Преобразование солнечной энергии - Solar energy conversion

Квантовая фотоэлектрохимия расчет фотоиндуцированного межфазного переноса электронов в сенсибилизированном красителем солнечном элементе.

Преобразование солнечной энергии описывает технологии, посвященные преобразованию солнечной энергии в другие (полезные) формы энергии, включая электричество, топливо и тепло.[1] Он охватывает светозаводские технологии, в том числе традиционные полупроводник фотоэлектрический устройства (фотоэлектрические), развивающиеся фотоэлектрические устройства,[2][3][4] солнечное топливо поколение через электролиз, искусственный фотосинтез, и родственные формы фотокатализ направлен на генерацию богатых энергией молекул.[5]

Фундаментальные электрооптические аспекты в нескольких появляющихся технологиях преобразования солнечной энергии для производства как электроэнергии (фотоэлектрическая энергия), так и солнечного топлива составляют активную область текущих исследований.[6]

История

Солнечные элементы были созданы в 1876 году Уильямом Гриллсом Адамсом и его студентом. Французский ученый по имени Эдмон Беккерель, впервые обнаружил фотоэлектрический эффект летом 1839 г.[7] Он предположил, что некоторые элементы периодической таблицы, такие как кремний, очень необычным образом реагируют на воздействие солнечного света. Солнечная энергия создается, когда солнечное излучение преобразуется в тепло или электричество. Английский инженер-электрик Уиллоуби Смит, между 1873 и 1876 годами, обнаружил, что когда селен подвергается воздействию света, он производит большое количество электричества. Использование селена было крайне неэффективным, но оно доказало теорию Беккереля о том, что свет можно преобразовать в электричество с помощью различных полуметаллов в периодической таблице, которые позже были обозначены как фотопроводящий материал. К 1953 году Кальвин Фуллер, Джеральд Пирсон и Дэрил Чапин обнаружили, что использование кремния для производства солнечных элементов было чрезвычайно эффективным и производило чистый заряд, который намного превышал заряд селена. Сегодня солнечная энергия имеет множество применений, от отопления, производства электроэнергии, тепловых процессов, очистки воды и хранения энергии, что широко распространено в мире возобновляемых источников энергии.

Фон

К 1960-м годам солнечная энергия стала стандартом для питания космических спутников. В начале 1970-х годов технология солнечных батарей стала дешевле и доступнее (20 долларов за ватт). Между 1970 и 1990 годами солнечная энергия стала более коммерческой. Железнодорожные переезды, нефтяные вышки, космические станции, микроволновые вышки, самолеты и т. Д. Сейчас дома и предприятия по всему миру используют солнечные батареи для питания электрических устройств с широким спектром применения. Солнечная энергия является доминирующей технологией в области возобновляемых источников энергии, прежде всего благодаря ее высокой эффективности и рентабельности. К началу 1990-х годов преобразование фотоэлектрической энергии достигло беспрецедентно новой высоты. Ученые использовали солнечные элементы, построенные из фотогальванических материалов с высокой проводимостью, таких как галлий, индий, фосфид и арсенид галлия, что повысило общую эффективность более чем на 30%. К концу века ученые создали особый тип солнечных батарей, которые преобразовывали до 36% собираемого солнечного света в полезную энергию. Эти разработки дали огромный импульс не только солнечной энергии, но и возобновляемый энергетические технологии по всему миру.

Производство электроэнергии

Схема установки фотоэлектрического коллектора.

Фотогальваника (PV) используют кремниевые солнечные элементы для преобразования энергии солнечного света в электричество. Работает под действием фотоэлектрического эффекта, который приводит к испусканию электронов.[8] Концентрированная солнечная энергия (CSP). Использует линзы или зеркала и устройства слежения для фокусировки большой площади солнечного света в небольшой луч. Ожидается, что к 2050 году солнечная энергия станет крупнейшим источником электроэнергии в мире. Солнечные электростанции, такие как солнечная электростанция Иванпа в пустыне Мохаве, вырабатывают более 392 МВт электроэнергии. Солнечные проекты мощностью более 1 ГВт (1 миллиард ватт) находятся в разработке и, как ожидается, станут будущим солнечной энергетики в США.[нужна цитата ]

Тепловая энергия

Тепло, собираемое солнцем, очень интенсивно и радиоактивно. Солнце бомбардирует Землю миллиардами заряженных наночастиц, в которых хранится огромное количество энергии. Это тепло можно использовать для нагрева воды, отопления помещений, охлаждения помещений и выработки технологического тепла. Много производство пара Системы адаптированы к использованию солнечного света в качестве основного источника для нагрева питательной воды, разработка, которая значительно повысила общую эффективность котлов и многих других типов систем утилизации отработанного тепла. Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризация. Солнечная дистилляция используется в процессах очистки воды для производства питьевой воды, которая играет чрезвычайно важную роль в оказании помощи нуждающимся странам за счет использования передовых технологий.

