Solarenergie

In diesem Artikel geht es um strahlendes Licht und Wärme aus der Sonne, die mit einer Reihe von Technologien genutzt wird. Weitere Informationen zur Erzeugung von Strom unter Verwendung von Sonnenenergie finden Sie unter Solarenergie. Für das akademische Journal siehe Solarenergie (Journal).
Die Quelle der Solarenergie: die Sonne

Solarenergie ist strahlend hell und Wärme von dem Sonne das wird unter Verwendung einer Reihe von Technologien wie z. Solarenergie generieren Elektrizität, Solar -Wärmeenergie (einschließlich Sonnenwasserheizung), und Solararchitektur.[1][2]

Es ist eine wesentliche Quelle von erneuerbare Energieund seine Technologien sind allgemein als beide charakterisiert Passive Solar oder aktives Solar, je nachdem, wie sie Solarenergie erfassen und verteilen oder sie in Solarenergie umwandeln. Aktive Solartechniken umfassen die Verwendung von Photovoltaiksysteme, Konzentrierte solarenergieund Sonnenwasserheizung, um die Energie zu nutzen. Zu den passiven Solartechniken gehört die Ausrichtung eines Gebäudes an der Sonne, die Auswahl von Materialien mit günstig thermische Masse oder lichtdispersinghaltige Eigenschaften und Entwerfen von Räumen, die Natürlich zirkulieren Luft.

Die große Größe der verfügbaren Solarenergie macht es zu einer höchst ansprechenden Stromquelle. Solarenergie ist seit 2021 billiger als fossile Brennstoffe.[3][4]

Im Jahr 2011 die Internationale Energieagentur Sagte, dass "die Entwicklung erschwinglicher, unerschöpflicher und sauberer Solarenergie-Technologien enorme längerfristige Vorteile haben wird. Sie wird die Länder erhöhen" Energiesicherheit Durch die Abhängigkeit von einer einheimischen, unerschöpflichen und meist importunabhängigen Ressource, erhöhen Sie sich Nachhaltigkeit, reduzieren Umweltverschmutzung, senken die Kosten von mildernde globale Erwärmung .... Diese Vorteile sind global. ".[1]

Potenzial

Weitere Informationen: Sonnenstrahlung
Etwa die Hälfte der eingehenden Sonnenenergie erreicht die Erdoberfläche.
Durchschnitt Absolation. Der theoretische Bereich der kleinen schwarzen Punkte reicht aus, um die zu liefern Die Gesamtbedürfnisse der Welt der Welt von 18 TW mit Sonnenkraft.

Die Erde erhält 174Petawatt (PW) der eingehenden Sonnenstrahlung (Absolation) am oberen Atmosphäre.[5] Ungefähr 30% werden wieder in den Weltraum reflektiert, während der Rest, 122 PW, von Wolken, Ozeanen und Landmassen absorbiert wird. Das Spektrum von Sonnenlicht an der Erdoberfläche wird größtenteils über die verteilt sichtbar und Nah-Infrarot Bereiche mit einem kleinen Teil der Near-Ultraviolett.[6] Der größte Teil der Weltbevölkerung lebt in Gebieten mit einer Unverlasungsniveau von 150 bis 300 Watt/m2oder 3,5–7,0 kwh/m2 pro Tag.[7]

Die Sonnenstrahlung wird von der Erdoberfläche der Erde absorbiert, Ozeane - die etwa 71% der Welt abdecken - und die Atmosphäre. Warme Luft, die verdampftes Wasser aus den Ozeanen enthält, steigt und verursacht Atmosphärische Zirkulation oder Konvektion. Wenn die Luft eine hohe Höhe erreicht, in der die Temperatur niedrig ist, kondensiert Wasserdampf in Wolken, die auf die Erdoberfläche regnen, und vervollständigt die Wasserkreislauf. Das latente Hitze der Wasserkondensation verstärkt die Konvektion und erzeugt atmosphärische Phänomene wie Wind, Zyklone und Antizyklone.[8] Das von den Ozeanen und Landmassen absorbierte Sonnenlicht hält die Oberfläche bei einer durchschnittlichen Temperatur von 14 ° C.[9] Durch Photosynthese, grüne Pflanzen wandeln Sonnenenergie in chemisch gespeicherte Energie um, die Lebensmittel, Holz und die produziert Biomasse von denen fossile Brennstoffe abgeleitet werden.[10]

Die gesamte Sonnenenergie, die von der Erdatmosphäre, Ozeane und Landmassen absorbiert wird, beträgt ungefähr 122 pW · Jahr = 3.850.000Exajoule (EJ) pro Jahr.[11] Im Jahr 2002 (2019) war dies mehr Energie in einer Stunde (eine Stunde und 25 Minuten) als die Welt in einem Jahr.[12][13] Die Photosynthese fängt in Biomasse ungefähr 3.000 EJ pro Jahr ein.[14]

Jährliche Sonnenfluss und menschlicher Konsum1
Solar 3.850.000 [11]
Wind 2.250 [15]
Biomassepotential ~ 200 [16]
Primärergieverbrauch2 633 [17]
Elektrizität2 ~ 86 [18]
1 Energie gegeben in Exajoule (Ej) = 1018 J = 278 Twh 
2 Verbrauch zum Jahr 2019

Die potenzielle Sonnenenergie, die vom Menschen verwendet werden könnte, unterscheidet sich von der Menge der Sonnenenergie, die in der Nähe der Oberfläche des Planeten vorhanden ist kann erwerben. Im Jahr 2021, Carbon Tracker -Initiative Schätzungsweise die Landfläche, die erforderlich ist, um alle unsere Energie allein aus Solar zu erzeugen, betrug 450.000 km2 - oder ungefähr das gleiche wie der Bereich von Schwedenoder der Bereich von Marokkooder der Bereich von Kalifornien (0,3% der gesamten Landfläche der Erde).[19]

Die Geographie beeinflusst das Solarenergiepotential, da Bereiche, die näher an der sind Äquator haben eine höhere Menge an Sonnenstrahlung. Die Verwendung von jedoch Photovoltaik Dies kann der Position der Sonne folgen, die das Solarenergiepotential in Bereichen, die weiter vom Äquator entfernt sind, erheblich erhöhen.[20] Zeitvariation wirkt sich auf das Potenzial der Sonnenenergie aus Solarplatten absorbieren. Dies begrenzt die Energiemenge, die Sonnenkollektoren an einem Tag aufnehmen können. Wolkendecke Kann das Potenzial von Sonnenkollektoren beeinflussen, da Wolken eingehende Licht aus der Sonne blockieren und das für Solarzellen verfügbare Licht verringern.

Außerdem wirkt sich die Verfügbarkeit von Land in der verfügbaren Sonnenenergie stark aus, da Sonnenkollektoren nur auf Land eingerichtet werden können, das ansonsten nicht genutzt und für Sonnenkollektoren geeignet ist. Dächer sind ein geeigneter Ort für Solarzellen, da viele Menschen entdeckt haben, dass sie auf diese Weise Energie direkt aus ihren Häusern sammeln können. Andere Bereiche, die für Solarzellen geeignet sind, sind Länder, die nicht für Unternehmen verwendet werden, in denen Solaranlagen festgelegt werden können.[20]

Solartechnologien werden je nach der Art und Weise, wie sie das Sonnenlicht erfassen, konvertieren und verteilen, entweder als passiv oder aktiv gekennzeichnet und ermöglichen es, dass die Sonnenenergie auf verschiedenen Ebenen auf der ganzen Welt genutzt werden kann, hauptsächlich abhängig von der Entfernung vom Äquator. Obwohl sich Sonnenenergie hauptsächlich auf die Verwendung von Sonnenstrahlung für praktische Enden bezieht, alle erneuerbaren Energien, außer dass Geothermie und Gezeitenkraftleiten ihre Energie entweder direkt oder indirekt von der Sonne ab.

