Sluneční energie je energie ze Slunce ve formě záření a světla. Tato energie z velké části řídí klima a počasí a je základem života. Technologie využívající sluneční energii se nazývá solární energie .
174 PW slunečního záření ( insolace ) neustále vstupuje do horních vrstev zemské atmosféry [1] . Asi 6 % slunečního záření se odráží od atmosféry , 16 % je absorbováno. Střední vrstvy atmosféry v závislosti na povětrnostních podmínkách (oblačnost, prach, znečištění atmosféry) odrážejí až 20 % slunečního záření a absorbují 3 %.
Atmosféra nejenže snižuje množství sluneční energie dopadající na zemský povrch, ale také rozptyluje asi 20 % toho, co přichází dovnitř, a filtruje část jejího spektra. Po průchodu atmosférou je asi polovina slunečního záření ve viditelné části spektra . Druhá polovina je převážně v infračervené části spektra. Pouze malá část tohoto slunečního záření je způsobena ultrafialovým zářením [2] [3] .
Sluneční záření je pohlcováno zemským povrchem, oceány (pokrývají asi 71 % zemského povrchu) a atmosférou. Absorpce sluneční energie prostřednictvím atmosférické konvekce , vypařování a kondenzace vodní páry je hnací silou koloběhu vody a pohání větry. Sluneční paprsky pohlcované oceánem a pevninou udržují na zemském povrchu průměrnou teplotu, která je nyní 14 °C [4] . Prostřednictvím rostlinné fotosyntézy lze sluneční energii přeměnit na chemickou energii, která se ukládá jako potrava, dřevo a biomasa , která se nakonec změní na fosilní paliva [5] .
Sluneční energie je zdrojem energie větru, vody, mořského tepla, biomasy a také příčinou vzniku rašeliny, hnědého a uhlí, ropy a zemního plynu v průběhu tisíciletí , ale tato nepřímá energie byla nashromážděna přes tisíce a miliony let. Sluneční energii lze také přímo využít jako zdroj elektřiny a tepla. K tomu je nutné vytvořit zařízení, která koncentrují energii Slunce na malé plochy a v malých objemech.
Celkové množství sluneční energie absorbované atmosférou, povrchem země a oceánem je přibližně 3 850 000 exajoulů (EJ) za rok [6] . To poskytuje více energie za jednu hodinu než celý svět spotřebovaný za celý rok 2002 [7] [8] . Fotosyntéza spotřebuje na produkci biomasy asi 3 000 EJ ročně [9] . Množství sluneční energie, které se dostane na zemský povrch, je tak velké, že za rok přibližně zdvojnásobí veškerou energii, kterou lze potenciálně vyrobit ze všech neobnovitelných zdrojů: uhlí, ropy, uranových rud [10] .
„Roční příkon slunečního záření a spotřeba lidské energie“ 1 | ||
---|---|---|
slunce | 3 850 000 | [6] |
vítr | 2250 | [jedenáct] |
Potenciál biomasy | ~200 | [12] |
Světová spotřeba energie 2 | 539 | [13] |
Elektřina 2 | ~67 | [čtrnáct] |
1 Množství energie v exajoulech, 1 EJ = 10 18 J = 278 TWh 2 Spotřeba k roku 2010 |
Množství sluneční energie, kterou může člověk potenciálně využít, se liší od množství energie, která se nachází v blízkosti zemského povrchu. Faktory jako denní/noční cykly, oblačnost a dostupný povrch země snižují množství energie dostupné pro použití.
Geografická poloha ovlivňuje energetický potenciál, protože oblasti blíže rovníku dostávají více slunečního záření. Použití fotovoltaických zařízení , která mohou měnit svou orientaci podle polohy Slunce na obloze, však může výrazně zvýšit potenciál sluneční energie v oblastech vzdálených od rovníku. [patnáct]
Dostupnost půdy výrazně ovlivňuje potenciální produkci energie, protože solární panely lze instalovat pouze na pozemcích, které jsou k tomu vhodné a nejsou využívány k jiným účelům. Vhodným místem pro instalaci panelů jsou například střechy [15] .
Solární systémy se dělí na aktivní a pasivní, podle způsobu absorbování sluneční energie, jejího zpracování a distribuce.