Экономическое развитие

Преобразование солнечной энергии потенциально может быть очень рентабельной технологией. Оно дешевле по сравнению с нетрадиционными источниками энергии. то использование солнечной энергии способствовать увеличению занятости и развитию сектора транспорта и сельского хозяйства. Солнечные установки становятся дешевле и более доступными для стран, где спрос на энергию высок, но предложение является низким из-за экономических обстоятельств. Солнечная электростанция мощностью 1 ГВт может производить почти в 10 раз больше энергии, чем электростанция, работающая на ископаемом топливе, установка которой будет стоить вдвое дороже. Предполагается, что к 2050 году солнечные электростанции станут лидером производства энергии.[9]

Доступ к энергии в сельской местности

Преобразование солнечной энергии может иметь множество положительных социальных последствий, особенно в сельских районах, которые ранее не имели доступа к энергосетям. Во многих областях, не связанных с сетью, преобразование солнечной энергии в электрическую является наиболее быстрорастущей формой получения энергии. Это особенно верно для широт в пределах 45 ° к северу или югу от экватора, где солнечное излучение более стабильно в течение года и где проживает основная часть населения развивающегося мира. С точки зрения здоровья, домашние солнечные системы могут заменить керосиновые лампы (часто встречающиеся в сельской местности), которые могут вызывать пожары и выделять такие загрязнители, как оксид углерода (CO), оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2), которые отрицательно влияют на воздух. качество и может вызвать нарушение функции легких и увеличить риск туберкулеза, астмы и рака. Доказано, что в таких районах доступ к солнечной энергии экономит сельским жителям время и деньги, необходимые для покупки и транспортировки керосина, тем самым повышая производительность и удлиняя часы работы.[10]

Помимо доступа к энергии, эти сообщества получают энергетическую независимость, что означает, что они не зависят от стороннего поставщика электроэнергии. Концепция энергетической независимости относительно нова; на протяжении большей части 20-го века энергетический анализ был чисто техническим или финансовым и не включал анализ социальных последствий. Исследование 1980 года пришло к выводу, что доступ к возобновляемой энергии будет способствовать продвижению ценностей, ведущих к большей общественной пользе, в отличие от личного продвижения.[11] Хотя некоторые ученые утверждают, что исторически стороны, контролирующие источники энергии, создают социальные иерархии,[12] этот тип анализа стал менее «радикальным» и более распространенным после внедрения технологий, которые позволили преобразовать солнечную энергию.[нужна цитата ]

Сообщество солнечной энергии

Основная статья: Коммунальная солнечная ферма

Преобразование солнечной энергии может повлиять не только на отдельных потребителей, но и на целые сообщества. Во все большем числе районов по всей Америке традиционная модель независимых, не связанных между собой установок на крышах заменяется солнечными микросетями размером с сообщество. Идея "сообщество солнечной энергии »Впервые стали популярными из-за проблем, связанных с хранением энергии.[13] Поскольку с 2018 года широкомасштабное производство литий-ионных аккумуляторов и других технологий хранения отстает от развития фотоэлектрических установок на крыше, основной проблемой, препятствующей общенациональному переходу на производство солнечной энергии на крышах, является отсутствие надежной системы хранения для одного дома. это обеспечит непредвиденные расходы на энергопотребление в ночное время, облачность, ограничения и отключения электроэнергии. Кроме того, финансирование солнечных установок для отдельных домов может быть труднее обеспечить из-за меньшего объема проекта и отсутствия доступа к средствам. Жизнеспособной альтернативой является соединение блоков домов вместе в микрогрид сообщества с использованием более проверенных крупных систем хранения, что снижает барьеры для внедрения солнечной энергии. В некоторых случаях «паутина» микросети создается путем соединения каждого независимого фотоэлектрического дома на крыше с большим хранилищем. Другие конструкции, в первую очередь там, где установка на крыше невозможна, включают большую комбинированную солнечную батарею + хранилище, расположенное на соседнем поле. В качестве дополнительного социального воздействия такая форма установки делает солнечную энергию экономически жизнеспособной для многоквартирных домов и районов с исторически низкими доходами.[14]

Дефект сетки

Потенциальным социально-экономическим недостатком, связанным с преобразованием солнечной энергии, является нарушение бизнес-модели электроэнергетики. В Америке экономическая жизнеспособность региональных «монопольных» коммунальных предприятий основана на большом скоплении местных потребителей, которые уравновешивают переменную нагрузку друг друга. Таким образом, широко распространенная установка солнечных систем на крышах, не подключенных к сети, создает угрозу стабильности рынка коммунальных услуг. Это явление известно как дефект сетки.[15] Давление на электроэнергетические компании усугубляется стареющей сетевой инфраструктурой, которой еще предстоит адаптироваться к новые проблемы, связанные с возобновляемой энергией (в основном это касается схем инерции, обратного потока мощности и релейной защиты). Однако некоторые аналитики утверждают, что с неуклонным ростом стихийных бедствий (которые разрушают жизненно важную сетевую инфраструктуру) может потребоваться установка солнечных микросетей для обеспечения аварийного доступа к энергии.[16] Этот упор на подготовку к непредвиденным обстоятельствам резко расширил рынок внесетевой энергии в последние годы, особенно в районах, подверженных стихийным бедствиям.[нужна цитата ]

