Солнечная энергия — это сияющий свет и тепло от Солнца, которое используется с использованием ряда постоянно развивающихся технологий, таких как солнечное отопление, фотоэлектричество, солнечная тепловая энергия, солнечная архитектура, электролиты с расплавленной солью и искусственный фотосинтез.

Это важный источник возобновляемой энергии, и его технологии широко охарактеризованы как пассивная солнечная или активная солнечная энергия в зависимости от того, как они захватывают и распределяют солнечную энергию или превращают ее в солнечную энергию. Активные солнечные технологии включают использование фотогальванических систем, концентрированной солнечной энергии и солнечного нагрева воды для использования энергии. Пассивные солнечные технологии включают ориентацию здания на Солнце, выбор материалов с благоприятной тепловой массой или светодисперсионных свойств и проектирование пространств, которые, естественно, циркулируют в воздухе.

Большая величина доступной солнечной энергии делает ее очень привлекательным источником электроэнергии. В Программе развития ООН в рамках Всемирной энергетической оценки 2000 года было установлено, что годовой потенциал солнечной энергии составляет 1 575-49 837 экджеджов (EJ). Это в несколько раз больше общего мирового потребления энергии, что в 2012 году составляло 559,8 EJ.

В 2011 году Международное энергетическое агентство заявило, что «развитие доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды, что увеличит энергетическую безопасность стран за счет использования неистощимого и в основном независимого от импорта ресурса, повысить устойчивость, уменьшить загрязнение, снизить затраты на смягчение глобального потепления и снизить цены на ископаемое топливо, чем в противном случае. Эти преимущества являются глобальными. Следовательно, дополнительные затраты на стимулы для раннего развертывания следует рассматривать как инвестиции в обучение, их необходимо разумно потратить и должны быть широко распространены ».

потенциал
Земля получает 174 петаватт (PW) входящего солнечного излучения (инсоляция) в верхней атмосфере. Примерно 30% отражается обратно в космос, а остальные поглощаются облаками, океанами и сухопутными массивами. Спектр солнечного света на поверхности Земли в основном распространяется по видимым и ближним инфракрасным диапазонам с небольшой долей в ультрафиолете. Большая часть населения мира живет в районах с уровнем инсоляции 150-300 Вт / м² или 3,5-7,0 кВт-ч / м² в день.

Солнечное излучение поглощается земной поверхностью Земли, океанами, которые покрывают около 71% земного шара, и атмосферой. Теплый воздух, содержащий испаренную воду из океанов, поднимается, вызывая атмосферную циркуляцию или конвекцию. Когда воздух достигает большой высоты, где температура низка, водяной пар конденсируется в облака, который дождей доходит до поверхности Земли, завершая цикл воды. Скрытая теплота конденсации воды усиливает конвекцию, создавая атмосферные явления, такие как ветер, циклоны и антициклоны. Солнечный свет, поглощаемый океанами и сухопутными массивами, удерживает поверхность при средней температуре 14 ° C. Благодаря фотосинтезу зеленые растения превращают солнечную энергию в химически накопленную энергию, которая вырабатывает пищу, древесину и биомассу, из которой производятся ископаемые виды топлива.

Общая солнечная энергия, поглощаемая земной атмосферой, океанами и сухопутными массивами, составляет приблизительно 3 850 000 экхаджолов (EJ) в год. В 2002 году это было больше энергии за один час, чем мир, используемый в течение одного года. Фотосинтез захватывает около 3000 EJ в год в биомассе. Количество солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, настолько велико, что за один год она примерно в два раза больше, чем когда-либо получаемая от всех невозобновляемых ресурсов Земли угля, нефти, природного газа и добытого урана в сочетании ,

Потенциальная солнечная энергия, которая может быть использована людьми, отличается от количества солнечной энергии, присутствующей вблизи поверхности планеты, потому что такие факторы, как география, изменение времени, облачный покров и земля, доступная для людей, ограничивают количество солнечной энергии, которое мы может приобрести.

