Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne, die mit einer Reihe von sich ständig weiterentwickelnden Technologien wie Solarwärme, Photovoltaik, Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzen und künstlicher Photosynthese genutzt wird.

Es ist eine wichtige Quelle erneuerbarer Energie, und seine Technologien werden weitgehend als passive oder aktive Sonnenstrahlung charakterisiert, je nachdem, wie sie Solarenergie erfassen und verteilen oder in Solarenergie umwandeln. Aktive Solartechniken umfassen den Einsatz von Photovoltaik-Systemen, konzentrierter Solarenergie und solarer Wasserheizung, um die Energie nutzbar zu machen. Passive Solartechniken umfassen die Ausrichtung eines Gebäudes auf die Sonne, die Auswahl von Materialien mit günstiger thermischer Masse oder lichtstreuenden Eigenschaften und die Gestaltung von Räumen, die die Luft auf natürliche Weise zirkulieren lassen.

Die große verfügbare Sonnenenergie macht sie zu einer sehr attraktiven Stromquelle. Das Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen in seinem Welt-Energie-Assessment aus dem Jahr 2000 ergab, dass das jährliche Potenzial von Solarenergie 1.575-49.837 Exajoules (EJ) betrug. Dies ist mehrere Male größer als der gesamte Weltenergieverbrauch, der 2012 bei 559,8 EJ lag.

Im Jahr 2011 sagte die Internationale Energieagentur, dass „die Entwicklung erschwinglicher, unerschöpflicher und sauberer Solarenergietechnologien langfristig enorme Vorteile bringen wird. Sie wird die Energiesicherheit der Länder durch die Abhängigkeit von einer einheimischen, unerschöpflichen und vor allem importunabhängigen Ressource erhöhen.“ Verbesserung der Nachhaltigkeit, Verringerung der Umweltverschmutzung, Senkung der Kosten für die Eindämmung der Erderwärmung und Senkung der Preise für fossile Brennstoffe, da die zusätzlichen Kosten der Anreize für eine frühzeitige Einführung als Lerninvestitionen betrachtet werden und sinnvoll eingesetzt werden müssen müssen weit verbreitet sein „.

Potenzial
Die Erde empfängt 174 Petawatt (PW) der einfallenden Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung) in der oberen Atmosphäre. Etwa 30% werden zurück in den Weltraum reflektiert, während der Rest von Wolken, Ozeanen und Landmassen absorbiert wird. Das Spektrum des Sonnenlichts an der Erdoberfläche ist überwiegend im sichtbaren und nahinfraroten Bereich mit einem kleinen Anteil im nahen Ultraviolett verteilt. Der Großteil der Weltbevölkerung lebt in Gebieten mit einer Sonneneinstrahlung von 150-300 Watt / m² oder 3,5-7,0 kWh / m² pro Tag.

Sonnenstrahlung wird von der Landoberfläche der Erde, den Ozeanen – die rund 71% des Globus bedecken – und der Atmosphäre absorbiert. Warme Luft mit verdunstetem Wasser aus den Ozeanen steigt auf und verursacht atmosphärische Zirkulation oder Konvektion. Wenn die Luft eine große Höhe erreicht, wo die Temperatur niedrig ist, kondensiert Wasserdampf zu Wolken, die auf die Erdoberfläche regnen und den Wasserkreislauf vervollständigen. Die latente Wärme der Wasserkondensation verstärkt die Konvektion und erzeugt atmosphärische Phänomene wie Wind, Zyklone und Antizyklone. Das von den Ozeanen und Landmassen absorbierte Sonnenlicht hält die Oberfläche bei einer Durchschnittstemperatur von 14 ° C. Durch Photosynthese wandeln grüne Pflanzen Solarenergie in chemisch gespeicherte Energie um, die Nahrung, Holz und die Biomasse erzeugt, aus der fossile Brennstoffe gewonnen werden.

Die gesamte Sonnenenergie, die von der Erdatmosphäre, den Ozeanen und den Landmassen absorbiert wird, beträgt etwa 3.850.000 Exajoule (EJ) pro Jahr. Im Jahr 2002 war das in einer Stunde mehr Energie als in einem Jahr. Die Photosynthese erfasst etwa 3.000 EJ pro Jahr in Biomasse. Die Menge an Solarenergie, die die Oberfläche des Planeten erreicht, ist so groß, dass sie in einem Jahr doppelt so viel ist wie von allen nicht erneuerbaren Ressourcen der Erde aus Kohle, Öl, Erdgas und abgebautem Uran ,

Die potentielle Sonnenenergie, die von Menschen genutzt werden könnte, unterscheidet sich von der Menge an Sonnenenergie, die in der Nähe der Oberfläche des Planeten vorhanden ist, weil Faktoren wie Geographie, Zeitschwankungen, Wolkendecke und das für den Menschen verfügbare Land die Menge an Sonnenenergie begrenzen kann erwerben.

