösta fasta ämnen genom avdunstning . Användningen av förångningsdammar för att få salt från havsvatten är en av de äldsta tillämpningarna av solenergi. Moderna användningsområden inkluderar koncentrering av saltlösningslösningar som används vid utvinning av lak och avlägsnande av upplösta fasta ämnen från avfallsströmmar.

Kläder linjer , clotheshorses och klädställ torka kläder genom avdunstning av vind och solljus utan att förbruka elektricitet eller gas. I vissa stater i USA skyddar lagstiftningen "rätten att torka" kläder. Oglaserade transpirerade uppsamlare (UTC) är perforerade solväggar som används för förvärmning av ventilationsluft. UTC kan höja den inkommande lufttemperaturen till 22 ° C (40 ° F) och leverera utloppstemperaturer på 45–60 ° C (113–140 ° F). Den korta återbetalningstiden för expirerade samlare (3 till 12 år) gör dem till ett mer kostnadseffektivt alternativ än glasade insamlingssystem. Från och med 2003 hade över 80 system med en kombinerad uppsamlingsarea på 35 000 kvadratmeter (380 000 kvm) installerats över hela världen, inklusive en 860 m ² (9 300 kvm) uppsamlare i Costa Rica som används för att torka kaffebönor och en 1300 m ² (14 000 kvm) samlare i Coimbatore , Indien, som används för att torka ringblommor.

Vattenbehandling

Solvattendesinfektion i Indonesien

Soldestillation kan användas för att dricka saltlösning eller bräckt vatten . Det första inspelade exemplet av detta var av arabiska alkemister från 1500-talet. Ett storskaligt soldestillationsprojekt byggdes först 1872 i den chilenska gruvstaden Las Salinas. Anläggningen, som hade en insamlingsyta på 4700 m ² (51 000 kvm), kunde producera upp till 22 700 L (5 000 imp gal; 6 000 US gal) per dag och fungera i 40 år. Enskilda still mönster inkluderar enkel-lutning, dubbel-lutningen (eller växthus typ), vertikal, konisk, inverterad absorbator, multi-wick, och multipel effekt. Dessa stillbilder kan fungera i passiva, aktiva eller hybridlägen. Dubbellutande stillbilder är de mest ekonomiska för decentraliserade hushållsändamål, medan aktiva flera effektenheter är mer lämpliga för storskaliga applikationer.

Sol vattendesinfektion (SODIS) involverar att utsätta vattenfyllda plast polyetylentereftalat (PET) flaskor för solljus under flera timmar. Exponeringstiderna varierar beroende på väder och klimat från minst sex timmar till två dagar under helt mulna förhållanden. Det rekommenderas av Världshälsoorganisationen som en livskraftig metod för hushållsvattenbehandling och säker lagring. Över två miljoner människor i utvecklingsländer använder denna metod för sitt dagliga dricksvatten.

Solenergi kan användas i en vattenstabiliseringsdamm för att behandla avloppsvatten utan kemikalier eller el. En ytterligare miljöfördel är att alger växer i sådana dammar och förbrukar koldioxid i fotosyntesen, även om alger kan producera giftiga kemikalier som gör vattnet oanvändbart.

Smält saltteknik

Smält salt kan användas som en metod för lagring av värmeenergi för att behålla värmeenergi som samlas in av ett soltorn eller soltåg i ett koncentrerat solkraftverk så att det kan användas för att generera el i dåligt väder eller på natten. Det demonstrerades i Solar Two -projektet från 1995 till 1999. Systemet förutspås ha en årlig verkningsgrad på 99%, en referens till energin som lagras genom att lagra värme innan den omvandlas till el, jämfört med att omvandla värme direkt till el. De smälta saltblandningarna varierar. Den mest utökade blandningen innehåller natriumnitrat , kaliumnitrat och kalciumnitrat . Det är icke-brandfarligt och giftfritt och har redan använts i kemi- och metallindustrin som värmetransportvätska. Därför finns erfarenhet av sådana system i icke-solapplikationer.

Saltet smälter vid 131 ° C (268 ° F). Den hålls flytande vid 288 ° C (550 ° F) i en isolerad "kall" lagringstank. Det flytande saltet pumpas genom paneler i en solfångare där den fokuserade strålningen värmer det till 566 ° C (1051 ° F). Den skickas sedan till en varm lagringstank. Detta är så välisolerat att värmeenergin med fördel kan lagras i upp till en vecka.

