A napenergia a Napból származó energia sugárzás és fény formájában. Ez az energia nagymértékben szabályozza az éghajlatot és az időjárást, és az élet alapja. A napenergiát használó technológiát napenergiának nevezik .
A Föld légkörének felső rétegeibe folyamatosan 174 PW napsugárzás ( insoláció ) jut be [1] . A besugárzás mintegy 6%-a visszaverődik a légkörről , 16%-át pedig elnyeli. A légkör középső rétegei az időjárási viszonyoktól függően (felhők, por, légköri szennyezés) a besugárzás akár 20%-át is visszaverik és 3%-ot elnyelnek.
A légkör nemcsak a Föld felszínét érő napenergia mennyiségét csökkenti, hanem a beérkező 20%-át is szétszórja, és spektrumának egy részét kiszűri. A légkörön való áthaladás után a besugárzás körülbelül fele a spektrum látható részén található . A második fele túlnyomórészt a spektrum infravörös részén található. Ennek a besugárzásnak csak kis része az ultraibolya sugárzásnak köszönhető [2] [3] .
A napsugárzást a földfelszín, az óceánok (a Föld felszínének körülbelül 71%-át borítják) és a légkör elnyeli. A napenergia légköri konvekción , párologtatáson és kondenzáción keresztül történő elnyelése a víz körforgásának hajtóereje, és mozgatja a szeleket. Az óceán és a szárazföld által elnyelt napsugarak fenntartják a Föld felszínén az átlagos hőmérsékletet, amely jelenleg 14 °C [4] . A növényi fotoszintézis révén a napenergia kémiai energiává alakítható, amely élelmiszerként, faként és biomasszaként tárolódik , amely végül fosszilis tüzelőanyaggá alakul [5] .
A napenergia szélenergia, víz, tengerhő, biomassza forrása, valamint oka a tőzeg, a barna és a szén, az olaj és a földgáz kialakulásának az évezredek során, de ez a közvetett energia több ezer és millió helyen halmozódott fel. évek. A napenergia közvetlenül is felhasználható villamosenergia- és hőforrásként. Ehhez olyan eszközöket kell létrehozni, amelyek kis területeken és kis térfogatban koncentrálják a Nap energiáját.
A légkör, a földfelszín és az óceán által elnyelt napenergia teljes mennyisége körülbelül 3 850 000 exajoule (EJ) évente [6] . Ez több energiát biztosít egy óra alatt, mint amennyit az egész világ felhasznált 2002-ben [7] [8] . A fotoszintézis körülbelül 3000 EJ-t fogyaszt évente a biomassza előállításához [9] . A földfelszínt elérő napenergia mennyisége akkora, hogy egy év alatt megközelítőleg megkétszerezi az összes nem megújuló forrásból: szénből, olajból, uránércekből potenciálisan előállítható energiát [10] .
„Az éves napsugárzás-bevitel és az emberi energiafogyasztás” 1 | ||
---|---|---|
Nap | 3 850 000 | [6] |
szél | 2250 | [tizenegy] |
Biomassza potenciál | ~200 | [12] |
A világ energiafogyasztása 2 | 539 | [13] |
Villany 2 | ~67 | [tizennégy] |
1 Energiamennyiség exajoule-ban, 1 EJ = 10 18 J = 278 TWh 2 2010-es fogyasztás |
A napenergia mennyisége, amelyet egy személy potenciálisan felhasználhat, különbözik a földfelszín közelében lévő energia mennyiségétől. Az olyan tényezők, mint a nappali/éjszakai ciklus, a felhőzet és a rendelkezésre álló földfelület csökkentik a felhasználható energia mennyiségét.
A földrajzi elhelyezkedés befolyásolja az energiapotenciált, mivel az Egyenlítőhöz közelebb eső területek több napsugárzást kapnak. A napelemes eszközök használata azonban, amelyek a Nap égboltbeli helyzetének megfelelően megváltoztathatják a tájolásukat, jelentősen növelhetik a napenergia potenciálját az egyenlítőtől távol eső területeken. [tizenöt]
A terület rendelkezésre állása jelentősen befolyásolja a potenciális energiatermelést, hiszen napelem csak erre alkalmas, más célra nem hasznosított területen helyezhető el. Például a tetők [15] alkalmasak a panelek felszerelésére .
A napelemes rendszereket a napenergia felvételének, feldolgozásának és elosztásának módjától függően aktív és passzív rendszerekre osztják.
