Solenergi är energi från solen i form av strålning och ljus. Denna energi styr till stor del klimat och väder, och är grunden för livet. Tekniken som använder solenergi kallas solenergi .
174 PW solstrålning ( insolation ) kommer ständigt in i de övre lagren av jordens atmosfär [1] . Cirka 6% av solstrålningen reflekteras från atmosfären , 16% absorberas av den. Atmosfärens mellersta skikt, beroende på väderförhållandena (moln, damm, luftföroreningar), reflekterar upp till 20 % av solinstrålningen och absorberar 3 %.
Atmosfären minskar inte bara mängden solenergi som når jordens yta, utan sprider också cirka 20 % av det som kommer in och filtrerar en del av dess spektrum. Efter att ha passerat genom atmosfären är ungefär hälften av solinstrålningen i den synliga delen av spektrumet . Den andra halvan är övervägande i den infraröda delen av spektrumet. Endast en liten del av denna solinstrålning beror på ultraviolett strålning [2] [3] .
Solstrålning absorberas av landytan, haven (som täcker cirka 71 % av jordens yta) och atmosfären. Absorptionen av solenergi genom atmosfärisk konvektion , förångning och kondensering av vattenånga är drivkraften bakom vattnets kretslopp och driver vindarna. Solens strålar, som absorberas av hav och land, upprätthåller medeltemperaturen på jordens yta, som nu är 14 °C [4] . Genom växtfotosyntes kan solenergi omvandlas till kemisk energi, som lagras som mat, trä och biomassa , som så småningom omvandlas till fossila bränslen [5] .
Solenergi är en källa till vindenergi, vatten, havsvärme, biomassa och även orsaken till bildandet av torv, brunt och kol, olja och naturgas under årtusendena , men denna indirekta energi har ackumulerats över tusentals och miljoner år. Solenergi kan också användas direkt som en källa för el och värme. För att göra detta är det nödvändigt att skapa enheter som koncentrerar solens energi i små områden och i små volymer.
Den totala mängden solenergi som absorberas av atmosfären, landytan och havet är cirka 3 850 000 exajoule (EJ) per år [6] . Detta ger mer energi på en timme än vad hela världen använde under hela året 2002 [7] [8] . Fotosyntesen förbrukar cirka 3 000 EJ per år för produktion av biomassa [9] . Mängden solenergi som når jordytan är så stor att den på ett år ungefär kommer att fördubbla all energi som potentiellt kan genereras från alla icke förnybara källor: kol, olja, uranmalmer [10] .
"'Årlig solinstrålning och mänsklig energiförbrukning"' 1 | ||
---|---|---|
Sol | 3 850 000 | [6] |
vind | 2250 | [elva] |
Biomassapotential | ~200 | [12] |
Världens energiförbrukning 2 | 539 | [13] |
El 2 | ~67 | [fjorton] |
1 Energimängd i exajoule, 1 EJ = 10 18 J = 278 TWh 2 Förbrukning från och med 2010 |
Mängden solenergi som en person potentiellt kan använda skiljer sig från mängden energi som är nära jordens yta. Faktorer som dag/natt-cykler, molntäcke och tillgänglig markyta minskar mängden energi tillgänglig för användning.
Det geografiska läget påverkar energipotentialen, eftersom områden närmare ekvatorn får mer solstrålning. Användningen av fotovoltaiska enheter , som kan ändra sin orientering i enlighet med solens position på himlen, kan dock avsevärt öka potentialen för solenergi i områden långt från ekvatorn. [femton]
Tillgången på mark påverkar den potentiella energiproduktionen avsevärt, eftersom solpaneler endast kan installeras på mark som är lämplig för detta och inte används för andra ändamål. Till exempel är hustak [15] en lämplig plats att installera paneler på .
Solsystem delas in i aktiva och passiva, beroende på hur man absorberar solenergi, bearbetar den och distribuerar den.