Aktive Sonnentechniken verwenden Photovoltaik, Konzentrierte solarenergie, Solar -Wärmesammler, Pumpen und Lüfter, um Sonnenlicht in nützliche Ausgänge umzuwandeln. Zu den passiven Solartechniken gehören die Auswahl von Materialien mit günstigen thermischen Eigenschaften, das Entwerfen von Räumen, die auf natürliche Weise Luft zirkulieren, und das Verweisen auf die Position eines Gebäudes zur Sonne. Aktive Solartechnologien erhöhen die Energieversorgung und werden berücksichtigt Angebotsseite Technologien reduzieren zwar passive Solartechnologien die Notwendigkeit alternativer Ressourcen und gelten im Allgemeinen als Nachfragetechnologien.[21]

Im Jahr 2000 die Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen, UN -Abteilung für wirtschaftliche und soziale Angelegenheiten, und World Energy Council veröffentlichte eine Schätzung der potenziellen Sonnenenergie, die jedes Jahr von Menschen genutzt werden könnte, die Faktoren wie Unmotor, Wolkendecke und das von Menschen verwendbare Land berücksichtigt. Die Schätzung ergab, dass Solarenergie ein globales Potenzial von 1.600 bis 49.800 Exajoule (4,4) hat×1014 bis 1,4×1016kWh) pro Jahr (siehe Tabelle unten).[20]

Jährliches Solarenergiepotential nach Region (Exajoule) [20]
Region Nordamerika Lateinamerika und Karibik Westeuropa Zentral-und Osteuropa Die frühere Sowjetunion Mittlerer Osten und Nordafrika Afrika südlich der Sahara Pazifischer Asien Südasien Zentral geplanter Asien Pacific 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 7.410 3.385 914 154 8.655 11.060 9.528 994 1,339 4,135 2.263
Notiz:
  • Die gesamte globale jährliche Sonnenenergiepotential beträgt 1.575 EJ (minimal) bis 49.837 EJ (maximal)
  • Die Daten spiegeln die Annahmen der jährlichen Clear Sky -Bestrahlungsanstrengung, der jährlichen durchschnittlichen Himmelsfreigabe und der verfügbaren Landfläche wider. Alle Figuren in Exajoule.

Quantitative Beziehung des globalen Sonnenpotentials gegen die der Welt Primärergieverbrauch:

  • Verhältnis von Potenzial zu aktuellem Verbrauch (402 EJ) ab Jahr: 3,9 (Minimum) bis 124 (maximal)
  • Verhältnis des Potentials gegenüber dem projizierten Verbrauch bis 2050 (590–1.050 EJ): 1,5–2,7 (mindestens) bis 47–84 (maximal)
  • Verhältnis des Potentials gegenüber dem projizierten Verbrauch von 2100 (880–1.900 EJ): 0,8–1,8 (Minimum) bis 26–57 (maximal)

Quelle: Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen - World Energy Assessment (2000)[20]

Wärmeenergie

Hauptartikel: Solar -Wärmeenergie

Solar -Wärmeleittechnologien können für Wasserheizung, Weltraumheizung, Raumkühlung und Prozesswärmeerzeugung verwendet werden.[22]

Frühe kommerzielle Anpassung

1878 bei der universellen Darstellung in Paris, Augustin Mouchot erfolgreich einen Solardampfmotor demonstrierte, konnte jedoch aufgrund billiger Kohle und anderer Faktoren nicht weiterentwickelt werden.

1917 Patentzeichnung von Shumans Solarsammler

Im Jahr 1897, Frank Shuman, ein US -Erfinder, Ingenieur und Solarenergie -Pionier baute einen kleinen Demonstrations -Solarmotor, der mit der mit Äther gefüllten Solarenergie auf quadratische Kisten reflektiert wurde, die einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser aufweist und intern mit schwarzen Rohren ausgestattet war, was wiederum einen Dampf antrat. Motor. 1908 gründete Shuman die Sun Power Company mit der Absicht, größere Solarenkraftwerke zu bauen. Er zusammen mit seinem technischen Berater A.S.E. Ackermann und britischer Physiker Sir Charles Vernon Boysentwickelte ein verbessertes System mit Spiegeln, um Solarenergie bei Kollektorboxen zu reflektieren, und erhöhte die Heizkapazität soweit, dass Wasser jetzt anstelle von Äther verwendet werden kann. Shuman baute daraufhin einen vollwertigen Dampfmotor, der mit niedrigem Druck Wasser angetrieben wurde, sodass er bis 1912 das gesamte Solarmotorsystem patentieren konnte.

Shuman baute den ersten der Welt Solar -Wärmekraftwerk in Maadi, Ägyptenzwischen 1912 und 1913. Seine Pflanze benutzte parabolische Tätigkeiten 45–52 Kilowatt (60–70) mit Strom versorgenHP) Motor, der mehr als 22.000 Liter (4.800 IMP -GAL; 5.800 US -GAL) Wasser pro Minute von der gepumpt hat Nil Fluss nach angrenzende Baumwollfelder. Obwohl der Ausbruch des Ersten Weltkriegs und die Entdeckung von billiges Öl In den 1930er Jahren entmutigte Shumans Vision und das grundlegende Design in den 1970er Jahren mit einer neuen Welle von Interesse an Solarthermieergie.[23] 1916 wurde Shuman in den Medien zitiert, in denen die Nutzung der Solarenergie eingesetzt wurde.

Wir haben den kommerziellen Gewinn von Sun Power in den Tropen nachgewiesen und insbesondere bewiesen, dass die menschliche Rasse, nachdem unsere Filialen von Öl und Kohle erschöpft sind, unbegrenzte Kraft von den Strahlen der Sonne erhalten kann.

-Frank Shuman, New York Times, 2. Juli 1916[24]

Wassererwärmung

Hauptartikel: Solar heißes Wasser und Sonnenkombination
Solarwarmwasserbereiter gegenüber der Sonne den Gewinn maximieren

Solar -Heißwassersysteme verwenden Sonnenlicht, um Wasser zu erhitzen. In mittleren geografischen Breiten (zwischen 40 Grad nördlich und 40 Grad südlich) können 60 bis 70% des häuslichen Wasserverbrauchs mit Wassertemperaturen bis zu 60 ° C (140 ° F) durch Sonnenheizsysteme bereitgestellt werden.[25] Die häufigsten Arten von Solarwarmwasserbereiter sind evakuierte Röhrchensammler (44%) und glasierte Flachplattensammler (34%), die im Allgemeinen für häusliches heißes Wasser verwendet werden. und unglasierte Plastiksammler (21%), die hauptsächlich zum Heizen von Schwimmbädern verwendet wurden.[26]

Ab 2015 betrug die gesamte installierte Kapazität von Solar -Hotwassersystemen ungefähr 436 Thermal- Gigawatt (GWth), und China ist weltweit führend in ihrem Einsatz mit 309 GWth Installiert, 71% des Marktes aufgenommen.[27] Israel und Zypern sind die Pro -Kopf -Führer bei der Verwendung von Sonnenwassersystemen mit über 90% der Häuser.[28] In den USA, Kanada und Australien ist Heizungspools die dominierende Anwendung von Sonnenwasser mit einer installierten Kapazität von 18 GWth Ab 2005.[21]

Heizung, Kühlung und Belüftung

Hauptartikel: Solarheizung, Thermische Masse, Solarschornstein, und Solarklimaanlage

In den Vereinigten Staaten, Heizungs-, Lüftungs-und Klimaanlagen (HVAC) -Systeme machen 30% (4,65 EJ/Jahr) der Energie aus, die in gewerblichen Gebäuden und fast 50% (10,1 EJ/Jahr) der in Wohngebäuden verwendeten Energie verwendet wird.[29][30] Die Technologien zur Erheizung, Kühlung und Lüftung können verwendet werden, um einen Teil dieser Energie auszugleichen. Die Verwendung von Solar zur Erhitzen kann ungefähr unterteilt werden in Passive Solar Konzepte und Aktive Sonnenen Konzepte, je nachdem, ob aktive Elemente wie z. Sonnenverfolgung und Solarkonzentratoroptik werden verwendet.

