EIA Energy Kids - Солнечные

1. Солнечные основы Энергия от солнца
2. Сбор и использование солнечной тепловой (тепловой) энергии
3. Мы используем солнечные тепловые энергетические системы для отопления
4. Солнечная энергия имеет свои преимущества и некоторые ограничения
5. Где находится солнечный
6. Солнечные тепловые коллекторы
7. Концентрационные коллекторы
8. Фотоэлектрические системы
9. Солнечные фотоэлектрические
10. Вы знали?
11. Фотоны несут солнечную энергию
12. Поток электричества
13. Эффективность фотоэлектрических систем варьируется в зависимости от типа фотоэлектрической технологии.
14. Как работают фотоэлектрические системы
15. Применение фотоэлектрических систем
16. История фотовольтаики
17. Солнечные тепловые электростанции
18. Типы обогатительных солнечных тепловых электростанций
19. Линейные обогатительные системы
20. Параболические желоба
21. Линейные отражатели Френеля
22. Башни солнечной энергии
23. Солнечная тарелка / двигатели
24. Солнечные тепловые коллекторы
25. Солнечные коллекторы либо неконцентрируемые, либо концентрирующие
26. Солнечная энергия и окружающая среда

Солнечные основы

Энергия от солнца

Солнце производило энергию в течение миллиардов лет и является основным источником всех источников энергии и топлива, которые мы используем сегодня. Люди использовали солнечные лучи (солнечное излучение) в течение тысяч лет для тепла и для сушки мяса, фруктов и зерна. Со временем люди разработали технологии для сбора солнечной энергии для отопления и преобразования ее в электроэнергию.

Лучистая энергия солнца питает жизнь на Земле в течение многих миллионов лет.

Сбор и использование солнечной тепловой (тепловой) энергии

Примером раннего устройства сбора солнечной энергии является солнечная печь (коробка для сбора и поглощения солнечного света). В 1830-х годах британский астроном Джон Гершель использовал солнечную печь для приготовления пищи во время экспедиции в Африку. В настоящее время люди используют множество различных технологий для сбора и преобразования солнечной радиации в полезную тепловую энергию для различных целей.

Мы используем солнечные тепловые энергетические системы для отопления

• Вода для использования в домах, зданиях или бассейнах
• Внутренняя часть домов, теплиц и других зданий
• Жидкости для высоких температур на солнечных тепловых электростанциях

Солнечные фотоэлектрические системы преобразуют солнечный свет в электричество

Солнечные фотоэлектрические (PV) устройства или солнечные элементы превращают солнечный свет непосредственно в электричество. Небольшие фотоэлементы могут питать калькуляторы, часы и другие небольшие электронные устройства. Расположение многих солнечных элементов в фотоэлектрических панелях и расположение нескольких фотоэлектрических панелей в фотоэлектрических батареях может производить электричество для всего дома. Некоторые фотоэлектрические электростанции имеют большие массивы, которые занимают много акров для выработки электроэнергии для тысяч домов.

Солнечная энергия имеет свои преимущества и некоторые ограничения

Использование солнечной энергии имеет два основных преимущества:

• Солнечные энергетические системы не производят загрязнителей воздуха или углекислого газа.
• Солнечные энергетические системы на зданиях оказывают минимальное воздействие на окружающую среду.

Солнечная энергия также имеет некоторые ограничения:

• Количество солнечного света, которое попадает на поверхность земли, не является постоянным. Количество солнечного света варьируется в зависимости от местоположения, времени суток, времени года и погодных условий.
• Количество солнечного света, достигающего квадратного фута земной поверхности, относительно мало, поэтому для поглощения или сбора полезного количества энергии необходима большая площадь поверхности.

Где находится солнечный

Солнечная энергия - это солнечный свет

Количество солнечной энергии, которую Земля получает каждый день, во много раз превышает общее количество всей энергии, которую люди потребляют каждый день. Однако на поверхности земли солнечная энергия является переменным и прерывистым источником энергии. Количество солнечного света и интенсивность солнечного света зависит от времени суток и местоположения. Погодные и климатические условия влияют на наличие солнечного света ежедневно и на сезонной основе. Тип и размер системы сбора и преобразования солнечной энергии определяет, какую часть имеющейся солнечной энергии мы можем преобразовать в полезную энергию.

Солнечные тепловые коллекторы

Низкотемпературные солнечные тепловые коллекторы поглощают солнечную тепловую энергию для нагрева воды для стирки и купания или для бассейнов, или для нагрева воздуха внутри зданий.