Az aktív szoláris technológiák fotovoltaikát, koncentrált napenergiátnapkollektorokat szivattyúkat és ventilátorokat használnak, hogy a napsugárzást hasznos energiává alakítsák A passzív szoláris technológiák magukban foglalják a kedvező termikus jellemzőkkel rendelkező anyagok felhasználását, a természetes légáramlású helyiségek kialakítását és az épületek kedvező elhelyezkedését a Nap helyzetéhez képest. Az aktív szoláris technológiák növelik az energiaellátást, míg a passzív szoláris technológiák csökkentik a további energiaforrások iránti igényt [16] .
2000-ben az Egyesült Nemzetek Fejlesztési Programja , az Egyesült Nemzetek Gazdasági és Szociális Ügyek Minisztériuma és az Energia Világtanács kiadott egy értékelést az emberiség által kitermelhető napenergia-potenciálokról, figyelembe véve olyan tényezőket, mint a napsugárzás, a felhőtakaró és a rendelkezésre álló földterület. felület. Az értékelés kimutatta, hogy a napenergia globális potenciálja 1,575-49,837 EJ évente "(lásd az alábbi táblázatot)" [15] .
Vidék | Észak Amerika | Latin-Amerika és a Karib-térség | Nyugat-Európa | Közép- és Kelet-Európa | A volt Szovjetunió országai | Közel-Kelet és Észak-Afrika | Szubszaharai Afrika | Csendes-óceáni Ázsia | Dél-Ázsia | Központilag tervezett Ázsia | Csendes-óceáni OECD |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Minimális | 181.1 | 112.6 | 25.1 | 4.5 | 199,3 | 412.4 | 371,9 | 41,0 | 38.8 | 115.5 | 72.6 |
Maximális | 7410 | 3 385 | 914 | 154 | 8 655 | 11 060 | 9 528 | 994 | 1 339 | 4 135 | 2263 |
Jelenleg napenergiát felhalmozó fűtőberendezések, valamint napenergiát használó villanymotorok és autók prototípusai működnek.
Úgy gondolják, hogy a napenergia a század végére a teljes energiafelhasználás legfeljebb 1%-át teszi ki. Chilében még 1870-ben építettek egy szoláris tengervíz-sótalanító üzemet , amely akár 30 tonna édesvizet is termelt naponta, és több mint 40 évig működött. A heterojunkciók használatának köszönhetően a napelemek hatásfoka már eléri a 25%-ot. Megkezdődött a napelemek gyártása hosszú polikristályos szilikon szalag formájában, amelyek hatásfoka meghaladja a 10%-ot.
A nap hőenergiáját hasznosító technológiák felhasználhatók vízmelegítésre, térfűtésre, térhűtésre és technológiai hőtermelésre [17] .
1897-ben Frank Schumann amerikai feltaláló , mérnök és a napenergia felhasználásának úttörője megépített egy kis bemutató napelemes motort, amelynek elve az volt, hogy a napfény visszaverődik éterrel töltött négyzet alakú tartályokra, amelyek forráspontja alacsonyabb volt, mint a víz. Belül fekete csöveket vezettek fel a konténerekhez, amelyek beindították a gőzgépet. 1908-ban Schumann megalapította a Sun Power Company-t, amelynek napenergiát használó nagy létesítményeket kellett építenie. Műszaki tanácsadójával, A. C. E. Ackermannel és Charles Vernon Boys brit fizikussal [18] Schumann egy olyan tükörrendszert használó továbbfejlesztett rendszert fejlesztett ki, amely a napsugarakat visszaverte a napkollektor dobozokra , így a fűtési hatásfok olyan szintre nőtt, ahol az éter képes volt. éter helyett használható víz. Schuman ezután egy teljes gőzgépet épített, amely alacsony nyomású vízzel működött. Ez lehetőséget adott neki 1912-ben, hogy szabadalmaztassa a teljes napelemes rendszert.
1912 és 1913 között Schuman megépítette a világ első napelemes hőerőművét Maadi városában Egyiptomban . A Shumanow Erőmű parabolikus vályús koncentrátorral hajtott egy 45–52 kW-os motort, amely percenként több mint 22 000 liter vizet pumpált a Nílus folyóból a közeli gyapotföldekre. Bár az első világháború és az olcsó olaj felfedezése az 1930-as években megakadályozta a napenergia további fejlődését, Schumann víziója és alapvető tervezése az 1970-es években újjáéledt a napenergia iránti érdeklődés új hullámával [19] . 1916-ban a sajtó gyakran idézte Schumannt, aki védte a napenergia használatát:
Bebizonyítottuk, hogy a napenergia felhasználása a trópusokon kereskedelmileg is kifizetődő lehet, sőt, még ennél is többet, bebizonyítottuk, hogy az olaj- és szénkészletek kimerülése után az emberiség kimeríthetetlen energiaforráshoz jut napfény formájában.