MIT's Solar House #1, gebaut 1939 in den USA, verwendet, verwendet Saisonaler thermischer Energiespeicher Für das ganze Jahr über Heizung.

Wärmemasse ist jedes Material, das zur Aufbewahrung von Wärme verwendet werden kann - von der Sonne bei Sonnenenergie aus der Sonne geheizt werden. Gemeinsame Wärmematerialien umfassen Stein, Zement und Wasser. Historisch gesehen wurden sie in trockenen Klimazonen oder warmen gemäßigten Regionen verwendet, um die Gebäude kühl zu halten, indem sie tagsüber Sonnenenergie absorbieren und nachts gespeicherte Wärme auf die kühlere Atmosphäre ausstrahlen. Sie können jedoch auch in kalten gemäßigten Bereichen eingesetzt werden, um die Wärme aufrechtzuerhalten. Die Größe und Platzierung der thermischen Masse hängt von mehreren Faktoren wie Klima, Tageslicht und Schattierungsbedingungen ab. Bei ordnungsgemäß eingebautem Wärmemasse hält die thermische Masse die Raumtemperaturen in einem komfortablen Bereich bei und reduziert den Bedarf an Heiz- und Kühlgeräten.[31]

A Solarschornstein (oder thermischer Schornstein in diesem Zusammenhang) ist ein passives Solarbeatmungssystem, das aus einer vertikalen Welle besteht, die das Innenraum und das Äußere eines Gebäudes verbindet. Wenn sich der Schornstein erwärmt, wird die Luft im Inneren erhitzt, was eine verursacht Aufwind Das zieht Luft durch das Gebäude. Die Leistung kann durch die Verwendung von Verglasungs- und Wärmemassenmaterialien verbessert werden[32] auf eine Weise, die Gewächshäuser nachahmt.

Laub Bäume und Pflanzen wurden als Mittel zur Kontrolle von Sonnenwärmen und Kühlung gefördert. Wenn sie auf der Südseite eines Gebäudes in der nördlichen Hemisphäre oder auf der Nordseite der südlichen Hemisphäre gepflanzt werden, bieten ihre Blätter im Sommer Schatten, während die nackten Gliedmaßen im Winter das Licht vergehen lassen.[33] Da bloße, blattlose Bäume Schatten 1/3 bis 1/2 der einfallenden Sonnenstrahlung schatten, besteht ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen der Sommerschattierung und dem entsprechenden Verlust der Winterheizung.[34] In Klimazonen mit erheblichen Heizlasten sollten Laubbäume nicht auf der Äquatorseite eines Gebäudes gepflanzt werden, da sie die Winter-Solarverfügbarkeit beeinträchtigen. Sie können jedoch auf der Ost- und Westseite eingesetzt werden, um ein gewisses Maß an Sommerschattierung zu ermöglichen, ohne den Winter merkwürdig zu beeinflussen Solargewinn.[35]

Kochen

Hauptartikel: Solarkocher
Parabolisches Gericht produziert Dampf zum Kochen, in Auroville, Indien

Solarkocher verwenden Sonnenlicht zum Kochen, Trocknen und Pasteurisierung. Sie können in drei breite Kategorien eingeteilt werden: Box -Kocher, Panel -Kocher und Reflektorkocher.[36] Der einfachste Solarkocher ist der Box -Kocher, der zum ersten Mal gebaut wurde von Horace de Saussure 1767.[37] Ein einfacher Kastenkocher besteht aus einem isolierten Behälter mit einem transparenten Deckel. Es kann effektiv mit teilweise bewölktem Himmel verwendet werden und erreicht typischerweise Temperaturen von 90–150 ° C (194–302 ° F).[38] Panel -Kocher verwenden ein reflektierendes Panel, um das Sonnenlicht auf einen isolierten Behälter zu lenken und Temperaturen zu erreichen, die mit Kastenkochern vergleichbar sind. Reflektorkocher verwenden verschiedene konzentrierende Geometrien (Schale, Trog, Fresnel -Spiegel), um sich auf einen Kochbehälter zu konzentrieren. Diese Kocher erreichen Temperaturen von 315 ° C (599 ° F) und müssen jedoch direktes Licht ordnungsgemäß funktionieren und müssen neu positioniert werden, um die Sonne zu verfolgen.[39]

Prozesswärme

Hauptartikel: Solarteich, Salzverdampfungsteich, und Solarofen

Solarkonzentrationstechnologien wie Parabolschale, Trog- und Scheffler -Reflektoren können Prozesswärme für kommerzielle und industrielle Anwendungen bereitstellen. Das erste kommerzielle System war das Solar Total Energy Project . Dieses gitterverbundene Kogenerungssystem lieferte 400 kW Strom plus Wärmeenergie in Form von 401 kW Dampf und 468 kW gekühltes Wasser und hatte eine einstündige thermische Speicher für die Spitzenlast.[40] Verdunstungsteiche sind flache Pools, die gelöste Feststoffe durch Konzentration durchführen Verdunstung. Die Verwendung von Verdunstungsteichen zum Erhalten von Salz aus Meerwasser ist eine der ältesten Anwendungen der Sonnenenergie. Zu den modernen Verwendungen gehören konzentrierende Salzlösungen, die beim Laugenabbau verwendet werden und gelöste Feststoffe aus Abfallströmen entfernt werden.[41]

Wäschelinien, Clotheshorsesund die Kleiderregale trocken Kleidung durch Verdunstung durch Wind und Sonnenlicht, ohne Strom oder Gas zu verbrauchen. In einigen Staaten der Vereinigten Staaten schützt die Gesetzgebung das "Recht auf Trocknen".[42] Unglasierte transpirierende Sammler (UTC) sind perforierte Sonnenwände, die zur Vorheizungslüftung verwendet werden. UTCs können die eingehende Lufttemperatur auf 22 ° C (40 ° F) erhöhen und Auslasstemperaturen von 45–60 ° C (113–140 ° F) liefern.[43] Die kurze Amortisationszeit der ereigneten Sammler (3 bis 12 Jahre) macht sie zu einer kostengünstigeren Alternative als glasierte Sammelsysteme.[43] Ab 2003 wurden weltweit über 80 Systeme mit einer kombinierten Kollektorfläche von 35.000 Quadratmetern (380.000 Quadratmeter) installiert, einschließlich einer 860 m2 (9.300 m²) Sammler in Costa Rica verwendet zum Trocknen von Kaffeebohnen und 1.300 m2 (14.000 m²) Sammler in Coimbatore, Indien, zum Trocknen von Ringelblumen verwendet.[44][Benötigt Update]

Wasserversorgung

Hauptartikel: Solar still, Desinfektion von Sonnenwasser, Solarentsalzung, und Entsalzungseinheit mit Solarantrieb
Desinfektion von Sonnenwasser in Indonesien

Solardestillation kann verwendet werden, um zu machen Salzlösung oder Brackwasser trinkbar. Die erste aufgezeichnete Instanz davon war von arabischen Alchemisten des 16. Jahrhunderts.[45] Ein großes Solardestillationsprojekt in großem Maßstab wurde erstmals 1872 in der gebaut chilenisch Bergbaustadt Las Salinas.[46] Die Anlage mit einer Solaransammlung von 4.700 m2 (51.000 Quadratfuß) könnten bis zu 22.700 l (5.000 IMP -GAL; 6.000 US -GAL) pro Tag produzieren und 40 Jahre lang operieren.[46] Individuell still Zu den Designs gehören Einzelanschläge, Doppelhütten (oder Gewächshaustyp), vertikal, konisch, umgekehrter Absorber, Multi-Wick und Mehrfacheffekte. Diese Standbilder können in passiven, aktiven oder hybriden Modi arbeiten. Double-Slope-Stills sind für dezentrale inländische Zwecke am wirtschaftlichsten, während aktive Mehrfach-Effekt-Einheiten für groß angelegte Anwendungen besser geeignet sind.[45]