Aktiv solteknik använder solceller, koncentrerad solenergisolfångare pumpar och fläktar för att förvandla solstrålning till en användbar energiproduktion Passiv solteknik inkluderar användningen av material med gynnsamma termiska egenskaper, utformningen av rum med naturlig luftcirkulation och den gynnsamma placeringen av byggnader i förhållande till solens position. Aktiv solteknik ökar energitillförseln, medan passiv solteknik minskar behovet av ytterligare energikällor [16] .
År 2000 publicerade FN:s utvecklingsprogram , FN:s avdelning för ekonomiska och sociala frågor och World Energy Council en bedömning av potentialen för solenergi som mänskligheten kan utvinna, med hänsyn till faktorer som solinstrålning, molntäcke och tillgänglig mark yta. Bedömningen visade att den globala potentialen för solenergi är 1,575-49,837 EJ per år "(se tabell nedan)" [15] .
Årlig solenergipotential per region (EJ) [15]Område | Nordamerika | Latinamerika och Karibien | Västeuropa | Central- och Östeuropa | Länder i fd Sovjetunionen | Mellanöstern och Nordafrika | Subsahariska Afrika | Stilla Asien | Sydasien | Centralt planerade Asien | Stillahavs-OECD |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Minimum | 181,1 | 112,6 | 25.1 | 4.5 | 199,3 | 412,4 | 371,9 | 41,0 | 38,8 | 115,5 | 72,6 |
Maximal | 7410 | 3 385 | 914 | 154 | 8 655 | 11 060 | 9 528 | 994 | 1 339 | 4 135 | 2263 |
Vid denna tidpunkt fungerar värmeanordningar som ackumulerar solenergi, liksom prototyper av elmotorer och bilar som använder solenergi.
Solenergi tros stå för inte mer än 1 % av den totala energianvändningen i slutet av seklet. Tillbaka 1870 byggdes en solavsaltningsanläggning för havsvatten i Chile , som producerade upp till 30 ton färskvatten per dag och fungerade i mer än 40 år. Tack vare användningen av heterojunctions når solcellers effektivitet redan 25%. Tillverkning av solbatterier i form av en lång polykristallin silikontejp har lanserats, som har en verkningsgrad på över 10 %.
Teknik som använder solens termiska energi kan användas för vattenuppvärmning, uppvärmning av rum, kylning av rum och processvärmegenerering [17] .
1897 byggde Frank Schumann , en amerikansk uppfinnare , ingenjör och pionjär inom användningen av solenergi, en liten demonstrationssolmotor, vars princip var att solljus reflekterades på fyrkantiga behållare fyllda med eter, som hade en lägre kokpunkt än vatten. Inuti kördes svarta rör upp till containrarna, vilket satte igång ångmaskinen. 1908 grundade Schumann Sun Power Company, som skulle bygga stora installationer med hjälp av solenergi. Tillsammans med sin tekniska rådgivare A. C. E Ackerman och den brittiske fysikern Charles Vernon Boys [18] utvecklade Schumann ett förbättrat system med ett system av speglar som reflekterade solens strålar på solfångarlådorna , vilket ökade uppvärmningseffektiviteten till en nivå där eter kunde användas istället för eter, vatten. Schuman byggde då en fullskalig ångmaskin som gick på lågtrycksvatten. Detta gav honom möjligheten 1912 att patentera hela det soldrivna systemet.
Mellan 1912 och 1913 byggde Schuman världens första solvärmekraftverk i staden Maadi Egypten . Shumanow Power Plant använde en parabolisk trågkoncentrator för att driva en 45–52 kW motor som pumpade över 22 000 liter vatten per minut från Nilen till närliggande bomullsfält. Även om första världskriget , och upptäckten av billig olja på 1930-talet, förhindrade solenergins vidare framsteg, återupplivades Schumanns vision och grundläggande design på 1970-talet med en ny våg av intresse för solvärmeenergi [19] . 1916 citerade pressen ofta Schumann som försvarade användningen av solenergi:
Vi har bevisat att användningen av solenergi kan vara kommersiellt gångbar i tropikerna, och ännu mer än så har vi bevisat att efter uttömningen av olje- och kolreserverna kommer mänskligheten att få en outtömlig energikälla i form av solljus.
