Солнечная энергия – энергия, получаемая от солнечного излучения, радиации, исходящей от Солнца, которую использует ряд технологий, такие как выработка электроэнергии, солнечная тепловая энергия (включая солнечный нагрев воды) и солнечная архитектура. Это важнейший источник возобновляемой энергии, и его технологии широко используют для улавливания и распределения солнечной энергии и преобразования ее в электроэнергию.
Улавливание солнечной энергии возможно при помощи фотоэлектрических систем, солнечных панелей.
Развитие доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии имеет огромные долгосрочные выгоды. Это повышает энергетическую безопасность стран за счет опоры на местный, неисчерпаемый и в основном независимый от импорта ресурс, повышает устойчивость, уменьшает загрязнение, снижает затраты на смягчение последствий глобального потепления. Эти преимущества носят глобальный характер.
Потенциал солнечной энергетики
Около половины поступающей солнечной энергии достигает поверхности Земли. Теоретическая площадь достаточна для обеспечения общей мировой потребности в энергии в 18 ТВт солнечной энергией. Приблизительно 30% отражается обратно в космос, а остальная часть поглощается облаками, океанами и массами суши.
Солнечная радиация поглощается поверхностью суши Земли, океанами, которые покрывают около 71% земного шара, и атмосферой. Теплый воздух, содержащий испарившуюся воду из океанов, поднимается вверх, вызывая атмосферную циркуляцию или конвекцию. Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака, которые выпадают на поверхность Земли, завершая круговорот воды. Скрытая теплота конденсации воды усиливает это, вызывая атмосферные явления, такие как ветер, циклоны и антициклоны. Солнечный свет, поглощаемый океанами и сушей, поддерживает на поверхности среднюю температуру 14 °C. Посредством фотосинтеза зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химически запасенную энергию, которая производит пищу, древесину и биомассу, из которой получают ископаемое топливо.
Потенциальная солнечная энергия, которая может быть использована людьми, отличается от количества солнечной энергии, присутствующей у поверхности планеты. Такие факторы, как география, изменение времени, облачный покров и земля, доступная людям, ограничивают количество солнечной энергии, которую мы можем приобрести.
Области применения солнечной энергии
Тепловая энергия
Солнечные тепловые технологии могут использоваться для нагрева воды, отопления и охлаждения помещений и выработки технологического тепла.
В 1878 году на Всемирной выставке в Париже Огюстен Мушо успешно продемонстрировал солнечный паровой двигатель, но не смог продолжить разработку из-за дешевого угля и других факторов.
В 1897 году Фрэнк Шуман, американский изобретатель, инженер и пионер солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель. Он работал, отражая солнечную энергию на квадратных коробках, заполненных эфиром, который имеет более низкую температуру кипения, чем вода. Он был оснащен внутри черными трубами, которые, в свою очередь, приводили в действие паровой двигатель.
В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company с целью строительства более крупных солнечных электростанций.
Первая в мире солнечная тепловая электростанция была построена в Египте в 1912-1913 годах.
Нагрев воды
Солнечные системы горячего водоснабжения используют солнечный свет для нагрева воды. В средних географических широтах (между 40 градусами северной широты и 40 градусами южной широты) от 60 до 70% потребления горячей воды для бытовых нужд с температурой воды до 60 °C может быть обеспечено солнечными системами отопления.
Израиль и Кипр являются лидерами на душу населения по использованию солнечных систем горячего водоснабжения, причем более 90% домов используют их. В Соединенных Штатах, Канаде и Австралии подогрев плавательных бассейнов является доминирующим применением солнечной горячей воды.
Отопление, охлаждение и вентиляция
В Соединенных Штатах на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха приходится 30% энергии, используемой в коммерческих зданиях, и почти 50% энергии, используемой в жилых зданиях.
Солнечные технологии отопления, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Существуют специальные материалы, которые можно использовать для хранения тепла — тепла от Солнца в случае солнечной энергии. К распространенным материалам относятся камень, цемент и вода.
Исторически сложилось так, что они использовались в засушливом климате или теплых умеренных регионах для охлаждения зданий, поглощая солнечную энергию в течение дня и излучая накопленное тепло в более прохладный воздух ночью. Тем не менее, их можно использовать в холодных умеренных районах для поддержания тепла. При правильном использовании они поддерживают температуру в помещении в комфортном диапазоне и снижают потребность во вспомогательном отопительном и охлаждающем оборудовании.
Готовка
Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации. Они могут эффективно использоваться при частично пасмурном небе и обычно достигать температуры 90–150 °C.
