Konwersja energii słonecznej
Konwersja energii słonecznej opisuje technologie zajmujące się przetwarzaniem energii słonecznej na inne (użyteczne) formy energii, w tym energię elektryczną, paliwo i ciepło. Obejmuje technologie pozyskiwania światła, w tym tradycyjne półprzewodnikowe urządzenia fotowoltaiczne (PV), wschodzącą fotowoltaikę, wytwarzanie paliwa słonecznego poprzez elektrolizę , sztuczną fotosyntezę i powiązane formy fotokatalizy ukierunkowane na wytwarzanie cząsteczek bogatych w energię.
Podstawowe aspekty elektrooptyczne w kilku powstających technologiach konwersji energii słonecznej do wytwarzania zarówno energii elektrycznej (fotowoltaika), jak i paliw słonecznych stanowią aktywny obszar bieżących badań.
Historia
Ogniwa słoneczne zostały zapoczątkowane w 1876 roku przez Williama Gryllsa Adamsa wraz z jego studentem. Francuski naukowiec, Edmond Becquerel , po raz pierwszy odkrył efekt fotowoltaiczny latem 1839 roku. Teoretyzował, że pewne pierwiastki układu okresowego pierwiastków, takie jak krzem, reagują na światło słoneczne w bardzo nietypowy sposób. Energia słoneczna powstaje, gdy promieniowanie słoneczne jest przekształcane w ciepło lub energię elektryczną. Angielski inżynier elektryk Willoughby Smith , między 1873 a 1876, odkrył, że kiedy selen jest wystawiony na działanie światła, wytwarza duże ilości energii elektrycznej. Użycie selenu było wysoce nieefektywne, ale potwierdziło teorię Becquerela, że światło można przekształcić w elektryczność za pomocą różnych półmetali w układzie okresowym pierwiastków, które później oznaczono jako fotoprzewodzące materiał. W 1953 roku Calvin Fuller, Gerald Pearson i Daryl Chapin odkryli, że użycie krzemu do produkcji ogniw słonecznych było niezwykle wydajne i dawało ładunek netto znacznie przewyższający ładunek selenu. Obecnie energia słoneczna ma wiele zastosowań, od ogrzewania, produkcji energii elektrycznej, procesów termicznych, uzdatniania wody i magazynowania energii, która jest bardzo rozpowszechniona w świecie energii odnawialnej.
Tło
W latach sześćdziesiątych energia słoneczna była standardem zasilania satelitów kosmicznych. We wczesnych latach siedemdziesiątych technologia ogniw słonecznych stała się tańsza i bardziej dostępna (20 USD za wat). W latach 1970-1990 energia słoneczna stała się bardziej komercyjna. Przejazdy kolejowe, platformy wiertnicze, stacje kosmiczne, wieże mikrofalowe, samoloty itp. Obecnie domy i firmy na całym świecie wykorzystują ogniwa słoneczne do zasilania urządzeń elektrycznych o szerokim spektrum zastosowań. Energia słoneczna jest dominującą technologią w dziedzinie energii odnawialnej, przede wszystkim ze względu na jej wysoką wydajność i opłacalność. Na początku lat 90. konwersja fotowoltaiczna osiągnęła bezprecedensowy nowy poziom. Naukowcy wykorzystali ogniwa słoneczne zbudowane z wysoce przewodzących materiałów fotowoltaicznych, takich jak gal, ind, fosforek i arsenek galu, które zwiększyły całkowitą wydajność o ponad 30%. Pod koniec stulecia naukowcy stworzyli specjalny rodzaj ogniw słonecznych, które przekształcały ponad 36% zebranego światła słonecznego w użyteczną energię. Zmiany te stworzyły ogromny rozmach nie tylko dla energii słonecznej, ale także dla odnawialnej na całym świecie.