География влияет на потенциал солнечной энергии, потому что области, которые ближе к экватору, имеют большее количество солнечной радиации. Однако использование фотовольтаиков, которые могут следовать за положением солнца, может значительно увеличить потенциал солнечной энергии в областях, которые находятся дальше от экватора. Временная вариация влияет на потенциал солнечной энергии, потому что в ночное время на поверхности Земли мало солнечной радиации для поглощения солнечных батарей. Это ограничивает количество энергии, которую солнечные панели могут поглощать за один день. Облачный покров может влиять на потенциал солнечных панелей, потому что облака блокируют входящий свет от солнца и уменьшают свет, доступный для солнечных батарей.

Кроме того, доступность земли оказывает большое влияние на имеющуюся солнечную энергию, поскольку солнечные панели могут устанавливаться только на земле, которая в противном случае не используется и подходит для солнечных батарей. Было установлено, что крыши являются подходящим местом для солнечных батарей, так как многие люди обнаружили, что они могут собирать энергию непосредственно из своих домов таким образом. Другими областями, которые подходят для солнечных элементов, являются земли, которые не используются для предприятий, где могут быть созданы солнечные установки.

Солнечные технологии характеризуются как пассивными, так и активными в зависимости от того, как они захватывают, преобразуют и распределяют солнечный свет и позволяют использовать солнечную энергию на разных уровнях по всему миру, в основном в зависимости от расстояния от экватора. Хотя солнечная энергия относится в первую очередь к использованию солнечной радиации для практических целей, все возобновляемые энергии, кроме геотермальной энергии и силы прилива, получают свою энергию прямо или косвенно от Солнца.

Активные солнечные технологии используют фотоэлектричество, концентрированную солнечную энергию, солнечные тепловые коллекторы, насосы и вентиляторы для преобразования солнечного света в полезные выходы. Пассивные солнечные технологии включают подбор материалов с благоприятными тепловыми свойствами, проектирование пространств, которые, естественно, циркулируют в воздухе, и ссылаются на положение здания на Солнце. Активные солнечные технологии увеличивают поставки энергии и считаются технологиями поставок, в то время как пассивные солнечные технологии уменьшают потребность в альтернативных ресурсах и, как правило, рассматриваются как технологии спроса.

В 2000 году Программа развития Организации Объединенных Наций, Департамент ООН по экономическим и социальным вопросам и Всемирный энергетический совет опубликовали оценку потенциальной солнечной энергии, которая может использоваться людьми каждый год, в которой учитывались такие факторы, как инсоляция, облачный покров и земля, которую можно использовать людям. Оценка показала, что солнечная энергия имеет глобальный потенциал в 1575-49 837 EJ в год (см. Таблицу ниже).

Тепловая энергия
Солнечные тепловые технологии могут использоваться для нагрева воды, обогрева помещений, охлаждения помещений и производства тепловой энергии.

Ранняя коммерческая адаптация
В 1878 году на Всемирной выставке в Париже Августин Мушо успешно продемонстрировал солнечный паровой двигатель, но не смог продолжить развитие из-за дешевого угля и других факторов.

В 1897 году изобретатель, инженер и пионером по солнечной энергии Фрэнк Шуман (Frank Shuman) построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал, отражая солнечную энергию на квадратные ящики, заполненные эфиром, который имеет более низкую температуру кипения, чем вода, и был встроен в черный цвет трубы, которые, в свою очередь, приводили в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман сформировал компанию Sun Power с целью строительства больших солнечных электростанций. Он вместе со своим техническим советником АСЭ Акерманном и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойсом разработал улучшенную систему с использованием зеркал для отражения солнечной энергии на ящиках коллектора, увеличивая тепловую мощность до такой степени, что теперь вместо эфира можно использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, работающий на воде низкого давления, что позволило ему запатентовать всю систему солнечных двигателей к 1912 году.

Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию ​​в Маади, Египет, между 1912 и 1913 годами. Его завод использовал параболические желоба для питания двигателя мощностью 45-52 киловатт (60-70 л.с.), который перекачивал более 22 000 литров (4800 галлонов, 5800 США) воды в минуту от реки Нил до соседних хлопковых полей. Хотя вспышка Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах обескуражили продвижение солнечной энергии, видение Шумана и базовый дизайн были воскрешены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. В 1916 году Шуман цитировался в средствах массовой информации, пропагандирующих использование солнечной энергии, заявив:

Обогрев воды
Солнечные системы горячего водоснабжения используют солнечный свет для нагрева воды. В низких географических широтах (ниже 40 градусов) от 60 до 70% использования горячей воды для бытовых нужд с температурой до 60 ° C может быть обеспечено системами солнечного отопления. Наиболее распространенными типами солнечных водонагревателей являются эвакуированные трубчатые коллекторы (44%) и застекленные плоские пластинчатые коллекторы (34%), обычно используемые для бытовой горячей воды; и неглазурованные пластиковые коллекторы (21%), используемые главным образом для нагрева бассейнов.

По состоянию на 2007 год общая установленная мощность солнечных систем горячей воды составляла около 154 тепловых гигаватт (GWth). Китай является мировым лидером в своем развертывании с 70 ГВт, установленным с 2006 года, и долгосрочной целью 210 ГВт к 2020 году. Израиль и Кипр являются лидерами на душу населения в использовании солнечных систем горячей воды, в которых более 90% домов используются их. В Соединенных Штатах, Канаде и Австралии бассейны с подогревом являются доминирующим применением солнечной горячей воды с установленной мощностью 18 ГВт по состоянию на 2005 год.

Отопление, охлаждение и вентиляция
В Соединенных Штатах системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) составляют 30% (4,65 EJ / год) энергии, используемой в коммерческих зданиях, и почти 50% (10,1 EJ / год) энергии, используемой в жилых зданиях. Технологии солнечного нагрева, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии.

Тепловая масса — это любой материал, который можно использовать для хранения тепла от Солнца в случае солнечной энергии. Общие тепловые материалы включают камень, цемент и воду. Исторически они использовались в засушливых климатах или в теплых регионах с умеренным климатом, чтобы держать здания прохладными, поглощая солнечную энергию в течение дня и излучая накопленное тепло в более прохладную атмосферу ночью. Тем не менее, они могут использоваться в зонах с умеренным климатом, чтобы поддерживать тепло. Размер и расположение тепловой массы зависят от нескольких факторов, таких как климат, дневной свет и условия затенения. При правильном включении тепловая масса поддерживает пространственные температуры в комфортном диапазоне и уменьшает потребность в вспомогательном отопительном и охлаждающем оборудовании.

Солнечная дымовая труба (или тепловая дымовая труба, в этом контексте) представляет собой пассивную систему солнечной вентиляции, состоящую из вертикального вала, соединяющего внутреннее и внешнее пространство здания. Когда дымоход нагревается, воздух внутри нагревается, что вызывает восходящий поток, который тянет воздух через здание. Производительность может быть улучшена за счет использования материалов для остекления и тепловой массы таким образом, чтобы имитировать теплицы.

Лиственные деревья и растения поощрялись как средство контроля солнечного нагрева и охлаждения. Когда они посажены на южной стороне здания в северном полушарии или северной стороне в южном полушарии, их листья оставляют тени летом, а голые конечности позволяют свету проходить зимой. Так как голые, безлистные деревья тень от 1/3 до 1/2 падающего солнечного излучения, есть баланс между преимуществами летнего затенения и соответствующей потерей зимнего отопления. В климатических условиях со значительными нагревательными нагрузками лиственные деревья не должны высаживаться на стороне, обращенной к Экватору, потому что они будут препятствовать достижению зимней солнечной доступности. Однако их можно использовать на восточной и западной сторонах, чтобы обеспечить определенную летнюю затенение без заметного влияния на зимнюю солнечную выгоду.

Готовка
Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризации. Они могут быть сгруппированы по трем широким категориям: кухонные плиты, панельные плиты и рефлекторные плиты. Самая простая солнечная плита — это кухонная плита, впервые построенная Горасом де Соссюром в 1767 году. Базовая кухонная плита состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Он может эффективно использоваться с частично пасмурным небом и обычно достигает температур 90-150 ° C (194-302 ° F). Панельные плиты используют отражающую панель для прямого солнечного света на изолированном контейнере и достигают температур, сопоставимых с кухонными плитами. Рефлекторные плиты используют различные концентрирующие геометрии (тарелка, корыто, зеркала Френеля), чтобы сфокусировать свет на контейнере для приготовления пищи. Эти плиты достигают температуры 315 ° C (599 ° F) и выше, но требуют прямого света для правильной работы и должны быть перемещены для отслеживания Солнца.

