Energia solare
Energia solare termica, energia solare termica, energia solare termica, centrali solari termiche e fotosintesi artificiale.
È un’importante fonte di energia rinnovabile e le sue tecnologie sono generalmente caratterizzate come solari passivi o solari attivi a seconda di come catturano e distribuiscono l’energia solare o la convertono in energia solare. Le tecniche solari attive includono l’uso di sistemi fotovoltaici, energia solare concentrata e riscaldamento solare dell’acqua per sfruttare l’energia. Le tecniche solari passive includono l’orientamento di un edificio al sole, la selezione di materiali con masse termiche favorevoli o proprietà di dispersione della luce e la progettazione di spazi che fanno circolare naturalmente l’aria.
La grande quantità di energia solare lo rende una fonte di elettricità molto attraente. Il Programma di sviluppo delle Nazioni Unite nella sua valutazione mondiale del 2000 ha rilevato che l’energia solare era di 1.575-49.837 exajoule (EJ). Questo è molte volte più grande del consumo energetico mondiale totale, che nel 2012 era di 559,8 EJ.
Nel 2011, l’Agenzia internazionale per l’energia ha dichiarato che “lo sviluppo di tecnologie per l’energia solare economiche, inesauribili e pulite avrà un impatto significativo sulla sicurezza energetica dei paesi facendo affidamento su un popolo indigeno, È importante notare che i costi aggiuntivi degli incentivi per il dispiegamento anticipato dovrebbero essere considerevolmente inferiori ai costi del riscaldamento globale. devono essere ampiamente condivisi “.
potenziale
La Terra riceve 174 petawatt (PW) di irraggiamento solare in entrata (insolazione) nell’atmosfera superiore. Circa il 30% viene riflesso nello spazio mentre il resto viene assorbito dalle nuvole, dagli oceani e dalle masse terrestri. Lo spettro della radiazione solare sulla superficie terrestre si diffonde nelle aree del visibile e del vicino infrarosso con un vicino-ultravioletto. La maggior parte della popolazione mondiale vive in aree con livelli di insolazione di 150-300 watt / m² o 3,5-7,0 kWh / m² al giorno.
La radiazione solare viene assorbita dalla superficie terrestre della Terra, che copre circa il 71% del globo – e dall’atmosfera. L’aria calda contenente l’acqua evaporata dagli oceani sale, causando la circolazione atmosferica o la convezione. Quando l’aria raggiunge un’altitudine elevata, dove la temperatura è bassa, il vapore acqueo si condensa nelle nuvole, che costituiscono la superficie terrestre, completando il ciclo dell’acqua. Il calore latente della condensazione dell’acqua amplifica la convezione, producendo fenomeni atmosferici come il vento, i cicloni e gli anti-cicloni. La luce solare assorbita dagli oceani e le masse terrestri mantiene la superficie a una temperatura media di 14 ° C. Con la fotosintesi, le piante verdi convertono l’energia solare in energia immagazzinata chimicamente, che produce cibo, legno e la biomassa da cui derivano i combustibili fossili.
L’energia solare totale assorbita dall’atmosfera terrestre, dagli oceani e dalle masse terrestri è di circa 3.850.000 exajoule (EJ) all’anno. Nel 2002, questa era più energia in un’ora rispetto al mondo utilizzato in un anno. La fotosintesi cattura circa 3.000 EJ all’anno in biomassa. La quantità di energia solare che raggiunge la superficie del pianeta è talmente elevata che è circa il doppio di quella ottenuta dalle risorse non rinnovabili della Terra di carbone, petrolio, gas naturale e uranio estratto combinato ,
La potenziale energia solare che può essere utilizzata per l’energia solare è la quantità di energia solare che è presente sulla superficie del pianeta a causa di fattori quali la geografia, la variazione temporale, la copertura nuvolosa e la terra disponibile per gli esseri umani. può acquisire.
La geografia influisce sul potenziale di energia solare a causa del fatto che l’equatore ha una maggiore quantità di radiazione solare. Tuttavia, l’uso del fotovoltaico può seguire la posizione del sole. Effetti di variazione del tempo L’energia solare viene assorbita durante la notte perché c’è poca radiazione solare sulla superficie. Questo limita la quantità di energia che i pannelli solari possono assorbire in un giorno. La copertura nuvolosa può influenzare il potenziale dei pannelli solari perché le nuvole bloccano la luce proveniente dal sole e riducono la luce disponibile per le celle solari.