Концентрационные коллекторы

Технологии концентрирования солнечной энергии используют зеркала для отражения и концентрации солнечного света на приемниках, которые поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в тепло. Мы используем эту тепловую энергию для отопления домов и зданий или для производства электроэнергии с помощью паровой турбины или теплового двигателя, который приводит в действие генератор.

Фотоэлектрические системы

Фотоэлементы (PV) преобразовывают солнечный свет непосредственно в электричество. Фотоэлектрические системы могут варьироваться от систем, которые обеспечивают небольшое количество электроэнергии для часов и калькуляторов, до систем, которые обеспечивают количество электричества, которое используют сотни домов.

Миллионы домов и зданий по всему миру имеют фотоэлектрические системы на своих крышах. Много мегаваттных фотоэлектрических электростанций также были построены. Покрытие 4% пустынных районов мира фотоэлектрическими приборами может обеспечить эквивалент всего ежедневного потребления электроэнергии в мире.

Солнечные фотоэлектрические

Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

Фотоэлектрическая (PV) батарея, обычно называемая солнечной батареей, представляет собой немеханическое устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электричество. Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

Вы знали?

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), а панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для выработки небольших или больших количеств электроэнергии, например, для питания водяных насосов для воды для домашнего скота, для обеспечения электричеством домов или для коммунальных служб. масштабная выработка электроэнергии.

Фотоны несут солнечную энергию

Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии. Эти фотоны содержат различные количества энергии, которые соответствуют разным длинам волн солнечный спектр.

Фотоэлемент сделан из полупроводник материал. Когда фотоны ударяются о фотоэлемент, они могут отражаться от него, проходить через него или поглощаться полупроводниковым материалом. Только поглощенные фотоны обеспечивают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны вытесняются из атомов материала. Специальная обработка поверхности материала во время изготовления делает переднюю поверхность ячейки более восприимчивой к смещенным или свободным электронам, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность ячейки.

Поток электричества

Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности ячейки создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями ячейки. Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, как отрицательные и положительные клеммы батареи. Электрические проводники на ячейке поглощают электроны. Когда проводники подключены в электрической цепи к внешней нагрузке, такой как батарея, в цепи течет электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем варьируется в зависимости от типа фотоэлектрической технологии.

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов. Эффективность большинства имеющихся в продаже фотоэлектрических модулей составляет от 5% до 15%. Исследователи во всем мире пытаются достичь более высокой эффективности.

Как работают фотоэлектрические системы

Фотоэлемент является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных ячеек может варьироваться от 0,5 до 4 дюймов в поперечнике. Тем не менее, одна ячейка вырабатывает только 1 или 2 Вт, что достаточно только для небольших нужд, например, для питания калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы электрически соединены в упакованный, герметичный фотоэлектрический модуль или панель. Фотоэлектрические модули различаются по размеру и количеству электричества, которое они могут производить. Мощность выработки электроэнергии фотоэлектрическим модулем увеличивается с увеличением количества ячеек в модуле или на поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть объединены в группы для формирования фотоэлектрического массива. Фотоэлектрическая матрица может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, подключенных к фотоэлектрическому массиву, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотоэлектрические элементы генерируют электричество постоянного тока. Это постоянное электричество можно использовать для зарядки аккумуляторов, которые, в свою очередь, приводят в действие устройства, использующие электричество постоянного тока. Почти все электричество поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются в фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

Фотоэлементы и модули будут вырабатывать наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. Фотоэлектрические модули и массивы могут использовать системы слежения, которые перемещают модули постоянно на солнце, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, причем модули обращены непосредственно на юг (в северном полушарии - прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические показатели системы.

Применение фотоэлектрических систем

Самые маленькие фотоэлектрические системы, калькуляторы питания и наручные часы. Более крупные системы могут обеспечивать электроэнергию для подачи воды, для питания оборудования связи, для подачи электроэнергии для одного дома или предприятия или для формирования больших массивов, которые снабжают электроэнергией тысячи потребителей электроэнергии.

Некоторые преимущества фотоэлектрических систем

• Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где не существует систем распределения электроэнергии (линий электропередач), и они также могут поставлять электроэнергию электрическая сеть.
• Фотоэлектрические матрицы могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
• Воздействие фотоэлектрических систем на здания на окружающую среду минимально.