Aktivní solární technologie využívají fotovoltaiku, koncentrovanou sluneční energiisolární kolektory čerpadla a ventilátory k přeměně slunečního záření na užitečný energetický výstup Pasivní solární technologie zahrnují použití materiálů s příznivými tepelnými charakteristikami, návrh místností s přirozenou cirkulací vzduchu a výhodnou polohu budov vůči poloze Slunce. Aktivní solární technologie zvyšují dodávky energie, zatímco pasivní solární technologie snižují potřebu dalších zdrojů energie [16] .
V roce 2000 Rozvojový program OSN , Ministerstvo ekonomických a sociálních věcí OSN a Světová energetická rada zveřejnily hodnocení potenciálu solární energie, kterou může lidstvo získat, s přihlédnutím k faktorům, jako je sluneční záření, oblačnost a dostupná půda. povrch. Hodnocení ukázalo, že globální potenciál solární energie je 1,575-49,837 EJ za rok "(viz tabulka níže)" [15] .
Kraj | Severní Amerika | Latinská Amerika a Karibik | západní Evropa | střední a východní Evropy | Země bývalého Sovětského svazu | Střední východ a severní Afrika | Subsaharská Afrika | Tichomoří Asie | Jížní Asie | Centrálně plánovaná Asie | Pacifická OECD |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Minimální | 181,1 | 112,6 | 25.1 | 4.5 | 199,3 | 412,4 | 371,9 | 41,0 | 38.8 | 115,5 | 72,6 |
Maximum | 7410 | 3 385 | 914 | 154 | 8 655 | 11 060 | 9 528 | 994 | 1 339 | 4 135 | 2263 |
V této době fungují topná zařízení, která akumulují solární energii, a také prototypy elektromotorů a automobilů využívajících sluneční energii.
Předpokládá se, že solární energie nebude do konce století představovat více než 1 % celkové spotřeby energie. Již v roce 1870 bylo v Chile postaveno solární zařízení na odsolování mořské vody , které produkovalo až 30 tun sladké vody denně a fungovalo více než 40 let. Díky použití heteropřechodů dosahuje účinnost solárních článků již 25 %. Byla zahájena výroba solárních baterií ve formě dlouhé polykrystalické silikonové pásky, které mají účinnost více než 10 %.
Technologie využívající tepelnou energii slunce lze využít pro ohřev vody, vytápění, chlazení prostor a výrobu procesního tepla [17] .
V roce 1897 Frank Schumann , americký vynálezce , inženýr a průkopník ve využití sluneční energie, sestrojil malý demonstrační solární motor, jehož princip spočíval v tom, že se sluneční světlo odráželo na čtvercové nádoby naplněné éterem, který měl nižší bod varu než voda. Uvnitř byly nahnány černé trubky až ke kontejnerům, které uvedly parní stroj do pohybu. V roce 1908 Schumann založil společnost Sun Power Company, která měla stavět velké instalace využívající solární energii. Společně se svým technickým poradcem A. C. E. Ackermanem a britským fyzikem Charlesem Vernonem Boysem [18] vyvinul Schumann vylepšený systém využívající systém zrcadel, která odrážela sluneční paprsky na solární kolektorové boxy , čímž se zvýšila účinnost ohřevu na úroveň, na kterou by mohl éter. použít místo éteru, vody. Schuman poté postavil parní stroj v plném měřítku, který běžel na nízkotlakou vodu. To mu dalo v roce 1912 příležitost patentovat celý solární systém.
V letech 1912 až 1913 postavil Schuman ve městě Maadi Egypt první solární tepelnou elektrárnu na světě . Elektrárna Shumanow používala parabolický žlabový koncentrátor k pohonu motoru o výkonu 45–52 kW, který pumpoval přes 22 000 litrů vody za minutu z řeky Nilu do blízkých bavlníkových polí. Ačkoli první světová válka a objev levné ropy ve 30. letech zabránily dalšímu rozvoji solární energie, Schumannova vize a základní design byly oživeny v 70. letech s novou vlnou zájmu o solární termální energii [19] . V roce 1916 tisk často citoval Schumanna, jak obhajuje využití solární energie:
Prokázali jsme, že využití solární energie může být v tropech komerčně životaschopné, a co víc, dokázali jsme, že po vyčerpání zásob ropy a uhlí dostane lidstvo nevyčerpatelný zdroj energie v podobě slunečního záření.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Prokázali jsme komerční zisk sluneční energie v tropech a konkrétněji jsme dokázali, že po vyčerpání našich zásob ropy a uhlí může lidská rasa přijímat neomezenou energii ze slunečních paprsků.