Технологическое тепло
Солнечные концентрирующие технологии, такие как параболические тарелки, корыта и отражатели Scheffler, могут обеспечить технологическое тепло для коммерческих и промышленных применений. Первой коммерческой системой был проект Solar Total Energy (STEP) в Шенандоахе, штат Джорджия, США, где поле из 114 параболических блюд обеспечивало 50% процесса нагрева, кондиционирования и электрических требований для швейной фабрики. Эта система когенерации, подключенная к сети, обеспечила 400 кВт электроэнергии плюс тепловую энергию в виде 401 кВт пара и 468 кВт охлажденной воды и имела одночасовую тепловую память с максимальной нагрузкой. Испарительные пруды представляют собой мелкие бассейны, которые концентрируют растворенные твердые вещества через испарение. Использование испарительных прудов для получения соли из морской воды является одним из старейших применений солнечной энергии. Современное использование включает концентрацию растворов соляного раствора, используемых в добыче выщелачивания, и удаление растворенных твердых веществ из потоков отходов. Линии одежды, ковры для одежды и вешалки для одежды сушат одежду путем испарения ветром и солнечным светом, не потребляя электричество или газ. В некоторых штатах законодательство Соединенных Штатов защищает «право на сухую» одежду.

Очистка воды
Солнечная дистилляция может быть использована для приготовления соляной или солоноватой воды. Первым зарегистрированным примером этого были арабские алхимики 16-го века. Крупномасштабный проект солнечной дистилляции был впервые построен в 1872 году в чилийском шахтерском городе Лас Салинас. Завод, который имел площадь сбора солнечной энергии площадью 4700 м2 (51 000 кв. Футов), мог производить до 22 700 л (5000 галлонов, 6 000 американских галлонов) в день и работать в течение 40 лет. Индивидуальные конструкции по-прежнему включают в себя односкатные, двунаправленные (или тепличные), вертикальные, конические, перевернутые поглотители, мульти-фитильные и множественные эффекты. Эти кадры могут работать в пассивном, активном или гибридном режимах. Двойные наклонные кадры являются наиболее экономичными для децентрализованных внутренних целей, в то время как активные множественные блоки эффектов более подходят для широкомасштабных приложений.

Дезинфекция солнечной воды (SODIS) предусматривает экспозицию бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ), наполненных водой, до солнечного света в течение нескольких часов. Время экспозиции варьируется в зависимости от погоды и климата от минимум шести часов до двух дней во время полностью пасмурных условий. Он рекомендован Всемирной организацией здравоохранения как жизнеспособный метод очистки воды в домашних условиях и безопасного хранения. Более двух миллионов человек в развивающихся странах используют этот метод для ежедневной питьевой воды.

Солнечная энергия может использоваться в водоохлаждаемом водоеме для очистки сточных вод без химических веществ или электричества. Еще одним преимуществом окружающей среды является то, что водоросли растут в таких прудах и потребляют углекислый газ при фотосинтезе, хотя водоросли могут производить токсичные химические вещества, которые делают воду непригодной для использования.

Технология расплавленной соли
Расплавленную соль можно использовать в качестве способа хранения тепловой энергии для сохранения тепловой энергии, собранной солнечной башней или солнечной желобой концентрированной солнечной электростанции, чтобы ее можно было использовать для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в проекте Solar Two с 1995 по 1999 год. Предполагается, что система будет иметь годовой КПД 99%, ссылку на энергию, сохраненную путем хранения тепла, прежде чем превращать его в электричество, вместо прямого преобразования тепла в электричество. Смеси расплавленной соли меняются. Самая распространенная смесь содержит нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция. Он является негорючим и нетоксичным и уже используется в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя, поэтому опыт использования таких систем существует в не-солнечных приложениях.