Sonnenwasser Desinfektion (Sodis) beinhaltet die Freigabe von wasser gefülltem Plastik Polyethylen Terephthalat (PET) Flaschen bis Sonnenlicht für mehrere Stunden.[47] Die Expositionszeiten variieren je nach Wetter und Klima von mindestens sechs Stunden bis zwei Tagen bei vollständig bewölkten Bedingungen.[48] Es wird von der empfohlen Weltgesundheitsorganisation als praktikable Methode für die Wasseraufbereitung und eine sichere Lagerung.[49] Über zwei Millionen Menschen in Entwicklungsländern verwenden diese Methode für ihr tägliches Trinkwasser.[48]

Sonnenenergie kann in einem Wasserstabilisierungs -Teich zur Behandlung verwendet werden Abwasser ohne Chemikalien oder Strom. Ein weiterer Umweltvorteil ist das Algen in solchen Teichen wachsen und konsumieren Kohlendioxid In der Photosynthese können Algen zwar giftige Chemikalien produzieren, die das Wasser unbrauchbar machen.[50][51]

Geschmolzene Salztechnologie

Geschmolzenes Salz kann als verwendet werden Thermalenergiespeicher Methode zur Aufbewahrung von thermischen Energie, die von a gesammelt wird Solarturm oder Solar -Trog von a Konzentriertes Sonnenkraftwerk damit es verwendet werden kann, um bei schlechtem Wetter oder nachts Strom zu erzeugen. Es wurde in der demonstriert Solar zwei Das Projekt von 1995 bis 1999. Es wird vorausgesagt, dass das System eine jährliche Effizienz von 99%hat, ein Hinweis auf die Energie, die durch das Speichern von Wärme vor dem Umwandeln in Elektrizität aufbewahrt wird, auf die Wärme direkt in Strom umgewandelt wird.[52][53][54] Die geschmolzenen Salzmischungen variieren. Die am meisten ausgedehnte Mischung enthält Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Kalziumnitrat. Es ist nicht flammbar und ungiftig und wurde bereits in der chemischen und Metallindustrie als Wärmetransportflüssigkeit verwendet. Daher existiert Erfahrung mit solchen Systemen in nicht-Solaranwendungen.

Das Salz schmilzt bei 131 ° C (268 ° F). Es wird flüssig bei 288 ° C (550 ° F) in einem isolierten "kalten" Lagertank gehalten. Das flüssige Salz wird in einem Solarsammler durch Paneele gepumpt, wo die fokussierte Bestrahlungsstärke sie auf 566 ° C erhitzt. Es wird dann an einen heißen Lagertank gesendet. Dies ist so gut isoliert, dass die thermische Energie bis zu einer Woche nützlich gespeichert werden kann.[55]

Wenn Strom benötigt wird, wird das heiße Salz zu einem herkömmlichen Dampfgenerator gepumpt, um zu produzieren Dampf erwärmer für eine Turbine/Generator, wie sie in herkömmlichen Kohle-, Öl- oder Kernkraftwerksanlagen verwendet wird. Eine 100-Megawatt-Turbine benötigt einen Tank etwa 9,1 Meter groß und 24 Meter im Durchmesser, um ihn vier Stunden lang mit diesem Design zu fahren.

Mehrere Parabolische Trog Kraftwerke in Spanien[56] und Solar Power Tower Entwickler SolarReserve Verwenden Sie dieses thermische Energiespeicherkonzept. Das Solana Generating Station In den USA hat sechs Stunden Lagerung durch geschmolzenes Salz. Die María Elena -Pflanze[57] ist ein 400 mW thermosolarer Komplex im Norden chilenisch Region von Antofagasta Verwendung geschmolzener Salztechnologie.

Stromerzeugung

Diese Absätze sind ein Auszug aus Solarenergie.

Solarenergie ist die Umwandlung von erneuerbare Energie aus Sonnenlicht hinein Elektrizitätentweder direkt verwendet Photovoltaik (PV) indirekt verwendet Konzentrierte solarenergieoder eine Kombination. Photovoltaik-Zellen Licht in eine umwandeln elektrischer Strom Verwendung der Photovoltaik -Effekt.[58] Konzentrierte Sonnenstromsysteme verwenden Linsen oder Spiegel und Solarverfolgung Systeme, um einen großen Sonnenbereich auf einen Hot Spot zu konzentrieren, oft um a zu fahren Dampfturbine.

Photovoltaiken wurden anfangs ausschließlich als Quelle von verwendet Elektrizität für kleine und mittelgroße Anwendungen von der Taschenrechner Angetrieben von einer einzelnen Sonnenzelle zu abgelegenen Häusern, die von einem angetrieben werden nicht an Grid PV -System auf dem Dach. Kommerzielle konzentrierte Solarenkraftwerke wurden erstmals in den 1980er Jahren entwickelt. Seitdem, da die Kosten für Sonnenstrom gesunken sind, sind netzgebunden Solar -PV -Systeme haben mehr oder weniger exponentiell gewachsen. Millionen von Installationen und Gigawattskala Photovoltaik -Kraftstationen wurden und werden gebaut. Solar PV ist schnell zu lebensfähig geworden kohlenstoffarme Technologieund liefert ab 2020 die billigste Stromquelle in der Geschichte.[59]

Ab 2021 erzeugt Solar 4% des weltweiten Stroms, verglichen mit 1% im Jahr 2015, wenn die Pariser Vereinbarung zu Klimawandel begrenzen wurde unterschrieben.[60] Zusammen mit Onshore -Wind, das billigste Ebenenstufe Stromkosten ist Solar des Versorgungsmaßstabs.[61] Das Internationale Energieagentur sagte im Jahr 2021, dass Solarenergie unter seinem "Net Null bis 2050" -Szenario -Szenario etwa 20% von weltweit beitragen würde Energieverbrauchund Solar wäre die weltweit größte Stromquelle.[62]

Photovoltaik

Dieser Abschnitt ist ein Auszug aus Photovoltaik.
Das Solarabrechnung, ein nachhaltiges Wohnungsgemeinschaftsprojekt in Freiburg, Deutschland.
Photovoltaic Sudi Shade ist eine autonome und mobile Station in Frankreich, die Energie für Elektroautos mit Sonnenenergie bietet.
Solarmodule auf der Internationale Raumstation

Photovoltaik (PV) ist die Umwandlung von hell hinein Elektrizität Verwendung Halbleitermaterialien das zeigt die Photovoltaik -Effekt, ein Phänomen, das in studiert wurde Physik, Photochemie, und Elektrochemie. Der photovoltaische Effekt wird kommerziell für die Stromerzeugung und als als Photosensoren. Das Stromversorgungssystem wird kontrolliert mit Leistungselektronik.

A Photovoltaikanlage beschäftigt Solarmodule, jeweils eine Reihe von Solarzellen, die elektrische Leistung erzeugen. PV-Installationen können auf dem Boden montiert, auf dem Dach montiert, wand montiert oder schwebend sein. Die Halterung kann festgelegt werden oder a verwenden Solar Tracker der Sonne über den Himmel folgen.

Einige hoffen, dass die Photovoltaik -Technologie genug erschwinglich produziert wird nachhaltige Energie Um zu helfen, zu mildern Erderwärmung verursacht durch CO2. Solar PV hat spezifische Vorteile als Energiequelle: Nach der Installation erzeugt der Betrieb keine Umweltverschmutzung und Nein TreibhausgasemissionenEs zeigt eine einfache Skalierbarkeit in Bezug auf die Strombedürfnisse und Silizium hat eine große Verfügbarkeit in der Erdkruste, obwohl andere Materialien, die in der PV -Systemherstellung erforderlich sind, wie Silber, letztendlich ein weiteres Wachstum der Technologie einschränken werden. Andere wichtige Einschränkungen sind der Wettbewerb um Landnutzung und Mangel an Arbeit bei der Erstellung von Finanzierungsanträgen.[63] Die Verwendung von PV als Hauptquelle erfordert Energiespeicher Systeme oder globale Verteilung durch Hochspannungs-Gleichstrom Stromleitungen verursachen zusätzliche Kosten und haben auch eine Reihe anderer spezifischer Nachteile wie instabile Stromerzeugung, die ausgeglichen werden müssen. Produktion und Installation verursacht Verschmutzung und Treibhausgasemissionenobwohl nur ein Bruchteil der Emissionen durch fossile Brennstoffe verursacht.