Originaltext (engelska)[ visaDölj] Vi har bevisat den kommersiella vinsten av solkraft i tropikerna och har mer specifikt bevisat att efter att våra förråd av olja och kol är uttömda kan mänskligheten få obegränsad kraft från solens strålar.
40
Frank Schumann
New York Times, 2 juli 1916 [20]
På låga geografiska breddgrader (under 40 grader) kan 60 till 70 % av allt tappvarmvatten med temperaturer upp till 60 °C tillhandahållas av solvärmesystem [21] . De vanligaste typerna av solvärmare är: vakuumrörsfångare (44 %) och plattkollektorer (34 %), som vanligtvis används för uppvärmning av tappvarmvatten; samt genomskinliga plastuppsamlare (21 %), som främst används för att värma simbassänger [22] .
Från och med 2007 var den totala installerade kapaciteten för solvärmesystem cirka 154 termisk GW. [23] Kina är världsledande inom detta område, efter att ha installerat 70 GW termisk effekt från och med 2006 och siktar på att nå 210 GW termisk effekt år 2020 [24] . Israel och Republiken Cypern är världsledande när det gäller användning av solenergisystem för vattenuppvärmning per capita, med 90 % av hushållen som har dem installerade [25] . I USA, Kanada och Australien tjänar solvattenberedare främst för att värma pooler, med en installerad kapacitet från 2005 på cirka 18 GW termisk [16] .
I USA står 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 [26] [27] . Solvärme, kyla och ventilationssystem kan användas för att kompensera en del av denna energi.
Termisk massa är vilket material som helst som kan användas för att lagra värme, särskilt solenergi. Material som kan fungera som en termisk massa inkluderar sten, cement och vatten. Genom historien har de använts i torra eller varma klimat för att hålla rummen svala eftersom de absorberar solenergi under dagen och frigör lagrad värme på natten. Men de kan också användas i svala områden för att hålla värmen. Storleken och placeringen av den termiska massan beror på flera faktorer, såsom klimat, förhållandet mellan solexponeringstid och skuggexponering. Om den är rätt placerad håller den termiska massan rumstemperaturen inom ett bekvämt område och minskar behovet av ytterligare värme- och kylanordningar [28] .
En solskorsten (eller termisk skorsten, i detta sammanhang) är ett passivt solventilationssystem som består av ett vertikalt schakt som förbinder insidan och utsidan av en byggnad. Om skorstenen värms upp värms även luften inuti, vilket orsakar ettsom drar luft genom husetDess prestanda kan förbättras genom att använda ogenomskinliga material och termisk massa [29] på ett sätt som liknar ett växthus.
Lövfällande växter har föreslagits som ett sätt att kontrollera solvärme och kyla. Om de växer på södra sidan av en byggnad på norra halvklotet, eller norra sidan av en byggnad på södra halvklotet, ger deras löv skugga under sommaren, medan de kala stammarna släpper in solens strålar utan hinder på vintern [ 30] .
Solugnar använder solljus för matlagning, torkning och pastörisering . De kan delas in i tre breda kategorier: kammarugnar ( engelska box cookers ), panelugnar ( engelska panel cookers ) och reflekterande ugnar ( engelska reflector cookers ) [31] . Den enklaste solugnen är kammarugnen, som först byggdes av Horace Benedict de Saussure 1767 [32] . En enkel kammarugn består av en isolerad behållare med ett genomskinligt lock. Den kan användas effektivt i delvis molnig himmel och når vanligtvis temperaturer på 90-150°C [33] . Panelugnen använder en reflekterande panel för att rikta solens strålar mot en isolerad behållare och nå en temperatur som är jämförbar med den i en kammarugn. Reflektorugnar använder olika reflektorgeometrier (skål, tråg, Fresnel-speglar ) för att fokusera strålar på en behållare. Dessa ugnar når temperaturer på 315°C, men kräver en direkt stråle och måste flyttas om när solen ändrar position [34] .
