Énergie solaire
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L'énergie solaire, rayonnante de lumière et la chaleur du soleil , a été exploitée par l'homme depuis l'Antiquité en utilisant une gamme de technologies en constante évolution. Technologies solaires comprennent chauffage solaire, l'énergie solaire photovoltaïque, l'électricité solaire thermique et architecture solaire, qui peut apporter des contributions considérables à résoudre certains des problèmes de l'énergie les plus urgents dans le monde est confronté aujourd'hui.
Les technologies solaires se caractérisent généralement que soit solaire passif ou solaire actif en fonction de la façon dont ils capturent, convertissent et distribuent l'énergie solaire. Techniques solaires actifs comprennent l'utilisation de panneaux photovoltaïques et capteurs solaires thermiques pour exploiter l'énergie. Techniques solaires passives autres à orienter un bâtiment du Soleil, le choix des matériaux avec favorable masse thermique ou la lumière de dispersion des propriétés, et la conception des espaces circuler naturellement air.
En 2011, le Agence internationale de l'énergie a déclaré que «le développement de technologies énergétiques solaires abordables, propres et inépuisables aura d'énormes avantages à long terme. Il permettra d'accroître la sécurité énergétique des pays en se appuyant sur une ressource locale, inépuisable et surtout import-indépendante, améliorer la durabilité, réduire la pollution, réduire les coûts de l'atténuation du changement climatique , et de garder combustibles fossiles prix inférieurs autrement. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des mesures incitatives pour le déploiement rapide devraient être considérés comme des investissements d'apprentissage; ils doivent être dépensés à bon escient et doivent être largement partagée ".
L'énergie solaire
La Terre reçoit 174 petawatts (PW) du rayonnement solaire incident ( insolation) supérieure à la atmosphère . Environ 30% est réfléchie vers l'espace tandis que le reste est absorbé par les nuages, les océans et les terres émergées. Le spectre de la lumière solaire à la surface de la Terre est principalement réparti entre le visible et gammes proche infrarouge avec une petite partie dans le proche ultraviolet .
La surface des terres, de la Terre océans et de l'atmosphère absorbent le rayonnement solaire, ce qui soulève leur température. L'air chaud contenant de l'eau évaporée des océans monte, ce qui provoque circulation atmosphérique ou convection. Lorsque l'air atteint une haute altitude, où la température est faible, la vapeur d'eau se condense en nuages de pluie sur la surface de la Terre, qui terminent le cycle de l'eau . Le chaleur latente de condensation de l'eau amplifie convection, produire des phénomènes atmosphériques tels que le vent , cyclones et anti-cyclones. Lumière du soleil absorbée par les océans et les terres émergées maintient la surface à une température moyenne de 14 ° C. Par la photosynthèse des plantes vertes convertissent l'énergie solaire en l'énergie chimique, ce qui produit des aliments, du bois et la la biomasse à partir de combustibles fossiles qui sont dérivées.
| Flux solaires annuels et consommation d'énergie humaine | |
|---|---|
| Solaire | 3850000 EJ |
| Vent | 2250 EJ |
| potentiel de la biomasse | 100-300 EJ |
| Consommation d'énergie primaire (2009) | 510 EJ |
| Electricité (2009) | 62,5 EJ |
L'énergie solaire totale absorbée par l'atmosphère, les océans de la Terre et masses de terre est d'environ 3.850.000 exajoules (EJ) par an. En 2002, ce était plus d'énergie en une heure que le monde utilisé dans un an. La photosynthèse capte environ 3000 EJ par an dans la biomasse. Le potentiel technique disponible à partir de la biomasse est de 100 à 300 EJ / an. La quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la planète est tellement vaste que, dans un an, il est environ deux fois plus que ne sera jamais obtenue à partir de toutes les ressources non renouvelables de la Terre de charbon, le pétrole, le gaz naturel et l'uranium extrait combiné ,
L'énergie solaire peut être exploitée à différents niveaux à travers le monde, principalement en fonction de la distance de l'équateur.
Applications de la technologie solaire
L'énergie solaire se réfère principalement à l'utilisation de rayonnement solaire à des fins pratiques. Cependant, toutes les énergies renouvelables, autre que géothermique et marée, tirent leur énergie du soleil.
Les technologies solaires se caractérisent généralement que soit passive ou active en fonction de la façon dont ils capturent, convertissent la lumière du soleil et de distribuer. Techniques solaires actifs utilisent des panneaux photovoltaïques, les pompes et ventilateurs pour convertir la lumière solaire en résultats utiles. Techniques solaires passives comprennent le choix des matériaux avec des propriétés thermiques favorables, la conception d'espaces qui circulent naturellement l'air, et le référencement de la position d'un bâtiment au Soleil Technologies solaires actives accroître l'offre d'énergie et sont considérés comme technologies de côté de l'offre, alors que les technologies solaires passives réduisent le besoin des ressources de rechange et sont généralement considérés comme les technologies axées sur la demande.