Inoltre, i pannelli solari hanno un grande effetto sui pannelli solari disponibili perché i pannelli solari possono essere installati solo su terreni altrimenti non utilizzati e adatti ai pannelli solari. I tetti sono stati trovati per essere un posto adatto per le celle solari, poiché molte persone hanno scoperto che possono raccogliere energia direttamente dalle loro case in questo modo. Altre aree che sono adatte per le imprese sono impianti solari che possono essere stabiliti.
Le tecnologie solari sono caratterizzate come passive o attive a seconda del modo in cui catturano, convertono e distribuiscono l’energia solare e consentono di sfruttare l’energia solare a diversi livelli in tutto il mondo. Sebbene l’energia solare si riferisca principalmente alla radiazione solare per scopi pratici, tutte le energie rinnovabili, oltre alla geotermia e alla potenza delle maree, traggono la loro energia direttamente o indirettamente dal Sole.
Le tecnologie solari attive utilizzano il fotovoltaico, l’energia solare concentrata, i collettori solari termici, le pompe e i ventilatori per convertire la luce solare in utili output. Le tecniche solari passive comprendono la selezione di materiali con proprietà termiche favorevoli, la progettazione di spazi che fanno circolare naturalmente l’aria e il riferimento della posizione di un edificio al sole. Le tecnologie solari attive aumentano l’offerta di energia e sono considerate tecnologie dal lato dell’offerta, mentre le tecnologie solari passive riducono la necessità di risorse alternative e generalmente considerate tecnologie dal lato della domanda.
Nel 2000, il Programma di sviluppo delle Nazioni Unite, il Dipartimento per gli affari economici e sociali delle Nazioni Unite e il Consiglio mondiale dell’energia hanno pubblicato una stima della potenziale energia solare che potrebbe essere utilizzata dagli esseri umani ogni anno. la terra che è utilizzabile dagli umani. L’energia solare ha un potenziale globale di 1.575-49.837 EJ all’anno (vedi tabella sotto).
Energia termica
Le tecnologie solari termiche possono essere utilizzate per il riscaldamento dell’acqua, il riscaldamento degli ambienti, il raffreddamento degli ambienti e la generazione di calore di processo.
Adattamento commerciale anticipato
Nel 1878, all’Esposizione Universale di Parigi, Augustin Mouchot dimostrò con successo un motore a vapore solare, ma non poté continuare a sviluppare il carbone e altri fattori.
Nel 1897, Frank Shuman, un U.S.A. Oltre ai pannelli solari, i pannelli solari sono stati utilizzati per una varietà di scopi, tra cui pannelli solari, pannelli solari, pannelli solari, . Nel 1908 Shuman formò la Sun Power Company con l’intento di costruire grandi centrali solari. Lui, insieme al suo consulente tecnico A.S.E. Ackermann e il fisico britannico Sir Charles Vernon Boys, hanno sviluppato un sistema migliorato utilizzando specchi per riflettere l’energia solare sui contenitori di raccolta, aumentando la capacità di riscaldamento nella misura in cui l’acqua potrebbe essere utilizzata al posto dell’etere. Shuman ha costruito un motore a vapore a grandezza naturale alimentato da acqua a bassa pressione, che gli consente di brevettare l’intero sistema di motori solari entro il 1912.
Shuman costruì la prima centrale termica solare del mondo a Maadi, in Egitto, tra il 1912 e il 1913. Il suo impianto utilizzava vasche paraboliche per alimentare un motore da 45-52 kilowatt (60-70 hp) che pompava più di 22.000 litri (4.800 imp gal; US gal) di acqua al minuto dal fiume Nilo ai campi di cotone adiacenti. Nonostante lo scoppio della prima guerra mondiale e la scoperta di petrolio a basso costo negli anni ’30, la visione di Shuman e il suo design di base sono risorti negli anni ’70 con una nuova ondata di energia termica solare. Nel 1916, Shuman fu citato dai media che sostenevano l’utilizzo dell’energia solare, dicendo:
Riscaldamento dell’acqua
I sistemi solari per l’acqua calda utilizzano la luce del sole per riscaldare l’acqua. A basse latitudini geografiche (inferiori a 40 gradi) dal 60 al 70% del consumo di acqua calda sanitaria con temperature fino a 60 ° C possono essere forniti da impianti di riscaldamento solare. I tipi più comuni di scaldacqua solari sono i collettori a tubi sottovuoto (44%) ei collettori a piastre piatte smaltate (34%). e collettori di plastica non smaltati (21%) utilizzati principalmente per riscaldare piscine.