När elektricitet behövs pumpas det heta saltet till en konventionell ånggenerator för att producera överhettad ånga för en turbin/generator som används i alla konventionella kol-, olje- eller kärnkraftverk. En 100 megawatt turbin skulle behöva en tank som var cirka 9,1 meter lång och 24 meter i diameter för att driva den i fyra timmar med denna design.

Flera paraboliska kraftverk i Spanien och solenergitornets utvecklare SolarReserve använder detta koncept för lagring av termisk energi. Den Solana Generating Station i USA har sex timmars lagring av smält salt. Fabriken María Elena är ett 400 MW termosolkomplex i den norra chilenska regionen Antofagasta som använder smält saltteknik.

Elproduktion

Några av världens största solkraftverk: Ivanpah (CSP) och Topaz (PV)

Solenergi är omvandling av solljus till elektricitet , antingen direkt med hjälp av solceller (PV), eller indirekt med hjälp av koncentrerad solenergi (CSP). CSP -system använder linser eller speglar och spårningssystem för att fokusera ett stort område av solljus till en liten stråle. PV omvandlar ljus till elektrisk ström med hjälp av den fotoelektriska effekten .

Solenergi förväntas bli världens största elkälla år 2050, med solceller och koncentrerad solenergi som bidrar med 16 respektive 11 procent till den globala totala förbrukningen. Under 2016, efter ytterligare ett år med snabb tillväxt, genererade solenergi 1,3% av den globala kraften.

Kommersiella koncentrerade solkraftverk utvecklades först på 1980 -talet. 392 MW Ivanpah Solar Power Facility , i Mojaveöknen i Kalifornien, är det största solkraftverket i världen. Andra stora koncentrerade solkraftverk inkluderar 150 MW Solnova Solar kraftstation och 100 MW Andasol solkraftverk , både i Spanien. 250 MW Agua Caliente Solar Project , i USA, och 221 MW Charanka Solar Park i Indien, är världens största solcellsanläggningar . Solprojekt som överstiger 1 GW håller på att utvecklas, men de flesta av de utplacerade fotovoltaikerna finns i små takuppsättningar på mindre än 5 kW, som är anslutna till nätet med nätmätning eller inmatningstariff.

Solceller

50 000

100 000

150 000

200 000

2006

2010

2014

     Europa

     Asien-Stillahavsområdet

     Amerika

     Kina

     Mellanöstern och Afrika

Världsomspännande tillväxt av PV -kapacitet grupperad efter region i MW (2006–2014)

Under de senaste två decennierna har solceller (PV), även känt som solceller, utvecklats från en ren nischmarknad för småskaliga applikationer till att bli en vanlig elkälla. En solcell är en enhet som omvandlar ljus direkt till elektricitet med hjälp av den fotoelektriska effekten. Den första solcellen konstruerades av Charles Fritts på 1880 -talet. År 1931 utvecklade en tysk ingenjör, Dr Bruno Lange, en fotocell med silver selenid istället för kopparoxid . Även om prototypen selenceller omvandlade mindre än 1% av infallande ljus till elektricitet, insåg både Ernst Werner von Siemens och James Clerk Maxwell vikten av denna upptäckt. Efter Russell Ohls arbete på 1940 -talet skapade forskarna Gerald Pearson, Calvin Fuller och Daryl Chapin den kristallina kiselsolcellen 1954. Dessa tidiga solceller kostade 286 dollar/watt och uppnådde effektivitet på 4,5–6%. År 2012 översteg tillgängliga effektivitetsvinster 20%, och den maximala effektiviteten för forskningens solceller var över 40%.

Koncentrerad solenergi

Koncentrerande solenergisystem (CSP) använder linser eller speglar och spårningssystem för att fokusera ett stort område av solljus till en liten stråle. Den koncentrerade värmen används sedan som värmekälla för ett konventionellt kraftverk. Det finns ett brett spektrum av koncentreringstekniker; de mest utvecklade är det paraboliska tråget, den koncentrerade linjära fresnelreflektorn, Stirling -skålen och solkraftstornet. Olika tekniker används för att spåra solen och fokusera ljuset. I alla dessa system värms en arbetsvätska upp av det koncentrerade solljuset och används sedan för elproduktion eller energilagring. Design måste ta hänsyn till risken för dammstorm , hagel eller annan extrem väderhändelse som kan skada de fina glasytorna på solkraftverk. Metallgrillar skulle tillåta en hög andel solljus att komma in i speglarna och solpanelerna samtidigt som de förhindrar de flesta skador.

