Слънчева енергия

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Слънчева радиация Карта на България
Слънцето - източник на нискоентропийна енергия.

Същност[редактиране | edit source]

За една година Земята получава от Слънцето около 1,96.1021 килокалории лъчиста енергия, която е към 10 пъти повече от всички нейни енергийни запаси взети заедно. Почти същото количество енергия се излъчва от Земята обратно в космоса — затова температурата ѝ не се отклонява от тази, необходима за съществуване на живота в този вид, в който го познаваме (част от енергията, която Земята излъчва в космоса се получава от ядрения разпад).

Слънцето не е просто източник на енергия — то е източник на нискоентропийна енергия[1]. То излъчва фотони с енергия, която е по-висока от енергията на фотоните, които Земята излъчва в космоса (фотоните с по-висока енергия имат по-ниска ентропия). Животът на планетата е възможен благодарение на ниската ентропия, която ни осигурява Слънцето.

Производство на електроенергия[редактиране | edit source]

Използването на слънцето за енергийни цели е познато от древността. То е най-големият напълно възобновяем ресурс за производство на електроенергия, не само на Земята, но и на всички планети и спътници в слънчевата система. Не е тайна, че всички космически кораби и извънземни станции, изпратени от Земята, ползват за основен енергиен източник слънчева енергия. Именно благодарение на това, фотоволтаичните системи имат много висока степен на технологичност и са с много дълъг икономически живот — до 30 години. Те не бяха използвани масово в енергетиката през миналия век. Но в края му и в началото на 21-ви век, те все по-широко навлизат в гражданските сфери. Това е свързано с два известни факта: Първо — дефицитността на конвенционалните енергогорива и второ, но не по-малко важно — напълно природосъобразното производство на електричество.

Слънчева радиация Карта на Европа

Мащабното ползване на слънчевата енергия за производство на електричество означава оборудването на големи площи със съоръжения за „улавяне“ на слънчевите лъчи в регионите, където излъчването на нашия основен светлинен и топлинен източник е най-силно и където блестящите синкави ареали биха пречили най-малко на населението. Получената по този начин електрическа енергия би могла да служи за разделяне на водата на водород и кислород, като полученият водород бъде транспортиран с кораби или магистрални тръбопроводи до потребителите. Специалистите предполагат, че това ще бъде осъществено до 2050 г. В момента в Исландия се изпитват възможностите за оползотворяване на водорода, макар и на основата на топлината, отделяна от земята, и на водната сила. Предстои да бъде извършена още много изследователска работа. Слънчевата батерия трябва да стане по-ефективна, по-надеждна и преди всичко да функционира по-икономично. При това в бъдеще размерът на елементарните частици ще играе решаваща роля. Благодарение на най-новите покрития с полупроводникови наночастици, чиято големина е само една милионна част от милиметъра, може да се очаква икономия на разходи в размер на 80% в сравнение с използваните днес силициеви технологии за производството на слънчеви батерии. Разработена е нова концепция за чувствителни на цветове нанокристални полупроводникови покрития, която е довела до увеличаване на КПД (коефициент на полезно действие) дори при слабо дифузно осветление — решение, което е идеално за региони с оскъдно слънце. Налагането на фотоволтаичните модули като масов продукт вече е факт. Но цената им все още не е достатъчно конкурентна. Разработването и усъвършенстването продължава да е труден процес и много от първоначалните очаквания не са изпълнени. Независимо от казаното, през последните 20 години цената на съоръженията със слънчеви батерии е паднала с близо 60%.

Видове технологии[редактиране | edit source]

Има много технологии за използване на слънчевата енергия. Те се прилагат в жилищния, търговския, индустриалния, земеделския и транспортни сектори. Слънчевата енергия може да се използва за производство на храна, топлина, светлина и електричество. Гъвкавостта на слънчевата енергия се проявява в множеството технологии за използването ѝ.

Земеделие и градинарство[редактиране | edit source]

Фотосинтезата е изключително важно фотохимично взаимодействие. По-голяма част от живота на Земята зависи от способността на растенията да фотосинтезират светлина. Въпреки че лесно може да бъде пренебрегнато, ефективното използване на слънчевата енергия е основополагащ принцип в земеделието. Този принцип е особено важен в периоди на недостиг както се наблюдава по време на Малката ледникова епоха когато средновековните европейски фермери използвали сложни техники за ориентиране на посевите и термична маса, за да преобразуват възможно повече слънчева светлина в храна.[2] С напредъка на земеделието продължава да се оптимизира наличието на светлина чрез различни методи като времето за засаждане, ориентацията на редовете, наличието на бразди между редовете, гъстотата на засяване и много други.[3]

Човешките общества са използвали растителен материал, особено дървесен, за гориво от векове насам. Днес биомасата се счита за форма на възобновяема енергия, а не като слънчева енергия, защото производството ѝ е индиректно. Изкопаемите горива също първоначално са създадени от използваната от растенията слънчева енергия. Използването на изкопаеми горива не се смята за възобновяема енергия.