Photovoltaiksysteme werden seit langem in spezialisierten Anwendungen als eigenständige Installationen verwendet und PV-Systeme mit Gitter verbunden sind seit den neunziger Jahren verwendet.[64] Photovoltaikmodule wurden im Jahr 2000 zum ersten Mal in Massenproduktion hergestellt, als deutsche Umweltschützer und die Euroolar Die Organisation erhielt staatliche Mittel für ein einhunderttausend Dachprogramm.[65]

Die sinkende Kosten haben es PV ermöglicht, als Energiequelle zu wachsen. Dies wurde teilweise von massiven Investitionen der chinesischen Regierung in die Entwicklung von Solarproduktionskapazitäten und seit 2000 angetrieben Skaleneffekte. Ein Großteil des Produktionspreises stammt aus der Schlüsselkomponente Polysiliciumund der größte Teil der Weltversorgung wird in China produziert, insbesondere in Xinjiang. Neben den Subventionsverbesserungen in der Fertigungstechnologie und der Effizienz haben zu den sinkenden Kosten geführt.[66][67] Fortschritte in der Technologie und der erhöhten Fertigungsskala haben auch die Effizienz von Photovoltaikinstallationen erhöht.[64][68] Net Messung und finanzielle Anreize wie bevorzugt Futterzölle Für solar erzeugte Strom haben in vielen Ländern Solar-PV-Installationen unterstützt.[69] Die Paneelpreise gingen zwischen 2004 und 2011 um einen Faktor 4 zurück. Die Modulpreise gingen um 90% der über die 2010er Jahre zurück.

Im Jahr 2019 stieg die weltweite Installation der PV -Kapazität auf mehr als 635 Gigawatt (GW) Abdeckung von ungefähr zwei Prozent der weltweiten Strombedarf.[70] Nach Hydro und Windkräfte, PV ist der dritte erneuerbare Energie Quelle in Bezug auf die globale Kapazität. 2019 die Internationale Energieagentur erwartet von 2019 bis 2024 ein Wachstum von 700–880 GW.[71] In einigen Fällen hat PV in Regionen die billigste Quelle für elektrische Leistung mit einem hohen Sonnenpotential angeboten, wobei ein Angebot für die Preisgestaltung von nur 0,01567 US $/ $ angeboten wurde.kwh in Katar im Jahr 2020.[72] Im Jahr 2020 die Internationale Energieagentur angegeben darin World Energy Outlook Das „f] oder Projekte mit kostengünstiger Finanzierung, die qualitativ hochwertige Ressourcen erschließen, ist jetzt die

Günstigste Stromquelle in der Geschichte.[73]

Konzentrierte solarenergie

Hauptartikel: Konzentrierte solarenergie

Konzentrieren von Solarleistungssystemen (CSP) verwenden Linsen oder Spiegel und Tracking -Systeme, um einen großen Sonnenbereich in einen kleinen Strahl zu fokussieren. Die konzentrierte Wärme wird dann als Wärmequelle für ein herkömmliches Kraftwerk verwendet. Es gibt eine Vielzahl von Konzentrationstechnologien; Die am weitesten entwickelten Parabol -Trog, die Solarturmsammler, der konzentrierende lineare Fresnel -Reflektor und die Stirlingschale. Verschiedene Techniken werden verwendet, um die Sonne und das Fokuslicht zu verfolgen. In all diesen Systemen a Arbeitsflüssigkeit wird durch das konzentrierte Sonnenlicht erhitzt und dann für die Stromerzeugung oder die Energiespeicherung verwendet.[74] Entwürfe müssen das Risiko von a berücksichtigen Sandsturm, Heil, oder ein anderes extremes Wetterereignis, das die feinen Glasoberflächen von Solarenkraftwerken beschädigen kann. Metallgrills würde es ermöglichen, dass ein hoher Prozentsatz an Sonnenlicht in die Spiegel und Sonnenkollektoren eindringt und gleichzeitig die meisten Schäden verhindern.

Architektur und Stadtplanung

Hauptartikel: Passives Solargebäudedesign und Urban Heat Island
Darmstadt Universität für Technologie, Deutschland, gewann die 2007 Solar Decathlon in Washington, DC damit Passivhaus Entwickelt für feuchtes und heißes subtropisches Klima.[75]

Sunlight hat seit Beginn der Architekturgeschichte das Baudesign beeinflusst.[76] Advanced Solararchitektur und städtische Planungsmethoden wurden erstmals von der verwendet Griechen und Chinesisch, der ihre Gebäude nach Süden ausgerichtet hat, um Licht und Wärme zu liefern.[77]

Die gemeinsamen Merkmale von Passive Solar Die Architektur sind Ausrichtung im Verhältnis zur Sonne, kompaktes Verhältnis (ein Verhältnis von niedriger Fläche zu Volumen), selektive Schattierung (Überhänge) und thermische Masse.[76] Wenn diese Merkmale auf das lokale Klima und die lokale Umgebung zugeschnitten sind, können sie gut beleuchtete Räume erzeugen, die in einem bequemen Temperaturbereich bleiben. Sokrates'Megaron House ist ein klassisches Beispiel für passives Solardesign.[76] Die jüngsten Ansätze für das Solardesign verwenden Computermodellierung zusammen, die zusammenbinden Sonnenbeleuchtung, Heizung und Belüftung Systeme in einem integrierten Solardesign Paket.[78] Aktive Solaranlagen wie Pumpen, Lüfter und schaltbare Fenster können das passive Design ergänzen und die Systemleistung verbessern.

Städtische Hitzeinseln (UHI) sind Metropolen mit höheren Temperaturen als die der Umgebung. Die höheren Temperaturen resultieren aus einer erhöhten Absorption von Sonnenenergie durch städtische Materialien wie Asphalt und Beton, die niedriger sind Albedos und höher Wärmekapazitäten als die in der natürlichen Umgebung. Eine einfache Methode zur Bekämpfung des UHI -Effekts besteht darin, Gebäude und Straßen weiß zu malen und Bäume in der Gegend zu pflanzen. Mit diesen Methoden hat ein hypothetisches "Cool Communities" -Programm in Los Angeles prognostiziert, dass die städtischen Temperaturen bei geschätzten Kosten von 1 Milliarde US Kosten und Einsparungen im Gesundheitswesen.[79]

Landwirtschaft und Gartenbau

Gewächshäuser Wie diese in der Westland -Gemeinde der Niederlande bauen Gemüse, Obst und Blumen an.

