Energia solar
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A energia solar, radiante de luz e calor do sol , tem sido aproveitado por seres humanos desde os tempos antigos , utilizando uma gama de tecnologias em constante evolução. Tecnologias de energia solar incluem aquecimento solar, energia solar fotovoltaica, energia solar térmica e arquitetura solar, que podem trazer contribuições consideráveis para resolver alguns dos problemas de energia mais urgentes do mundo agora enfrenta.
As tecnologias solares são amplamente caracterizada como seja solar passivo ou solar ativo, dependendo da forma como eles capturar, converter e distribuir a energia solar. Técnicas solares ativas incluem o uso de painéis fotovoltaicos e colectores solares térmicos para aproveitar a energia. Técnicas solares passivas incluem a orientação de um edifício para a Sun, a seleção de materiais com favorável massa térmica ou a luz de dispersão propriedades e concepção de espaços que naturalmente circular o ar.
Em 2011, o Agência Internacional de Energia disse que "o desenvolvimento de tecnologias de energia solar a preços acessíveis, inesgotáveis e limpas terá enormes benefícios a longo prazo. Ela vai aumentar a segurança energética dos países através de dependência de um recurso endógeno, inesgotável e principalmente importação e independente, melhorar sustentabilidade, reduzir a poluição, reduzir os custos de mitigação das alterações climáticas , e manter combustíveis fósseis preços mais baixos do que o contrário. Estas vantagens são globais. Assim, os custos adicionais dos incentivos para a implantação precoce deve ser considerada investimentos de aprendizagem; eles devem ser sabiamente gasto e precisa ser amplamente compartilhada ".
A energia do Sol
A Terra recebe 174 petawatts (PW) de radiação solar ( insolação) na parte superior atmosfera . Cerca de 30% é refletida de volta ao espaço, enquanto o restante é absorvido pelas nuvens, oceanos e as massas de terra. O espectro de luz solar a superfície da Terra é principalmente espalhados por todo o visível e faixas do infravermelho próximo, com uma pequena parte no próximo-ultravioleta .
Terra da superfície da Terra, dos oceanos e da atmosfera absorvem a radiação solar, e isso levanta sua temperatura. O ar quente contendo água evaporada dos oceanos sobe, fazendo com que circulação atmosférica ou convecção. Quando o ar atinge uma altitude elevada, onde a temperatura é baixa, o vapor de água se condensa em nuvens, que chuva na superfície da Terra, completando o ciclo da água . O calor latente de condensação da água amplifica convecção, produzindo fenômenos atmosféricos, tais como vento , ciclones e anti-ciclones. A luz solar absorvida pelos oceanos e massas de terra mantém a superfície a uma temperatura média de 14 ° C. Por fotossíntese plantas convertem a energia solar em energia química, que produz alimentos, madeira e biomassa a partir de combustíveis fósseis que são derivados.
| Anualmente fluxos solares & Consumo de Energia Humana | |
|---|---|
| Solar | 3850000 EJ |
| Vento | 2.250 EJ |
| Potencial de biomassa | 100-300 EJ |
| Consumo de energia primária (2009) | 510 EJ |
| Electricidade (2009) | 62,5 EJ |
A energia solar total absorvida pela atmosfera, oceanos da Terra e massas de terra é de aproximadamente 3.850.000 exajoules (EJ) por ano. Em 2002, este foi mais energia em uma hora do que o mundo usado em um ano. Photosynthesis capta cerca de 3.000 EJ por ano em biomassa. O potencial técnico disponível a partir da biomassa é 100-300 EJ / ano. A quantidade de energia solar que atinge a superfície do planeta é tão grande que em um ano é cerca de duas vezes mais que nunca vai ser obtido a partir de todos os recursos não renováveis da Terra de carvão, petróleo, gás natural e urânio extraído combinado ,
A energia solar pode ser aproveitada em diferentes níveis em todo o mundo, principalmente dependendo da distância do equador.
Aplicações da tecnologia solar
A energia solar refere-se principalmente ao uso de radiação solar para fins práticos. No entanto, todas as energias renováveis, excepto geotérmica e marés, derivam sua energia a partir do sol.