A partire dal 2007, la capacità totale installata dei sistemi solari per l’acqua calda era di circa 154 gigawatt termici (GWth). La Cina è il leader mondiale nel suo schieramento con 70 GWth installati a partire dal 2006 e un obiettivo a lungo termine di 210 GWth entro il 2020. Israele e Cipro sono leader nell’uso di sistemi solari per l’acqua calda con oltre il 90% delle abitazioni che utilizzano loro. Negli Stati Uniti, in Canada e in Australia, le piscine termiche sono l’applicazione dominante di acqua calda solare con una capacità installata di 18 GWth a partire dal 2005.
Riscaldamento, raffreddamento e ventilazione
Negli Stati Uniti, i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC) rappresentano il 30% (4,65 EJ / anno) dell’energia utilizzata negli edifici commerciali e quasi il 50% (10,1 EJ / anno) Le tecnologie di riscaldamento solare, raffreddamento e ventilazione possono essere utilizzate per compensare una parte di questa energia.
La massa termica è qualsiasi materiale che può essere usato per immagazzinare calore. I comuni materiali di massa termica includono pietra, cemento e acqua. Storicamente sono stati utilizzati in climi aridi o in regioni temperate più calde per mantenere freschi gli edifici assorbendo l’energia solare durante il giorno e irradiando calore accumulato nell’atmosfera più fredda di notte. Tuttavia, possono essere utilizzati anche in zone fredde temperate per mantenere il calore. La dimensione e il posizionamento della massa termica dipendono da diversi fattori come clima, illuminazione diurna e condizioni di ombreggiamento. Se correttamente incorporato, la massa termica mantiene le temperature spaziali in un intervallo confortevole e riduce la necessità di apparecchiature ausiliarie di riscaldamento e raffreddamento.
Un camino solare (o camino termico, in questo contesto) è un sistema di ventilazione solare passiva composto da un albero verticale che collega l’interno e l’esterno di un edificio. Mentre il camino si scalda, l’aria all’interno viene riscaldata, causando una corrente ascensionale che tira aria attraverso l’edificio. Le prestazioni possono essere migliorate utilizzando vetri e materiali di massa termica in modo da riprodurre le serre.
Alberi e piante decidue sono stati promossi come mezzo per controllare il riscaldamento e il raffreddamento solare. Quando sono piantate sul lato meridionale dell’emisfero settentrionale o sul lato settentrionale dell’emisfero australe, le loro foglie forniscono ombra durante l’estate, mentre gli arti nudi permettono alla luce di passare durante l’inverno. Poiché gli alberi spogli e senza foglie ombreggiano da 1/3 a 1/2 della radiazione solare incidente, c’è un equilibrio tra i benefici dell’ombra estiva e la corrispondente perdita di riscaldamento invernale. In climi con carichi di riscaldamento significativi, gli alberi caducifogli non dovrebbero essere piantati sul lato equatoriale di un edificio perché interferiranno con la disponibilità solare invernale. Possono, tuttavia, essere utilizzati sui lati est e ovest per fornire un grado di ombreggiamento estivo senza influire in modo sensibile sul guadagno solare invernale.
cucina
I fornelli solari utilizzano la luce del sole per cucinare, asciugare e pasturare. Possono essere raggruppati in tre grandi categorie: cucine a cassettoni, pannelli elettrici e cucine a riflettore. Il fornello solare più semplice è un fornello a cassetta costruito da Horace de Saussure nel 1767. Un fornello di base è costituito da un contenitore isolato con un coperchio trasparente. Può essere utilizzato efficacemente per coprire parzialmente il cielo e in genere raggiunge temperature di 90-150 ° C (194-302 ° F). Le cucine a pannello utilizzano un pannello riflettente per dirigere la luce solare su un contenitore isolato e raggiungere temperature paragonabili a quelle dei box-box. I fornelli a riflettore utilizzano varie geometrie di concentrazione (piatto, trogolo, specchi Fresnel) per mettere a fuoco un contenitore di cottura. Queste cucine possono raggiungere temperature di 315 ° C (599 ° F) e superiori.