Solkoncentreringssystem som paraboliska skålar, tråg och Scheffler-reflektorer kan ge processvärme för kommersiella och industriella applikationer. Det första kommersiella systemet var Total Solar Energy Project i Shenandoah, Georgia, USA, där ett fält med 114 paraboliska brickor stod för 50 % av processvärme, luftventilation och strömbehov för en klädesfabrik. Detta nätanslutna kraftvärmeverk gav 400 kW elektricitet samt termisk energi i form av 401 watt ånga och 468 kW kylt vatten och gav värmelager med en ettårig topplast [35] . Indunstningsdammar är grunda bassänger som koncentrerar de fasta partiklarna lösta i vatten med hjälp av avdunstning . Att använda avdunstningsdammar för att utvinna salt ur havsvatten är en av de äldsta användningsområdena för solenergi. Moderna tillämpningar inkluderar: öka koncentrationen av salter i utvinningen av metaller genom urlakning , samt avlägsnande av fasta ämnen från avloppsvatten [36] . Med sladdar , torktumlare och galgar torkar tvätten under avdunstningsprocessen under påverkan av vind och solljus utan förbrukning av el och gas. Vissa statliga lagar skyddar till och med specifikt "rätten att torka" kläder . Oglaserade transpirerade kollektorer ( UTC ) är perforerade väggar ("kollektorvägg") riktade mot solen, som används för att förvärma ventilationsluft. UTC kan höja inloppsluftens temperatur till 22°C (40°F) och ge en utgående lufttemperatur på 45°C (81°F) - 60°C (108°F) . [38] Den korta återbetalningstiden (3 till 12 år) gör insamlare ekonomiskt mer lönsamma än glasade insamlingssystem [38] . Från och med 2003 installerades mer än 80 system med en total uppsamlararea på 35 000 m2 över hela världen, inklusive en 860 m2 uppsamlare i Costa Rica för torkning av kaffebönor och en 1300 m2 uppsamlare i Coimbatore (Indien) för torkning av ringblommor [39 ] .
Solavsaltning kan användas för att förvandla salt eller bräckt vatten till dricksvatten. För första gången registrerades ett exempel på en sådan omvandling av arabiska alkemister från 1500-talet [40] . Det första storskaliga solavsaltningsprojektet byggdes 1872 i den chilenska gruvstaden Las Salinas [41] . Anläggningen, som hade en solfångararea på 4700 m2, kunde producera upp till 22 700 liter dricksvatten och förblev i drift i 40 år [41] . Specialdesignade fasta element inkluderar enkel lutning, dubbel lutning (växthus eller standard), vertikala, koniska, inverterade absorbenter, multiwick och multipla effekter. . [40] . Dessa vattentillverkare kan arbeta i passivt, aktivt och hybridläge. Dubbellutande enheter är mest kostnadseffektiva för decentraliserade hushållsbehov, medan aktiva multipeleffektenheter är mer lämpade för storskaliga projekt [40] .
För soldesinfektion hälls vatten i transparenta PET-flaskor och placeras i solljus i flera timmar [42] . Desinfektionstiden beror på klimat och väderförhållanden, minst 6 timmar till 2 dagar om himlen är helt täckt av moln [43] . Denna metod har rekommenderats av Världshälsoorganisationen som en prisvärd metod för rening av hushållsvatten och säker lagring [44] . Mer än 2 miljoner människor i utvecklingsländer använder denna metod varje dag för att behandla sitt dricksvatten [43] .