Arkitektur och stadsplanering

Darmstadt tekniska universitet , Tyskland, vann Solar Decathlon 2007 i Washington, DC med detta passivhus utformat för fuktigt och varmt subtropiskt klimat.

Solljus har påverkat byggnadsdesign sedan arkitektonisk historia började. Avancerad solarkitektur och stadsplaneringsmetoder användes först av grekerna och kineserna , som riktade sina byggnader mot söder för att ge ljus och värme.

De gemensamma egenskaperna hos passiv solarkitektur är orientering i förhållande till solen, kompakt andel (låg yta till volymförhållande), selektiv skuggning (överhäng) och termisk massa . När dessa funktioner är anpassade till det lokala klimatet och miljön kan de producera väl upplysta utrymmen som håller sig inom ett bekvämt temperaturintervall. Sokrates Megaron House är ett klassiskt exempel på passiv soldesign. De senaste metoderna för soldesign använder datormodellering som kopplar ihop solbelysning , värme- och ventilationssystem i ett integrerat soldesignpaket . Aktiv solutrustning som pumpar, fläktar och omkopplingsbara fönster kan komplettera passiv design och förbättra systemets prestanda.

Urban Heat Islands (UHI) är storstadsområden med högre temperaturer än omgivande miljö. De högre temperaturerna beror på ökad absorption av solenergi av urbana material som asfalt och betong, som har lägre albedos och högre värmekapacitet än i den naturliga miljön. En enkel metod för att motverka UHI -effekten är att måla byggnader och vägar vita och plantera träd i området. Med hjälp av dessa metoder har ett hypotetiskt "coola samhällsprogram" i Los Angeles förutspått att stadstemperaturer kan sänkas med cirka 3 ° C till en uppskattad kostnad på 1 miljard dollar, vilket ger uppskattade totala årliga fördelar på 530 miljoner dollar från minskad luftkonditionering kostnader och hälsobesparingar.

Jordbruk och trädgårdsodling

Växthus som dessa i Westland kommun i Nederländerna odlar grönsaker, frukt och blommor.

Jordbruk och trädgårdsodling försöker optimera fångst av solenergi för att optimera produktiviteten hos växter. Tekniker som tidsbestämda planteringscykler, skräddarsydd radorientering, förskjutna höjder mellan raderna och blandning av växtsorter kan förbättra skörden. Även om solljus i allmänhet anses vara en riklig resurs, lyfter undantagen vikten av solenergi för jordbruket. Under den lilla istiden korta växtsäsonger använde franska och engelska bönder fruktväggar för att maximera insamlingen av solenergi. Dessa väggar fungerade som termiska massor och accelererade mognad genom att hålla växterna varma. Tidiga fruktväggar byggdes vinkelrätt mot marken och i söderläge, men med tiden utvecklades sluttande väggar för att bättre utnyttja solljus. 1699 föreslog Nicolas Fatio de Duillier till och med att man skulle använda en spårningsmekanism som kan svänga för att följa solen. Tillämpningar av solenergi i jordbruket bortsett från odling av grödor inkluderar pumpning av vatten, torkning av grödor, grublande kycklingar och torkning av kycklinggödsel. På senare tid har tekniken omfamnats av vinodlare , som använder energin som genereras av solpaneler för att driva druvpressar.

Växthus omvandlar solens ljus till värme, vilket möjliggör produktion året runt och tillväxt (i slutna miljöer) av specialgrödor och andra växter som inte är naturligt anpassade till det lokala klimatet. Primitiva växthus användes först under romartiden för att producera gurkor året runt för den romerske kejsaren Tiberius . De första moderna växthusen byggdes i Europa på 1500 -talet för att hålla exotiska växter hämtade från utforskningar utomlands. Växthus är fortfarande en viktig del av trädgårdsodlingen idag. Plast transparent material har också använts för att liknande effekt i polytunnels och rad covers .

