Преобразование солнечной энергии
 | Эту статью может потребовать очистки Википедии , чтобы она соответствовала стандартам качества . Конкретная проблема заключается в следующем: необходимо обрезать ИЛИ/заявления без источников, улучшить ссылки, отредактировать стиль/последовательность. ( июнь 2018 г. ) |
Преобразование солнечной энергии описывает технологии, посвященные преобразованию солнечной энергии в другие (полезные) формы энергии, включая электричество, топливо и тепло. [ 1 ] Он охватывает технологии сбора света, включая традиционные полупроводниковые фотоэлектрические устройства (PV), новые фотоэлектрические устройства, [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Производство солнечного топлива посредством электролиза , искусственного фотосинтеза и родственных форм фотокатализа, направленных на производство молекул, богатых энергией. [ 5 ]
Фундаментальные электрооптические аспекты в нескольких новых технологиях преобразования солнечной энергии для производства как электричества (фотогальваника), так и солнечного топлива представляют собой активную область текущих исследований. [ 6 ]
История
[ редактировать ]Создание солнечных батарей началось в 1876 году Уильямом Гриллсом Адамсом вместе с его студентом. Французский учёный по имени Эдмон Беккерель впервые обнаружил фотоэлектрический эффект летом 1839 года. [ 7 ] Он предположил, что некоторые элементы таблицы Менделеева, такие как кремний, очень необычно реагируют на воздействие солнечного света. Солнечная энергия создается, когда солнечное излучение преобразуется в тепло или электричество. Английский инженер-электрик Уиллоуби Смит между 1873 и 1876 годами обнаружил, что когда селен подвергается воздействию света, он производит большое количество электричества. Использование селена было крайне неэффективным, но оно доказало теорию Беккереля о том, что свет можно преобразовать в электричество с помощью различных полуметаллов таблицы Менделеева, которые позже были названы фотопроводящими материалами. К 1953 году Кэлвин Фуллер, Джеральд Пирсон и Дэрил Чапин обнаружили, что использование кремния для производства солнечных элементов чрезвычайно эффективно и дает чистый заряд, намного превышающий заряд селена. Сегодня солнечная энергия имеет множество применений: от отопления, производства электроэнергии, тепловых процессов, очистки воды и хранения энергии, которая широко распространена в мире возобновляемых источников энергии.
Фон
[ редактировать ]К 1960-м годам солнечная энергия стала стандартом для питания космических спутников. В начале 1970-х годов технология солнечных батарей стала дешевле и доступнее (20 долларов за ватт). Между 1970 и 1990 годами солнечная энергия стала более коммерческой. Железнодорожные переезды, нефтяные вышки, космические станции, микроволновые башни, самолеты и т. д. Сегодня дома и предприятия по всему миру используют солнечные батареи для питания электрических устройств самого разнообразного назначения. Солнечная энергия является доминирующей технологией в области возобновляемой энергетики, прежде всего благодаря ее высокой эффективности и экономичности. К началу 1990-х годов фотоэлектрическое преобразование достигло беспрецедентно нового уровня. Ученые использовали солнечные элементы, изготовленные из фотоэлектрических материалов с высокой проводимостью, таких как галлий, индий, фосфид и арсенид галлия, которые увеличили общую эффективность более чем на 30%. К концу века ученые создали особый тип солнечных батарей, которые преобразовывали более 36% собранного солнечного света в полезную энергию. Эти разработки создали огромный импульс не только для солнечной энергетики, но и для технологии возобновляемой энергетики по всему миру.
Производство электроэнергии
[ редактировать ]
Фотоэлектрические системы (PV) используют кремниевые солнечные элементы для преобразования энергии солнечного света в электричество. Работает под действием фотоэлектрического эффекта, который приводит к эмиссии электронов. [ 8 ] Концентрированная солнечная энергия (CSP). Используются линзы или зеркала и устройства слежения для фокусировки большой площади солнечного света в небольшой луч. Ожидается, что к 2050 году солнечная энергия станет крупнейшим в мире источником электроэнергии. Солнечные электростанции, такие как солнечная электростанция Иванпа в пустыне Мохаве, производят более 392 МВт электроэнергии. Солнечные проекты мощностью более 1 ГВт (1 миллиард ватт) находятся в стадии разработки и, как ожидается, станут будущим солнечной энергетики в США. [ нужна ссылка ]
Тепловая энергия
[ редактировать ]Солнце бомбардирует Землю миллиардами заряженных наночастиц, в которых хранится огромное количество энергии. Эту энергию можно использовать для нагрева воды, отопления, охлаждения помещений и выработки технологического тепла. Многие системы производства пара адаптировались к использованию солнечного света в качестве основного источника для нагрева питательной воды, что значительно повысило общую эффективность котлов и многих других типов систем рекуперации отработанного тепла. Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризации . Солнечная дистилляция используется в процессах очистки воды для получения питьевой воды, которая сыграла чрезвычайно важную роль в оказании помощи нуждающимся странам за счет использования передовых технологий.