Landwirtschaft und Gartenbau Versuchen Sie, die Erfassung von Sonnenenergie zu optimieren, um die Produktivität von Pflanzen zu optimieren. Techniken wie zeitgesteuerte Pflanzzyklen, maßgeschneiderte Reihenorientierung, gestaffelte Höhen zwischen Reihen und das Mischen von Pflanzensorten können die Ernteerträge verbessern.[80][81] Während Sonnenlicht im Allgemeinen als reichlich Ressource angesehen wird, unterstreichen die Ausnahmen die Bedeutung von Sonnenenergie für die Landwirtschaft. Während der kurzen Anbaujahre der Kleine Eiszeit, Französisch und Englisch Die Landwirte beschäftigten Obstwände, um die Sammlung von Sonnenenergie zu maximieren. Diese Wände wirkten als thermische Massen und beschleunigte die Reifung, indem sie Pflanzen warm hielten. Frühe Obstwände wurden senkrecht zum Boden und nach Süden gebaut, aber im Laufe der Zeit wurden abfallende Wände entwickelt, um das Sonnenlicht besser zu nutzen. 1699, Nicolas Fatio de Duillier sogar vorgeschlagen mit a Tracking -Mechanismus das könnte sich drehen, um der Sonne zu folgen.[82] Anwendungen der Sonnenenergie in der Landwirtschaft, neben dem Anbau von Pflanzen, sind das Pumpen von Wasser, Trocknungspflanzen, Brutküken und Trocknungsmist.[44][83] In jüngerer Zeit wurde die Technologie von angenommen von Winzer, die die Energie nutzen, die von Sonnenkollektoren erzeugt wird, um Traubenpressen zu betreiben.[84]

Gewächshäuser Konvertieren Sie Solarlicht in Hitze, ermöglichen die ganzjährige Produktion und das Wachstum (in geschlossenen Umgebungen) von Spezialkulturen und anderen Pflanzen, die nicht für das lokale Klima geeignet sind. Primitive Gewächshäuser wurden zuerst in römischen Zeiten verwendet, um zu produzieren Gurken ganzjährig für den römischen Kaiser Tiberius.[85] Die ersten modernen Gewächshäuser wurden im 16. Jahrhundert in Europa gebaut, um exotische Pflanzen von Erkundungen im Ausland zurückzubringen.[86] Gewächshäuser bleiben heute ein wichtiger Bestandteil des Gartenbauten. Plastische transparente Materialien wurden auch verwendet, um in ähnlicher Wirkung in Polytunnel und Reihenabdeckungen.

Transport

Hauptartikel: Solarfahrzeug, Solar-aufgeladenes Fahrzeug, Elektroboot, und Sonnenballon
Gewinner des 2013 World Solar Challenge in Australien
Solar elektrisches Flugzeug Umrundung des Globus im Jahr 2015

Die Entwicklung eines solarbetriebenen Autos ist seit den 1980er Jahren ein technisches Ziel. Das World Solar Challenge ist ein halbjährliches, solarbetriebenes Auto-Rennen, bei dem Teams von Universitäten und Unternehmen über 3.021 Kilometer im gesamten Zentralaustralien von 1.877 mi antreten Darwin zu Adelaide. 1987, als es gegründet wurde, betrug die Durchschnittsgeschwindigkeit des Gewinners 67 Kilometer pro Stunde (42 Meilen pro Stunde), und 2007 hatte sich die Durchschnittsgeschwindigkeit des Gewinners auf 90,87 Kilometer pro Stunde verbessert.[87] Das Nordamerika Solar Challenge und die geplanten Südafrikanische Solarherausforderung sind vergleichbare Wettbewerbe, die ein internationales Interesse an der Ingenieurwesen und Entwicklung solarbetriebener Fahrzeuge widerspiegeln.[88][89]

Einige Fahrzeuge verwenden Sonnenkollektoren für Hilfsstrom, z. B. für die Klimaanlage, um den Innenraum kühl zu halten und so den Kraftstoffverbrauch zu verringern.[90][91]

1975 wurde das erste praktische Solarboot in England gebaut.[92] Bis 1995 erschienen Passagierboote mit PV -Panels und werden nun ausgiebig eingesetzt.[93] In 1996, Kenichi Horie machte die erste solarbetriebene Kreuzung des Pazifischen Ozeans und die Sun21 Catamaran machte im Winter 2006–2007 die erste solarbetriebene Kreuzung des Atlantikers.[94] Es gab Pläne, den Globus im Jahr 2010 umzuwandeln.[95]

1974 die Unbemannten AstroFlight Sunrise Flugzeug machte den ersten Solarflug. Am 29. April 1979 die Solarstreifer machte den ersten Flug in einer solarbetriebenen, vollständig kontrollierten, man transportierten Flugmaschine und erreichte eine Höhe von 40 m (12 m). 1980 die Gossamer Penguin machte die ersten pilotierten Flüge, die ausschließlich mit Photovoltaik angetrieben wurden. Es folgte schnell die Solar Challenger die im Juli 1981 den Ärmelkanal überquerte. 1990 Eric Scott Raymond In 21 Hops flogen Hops von Kalifornien nach North Carolina mit Solarenergie.[96] Die Entwicklungen wandten sich dann wieder unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) mit dem zu Pfadfinder (1997) und nachfolgende Entwürfe, die in der Höhe gipfeln Helios Dies stellte den Höhenrekord für ein nicht mit Rocket angetriebener Flugzeuge auf 29.524 Meter (96.864 Fuß) im Jahr 2001 auf.[97] Das Zephyr, entwickelt von BAE -Systeme, ist der neueste in einer Reihe von Rekord-Solarflugzeugen, das 2007 einen Flug von 54 Stunden unternahm, und monatelange Flüge wurden bis 2010 vorgestellt.[98] Ab 2016, Sonnenimpuls, ein elektrisches Flugzeug, ist derzeit umrundend den Globus. Es ist eine einsitzige Ebene, die von angetrieben wird Solarzellen und in der Lage, unter seiner eigenen Macht abzuheben. Das Design ermöglicht es dem Flugzeug, mehrere Tage in der Luft zu bleiben.[99]

A Sonnenballon ist ein schwarzer Ballon, der mit gewöhnlicher Luft gefüllt ist. Als Sonnenlicht auf den Ballon scheint, wird die Luft im Inneren erhitzt und ausdehnt sich, was nach oben führt Auftrieb Kraft, ähnlich wie ein künstlich erhitztes Erhitzen Heißluftballon. Einige Solarballons sind für den menschlichen Flug groß genug, aber die Verwendung ist im Allgemeinen auf den Spielzeugmarkt beschränkt, da das Verhältnis von Oberfläche zu Nutzlastgewicht relativ hoch ist.[100]

Kraftstoffproduktion

Konzentrierte Sonnenkollektoren erhalten einen Kraftschub. Nationales Labor des pazifischen Nordwestens (PNNL) wird ein neues konzentriertes Sonnenstromsystem testen - eines, das Erdgaskraftwerken helfen kann, den Kraftstoffverbrauch um bis zu 20 Prozent zu senken.[Benötigt Update]
Hauptartikel: Solarchemikalie, Sonnenbrennstoff, und Künstliche Photosynthese

Solarchemische Prozesse verwenden Solarenergie, um chemische Reaktionen voranzutreiben. Diese Prozesse setzen Energie aus, die ansonsten von einer fossilen Brennstoffquelle stammen und die Sonnenenergie auch in lagerbare und transportable Kraftstoffe umwandeln können. Solarbetische chemische Reaktionen können in thermochemische oder unterteilt werden photochemisch.[101] Eine Vielzahl von Kraftstoffen kann von produziert werden Künstliche Photosynthese.[102] Die multielektronenkatalytische Chemie, die an der Herstellung von Kraftstoffen auf Kohlenstoffbasis beteiligt ist (wie z. Methanol) aus der Reduzierung von Kohlendioxid ist herausfordernd; Eine praktikable Alternative ist Wasserstoff Die Produktion aus Protonen, obwohl die Verwendung von Wasser als Elektronenquelle (wie die Pflanzen) verwendet wird, erfordert die Beherrschung der Multielektronenoxidation von zwei Wassermolekülen zu molekularem Sauerstoff.[103] Einige haben sich bis 2050 funktionierende Solarbrennstoffanlagen in den kontaktrischen Metropolen in der Küste vorgestellt. Die Aufteilung des Meerwassers, das Wasserstoff sorgt, die durch benachbarte Kraftwerke der Kraftstoffzell-Elektroscheibe und das reine Wasser-Nebenprodukt, das direkt in das städtische Wassersystem fließt, geleitet werden kann.[104]