История фотовольтаики

Первая практическая фотоэлемент был разработан в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов фотоэлементы использовались для питания космических спутников США. К концу 1970-х годов фотоэлектрические панели обеспечивали электричеством удаленные или автономные места, где не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических панелей, установленных в Соединенных Штатах, были подключены к сетям в домах, зданиях и на центральных станциях. Технологические достижения, снижение затрат на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов. Сотни тысяч фотоэлектрических систем, подключенных к сети, теперь установлены в Соединенных Штатах.

По оценкам Управления по энергетической информации США (EIA), выработка электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилась с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до 63 миллиардов киловатт-часов в 2018 году. У электростанций коммунального масштаба не менее 1000 киловатт (или 1 мегаватт) электрической мощности. По оценкам EIA, в 2018 году маломасштабными фотоэлектрическими системами, подключенными к электросети, было произведено 30 млрд. КВтч, по сравнению с 11 млрд. КВтч в 2014 году.

Солнечные тепловые электростанции

Солнечные теплоэнергетические системы используют концентрированную солнечную энергию

Системы выработки солнечной тепловой энергии (электричества) собирают и концентрируют солнечный свет для производства высокотемпературного тепла, необходимого для выработки электроэнергии. Все солнечные тепловые энергетические системы имеют коллекторы солнечной энергии с двумя основными компонентами: отражатели (зеркала), которые захватывают и фокусируют солнечный свет на приемнике . В большинстве типов систем теплоноситель нагревается и циркулирует в ресивере и используется для производства пара. Пар преобразуется в механическую энергию в турбине, которая приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Солнечные теплоэнергетические системы имеют системы слежения, которые удерживают солнечный свет на приемнике в течение дня, когда солнце меняет положение на небе.

Солнечные теплоэнергетические системы также могут иметь система накопления тепловой энергии компонент, который позволяет системе солнечного коллектора нагревать систему накопления энергии в течение дня, а тепло от системы хранения используется для выработки электроэнергии вечером или в пасмурную погоду. Солнечные тепловые электростанции также могут быть гибридными системами, которые используют другие виды топлива (обычно природный газ) для дополнения солнечной энергии в периоды низкой солнечной радиации.

Типы обогатительных солнечных тепловых электростанций

Существует три основных типа концентрирующих солнечных теплоэнергетических систем:

Линейные обогатительные системы

Линейные концентрирующие системы собирают солнечную энергию с помощью длинных прямоугольных изогнутых (U-образных) зеркал. Зеркала фокусируют солнечный свет на приемники (трубки), которые проходят по длине зеркал. Концентрированный солнечный свет нагревает жидкость, текущую через трубки. Жидкость направляется в теплообменник для кипячения воды в обычном паротурбинном генераторе для выработки электроэнергии. Существует два основных типа систем линейных концентраторов: системы параболических желобов, где приемные трубки расположены вдоль фокальной линии каждого параболического зеркала, и системы линейных отражателей Френеля, где одна приемная трубка расположена над несколькими зеркалами, чтобы обеспечить большую мобильность зеркал в следя за солнцем.

Электростанция с линейным концентрирующим коллектором имеет большое количество или поле коллекторов в параллельных рядах, которые обычно выровнены в направлении север-юг для максимального сбора солнечной энергии. Эта конфигурация позволяет зеркалам отслеживать солнце с востока на запад в течение дня и постоянно концентрировать солнечный свет на приемных трубках.

Параболическая силовая установка

Параболические желоба

Коллектор параболического желоба имеет длинный отражатель параболической формы, который фокусирует солнечные лучи на приемной трубе, расположенной в фокусе параболы. Коллектор наклоняется вместе с солнцем, чтобы солнечный луч был сфокусирован на приемнике, когда солнце движется с востока на запад в течение дня.

Из-за своей параболической формы желоб может фокусировать солнечный свет в 30-100 раз больше его нормальной интенсивности (коэффициента концентрации) на приемной трубе, расположенной вдоль линии фокуса желоба, достигая рабочих температур выше 750 ° F.

Линейные концентрирующие системы с параболическим желобом используются в самой длительной в мире солнечной теплоэнергетической установке - системе генерирования солнечной энергии (SEGS). Объект с девятью отдельными растениями расположен в пустыне Мохаве в Калифорнии. Первый завод в системе, SEGS I, работал с 1984 по 2015 год, а второй, SEGS II, работал с 1985 по 2015 год. Началось строительство последнего завода, SEGS IX, с мощностью выработки электроэнергии 92 мегаватт (МВт). эксплуатация в 1990 году. Семь действующих в настоящее время электростанций SEGS III-IX имеют общую мощность выработки электроэнергии около 357 МВт, что делает их одним из крупнейших солнечных тепловых электростанций в мире.