Соль плавится при 131 ° C (268 ° F). Его поддерживают при 288 ° C (550 ° F) в изолированном «холодном» резервуаре. Жидкую соль прокачивают через панели в солнечном коллекторе, где сфокусированное солнце нагревает его до 566 ° C (1,051 ° F). Затем он отправляется в горячий резервуар. Это настолько хорошо изолировано, что тепловая энергия может быть с пользой храниться в течение недели.

Когда требуется электричество, горячая соль закачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара для турбины / генератора, который используется в любых традиционных угольных, нефтяных или атомных электростанциях. Для турбины мощностью 100 мегаватт понадобится резервуар диаметром около 9,1 метра (30 футов) и диаметром 24 метра (79 футов), чтобы проехать в течение четырех часов по этой конструкции.

Несколько параболических электростанций в Испании и разработчик солнечной энергии Tower SolarReserve используют эту концепцию хранения тепловой энергии. Станция солана в США имеет шесть часов хранения расплавленной солью. Завод «Мария-Елена» — это тепловой солнечный комплекс мощностью 400 МВт в северном чилийском регионе Антофагаста с использованием технологии солевых солей.

Производство электроэнергии
Солнечная энергия — это преобразование солнечного света в электричество, либо непосредственно с использованием фотогальваники (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии (CSP). Системы CSP используют объективы или зеркала и системы слежения, чтобы фокусировать большую область солнечного света на небольшой луч. PV преобразует свет в электрический ток, используя фотоэлектрический эффект.

Ожидается, что солнечная энергия станет крупнейшим в мире источником электроэнергии к 2050 году, с солнечной фотогальваникой и концентрированной солнечной энергией, что составит 16 и 11 процентов к глобальному общему потреблению, соответственно. В 2016 году, после еще одного года быстрого роста, солнечная энергия произвела 1,3% мировой мощности.

Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Фабрика солнечной энергии Ivanpah мощностью 392 МВт, в пустыне Мохаве в Калифорнии, является крупнейшей в мире солнечной электростанцией. Другие крупные концентрированные солнечные электростанции включают солнечную электростанцию ​​Солнечной электростанции мощностью 150 МВт и солнечную электростанцию ​​Andasol мощностью 100 МВт, как в Испании. 250 МВт Agua Caliente Solar Project, в Соединенных Штатах и ​​221 МВт Charanka Solar Park в Индии, являются крупнейшими в мире фотогальваническими установками. В настоящее время разрабатываются солнечные проекты, превышающие 1 ГВт, но большая часть развернутых фотоэлектрических элементов находится в небольших крышных массивах мощностью менее 5 кВт, которые подключены к сетке с использованием чистого учета и / или тарифа на подачу.

Фотоэлементы
В последние два десятилетия фотовольтаика (PV), также известная как солнечная фотоэлектрическая энергия, эволюционировала от чистого нишевого рынка небольших приложений к тому, чтобы стать основным источником электроэнергии. Солнечный элемент — это устройство, которое преобразует свет непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта. Первый солнечный элемент был построен Чарльзом Фриттом в 1880-х годах. В 1931 году немецкий инженер, доктор Бруно Ланге, разработал фотоэлемент, используя серебристый селенид вместо оксида меди. Хотя прототипные клетки селена превратили менее 1% падающего света в электричество, как Эрнст Вернер фон Сименс, так и Джеймс Клерк Максвелл признали важность этого открытия. Следуя работе Рассела Ола в 1940-х годах, исследователи Джеральд Пирсон, Кальвин Фуллер и Дарил Чапин создали солнечный элемент из кристаллического кремния в 1954 году. Эти ранние солнечные элементы стоили 286 долларов США / ватт и достигали эффективности 4,5-6%. К 2012 году эффективная эффективность превысила 20%, а максимальная эффективность исследовательской фотогальваники превысила 40%.

Концентрированная солнечная энергия
В системах с концентрированной солнечной энергией (CSP) используются линзы или зеркала и системы слежения, чтобы фокусировать большую область солнечного света на небольшой луч. Концентрированное тепло затем используется в качестве источника тепла для обычной электростанции. Существует широкий спектр концентрирующих технологий; наиболее развитыми являются параболический желоб, концентрирующий линейный рефлектор Френеля, тарелка Стирлинга и башня солнечной энергии. Различные методы используются для отслеживания Солнца и фокуса. Во всех этих системах рабочая жидкость нагревается концентрированным солнечным светом и затем используется для выработки электроэнергии или хранения энергии.