Экономическое развитие
[ редактировать ]Преобразование солнечной энергии потенциально может стать очень экономически эффективной технологией. Это дешевле по сравнению с нетрадиционными источниками энергии. Использование солнечной энергии способствует увеличению занятости и развитию транспорта и сельского хозяйства. Солнечные установки становятся дешевле и более доступными для стран, где спрос на энергию высок, но предложение низкое из-за экономических обстоятельств. Солнечная электростанция мощностью 1 ГВт может производить почти в 10 раз больше энергии, чем электростанция, работающая на сжигании ископаемого топлива, строительство которой обойдется в два раза дороже. По прогнозам, к 2050 году солнечные электростанции станут лидером по производству энергии. [ 9 ]
Доступ к энергии в сельской местности
[ редактировать ]Преобразование солнечной энергии может иметь множество положительных социальных последствий, особенно в сельских районах, которые ранее не имели доступа к энергосистеме. Во многих автономных регионах преобразование солнечной энергии в электрическую энергию является самой быстрорастущей формой приобретения энергии. Это особенно актуально на широтах в пределах 45° к северу или югу от экватора, где солнечное излучение более стабильно в течение всего года и где проживает основная часть населения развивающегося мира. С точки зрения здоровья, домашние солнечные системы могут заменить керосиновые лампы (часто встречающиеся в сельской местности), которые могут вызывать пожары и выделять такие загрязняющие вещества, как окись углерода (CO), оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2), которые отрицательно влияют на воздух. качество и может привести к ухудшению функции легких и увеличению риска туберкулеза, астмы и рака. Было показано, что в таких районах доступ к солнечной энергии экономит сельским жителям время и деньги, необходимые для покупки и транспортировки керосина, тем самым повышая производительность и удлиняя рабочее время. [ 10 ]
Помимо доступа к энергии, эти сообщества получают энергетическую независимость, то есть они не зависят от стороннего поставщика электроэнергии. Концепция энергетической независимости относительно нова; на протяжении большей части 20-го века энергетический анализ был чисто техническим или финансовым и не включал анализ социального воздействия. Исследование 1980 года пришло к выводу, что доступ к возобновляемым источникам энергии будет способствовать продвижению ценностей, способствующих большей общественной выгоде, а не личному продвижению. [ 11 ] Хотя некоторые ученые утверждают, что исторически стороны, контролирующие источники энергии, — это те, кто создает социальную иерархию, [ 12 ] этот тип анализа стал менее «радикальным» и более распространенным после внедрения технологий, позволяющих преобразовывать солнечную энергию. [ нужна ссылка ]
Сообщество солнечной энергии
[ редактировать ]Преобразование солнечной энергии может повлиять не только на отдельных клиентов, но и на целые сообщества. Во все большем числе районов по всей Америке традиционная модель независимых, несвязанных друг с другом установок на крышах заменяется солнечными микросетями размером с сообщество. Идея « общинной солнечной энергии » впервые стала популярной из-за проблем, связанных с хранением энергии. [ 13 ] Поскольку по состоянию на 2018 год широкомасштабное производство литий-ионных батарей и других технологий хранения отстает от развития фотоэлектрических установок на крышах, основной проблемой, препятствующей общенациональному переходу на производство солнечной энергии на крышах, является отсутствие надежной системы хранения энергии в одном доме. это обеспечит непредвиденные расходы на использование энергии в ночное время, облачность, ограничения и отключения электроэнергии. Кроме того, финансирование установки солнечных батарей для отдельных домов может оказаться более трудным, учитывая меньший масштаб проекта и отсутствие доступа к средствам. Жизнеспособной альтернативой является объединение блоков домов в общественную микросеть с использованием более проверенных крупных накопительных установок, что снижает барьеры для внедрения солнечной энергии. В некоторых случаях «паутина» микросети создается путем подключения каждого независимого фотоэлектрического дома на крыше к более крупному накопителю. Другие конструкции, в основном там, где установка на крыше невозможна, включают в себя большую комбинированную солнечную батарею + хранилище, расположенное на соседнем поле. В качестве дополнительного социального эффекта такая форма установки делает солнечную энергию экономически выгодной для многоквартирных домов и районов с исторически низким доходом. [ 14 ]
Отказ от сетки
[ редактировать ]Потенциальным социально-экономическим недостатком, связанным с преобразованием солнечной энергии, является нарушение бизнес-модели электроэнергетических компаний. В Америке экономическая жизнеспособность региональных «монопольных» коммунальных предприятий основана на большом скоплении местных потребителей, которые уравновешивают переменную нагрузку друг друга. Таким образом, повсеместная установка солнечных систем на крышах, не подключенных к сети, представляет угрозу стабильности рынка коммунальных услуг. Это явление известно как «дефект сетки». [ 15 ] Давление на электроэнергетические компании усугубляется старением сетевой инфраструктуры, которой еще предстоит адаптироваться к новым вызовам, создаваемым возобновляемыми источниками энергии (в основном в отношении инерции, обратного потока мощности и схем релейной защиты). Однако некоторые аналитики утверждают, что при постоянном росте стихийных бедствий (которые разрушают жизненно важную сетевую инфраструктуру) установка солнечной микросети может оказаться необходимой для обеспечения экстренного доступа к энергии. [ 16 ] Такой акцент на подготовке к чрезвычайным ситуациям в последние годы резко расширил рынок автономной энергетики, особенно в районах, подверженных стихийным бедствиям. [ нужна ссылка ]
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Установки могут разрушать и/или перемещать экологические среды обитания, охватывая большие участки земли и способствуя фрагментации среды обитания . Солнечные установки, построенные в резервациях коренных американцев, нарушили традиционную практику, а также оказали негативное влияние на местную экосферу. [ 9 ] [ 17 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Крэбтри, GW; Льюис, Н.С. (2007). «Преобразование солнечной энергии». Физика сегодня 60, 3, 37. doi: 10.1063/1.2718755.