Processo di calore
Le tecnologie di concentrazione solare come parabole, trogoli e riflettori Scheffler possono fornire calore di processo per applicazioni commerciali e industriali. Il primo sistema commerciale fu il Solar Total Energy Project (STEP) a Shenandoah, Georgia, USA, dove le 114 parabole fornivano il 50% del riscaldamento di processo, dell’aria condizionata e dei requisiti elettrici per una fabbrica di abbigliamento. Questo sistema di cogenerazione collegato alla rete fornisce 400 kW di energia elettrica più energia termica sotto forma di acqua da 401 kW a vapore e 468 kW di acqua refrigerata e un accumulo termico di carico di picco di un’ora. Gli stagni di evaporazione sono pozze poco profonde che concentrano i solidi disciolti per evaporazione. L’uso dell’energia solare è una delle più antiche applicazioni dell’energia solare. Gli usi moderni includono soluzioni concentriche di salamoia utilizzate nell’estrazione di lisciviazione e nella rimozione di solidi dai flussi di rifiuti. Linee di vestiti, stendibiancheria e vestiti rastrellano i vestiti asciutti con l’evaporazione del vento e della luce solare senza consumare elettricità o gas. In alcuni stati della legislazione degli Stati Uniti protegge il “diritto di asciugare” i vestiti.
Trattamento delle acque
La distillazione solare può essere utilizzata per rendere potabile l’acqua salata o salmastra. Il primo esempio registrato è stato quello degli alchimisti arabi del XVI secolo. Un progetto di distillazione solare su larga scala fu costruito per la prima volta nel 1872 nella città mineraria cilena di Las Salinas. L’impianto, che aveva una superficie di raccolta solare di 4.700 m2 (51.000 piedi quadrati), poteva produrre fino a 22.700 L (5.000 imp., 6.000 US gal) al giorno e funzionare per 40 anni. Le singole progettazioni includono inclinazione singola, doppia inclinazione (o tipo serra), verticale, conica, assorbitore invertito, multi-stoppino e effetti multipli. Questi fermi immagine possono operare in modalità passiva, attiva o ibrida. Gli alambicchi a doppia pendenza sono i più economici per scopi domestici decentralizzati, mentre le unità a effetti multipli attive sono più adatte per applicazioni su larga scala.
La disinfezione solare dell’acqua (SODIS) comporta l’esposizione di bottiglie di plastica in polietilene tereftalato (PET) piene d’acqua alla luce solare per diverse ore. I tempi di esposizione variano in base al tempo e al clima da un minimo di sei ore a due giorni. È raccomandato dall’Organizzazione mondiale della sanità come metodo valido per il trattamento delle acque domestiche e lo stoccaggio sicuro. Oltre due milioni di persone nei paesi in via di sviluppo usano questo metodo per la loro acqua potabile quotidiana.
L’energia solare può essere utilizzata in un laghetto per la stabilizzazione dell’acqua per trattare le acque reflue senza sostanze chimiche o elettricità. Un ulteriore vantaggio ambientale è che le alghe crescono in tali stagni e consumano anidride carbonica nella fotosintesi, sebbene le alghe possano produrre sostanze chimiche tossiche che rendono l’acqua inutilizzabile.
Tecnologia del sale fuso
Il sale fuso può essere utilizzato come metodo di accumulo di energia termica per mantenere una centrale termica solare, che può essere utilizzata per generare elettricità in caso di maltempo o di notte. È stato dimostrato nel progetto Solar Two dal 1995 al 1999. Si prevede che il sistema abbia un’efficienza annuale del 99%, un riferimento all’energia trattenuta dal calore prima di trasformarla in elettricità, anziché convertire il calore direttamente in elettricità. Le miscele di sali fusi variano. La miscela più estesa contiene nitrato di sodio, nitrato di potassio e nitrato di calcio. Non è infiammabile e non tossico ed è già stato utilizzato nell’industria chimica e dei metalli come fluido termovettore.
Il sale si scioglie a 131 ° C (268 ° F). È conservato a 288 ° C (550 ° F) in un serbatoio di accumulo “freddo” coibentato. Il liquido viene pompato attraverso pannelli in un collettore solare dove il sole focalizzato si riscalda a 566 ° C (1.051 ° F). È un serbatoio di stoccaggio caldo. Questo è così ben isolato che l’energia termica può essere utilmente immagazzinata per un massimo di una settimana.