Architecture et urbanisme
La lumière du soleil a influencé la conception du bâtiment depuis le début de l'histoire architecturale. Architecture solaire avancée et de planification urbaine méthodes ont d'abord été utilisés par les Grecs et Chinois, qui orienté leurs bâtiments vers le sud pour fournir la lumière et la chaleur.
Les caractéristiques communes de architecture solaire passive sont l'orientation par rapport au Soleil, la proportion compact (une zone à faible rapport surface sur volume), ombrage sélectifs (surplombs) et masse thermique. Lorsque ces caractéristiques sont adaptées au climat local et de l'environnement, ils peuvent produire des espaces bien éclairés qui restent dans une température confortable. de Socrate Megaron House est un exemple classique de conception solaire passive. Les approches les plus récentes à l'utilisation de conception solaire modélisation informatique attachant ensemble éclairage solaire, chauffage et systèmes de ventilation dans une approche intégrée paquet de conception solaire. Équipement solaire active tels que les pompes, les ventilateurs et les fenêtres commutables peut compléter conception passive et d'améliorer les performances du système.
Îlots de chaleur urbains (ICU) sont des zones métropolitaines avec des températures plus élevées que celle de l'environnement. Les températures plus élevées sont le résultat d'une absorption accrue de la lumière solaire par des matériaux urbains comme l'asphalte et le béton, qui ont plus faibles albédos et plus capacités calorifiques que ceux dans le milieu naturel. Une méthode simple de contrecarrer l'effet UHI est de peindre les bâtiments et les routes blanches et planter des arbres. En utilisant ces méthodes, un programme hypothétique »des communautés fraîches" dans Los Angeles a prévu que les températures urbaines pourraient être réduites d'environ 3 ° C à un coût estimé à 1 milliard de dollars, donnant les prestations annuelles estimatives totales de 530 millions de dollars de la diminution de la climatisation coûts et des économies de soins de santé.
Agriculture et l'horticulture
Agriculture et horticulture cherchent à optimiser la capture de l'énergie solaire afin d'optimiser la productivité des plantes. Des techniques telles que les cycles de plantation chronométrés, adapté orientation des rangs, des hauteurs décalées entre les lignes et le mélange des variétés végétales peuvent améliorer les rendements des cultures. Alors que la lumière du soleil est généralement considéré comme une ressource abondante, les exceptions soulignent l'importance de l'énergie solaire à l'agriculture. Pendant les saisons de croissance courte du Petit Age Glaciaire , français et Fermiers anglais employées murs de fruits de maximiser la collecte de l'énergie solaire. Ces murs ont agi comme des masses thermiques et accéléré la maturation des plantes en gardant au chaud. Murs de fruits précoces ont été construits perpendiculaire au sol et face au sud, mais au fil du temps, les murs en pente ont été développés pour faire un meilleur usage de la lumière solaire. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier même suggéré d'utiliser un mécanisme de suivi qui pourrait pivoter pour suivre le Soleil Applications de l'énergie solaire dans l'agriculture côté de cultures en croissance comprennent pompage de l'eau, le séchage des récoltes, couvant des poussins et de séchage du fumier de poulet. Plus récemment, la technologie a été adoptée par Vinters, qui utilisent l'énergie produite par des panneaux solaires pour alimenter pressoirs.
Serres convertissent la lumière solaire pour chauffer, permettant une production toute l'année et la croissance (dans des environnements clos) des cultures de spécialité et autres plantes pas naturellement adaptées au climat local. Serres primitifs ont été utilisés en premier lors de l'époque romaine à produire concombres toute l'année pour l'empereur romain Tibère. Les premières serres modernes ont été construits en Europe au 16ème siècle pour garder les plantes exotiques ramenés de l'étranger explorations. Serres demeurent une partie importante de l'horticulture aujourd'hui, et des matériaux transparents en plastique ont également été utilisés dans le même sens dans polytunnels et minitunnels.
Transport et de reconnaissance
Développement d'une voiture à énergie solaire a été un objectif de l'ingénierie depuis les années 1980. Le World Solar Challenge est une course de voiture solaire semestrielle, où les équipes des universités et des entreprises en concurrence sur 3021 km (1877 km) à travers le centre de l'Australie Darwin à Adelaide . En 1987, quand il a été fondé, la vitesse moyenne du vainqueur était de 67 kilomètres par heure (42 mph) et en 2007, la vitesse moyenne du vainqueur se était améliorée à 90,87 kilomètres à l'heure (56,46 mph). Le North American Solar Challenge et planifiée Solar Challenge en Afrique du Sud sont comparables compétitions qui reflètent un intérêt international dans l'ingénierie et le développement de véhicules à énergie solaire.