Die Geografie beeinflusst das Potenzial der Solarenergie, da Gebiete, die näher am Äquator liegen, eine größere Menge an Sonnenstrahlung haben. Der Einsatz von Photovoltaik, die dem Sonnenstand folgen kann, kann das Potenzial der Solarenergie in Gebieten, die weiter vom Äquator entfernt sind, jedoch deutlich erhöhen. Die zeitliche Variation beeinflusst das Potenzial der Solarenergie, da in der Nacht nur wenig Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche vorhanden ist, die die Sonnenkollektoren absorbieren können. Dies begrenzt die Menge an Energie, die Sonnenkollektoren an einem Tag aufnehmen können. Wolkenbedeckung kann das Potenzial von Sonnenkollektoren beeinflussen, weil Wolken das einfallende Licht von der Sonne blockieren und das für Solarzellen verfügbare Licht reduzieren.

Darüber hinaus hat die Verfügbarkeit von Flächen einen großen Einfluss auf die verfügbare Sonnenenergie, da Solarmodule nur auf Flächen errichtet werden können, die sonst ungenutzt sind und für Sonnenkollektoren geeignet sind. Dächer haben sich als geeigneter Ort für Solarzellen erwiesen, da viele Menschen entdeckt haben, dass sie auf diese Weise Energie direkt von ihrem Zuhause sammeln können. Andere Bereiche, die für Solarzellen geeignet sind, sind Flächen, die nicht für Unternehmen genutzt werden, in denen Solaranlagen errichtet werden können.

Solartechnologien werden entweder als passiv oder als aktiv charakterisiert, je nachdem, wie sie das Sonnenlicht erfassen, umwandeln und verteilen und die Sonnenenergie auf verschiedenen Ebenen der Welt nutzbar machen, meist abhängig von der Entfernung vom Äquator. Obwohl Solarenergie in erster Linie die Nutzung der Sonnenstrahlung für praktische Zwecke betrifft, beziehen alle erneuerbaren Energien, außer Geothermie und Gezeitenkraft, ihre Energie entweder direkt oder indirekt von der Sonne.

Aktive Solartechniken nutzen Photovoltaik, konzentrierte Solarenergie, Solarthermiekollektoren, Pumpen und Ventilatoren, um Sonnenlicht in nützliche Ausgänge umzuwandeln. Passive Solartechniken umfassen die Auswahl von Materialien mit günstigen thermischen Eigenschaften, die Gestaltung von Räumen, die die Luft natürlich zirkulieren lassen, und die Bezugnahme auf die Position eines Gebäudes zur Sonne. Aktive Solartechnologien erhöhen die Energieversorgung und gelten als angebotsseitige Technologien, während passive Solartechnologien den Bedarf an alternativen Ressourcen verringern und im Allgemeinen als nachfrageseitige Technologien betrachtet werden.

Im Jahr 2000 veröffentlichten das Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen, das VN – Ministerium für Wirtschaft und Soziales und der Weltenergierat eine Schätzung der potenziellen Sonnenenergie, die jedes Jahr von Menschen genutzt werden könnte, die Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Wolkendecke und das Land, das von Menschen genutzt werden kann. Die Schätzung ergab, dass die Solarenergie ein globales Potenzial von 1.575-49.837 EJ pro Jahr hat (siehe Tabelle unten).

Wärmeenergie
Solarthermie-Technologien können für die Warmwasserbereitung, die Raumheizung, die Raumkühlung und die Prozesswärmeerzeugung eingesetzt werden.

Frühe kommerzielle Anpassung
Im Jahre 1878 demonstrierte Augustin Mouchot auf der Weltausstellung in Paris erfolgreich eine Solardampfmaschine, konnte jedoch wegen billiger Kohle und anderer Faktoren die Entwicklung nicht fortsetzen.

Im Jahr 1897 baute Frank Shuman, ein US-amerikanischer Erfinder, Ingenieur und Pionier der Solarenergie, eine kleine Demonstrations-Solarmaschine, die Solarenergie auf quadratische, mit Ether gefüllte Kästen reflektierte, die einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser und innen mit Schwarz ausgestattet waren Rohre, die wiederum eine Dampfmaschine angetrieben. 1908 gründete Shuman die Sun Power Company, um größere Solarkraftwerke zu bauen. Zusammen mit seinem technischen Berater ASE Ackermann und dem britischen Physiker Sir Charles Vernon Boys entwickelte er ein verbessertes System mit Spiegeln, um die Sonnenenergie auf Kollektorkästen zu reflektieren und die Heizleistung so zu erhöhen, dass nun Wasser anstelle von Ether verwendet werden konnte. Shuman konstruierte dann eine Dampfmaschine im Maßstab 1: 1, die mit Niederdruckwasser betrieben wurde und es ihm ermöglichte, das gesamte Solarmotorsystem bis 1912 zu patentieren.