Tecnologias solares são amplamente caracterizada como passiva ou ativa, dependendo da forma como eles capturar, converter e distribuir a luz solar. Técnicas solares ativas usar painéis fotovoltaicos, bombas e ventiladores para converter a luz solar em resultados úteis. Técnicas solares passivas incluem seleção de materiais com propriedades térmicas favoráveis, projetando espaços que circulam naturalmente ar, e referenciando a posição de um edifício para a Sun. Tecnologias solares activos aumentar a oferta de energia e são considerados tecnologias do lado da oferta, enquanto as tecnologias solares passivas reduzir a necessidade de recursos alternativos e são geralmente consideradas tecnologias do lado da procura.
Arquitetura e urbanismo
Luz Solar influenciou projeto de construção desde o início da história da arquitetura. Arquitetura solar avançada e de planeamento urbano métodos foram utilizados pela primeira vez pelos gregos e Chinês, que orientado seus edifícios para o sul para fornecer luz e calor.
As características comuns de arquitetura solar passiva são orientação em relação ao Sol, proporção compacto (uma área de baixa superfície em relação ao volume), seletivos de sombreamento (saliências) e massa térmica. Quando esses recursos são adaptadas ao clima local e ambiente podem produzir espaços bem iluminados que ficar em uma faixa de temperatura confortável. Sócrates Megaron Casa é um exemplo clássico da arquitectura solar passiva. Os mais recentes abordagens para o uso do projeto Solar modelagem computacional amarrando juntos iluminação solar, e aquecimento sistemas de ventilação em um sistema integrado pacote de design solar. Equipamentos de energia solar activa, tais como bombas, ventiladores e janelas comutável pode complementar projeto passivo e melhorar o desempenho do sistema.
Ilhas de calor urbano (UHI) são áreas metropolitanas com temperaturas mais elevadas do que a do ambiente circundante. As temperaturas mais elevadas são um resultado do aumento da absorção da luz solar por materiais urbanos, tais como o asfalto e concreto, que têm mais baixos albedos e maior capacidades de calor do que aqueles no ambiente natural. Um método simples de neutralizar o efeito UHI é pintar edifícios e estradas brancas e plantar árvores. Usando esses métodos, um programa hipotético "comunidades legal" em Los Angeles projetou que as temperaturas urbanas poderia ser reduzido em cerca de 3 ° C, a um custo estimado de US $ 1 bilhão, dando estimado benefícios totais anuais de US $ 530 milhões de redução de ar condicionado custos e economias de saúde.
Agricultura e horticultura
Agricultura e horticultura procurar optimizar a captura de energia solar, a fim de optimizar a produtividade de plantas. Técnicas como a ciclos de plantio cronometrados, orientação de linha adaptado, alturas escalonados entre linhas e a mistura de variedades de plantas pode melhorar a produtividade das culturas. Enquanto a luz solar é geralmente considerado um recurso abundante, as excepções destacar a importância da energia solar para a agricultura. Durante as estações curto crescentes da Pequena Idade do Gelo , francês e Fazendeiros ingleses empregados paredes de frutas para maximizar a recolha de energia solar. Estas paredes atuou como massas térmicas e acelerou a maturação, mantendo as plantas quente. Paredes de frutas primeiros foram construídos perpendicular ao chão e de frente para o sul, mas ao longo do tempo, paredes inclinadas foram desenvolvidos para fazer melhor uso da luz solar. Em 1699, Nicolas Fatio de Duillier mesmo sugeriu o uso de um mecanismo de rastreamento que pode girar para acompanhar o Sol Aplicações da energia solar na agricultura de lado da cultura de plantas incluem o bombeamento de água, secando culturas, chocando pintainhos e secagem esterco de galinha. Mais recentemente, a tecnologia tem sido abraçada por vinters, que usam a energia gerada por painéis solares para alimentar prensas de uva.
Estufas converter a luz solar para aquecer, permitindo a produção durante todo o ano eo crescimento (em ambientes fechados) de culturas especiais e outras plantas não naturalmente adaptados às condições climáticas locais. Estufas primitivos foram utilizados pela primeira vez durante a época romana para produzir pepinos durante todo o ano para o imperador romano Tibério. As primeiras estufas modernas foram construídas na Europa no século 16 para manter plantas exóticas trazidas de explorações no exterior. Estufas permanecem uma parte importante da horticultura hoje, e materiais transparentes de plástico também têm sido utilizados para efeito semelhante em polytunnels e linha cobre.