В дополнение к SEGS, в Соединенных Штатах и ​​по всему миру работает много других параболических проектов с использованием солнечной энергии. Три крупнейших проекта в Соединенных Штатах после SEGS являются

• Mojave Solar Project: проект мощностью 280 МВт в Барстоу, Калифорния
• Электростанция Solana: проект мощностью 280 МВт в Гила-Бенд, штат Аризона
• Проект Genesis Solar Energy: проект мощностью 250 МВт в Блайте, Калифорния

Линейные отражатели Френеля

Системы линейных отражателей Френеля (LFR) похожи на системы параболических желобов в том, что зеркала (отражатели) концентрируют солнечный свет на приемнике, расположенном над зеркалами. Эти отражатели используют Линза френеля эффект, который позволяет концентрирующее зеркало с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием. Эти системы способны концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по сравнению с ее нормальной интенсивностью. Единственная действующая линейная система отражателей Френеля в Соединенных Штатах - это компактный линейный отражатель Френеля (CLFR), также называемый концентрирующим линейным отражателем Френеля, - тип технологии LFR, в которой несколько поглотителей находятся вблизи зеркал. Многократные приемники позволяют зеркалам изменять их наклон, чтобы минимизировать, насколько они блокируют доступ соседних отражателей к солнечному свету. Такое позиционирование повышает эффективность системы и снижает требования к материалам и затраты.

Башня солнечной энергии

Башни солнечной энергии

В солнечной энергетической башне используется большое поле плоских, следящих за солнцем зеркал, называемых гелиостатами, для отражения и концентрации солнечного света на приемнике на вершине башни. Солнечный свет может быть сконцентрирован до 1500 раз. Некоторые электростанции используют воду в качестве теплоносителя. Передовые конструкции экспериментируют с расплавленной нитратной солью из-за ее превосходного теплообмена и способности аккумулировать энергию. Возможность аккумулирования тепловой энергии позволяет системе производить электроэнергию в облачную погоду или ночью.

Министерство энергетики США вместе с несколькими электроэнергетическими компаниями построило и эксплуатировало первую демонстрационную башню солнечной энергии недалеко от Барстоу, штат Калифорния, в 1980-х и 1990-х годах. В настоящее время в Соединенных Штатах действуют три проекта солнечной электростанции: узнайте больше об истории солнечной энергетики в Солнечная Хронология ,

• Объект «Солнечная электростанция Иванпа»: проект с тремя башнями мощностью 392 МВт, генерирующая мощность 126 МВт, 133 МВт и 133 МВт, расположенный в сухом озере Иванпа, Калифорния
• Проект Crescent Dunes Solar Energy: проект на 110 МВт с одной башней, расположенный в Неваде
• Sierra Sun Tower: проект с двумя башнями мощностью 5 МВт, расположенный в пустыне Мохаве в Южной Калифорнии

Солнечная тарелка / двигатели

Солнечное блюдо

В солнечной системе тарелки / двигателя используется зеркальная антенна, похожая на очень большую спутниковую антенну. Чтобы снизить затраты, зеркальное блюдо обычно состоит из множества плоских зеркал меньшего размера, сформированных в форме блюда. Поверхность в форме тарелки направляет и концентрирует солнечный свет на термоприемнике, который поглощает и собирает тепло и передает его генератору двигателя. Самым распространенным типом теплового двигателя, используемого в системах с тарелкой / двигателем, является двигатель Стирлинга. Эта система использует жидкость, нагретую ресивером, для перемещения поршней и создания механической энергии. Механическая энергия запускает генератор или генератор для производства электроэнергии.

Солнечные системы тарелки / двигателя всегда направлены прямо на солнце и концентрируют солнечную энергию в фокусе тарелки. Коэффициент концентрации солнечной тарелки намного выше, чем у линейных концентрирующих систем, и температура его рабочей жидкости выше 1380 ° F. Энергетическое оборудование, используемое с солнечной тарелкой, может быть установлено в фокусе тарелки, что делает его хорошо подходящим для удаленных мест, или энергия может быть собрана из ряда установок и преобразована в электричество в центральной точке.

Армия США разрабатывает систему мощностью 1,5 МВт в депо Tooele Army в Юте с 429 солнечными батареями двигателя Стирлинга. Планируется, что система будет полностью введена в эксплуатацию в 2017 году.