Certains véhicules utilisent des panneaux solaires pour la puissance auxiliaire, comme pour la climatisation, de garder la fraîcheur à l'intérieur, réduisant ainsi la consommation de carburant.
En 1975, le premier bateau solaire pratique a été construit en Angleterre. En 1995, les bateaux de passagers intégrant des panneaux photovoltaïques ont commencé à apparaître et sont maintenant largement utilisés. En 1996, Kenichi Horie a fait la première traversée à énergie solaire de l'océan Pacifique, et le catamaran sun21 fait la première traversée à énergie solaire de l'océan Atlantique à l'hiver 2006-2007. Il ya des plans pour le tour du monde en 2010.
En 1974, le sans pilote Astroflight Lever avion a fait le premier vol solaire. Le 29 Avril 1979, le Riser solaire fait le premier vol dans une énergie solaire, entièrement contrôlé, homme portant machine volante, atteignant une altitude de 40 pieds (12 m). En 1980, le Gossamer Penguin a fait les premiers vols pilotés propulsé uniquement par l'énergie photovoltaïque. Il a rapidement été suivi par le Solar Challenger qui a traversé la Manche en Juillet 1981. En 1990, Eric Raymond Scott dans 21 houblon a volé de la Californie à la Caroline du Nord en utilisant l'énergie solaire. Développements puis retournés aux véhicules aériens sans pilote (UAV) avec le Pathfinder (1997) et suivantes dessins, aboutissant à la Helios qui a établi le record d'altitude pour un avion non-roquettes à 29 524 mètres (96 864 pieds) en 2001. Le Zephyr, développé par BAE Systems , est le dernier d'une ligne de avion solaire record, faisant un vol de 54 heures en 2007, et les vols de long mois sont envisagées d'ici 2010.
Un solaire ballon est un ballon noir qui est rempli avec de l'air ordinaire. Comme la lumière du soleil brille sur le ballon, l'air est à l'intérieur chauffé et dilaté provoquant une hausse force de flottabilité, un peu comme un chauffé artificiellement ballon à air chaud . Certains ballons solaires sont assez grands pour le vol humain, mais l'usage est généralement limité au marché du jouet que la surface de la zone ratio charge utile-poids est relativement élevé.
Daylighting
L'histoire de l'éclairage est dominé par l'utilisation de la lumière naturelle. Les Romains ont reconnu un droit à la lumière dès le 6ème siècle et le droit anglais écho ces jugements avec la Loi sur la prescription de 1832. Au 20e siècle artificielle l'éclairage est devenu la principale source de techniques d'éclairage intérieur et l'éclairage naturel, mais des solutions d'éclairage solaires hybrides sont des façons de réduire la consommation d'énergie.
systèmes d'éclairage naturel collectent et distribuent la lumière du soleil pour fournir un éclairage intérieur. Cette technologie passive compense directement la consommation d'énergie en remplaçant l'éclairage artificiel, et indirectement compense la consommation d'énergie non-solaire en réduisant la nécessité de climatisation. Bien que difficile à quantifier, l'utilisation de l'éclairage naturel offre également des avantages physiologiques et psychologiques par rapport à éclairage artificiel. conception de l'éclairage naturel implique une sélection rigoureuse des types de fenêtres, de tailles et l'orientation; dispositifs d'ombrage extérieurs peuvent être considérés ainsi. Arbres à feuilles caduques aux extrémités est et ouest des bâtiments offrent de l'ombre en été et ne bloquent pas le soleil en hiver. Les caractéristiques individuelles comprennent toits en dents de scie, fenêtres claire-voie, étagères lumineuses, lucarnes et tubes lumineux. Ils peuvent être incorporés dans les structures existantes, mais sont plus efficaces lorsqu'ils sont intégrés dans un paquet de conception solaire qui tient compte des facteurs tels que éblouissement, le flux de chaleur et temps d'utilisation. Lorsque les fonctionnalités éclairage naturel sont correctement appliquées, elles peuvent réduire les besoins en énergie liées à l'éclairage de 25%.
Éclairage solaire hybride (HSL) est un méthode solaire actif de fournir un éclairage intérieur. systèmes de NSL recueillent la lumière du soleil en utilisant des miroirs de focalisation qui suivre le soleil et utiliser des fibres optiques pour transmettre à l'intérieur du bâtiment pour compléter l'éclairage conventionnel. Dans les applications de plain-pied ces systèmes sont capables de transmettre 50% de la lumière directe du soleil reçue.