Технологическое тепло
Солнечные концентрирующие технологии могут обеспечить технологическое тепло для коммерческого и промышленного применения.
Водоподготовка
Солнечная дистилляция может быть использована для того, чтобы сделать соленую или солоноватую воду пригодной для питья.
Солнечная дезинфекция воды включает в себя воздействие солнечного света на заполненные водой пластиковые бутылки из полиэтилентерефталата (ПЭТ) в течение нескольких часов. Время воздействия варьируется в зависимости от погоды и климата от минимум шести часов до двух дней в условиях полной облачности. Он рекомендован Всемирной организацией здравоохранения как жизнеспособный метод очистки и безопасного хранения воды в домашних условиях. Более двух миллионов человек в развивающихся странах используют этот метод для ежедневного питья воды.
Солнечная энергия может быть использована в пруду для стабилизации воды для очистки сточных вод без химикатов или электричества. Еще одним экологическим преимуществом является то, что водоросли растут в таких прудах и потребляют углекислый газ в процессе фотосинтеза, хотя водоросли могут производить токсичные химические вещества, которые делают воду непригодной для использования.
Производство электроэнергии
Солнечная энергетика – это преобразование энергии солнечного света в электричество, либо напрямую с использованием фотоэлектрических элементов (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии.
Фотоэлектрические элементы преобразуют свет в электрический ток, используя фотоэлектрический эффект. Концентрированные солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала, чтобы сфокусировать большую площадь солнечного света в горячей точке.
Фотогальваника первоначально использовалась исключительно в качестве источника электроэнергии для малых и средних объектов, работающего от одного солнечного элемента, до удаленных домов, питаемых автономной фотоэлектрической системой на крыше. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. С тех пор, когда стоимость солнечной электроэнергии упала, солнечные фотоэлектрические системы, подключенные к сети, стали активно расти в числе установок. Продолжают строиться миллионы установок и фотоэлектрических электростанций гигаваттного масштаба, причем половина новых генерирующих мощностей в ближайшем будущем будет приходиться на солнечную энергию.
В 2022 году солнечная энергия произвела 4,5% мировой электроэнергии. Наряду с ветрогенераторами, в большинстве стран самой дешевой нормированной стоимостью электроэнергии для новых установок является солнечная энергия коммунального масштаба. Почти половина солнечной энергии, установленной в 2022 году, приходится на крыши. Дополнительная низкоуглеродная энергия, такая как солнечная, была рекомендована в рамках плана по ограничению изменения климата, но Международное энергетическое агентство заявило в 2022 году, что необходимы дополнительные усилия для интеграции сети и смягчения проблем политики, регулирования и финансирования.
Архитектура и солнечные дома
Солнечный свет влиял на дизайн зданий с самого начала истории архитектуры. Передовые методы солнечной архитектуры и городского планирования были впервые использованы греками и китайцами, которые ориентировали свои здания на юг, чтобы обеспечить свет и тепло.
Самые последние подходы к солнечному проектированию используют компьютерное моделирование, связывающее воедино системы солнечного освещения, отопления и вентиляции в интегрированном пакете солнечного дизайна. Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и переключаемые окна, может дополнить пассивную конструкцию и повысить производительность системы.
Сельское хозяйство и садоводство
Сельское хозяйство и садоводство стремятся оптимизировать улавливание солнечной энергии для оптимизации продуктивности растений. Такие методы, как временные циклы посадки, индивидуальная ориентация рядов, ступенчатая высота между рядами и смешивание сортов растений, могут повысить урожайность сельскохозяйственных культур.
Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве, помимо выращивания сельскохозяйственных культур, включает перекачку воды, сушку сельскохозяйственных культур, высиживание цыплят. Совсем недавно эта технология была принята виноделами, которые используют энергию, генерируемую солнечными батареями, для питания виноградных прессов.
Теплицы преобразуют солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное производство и выращивание (в закрытых помещениях) специальных культур и других растений, не подходящих для местного климата. Теплицы и сегодня остаются важной частью садоводства.
Транспорт
Разработка автомобиля на солнечных батареях была инженерной целью с 1980-х годов.
В некоторых автомобилях используются солнечные батареи для вспомогательного питания, например, для кондиционирования воздуха, чтобы поддерживать прохладу в салоне, тем самым снижая расход топлива.
Позже стали появляться пассажирские лодки с фотоэлектрическими панелями, беспилотные самолеты, работающие на солнечной энергии и многие другие инновации.