Солнечные тепловые коллекторы

Отопление солнечной энергией

Люди используют солнечную тепловую энергию для нагрева воды и воздуха. Два основных типа систем солнечного отопления - пассивные системы и активные системы.

Пассивное солнечное отопление происходит, когда солнце светит через окна здания и согревает интерьер. Конструкции зданий, которые оптимизируют пассивное солнечное отопление, обычно имеют окна на южную сторону, которые позволяют солнцу светить на солнечные теплопоглощающие стены или полы зимой. Солнечная энергия нагревает здание естественной радиацией и конвекцией. Навесы или шторы на окнах не дают солнцу проникать в окна летом, чтобы сохранить прохладу в здании.

Активные солнечные системы отопления используют коллектор и жидкость, которая поглощает солнечную радиацию. Вентиляторы или насосы циркулируют воздух или поглощающие тепло жидкости через коллекторы, а затем переносят нагретую жидкость непосредственно в помещение или в систему аккумулирования тепла. Активные солнечные водонагревательные системы обычно имеют резервуар для хранения солнечной нагретой воды.

Солнечные коллекторы либо неконцентрируемые, либо концентрирующие

Неконцентрирующие коллекторы - площадь коллектора (область, которая перехватывает солнечное излучение) такая же, как площадь абсорбера (область, поглощающая излучение). Солнечные системы для нагрева воды или воздуха обычно имеют неконцентрируемые коллекторы. Плоские коллекторы являются наиболее распространенным типом неконцентрируемых коллекторов для отопления воды и помещений в зданиях и используются, когда температура ниже 200 ° F достаточна.

Плоские солнечные коллекторы обычно имеют три основных компонента:

• Плоская металлическая пластина, которая перехватывает и поглощает солнечную энергию
• Прозрачная крышка, которая позволяет солнечной энергии проходить через крышку и уменьшает потери тепла от поглотителя.
• Слой изоляции на задней части абсорбера для уменьшения потерь тепла

Солнечные водонагреватели имеют металлические трубки, прикрепленные к поглотителю. Теплообменная жидкость прокачивается через трубки абсорбера для отвода тепла от абсорбера и передачи тепла воде в резервуаре для хранения. Солнечные системы для нагрева воды в бассейне в теплых климатических условиях обычно не имеют крышек или изоляции для поглотителя, и вода в бассейне циркулирует из бассейна через коллекторы и обратно в бассейн.

Солнечные системы воздушного отопления используют вентиляторы для перемещения воздуха через плоские коллекторы внутрь зданий.

Концентрационные коллекторы - площадь, пересекающая солнечное излучение, больше, иногда в сотни раз, больше, чем площадь поглотителя. Коллектор фокусирует или концентрирует солнечную энергию на поглотителе. Коллектор обычно перемещается таким образом, чтобы поддерживать высокую степень концентрации на абсорбере. Солнечные тепловые электростанции используют концентрирующие солнечные коллекторные системы, поскольку они могут вырабатывать высокотемпературное тепло.

Солнечная энергия и окружающая среда

Массив солнечных фотоэлектрических панелей обеспечивает электроэнергию для использования в воздушном наземном боевом центре морской пехоты в Twentynine Palms, Калифорния

Солнечные энергетические системы / электростанции не производят загрязнения воздуха, воды или парниковых газов. Использование солнечной энергии может оказать положительное, косвенное влияние на окружающую среду, когда солнечная энергия заменяет или уменьшает использование других источников энергии, которые оказывают большее воздействие на окружающую среду.

Тем не менее, некоторые токсичные материалы и химические вещества используются для изготовления фотоэлектрических элементов, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Некоторые солнечные тепловые системы используют потенциально опасные жидкости для передачи тепла. Утечки этих материалов могут быть вредными для окружающей среды. Экологические законы США регулируют использование и утилизацию этих типов материалов.

Как и с любым типом электростанции, крупные солнечные электростанции могут воздействовать на окружающую среду вблизи своих мест. Расчистка земли под строительство и размещение электростанции могут иметь долгосрочные последствия для мест обитания местных растений и животных. Некоторым солнечным электростанциям может потребоваться вода для очистки солнечных коллекторов и концентраторов или для охлаждения турбогенераторов. Использование больших объемов грунтовых или поверхностных вод в некоторых засушливых местах может повлиять на экосистемы, которые зависят от этих водных ресурсов. Кроме того, луч концентрированного солнечного света солнечная электростанция создает может убить птиц и насекомых, которые летят в луч.