- ^ Светоиндуцированные окислительно-восстановительные реакции в нанокристаллических системах, Андерс Хагфельдт и Майкл Гретцель , Chem. Преподобный, 95, 1, 49-68 (1995)
- ^ Разработка интерфейса материалов для фотогальваники, обрабатываемой раствором, Майкл Грецель, Рене А. Дж. Янссен, Дэвид Б. Митци, Эдвард Х. Сарджент, Nature (информационный обзор) 488, 304–312 (2012) doi: 10.1038/nature11476
- ^ Фотохимия и фотофизика полупроводников, Том. 10, В. Рамамурти, Кирк С. Шанце, CRC Press, ISBN 9780203912294 (2003 г.)
- ^ Магнусон, Энн; Андерлунд, Магнус; Йоханссон, Олоф; Линдблад, Питер; Ломот, Райнер; Поливка, Томас; Отт, Саша; Стеншо, Карин; Рулевое управление, Стенбьерн; Сундстрем, Вилли; Хаммарстрем, Лейф (декабрь 2009 г.). «Биомиметические и микробные подходы к производству солнечного топлива». Отчеты о химических исследованиях 42 (12): 1899–1909. дои: 10.1021/ar900127h.
- ^ Понсека-младший, Карлито С.; Чабера, Павел; Улиг, Йенс; Перссон, Петтер; Сундстрем, Вилли (август 2017 г.). «Сверхбыстрая электронная динамика в преобразовании солнечной энергии». Химические обзоры 117: 10940–11024. doi:10.1021/acs.chemrev.6b00807.
- ^ Белессиотис и Папаниколау, В.Г. и Э. (2012). «История солнечной энергетики». Комплексная возобновляемая энергия . 3 : 85–102. дои : 10.1016/B978-0-08-087872-0.00303-6 . ISBN 9780080878737 .
- ^ Калиски, Иегошуа (01 января 2018 г.). «Спектроскопия и солнечная энергия – в честь профессора Ренаты Райсфельд». Журнал люминесценции . 193 : 10–12. Бибкод : 2018JLum..193...10K . дои : 10.1016/j.jlumin.2017.05.041 . ISSN 0022-2313 .
- ^ Перейти обратно: а б Новачек, Джошуа; Джонсон, Иеремия X. (1 ноября 2015 г.). «Экологические и экономические последствия предпочтений в области солнечной энергии в стандартах портфеля возобновляемых источников энергии». Энергетическая политика . 86 : 250–261. дои : 10.1016/j.enpol.2015.06.039 . ISSN 0301-4215 .
- ^ Шулейко, Ян Э.; Ким, Ки Хён; Кабир, Эхсанул (10 октября 2017 г.). «Социальное воздействие домашних солнечных систем в сельской местности: пример Бангладеш» . Энергии . 10 (10): 1615. doi : 10.3390/en10101615 .
- ^ Франкель, Э. (1981). «Энергия и социальные изменения: взгляд историка». Политические науки . 14 (1): 59–73. дои : 10.1007/BF00137507 . JSTOR 4531874 . S2CID 145151922 .
- ^ Растин, Сюзанна (29 декабря 2015 г.). «Углеродная демократия: политическая власть в эпоху нефти Тимоти Митчелл» – через www.theguardian.com.
- ^ Кофлин, Дж.; и др. (2011). «Руководство по общественной солнечной энергии: разработка коммунальных, частных и некоммерческих проектов» (PDF) . Министерство энергетики США.
- ^ «Сообщество Солярий» . СЭИА .
- ^ «Экономика разрушения сети» . Институт Роки Маунтин .
- ^ Торговец Эмма Ферингер (19 июля 2018 г.). «Будут ли стихийные бедствия способствовать отказу от энергосистемы?» . www.greentechmedia.com .
- ^ Эрнандес, Ребекка Р.; Хоффакер, Мэдисон К.; Мерфи-Марискаль, Мишель Л.; Ву, Грейс С.; Аллен, Майкл Ф. (3 ноября 2015 г.). «Развитие солнечной энергетики влияет на изменение растительного покрова и охраняемые территории» . Труды Национальной академии наук . 112 (44): 13579–13584. Бибкод : 2015PNAS..11213579H . дои : 10.1073/pnas.1517656112 . ISSN 0027-8424 . ПМК 4640750 . ПМИД 26483467 .