Les lampes solaires qui chargent pendant la journée et se allument au crépuscule sont une vue commune le long des allées. Lanternes solaires chargées sont devenus populaires dans les pays en développement où ils fournissent une alternative plus sûre et moins coûteux de lampes à pétrole.
Bien que l'heure d'été est promu comme un moyen d'utiliser la lumière du soleil pour économiser l'énergie, la recherche récente rapporte des résultats contradictoires: plusieurs études rapportent des économies, mais aussi de nombreux suggèrent pas d'effet ou même une perte nette, en particulier lorsque la consommation d'essence est prise en compte. La consommation d'électricité est fortement influencée par la géographie, le climat et l'économie, ce qui rend difficile de généraliser à partir des études uniques.
Solaire thermique
Technologies solaires thermiques peuvent être utilisés pour le chauffage de l'eau, le chauffage, le refroidissement de l'espace et la production de chaleur de processus.
Chauffage de l'eau
Systèmes de chauffe-eau solaires utilisent la lumière solaire pour chauffer l'eau. Dans les latitudes géographiques faibles (inférieures à 40 degrés) de 60 à 70% de l'utilisation d'eau chaude sanitaire avec des températures jusqu'à 60 ° C peuvent être fournies par les systèmes de chauffage solaire. Les types les plus communs de chauffe-eau solaires sont évacués capteurs à tubes (44%) et les capteurs vitrés plats de la plaque (34%) généralement utilisés pour l'eau chaude sanitaire; et de capteurs de plastique non vitrés (21%) principalement utilisées pour chauffer les piscines.
En 2007, la capacité totale installée de systèmes solaires à eau chaude est d'environ 154 GW. La Chine est le leader mondial dans leur déploiement avec 70 GW installés en 2006 et un objectif à long terme de 210 GW d'ici 2020. Israël et Chypre sont les leaders par habitant dans l'utilisation des systèmes de chauffe-eau solaires avec plus de 90% des foyers qui les utilisent . Aux États-Unis, le Canada et l'Australie chauffage des piscines est l'application dominante d'eau chaude solaire avec une capacité installée de 18 GW en 2005.
Chauffage, climatisation et de ventilation
Aux Etats-Unis, systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) représentent 30% (4,65 EJ) de l'énergie utilisée dans les bâtiments commerciaux et près de 50% (10,1 EJ) de l'énergie utilisée dans les immeubles résidentiels. Technologies de chauffage, de refroidissement et de ventilation solaires peuvent être utilisés pour compenser une partie de cette énergie.
La masse thermique est tout matériau qui peut être utilisé pour stocker la chaleur la chaleur du soleil dans le cas de l'énergie solaire. Matériaux thermiques communs de masse comprennent pierre, le ciment et l'eau. Historiquement, ils ont été utilisés dans des climats arides ou les régions tempérées chaudes de maintenir les bâtiments frais en absorbant l'énergie solaire pendant la journée et rayonnant la chaleur stockée dans l'atmosphère plus frais la nuit. Cependant, ils peuvent être utilisés dans les zones tempérées froides pour maintenir la chaleur ainsi. La taille et l'emplacement de la masse thermique dépendent de plusieurs facteurs tels que le climat, l'éclairage naturel et d'ombrage conditions. Lorsqu'il est correctement intégrée, la masse thermique maintient la température de l'espace dans une gamme confortable et réduit le besoin de chauffage d'appoint et de refroidissement.
Une cheminée solaire (thermique ou d'une cheminée, dans ce contexte) est un système de ventilation passive solaire composé d'un arbre vertical reliant l'intérieur et l'extérieur d'un bâtiment. Comme la cheminée se réchauffe, l'air intérieur est chauffé provoquant une courant ascendant qui aspire l'air à travers le bâtiment. La performance peut être améliorée en utilisant des matériaux de vitrage et la masse thermique d'une manière qui imite les serres.
Arbres à feuilles caduques et les plantes ont été promus comme un moyen de contrôler le chauffage solaire et de refroidissement. Quand il est planté sur le côté sud du bâtiment, leurs feuilles fournissent de l'ombre pendant l'été, tandis que les membres nus laissent passer la lumière pendant l'hiver. Depuis nus, arbres sans feuilles ombre 01/03 à 01/02 du rayonnement solaire incident, il ya un équilibre entre les avantages de l'ombre en été et la perte correspondante de chauffage en hiver. Dans les climats avec des charges de chauffage importants, arbres à feuilles caduques devraient pas être plantés sur le côté sud d'un bâtiment car ils vont interférer avec l'hiver disponibilité solaire. Ils peuvent, toutefois, être utilisés sur les côtés est et ouest de fournir un degré de l'ombre en été sans affecter sensiblement le gain solaire en hiver.