Quando è necessaria l’elettricità, l’acqua calda viene pompata a un generatore di vapore convenzionale per produrre vapore surriscaldato per una turbina / generatore come utilizzato in qualsiasi convenzionale centrale elettrica a carbone, petrolio o nucleare. Una turbina da 100 megawatt necessiterebbe di un serbatoio di circa 9,1 metri (30 piedi) di altezza e 24 metri (79 piedi) di diametro per poter essere utilizzato per quattro ore da questo progetto.
Diverse centrali elettriche a depressione parabolica in Spagna e SolarReserve, sviluppatore di torri a energia solare, utilizzano questo concetto di accumulo di energia termica. La stazione di generazione di Solana negli Stati Uniti ha sei ore di conservazione con il sale fuso. L’impianto di María Elena è un complesso termo-solare da 400 MW nella regione settentrionale cilena di Antofagasta che utilizza la tecnologia del sale fuso.
Produzione di elettricità
L’energia solare viene convertita direttamente in fotovoltaico (PV) o indirettamente mediante l’utilizzo di energia solare concentrata (CSP). I sistemi CSP utilizzano obiettivi o specchi e sistemi di tracciamento per focalizzare una vasta area di luce solare in un piccolo raggio. Il fotovoltaico converte la luce in corrente elettrica usando l’effetto fotoelettrico.
Si prevede che l’energia solare diventerà la principale fonte di elettricità al mondo entro il 2050, con il solare fotovoltaico e l’energia solare concentrata che contribuiscono rispettivamente al 16 e all’11% rispetto al consumo globale complessivo. Nel 2016, dopo un altro anno di rapida crescita, il solare ha generato l’1,3% della potenza mondiale.
Le centrali solari a concentrazione commerciale sono state sviluppate negli anni ’80. Il 392 MW Ivanpah Solar Power Facility, nel deserto del Mojave in California, è la più grande centrale solare del mondo. Altre grandi centrali solari concentrate comprendono la centrale solare Solnova da 150 MW e la centrale solare Andasol da 100 MW, entrambe in Spagna. Il progetto Agua Caliente Solar da 250 MW, negli Stati Uniti, e il parco Charanka Solar da 221 MW in India, sono i più grandi impianti fotovoltaici del mondo. Si stanno sviluppando progetti solari superiori a 1 GW, ma la maggior parte del fotovoltaico implementato è costituito da piccoli array sul tetto di meno di 5 kW, che sono collegati alla rete utilizzando la misurazione e / o una tariffa di immissione.
fotovoltaico
Negli ultimi due decenni, il fotovoltaico (PV), noto anche come solare fotovoltaico, si è evoluto da un mercato di nicchia puro a applicazioni su piccola scala. Una cella solare è un dispositivo che converte la luce direttamente in elettricità utilizzando l’effetto fotoelettrico. La prima cella solare è stata costruita da Charles Fritts nel 1880. Nel 1931 un ingegnere tedesco, il dott. Bruno Lange, sviluppò una cellula fotografica utilizzando seleniuro d’argento al posto dell’ossido di rame. Sebbene il prototipo di celle di selenio convertisse in elettricità meno dell’1% della luce incidente, sia Ernst Werner von Siemens che James Clerk Maxwell riconobbero l’importanza di questa scoperta. Le prime celle solari costarono $ 286 USD / watt e raggiunsero un’efficienza del 4,5-6%. Le celle solari furono costruite nel 1940, i ricercatori Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin. Entro il 2012 le efficienze disponibili hanno superato il 20% e la massima efficienza della ricerca fotovoltaica è stata superiore al 40%.
Energia solare concentrata
I sistemi Concentrating Solar Power (CSP) utilizzano lenti o specchi e sistemi di tracciamento per focalizzare una vasta area di luce solare in un piccolo raggio. Il calore concentrato viene quindi utilizzato come fonte di calore per una centrale elettrica convenzionale. Esiste un’ampia gamma di tecnologie di concentrazione; il più sviluppato è il trogolo parabolico, il riflettore lineare di concentrazione lineare, il piatto stirling e la torre di energia solare. Varie tecniche sono utilizzate per tracciare il sole e mettere a fuoco la luce. In tutti questi sistemi, un fluido di lavoro viene riscaldato dalla luce solare concentrata e viene quindi utilizzato per la generazione di energia o l’accumulo di energia.