Shuman baute zwischen 1912 und 1913 in Maadi, Ägypten, das erste solarthermische Kraftwerk der Welt. Seine Anlage nutzte Parabolrinnen, um einen Motor von 45-52 Kilowatt (60-70 PS) anzutreiben, der mehr als 22.000 Liter (4.800 Gallonen; 5.800 Liter) pumpte US gal) von Wasser pro Minute vom Nil zu angrenzenden Baumwollfeldern. Obwohl der Ausbruch des Ersten Weltkriegs und die Entdeckung billigen Öls in den 1930er Jahren den Aufstieg der Solarenergie behinderten, wurden Shumans Vision und sein grundlegendes Design in den 1970er Jahren mit einer neuen Welle des Interesses an Solarthermie wiederbelebt. Im Jahr 1916 wurde Shuman in den Medien zitiert, die die Nutzung der Solarenergie befürworteten:

Wassererwärmung
Solare Warmwassersysteme nutzen Sonnenlicht, um Wasser zu erhitzen. In niedrigen geographischen Breiten (unter 40 Grad) können 60 bis 70% des Warmwasserbedarfs mit Temperaturen bis zu 60 ° C durch Solaranlagen gedeckt werden. Die gebräuchlichsten Arten von solaren Wassererhitzern sind Vakuumröhrenkollektoren (44%) und verglaste Flachkollektoren (34%), die im Allgemeinen für Warmwasser verwendet werden; und unglasierte Kunststoffkollektoren (21%), die hauptsächlich zum Beheizen von Schwimmbecken verwendet werden.

Die installierte Gesamtleistung von Solarwarmwassersystemen betrug 2007 rund 154 thermische Gigawatt (GWth). China ist mit einer installierten Leistung von 70 GWth ab 2006 und einem langfristigen Ziel von 210 GWth bis zum Jahr 2020 weltweit führend. Israel und Zypern sind die Spitzenreiter bei der Nutzung von Solarwarmwassersystemen mit über 90% der Haushalte Sie. In den Vereinigten Staaten, Kanada und Australien ist die Beheizung von Schwimmbädern mit einer installierten Leistung von 18 GWth ab 2005 die vorherrschende Anwendung von solarthermischem Warmwasser.

Heizung, Kühlung und Lüftung
In den Vereinigten Staaten machen Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) 30% (4,65 EJ / Jahr) der in gewerblichen Gebäuden verbrauchten Energie und fast 50% (10,1 EJ / Jahr) der in Wohngebäuden verbrauchten Energie aus. Solare Heiz-, Kühl- und Lüftungstechnologien können einen Teil dieser Energie ausgleichen.

Thermische Masse ist ein beliebiges Material, das im Fall von Solarenergie zur Speicherung von Wärme aus der Sonne verwendet werden kann. Gemeinsame thermische Massenmaterialien umfassen Stein, Zement und Wasser. Historisch wurden sie in trockenen Klimazonen oder in warmen gemäßigten Regionen verwendet, um Gebäude kühl zu halten, indem sie tagsüber Sonnenenergie absorbierten und nachts gespeicherte Wärme an die kühlere Atmosphäre abgaben. Sie können jedoch auch in kalten gemäßigten Gebieten verwendet werden, um die Wärme zu erhalten. Die Größe und Platzierung der thermischen Masse hängt von verschiedenen Faktoren wie Klima, Tageslicht und Beschattungsbedingungen ab. Bei richtiger Integration hält die thermische Masse die Raumtemperaturen in einem angenehmen Bereich und reduziert die Notwendigkeit für zusätzliche Heiz- und Kühlgeräte.

Ein Sonnenkamin (oder in diesem Zusammenhang ein Wärmeschornstein) ist ein passives solares Lüftungssystem, das aus einem vertikalen Schacht besteht, der das Innere und Äußere eines Gebäudes verbindet. Wenn der Schornstein wärmt, wird die Luft im Inneren erhitzt, was zu einem Aufwind führt, der Luft durch das Gebäude zieht. Die Leistung kann verbessert werden, indem Verglasungen und Materialien mit thermischer Masse so verwendet werden, dass Gewächshäuser nachgeahmt werden.

Laubbäume und -pflanzen wurden als Mittel zur Kontrolle der solaren Erwärmung und Kühlung gefördert. Wenn sie auf der Südseite eines Gebäudes in der nördlichen Hemisphäre oder auf der Nordseite in der südlichen Hemisphäre gepflanzt werden, spenden ihre Blätter im Sommer Schatten, während die nackten Gliedmaßen während des Winters Licht durchlassen. Da kahle, blattlose Bäume 1/3 bis 1/2 der einfallenden Sonnenstrahlung ausmachen, gibt es ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen der Sommerschattierung und dem entsprechenden Verlust der Winterheizung. In Klimazonen mit erheblichen Heizlasten sollten Laubbäume nicht auf der dem Äquator zugewandten Seite eines Gebäudes gepflanzt werden, da sie die Sonnenverfügbarkeit im Winter beeinträchtigen. Sie können jedoch auf der Ost- und Westseite verwendet werden, um eine gewisse Sommerschattierung zu erreichen, ohne den Solargewinn im Winter merklich zu beeinflussen.