Traitement de l'eau
Distillation solaire peut être utilisé pour faire une solution saline ou potable de l'eau saumâtre. L'instance d'abord enregistré de ce était par les alchimistes arabes du 16ème siècle. Un projet de distillation solaire à grande échelle a été construit en 1872 dans la chilienne ville minière de Las Salinas. L'usine, qui avait une superficie de collecte solaire de 4700 m 2, pourrait produire jusqu'à 22 700 L par jour et exploité pendant 40 ans. Individuel encore modèles comprennent une seule pente, double-pente (ou de type à effet de serre), vertical, conique, amortisseur inversé, multi-mèche, et l'effet multiple. Ces alambics peuvent fonctionner en mode passif, actifs, ou hybrides. Alambics Double-pente sont les plus économiques à des fins domestiques décentralisés, tandis que plusieurs unités d'effets actifs sont plus appropriés pour des applications à grande échelle.
Eau solaire désinfection (SODIS) consiste à exposer en plastique rempli d'eau polyéthylène téréphtalate (PET) des bouteilles à la lumière du soleil pendant plusieurs heures. Les temps d'exposition varient selon le temps et le climat depuis un minimum de six heures à deux jours dans des conditions totalement couvert. Il est recommandé par l' Organisation mondiale de la santé comme une méthode viable pour le traitement de l'eau des ménages et l'entreposage sécuritaire. Plus de deux millions de personnes dans les pays en développement utilisent cette méthode pour leur eau potable par jour.
L'énergie solaire peut être utilisé dans un étang de stabilisation de l'eau pour traiter gaspiller l'eau sans produits chimiques ou de l'électricité. Un autre avantage est que l'environnement algues se développent dans des étangs et consomment du dioxyde de carbone dans la photosynthèse, bien que les algues peuvent produire des produits chimiques toxiques qui rendent l'eau inutilisable.
Cuisine
Les cuisinières solaires utilisent la lumière solaire pour la cuisson, de séchage et la pasteurisation. Ils peuvent être regroupés en trois grandes catégories: les cuisinières de boîte, cuisinières et cuisinières du panneau réflecteur. Le cuiseur solaire simple est la cuisinière de boîte de premiers construit par Horace de Saussure en 1767. Une boîte de base se compose d'un four contenant isolé avec un couvercle transparent. Il peut être utilisé efficacement avec un ciel partiellement couvert et généralement atteindre des températures de 90 à 150 ° C. Les fours à panneaux utilisent un panneau réfléchissant au soleil sur un conteneur isotherme et atteindre des températures comparables à cuisinières de boîte. cuiseurs réflecteurs utilisent différentes géométries de concentration (plat, creux, miroirs de Fresnel) pour focaliser la lumière sur un récipient de cuisson. Ces cuisinières atteignent des températures de 315 ° C et au-dessus, mais ont besoin de lumière directe pour fonctionner correctement et doivent être repositionnés pour suivre le Soleil
Le bol solaire est une technologie de concentration employée par la cuisine solaire au Auroville, dans Tamil Nadu, en Inde , où un réflecteur sphérique fixe focalise la lumière le long d'une ligne perpendiculaire à la surface intérieure de la sphère, et un système de commande par ordinateur déplace le récepteur à couper cette ligne. La vapeur est produite dans le récepteur, à des températures atteignant 150 ° C et ensuite utilisé pour la chaleur du procédé dans la cuisine.
Un réflecteur développé par Wolfgang Scheffler en 1986 est utilisé dans de nombreuses cuisines solaires. Réflecteurs Scheffler sont antennes paraboliques flexibles qui combinent des aspects de creux et de la tour de puissance concentrateurs. Le repérage polaire est utilisé pour suivre course quotidienne du soleil et la courbure du réflecteur est ajusté des variations saisonnières de l'angle d'incidence de la lumière du soleil. Ces réflecteurs peuvent atteindre des températures de 450 à 650 ° C et avoir un point focal fixe, ce qui simplifie la cuisson. Plus grand système de réflecteur Scheffler au monde à Abu Road, Rajasthan, en Inde est capable de cuisson jusqu'à 35 000 repas par jour. En 2008, plus de 2 000 grandes cuisinières Scheffler avaient été construites dans le monde entier.