Transportes e reconhecimento
Desenvolvimento de um carro movido a energia solar tem sido uma meta de engenharia desde os anos 1980. O World Challenge Solar é uma corrida de carros movida a energia solar bianual, onde as equipes de universidades e empresas competem sobre 3.021 quilômetros (1.877 mi) sobre o centro de Austrália de Darwin a Adelaide . Em 1987, quando foi fundada, a velocidade média do vencedor foi de 67 quilômetros por hora (42 mph) e até 2007 a velocidade média do vencedor tinha melhorado a 90,87 quilômetros por hora (56,46 mph). O North American Solar Desafio ea planejada Sul-Africano Desafio Solar são competições comparáveis que reflectem um interesse internacional na engenharia e desenvolvimento de veículos movidos a energia solar.
Alguns veículos usam painéis solares para alimentação auxiliar, tais como ar condicionado, para manter o interior fresco, reduzindo assim o consumo de combustível.
Em 1975, o primeiro barco solar prático foi construído na Inglaterra. Em 1995, barcos de passageiros que incorporam painéis fotovoltaicos começaram a aparecer e agora são usados extensivamente. Em 1996, Kenichi Horie fez a primeira travessia movido a energia solar do Oceano Pacífico, eo catamarã sun21 fizeram a primeira travessia movido a energia solar para o Oceano Atlântico, no inverno de 2006-2007. Existem planos para circunavegar o globo em 2010.
Em 1974, a não tripulado AstroFlight Sunrise avião fez o primeiro vôo solar. Em 29 de abril de 1979, o Riser Solar fez o primeiro vôo em um movido a energia solar, totalmente controlada, homem carregando máquina voadora, atingindo uma altitude de 40 pés (12 m). Em 1980, o Gossamer Pinguim fez os primeiros vôos pilotados movidos exclusivamente por energia fotovoltaica. Este foi rapidamente seguida pela Challenger Solar que cruzou o Canal Inglês em Julho de 1981. Em 1990, Eric Scott Raymond em 21 lúpulo voou da Califórnia a Carolina do Norte usando energia solar. Desenvolvimentos em seguida, virou-se para veículos aéreos não tripulados (UAV) com o Pathfinder (1997) e subseqüentes projetos, culminando com a Helios que estabeleceu o recorde de altitude para uma aeronave não-propelidas por foguete contra 29.524 metros (96.864 pés) em 2001. O Zephyr, desenvolvido pela BAE Systems , é o último de uma linha de aviões solares recorde, fazendo um voo de 54 horas em 2007, e voos de longo mês estão previstos até 2010.
A balão solar é um balão de preto que está cheio com ar normal. Como a luz solar brilha no balão, o ar no interior é aquecido e se expande causando um ascendente força de empuxo, muito parecido com um artificialmente aquecido balão de ar quente . Alguns balões solares são grandes o suficiente para o voo humano, mas o uso é geralmente limitada ao mercado de brinquedos como área de superfície-a à relação de carga de peso é relativamente alta.
Daylighting
A história de iluminação é dominado pelo uso de luz natural. Os romanos reconheceram um direito à luz tão cedo quanto o Século 6 e lei Inglês ecoou esses julgamentos, com a Lei de Prescrição de 1832. No século 20 artificial iluminação tornou-se a principal fonte de iluminação, mas de iluminação natural técnicas de interiores e soluções de iluminação solares híbridos são formas de reduzir o consumo de energia.
Sistemas de iluminação natural coletar e distribuir a luz solar para fornecer iluminação interior. Essa tecnologia passiva compensa directamente o consumo de energia através da substituição de iluminação artificial, e indiretamente compensa o uso de energia não-solar, reduzindo a necessidade de ar condicionado. Embora sejam difíceis de quantificar, a utilização de iluminação natural também oferece benefícios fisiológicos e psicológicos em comparação com iluminação artificial. Design de iluminação natural implica cuidadosa seleção de tipos de janelas, tamanhos e orientação; dispositivos de sombreamento exterior podem ser considerados também. Árvores de folha caduca nas extremidades leste e oeste de edifícios oferecem sombra no verão e não bloqueia o sol no inverno. Características individuais incluem telhados dente de serra, janelas com grades, prateleiras de luz, clarabóias e tubos de luz. Eles podem ser incorporados em estruturas existentes, mas são mais eficazes quando integrados num pacote de design solar que responde por fatores como brilho, fluxo de calor e tempo de uso. Quando funções de iluminação natural são adequadamente aplicadas eles podem reduzir as necessidades energéticas relacionadas com iluminação em 25%.