40
Frank Schumann
New York Times, 2. července 1916 [20]
V nízkých zeměpisných šířkách (pod 40 stupňů) lze 60 až 70 % veškeré teplé užitkové vody s teplotami do 60 °C zajistit solárními systémy ohřevu vody [21] . Nejběžnější typy solárních ohřívačů vody jsou: vakuové trubicové kolektory (44 %) a ploché kolektory (34 %), které se běžně používají pro ohřev teplé užitkové vody; i průhledné plastové kolektory (21 %), které se používají především k ohřevu bazénů [22] .
K roku 2007 byl celkový instalovaný výkon solárních systémů na ohřev vody přibližně 154 tepelných GW. [23] Čína je světovým lídrem v této oblasti, v roce 2006 instalovala 70 GW tepelné energie a do roku 2020 si klade za cíl dosáhnout 210 GW tepelné energie [24] . Izrael a Kyperská republika jsou světovými lídry v používání solárních systémů pro ohřev vody na obyvatele, přičemž 90 % domácností je má instalováno [25] . V USA, Kanadě a Austrálii slouží solární ohřívače vody převážně k ohřevu bazénů, s instalovaným výkonem od roku 2005 asi 18 GW termální [16] .
V USA představuje HVAC 30 % (4,65 EJ/rok) energie použité v komerčních budovách a téměř 50 % (10,1 EJ/rok) energie použité v obytných budovách [26] [27] . K vyrovnání části této energie lze použít solární systémy vytápění, chlazení a ventilace.
Tepelná hmota je jakýkoli materiál, který lze použít k akumulaci tepla, zejména solární. Mezi materiály, které mohou fungovat jako tepelná hmota, patří kámen, cement a voda. V průběhu historie se používaly v suchém nebo teplém podnebí k udržení chladu v místnostech, protože během dne absorbují sluneční energii a v noci uvolňují uložené teplo. Lze je však použít i v chladných oblastech k udržení tepla. Velikost a umístění tepelné hmoty závisí na několika faktorech, jako je klima, poměr doby expozice slunce a expozice ve stínu. Pokud je tepelná hmota správně umístěna, udržuje pokojovou teplotu v komfortním rozsahu a snižuje potřebu dalších topných a chladicích zařízení [28] .
Solární komín (nebo v tomto kontextu tepelný komín) je pasivní solární ventilační systém sestávající z vertikální šachty, která spojuje vnitřní a vnější stranu budovy. Pokud se komín zahřeje, ohřeje se i vzduch uvnitř, což způsobí, který táhne vzduch domemJeho výkon lze zlepšit použitím neprůhledných materiálů a tepelné hmoty [29] způsobem, který připomíná skleník.
Listnaté rostliny byly navrženy jako způsob řízení solárního ohřevu a chlazení. Pokud rostou na jižní straně budovy na severní polokouli nebo na severní straně budovy na jižní polokouli, jejich listy poskytují stín v létě, zatímco holé kmeny propouštějí sluneční paprsky bez překážek v zimě [ 30] .
Solární pece využívají sluneční světlo k vaření, sušení a pasterizaci . Lze je rozdělit do tří širokých kategorií: komorové pece ( anglicky krabicové sporáky ), panelové pece ( anglické panelové sporáky ) a reflexní pece ( anglicky reflektorové sporáky ) [31] . Nejjednodušší solární pec je komorová pec, kterou jako první postavil Horace Benedict de Saussure v roce 1767 [32] . Jednoduchá komorová pec se skládá z izolované nádoby s průhledným víkem. Lze jej efektivně použít při částečně zatažené obloze a běžně dosahuje teplot 90-150 °C [33] . Panelová pec pomocí reflexního panelu nasměruje sluneční paprsky na izolovanou nádobu a dosáhne teploty srovnatelné s komorovou pecí. Reflektorové pece používají různé geometrie reflektorů (miska, koryto, Fresnelova zrcadla ) k zaostření paprsků na nádobu. Tyto pece dosahují teploty 315°C, ale vyžadují přímý paprsek a musí být přemístěny, když Slunce mění polohu [34] .