Solenergi kan användas i sättningsdammar för att behandla avloppsvatten utan användning av kemikalier och energikostnader. En annan miljövinst är att alger lever i sådana dammar och konsumerar koldioxid genom fotosyntes, även om de kan producera giftiga ämnen som gör vattnet olämpligt för konsumtion [45] [46] .
Solenergi fungerar genom att omvandla solljus till elektricitet . Detta kan ske antingen direkt, med hjälp av solceller eller indirekt, med hjälp av koncentrerade solenergisystem , där linser och speglar samlar solljus från ett stort område till en tunn stråle, och en spårningsmekanism spårar solens position. Solceller omvandlar ljus till elektrisk ström med hjälp av den fotoelektriska effekten .
Det antas att solenergi kommer att bli den största elkällan år 2050, där solceller och koncentrerad solenergi kommer att stå för 16 respektive 11 % av världens elproduktion [47] .
Kommersiella kraftverk som använder koncentrerad solenergi dök upp först på 1980-talet. Efter 1985 blev en SEGS- installation på 354 MW denna typ i Mojaveöknen det största solkraftverket i världen. Andra solkraftverk av denna typ inkluderar SPP Solnova (150 MW) och SPP Andasol (100 MW), båda i Spanien. Bland de största solkraftverken : Agua Caliente Solar Project (250 MW) i USA och Charanka Solar Park (221 MW) i Indien . Projekt över 1 GW är under utveckling, men de flesta solcellsinstallationer upp till 5 kW är små och takterrass. Från och med 2013 stod solenergi för mindre än 1 % av elektriciteten i det globala nätet [48] .
Närvaron av solljus har påverkat utformningen av byggnader från början av arkitekturhistorien [50] . Avancerade metoder för solararkitektur och stadsplanering introducerades först av de gamla grekerna och kineserna, som orienterade sina hus söderut för att förse dem med ljus och värme [51] .
Gemensamma kännetecken för solararkitektur byggnader i förhållande till solen, kompakta proportioner (lågt förhållande mellan ytarea och volym), selektiv skuggning (kapell) termisk massa50När dessa egenskaper är väl anpassade till det lokala klimatet ger det bra belysning och gör att du kan hålla dig inom ett behagligt temperaturområde. Sokrates megaronhus är ett klassiskt exempel på passiv solararkitektur [50] . datorsimuleringar som kopplar samman dagsljusbelysning såväl som solvärme- och ventilationssystem, till ett integrerat solcellsdesignpaket [ 52] Aktiv solenergiutrustning som pumpar, fläktar och omkopplingsbara fönster kan komplettera en passiv design och förbättra systemets prestanda.
En urban värmeö (UHE) är en tätort där temperaturen är högre än i de omgivande landsbygdsområdena. Temperaturökningen är en följd av användningen av material som asfalt och betong, som absorberar solinstrålning bättre, eftersom de har lägre albedo och högre värmekapacitet än i miljön. För att direkt motverka effekten målas byggnader vita och träd planteras på gatorna. Enligt utformningen av ett hypotetiskt "cool communities"-program i Los Angeles , med dessa metoder, kan stadens temperatur sänkas med cirka 3 °C. Projektkostnaden uppskattas till 1 miljard USD, och den totala årliga nyttan kan bli 530 miljoner USD på grund av minskade ventilations- och hälsokostnader [53] .
Jordbruk och trädgårdsodling letar efter sätt att optimera absorptionen av solenergi för att öka växternas produktivitet.
Växthuset förvandlar solljus till värme, vilket möjliggör odling året runt av växter som inte är naturligt anpassade till detta klimat. De enklaste växthusen användes under romartiden för att odla gurkor året runt åt kejsar Tiberius [54] . Modernt I Europa på 1500-talet dök det upp växthus för att odla växter från forskningsresor [55] .
![]() | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
|
Sol | ||
---|---|---|
Strukturera | ![]() | |
Atmosfär | ||
Utökad struktur | ||
Fenomen relaterade till solen | ||
Relaterade ämnen | ||
Spektralklass : G2 |