Архитектура и градостроительство
Солнечный свет повлиял на дизайн здания с самого начала истории архитектуры. Продвинутая солнечная архитектура и методы городского планирования были впервые применены греками и китайцами, которые ориентировали свои здания на юг, чтобы обеспечить свет и тепло.

Общими чертами пассивной солнечной архитектуры являются ориентация относительно Солнца, компактная пропорция (низкое отношение площади поверхности к объему), избирательное затенение (выступы) и тепловая масса. Когда эти функции адаптированы к местному климату и окружающей среде, они могут создавать хорошо освещенные пространства, которые остаются в комфортном температурном диапазоне. «Megaron House» Сократа является классическим примером пассивного солнечного дизайна. Самые последние подходы к солнечному дизайну используют компьютерное моделирование, объединяющее солнечное освещение, системы отопления и вентиляции в интегрированном пакете солнечного дизайна. Активное солнечное оборудование, такое как насосы, вентиляторы и переключаемые окна, может дополнять пассивный дизайн и улучшать производительность системы.

Городские тепловые острова (UHI) являются мегаполисами с более высокими температурами, чем температура окружающей среды. Более высокие температуры обусловлены увеличением поглощения солнечной энергии городскими материалами, такими как асфальт и бетон, которые имеют более низкие альбедо и более высокие теплоемкости, чем в естественной среде. Прямым методом противодействия эффекту UHI является окраска зданий и дорог в белый цвет, а также посадка деревьев в этом районе. Используя эти методы, гипотетическая программа «крутых сообществ» в Лос-Анджелесе прогнозирует, что температура в городах может быть уменьшена примерно на 3 ° C по ориентировочной стоимости в 1 млрд. Долл. США, с учетом предполагаемых общих годовых выгод от 530 млн. Долл. США из-за снижения кондиционирования воздуха затрат и экономии средств.

Сельское хозяйство и садоводство
Сельское хозяйство и садоводство стремятся оптимизировать захват солнечной энергии, чтобы оптимизировать производительность растений. Такие методы, как временные циклы посадки, ориентированная ориентация на ряд, ступенчатая высота между рядами и смешение сортов растений, могут улучшить урожайность сельскохозяйственных культур. В то время как солнечный свет обычно считается обильным ресурсом, исключения подчеркивают важность солнечной энергии для сельского хозяйства. В течение коротких вегетационных периодов Маленького ледникового периода французские и английские фермеры использовали плодовые стены, чтобы максимизировать сбор солнечной энергии. Эти стены действовали как тепловые массы и ускоряли созревание, сохраняя заводы теплыми. Ранние плоские стены были построены перпендикулярно земле и обращены на юг, но со временем были разработаны наклонные стены, чтобы лучше использовать солнечный свет. В 1699 году Николас Фатио де Дуйлье даже предложил использовать механизм слежения, который мог бы поворачиваться, чтобы следовать за Солнцем. Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве, помимо выращивания сельскохозяйственных культур, включает в себя перекачивание воды, высушивание зерновых культур, пчеловодство и высушивание куриного навоза. Совсем недавно технология была охвачена виноделами, которые используют энергию, вырабатываемую солнечными батареями, для питания виноградных прессов.

Теплицы преобразуют солнечный свет в тепло, обеспечивая круглогодичное производство и рост (в закрытых средах) специальных культур и других растений, не соответствующих естественному климату. Первобытные теплицы впервые использовались в римские времена для производства огурцов круглый год для римского императора Тиберия. Первые современные теплицы были построены в Европе в 16 веке, чтобы сохранить экзотические растения, привезенные из исследований за рубежом. Сегодня теплицы остаются важной частью садоводства, а пластиковые прозрачные материалы также используются для подобного эффекта в политуннелях и рядовых покрытиях.