Kochen
Solarkocher verwenden Sonnenlicht zum Kochen, Trocknen und Pasteurisieren. Sie können in drei große Kategorien eingeteilt werden: Box-Kocher, Panel-Kocher und Reflektor-Kocher. Der einfachste Solarkocher ist der 1767 von Horace de Saussure gebaute Kastenkocher. Ein einfacher Kastenkocher besteht aus einem isolierten Behälter mit einem transparenten Deckel. Es kann effektiv mit teilweise bedecktem Himmel verwendet werden und erreicht normalerweise Temperaturen von 90-150 ° C (194-302 ° F). Panel-Kocher verwenden eine reflektierende Platte, um Sonnenlicht auf einen isolierten Behälter zu richten und Temperaturen zu erreichen, die mit Box-Kochern vergleichbar sind. Reflektorkocher verwenden verschiedene konzentrierende Geometrien (Teller, Trog, Fresnel-Spiegel), um das Licht auf einen Kochbehälter zu richten. Diese Kocher erreichen Temperaturen von 315 ° C (599 ° F) und höher, benötigen jedoch direktes Licht, um ordnungsgemäß zu funktionieren und müssen neu positioniert werden, um die Sonne zu verfolgen.

Prozesswärme
Solare Konzentrationstechnologien wie Parabolspiegel, Trog und Scheffler-Reflektoren können Prozesswärme für kommerzielle und industrielle Anwendungen bereitstellen. Das erste kommerzielle System war das Projekt „Solar Total Energy“ (STEP) in Shenandoah, Georgia, USA, wo ein Feld von 114 Parabolspiegeln 50% der Prozesswärme, Klimatisierung und elektrischen Anforderungen für eine Bekleidungsfabrik lieferte. Dieses netzgekoppelte Kraft-Wärme-Kopplungssystem lieferte 400 kW Strom plus Wärmeenergie in Form von 401 kW Dampf und 468 kW Kaltwasser und hatte eine einstündige Spitzenlast-Wärmespeicherung. Verdunstungsteiche sind flache Becken, die gelöste Feststoffe durch Verdunstung konzentrieren. Die Verwendung von Verdunstungsteichen zur Salzgewinnung aus Meerwasser ist eine der ältesten Anwendungen der Solarenergie. Zu den modernen Anwendungen gehören konzentrierende Salzlösungen, die im Tagebau verwendet werden, und gelöste Feststoffe aus Abfallströmen. Wäscheleinen, Wäscheständer und Kleiderständer trocknen Kleidung durch Verdunstung durch Wind und Sonnenlicht, ohne Strom oder Gas zu verbrauchen. In einigen Staaten der USA schützt die Gesetzgebung das „Recht auf trockene Kleidung“.

Wasserversorgung
Solare Destillation kann verwendet werden, um Kochsalz- oder Brackwasser trinkbar zu machen. Das erste Beispiel dafür waren arabische Alchemisten aus dem 16. Jahrhundert. In der chilenischen Bergbaustadt Las Salinas wurde 1872 erstmals ein großflächiges Solardestillationsprojekt errichtet. Die Anlage, die eine Sonnenkollektorfläche von 4.700 m2 hatte, konnte bis zu 22.700 L (5.000 Gallonen) pro Tag produzieren und 40 Jahre lang betrieben werden. Einzelne Still-Designs umfassen Single-Slope-, Double-Slope- (oder Gewächshaus-Typ), vertikale, konische, invertierte Absorber-, Multi-Docht- und Mehrfach-Effekte. Diese Standbilder können im passiven, aktiven oder hybriden Modus betrieben werden. Double-Slope-Stills sind am wirtschaftlichsten für dezentrale Hausaufgaben, während Active-Multiple-Effekt-Geräte eher für großflächige Anwendungen geeignet sind.

Bei der solaren Wasserdesinfektion (SODIS) werden wassergefüllte Kunststoff-Polyethylenterephthalat (PET) -Flaschen mehrere Stunden lang Sonnenlicht ausgesetzt. Die Expositionszeiten variieren je nach Wetter und Klima von mindestens sechs Stunden bis zu zwei Tagen bei vollständig bewölkten Bedingungen. Es wird von der Weltgesundheitsorganisation als praktikable Methode zur Wasseraufbereitung und sicheren Lagerung im Haushalt empfohlen. Über zwei Millionen Menschen in Entwicklungsländern nutzen diese Methode für ihr tägliches Trinkwasser.

Sonnenenergie kann in einem Wasser-Stabilisierungsteich verwendet werden, um Abwasser ohne Chemikalien oder Elektrizität zu behandeln. Ein weiterer Umweltvorteil besteht darin, dass Algen in solchen Teichen wachsen und Kohlendioxid bei der Photosynthese verbrauchen, obwohl Algen giftige Chemikalien produzieren können, die das Wasser unbrauchbar machen.

Schmelzsalz-Technologie
Geschmolzenes Salz kann als thermische Energiespeichermethode verwendet werden, um die von einem Solarturm oder Solarröhr eines konzentrierten Solarkraftwerks gesammelte thermische Energie zurückzuhalten, so dass es bei schlechtem Wetter oder bei Nacht zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Dies wurde im Projekt Solar Two von 1995 bis 1999 demonstriert. Für das System wird ein jährlicher Wirkungsgrad von 99% prognostiziert, ein Hinweis auf die gespeicherte Energie, bevor Wärme in Elektrizität umgewandelt wird, anstatt direkt Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Die geschmolzenen Salzmischungen variieren. Die längste Mischung enthält Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Calciumnitrat. Es ist nicht entflammbar und nicht toxisch und wurde bereits in der Chemie- und Metallindustrie als Wärmetransportfluid verwendet, so dass Erfahrung mit solchen Systemen in nicht-solaren Anwendungen besteht.

