Солнечная энергия

Солнечная энергия доступна во всем мире. Цвета на карте показывают локальную солнечную радиацию на земной поверхности в среднем за 1991–1993 годы (24 часа в сутки с учетом облачности, определенной метеорологическими спутниками).
Чтобы покрыть текущий мировой спрос на первичную энергию только за счет солнечной энергии, будет достаточно областей, отмеченных темными панелями (с эффективностью 8%).

Прачечную в Калифорнии , США , который использует солнечную энергию для нагрева ее горячей воды

Карта солнечной радиации - Германия

В солнечной энергии или солнечной энергии называется энергию от солнечной радиации , который может быть использован промышленно в виде электричества, тепла или химической энергии. Солнечное излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает на поверхности Солнца в виде излучения черного тела из-за его температуры около 5500 ° C , что в конечном итоге связано с процессами ядерного синтеза внутри Солнца ( горение водорода ).

Солнечная энергия может использоваться как напрямую (например, с фотоэлектрическими системами или солнечными коллекторами ), так и косвенно (например, с помощью гидроэлектростанций , ветряных электростанций и в виде биомассы ). Использование солнечной энергии является примером современной технологии защиты .

интенсивность

Солнечная радиация , прибывающая на этом земную поверхности в значительной степени зависит от погодных условий и положения солнца . Из-за эксцентриситета земной орбиты он колеблется почти на 7% в течение года. Средняя интенсивность солнечной радиации на границе земной атмосферы составляет около 1367  Вт / м² . Это значение также известно как солнечная постоянная . Часть излучаемой энергии рассеивается и отражается атмосферой от твердых (например, кристаллов льда, пыль) или жидких взвешенных частиц, а также от газообразных компонентов . Другая часть поглощается атмосферой и уже там превращается в тепло. Остальное проходит через атмосферу и достигает поверхности земли. Там он частично отражается, частично поглощается и превращается в тепло. Эта энергия используется, среди прочего, в фотосинтезе , фототермике и фотовольтаике . Процентное распределение излучения по отражению, поглощению и пропусканию зависит от соответствующего состояния атмосферы. Здесь играют роль влажность воздуха , облачный покров и длина пути, по которому лучи проходят через атмосферу. Радиация, падающая на поверхность земли, составляет около 165 Вт / м² в среднем по всему миру в день (исходя из 24 часов) (со значительными колебаниями в зависимости от широты, высоты и погоды). Общее количество энергии, попадающей на поверхность Земли, более чем в пять тысяч раз превышает энергетические потребности человечества . В конечном итоге вся солнечная энергия возвращается в космос в виде отраженного света и теплового излучения.

Использование солнечной энергии

С точки зрения количества, большая площадь использования солнечной энергии является потепление климата на земле, так что биологическое существование в известных формах возможно в приповерхностной области, а затем фотосинтеза из водорослей и высших растений . Большинство организмов, включая человека, зависят от солнечной энергии либо напрямую (как травоядные), либо косвенно (как хищники). Из него также получают топливо и строительные материалы. Солнечная энергия также является причиной того факта, что в атмосфере есть перепады давления воздуха, которые приводят к ветру. Круговорот воды на Земле также обеспечивается солнечной энергией.

В дополнение к этим «естественным» эффектам, все чаще используются технические средства, особенно в области энергоснабжения. Поскольку солнечная энергия является регенеративным источником энергии , ее использование поощряется во многих странах, например в Германии, через Закон о возобновляемых источниках энергии (EEG) .

С помощью солнечной технологии солнечная энергия может использоваться как прямо, так и косвенно различными способами:

Прямые формы использования включают:

• Солнечные коллекторы вырабатывают тепло ( солнечное тепловое или фототермическое)
• Солнечные элементы генерируют постоянный электрический ток ( фотоэлектрическая энергия )
• Солнечные тепловые электростанции вырабатывают электроэнергию с помощью тепла и водяного пара.
• Дымоходные электростанции вырабатывают в теплице горячий воздух, который поднимается через дымоход и вырабатывает электричество.
• Солнечные шары могут летать сквозь горячий воздух внутри
• Солнечные плиты или солнечные печи нагревают пищу или стерилизуют медицинские материалы.

Солнечная энергия используется косвенно:

• Растения и растительные отходы перерабатываются таким образом, чтобы производились пригодные для использования жидкости (например, этанол , рапсовое масло ) или газы (например, биогаз , очищенный от метана ).
• Ветряные и гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию
• Пассивное использование солнечной энергии нагревает дома, что снижает потребность в энергии.