Iluminação solar híbrida (HSL) é um método solar ativo de fornecer iluminação interior. Sistemas HSL coletar a luz solar usando espelhos que focalizam acompanhar o sol e usar fibras ópticas para transmitir-lo no interior do edifício para complementar a iluminação convencional. Em aplicações de um único andar estes sistemas são capazes de transmitir 50% de luz solar directa recebidos.
As luzes solares que cobram durante o dia e se acendem ao anoitecer são uma visão comum ao longo das passagens. As lanternas solares carregada tornaram-se populares nos países em desenvolvimento, onde eles fornecem uma alternativa mais segura e mais barata para as lâmpadas de querosene.
Embora o horário de verão é promovido como uma maneira de usar a luz solar para economizar energia, uma pesquisa recente relata resultados contraditórios: vários estudos relatam a poupança, mas apenas como muitos sugerem nenhum efeito ou até mesmo uma perda líquida, particularmente quando o consumo de gasolina é tomado em consideração. O consumo de eletricidade é grandemente afetada pela geografia, clima e economia, tornando difícil generalizar a partir de estudos individuais.
Solar térmica
Tecnologias solares térmicos podem ser usados para aquecimento de água, aquecimento, refrigeração do ambiente e geração de calor de processo.
Aquecimento de água
Sistemas solares de água quente usar a luz solar para aquecer a água. Em baixas latitudes geográficas (abaixo de 40 graus) a partir de 60 a 70% da utilização de água quente para uso doméstico, com temperaturas de até 60 ° C pode ser proporcionado por sistemas de aquecimento solar. Os tipos mais comuns de aquecedores solares de água são evacuados colectores de tubo (44%) e coletores de vidros planos de chapa (34%), geralmente utilizadas para a água quente para uso doméstico; e coletores de plástico não vidrados (21%) utilizado principalmente para aquecer piscinas.
A partir de 2007, a capacidade total instalada de sistemas solares de água quente é de aproximadamente 154 GW. A China é o líder mundial em seu destacamento com 70 GW instalados a partir de 2006 e uma meta de longo prazo de 210 GW em 2020. Israel e Chipre são os líderes per capita no uso de sistemas solares de água quente com mais de 90% das casas usando- . Nos Estados Unidos, Canadá e Austrália aquecer piscinas é a aplicação dominante de água quente solar com uma capacidade instalada de 18 GW a partir de 2005.
Aquecimento, refrigeração e ventilação
Nos Estados Unidos, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) são responsáveis por 30% (4,65 EJ) da energia usada em edifícios comerciais e quase 50% (10,1 EJ) da energia usada em edifícios residenciais. Tecnologias solares de aquecimento, refrigeração e ventilação pode ser usado para compensar uma parte desta energia.
A massa térmica é qualquer material que pode ser usado para armazenar calor, calor do sol, no caso da energia solar. Materiais de massa térmica comuns incluem pedra, cimento e água. Historicamente eles têm sido usados em climas áridos ou regiões temperadas quentes para manter os edifícios legal por absorver a energia solar durante o dia e irradiando calor armazenado para a atmosfera mais frio à noite. No entanto, eles podem ser usados em áreas de clima temperado a frio para manter o calor bem. O tamanho ea colocação de massa térmica depender de vários fatores, tais como condições climáticas, iluminação natural e sombreamento. Quando devidamente incorporadas, massa térmica mantém temperaturas espaço em uma faixa confortável e reduz a necessidade de aquecimento auxiliar e equipamentos de refrigeração.
Uma chaminé solar (ou chaminé térmica, neste contexto) é um sistema solar passivo de ventilação composto por um veio vertical que liga o interior e exterior de um edifício. Como a chaminé aquece, o ar é aquecido no interior causando um corrente de ar ascendente que puxa o ar através do edifício. O desempenho pode ser melhorado usando vidros e materiais de massa térmica de uma forma que imita estufas.
Árvores de folha caduca e plantas têm sido promovidas como um meio de controlar o aquecimento e refrigeração solares. Quando plantada no lado sul do edifício, suas folhas fornecem sombra durante o verão, enquanto os membros nus permitir a passagem de luz durante o inverno. Desde desencapado, árvores desfolhadas sombra 1/3 a 1/2 da radiação solar incidente, há um equilíbrio entre os benefícios de sombreamento verão ea perda correspondente de aquecimento no inverno. Em climas com cargas de aquecimento significativas, árvores de folha caduca não devem ser plantadas no lado sul do edifício, porque eles vão interferir com a disponibilidade de inverno solar. Eles podem, contudo, ser usados nos lados leste e oeste para fornecer um grau de sombreamento verão sem afectar significativamente o ganho solar inverno.