Architettura e pianificazione urbana
La luce solare ha influenzato il design degli edifici dall’inizio della storia dell’architettura. L’architettura solare avanzata e i metodi di pianificazione urbana furono usati per la prima volta dai greci e dai cinesi, che orientarono i loro edifici verso sud per fornire luce e calore.
Le caratteristiche comuni dell’architettura solare passiva sono l’orientamento relativo al Sole, la proporzione compatta (un rapporto superficie-volume basso), l’ombreggiamento selettivo (sporgenze) e la massa termica. Quando queste caratteristiche sono adattate al clima e all’ambiente locale, possono produrre spazi ben illuminati che rimangono in un intervallo di temperatura confortevole. La Megaron House di Socrate è un classico esempio di design solare passivo. Gli approcci più recenti al design solare comprendono la modellazione al computer e il collegamento di sistemi di illuminazione solare, riscaldamento e ventilazione in un pacchetto di progettazione solare integrato. Le apparecchiature solari attive come pompe, ventole e finestre commutabili possono integrare la progettazione passiva e migliorare le prestazioni del sistema.
Le isole di calore urbane (UHI) sono aree metropolitane con temperature più elevate rispetto all’ambiente circostante. Le temperature più elevate comportano un maggiore assorbimento di energia solare da parte di materiali urbani quali asfalto e calcestruzzo, che hanno albedo inferiore e capacità di calore superiori a quelle dell’ambiente naturale. Un metodo diretto per contrastare l’effetto UHI è quello di dipingere gli edifici e le strade in bianco e di piantare alberi nella zona. Usando questi metodi, un ipotetico programma di “comunità fresche” a Los Angeles ha previsto che le temperature urbane potrebbero essere ridotte di circa 3 ° C ad un costo stimato di 1 miliardo di dollari, dando un beneficio annuale stimato di 530 milioni di dollari dalla riduzione del condizionamento d’aria costi e risparmi sanitari.
Agricoltura e orticoltura
L’agricoltura e l’orticoltura cercano di ottimizzare la cattura di energia solare per ottimizzare la produttività delle piante. Tecniche quali i cicli di semina a tempo, l’orientamento delle file su misura, le altezze sfalsate tra le file e la miscelazione delle varietà vegetali possono migliorare i raccolti. Mentre la luce solare è generalmente considerata una risorsa abbondante, le eccezioni evidenziano l’importanza dell’energia solare per l’agricoltura. Durante la breve stagione di crescita della Piccola Era Glaciale, gli agricoltori francesi e inglesi utilizzano la più grande collezione di energia solare. Queste pareti agiscono come masse termiche e una maturazione accelerata mantenendo le piante calde. I primi muri di frutta sono stati costruiti perpendicolarmente al suolo e rivolti a sud, ma nel tempo sono stati sviluppati muri inclinati per sfruttare la luce solare. Nel 1699, Nicolas Fatio de Duillier ha persino suggerito un meccanismo di localizzazione che potrebbe ruotare verso il Sole. Le applicazioni dell’energia solare in agricoltura comprendono la coltivazione di piante come il pompaggio di acqua, l’essiccazione di colture, i pulcini nidificanti e l’essiccazione del letame di pollo. Più recentemente la tecnologia è stata adottata dai viticoltori, che utilizzano l’energia generata dai pannelli solari per alimentare le presse per l’uva.
Le serre convertono la luce solare in calore, consentendo la produzione per tutto l’anno e la crescita (in ambienti chiusi) di colture speciali e altre piante non naturalmente adatte al clima locale. Le prime serre furono usate per la prima volta in epoca romana per produrre cocomeri tutto l’anno per l’imperatore romano Tiberio. Le prime serre moderne sono state costruite in Europa nel XVI secolo per mantenere le piante esotiche riportate dalle esplorazioni all’estero. Le serre sono oggi una parte importante dell’orticoltura e anche i materiali plastici sono stati utilizzati per effetti simili nei polytunnel e nei coperchi delle file.
trasporto
Lo sviluppo di un’auto ad energia solare è stato un obiettivo ingegneristico sin dagli anni ’80. Il World Solar Challenge è una gara automobilistica semestrale a energia solare, in cui squadre provenienti da università e imprese competono per oltre 3.021 chilometri (1.877 mi) attraverso l’Australia centrale da Darwin ad Adelaide. Nel 1987, quando fu fondata, la velocità media del vincitore fu di 67 chilometri all’ora (42 miglia all’ora) e nel 2007 la velocità media del vincitore migliorò a 90,87 chilometri all’ora (56,46 miglia all’ora). La North American Solar Challenge e la progettata South African Solar Challenge sono competizioni comparabili che riflettono un interesse internazionale nei veicoli ad energia solare.