Solární koncentrační systémy, jako jsou parabolické talíře, žlaby a Schefflerovy reflektory, mohou poskytovat procesní teplo pro komerční a průmyslové aplikace. První komerční systém byl Total Solar Energy Project v Shenandoah, Georgia, USA, kde pole 114 parabolických táců zajišťovalo 50 % procesního tepla, vzduchové ventilace a požadavků na energii pro oděvní továrnu. Tato kogenerační jednotka napojená na síť poskytovala 400 kW elektřiny i tepelné energie ve formě 401 wattů páry a 468 kW chlazené vody a zajišťovala akumulaci tepla s jednoročním špičkovým zatížením [35] . Odpařovací jezírka jsou mělké bazény, které koncentrují pevné látky rozpuštěné ve vodě pomocí odpařování . Používání odpařovacích nádrží k získávání soli z mořské vody je jedním z nejstarších způsobů využití solární energie. Mezi moderní aplikace patří: zvýšení koncentrace solí při těžbě kovů loužením , stejně jako odstraňování pevných látek z odpadních vod [36] . Se šňůrami , sušákem a ramínkami se prádlo suší procesem odpařování pod vlivem větru a slunečního záření bez spotřeby elektřiny a plynu. Některé státní zákony dokonce výslovně chrání „právo sušit“ oblečení . Neglazované průsvitné kolektory ( UTC ) jsou perforované stěny ("kolektorová stěna") směřující ke slunci, sloužící k předehřívání větracího vzduchu. UTC může zvýšit teplotu vstupního vzduchu na 22 °C (40 °F) a zajistit teplotu výstupního vzduchu 45 °C (81 °F) - 60 °C (108 °F) . [38] Krátká doba návratnosti (3 až 12 let) činí kolektory s průsvitem finančně výhodnější než prosklené sběrné systémy [38] . V roce 2003 bylo po celém světě instalováno více než 80 systémů s celkovou plochou kolektoru 35 000 m2, včetně kolektoru 860 m2 v Kostarice pro sušení kávových zrn a 1300 m2 kolektoru v Coimbatore (Indie) pro sušení měsíčků [39] .
Solární odsolování lze použít k přeměně slané nebo brakické vody na vodu pitnou. Poprvé byl příklad takové transformace zaznamenán arabskými alchymisty 16. století [40] . První rozsáhlý solární projekt odsolování byl postaven v roce 1872 v chilském hornickém městě Las Salinas [41] . Závod, který měl plochu solárních kolektorů 4700 m2, dokázal vyrobit až 22 700 litrů pitné vody a zůstal v provozu 40 let [41] . Vlastní návrhy pevných prvků zahrnují jednoduchý sklon, dvojitý sklon (skleníkový nebo standardní), vertikální, kónický, obrácené absorbéry, multiwick a více efektů. . [40] . Tyto vodárny mohou pracovat v pasivním, aktivním a hybridním režimu. Jednotky s dvojitým sklonem jsou nákladově nejefektivnější pro potřeby decentralizovaných domácností, zatímco aktivní jednotky s více efekty jsou vhodnější pro projekty velkého rozsahu [40] .
Pro solární dezinfekci se voda nalije do průhledných PET lahví a umístí se na několik hodin na sluneční světlo [42] . Doba dezinfekce závisí na klimatických a povětrnostních podmínkách, minimálně 6 hodin až 2 dny, pokud je obloha zcela pokryta mraky [43] . Tato metoda byla doporučena Světovou zdravotnickou organizací jako cenově dostupná metoda pro domácí úpravu vody a její bezpečné skladování [44] . Více než 2 miliony lidí v rozvojových zemích používají tuto metodu každý den k úpravě pitné vody [43] .
Solární energii lze využít v usazovacích nádržích k čištění odpadních vod bez použití chemikálií a nákladů na energii. Dalším přínosem pro životní prostředí je, že řasy žijí v takových rybnících a spotřebovávají oxid uhličitý prostřednictvím fotosyntézy, ačkoli mohou produkovat toxické látky, které činí vodu nevhodnou pro spotřebu [45] [46] .