Wasserstoffproduktion Technologien sind seit den 1970er Jahren ein bedeutender Bereich der solaren chemischen Forschung. Neben der Elektrolyse, die durch Photovoltaik- oder photochemische Zellen angetrieben wird, wurden auch mehrere thermochemische Prozesse untersucht. Eine solche Route verwendet Konzentratoren, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff bei hohen Temperaturen (2.300–2.600 ° C oder 4.200–4.700 ° F) zu spalten.[105] Ein anderer Ansatz verwendet die Wärme von Solarkonzentratoren, um das zu fahren Dampfreformation Erdgas erhöht dadurch die Gesamtwasserstoffausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Reformmethoden.[106] Thermochemische Zyklen, die durch die Zersetzung und Regeneration von Reaktanten gekennzeichnet sind, bieten einen weiteren Weg für die Wasserstoffproduktion. Der in der Entwicklung des Solzinc -Prozesses in der Weizmann Institute of Science Verwendet einen 1 -MW -Solarofen, um sich zu zersetzen Zinkoxid (ZnO) bei Temperaturen über 1.200 ° C (2.200 ° F). Diese anfängliche Reaktion erzeugt reines Zink, das anschließend mit Wasser zur Herstellung von Wasserstoff reagiert werden kann.[107]

Energiespeichermethoden

Hauptartikel: Energiespeicher, Saisonaler thermischer Energiespeicher, Phasenwechselmaterial, Netzspeicherung der Netze, und Fahrzeug zu Gitter
Thermalenergiespeicher. Das Andasol CSP Plant verwendet Tanks aus geschmolzenem Salz, um Sonnenenergie zu speichern.

Thermische Masse Systeme können Sonnenenergie in Form von Wärme in nützlichen Temperaturen für täglich oder inland speichern Zwischensaisondauer. Wärmespeichersysteme verwenden im Allgemeinen leicht verfügbare Materialien mit hoch spezifische Wärme Kapazitäten wie Wasser, Erde und Stein. Gut gestaltete Systeme können senken SpitzenbedarfVerschiebungszeit zu Off-Peak-Stunden und reduzieren Sie die allgemeinen Heizungs- und Kühlanforderungen.[108][109]

Phasenwechselmaterialien wie z. Paraffinwachs und Glaubers Salz sind ein weiteres thermisches Speichermedium. Diese Materialien sind kostengünstig, leicht verfügbar und können im Inland nützliche Temperaturen liefern (ungefähr 64 ° C oder 147 ° F). Das "Dover House" (in Dover, Massachusetts) war der erste, der 1948 das Salzheizsystem eines Glauber verwendete.[110] Solarenergie kann auch bei hohen Temperaturen verwendet werden geschmolzene Salze. Salze sind ein effektives Lagermedium, da sie kostengünstig sind, eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweisen und bei konventionellen Stromversorgungssystemen Wärme bei Temperaturen liefern können. Das Solar zwei Das Projekt verwendete diese Methode zur Energiespeicherung, sodass sie 1.44 speichern kann Terajoule (400.000 kWh) in seinem 68 -m³ -Lagertank mit einer jährlichen Speichereffizienz von etwa 99%.[111]

Nicht an Grid PV -Systeme traditionell verwendet haben wiederaufladbare Batterien überschüssige Strom speichern. Mit gittergebundenen Systemen kann überschüssiger Strom an die Übertragung gesendet werden Netz, während Standard -Gitter -Strom verwendet werden kann, um Defiziten zu erfüllen. Net Messung Programme geben Haushaltssystemen für jeden Strom, den sie in das Netz liefern. Dies wird behandelt, indem das Messgerät zurückrollt, wenn das Haus mehr Strom erzeugt, als es verbraucht. Wenn der Nettostromverbrauch unter Null liegt, rollt das Dienstprogramm dann über den Kilowatt-Stunde-Guthaben bis zum nächsten Monat.[112] Andere Ansätze beinhalten die Verwendung von zwei Metern zur Messung von Stromverbrauch im Vergleich zu Strom. Dies ist aufgrund der erhöhten Installationskosten des zweiten Messgeräts weniger üblich. Die meisten Standardmessgeräte messen genau in beide Richtungen und machen einen zweiten Messgerät unnötig.

Hydroelektrizität gepumpt Speichert Energie in Form von Wasser, die von einem geringeren Höhenreservoir zu einer höheren Höhe erhältlich ist. Die Energie wird wiederhergestellt, wenn die Nachfrage durch Freisetzung des Wassers hoch ist, wobei die Pumpe zu einem Wasserkraftwerke wird.[113]

Entwicklung, Einsatz und Wirtschaftlichkeit

Teilnehmer an einem Workshop über nachhaltige Entwicklung inspizieren Solarmodule bei Monterrey Institut für Technologie und Hochschulbildung, Mexiko -Stadt Über ein Gebäude auf dem Campus.
Weitere Informationen: Einsatz von Solarenergie für Energiegitter
Siehe auch: Stromkosten nach Quelle und Erneuerbare Energie nach Land
Kostenentwicklung von Solar -PV -Modulen pro Watt


Beginnend mit dem Anstieg in Kohle Verwendung, der die begleitete Industrielle RevolutionDer Energieverbrauch hat sich stetig von Holz und Biomasse zu übertragen fossile Brennstoffe. Die frühe Entwicklung von Solartechnologien ab den 1860er Jahren wurde von der Erwartung getrieben, dass Kohle bald knapp werden würde. Die Entwicklung von Solartechnologien stagnierte jedoch im frühen 20. Jahrhundert angesichts der zunehmenden Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Nützlichkeit von Kohle und Nutzung Petroleum.[114]

Das 1973 Ölembargo und 1979 Energiekrise verursachte eine Umstrukturierung der Energiepolitik auf der ganzen Welt. Es lenkte wieder auf die Entwicklung von Solartechnologien.[115][116] Bereitstellungsstrategien konzentrierten sich auf Incentive -Programme wie das Federal Photovoltaic -Nutzungsprogramm in den USA und das Sunshine -Programm in Japan. Weitere Anstrengungen waren die Bildung von Forschungseinrichtungen in den USA (Seri, jetzt NREL), Japan (Nedo), und Deutschland (Fraunhofer Institute für Solarenergiesysteme ISE).[117]

In den 1890er Jahren tauchten in den Vereinigten Staaten kommerzielle Solarwarmwasserbereiter auf.[118] Diese Systeme verzeichneten zunehmend bis in die 1920er Jahre, wurden jedoch allmählich durch billigere und zuverlässigere Heizbrenne ersetzt.[119] Wie bei Photovoltaik, Sonnenwasserheizung Auf die Wiederaufmerksamkeit der Ölkrisen in den 1970er Jahren wurde die erneute Aufmerksamkeit auf sich gezogen, doch die Zinsen ließen in den 1980er Jahren aufgrund fallender Erdölpreise nach. Die Entwicklung des Solarwasserheizungssektors hat sich in den neunziger Jahren stetig fortgesetzt, und die jährlichen Wachstumsraten haben seit 1999 durchschnittlich 20%.[120] Obwohl im Allgemeinen unterschätzt, ist das Erwärmen und Abkühlen von Sonnenwasser mit Abstand die am weitesten verbreitete Solartechnologie mit einer geschätzten Kapazität von 154 GW ab 2007.[120]

Das Internationale Energieagentur hat gesagt, dass Solarenergie erhebliche Beiträge zur Lösung einiger der dringendsten Probleme leisten kann, mit denen die Welt jetzt konfrontiert ist:[1]

Die Entwicklung erschwinglicher, unerschöpflicher und sauberer Solarenergie-Technologien wird enorme längerfristige Vorteile haben. Es wird die Energiesicherheit der Länder erhöhen, indem sie sich auf eine einheimische, unerschöpfliche und meist importunabhängige Ressource verlassen, die Nachhaltigkeit verbessern, die Umweltverschmutzung verringern, die Kosten für den Minderung des Klimawandels senken und die Preise für fossile Brennstoffe niedriger halten als sonst. Diese Vorteile sind global. Daher sollten die zusätzlichen Kosten der Anreize für den frühen Einsatz als Lerninvestitionen angesehen werden. Sie müssen mit Bedacht ausgegeben werden und müssen weit verbreitet werden.[1]

Im Jahr 2011 ein Bericht von der Internationale Energieagentur fanden heraus, dass Solarenergie -Technologien wie Photovoltaik, Solar -heißes Wasser und konzentrierte Solarenergie bis 2060 ein Drittel der weltweiten Energie liefern könnten, wenn sich Politiker zur Begrenzung verpflichten Klimawandel und Übergang zu erneuerbaren Energien. Die Energie der Sonne könnte eine Schlüsselrolle bei der Entkohlenskarbonisierung der Weltwirtschaft neben Verbesserungen in spielen Energieeffizienz und Kosten auferlegen Treibhausgase Emitter. "Die Stärke von Solar ist die unglaubliche Vielfalt und Flexibilität von Anwendungen, von kleinem Maßstab bis zu großem Maßstab".[121]

Wir haben bewiesen ... dass die Menschheit, nachdem unsere Filialen von Öl und Kohle erschöpft sind, unbegrenzte Kraft von den Strahlen der Sonne erhalten kann.