Chaleur de process
Technologies solaires à concentration, tels que antenne parabolique, creux et des réflecteurs Scheffler peuvent fournir de la chaleur de processus pour les applications commerciales et industrielles. Le premier système commercial était le Projet solaire totale d'énergie (STEP) à Shenandoah, Géorgie, Etats-Unis où un champ de 114 antennes paraboliques a fourni 50% de la production de chaleur industrielle, la climatisation et les exigences électriques pour une usine de vêtements. Ce système de cogénération raccordée au réseau fourni 400 kW d'électricité ainsi que l'énergie thermique sous forme de 401 kW vapeur et 468 kW eau glacée, et a eu une heure de la charge de pointe stockage thermique.
étangs d'évaporation sont mares peu profondes qui se concentrent solides dissous par évaporation. L'utilisation des bassins d'évaporation pour obtenir le sel de l'eau de mer est l'une des applications les plus anciens de l'énergie solaire. Utilisations modernes comprennent concentration de solutions de saumure utilisés dans les mines de lixiviation et la suppression solides dissous provenant des flux de déchets.
Vêtements lignes, clotheshorses, et des vêtements racks vêtements secs par évaporation par le vent et la lumière du soleil sans consommer d'électricité ou de gaz. Dans certains Etats de la législation des États-Unis protège le «droit à sécher" vêtements.
Collecteurs non vitrés transpiré (UTC) sont les murs de soleil face perforées utilisées pour le préchauffage de l'air de ventilation. UTC peuvent élever la température de l'air entrant à 22 ° C et de fournir des températures de sortie de 45 à 60 ° C. La courte période de récupération de collectionneurs transpiré (3-12 ans) eux une alternative plus rentable que les systèmes de collecte vitrage fait. En 2003, plus de 80 systèmes avec une zone de collecteur combiné de 35 000 m 2 avait été installé dans le monde entier, y compris un collecteur 860 m 2 dans Costa Rica utilisé pour le séchage des grains de café et un collecteur 1300 m 2 dans Coimbatore, en Inde utilisé pour le séchage soucis.
La production d'électricité
L'énergie solaire est la conversion du rayonnement solaire en électricité , soit directement à l'aide photovoltaïque (PV), ou indirectement en utilisant l'énergie solaire concentrée (CSP). Systèmes CSP utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de suivi pour concentrer une grande partie de la lumière du soleil en un petit faisceau. PV convertit la lumière en courant électrique en utilisant la effet photoélectrique.
Centrales CSP commerciaux ont été développés dans les années 1980. Depuis 1985, la 354 MW à terme L'installation SEGS CSP, dans le désert de Mojave en Californie, est la plus grande centrale solaire dans le monde. Autres grandes centrales CSP comprennent les 150 MW Centrale solaire de Solnova et 100 MW Andasol centrale solaire, à la fois en Espagne. Le 250 MW Agua Caliente projet solaire, aux États-Unis, et 214 MW Charanka parc solaire en Inde , sont les de plus grand installations photovoltaïques. Projets solaires de plus de 1 GW sont en cours d'élaboration, mais la plupart des systèmes photovoltaïques sont déployées dans de petits tableaux sur le toit de moins de 5 kW, qui sont connectés au réseau en utilisant la facturation nette et / ou un tarif de rachat.
L'énergie solaire concentrée
Concentration de l'énergie solaire (CSP) systèmes utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de suivi pour concentrer une grande partie de la lumière du soleil en un petit faisceau. La chaleur concentrée est ensuite utilisé comme source de chaleur pour une centrale électrique conventionnelle. Une large gamme de technologies de concentration existe; les plus développés sont les capteurs cylindro-paraboliques, le Fresnel linéaire concentrer réflecteur, le plat Stirling et la tour de l'énergie solaire. Diverses techniques sont utilisées pour suivre le soleil et concentrer la lumière. Dans tous ces systèmes, un le fluide de travail est chauffé par le rayonnement solaire concentré, et est ensuite utilisé pour la production d'électricité ou de stockage d'énergie.
Photovoltaïque
Un pile solaire, ou cellule photovoltaïque (PV), est un dispositif qui convertit la lumière en courant électrique en utilisant le effet photoélectrique. La première cellule solaire a été construite en Charles Fritts dans les années 1880. En 1931, un ingénieur allemand, le Dr Bruno Lange, a développé une cellule photo à l'aide séléniure d'argent à la place de oxyde de cuivre. Bien que le prototype sélénium cellules converties moins de 1% de la lumière incidente en électricité, à la fois Ernst Werner von Siemens et James Clerk Maxwell ont reconnu l'importance de cette découverte. Suite aux travaux de Russell Ohl dans les années 1940, des chercheurs Gerald Pearson, Calvin Fuller et Daryl Chapin créé le silicium cellule solaire en 1954. Ces premières cellules solaires coûtent 286 USD / watt et ont atteint des rendements de 4,5 à 6%. En 2012 l'efficacité disponibles dépassent 20% et le maximum d'efficacité de l'énergie photovoltaïque de recherche est de plus de 40%.