Das Salz schmilzt bei 131ºC (268ºF). Es wird in einem isolierten „kalten“ Lagertank bei 288 ° C (550 ° F) flüssig gehalten. Das flüssige Salz wird durch Platten in einem Sonnenkollektor gepumpt, wo die fokussierte Sonne es auf 566 ° C (1.051 ° F) erhitzt. Es wird dann zu einem heißen Speichertank gesendet. Dies ist so gut isoliert, dass die Wärmeenergie sinnvollerweise bis zu einer Woche gespeichert werden kann.

Wenn Elektrizität benötigt wird, wird das heiße Salz zu einem herkömmlichen Dampfgenerator gepumpt, um überhitzten Dampf für eine Turbine / einen Generator zu erzeugen, wie er in jedem herkömmlichen Kohle-, Öl- oder Kernkraftwerk verwendet wird. Eine 100-Megawatt-Turbine würde einen Tank von etwa 9,1 Metern Höhe und 24 Metern Durchmesser benötigen, um durch diese Konstruktion vier Stunden lang zu fahren.

Mehrere Parabolrinnenkraftwerke in Spanien und der Solarturmentwickler SolarReserve nutzen dieses thermische Energiespeicherkonzept. Die Solana Generating Station in den USA hat sechs Stunden Lagerzeit mit geschmolzenem Salz. Die María-Elena-Anlage ist ein 400-MW-Thermo-Solarkomplex in der nordchilenischen Region Antofagasta, in dem geschmolzene Salztechnologie zum Einsatz kommt.

Stromerzeugung
Solarenergie ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, entweder direkt mit Photovoltaik (PV) oder indirekt mit konzentrierter Solarenergie (CSP). CSP-Systeme verwenden Linsen oder Spiegel und Verfolgungssysteme, um ein großes Sonnenlicht in einen kleinen Strahl zu fokussieren. PV wandelt Licht mithilfe des photoelektrischen Effekts in elektrischen Strom um.

Es wird erwartet, dass die Solarenergie bis 2050 zur weltweit größten Stromquelle werden wird, wobei Solar- und konzentrierte Solarenergie 16 bzw. 11 Prozent zum weltweiten Gesamtverbrauch beitragen werden. Im Jahr 2016, nach einem weiteren Jahr mit schnellem Wachstum, erzeugte Solar 1,3% der Weltmacht.

Kommerzielle konzentrierte Solarkraftwerke wurden zuerst in den 1980er Jahren entwickelt. Die 3927 MW Ivanpah Solar Power Facility in der kalifornischen Mojave-Wüste ist das größte Solarkraftwerk der Welt. Weitere große konzentrierte Solarkraftwerke sind das 150 MW Solnova Solarkraftwerk und das 100 MW Andasol Solarkraftwerk, beide in Spanien. Das Solarprojekt Agua Caliente mit 250 MW in den USA und der Solarpark Charanka in Indien mit 221 MW sind die größten Photovoltaik-Anlagen der Welt. Solarprojekte mit einer Größe von über 1 GW werden derzeit entwickelt, die meisten Photovoltaik-Anlagen werden jedoch in kleinen Dachanlagen von weniger als 5 kW betrieben, die über eine Nettomessung und / oder eine Einspeisevergütung ans Netz gehen.

Photovoltaik
In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Photovoltaik (PV), auch bekannt als Solar PV, von einem reinen Nischenmarkt für kleine Anwendungen zu einer Mainstream-Stromquelle entwickelt. Eine Solarzelle ist ein Gerät, das Licht mithilfe des photoelektrischen Effekts direkt in Elektrizität umwandelt. Die erste Solarzelle wurde in den 1880er Jahren von Charles Fritts konstruiert. Ein deutscher Ingenieur, Dr. Bruno Lange, entwickelte 1931 eine Fotozelle mit Silberselenid anstelle von Kupferoxid. Obwohl der Prototyp der Selenzellen weniger als 1% des einfallenden Lichts in Elektrizität umwandelte, erkannten sowohl Ernst Werner von Siemens als auch James Clerk Maxwell die Bedeutung dieser Entdeckung. Nach den Arbeiten von Russell Ohl in den 1940er Jahren, die Forscher Gerald Pearson, Calvin Fuller und Daryl Chapin im Jahr 1954 die kristalline Silizium-Solarzelle geschaffen. Diese frühen Solarzellen kostete 286 USD / Watt und erreichte Wirkungsgrade von 4,5-6%. Bis 2012 lagen die verfügbaren Wirkungsgrade über 20%, und die maximale Effizienz der Forschungs-Photovoltaik lag bei über 40%.

Konzentrierte solarenergie
Concentrating Solar Power (CSP) -Systeme verwenden Linsen oder Spiegel und Tracking-Systeme, um einen großen Bereich von Sonnenlicht in einen kleinen Strahl zu fokussieren. Die konzentrierte Wärme wird dann als Wärmequelle für ein konventionelles Kraftwerk verwendet. Eine breite Palette von konzentrierenden Technologien existiert; Am weitesten entwickelt sind die Parabolrinne, der konzentrierende lineare Fresnel-Reflektor, die Stirlingschale und der Solarturm. Verschiedene Techniken werden verwendet, um die Sonne zu verfolgen und Licht zu fokussieren. In all diesen Systemen wird ein Arbeitsfluid durch das konzentrierte Sonnenlicht erhitzt und dann zur Stromerzeugung oder Energiespeicherung verwendet.