-Frank Shuman, Die New York Times, 2. Juli 1916.[24]

Im Jahr 2021 Lazard schätzte die Ebenen Kosten von New Build Unsubventionisierte Versorgungsmaßstab Solarstrom mit weniger als 37 Dollar pro MWh und bestehender Kohlekraft über diesen Betrag.[3][4] In dem Bericht von 2021 heißt es auch, dass neuer Solar auch billiger war als neue Gasstrom, aber im Allgemeinen nicht bestehende Gaskraft.[4]

Aufkommende Technologien

Experimentelle Sonnenkraft

Hauptartikel: Solarenergie § Emerging Technologies

Konzentrierte Photovoltaiksysteme (CPV) verwenden Sonnenlicht für die Stromerzeugung auf Photovoltaikoberflächen. Thermoelektrischoder "thermovoltaic" -Geräte wandeln einen Temperaturunterschied zwischen unterschiedlichen Materialien in einen elektrischen Strom um.

Schwimmende Solaranordnungen

Hauptartikel: Schwimmende Sonnenen

Schwimmende Solaranordnungen sind PV -Systeme, die auf der Oberfläche von Trinkwasserreservoirs, Steinbruchseen, Bewässerungskanälen oder Sanierung und Tailing -Teichen schweben. Eine kleine Anzahl solcher Systeme gibt es in Frankreich, Indien, Japan, Südkorea, das Vereinigtes Königreich, Singapur, und die Vereinigte Staaten.[122][123][124][125][126] Die Systeme sollen Vorteile gegenüber der Photovoltaik an Land haben. Die Kosten für Land sind teurer und es gibt weniger Regeln und Vorschriften für Strukturen, die auf Wasserkörpern basieren, die nicht zur Erholung verwendet werden. Im Gegensatz zu den meisten landgestützten Solaranlagen können schwimmende Arrays unauffällig sein, da sie der öffentlichen Sicht verborgen sind. Sie erzielen höhere Effizienz als PV -Panels an Land, da Wasser die Paneele abkühlt. Die Panels haben eine spezielle Beschichtung, um Rost oder Korrosion zu verhindern.[127] Im Mai 2008 war das Far Niente Winery in Oakville, Kalifornien, das erste Floatovoltaic -System der Welt, indem sie 994 Solar -PV -Module mit einer Gesamtkapazität von 477 kW auf 130 Pontons installierte und sie auf der Bewässerung des Weinguts schwebte.[128] Schwimmende PV-Farmen im Dienstleistungsmaßstab werden gebaut. Kyocera wird die weltweit größte, eine 13,4 MW -Farm auf dem Stausee über Yamakura Dam in entwickeln Präfektur Chiba[129] mit 50.000 Sonnenkollektoren.[130][131] Salzwasserbeständige schwimmende Farmen werden ebenfalls für den Meergebrauch gebaut.[132] Das größte bisher angekündigte Floatovoltaic -Projekt ist ein 350 -MW -Kraftwerk in der Amazonasregion Brasiliens.[133]

Perovskit -Solarzellen

Dieser Abschnitt ist ein Auszug aus Perovskit -Solarzelle.

A Perovskit -Solarzelle (PSC) ist eine Art von Art von Solarzelle welches beinhaltet a Perovskit-strukturiert Verbindung, am häufigsten eine hybride organische anorganische führen oder Zinnhalogenid-basierte Material, wie die Leuchtdarden-aktive Schicht.[134][135] Perovskitmaterialien wie z. Methylammonium Blei Halogenide und All-Inorganic Cäsium-Bleihalogenid sind billig zu produzieren und einfach herzustellen.

Solarzellenwirksamkeit von Geräten im Labormaßstab, die diese Materialien verwenden, haben sich von 3,8% im Jahr 2009 erhöht[136] bis 25,7% im Jahr 2021 in Ein-Junction-Architekturen,[137][138] und in Siliziumbasis Tandemzellen bis 29,8%,[137][139] überschreitet die maximale Effizienz, die in Silizium-Solarzellen mit Einzelkreuzungen erreicht wird. Perovskit-Solarzellen waren daher seit 2016 die am schnellsten hergestellte Solartechnologie.[134] Mit dem Potenzial, noch höhere Effizienz und sehr niedrige Produktionskosten zu erzielen, sind Perovskit -Solarzellen wirtschaftlich attraktiv geworden. Zu den Kernproblemen und Forschungsthemen gehören ihre kurz- und langfristige Stabilität.[140]

Solar-unterstützte Wärmepumpe

Hauptartikel: Solar-unterstützte Wärmepumpe

A Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einer Wärmequelle zu einem Ziel namens "Kühlkörper" bietet. Wärmepumpen sollen sich bewegen Wärmeenergie Gegenüber der Richtung des spontanen Wärmeflusses durch Absorption von Wärme aus einem kalten Raum und der Freigabe auf einen wärmeren. Eine solarbetierte Wärmepumpe repräsentiert die Integration einer Wärmepumpe und Wärmeleitpaneele in einem einzigen integrierten System. Typischerweise werden diese beiden Technologien separat verwendet (oder sie nur parallel platzieren), um zu produzieren heißes Wasser.[141] In diesem System führt das Solar -Wärmefeld die Funktion der Wärmequelle mit niedriger Temperatur aus und die erzeugte Wärme wird verwendet, um den Verdampfer der Wärmepumpe zu füttern.[142] Das Ziel dieses Systems ist es, hoch zu werden POLIZIST und dann mehr Energie in einem effizient und günstigerer Weg.

Es ist möglich, jede Art von Solarthermie (Blatt und Röhrchen, Rollenbindungen, Wärmerohr, Wärmeplatten) oder zu verwenden Hybrid (Mono/Polykristalline, dünner Film) In Kombination mit der Wärmepumpe. Die Verwendung eines Hybridplatten variable Kosten vom System.

Solarflugzeug

Im Jahr 2016, Sonnenimpuls 2 war der erste solarbetriebenes Flugzeug zu vervollständigen a Umrundung der Welt.
Siehe auch: Sonnenimpuls

Ein elektrisches Flugzeug ist ein Flugzeug, das weiterläuft Elektromotoren statt Verbrennungsmotoren, mit Strom von kommt von Brennstoffzellen, Solarzellen, Ultrakapacitor, Kraftstrahl,[143] oder Batterien.

Derzeit sind fliegende bemannte elektrische Flugzeuge größtenteils experimentelle Demonstranten, obwohl viele kleine unbemannte Luftfahrzeuge werden von Batterien angetrieben. Elektrisch angetriebenes Modellflugzeug sind seit den 1970er Jahren mit einem Bericht im Jahr 1957 geflogen.[144][145] 1973 wurden die ersten elektrisch angetriebenen mobilen Flüge durchgeführt.[146] Zwischen 2015 und 2016, ein bemanntes, solarbetriebenes Flugzeug, Sonnenimpuls 2vervollständigte eine Umrundung der Erde.[147]

Siehe auch

Verweise

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