Tratamento de água
Destilação solar pode ser utilizada para fazer ou salina potável água salobra. A instância primeiro registro desta foi por alquimistas árabes do século 16. Um projeto de destilação solar em larga escala foi construído pela primeira vez em 1872 no Chile cidade mineira de Las Salinas. A fábrica, que tinha área de coleta de energia solar de 4.700 m 2, poderia produzir até 22.700 L por dia e operados por 40 anos. Individual ainda projetos incluem single-declive, em dupla inclinação (ou tipo de efeito estufa), vertical, cónico, amortecedor invertido, multi-pavio, e efeito múltiplo. Estes alambiques pode operar em modos passivo, ativo, ou híbridos. Stills Duplo-inclinação são os mais econômicos para fins domésticos descentralizados, enquanto várias unidades de efeito ativos são mais adequados para aplicações em larga escala.
Água Solar desinfecção (SODIS) envolve a exposição de plástico cheio de água tereftalato de polietileno (PET) para garrafas de luz solar durante várias horas. Os tempos de exposição variam dependendo do tempo e do clima a partir de um mínimo de seis horas a dois dias durante condições totalmente nublados. É recomendado pela Organização Mundial de Saúde como um método viável para o tratamento de água doméstico e armazenamento seguro. Mais de dois milhões de pessoas nos países em desenvolvimento utilizam este método para sua água potável diariamente.
A energia solar podem ser utilizados num tanque de água de estabilização para tratar desperdice água sem produtos químicos ou eletricidade. Uma outra vantagem ambiental é que as algas crescem em tais lagoas e consumir dióxido de carbono na fotossíntese, embora as algas podem produzir substâncias tóxicas que tornam a água inutilizável.
Cozinhar
Fogões solares usam a luz solar para cozinhar, secagem e pasteurização. Eles podem ser agrupados em três grandes categorias: fogões, panelas e fogões painel refletor. O fogão solar mais simples é o fogão de caixa primeiro construído por Horace de Saussure em 1767. Um fogão de caixa básico consiste em um recipiente isolado com uma tampa transparente. Pode ser utilizada de forma eficaz com o céu parcialmente encoberto e tipicamente irá atingir temperaturas de 90-150 ° C. Fogões Painel de usar um painel reflexivo à luz solar direta em um recipiente isolado e atingir temperaturas comparáveis aos fogões de caixa. Fogões de refletor usar várias geometrias de enriquecimento (prato, Gamela, espelhos de Fresnel) para focalizar a luz em um recipiente de cozedura. Essas panelas de atingir temperaturas de 315 ° C e acima, mas necessitam de luz direta para funcionar adequadamente e devem ser reposicionados para acompanhar o Sol
O bowl solar é uma tecnologia de concentração empregada pela Cozinha Solar no Auroville, em Tamil Nadu, índia , onde um reflector esférica estacionária foca a luz ao longo de uma linha perpendicular à superfície interior da esfera, e um sistema de controlo por computador move o receptor para intersectar esta linha. O vapor é produzido no receptor a temperaturas atingindo 150 ° C e, em seguida, utilizado para o calor de processo na cozinha.
Um reflector desenvolvido pela Wolfgang Scheffler em 1986 é utilizado em muitas cozinhas solares. Refletores de Scheffler são pratos parabólicos flexíveis que combinam aspectos da calha e torre de energia concentradores. Rastreamento polar é usado para acompanhar o curso diário do Sol e da curvatura do refletor é ajustado para variações sazonais no ângulo de incidência da luz solar. Estes refletores podem atingir temperaturas de 450-650 ° C e têm um ponto focal fixa, o que simplifica a cozinhar. Maior sistema reflector Scheffler do mundo em Abu Road, Rajasthan, India é capaz de cozinhar até 35.000 refeições por dia. A partir de 2008, mais de 2.000 fogões Scheffler grandes tinham sido construídas em todo o mundo.