Транспорт
Развитие автомобиля с солнечной батареей является инженерной задачей с 1980-х годов. World Solar Challenge — двухгодичная гонка на солнечных батареях, где команды из университетов и предприятий конкурируют более чем в 3,021 километрах (1,877 мили) по центральной Австралии от Дарвина до Аделаиды. В 1987 году, когда он был основан, средняя скорость победителя составляла 67 километров в час (42 мили в час), а к 2007 году средняя скорость победителя улучшилась до 90,87 километров в час (56,46 миль / ч). Североамериканская солнечная проблема и запланированная южноафриканская солнечная проблема — это сопоставимые соревнования, которые отражают международный интерес к разработке и разработке солнечных батарей.

Некоторые транспортные средства используют солнечные батареи для вспомогательной энергии, например, для кондиционирования воздуха, чтобы поддерживать охлаждение в салоне, тем самым снижая расход топлива.

Производство топлива
Солнечные химические процессы используют солнечную энергию для стимулирования химических реакций. Эти процессы компенсируют энергию, которая в противном случае исходила бы от источника ископаемого топлива, а также могла бы превращать солнечную энергию в накопительные и транспортируемые топлива. Солнечные индуцированные химические реакции можно разделить на термохимические или фотохимические. Искусственный фотосинтез может быть изготовлен различными видами топлива. Многоэлектронная каталитическая химия, участвующая в превращении углеродсодержащих топлив (таких как метанол) из восстановления двуокиси углерода, является сложной; Возможная альтернатива — производство водорода из протонов, хотя использование воды в качестве источника электронов (как это делают растения) требует усвоения многоэлектронного окисления двух молекул воды молекулярному кислороду. Некоторые предположили, что к 2050 году будут работать солнечные топливные заводы в прибрежных мегаполисах — расщепление морской воды, обеспечивающее проход водорода через соседние топливные электростанции и побочный продукт чистой воды, поступающий непосредственно в муниципальную систему водоснабжения. Другое видение включает в себя все человеческие структуры, покрывающие земную поверхность (т. Е. Дороги, транспортные средства и здания), делающие фотосинтез более эффективно, чем растения.

Технологии производства водорода были важной областью исследований солнечных химических веществ с 1970-х годов. Помимо электролиза, приводимого в действие фотогальваническими или фотохимическими ячейками, было также изучено несколько термохимических процессов. Один из таких маршрутов использует концентраторы для разделения воды на кислород и водород при высоких температурах (2300-2600 ° C или 4200-4700 ° F). Другой подход использует тепло от солнечных концентраторов для обеспечения регенерации природного газа природным газом, тем самым увеличивая общий выход водорода по сравнению с обычными способами реформинга. Термохимические циклы, характеризующиеся разложением и регенерацией реагентов, представляют собой еще один способ получения водорода. В процессе разработки Solzinc в Институте науки Вейцмана используется солнечная печь мощностью 1 МВт для разложения оксида цинка (ZnO) при температурах выше 1200 ° C (2200 ° F). Эта исходная реакция дает чистый цинк, который затем может быть подвергнут реакции с водой для получения водорода.

Способы хранения энергии
Системы тепловой массы могут хранить солнечную энергию в виде тепла при температуре, приемлемой внутри страны, для ежедневной или межсезонной продолжительности. Системы теплового хранения обычно используют легкодоступные материалы с высокой удельной теплоемкостью, такие как вода, земля и камень. Хорошо спроектированные системы могут снизить пиковый спрос, сократить время использования до внепиковых часов и снизить общие требования к нагреву и охлаждению.

Материалы с фазовым изменением, такие как парафиновый воск и соль Глаубера, являются еще одной теплоносителем. Эти материалы являются недорогими, доступными и могут обеспечивать приемлемые внутри страны температуры (приблизительно 64 ° C или 147 ° F). «Довер Хаус» (в Довере, штат Массачусетс) впервые использовал систему подогрева соли Глаубера в 1948 году. Солнечная энергия также может храниться при высоких температурах с использованием расплавленных солей. Соли являются эффективным средством хранения, поскольку они являются недорогими, имеют высокую удельную теплоемкость и могут обеспечивать тепло при температурах, совместимых с обычными системами электропитания. Проект Solar Two использовал этот метод хранения энергии, позволяя ему хранить 1,44 тераджоуль (400 000 кВтч) в емкостях емкостью 68 м³ с ежегодной эффективностью хранения около 99%.