Alcuni veicoli utilizzano pannelli solari per l’alimentazione ausiliaria, come l’aria condizionata, per mantenere l’interno fresco, riducendo così il consumo di carburante.
Produzione di carburante
I processi chimici solari utilizzano l’energia solare per generare reazioni chimiche. Questi processi compensano l’energia che altrimenti verrebbe da una fonte di combustibile fossile e convertono anche l’energia solare in combustibili immagazzinabili e trasportabili. Le reazioni chimiche indotte dal sole possono essere suddivise in termochimico o fotochimico. Una varietà di combustibili può essere prodotta mediante la fotosintesi artificiale. La chimica catalitica multielettronica coinvolta nella produzione di carburanti a base di carbonio (come il metanolo) dalla riduzione del biossido di carbonio è difficile; È un’alternativa fattibile alla produzione di idrogeno dai protoni, anche se l’uso dell’acqua come fonte di elettroni (come fanno le piante) richiede la padronanza dell’ossidazione multielettronica di due molecole d’acqua all’ossigeno molecolare. Alcune delle previste centrali solari funzionanti nelle aree metropolitane costiere entro il 2050 – provvedendo alla scissione dell’acqua di mare verso le centrali adiacenti a celle a combustibile e il sottoprodotto dell’acqua pura che entra direttamente nel sistema idrico municipale. Un’altra visione coinvolge tutte le strutture umane che coprono la superficie terrestre (cioè strade, veicoli e edifici) facendo la fotosintesi in modo più efficiente rispetto alle piante.
Le tecnologie di produzione dell’idrogeno sono state una significativa area di ricerca sul solare chimico sin dagli anni ’70. A parte l’elettrolisi condotta da celle fotovoltaiche o fotochimiche, sono stati anche esplorati diversi processi termochimici. Uno di questi percorsi utilizza concentratori per suddividere l’acqua in ossigeno e idrogeno ad alte temperature (2.300-2.600 ° C o 4.200-4.700 ° F). Un altro approccio utilizza il calore dei concentratori solari per guidare la riformazione del vapore del gas naturale. I cicli termochimici caratterizzati dalla decomposizione e dalla rigenerazione dei reagenti presentano un’altra via per la produzione di idrogeno. Il processo di Solzinc in fase di sviluppo presso il Weizmann Institute of Science utilizza un forno solare da 1 MW per decomporre l’ossido di zinco (ZnO) a temperature superiori a 1.200 ° C (2.200 ° F). Questa reazione iniziale produce zinco puro, che può essere fatto reagire con l’acqua per produrre idrogeno.
Metodi di immagazzinamento dell’energia
I sistemi di massa termica possono immagazzinare l’energia solare sotto forma di calore a temperature domestiche utili per durate giornaliere o intersettoriali. I sistemi di stoccaggio termico utilizzano in genere materiali facilmente disponibili con elevate capacità termiche specifiche quali acqua, terra e pietra. I sistemi ben progettati possono ridurre la domanda di picco, spostare le ore di utilizzo e di punta e ridurre i requisiti generali di riscaldamento e raffreddamento.
I materiali a cambiamento di fase come la paraffina e Glauber sono solo un altro mezzo di stoccaggio termico. Questi materiali sono poco costosi, facilmente disponibili e in grado di fornire temperature utili a livello nazionale (circa 64 ° C o 147 ° F). La “Dover House” (a Dover, Massachusetts) fu la prima a utilizzare un sistema di riscaldamento a sale di Glauber, nel 1948. L’energia solare può anche essere immagazzinata ad alte temperature usando sali fusi. I sali sono un mezzo di memorizzazione efficace perché sono economici, hanno un’elevata capacità termica specifica e possono fornire temperature compatibili con i sistemi di alimentazione convenzionali. Il progetto Solar Two ha utilizzato questo metodo di stoccaggio dell’energia, consentendo di immagazzinare 1,44 terajoule (400.000 kWh) nel suo serbatoio di stoccaggio da 68 m³ con un’efficienza di stoccaggio annuale di circa il 99%.