Solární energie funguje tak, že přeměňuje sluneční světlo na elektřinu . To se může stát buď přímo pomocí fotovoltaiky , nebo nepřímo pomocí systémů koncentrované sluneční energie , ve kterých čočky a zrcadla shromažďují sluneční světlo z velké oblasti do tenkého paprsku a sledovací mechanismus sleduje polohu Slunce. Fotovoltaika přeměňuje světlo na elektrický proud pomocí fotoelektrického jevu .
Předpokládá se, že solární energie se do roku 2050 stane největším zdrojem elektřiny, ve kterém fotovoltaika a koncentrovaná solární energie budou tvořit 16, respektive 11 % světové výroby elektřiny [47] .
Komerční elektrárny využívající koncentrovanou sluneční energii se poprvé objevily v 80. letech 20. století. Po roce 1985 se instalace tohoto typu SEGS výkonu 354 MW v Mohavské poušti stala největší solární elektrárnou na světě. Mezi další solární elektrárny tohoto typu patří SPP Solnova (150 MW) a SPP Andasol (100 MW), obě ve Španělsku. Mezi největší solární elektrárny : Agua Caliente Solar Project (250 MW) v USA a Charanka Solar Park (221 MW) v Indii . Projekty nad 1 GW jsou ve vývoji, ale většina solárních instalací do 5 kW je malých a střešních. Od roku 2013 představovala solární energie méně než 1 % elektřiny v celosvětové síti [48] .
Přítomnost slunečního světla ovlivňovala design budov od samého počátku historie architektury [50] . Pokročilé metody solární architektury a urbanismu poprvé představili staří Řekové a Číňané, kteří orientovali své domy na jih, aby jim poskytovaly světlo a teplo [51] .
Mezi běžné vlastnosti solární architektury vůči slunci, kompaktní proporce (nízký poměr plochy k objemu), selektivní stínění (přístřešky) tepelná hmota50Když jsou tyto vlastnosti dobře přizpůsobeny místnímu klimatu, poskytuje dobré osvětlení a umožňuje vám zůstat v příjemném teplotním rozmezí. Dům Socrates megaron je klasickým příkladem pasivní solární architektury [50] . používají počítačové simulace, které propojují denní osvětlení stejně jako solární systémy vytápění a ventilace, do integrovaného balíčku solárního designu [ 52] Aktivní solární zařízení, jako jsou čerpadla, ventilátory a přepínatelná okna, mohou doplnit pasivní design a zlepšit výkon systému.
Městský tepelný ostrov (UHE) je městská oblast, kde je teplota vyšší než v okolních venkovských oblastech. Nárůst teploty je důsledkem použití materiálů jako je asfalt a beton, které lépe absorbují sluneční záření, protože mají nižší albedo a vyšší tepelnou kapacitu než v okolí. K přímému potlačení tohoto efektu jsou budovy natřeny bílou barvou a v ulicích vysazeny stromy. Podle návrhu hypotetického programu „cool community“ v Los Angeles lze pomocí těchto metod snížit teplotu ve městě asi o 3 °C. Náklady na projekt se odhadují na 1 miliardu USD a celkový roční přínos by mohl být 530 milionů USD díky sníženým nákladům na ventilaci a zdraví [53] .
Zemědělství a zahradnictví hledají způsoby, jak optimalizovat absorpci sluneční energie, aby se zvýšila produktivita rostlin.
Skleník přeměňuje sluneční záření na teplo a umožňuje tak celoroční pěstování rostlin, které nejsou přirozeně přizpůsobeny tomuto klimatu. Nejjednodušší skleníky sloužily v římských dobách k celoročnímu pěstování okurek pro císaře Tiberia [54] . Moderní V Evropě se v 16. století objevily skleníky pro pěstování rostlin přivezených z výzkumných cest [55] .
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
|
slunce | ||
---|---|---|
Struktura | ||
Atmosféra | ||
Rozšířená struktura | ||
Jevy týkající se Slunce | ||
související témata | ||
Spektrální třída : G2 |