Autres
Outre la puissance et l'énergie photovoltaïque solaire concentrée, il ya d'autres techniques utilisées pour l'électricité produite à partir de l'énergie solaire. Ceux-ci comprennent:
- Dye-sensitized_solar_cells,
- Concentrateurs solaires luminescents (un type de cellules photovoltaïques concentrés ou technologie CPV),
- Biohybrides cellules solaires,
- systèmes Thermionic émission de photons renforcée
la production de carburant
Processus chimiques solaires utilisent l'énergie solaire pour conduire des réactions chimiques. Ces processus compensés énergie qui autrement viendrait d'une source de combustible fossile et peut aussi convertir l'énergie solaire en combustibles stockables et transportable. Solaires induite par des réactions chimiques peuvent être divisées en thermochimique ou photochimique. Une variété de carburants peut être produit par photosynthèse artificielle. La chimie catalytique multielectron impliqué dans la fabrication des combustibles à base de carbone (tels que le methanol ) de réduction de dioxyde de carbone est difficile; une alternative possible est l'hydrogène production de protons, bien que l'utilisation d'eau comme source d'électrons (comme le font les plantes) nécessite la maîtrise de l'oxydation de multielectron de deux molécules d'eau de l'oxygène moléculaire. Certains ont envisagé de travailler centrales à combustibles solaires dans les régions métropolitaines côtières en 2050- la scission de l'eau de mer fournir de l'hydrogène à courir à travers des piles à combustible des centrales électriques adjacentes et l'eau pure sous-produit va directement dans le réseau d'aqueduc municipal.
technologies de production d'hydrogène été un domaine important de la recherche chimique solaire depuis les années 1970. Mis à part l'électrolyse entraînée par les cellules photovoltaïques ou photochimiques, plusieurs procédés thermochimiques ont également été explorées. Un tel itinéraire utilise des concentrateurs pour décomposer l'eau en oxygène et hydrogène à des températures élevées (2300-2600 ° C). Une autre approche utilise la chaleur de concentrateurs solaires pour conduire le reformage à la vapeur du gaz naturel augmentant ainsi le rendement global de l'hydrogène par rapport aux méthodes classiques de reformage. Cycles thermochimiques caractérisées par la décomposition et la régénération des réactifs présentent une autre avenue pour la production d'hydrogène. Le processus SOLZINC cours de développement au Institut Weizmann utilise un four solaire de 1 MW à se décomposer l'oxyde de zinc (ZnO) à des températures supérieures à 1200 ° C. Cette réaction produit initial zinc pur, qui peut ensuite être mis à réagir avec l'eau pour produire de l'hydrogène.
méthodes de stockage de l'énergie
Systèmes de masse thermique peuvent stocker l'énergie solaire sous forme de chaleur à des températures localement utiles pour tous les jours ou durées de saison. Systèmes de stockage thermique utilisent généralement des matériaux facilement disponibles avec haute capacités thermiques spécifiques tels que l'eau, la terre et la pierre. Des systèmes bien conçus peuvent réduire la demande de pointe, Time Shift d'utilisation à heures creuses et de réduire les exigences globales de chauffage et de refroidissement.
Les matériaux à changement de phase tel que la cire de paraffine et de sel de Glauber sont un autre support de stockage thermique. Ces matériaux sont peu coûteux, facilement disponibles, et peuvent fournir des températures localement utiles (environ 64 ° C). Le "Dover House" (en Dover, Massachusetts) était le premier à utiliser le système de chauffage de sel de Glauber, en 1948.
L'énergie solaire peut être stocké à des températures élevées en utilisant sels fondus. Les sels sont un support de stockage efficaces parce qu'ils sont à faible coût, d'une capacité de chaleur spécifique élevée et peut fournir de la chaleur à des températures compatibles avec les systèmes électriques conventionnelles. Le Deux solaire utilisé cette méthode de stockage d'énergie, ce qui permet de stocker 1,44 TJ dans son 68 m 3 réservoir de stockage avec une efficacité de stockage annuel d'environ 99%.
Hors réseau des systèmes photovoltaïques ont traditionnellement utilisé batteries rechargeables pour stocker l'électricité excédentaire. Avec les systèmes reliés au réseau, l'électricité excédentaire peut être envoyé à la transmission grille, tandis que l'électricité de la grille standard peut être utilisé pour couvrir les déficits. Programmes net de mesure donnent systèmes domestiques un crédit pour l'électricité qu'ils offrent à la grille. Ce est souvent légalement assurée par «reculer» le compteur à chaque fois que la maison produit plus d'électricité qu'il ne en consomme. Si l'utilisation nette d'électricité est en dessous de zéro, l'utilitaire est nécessaire pour payer pour le supplément au même rythme que les consommateurs qu'ils facturent. D'autres approches juridiques impliquent l'utilisation de deux mètres, pour mesurer l'électricité consommée par rapport à l'électricité produite. Ceci est moins fréquent en raison de l'augmentation de coût de l'installation du deuxième compteur.