I sistemi fotovoltaici off-grid hanno tradizionalmente usato batterie ricaricabili per immagazzinare l’elettricità in eccesso. Con i sistemi grid-linked, l’elettricità in eccesso può essere inviata alla rete di trasmissione, mentre l’elettricità di rete standard può essere utilizzata per far fronte a carenze. I programmi di misurazione della rete forniscono ai sistemi domestici un credito per l’eventuale elettricità fornita alla rete. Questo viene gestito facendo “rollback” del contatore ogni volta che la casa produce più elettricità di quanta ne consuma. Se l’utilizzo netto di energia elettrica è inferiore allo zero, l’utilità passa al credito del chilowattora al mese successivo. Altri approcci prevedono l’uso di due metri, per misurare l’energia consumata. elettricità prodotta. Ciò è dovuto all’aumento del costo di installazione del secondo contatore. La maggior parte dei misuratori standard sono misure accurate in entrambe le direzioni, rendendo superfluo un secondo contatore.
L’energia idroelettrica con accumulo di pompaggio immagazzina energia sotto forma di acqua pompata quando l’energia è disponibile da un serbatoio di altezza più basso a uno più elevato. L’energia viene recuperata quando la domanda è elevata rilasciando l’acqua, con la pompa che diventa un generatore di energia idroelettrica.
Sviluppo, implementazione ed economia
A partire dall’impennata dell’uso della rivoluzione industriale, il consumo di energia è costantemente passato dal legno e dalla biomassa ai combustibili fossili. Il primo sviluppo delle tecnologie solari iniziò nel 1860 e fu guidato dall’aspettativa che il carbone sarebbe presto diventato scarso. Tuttavia, lo sviluppo delle tecnologie solari è rimasto stazionario all’inizio del XX secolo, con la crescente disponibilità, l’economia e l’utilità del carbone e del petrolio.
L’embargo petrolifero del 1973 e la crisi energetica del 1979 provocarono una riorganizzazione delle politiche energetiche in tutto il mondo e portarono una rinnovata attenzione allo sviluppo di tecnologie solari. Strategie di implementazione focalizzate su programmi di incentivazione come il Programma federale di utilizzo del fotovoltaico negli Stati Uniti. e il programma Sunshine in Giappone. Altri sforzi inclusi nella formazione di strutture di ricerca negli Stati Uniti (SERI, ora NREL), Giappone (NEDO) e Germania (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE).
Gli scaldacqua solari commerciali hanno iniziato a comparire negli Stati Uniti negli anni 1890. Questi sistemi hanno visto un crescente utilizzo fino al 1920 quando sono stati sostituiti da combustibili per riscaldamento più economici e affidabili. Come nel caso del fotovoltaico, il riscaldamento solare dell’acqua attira una rinnovata attenzione a seguito delle crisi petrolifere degli anni ’70, ma gli interessi si sono ridotti negli anni ’80 a causa del calo dei prezzi del petrolio. Il settore del riscaldamento solare dell’acqua è progredito costantemente negli anni ’90 ei tassi di crescita annuali sono in media del 20% dal 1999. È generalmente sottovalutato che il riscaldamento e il riscaldamento dell’acqua solare sono di gran lunga la tecnologia solare più diffusa con una capacità stimata di 154 GW a partire da del 2007.
The International Energy Agency has said that solar energy can make considerable contributions to solving some of the most urgent problems the world now faces:
The development of affordable, inexhaustible and clean solar energy technologies will have huge longer-term benefits. It will increase countries’ energy security through reliance on an indigenous, inexhaustible and mostly import-independent resource, enhance sustainability, reduce pollution, lower the costs of mitigating climate change, and keep fossil fuel prices lower than otherwise. These advantages are global. Hence the additional costs of the incentives for early deployment should be considered learning investments; they must be wisely spent and need to be widely shared.
In 2011, a report by the International Energy Agency found that solar energy technologies such as photovoltaics, solar hot water and concentrated solar power could provide a third of the world’s energy by 2060 if politicians commit to limiting climate change. The energy from the sun could play a key role in de-carbonizing the global economy alongside improvements in energy efficiency and imposing costs on greenhouse gas emitters.