Produkcja energii elektrycznej
Fotowoltaika (PV) wykorzystuje krzemowe ogniwa słoneczne do przekształcania energii światła słonecznego w energię elektryczną. Działa na zasadzie efektu fotoelektrycznego, co powoduje emisję elektronów. Skoncentrowana energia słoneczna (CSP) Wykorzystuje soczewki lub lustra i urządzenia śledzące do skupienia dużego obszaru światła słonecznego w małej wiązce. Oczekuje się, że energia słoneczna będzie największym na świecie źródłem energii elektrycznej do 2050 r. Elektrownie słoneczne, takie jak Ivanpah Solar Power Facility na pustyni Mojave, wytwarzają ponad 392 MW mocy. Projekty słoneczne przekraczające 1 GW (1 miliard watów) są w fazie rozwoju i przewiduje się, że będą przyszłością energii słonecznej w USA. [ potrzebne źródło ]
Energia cieplna
Słońce bombarduje Ziemię miliardami naładowanych nanocząsteczek, w których zmagazynowana jest ogromna ilość energii. Energię tę można wykorzystać do podgrzewania wody, ogrzewania pomieszczeń, chłodzenia pomieszczeń i wytwarzania ciepła procesowego. Wiele wytwarzania pary przystosowało się do wykorzystywania światła słonecznego jako podstawowego źródła ogrzewania wody zasilającej, co znacznie zwiększyło ogólną wydajność kotłów i wielu innych rodzajów systemów odzyskiwania ciepła odpadowego. Kuchenki słoneczne wykorzystują światło słoneczne do gotowania, suszenia i pasteryzacji . Destylacja słoneczna jest wykorzystywana w procesach uzdatniania wody w celu uzyskania wody pitnej, która jest niezwykle potężnym graczem w dostarczaniu pomocy krajom w potrzebie dzięki wykorzystaniu zaawansowanej technologii.
Rozwój ekonomiczny
Konwersja energii słonecznej może być bardzo opłacalną technologią. Jest tańszy w porównaniu z niekonwencjonalnymi źródłami energii. Wykorzystanie energii słonecznej przyczynić się do zwiększenia zatrudnienia i rozwoju sektora transportu i rolnictwa. Instalacje fotowoltaiczne stają się tańsze i łatwiej dostępne w krajach, w których zapotrzebowanie na energię jest wysokie, ale podaż jest niska ze względu na sytuację ekonomiczną. Elektrownia słoneczna o mocy 1 GW może wytwarzać prawie 10 razy więcej energii niż elektrownia na paliwa kopalne, której budowa kosztowałaby dwa razy więcej. Prognozuje się, że do 2050 roku elektrownie słoneczne staną się liderem produkcji energii.
Dostęp do energii na obszarach wiejskich
Konwersja energii słonecznej może wywrzeć wiele pozytywnych skutków społecznych, zwłaszcza na obszarach wiejskich, które wcześniej nie miały dostępu do energii z sieci. W wielu obszarach poza siecią konwersja energii słonecznej na energię elektryczną jest najszybciej rozwijającą się formą pozyskiwania energii. Jest to szczególnie prawdziwe na szerokościach geograficznych w obrębie 45° na północ lub południe od równika, gdzie natężenie promieniowania słonecznego jest bardziej stały przez cały rok i gdzie mieszka większość ludności krajów rozwijających się. Z punktu widzenia zdrowia domowe systemy fotowoltaiczne mogą zastąpić lampy naftowe (często spotykane na obszarach wiejskich), które mogą powodować pożary i emitować zanieczyszczenia, takie jak tlenek węgla (CO), tlenki azotu (NOx) i dwutlenek siarki (SO2), które niekorzystnie wpływają na powietrze wysokiej jakości i może powodować upośledzenie funkcji płuc oraz zwiększać ryzyko wystąpienia gruźlicy, astmy i raka. Wykazano, że na takich obszarach dostęp do energii słonecznej oszczędza mieszkańcom wsi czas i pieniądze potrzebne na zakup i transport nafty, zwiększając w ten sposób produktywność i wydłużając godziny pracy.