Architektur und Stadtplanung
Das Sonnenlicht hat das Bauen seit Beginn der Architekturgeschichte beeinflusst. Fortgeschrittene solare Architektur und städtebauliche Methoden wurden zuerst von den Griechen und Chinesen angewandt, die ihre Gebäude nach Süden orientierten, um Licht und Wärme zu liefern.

Die gemeinsamen Merkmale der passiven Solararchitektur sind Ausrichtung relativ zur Sonne, kompakter Anteil (ein geringes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen), selektive Abschattung (Überhänge) und thermische Masse. Wenn diese Merkmale auf das lokale Klima und die Umgebung abgestimmt sind, können sie gut beleuchtete Räume schaffen, die in einem angenehmen Temperaturbereich bleiben. Socrates ‚Megaron House ist ein klassisches Beispiel für passives Solardesign. Die neuesten Ansätze für Solardesign verwenden Computermodelle, die solare Beleuchtungs-, Heizungs- und Lüftungssysteme in einem integrierten Solardesign-Paket verbinden. Aktive Solaranlagen wie Pumpen, Lüfter und schaltbare Fenster können das passive Design ergänzen und die Systemleistung verbessern.

Städtische Wärmeinseln (UHI) sind Ballungsräume mit höheren Temperaturen als die der umgebenden Umwelt. Die höheren Temperaturen resultieren aus einer erhöhten Absorption von Sonnenenergie durch städtische Materialien wie Asphalt und Beton, die niedrigere Albedos und höhere Wärmekapazitäten als die in der natürlichen Umgebung haben. Eine einfache Methode, dem UHI-Effekt entgegenzuwirken, ist es, Gebäude und Straßen weiß zu streichen und Bäume in diesem Gebiet zu pflanzen. Mit diesen Methoden hat ein hypothetisches „cool communities“ Programm in Los Angeles projiziert, dass die städtischen Temperaturen um etwa 3 ° C zu geschätzten Kosten von 1 Milliarde US $ reduziert werden könnten, was geschätzte jährliche Gesamtvorteile von 530 Millionen US $ durch reduzierte Klimatisierung ergibt Kosten und Einsparungen im Gesundheitswesen.

Landwirtschaft und Gartenbau
Landwirtschaft und Gartenbau versuchen, die Gewinnung von Solarenergie zu optimieren, um die Produktivität von Pflanzen zu optimieren. Techniken wie zeitlich gesteuerte Pflanzzyklen, maßgeschneiderte Reihenausrichtung, gestaffelte Höhen zwischen den Reihen und das Mischen von Pflanzensorten können die Ernteerträge verbessern. Während Sonnenlicht im Allgemeinen als reichlich vorhanden angesehen wird, betonen die Ausnahmen die Bedeutung der Sonnenenergie für die Landwirtschaft. Während der kurzen Wachstumsphasen der Kleinen Eiszeit haben französische und englische Bauern Fruchtmauern benutzt, um die Sammlung von Sonnenenergie zu maximieren. Diese Wände wirkten als thermische Massen und beschleunigten die Reifung, indem sie die Pflanzen warm hielten. Frühere Fruchtwände wurden senkrecht zum Boden und nach Süden gebaut, aber im Laufe der Zeit wurden schräge Wände entwickelt, um das Sonnenlicht besser zu nutzen. 1699 schlug Nicolas Fatio de Duillier sogar vor, einen Tracking-Mechanismus zu verwenden, der sich drehen könnte, um der Sonne zu folgen. Zu den Anwendungen der Solarenergie in der Landwirtschaft gehören neben dem Pflanzenanbau auch das Pumpen von Wasser, das Trocknen von Getreide, das Brüten von Küken und das Trocknen von Hühnermist. In jüngerer Zeit wurde die Technologie von Weinbauern genutzt, die die Energie aus Sonnenkollektoren für den Antrieb von Traubenpressen verwenden.

Gewächshäuser wandeln das Sonnenlicht in Wärme um und ermöglichen so eine ganzjährige Produktion und das Wachstum (in geschlossenen Räumen) von Sonderkulturen und anderen Pflanzen, die für das lokale Klima nicht geeignet sind. Primitive Gewächshäuser wurden erstmals während der Römerzeit verwendet, um Gurken das ganze Jahr über für den römischen Kaiser Tiberius zu produzieren. Die ersten modernen Gewächshäuser wurden im 16. Jahrhundert in Europa gebaut, um exotische Pflanzen von ausländischen Erkundungen zurückzubringen. Gewächshäuser bleiben heute ein wichtiger Teil des Gartenbaus, und auch in den Polytunneln und Reihenabdeckungen wurden transparente Kunststoffmaterialien mit ähnlicher Wirkung verwendet.