Парниците внимателно контролират използването на слънчева топлина и светлина за отглеждане на специални насаждения. Примитивните парници са използвани първоначално в римско време за отглеждане на краставици за император Тиберий.[4] През 16 век е построен първият модерен парник в Италия за опазване на тропически растения, с които се завръщали пътешествениците. Парниците все още са важна част от модерното градинарство. Най-големият парников комплекс в света е в Уилкокс, Аризона, където се отглеждат 106 хектара домати и краставици.

Архитектура и градоустройство[редактиране | edit source]

Слънчевият дизайн може да осигури светлина, комфортни температури и подобрено качество на въздуха чрез ориентация на сградата, пропорции, поставяне на прозорци и материални компоненти, съобразени с местния климат и околна среда. Както климатът е различен в различните региони, така и характеристиките на сградите със слънчев дизайн ще са различни. По думите на римския архитект от първи век Vitruvius:

Трябва да започнем като вземем под внимание страните и климата, в които ще се строят домовете ако искаме да ги конструираме правилно. Един тип къща е подходяща за Египет, друга за Испания… друга за Рим и така нататък в зависимост от различните характеристики на страните. Това е така защото една част от Земята е точно под пътя на слънцето, друга е далеч от него, а трета се намира между първите две….Очевидно е, че дизайна на домовете трябва да отговаря на различията в климата.[5]

Градските топлинни острови (UHI) са урбанизирани части, в които температурата е по-висока от съседните територии. Тези по-високи температури се дължат на материалите, използвани в градовете като асфалт и бетон, които имат по-ниско албедо и по-голям топлинен капацитет от естествената околна среда. Директен метод за противодействие на UHI ефекта е да се боядисват сградите и улиците в бяло или ярки и наситени цветове (жълто, оранжево) и да се садят дървета. Хипотетична програма за „прохладни общности“ в Лос Анджелис прогнозира, че градските температури могат да се намалят с около 3 °C след засаждане на десет милиона дървета, подмяна на покривите на пет милиона жилища и боядисване на една четвърт от пътищата. Приблизителната стойност на такава програма е около US$1 милиард, а средногодишната полза е оценена на $170 милиона в резултат на намалените разходи за климатици. Допълнително могат да бъдат спестени $360 милиона годишно медицински разходи в резултат на намаления смог.[6]

Слънчево осветление[редактиране | edit source]

Дизайнерски решения за естествена светлина като този окулус на върха на Пантеона в Рим се използват от древността.

Историята на осветлението е доминирана от използването на естествена светлина. Римляните признавали правото на светлина още от времето на Corpus Iuris Civilis, а английското законодателство въвело това право в Закона за неписаните правила от 1832. Чак през двадесети век изкуственото осветление става основен източник на светлина в сградите. Нефтената криза от 1973 и енергийната криза от 1979 обръщат внимание на мерки за пестене на енергия и използването на естествена светлина, но интересът намалява след възстановяване на енергийните доставки. Около 22 процента (8.6 EJ)[7] от електричеството използвано в САЩ е за осветеление. Когато се прилагат подходящите техники за слънчева светлина, естествената светлина може да е достатъчна за по-голяма част от деня.[8]

Системите за осветление с естествена светлина снабдяват достатъчно светлина като заменят изкуственото осветление и по този начин пестят енергия директно, а пестят енергия и индиректно като намаляват потреблението за охлаждане.[9] Въпреки че е трудно да се измери, използването на естествено осветление има и физиологични и психични ползи в сравнение с изкуственото осветление.[10] Дизайнът за естествена светлина подбира внимателно вида на прозорците, размера и ориентацията им и може да предвиди и външни сенници. Тези характеристики могат да се включат във вече съществуващи сгради, но са най-ефективни ако се интегрират в пасивни слънчеви сгради. Архитектурата все повече признава естествената светлина като ключов елемент от устойчивия дизайн.[11]

Хибридното слънчево осветление (HSL) е активен метод за използване на слънчева светлина за осветление. Системите за хибридно слънчево осветление събират светлина чрез насочени огледала, които я отвеждат чрез оптичен кабел до вътрешността на сградата. В едноетажни сгради тези системи могат да пренесат 50 процента от директната слънчева светлина.[8]

Лятното и зимно часово време използват слънчевата енергия като напасват съществуващата слънчева светлина с времето през деня, когато е най-необходима. Смяната на часовото време премества използването на електричество от вечерта към сутринта и по този начин намалява енергийните пикове вечер. В Калифорния през зимата този метод намалява с 3 процента пиковото електопотребление и спестява 3400 MWh.[12].