Transport

Vinnare av World Solar Challenge 2013 i Australien 2013

Solelektriska flygplan som omger världen runt 2015

Utveckling av en soldriven bil har varit ett konstruktionsmål sedan 1980-talet. Den World Solar Challenge är en vartannat år soldriven bil ras, där lag från universitet och företag konkurrerar över 3021 kilometer (1877 miles) över centrala Australien från Darwin till Adelaide . År 1987, när den grundades, var vinnarens medelhastighet 67 kilometer i timmen (42 mph) och 2007 hade vinnarens medelhastighet förbättrats till 90,87 kilometer i timmen (56,46 mph). The North American Solar Challenge och den planerade South African Solar Challenge är jämförbara tävlingar som speglar ett internationellt intresse för konstruktion och utveckling av soldrivna fordon.

Vissa fordon använder solpaneler för hjälpkraft, till exempel för luftkonditionering, för att hålla interiören sval och därmed minska bränsleförbrukningen.

1975 konstruerades den första praktiska solbåten i England. År 1995 började passagerarbåtar med PV -paneler dyka upp och används nu flitigt. 1996 gjorde Kenichi Horie den första soldriven korsningen av Stilla havet, och Sun21 katamaran gjorde den första soldriven korsningen av Atlanten vintern 2006–2007. Det fanns planer på att kringgå världen under 2010.

1974 gjorde det obemannade AstroFlight Sunrise -planet det första solflyget. Den 29 april 1979 gjorde Solar Riser den första flygningen i en soldriven, fullt kontrollerad, människo bärande flygmaskin som nådde en höjd av 12 fot. 1980 gjorde Gossamer Penguin de första pilotflyg som enbart drivs av solceller. Detta följdes snabbt av Solar Challenger som korsade Engelska kanalen i juli 1981. År 1990 flög Eric Scott Raymond i 21 humle från Kalifornien till North Carolina med hjälp av solenergi. Utvecklingen vände sedan tillbaka till obemannade flygbilar (UAV) med Pathfinder (1997) och efterföljande konstruktioner, som kulminerade i Helios som satte höjdrekordet för ett icke-raketdrivet flygplan på 29 524 meter (96 864 fot) 2001. Zephyr , utvecklat av BAE Systems , är det senaste i en rad rekordbrytande solflygplan, som gör en 54-timmars flygning 2007, och månadslånga flygningar var tänkta till 2010. Från och med 2016 är Solar Impulse , ett elflygplan , för närvarande kringgår världen. Det är ett enplansplan som drivs av solceller och kan lyfta under egen kraft. Designen gör att flygplanet kan förbli luftburet i flera dagar.

En solballong är en svart ballong som är fylld med vanlig luft. När solljuset lyser på ballongen, värms luften inuti och expanderar, vilket orsakar en uppåtgående flytkraft , ungefär som en artificiellt uppvärmd luftballong . Vissa solballonger är tillräckligt stora för mänsklig flykt, men användningen är i allmänhet begränsad till leksaksmarknaden eftersom förhållandet yta till nyttolast är relativt högt.

Bränsleproduktion

Koncentrerade solpaneler får en kraftökning. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) kommer att testa ett nytt koncentrerat solenergisystem - ett som kan hjälpa naturgaskraftverk att minska sin bränsleförbrukning med upp till 20 procent.

Solkemiska processer använder solenergi för att driva kemiska reaktioner. Dessa processer kompenserar energi som annars skulle komma från en fossil bränslekälla och kan också omvandla solenergi till lagringsbara och transportabla bränslen. Solinducerade kemiska reaktioner kan delas in i termokemiska eller fotokemiska . En mängd olika bränslen kan produceras genom artificiell fotosyntes . Den multielektronkatalytiska kemin som är involverad i framställning av kolbaserade bränslen (t.ex. metanol ) från reduktion av koldioxid är utmanande; ett genomförbart alternativ är väteproduktion från protoner, men användning av vatten som källa till elektroner (som växter gör) kräver att man behärskar multielektronoxidationen av två vattenmolekyler till molekylärt syre. Vissa har tänkt sig att arbeta med solbränsleverk i kuststadsregionerna år 2050-splittring av havsvatten som ger vätgas att drivas genom angränsande bränslecells elektriska kraftverk och den rena vattenbiprodukten som går direkt in i det kommunala vattensystemet. En annan vision innebär att alla mänskliga strukturer som täcker jordens yta (dvs. vägar, fordon och byggnader) gör fotosyntes mer effektivt än växter.