À accumulation par pompage magasins d'hydroélectricité énergie sous forme d'eau pompée lorsque l'énergie est disponible à partir d'un réservoir d'élévation inférieure à une altitude plus élevée. L'énergie est récupérée lorsque la demande est forte en libérant l'eau à courir à travers un générateur hydroélectrique.
Développement, le déploiement et l'économie
Commençant par la flambée des charbon usage qui a accompagné la révolution industrielle , la consommation d'énergie n'a cessé de transition à partir de bois et de la biomasse pour les combustibles fossiles . Le développement rapide de technologies solaires à partir dans les années 1860 a été tirée par une attente que le charbon allait bientôt devenir rares. Cependant le développement des technologies solaires a stagné au début du 20e siècle dans le visage de l'augmentation de la disponibilité, de l'économie, et l'utilité de charbon et de pétrole .
L' embargo pétrolier de 1973 et 1979 crise de l'énergie a entraîné une réorganisation des politiques énergétiques dans le monde et a attiré l'attention renouvelée au développement de technologies solaires. Stratégies de déploiement axés sur les programmes d'incitation tels que le Programme d'utilisation photovoltaïque fédéral aux États-Unis et le Programme de Sunshine au Japon. D'autres efforts comprenaient la création d'installations de recherche aux États-Unis (SERI, maintenant NREL), le Japon ( NEDO), et Allemagne ( Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE).
Chauffe-eau solaires commerciales ont commencé à apparaître aux Etats-Unis dans les années 1890. Ces systèmes ont vu l'utilisation de plus en plus jusqu'à ce que les années 1920, mais ont été progressivement remplacés par des moins chers et plus fiables combustibles de chauffage. Comme avec le photovoltaïque, le chauffage solaire de l'eau a attiré une attention renouvelée à la suite des chocs pétroliers dans les années 1970, mais l'intérêt calmée dans les années 1980 en raison des prix du pétrole en baisse. Développement dans le secteur du chauffage solaire de l'eau a progressé de façon constante tout au long des années 1990 et les taux de croissance ont atteint en moyenne 20% par an depuis 1999. Bien que généralement sous-estimé, le chauffage solaire de l'eau et le refroidissement est de loin la technologie solaire la plus largement déployée avec une capacité estimée de 154 GW 2007.
Le Agence internationale de l'énergie a déclaré que l'énergie solaire peut apporter des contributions considérables à résoudre certains des problèmes les plus urgents dans le monde est confronté aujourd'hui:
Le développement des technologies de l'énergie solaire abordable, inépuisables et propres aura d'énormes avantages à long terme. Il permettra d'accroître la sécurité énergétique de pays à travers le recours à une ressource locale, inépuisable et surtout import-indépendante, améliorer la durabilité, de réduire la pollution, réduire les coûts de l'atténuation du changement climatique, et de maintenir les prix des combustibles fossiles plus faible que le contraire. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des mesures incitatives pour le déploiement rapide devraient être considérés comme des investissements d'apprentissage; ils doivent être dépensés à bon escient et doivent être largement partagée.
En 2011, le Agence internationale de l'énergie a déclaré que les technologies d'énergie solaire tels que les panneaux photovoltaïques, les chauffe-eau solaires et de centrales construites avec des miroirs pourraient fournir un tiers de l'énergie dans le monde d'ici à 2060 si les politiciens engagent à limiter le changement climatique . L'énergie du soleil pourrait jouer un rôle clé dans de-carbonisation de l'économie mondiale aux côtés de l'amélioration de l'efficacité énergétique et d'imposer des coûts sur les gaz à effet de serre émetteurs. «La force de l'énergie solaire est l'incroyable variété et la flexibilité des applications, de la petite échelle à grande échelle».
Nous avons prouvé que ... après nos magasins de pétrole et de charbon sont épuisés la race humaine peut recevoir un pouvoir illimité à partir des rayons du soleil.- Frank Shuman,New York Times 2 Juillet 1916
Normes ISO
Le Organisation internationale de normalisation a établi un certain nombre de normes relatives aux équipements de l'énergie solaire. Par exemple, la norme ISO 9050 concerne le verre dans le bâtiment alors que l'ISO 10217 concerne les matériaux utilisés dans les chauffe-eau solaires.