• 

  Солнечная тепловая электростанция Иванпа, США

• 

  Дымоходная электростанция в Мансанаресе, Испания

• 

  Солнечная плита в действии

• 

  Ветряная турбина

• 

  Русловая электростанция

• 

  Фотоэлектрическая система в Берлин-Адлерсхоф

• 

  Солнечный модуль (слева) и солнечный коллектор (вверху справа)

Хранение солнечной энергии

Солнечное излучение подвержено суточным и сезонным колебаниям от нуля до максимального значения энергетической освещенности около 1000 Вт / м². Для того , чтобы обеспечить необходимую безопасность энергоснабжения, дополнительные меры , такие как хранение энергии , технологии управления или дополнительные системы , такие как топливо работают котел поэтому всегда необходим.

В марте 2011 года первая солнечная газовая система в Германии была запущена в энергетическом ландшафте Морбаха . Солнечная энергия преобразуется в синтетический природный газ и хранится в газовой форме.

В тепловых гелиосистемах используются разные типы аккумуляторов тепла . В случае устройств для горячего водоснабжения этого обычно достаточно на несколько дней, чтобы, по крайней мере, в летнее полугодие, можно было обеспечить достаточное количество тепла также ночью и в периоды плохой погоды. Системы долгосрочного хранения , передающие летнее тепло зимой, технически возможны, но все же относительно дороги.

На солнечных тепловых электростанциях и электростанциях зеркала используют концентрированное солнечное излучение для испарения жидкостей и выработки электроэнергии с помощью паровых турбин . Накопители тепла (например, резервуары с жидкой солью) также могут хранить часть тепла (с небольшими потерями) в течение дня, чтобы компенсировать краткосрочные колебания спроса или приводить в действие паровую турбину в ночное время.

На фотоэлектрических электростанциях электричество вырабатывается с помощью полупроводниковых эффектов. Вырабатываемый таким образом постоянный ток либо используется как часть децентрализованного производства электроэнергии в автономной энергосистеме ( буферизация, например, батареями ), либо подается в существующую сеть переменного тока через инвертор . Там возможно хранение через децентрализованные батареи и преобразование в водород и метан с последующим хранением в сети природного газа. Уже существующих хранилищ природного газа в Германии будет достаточно для удовлетворения потребностей в хранении источников энергии, которые в основном основаны на выработке фотоэлектрическими и ветряными электростанциями.

Потенциал солнечной энергии

DESERTEC : Схема возможной инфраструктуры для устойчивого энергоснабжения в Европе, на Ближнем Востоке и в Северной Африке

Как самый крупный источник энергии, Солнце доставляет на поверхность земли около 1,5 · 10 ¹⁸ кВтч в год . Это количество энергии более чем в 10 000 раз превышает мировую потребность человечества в энергии в 2010 году (1,4 × 10 ¹⁴  кВтч / год).

Состав солнечного спектра , продолжительность солнечного сияния и угол падения солнечных лучей на земную поверхность зависят от времени, сезона и широты. Это также означает, что излучаемая энергия различается. Это, например, около 1000 кВтч на квадратный метр в год в Центральной Европе и около 2350 кВтч на квадратный метр в год в Сахаре . Существуют различные сценарии реализации возобновляемых источников энергии в ЕС , в том числе посредством преобразования энергии в Северной Африке и передачи постоянного тока высокого напряжения . Например, спутниковые исследования Немецкого аэрокосмического центра (DLR) показали, что с менее чем 0,3% доступных пустынных территорий в Северной Африке и на Ближнем Востоке тепловые солнечные электростанции обеспечивают достаточно энергии и воды для удовлетворения растущего спроса в эти страны и для Европы могут быть созданы. Транссредиземноморской возобновляемых источников энергии сотрудничество , международная сеть ученых, политиков и экспертов в области возобновляемых источников энергии и их развития, выступает за такое кооперативное использование солнечной энергии. Публикация из США под названием Solar Grand Plan предлагает сопоставимое использование солнечной энергии в США.

Также была задумана возможность улавливать солнечную энергию через спутник и передавать ее на Землю. Преимущество будет заключаться в более высокой плотности энергии на земле и во избежание колебаний дня и ночи. Из-за того, что для этого потребовались огромные усилия, прежде всего предыдущие космические технологии, ни один из этих проектов до сих пор не реализован.