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] Bebizonyítottuk a napenergia kereskedelmi hasznát a trópusokon, és különösen azt, hogy miután olaj- és szénkészleteink kimerültek, az emberi faj korlátlan mennyiségű energiát kaphat a nap sugaraitól.
40
Frank Schumann
New York Times, 1916. július 2. [20]
Alacsony földrajzi szélességeken (40 fok alatt) a 60 °C-ig terjedő hőmérsékletű használati melegvíz 60-70%-át napenergiával működő vízmelegítő rendszerek biztosítják [21] . A napkollektoros vízmelegítők legelterjedtebb típusai: vákuumcsöves kollektorok (44%) és síkkollektorok (34%), amelyeket általánosan használati melegvíz készítésére használnak; valamint az átlátszó műanyag kollektorok (21%), amelyeket főleg úszómedencék fűtésére használnak [22] .
2007-ben a szoláris vízmelegítő rendszerek teljes beépített teljesítménye körülbelül 154 termikus GW volt. [23] Kína a világelső ezen a területen, 2006-ban 70 GW hőenergiát telepített, és 2020-ra a 210 GW hőenergiát kívánja elérni [24] . Izrael és a Ciprusi Köztársaság a világ vezető szerepet tölti be az egy főre jutó szoláris vízmelegítő rendszerek használatában, a háztartások 90%-a telepítette azokat [25] . Az Egyesült Államokban, Kanadában és Ausztráliában a napenergiával működő vízmelegítők túlnyomórészt úszómedencék fűtésére szolgálnak, 2005-ben a beépített kapacitásuk körülbelül 18 GW termikus [16] .
Az Egyesült Államokban a HVAC a kereskedelmi épületekben felhasznált energia 30%-át (4,65 EJ/év) és a lakóépületekben felhasznált energia közel 50%-át (10,1 EJ/év) teszi ki [26] [27] . A napenergiával működő fűtési, hűtési és szellőzőrendszerek felhasználhatók ezen energia egy részének ellensúlyozására.
A termikus tömeg minden olyan anyag, amely hő tárolására használható, különösen a napenergia. A termikus tömegként funkcionáló anyagok közé tartozik a kő, a cement és a víz. A történelem során száraz vagy meleg éghajlaton használták a helyiségek hűtésére, mivel napközben elnyelik a napenergiát, éjszaka pedig felszabadítják a tárolt hőt. Azonban hűvös területeken is használhatók melegen tartásra. A termikus tömeg mérete és elhelyezkedése számos tényezőtől függ, például az éghajlattól, a napsugárzási idő és az árnyékolás arányától. Megfelelő elhelyezés esetén a termikus tömeg kényelmes tartományban tartja a helyiség hőmérsékletét, és csökkenti a további fűtő- és hűtőberendezések szükségességét [28] .
A szoláris kémény (vagy termikus kémény, ebben az összefüggésben) egy passzív szoláris szellőztető rendszer, amely egy függőleges tengelyből áll, amely összeköti az épület belsejét és külsejét. Ha a kémény felmelegszik, a belsejében lévő levegő is felmelegszik, amiamely áthúzza a levegőt a házonA teljesítménye javítható, ha átlátszatlan anyagokat és termikus tömeget [29] használunk üvegházra emlékeztető módon.
A lombhullató növényeket javasolták a napenergiával történő fűtés és hűtés szabályozására. Ha az északi féltekén egy épület déli oldalán, vagy a déli féltekén egy épület északi oldalán nőnek, leveleik nyáron árnyékot adnak, míg a csupasz törzsek télen akadálytalanul engedik be a napsugarakat [ 30] .
A napelemes sütők napfényt használnak főzéshez, szárításhoz és pasztőrözéshez . Három nagy kategóriába sorolhatók: kamrás sütők ( angol dobozfőzők ), panel sütők ( angol paneles tűzhelyek ) és fényvisszaverő sütők ( angol reflektoros tűzhelyek ) [31] . A legegyszerűbb szoláris kemence a kamrákemence, amelyet először Horace Benedict de Saussure épített 1767-ben [32] . Az egyszerű kamrás sütő egy szigetelt tartályból áll, átlátszó fedéllel. Hatékonyan használható részben felhős égbolton, és jellemzően 90-150°C hőmérsékletet ér el [33] . A panelsütő fényvisszaverő panelt használ, hogy a napsugarakat egy szigetelt edényre irányítsa, és a kamrás sütőéhez hasonló hőmérsékletet érjen el. A reflektoros sütők különböző reflektor geometriákat (tál, vályú, Fresnel tükrök ) használnak a sugarak fókuszálására egy tartályra. Ezek a kemencék elérik a 315°C-os hőmérsékletet, de közvetlen sugarat igényelnek, és át kell helyezni őket, amint a Nap helyzetét változtatja [34] .