Calor de processo
Tecnologias de concentração solar, como prato parabólico, trough e refletores de Scheffler pode fornecer calor de processo para aplicações comerciais e industriais. O primeiro sistema comercial era o Projeto Solar Energia Total (STEP) em Shenandoah, Georgia, EUA, onde um campo de 114 antenas parabólicas fornecido 50% do aquecimento processo, ar condicionado e requisitos elétricos para uma fábrica de roupas. Este sistema de co-geração conectada à rede fornecida 400 kW de eletricidade, mais energia térmica sob a forma de vapor 401 kW e 468 kW de água gelada, e teve um pico de carga de armazenamento térmico de uma hora.
Lagoas de evaporação são piscinas rasas que concentram sólidos dissolvidos através evaporação. O uso de lagoas de evaporação para se obter o sal da água do mar é uma das aplicações mais antigas de energia solar. Usos modernos incluem concentrando soluções de salmoura utilizados na mineração por lixiviação e remoção de sólidos dissolvidos de fluxos de resíduos.
Linhas de roupas, clotheshorses e roupas racks de roupas secam por evaporação pelo vento e luz solar sem consumir eletricidade ou gás. Em alguns estados da legislação dos Estados Unidos protege o "direito a secar" roupas.
Colectores sem cobertura transpareceu (UTC) são paredes voltado para o sol perfuradas utilizadas para o pré-aquecimento do ar de ventilação. UTCs pode elevar a temperatura do ar de entrada até 22 ° C e temperaturas de saída de entrega de 45-60 ° C. O período de retorno curto de colecionadores transpareceu (3 a 12 anos) torna uma alternativa mais rentável do que os sistemas de coleta de vidros. Em 2003, mais de 80 sistemas com uma área de coletor combinada de 35.000 m 2 foram instalados em todo o mundo, incluindo um 860 m 2 de coletor em Costa Rica usado para secar os grãos de café e um coletor de 1.300 m 2 em Coimbatore, Índia usado para a secagem de malmequeres.
A produção de electricidade
A energia solar é a conversão de luz solar em electricidade , quer directamente utilizando energia fotovoltaica (PV), ou indiretamente usando energia solar concentrada (CSP). Sistemas CSP usar lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para focar uma grande área de luz solar em uma pequena viga. PV converte a luz em corrente elétrica usando o efeito fotoelétrico.
Usinas CSP comerciais foram desenvolvidos na década de 1980. Desde 1985, a eventualmente 354 MW Instalação SEGS CSP, no deserto de Mojave da Califórnia, é a maior usina de energia solar do mundo. Outros grandes usinas CSP incluem o MW 150 Central de Energia Solar e Solnova a 100 MW Estação de energia solar Andasol, tanto em Espanha. O 250 MW Agua Caliente Solar Project, nos Estados Unidos, e os 214 MW Charanka Solar Park, em India , são o maior do mundo centrais fotovoltaicas. Estão sendo desenvolvidos projetos de energia solar superiores a 1 GW, mas a maioria dos sistemas fotovoltaicos são implantados em pequenas matrizes telhado de menos de 5 kW, que são ligados à rede usando medição de líquidos e / ou uma tarifa feed-in.
Energia solar concentrada
Concentração de energia solar sistemas (CSP) usam lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para focar uma grande área de luz solar em uma pequena viga. O calor concentrado é então usada como uma fonte de calor para uma central de energia convencional. Uma vasta gama de tecnologias de concentração existe; os mais desenvolvidos são a calha parabólica, a concentração refletor fresnel linear, o prato Stirling ea torre de energia solar. Várias técnicas são usadas para rastrear o Sol e focalizar a luz. Em todos estes sistemas de uma fluido de trabalho é aquecido pela luz solar concentrada, e é então utilizado para geração de energia ou de armazenamento de energia.
Photovoltaics
A da célula solar, ou célula fotovoltaica (PV), é um dispositivo que converte a luz em corrente eléctrica utilizando a efeito fotoelétrico. A primeira célula solar foi construído pela Charles Fritts na década de 1880. Em 1931, um engenheiro alemão, Dr de Bruno Lange, desenvolveu uma célula foto usando seleneto de prata no lugar do óxido de cobre. Embora o protótipo de selénio células convertido menos do que 1% da luz incidente em energia eléctrica, tanto Ernst Werner von Siemens e James Clerk Maxwell reconheceu a importância desta descoberta. Na sequência dos trabalhos de Russell Ohl na década de 1940, pesquisadores Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin criou o silício célula solar em 1954. Estas células solares primeiros custar 286 USD / watt e alcançou eficiências de 4,5-6%. Em 2012 eficiências disponíveis exceder 20% eo máximo de eficiência de energia fotovoltaica de investigação é mais de 40%.