Väteproduktionsteknik har varit ett betydande område inom solkemisk forskning sedan 1970 -talet. Bortsett från elektrolys som drivs av fotovoltaiska eller fotokemiska celler har flera termokemiska processer också undersökts. En sådan väg använder koncentratorer för att dela vatten till syre och väte vid höga temperaturer (2 300–2 600 ° C eller 4 200–4 700 ° F). Ett annat tillvägagångssätt använder värmen från solkoncentratorer för att driva ångreformationen av naturgas och därmed öka det totala väteutbytet jämfört med konventionella reformeringsmetoder. Termokemiska cykler kännetecknade av sönderdelning och regenerering av reaktanter utgör en annan väg för väteproduktion. Solzinkprocessen som utvecklas vid Weizmann Institute of Science använder en 1 MW solugn för att sönderdela zinkoxid (ZnO) vid temperaturer över 1200 ° C (2200 ° F). Denna första reaktion ger rent zink, som därefter kan reageras med vatten för att producera väte.

Energilagringsmetoder

Värmeenergilagring . Den Andasol CSP Anläggningen använder tankar med smält salt för att lagra solenergi.

Termiska masssystem kan lagra solenergi i form av värme vid inhemskt användbara temperaturer för dagliga eller interseasonal varaktigheter . Termiska lagringssystem använder i allmänhet lättillgängliga material med hög specifik värmekapacitet som vatten, jord och sten. Väl utformade system kan sänka efterfrågetoppar , skift time-of-användning till lågtrafik timmar och minska de totala värme- och kylbehov.

Fasförändringsmaterial som paraffinvax och Glaubers salt är ett annat termiskt lagringsmedium. Dessa material är billiga, lättillgängliga och kan leverera inhemskt användbara temperaturer (cirka 64 ° C eller 147 ° F). "Dover House" (i Dover, Massachusetts ) var den första som använde ett Glaubers saltvärmesystem, 1948. Solenergi kan också lagras vid höga temperaturer med hjälp av smälta salter . Salter är ett effektivt lagringsmedium eftersom de är billiga, har hög specifik värmekapacitet och kan leverera värme vid temperaturer som är kompatibla med konventionella kraftsystem. Den Solar Två projektet används denna metod för energilagring, vilket gör att den för att lagra 1.44 terajoule (400.000 kWh) i dess 68 m ^ lagringstank med en årlig lagring effektivitet av ca 99%.

Off-grid PV-system har traditionellt använt laddningsbara batterier för att lagra överflödig el. Med grid-bundet system kan överskottsel skickas till överförings elnätet , medan standard elnät kan användas för att möta brister. Nätmätningsprogram ger hushållens system kredit för all el de levererar till elnätet. Detta hanteras genom att ”rulla tillbaka” mätaren närhelst hemmet producerar mer el än det förbrukar. Om elförbrukningen netto är under noll, rullar verktyget sedan över kilowattimmarskrediten till nästa månad. Andra tillvägagångssätt innebär användning av två meter för att mäta förbrukad el kontra producerad el. Detta är mindre vanligt på grund av den ökade installationskostnaden för den andra mätaren. De flesta standardmätare mäter exakt i båda riktningarna, vilket gör en andra meter onödig.

Pumpelagrad vattenkraft lagrar energi i form av vatten som pumpas när energi finns tillgänglig från en lägre höjdreservoar till en högre höjd. Energin återvinns när efterfrågan är hög genom att släppa ut vattnet, där pumpen blir en vattenkraftgenerator.

Utveckling, distribution och ekonomi

Deltagare i en workshop om hållbar utveckling inspekterar solpaneler vid Monterrey Institute of Technology and Higher Education, Mexico City ovanpå en byggnad på campus.

Från och med den kraftiga kolanvändningen , som följde med den industriella revolutionen , har energiförbrukningen stadigt övergått från trä och biomassa till fossila bränslen . Den tidiga utvecklingen av solteknik som började på 1860 -talet drevs av en förväntan om att kol snart skulle bli knappt. Utvecklingen av solteknik stagnerade dock i början av 1900 -talet inför den ökande tillgängligheten, ekonomin och nyttan av kol och petroleum .