Воздействие на окружающую среду

Установки могут разрушать и / или перемещать экологические места обитания, покрывая большие участки земли и продвигая фрагментация среды обитания. Солнечные установки, построенные в резервациях коренных американцев, прервали традиционные практики, а также оказали негативное влияние на местную экосферу.[9][17]

Рекомендации

  1. ^ Crabtree, G.W .; Льюис, Н. С. (2007). «Преобразование солнечной энергии». Физика сегодня 60, 3, 37. DOI: 10.1063 / 1.2718755.
  2. ^ Светоиндуцированные окислительно-восстановительные реакции в нанокристаллических системах, Андерс Хагфельдт и Майкл Гретцель, Chem. Ред., 95, 1, 49-68 (1995)
  3. ^ Разработка интерфейса материалов для фотоэлектрических систем с обработкой на твердом растворе, Майкл Гретцель, Рене А. Дж. Янссен, Дэвид Б. Митци, Эдвард Х. Сарджент, Nature (обзорный обзор) 488, 304–312 (2012) doi: 10.1038 / nature11476
  4. ^ Фотохимия и фотофизика полупроводников, Vol. 10, V Ramamurthy, Kirk S Schanze, CRC Press, ISBN  9780203912294 (2003)
  5. ^ Магнусон, Энн; Андерлунд, Магнус; Йоханссон, Олоф; Линдблад, Питер; Ломот, Райнер; Поливка, Томас; Отт, Саша; Стенсйо, Карин; Стайринг, Стенбьерн; Сундстрём, Вилли; Хаммарстрём, Лейф (декабрь 2009 г.). «Биомиметические и микробные подходы к производству солнечного топлива». Счета химических исследований 42 (12): 1899–1909. DOI: 10.1021 / ar900127h.
  6. ^ Ponseca Jr., Carlito S .; Чабера, Павел; Улиг, Йенс; Перссон, Петтер; Сундстрём, Вилли (август 2017 г.). «Сверхбыстрая электронная динамика в преобразовании солнечной энергии». Химические обзоры 117: 10940–11024. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.6b00807.
  7. ^ Белессиотис и Папаниколау, В.Г. и Э. (2012). «История солнечной энергетики». Комплексная возобновляемая энергия. 3: 85–102. Дои:10.1016 / B978-0-08-087872-0.00303-6. ISBN  9780080878737.
  8. ^ Калиски, Иегошуа (01.01.2018). «Спектроскопия и солнечная энергия - в честь профессора Ренаты Райсфельд». Журнал Люминесценции. 193: 10–12. Bibcode:2018JLum..193 ... 10K. Дои:10.1016 / j.jlumin.2017.05.041. ISSN  0022-2313.
  9. ^ а б Новачек, Джошуа; Джонсон, Иеремия X. (01.11.2015). «Экологические и финансовые последствия предпочтений в отношении солнечной энергии в стандартах портфеля возобновляемых источников энергии». Энергетическая политика. 86: 250–261. Дои:10.1016 / j.enpol.2015.06.039. ISSN  0301-4215.
  10. ^ Szulejko, Jan E .; Ким, Ки-Хен; Кабир, Эхсанул (10 октября 2017 г.). «Социальное воздействие солнечных домашних систем в сельских районах: пример из Бангладеш». Энергии. 10 (10): 1615. Дои:10.3390 / en10101615.
  11. ^ Франкель, Э. (1981). «Энергия и социальные изменения: взгляд историка». Политические науки. 14 (1): 59–73. Дои:10.1007 / BF00137507. JSTOR  4531874. S2CID  145151922.
  12. ^ Растин, Сюзанна (29 декабря 2015 г.). «Углеродная демократия: политическая власть в век нефти, Тимоти Митчелл» - через www.theguardian.com.
  13. ^ Coughlin, J .; и другие. (2011). «Руководство по коммунальной солнечной энергии: развитие коммунальных, частных и некоммерческих проектов» (PDF). Министерство энергетики США.
  14. ^ "Сообщество Солнечных". SEIA.
  15. ^ «Экономика дефектов сети». Институт Скалистых гор.
  16. ^ Торговец, Эмма Ферингер (19 июля 2018 г.). «Повлияют ли стихийные бедствия на отказ сети?». www.greentechmedia.com.
  17. ^ Эрнандес, Ребекка Р.; Hoffacker, Madison K .; Мерфи-Марискаль, Мишель Л .; Ву, Грейс С .; Аллен, Майкл Ф. (2015-11-03). «Развитие солнечной энергии влияет на изменение земного покрова и охраняемых территорий». Труды Национальной академии наук. 112 (44): 13579–13584. Bibcode:2015ПНАС..11213579H. Дои:10.1073 / pnas.1517656112. ISSN  0027-8424. ЧВК  4640750. PMID  26483467.

внешняя ссылка