Outros
Além de poder e energia fotovoltaica solar concentrada, existem algumas outras técnicas utilizadas para a eletricidade gerada usando energia solar. Estes incluem:
- Dye-sensitized_solar_cells,
- Concentradores solares luminescentes (um tipo de células fotovoltaicas concentradas ou tecnologia CPV),
- Células solares, biohybrid
- Photon Emission reforçada sistemas Thermionic
Produção de combustível
Processos químicos solares usam energia solar para dirigir as reações químicas. Estes processos compensar a energia que de outra forma provêm de uma fonte de combustível fóssil e também pode converter energia solar em combustíveis armazenáveis e transportáveis. Reacções químicas solares induzida pode ser dividido em termoquímica ou fotoquímico. Uma variedade de combustíveis pode ser produzido pela fotossíntese artificial. A química catalítica multielectron envolvido na tomada de combustíveis à base de carbono (tal como metanol ) de redução de dióxido de carbono é um desafio; uma alternativa viável é hidrogénio produção de protões, embora o uso da água como a fonte de electrões (como plantas do) requer dominar a oxidação multielectron de duas moléculas de água para oxigénio molecular. Alguns têm previsto trabalhar usinas de combustíveis solares nas áreas metropolitanas costeiras por 2050- a divisão da água do mar fornecimento de hidrogênio para ser executado através de células de combustível usinas elétricas adjacentes e a água pura subproduto indo diretamente para o sistema de água municipal.
Tecnologias de produção de hidrogênio sido uma área importante de pesquisa química solar desde a década de 1970. Além da eletrólise impulsionado por células fotovoltaicas ou fotoquímicos, vários processos termoquímicos também têm sido exploradas. Um tal rota usa concentradores para separar a água em oxigênio e hidrogênio em altas temperaturas (2300-2600 ° C). Outra abordagem utiliza o calor de concentradores solares para conduzir o reformação a vapor de gás natural, aumentando assim o rendimento global de hidrogénio em comparação com os métodos convencionais de reformação. Ciclos termoquímicos caracterizados pela decomposição e regeneração dos reagentes apresentar uma outra avenida para a produção de hidrogénio. O processo Solzinc em desenvolvimento no Instituto Weizmann utiliza um forno solar 1 MW para decompor óxido de zinco (ZnO), a temperaturas acima de 1200 ° C. Esta reacção produz inicial de zinco puro, que pode subsequentemente ser feito reagir com água para produzir hidrogénio.
Métodos de armazenamento de energia
Sistemas de massa térmica pode armazenar energia solar na forma de calor em temperaturas internamente úteis para diária ou durações sazonais. Sistemas de armazenamento térmicas geralmente usam materiais facilmente disponíveis com alta calores específicos, tais como água, terra e pedra. Sistemas bem concebidos pode diminuir pico de demanda, deslocar o tempo de uso para fora dos horários de pico e reduzir os requisitos gerais de aquecimento e resfriamento.
Materiais de mudança de fase tal como cera de parafina e sal de Glauber são outra mídia de armazenamento térmico. Estes materiais são baratos, facilmente disponíveis, e pode proporcionar temperaturas internamente úteis (aproximadamente 64 ° C). O "Dover House" (em Dover, Massachusetts) foi o primeiro a usar o sistema de aquecimento de sal de um Glauber, em 1948.
A energia solar pode ser armazenada a temperaturas elevadas usando sais fundidos. Os sais são um meio eficaz de armazenamento porque eles são de baixo custo, tem uma elevada capacidade de calor específico e pode fornecer calor a temperaturas compatíveis com os sistemas de energia convencionais. O Dois solar utilizado este método de armazenagem de energia, permitindo que ele armazene 1,44 TJ em sua 68 m 3 tanque de armazenamento com uma eficiência de armazenamento anual de cerca de 99%.
Off-grid sistemas fotovoltaicos têm tradicionalmente usado baterias recarregáveis para armazenar o excesso de energia elétrica. Com os sistemas de grade-amarrado, o excesso de electricidade pode ser enviado para a transmissão grade, enquanto a eletricidade grade padrão pode ser usado para atender carências. Programas de net metering sistemas domésticos dar um crédito para a eletricidade que entregam à rede. Isso é muitas vezes legalmente tratado por 'reversão' o medidor sempre que a casa produz mais eletricidade do que consome. Se o uso de eletricidade líquida seja inferior a zero, o utilitário é necessário para pagar o extra na mesma taxa que eles cobram dos consumidores. Outras abordagens legais envolvem a utilização de dois metros, para medir a energia eléctrica consumida contra a electricidade produzida. Este é menos comum devido ao custo de instalação aumento do segundo medidor.