Transport
Die Entwicklung eines solarbetriebenen Autos ist seit den 1980er Jahren ein technisches Ziel. Die World Solar Challenge ist ein halbjährliches solarbetriebenes Autorennen, bei dem Teams von Universitäten und Unternehmen über 3.021 Kilometer in Zentral-Australien von Darwin nach Adelaide antreten. 1987, als es gegründet wurde, war die Durchschnittsgeschwindigkeit des Siegers 67 Kilometer pro Stunde (67 Stundenmeilen) und bis 2007 hatte sich die durchschnittliche Geschwindigkeit des Siegers zu 90.87 Kilometern pro Stunde (56.46 Meilen pro Stunde) verbessert. Die North American Solar Challenge und die geplante South African Solar Challenge sind vergleichbare Wettbewerbe, die ein internationales Interesse an der Entwicklung und Entwicklung solarbetriebener Fahrzeuge widerspiegeln.

Einige Fahrzeuge verwenden Sonnenkollektoren als Hilfsenergie, beispielsweise zur Klimatisierung, um den Innenraum kühl zu halten und somit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Treibstoffproduktion
Solare chemische Prozesse nutzen Sonnenenergie, um chemische Reaktionen voranzutreiben. Diese Prozesse kompensieren Energie, die sonst von einer fossilen Energiequelle kommen würde, und können Sonnenenergie auch in speicherbare und transportfähige Brennstoffe umwandeln. Sonneninduzierte chemische Reaktionen können in thermochemische oder photochemische Reaktionen unterteilt werden. Eine Vielzahl von Brennstoffen kann durch künstliche Photosynthese hergestellt werden. Die katalytische Vielelektronenchemie, die bei der Herstellung kohlenstoffbasierter Brennstoffe (wie Methanol) aus der Reduktion von Kohlendioxid eine Rolle spielt, ist eine Herausforderung; Eine praktikable Alternative ist die Wasserstoffproduktion aus Protonen, obwohl die Verwendung von Wasser als Elektronenquelle (wie bei Pflanzen) die Beherrschung der Mehrelektronenoxidation von zwei Wassermolekülen zu molekularem Sauerstoff erfordert. Einige haben vor, im Jahr 2050 in den Ballungszentren der Welt Solarkraftwerke zu bauen – das Aufspalten von Meerwasser, das Wasserstoff durch angrenzende Brennstoffzellen-Kraftwerke und das reine Nebenprodukt Wasser direkt in das kommunale Wassersystem leitet. Eine andere Sichtweise betrifft alle menschlichen Strukturen, die die Erdoberfläche (dh Straßen, Fahrzeuge und Gebäude) abdecken und die Photosynthese effizienter durchführen als Pflanzen.

Technologien zur Herstellung von Wasserstoff sind seit den 1970er Jahren ein bedeutender Bereich der solarchemischen Forschung. Neben der Elektrolyse, die durch photovoltaische oder photochemische Zellen angetrieben wird, wurden auch mehrere thermochemische Prozesse erforscht. Ein solcher Weg verwendet Konzentratoren, um Wasser bei hohen Temperaturen (2.300-2.600ºC oder 4.200-4.700ºF) in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Ein anderer Ansatz nutzt die Wärme von Solarkonzentratoren, um die Dampfreformierung von Erdgas anzutreiben, wodurch die Gesamtwasserstoffausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Reformierungsverfahren erhöht wird. Thermochemische Zyklen, die durch die Zersetzung und Regenerierung von Reaktanten gekennzeichnet sind, bieten einen weiteren Weg zur Wasserstoffproduktion. Das am Weizmann-Institut für Wissenschaft in der Entwicklung befindliche Solzinc-Verfahren zersetzt mit einem 1-MW-Sonnenofen Zinkoxid (ZnO) bei Temperaturen oberhalb von 1.200 ° C (2.200 ° F). Diese anfängliche Reaktion erzeugt reines Zink, das anschließend mit Wasser umgesetzt werden kann, um Wasserstoff zu erzeugen.

Energiespeicher-Methoden
Thermische Massensysteme können Solarenergie in Form von Wärme bei im Inland brauchbaren Temperaturen für tägliche oder intersaisonale Dauer speichern. Thermische Speichersysteme verwenden im Allgemeinen leicht verfügbare Materialien mit hohen spezifischen Wärmekapazitäten wie Wasser, Erde und Stein. Gut konzipierte Systeme können den Spitzenbedarf senken, die Nutzungszeit auf die Zeiten außerhalb der Spitzenzeiten verschieben und den gesamten Heiz- und Kühlbedarf reduzieren.

Phasenwechselmaterialien wie Paraffinwachs und Glaubersalz sind ein weiteres thermisches Speichermedium. Diese Materialien sind billig, leicht verfügbar und können im Inland brauchbare Temperaturen (ungefähr 64ºC oder 147ºF) liefern. Das „Dover House“ (in Dover, Massachusetts) war das Erste, das 1948 ein Glaubersalz-Heizsystem einsetzte. Sonnenenergie kann auch bei hohen Temperaturen mit geschmolzenen Salzen gelagert werden. Salze sind ein wirksames Speichermedium, da sie kostengünstig sind, eine hohe spezifische Wärmekapazität haben und Wärme bei Temperaturen abgeben können, die mit herkömmlichen Energiesystemen kompatibel sind. Das Projekt Solar Two nutzte diese Methode der Energiespeicherung und speicherte damit 1,44 Terajoule (400.000 kWh) in seinem 68 m³ fassenden Speicher mit einer jährlichen Speichereffizienz von etwa 99%.