A szoláris koncentrációs rendszerek, mint például a parabola edények, vályúk és a Scheffler reflektorok technológiai hőt biztosítanak kereskedelmi és ipari alkalmazásokhoz. Az első kereskedelmi rendszer a Total Solar Energy Project volt Shenandoah-ban, Georgia államban, Amerikai Egyesült Államokban, ahol egy 114 parabola tálcából álló mező biztosította a folyamat hő-, levegő-szellőztetés- és energiaszükségletének 50%-át egy ruhagyár számára. Ez a hálózatra kapcsolt kapcsolt energiatermelő erőmű 400 kW villamos energiát, valamint hőenergiát szolgáltatott 401 watt gőz és 468 kW hűtött víz formájában, valamint hőtárolást biztosított egyéves csúcsterhelés mellett [35] . A párologtató tavak sekély medencék, amelyek párologtatással koncentrálják a vízben oldott szilárd anyagokat . A párologtató tavak használata a só kivonására a tengervízből a napenergia egyik legrégebbi felhasználási módja. A modern alkalmazások közé tartozik: a sók koncentrációjának növelése a fémek kilúgozással történő kinyerésében , valamint a szilárd anyagok eltávolítása a szennyvízből [36] . A zsinórokkal , a szárítóval és az akasztókkal a ruhanemű párolgási folyamatban szárad a szél és a napfény hatására, áram- és gázfogyasztás nélkül. Egyes állami törvények kifejezetten védik a ruhák szárításához való jogot . A nem mázolt transzpirált kollektorok ( UTC ) perforált falak ("kollektorfal"), amelyek a nap felé irányulnak, és a szellőző levegő előmelegítésére szolgálnak. Az UTC a bemenő levegő hőmérsékletét 22°C -ra (40°F) emelheti, a kilépő levegő hőmérsékletét pedig 45°C (81°F) – 60°C (108°F) között tudja biztosítani . [38] A rövid megtérülési idő (3-12 év) miatt a gyűjtők pénzügyileg jövedelmezőbbek, mint az üvegezett gyűjtőrendszerek [38] . 2003-ig világszerte több mint 80 rendszert telepítettek 35 000 m2 teljes gyűjtőfelülettel, köztük egy 860 m2-es Costa Rica -i gyűjtőt a kávébab szárítására és egy 1300 m2-es gyűjtőt Coimbatore -ban (India) a körömvirág szárítására [39] .
A szoláris sótalanítással sós vagy sós víz ivóvízzé alakítható. Ilyen átalakulásra először a 16. századi arab alkimisták jegyeztek fel példát [40] . Az első nagyszabású szoláris sótalanítási projektet 1872-ben építették meg a chilei Las Salinas bányászvárosban [41] . A 4700 m2-es napkollektoros üzem 22 700 liter ivóvizet tudott termelni, és 40 évig működött [41] . Az egyedi fix elem kialakítások közé tartozik az egylejtős, a dupla lejtős (üvegházhatású vagy szabványos), a függőleges, kúpos, fordított abszorberek, a multiwick és a többszörös effektusok. . [40] . Ezek a vízkészítők passzív, aktív és hibrid üzemmódban működhetnek. A decentralizált háztartási igényekhez a dupla lejtős egységek a legköltséghatékonyabbak, míg az aktív többszörös hatású egységek inkább nagyszabású projektekhez [40] .
A szoláris fertőtlenítéshez a vizet átlátszó PET-palackokba öntik, és több órára napfénybe helyezik [42] . A fertőtlenítés ideje függ az éghajlattól és az időjárási viszonyoktól, legalább 6 órától 2 napig, ha az eget teljesen felhők borítják [43] . Ezt a módszert az Egészségügyi Világszervezet a háztartási vízkezelés és a biztonságos tárolás megfizethető módszereként javasolta [44] . A fejlődő országokban több mint 2 millió ember használja ezt a módszert naponta ivóvizének kezelésére [43] .