Слънчеви топлинни приложения[редактиране | edit source]

Слънчевите топлинни приложения съставляват най-широко използваната категория на слънчеви технологии. Тези технологии използват слънцето за затопляне на вода и отопление, вентилация, готвене, дестилиране и дезинфекция на вода и мн. други.[13]

Затопляне на вода[редактиране | edit source]

Слънчевите системи за топла вода използват слънчева светлина за затопляне на вода. Комерсиалните системи за вода се появяват в САЩ през 1890те години. Употребата им нараства до 1920те, но постепенно се заменят от сравнително евтини и по-надеждни системи на горива. Икономическото предимство на конвенционалните топлинни горива се променя през времето, в резултат на което периодично нараства интересът към слънчевата топла вода. Покачването на цените и непредсказуемостта на доставките на горива подновяват интереса от слънчеви топлинни технологии през последните години.[14] Около 14 процента (15 EJ) от общото количество на използваната енергия в САЩ е за затопляне на вода.[15] В много климатични зони, слънчевите системи за топла вода могат да доставят от 50 до 75 процента от потребностите от топла вода в бита.

През 2006 г., общите инсталирани мощности на слънчеви системи за топла вода са 104 GWh и растежът е 15-20 процента годишно.[16] Китай е най-големият производител на слънчеви системи за топла вода с 80% от пазара.[16] Израел е водещ в използването на слънчеви системи за топла вода на глава от населението, като 90% от домовете използват тази технология.[17] В САЩ затоплянето на плувни басейни е най-успешното приложение на слънчевата топла вода.

Технологиите за затопляне на вода от слънцето имат висока ефективност в сравнение с други слънчеви технологии. Ефективността зависи от избора на място и разположението, но плоските и тръбни колектори се очаква да имат ефективност над 60 процента при нормални условия на опериране.[18] Затоплянето на вода от слънцето е особено подходящо за приложения при по-ниски температури (25-70 °C) като плувни басейни, битова гореща вода и отопление на сгради.

Отопление, охлаждане и проветряване[редактиране | edit source]

Системите за отопление, охлаждане и проветряване на сгради са тясно свързани. Всички те целят постигане на температурен комфорт, добро качество на въздуха в сградите и рационални разходи за инсталиране, опериране и поддръжка. Конвенционалните такива системи са отговорни за 40 процента от енергията, използване в САЩ и Европейския съюз.[19] Много слънчеви технологии за отопление, охлаждане и проветряване могат да се използват за намаляване на този разход на енергия.

Вижте още[редактиране | edit source]

Външни препратки[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

  1. Роджър Пенроуз, Новият разум на царя, ISBN 954-07-0468-5, стр. 387
  2. Butti and Perlin (1981), p.42-45
  3. Charles Leroy Deichman. Plant arrangement for improving crop yields. // Patent Storm. Посетен на 2007-11-22.
  4. Butti and Perlin (1981), p.19
  5. Butti and Perlin (1981), p.15
  6. Rosenfeld, Arthur и др. Painting the Town White — and Green. // Heat Island Group. Посетен на 2007-09-29.
  7. Lighting Research and Development. // Department of Energy. Посетен на 2007-11-08.
  8. а б Muhs, Jeff. Design and Analysis of Hybrid Solar Lighting and Full-Spectrum Solar Energy Systems. // Oak Ridge National Laboratory. Посетен на 2007-09-29.
  9. Tzempelikos (2007), p.369
  10. Tzempelikos (2007), p.369
  11. Tzempelikos (2007), p.369-370
  12. Metz, Daryl. Effects of Daylight Saving Time on California Electricity Use. // California Energy Commission. с. 6. Посетен на 2007-11-08.
  13. Solar Energy Technologies and Applications. // Canadian Renewable Energy Network. Посетен на 2007-10-22.
  14. See:
    • Butti and Perlin (1981), p.112-155
    • Perlin, John. Solar Hot Water Heating. // California Solar Center. Посетен на 2007-09-29.
  15. R&D on Heating, Cooling, and Commercial Refrigeration. // Department of Energy. Посетен на 2007-11-08.
  16. а б Renewables 2007 Global Status Report (Pre-publication summary). // Worldwatch Institute. Посетен на 2007-12-11.
  17. Del Chiaro, Bernadette. Solar Water Heating (How California Can Reduce Its Dependence on Natural Gas). // Environment California Research and Policy Center. Посетен на 2007-09-29.
  18. Schittich (2003), p.166
  19. http://www.architechmag.com/articles/detail.aspx?contentID=5153