De armazenamento bombeado lojas hidrelétricas de energia sob a forma de água bombeada quando a energia está disponível a partir de um reservatório de elevação inferior a uma maior elevação um. A energia é recuperada quando a demanda é alta, liberando a água a correr através de um gerador de energia hidrelétrica.
Desenvolvimento, implantação e economia
Começando com o surto de carvão uso que acompanhou a Revolução Industrial , o consumo de energia tem vindo a transição a partir de madeira e biomassa para combustíveis fósseis . O desenvolvimento precoce de tecnologias solares a partir na década de 1860 foi impulsionado por uma expectativa de que o carvão viria a ser escassos. No entanto desenvolvimento de tecnologias solares estagnou no início do século 20 em face do aumento da disponibilidade, economia, e utilidade do carvão e do petróleo .
O embargo do petróleo de 1973 e 1979 crise de energia causou uma reorganização das políticas energéticas de todo o mundo e trouxe renovada atenção ao desenvolvimento de tecnologias solares. Estratégias de implementação focada em programas de incentivo como o Programa de Aproveitamento Federal Photovoltaic em os EUA eo Programa Luz do sol no Japão. Outros esforços incluíram a formação de centros de pesquisa em os EUA (SERI, agora NREL), Japão ( NEDO), e Alemanha ( Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE).
Aquecedores de água solares comerciais começaram a aparecer nos Estados Unidos na década de 1890. Estes sistemas viu uso crescente até 1920, mas foram gradualmente substituídos por combustíveis de aquecimento mais baratos e mais confiáveis. Tal como acontece com a energia fotovoltaica, aquecimento solar de água atraiu atenção renovada como resultado das crises do petróleo na década de 1970, mas o interesse abrandado na década de 1980 devido à queda dos preços do petróleo. Desenvolvimento do setor aquecimento solar de água progrediu de forma constante ao longo dos anos 1990 e as taxas de crescimento foram em média 20% ao ano desde 1999. Embora geralmente subestimada, aquecimento solar de água e refrigeração é de longe a tecnologia solar mais amplamente difundida, com uma capacidade estimada de 154 GW como de 2007.
O Agência Internacional de Energia disse que a energia solar pode trazer contribuições consideráveis à resolução de alguns dos problemas mais urgentes do mundo agora enfrenta:
O desenvolvimento de tecnologias de energia solar a preços acessíveis, inesgotáveis e limpas terá enormes benefícios a longo prazo. Ela vai aumentar a segurança energética dos países através de dependência de um recurso endógeno, inesgotável e principalmente importação e independente, aumentar a sustentabilidade, reduzir a poluição, reduzir os custos de mitigação da mudança climática, e manter os preços dos combustíveis fósseis mais baixo do que o contrário. Estas vantagens são globais. Assim, os custos adicionais dos incentivos para a implantação precoce deve ser considerada investimentos de aprendizagem; Devem ser gasto com sabedoria e precisam ser amplamente compartilhada.
Em 2011, o Agência Internacional de Energia disse que as tecnologias de energia solar, tais como painéis fotovoltaicos, aquecedores solares de água e centrais construídas com espelhos poderia fornecer um terço da energia do mundo até 2060 se os políticos se comprometem a limitar as alterações climáticas . A energia do sol pode desempenhar um papel-chave na de-carbonização da economia global par de melhorias na eficiência energética e impor custos sobre gases de efeito estufa emissores. "A força da energia solar é a incrível variedade e flexibilidade de aplicações, de pequena escala para grande escala".
Provamos que ... depois de nossas lojas de petróleo e carvão estão esgotados a raça humana pode receber o poder ilimitado dos raios do sol.- Frank Shuman,New York Times, 02 de julho de 1916
Normas ISO
O Organização Internacional de Normalização estabeleceu uma série de normas respeitantes aos equipamentos de energia solar. Por exemplo, a ISO 9050 refere-se a vidro no edifício, enquanto a norma ISO 10217 diz respeito aos materiais utilizados em aquecedores de água solar.