Oprócz dostępu do energii społeczności te zyskują niezależność energetyczną, co oznacza, że nie są uzależnione od zewnętrznego dostawcy energii elektrycznej. Koncepcja niezależności energetycznej jest stosunkowo nowa; przez zdecydowaną większość XX wieku analizy energetyczne miały charakter czysto techniczny lub finansowy i nie obejmowały analizy wpływu społecznego. Badanie z 1980 roku wykazało, że dostęp do energii odnawialnej będzie promował wartości sprzyjające większym korzyściom społecznym, w przeciwieństwie do awansu osobistego. Podczas gdy niektórzy naukowcy twierdzą, że historycznie stronami kontrolującymi źródła energii były te, które tworzą hierarchie społeczne, ten rodzaj analizy stał się mniej „radykalny” i bardziej powszechny po wprowadzeniu technologii umożliwiających konwersję energii słonecznej. [ potrzebne źródło ]
Społeczność słoneczna
Konwersja energii słonecznej może mieć wpływ nie tylko na indywidualnych klientów, ale na całe społeczności. W coraz większej liczbie dzielnic w całej Ameryce konwencjonalny model niezależnych, niepołączonych instalacji dachowych jest zastępowany przez mikrosieci słoneczne wielkości społeczności. Idea „ społeczności słonecznej ” stała się popularna po raz pierwszy ze względu na problemy związane z magazynowaniem energii. Ponieważ od 2018 roku produkcja akumulatorów litowo-jonowych na szeroką skalę i inne technologie magazynowania nie nadążają za postępem instalacji fotowoltaicznych na dachach, głównym problemem uniemożliwiającym ogólnokrajowe przejście na wytwarzanie energii słonecznej na dachach jest brak niezawodnego systemu magazynowania w jednym domu które zapewniłoby nieprzewidziane okoliczności dotyczące zużycia energii w nocy, zachmurzenia, ograniczeń i przerw w dostawie prądu. Dodatkowo finansowanie instalacji fotowoltaicznych dla domów jednorodzinnych może być trudniejsze do uzyskania ze względu na mniejszy zakres projektu i brak dostępu do środków finansowych. Realną alternatywą jest łączenie bloków domów razem w mikrosieci społecznościowej, przy użyciu bardziej sprawdzonych dużych instalacji magazynowania, obniżając w ten sposób bariery dla adopcji energii słonecznej. W niektórych przypadkach „sieć” mikrosieci jest tworzona przez połączenie każdego niezależnego domu fotowoltaicznego na dachu z większym magazynem. Inne projekty, głównie tam, gdzie instalacja na dachu nie jest możliwa, obejmują dużą połączoną tablicę słoneczną + magazyn zlokalizowany na sąsiednim polu. Jako dodatkowy wpływ społeczny, ta forma instalacji sprawia, że energia słoneczna jest ekonomicznie opłacalna dla domów wielorodzinnych i dzielnic o historycznie niskich dochodach.
Dezercja siatki
Potencjalną społeczno-ekonomiczną wadą związaną z konwersją energii słonecznej jest zakłócenie modelu biznesowego elektroenergetyki. W Ameryce ekonomiczna rentowność regionalnych „monopolowych” zakładów użyteczności publicznej opiera się na dużej agregacji lokalnych klientów, którzy wzajemnie równoważą swoje zmienne obciążenie. Dlatego powszechna instalacja systemów fotowoltaicznych na dachach, które nie są podłączone do sieci, stwarza zagrożenie dla stabilności rynku mediów. Zjawisko to znane jest jako Dezercja siatki. Presję wywieraną na zakłady energetyczne potęguje starzejąca się infrastruktura sieci, która jeszcze nie dostosowała się do nowych wyzwań stawianych przez odnawialne źródła energii (głównie w odniesieniu do bezwładności, wstecznego przepływu mocy i schematów zabezpieczeń przekaźników). Jednak niektórzy analitycy twierdzą, że przy stałym wzroście klęsk żywiołowych (które niszczą istotną infrastrukturę sieci), instalacja mikrosieci słonecznej może być konieczna, aby zapewnić awaryjny dostęp do energii. Ten nacisk na przygotowanie awaryjne dramatycznie rozszerzył rynek energii off-grid w ostatnich latach, zwłaszcza na obszarach podatnych na klęski żywiołowe. [ potrzebne źródło ]
Wpływ środowiska
Instalacje mogą niszczyć i/lub przenosić siedliska ekologiczne, pokrywając duże obszary ziemi i sprzyjając fragmentacji siedlisk . Instalacje słoneczne zbudowane w rezerwatach rdzennych Amerykanów przerwały tradycyjne praktyki, a także miały negatywny wpływ na lokalną ekosferę.