Oljeembargot 1973 och energikrisen 1979 orsakade en omorganisation av energipolitiken runt om i världen. Det väckte ny uppmärksamhet för att utveckla solteknik. Distributionsstrategier fokuserade på incitamentsprogram som Federal Photovoltaic Utilization Program i USA och Sunshine -programmet i Japan. Andra insatser inkluderade bildandet av forskningsanläggningar i USA (SERI, nu NREL ), Japan ( NEDO ) och Tyskland ( Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ).

Kommersiella solvattenvärmare började dyka upp i USA på 1890 -talet. Dessa system ökade användningen fram till 1920 -talet men ersattes gradvis av billigare och mer tillförlitliga värmebränslen. Som med solceller väckte solvattenuppvärmning förnyad uppmärksamhet till följd av oljekriserna på 1970 -talet, men intresset avtog på 1980 -talet på grund av fallande oljepriser. Utvecklingen inom sektorn för solvattenuppvärmning gick stadigt under 1990 -talet och den årliga tillväxttakten har i genomsnitt varit 20% sedan 1999. Även om den generellt är underskattad är uppvärmning och kylning av solvatten den överlägset mest använda soltekniken med en uppskattad kapacitet på 154 GW som av 2007.

Den International Energy Agency har sagt att solenergi kan göra betydande bidrag till att lösa några av de mest akuta problemen i världen står inför nu:

Utvecklingen av överkomliga, outtömliga och rena solenergiteknologier kommer att ha enorma långsiktiga fördelar. Det kommer att öka ländernas energisäkerhet genom att förlita sig på en inhemsk, outtömlig och mestadels importoberoende resurs, öka hållbarheten, minska föroreningar, sänka kostnaderna för att mildra klimatförändringar och hålla priserna på fossila bränslen lägre än annars. Dessa fördelar är globala. Därför bör extrakostnaderna för incitament för tidig utplacering betraktas som lärandeinvesteringar. de måste vara klokt spenderade och måste delas brett.

År 2011 fann en rapport från International Energy Agency att solenergiteknik som solceller, varmvatten från solenergi och koncentrerad solenergi kan ge en tredjedel av världens energi år 2060 om politiker åtar sig att begränsa klimatförändringar och övergå till förnybar energi . Energin från solen kan spela en nyckelroll i avkolningen av den globala ekonomin tillsammans med förbättringar av energieffektiviteten och påföra kostnader för utsläpp av växthusgaser . "Solens styrka är den otroliga variationen och flexibiliteten hos applikationer, från liten skala till stor skala".

Vi har bevisat ... att när våra lager av olja och kol är uttömda kan mänskligheten få obegränsad kraft från solens strålar.

-  Frank Shuman , The New York Times , 2 juli 1916.

Använd efter region

Solenergi är inte tillgänglig i alla regioner, på grund av geografisk plats eller på grund av distribution och infrastruktur. Till exempel, medan Europeiska unionen har installerat mer än 130 GW kapacitet under 2019, hade Kina nått mer än 200 GW och USA mer än 100 GW. Den Desertec Foundation har uppskattat att ett område på ~ 300 x 300 miles i Sahara område skulle vara tillräcklig för att producera all el i världen som används (baserat på 2005 års nivåer). Sammanfattningar av solenergianvändning och produktion finns på dessa sidor:

Afrika och Mellanöstern: Israel , Marocko , Saudiarabien , Sydafrika , Jemen

Europa : Österrike, Belgien, Bulgarien, Tjeckien, Danmark, Frankrike, Tyskland, Grekland, Cypern, Italien, Litauen, Nederländerna, Polen, Portugal, Rumänien, Spanien, Schweiz, Turkiet, Ukraina, Storbritannien

Amerika : Kanada , USA , Brasilien , Chile , Mexiko

Asien : Burma (Myanmar), Kina , Indien , Japan , Pakistan , Thailand

Australien och Nya Zeeland

ISO -standarder

Den internationella standardiseringsorganisationen har etablerat flera standarder för solenergi. Till exempel avser ISO 9050 glas i byggnaden, medan ISO 10217 avser de material som används i solvärmare.

Se även

Referenser

Vidare läsning