Зависимость мощности излучения от угла падения

Солнечная радиация на поверхности Земли является основным фактором, влияющим на погодные условия, а также на региональный и глобальный климат . Плотность лучистого потока (облучение ), то есть лучистая энергия на площадь и период времени, зависит от угла солнечного излучения. При плоском угле меньше фотонов на площадь ударяется о землю и нагревает ее меньше, чем при перпендикулярном падении. Это выражается следующей формулой:

${\ Displaystyle J = J_ {0} \ cdot \ sin (\ beta)}$

Здесь мощность излучения относится к излучающей мощности при перпендикулярном угле падения и от угла падения по отношению к горизонту. ${\ displaystyle J}$${\ displaystyle J_ {0}}$${\ displaystyle \ beta}$

Эффект усиливается за счет более длинного пути, по которому свет проходит через атмосферу под небольшими углами.

Экологический баланс

Согласно расчетам Федерального агентства по окружающей среде Германии , фотоэлектрические системы быстро амортизируются даже в относительно солнечной Германии после одного-двух лет эксплуатации. И. Э. По истечении этого времени система вырабатывает столько энергии, сколько необходимо для ее производства, эксплуатации и утилизации. Что касается выбросов парниковых газов, производство, эксплуатация и утилизация фотоэлектрической системы в течение срока службы 30 лет приводят к расчетным выбросам в 67 граммов эквивалента CO ₂ / кВтч. Для угольных и газовых электростанций это значение оценивается в 694 грамма эквивалента CO ₂ / кВтч. Фотоэлектрические системы вызывают лишь около одной десятой доли выбросов парниковых газов электростанций на каменном угле и газе на единицу произведенной энергии.

Оценка использования солнечной энергии

Использование солнечной энергии дает определенные преимущества, но также имеет (потенциальные) недостатки.

преимущества

• Использование солнечной энергии не приводит к выбросам в атмосферу загрязняющих веществ, таких как Б. мелкая пыль.
• Использование солнечной энергии не приводит к выбросу парниковых газов и, следовательно, экологически безвредно.
• Использование солнечной энергии сокращает импорт ископаемого или ядерного топлива и, таким образом, снижает зависимость от возможных горячих точек и международных конфликтов, например, в регионе Ближнего Востока.
• Доступность солнечной энергии практически неограничена.

недостаток

• Из-за погодных, дневных и сезонных изменений солнечной радиации солнечная энергия не позволяет обеспечить постоянное энергоснабжение или энергоснабжение в зависимости от потребностей.
• Из-за низкой плотности энергии для использования солнечной энергии требуется относительно большое пространство, и при использовании фототермических или фотоэлектрических систем она может конкурировать с сельскохозяйственным использованием земли.

Смотри тоже

• Радиационный бюджет Земли

литература

• Урсула Эйкер : Солнечные технологии для зданий. Основы и практические примеры. 2-е, полностью переработанное издание, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1281-0 .
• Бернвард Янцинг : Солнечные времена - карьера солнечной энергетики. История людей с видением и достижениями в области технологий. Picea Verlag, Фрайбург 2011, ISBN 978-3-9814265-0-2 .
• Мартин Кальчмитт , Вольфганг Штрайхер, Андреас Визе (ред.): Возобновляемые источники энергии. Системные технологии, экономика, экологические аспекты . Springer Vieweg, Берлин / Гейдельберг 2013, ISBN 978-3-642-03248-6 .
• Фолькер Квашнинг : Системы регенерации энергии. 9-е издание. Hanser, Мюнхен, 2015 г., ISBN 978-3-446-44267-2 .
• Ханс-Гюнтер Вагеманн, Хайнц Эшрих: Фотогальваника - солнечное излучение и свойства полупроводников, концепции и задачи солнечных элементов. 2-е издание. Teubner, Штутгарт 2010, ISBN 978-3-8348-0637-6 .

веб ссылки

• futureisclean.org
• solargis.info: Глобальная радиационная карта Швейцарии
• Европейская энергетическая биржа , transparent.eex.com: Фактическое производство солнечной энергии . Данные почасовой урожайности немецких заводов
  • SMA Solar Technology , sma.de: Визуализация
• volker-quaschning.de: «Думай масштабно !» : сценарий производства энергии в Африке и HVDC . Статья из Sonne Wind & Wärme , май 2004 г.
• zeit.de , июнь 2004 г .: Зеленый луг, красная ткань - солнечная промышленность опасается сопротивления уличным системам и стремится получить одобрение общественности.
• Солнечная энергия - информация Федерального управления энергетики (Швейцария)

Индивидуальные доказательства