Off-Grid-PV-Systeme haben traditionell wiederaufladbare Batterien verwendet, um überschüssige Elektrizität zu speichern. Mit netzgebundenen Systemen kann überschüssiger Strom in das Übertragungsnetz eingespeist werden, während Standardnetzstrom zur Deckung von Engpässen genutzt werden kann. Net-Metering-Programme geben Haushaltssystemen einen Kredit für jeden Strom, den sie ins Netz liefern. Dies wird dadurch erledigt, dass das Messgerät zurückgerollt wird, wenn das Haus mehr Elektrizität produziert, als es verbraucht. Wenn der Nettostromverbrauch unter Null liegt, rollt das Dienstprogramm den Kredit für die Kilowattstunde in den nächsten Monat. Andere Ansätze beinhalten die Verwendung von zwei Zählern, um den Stromverbrauch im Vergleich zur erzeugten Elektrizität zu messen. Dies ist aufgrund der erhöhten Installationskosten des zweiten Zählers weniger üblich. Die meisten Standardmeter messen genau in beide Richtungen, wodurch ein zweiter Meter unnötig wird.

Pumpspeicher-Hydroelektrizität speichert Energie in Form von Wasser, das gepumpt wird, wenn Energie von einem Reservoir mit niedrigerer Elevation zu einer höheren Elevation verfügbar ist. Die Energie wird zurückgewonnen, wenn die Nachfrage hoch ist, indem das Wasser freigesetzt wird, wobei die Pumpe zu einem hydroelektrischen Stromgenerator wird.

Entwicklung, Einsatz und Wirtschaftlichkeit
Beginnend mit dem starken Kohleverbrauch, der mit der industriellen Revolution einherging, ist der Energieverbrauch stetig von Holz und Biomasse auf fossile Brennstoffe umgestellt worden. Die frühe Entwicklung der Solartechnologie ab den 1860er Jahren wurde von der Erwartung angetrieben, dass Kohle bald knapp werden würde. Die Entwicklung der Solartechnologien stagnierte jedoch im frühen 20. Jahrhundert angesichts der zunehmenden Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Nützlichkeit von Kohle und Erdöl.

Das Ölembargo von 1973 und die Energiekrise von 1979 verursachten eine Neuordnung der Energiepolitik in der ganzen Welt und sorgten für eine verstärkte Aufmerksamkeit für die Entwicklung von Solartechnologien. Die Einsatzstrategien konzentrierten sich auf Anreizprogramme wie das Bundesprogramm für Photovoltaik-Nutzung in den USA und das Sunshine-Programm in Japan. Weitere Anstrengungen waren die Gründung von Forschungseinrichtungen in den USA (SERI, jetzt NREL), Japan (NEDO) und Deutschland (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE).

Kommerzielle Solarwarmwasserbereiter begannen in den 1890er Jahren in den Vereinigten Staaten zu erscheinen. Diese Systeme wurden bis in die 1920er Jahre zunehmend verwendet, wurden aber nach und nach durch billigere und zuverlässigere Heizbrennstoffe ersetzt. Ähnlich wie bei der Photovoltaik wurde die solare Wassererwärmung durch die Ölkrisen in den 1970er Jahren wieder stärker in den Fokus gerückt, in den 1980er Jahren kam das Interesse aufgrund sinkender Erdölpreise jedoch zurück. Die Entwicklung im Sektor der solaren Warmwasserbereitung schritt in den 1990er Jahren stetig voran und die jährlichen Wachstumsraten lagen seit 1999 bei durchschnittlich 20%. Obwohl allgemein unterschätzt, ist Solarwärme und -kühlung mit Abstand die am weitesten verbreitete Solartechnologie mit einer geschätzten Kapazität von 154 GW 2007.

Die Internationale Energieagentur hat gesagt, dass Solarenergie erhebliche Beiträge zur Lösung einiger der drängendsten Probleme der Welt leisten kann:

The development development, developers and subscribers solar energy technologies developed language enorme. Es wird die Energiesicherheit der Länder erhöhen, die sich auf eine indigene, unerschöpfliche und vor allem importunabhängige Ressource, die Nachhaltigkeit erhöht, die Umweltverschmutzung reduziert, die Kosten für die Eindämmung des Treibhauseffekts und die Preise für fossile Brennstoffe niedriger hält als anderenwo. Diese Vorteile sind global. Daher sollten die zusätzlichen Kosten für eine Einführung in Lerninvestitionen berücksichtigt werden; Sie müssen sehen, dass und wie weit sie sind.

Lasst einen Bericht der Internationalen Energieagentur aus dem Jahr 2011 Solarenergietechnologien wie Photovoltaik, solares Warmwasser und konzen trierte Solarenergie bis 2060 ein Drittel der weltweiten Energie liefern, wenn die Politik dies verantwortet, den Klimawandel zu begrenzen. Die Energie der Sonne könnte eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Weltwirtschaft spielen, und die Kosten für den Treibhausgasemitter.