Az ülepítő tavakban a napenergia vegyszerek és energiaköltségek nélkül használható szennyvíztisztításra . Egy másik környezeti előny, hogy az algák ilyen tavakban élnek, és fotoszintézis útján szén-dioxidot fogyasztanak , bár olyan mérgező anyagokat termelhetnek, amelyek fogyasztásra alkalmatlanná teszik a vizet [45] [46] .
A napenergia úgy működik, hogy a napfényt elektromos
árammá alakítja . Ez történhet közvetlenül, fotovoltaikával , vagy közvetetten, koncentrált napenergia-rendszerekkel , amelyekben a lencsék és a tükrök nagy területről gyűjtik össze a napfényt egy vékony sugárba, és egy nyomkövető mechanizmus követi a Nap helyzetét. A fotovoltaik a fényt elektromos árammá alakítják a fotoelektromos hatás segítségével .
Feltételezések szerint 2050-re a napenergia lesz a legnagyobb villamosenergia-forrás, amelyben a fotovoltaikus és a koncentrált napenergia a világ villamosenergia-termelésének 16, illetve 11%-át teszi ki [47] .
A koncentrált napenergiát használó kereskedelmi erőművek először az 1980-as években jelentek meg. 1985 után a Mojave-sivatagban SEGS létesítmény világ legnagyobb naperőműve lett. További ilyen típusú naperőművek az SPP Solnova (150 MW) és az SPP Andasol (100 MW), mindkettő Spanyolországban. A legnagyobb naperőművek : az Agua Caliente Solar Project (250 MW) az USA-ban és a Charanka Solar Park (221 MW) Indiában . Az 1 GW feletti projektek fejlesztés alatt állnak, de az 5 kW-ig terjedő napelemek többsége kicsi és a tetőn található. 2013-ban a napenergia a globális hálózat villamosenergia-fogyasztásának kevesebb mint 1%-át tette ki [48] .
A napfény jelenléte az építészettörténet legelejétől befolyásolta az épületek tervezését [50] . A napelemes építészet és várostervezés fejlett módszereit először az ókori görögök és kínaiak vezették be, és házaikat délre helyezték, hogy fényt és hőt biztosítsanak nekik [51] .
szoláris építészet közös jellemzői közé tartozik épületek naphoz viszonyított kedvező tájolása, a kompakt arányok (alacsony felület/térfogat arány), a szelektív árnyékolás (előtetők) a termikus tömeg50Ha ezek a tulajdonságok jól illeszkednek a helyi klímához, akkor jó világítást biztosít, és lehetővé teszi, hogy kényelmes hőmérsékleti tartományon belül maradjon. A Socrates megaron ház a passzív napelemes építészet klasszikus példája [50] . nappali világítást valamint a szoláris fűtési és szellőztető rendszereket egy integrált napelemes tervezési csomagba kapcsolják [ 52] Az aktív napelemes berendezések, például szivattyúk, ventilátorok és kapcsolható ablakok kiegészíthetik a passzív kialakítást és javíthatják a rendszer teljesítményét.
A városi hősziget (UHE) olyan városi terület, ahol a hőmérséklet magasabb, mint a környező vidéki területeken. A hőmérséklet-emelkedés az olyan anyagok használatának következménye, mint az aszfalt és a beton, amelyek jobban elnyelik a napsugárzást, mert alacsonyabb az albedójuk és nagyobb a hőkapacitásuk , mint a környezeté. A hatás közvetlen ellensúlyozása érdekében az épületeket fehérre festik, és fákat ültetnek az utcákon. A Los Angeles-i hipotetikus "menő közösségek" program terve szerint ezekkel a módszerekkel a város hőmérséklete körülbelül 3 °C-kal csökkenthető. A projekt költségét 1 milliárd USD-ra becsülik, a teljes éves haszon pedig 530 millió USD lehet a csökkent szellőztetési és egészségügyi költségek miatt [53] .
A mezőgazdaság és a kertészet keresi a napenergia-felvétel optimalizálásának módjait a növények termelékenységének növelése érdekében.
Az üvegház a napfényt hővé változtatja, lehetővé téve olyan növények egész évben történő termesztését, amelyek természetesen nem alkalmazkodtak ehhez az éghajlathoz. A római korban a legegyszerűbb üvegházakat használták Tiberius császár egész évben történő uborkatermesztésére [54] . Modern Európában a 16. században megjelentek az üvegházak a kutatóutakról hozott növények termesztésére [55] .
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|
Nap | ||
---|---|---|
Szerkezet | ||
Légkör | ||
Kiterjesztett szerkezet | ||
A Naphoz kapcsolódó jelenségek | ||
Kapcsolódó témák | ||
Spektrális osztály : G2 |