Неэлектрические фотоэлектрические системы традиционно используют перезаряжаемые батареи для хранения избыточного электричества. В сетчатых системах избыточное электричество может быть отправлено в сетку передачи, а стандартное сетевое электричество может использоваться для удовлетворения недостатков. Чистые измерительные программы дают домашним системам кредит на любую электроэнергию, которую они доставляют в сеть. Это обрабатывается путем «опрокидывания» счетчика, когда дом производит больше электроэнергии, чем потребляет. Если использование чистого электричества ниже нуля, утилита затем перевернет кредит на киловатт-час в следующем месяце. Другие подходы предполагают использование двух метров для измерения потребляемой электроэнергии против произведенной электроэнергии. Это реже из-за увеличенной стоимости установки второго метра. Большинство стандартных метров точно измеряют в обоих направлениях, делая второй метр ненужным.

Гидроэнергетика с накачным хранением хранит энергию в виде перекачиваемой воды, когда энергия поступает из нижнего резервуара возвышения к более высокому уровню. Энергия восстанавливается, когда спрос высок, высвобождая воду, при этом насос становится гидроэлектрическим генератором.

Разработка, внедрение и экономика
Начиная с роста потребления угля, который сопровождал Промышленную революцию, потребление энергии неуклонно переходило от древесины и биомассы к ископаемым видам топлива. Раннее развитие солнечных технологий, начавшееся в 1860-х годах, было обусловлено ожиданием того, что вскоре уголь станет дефицитным. Тем не менее, развитие солнечных технологий застопорилось в начале 20-го века перед лицом растущей доступности, экономии и полезности угля и нефти.

Нефтяное эмбарго 1973 года и энергетический кризис 1979 года вызвали реорганизацию энергетической политики во всем мире и вновь привлекли внимание к разработке солнечных технологий. Стратегии развертывания были сосредоточены на программах стимулирования, таких как Федеральная программа использования фотовольтаики в США и Программа Sunshine в Японии. Другие усилия включали создание исследовательских объектов в США (SERI, теперь NREL), Японии (NEDO) и Германии (Институт солнечноэнергетических систем ISE) Фраунгофера.

Коммерческие солнечные водонагреватели начали появляться в Соединенных Штатах в 1890-х годах. Эти системы все чаще использовались до 1920-х годов, но постепенно заменялись более дешевыми и надежными отопительными топливами. Как и в случае с фотогальваникой, солнечное водонагревание привлекло повышенное внимание в результате нефтяных кризисов в 1970-х годах, но интерес снизился в 1980-х годах из-за падения цен на нефть. Развитие в секторе солнечного водонагрева непрерывно продолжалось в течение 1990-х годов, а ежегодные темпы роста в среднем составляли 20% с 1999 года. Несмотря на то, что в целом недооценивается, нагрев и охлаждение солнечной воды на сегодняшний день являются наиболее широко используемыми солнечными технологиями с оценочной пропускной способностью 154 ГВт 2007.

Международное энергетическое агентство заявляет, что солнечная энергия может внести значительный вклад в решение некоторых из самых неотложных проблем, с которыми сталкивается мир:

развитие доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь большие долгосрочные выгоды. Это увеличит энергетическую безопасность стран за счет использования ресурсов коренных народов, неиссякаемых и в основном независимых от импорта ресурсов, повысит устойчивость, сократит загрязнение, снизит затраты на смягчение последствий изменения климата и снизит цены на ископаемое топливо, чем в противном случае. Эти преимущества глобальны. Следовательно, дополнительные затраты на стимулы для раннего развертывания следует рассматривать как инвестиции в обучение; они должны быть разумно потрачены и должны быть широко распространены.

В 2011 году в докладе Международного энергетического агентства было установлено, что солнечные энергетические технологии, такие как фотоэлектричество, солнечная горячая вода и концентрированная солнечная энергия, могут обеспечить треть мировой энергии к 2060 году, если политики возьмут на себя обязательство ограничить изменение климата. Энергия солнца может играть ключевую роль в декарбонизации мировой экономики наряду с повышением энергоэффективности и наложением затрат на выбросы парниковых газов.