Energia solarna jest formą energii słonecznej . To oznacza wykorzystanie energii cieplnej z promieniowania słonecznego w celu ogrzania się płyn (ciecz lub gaz). Energia otrzymana przez płyn może być następnie wykorzystany bezpośrednio ( ciepłej wody , ogrzewanie , etc. ) lub pośrednio (wytwarzanie pary wodnej do napędu prądnic i uzyskiwania w ten sposób energię elektryczną , wytwarzanie na zimno , itp.) ).
Słoneczna energia cieplna pochodzi z ciepła przenoszonego przez Słońce przez promieniowanie i nie należy jej mylić z innymi formami energii słonecznej, w szczególności z fotowoltaiczną energią słoneczną, która wykorzystuje efekt fotoelektryczny do przekształcania emitowanych przez nie fotonów słonecznych w energię elektryczną .
Kolektor słoneczny jest instrumentem wykorzystywanym do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Podstawowe zasady fizyczne, na których opiera się ta produkcja energii, to w szczególności absorpcja i przewodnictwo cieplne . W szczególnym przypadku systemów (koncentrując termodynamiczna elektrownia słoneczna , piekarnik solarny , itd. ), Odbicie również odgrywa ważną rolę.
Energia słoneczna rozwija się pomimo wyraźnego spowolnienia od 2009 roku; Chiny sam odpowiada za 71% mocy zainstalowanej czujników, lecz w mocy per capita jest przekroczony o siedmiu krajach, w tym w Austrii , w Grecji i Australii .
Pierwsze odnotowane nie pasywne wykorzystanie słonecznej energii cieplnej przez ludzi sięga 212 roku pne. AD, kiedy Archimedes skoncentrował energię słońca, aby zapalić rzymskie statki oblegające Syrakuzy . Jednak naukowcy zakwestionowali techniczną wykonalność takiej metody. Ponad 17 wieków później w1561, Adam Lonitzer wywołuje się proces stosowany przez alchemikom z wykorzystaniem energii słonecznej zatężono w celu opracowania zapachowe.
W 1615, Caus's Solomon Solar Pump wykorzystuje soczewki do podgrzewania pojemnika wypełnionego mieszanką powietrza i wody. Uważa się, że wynalazek ten jest pierwszym zastosowaniem energii słonecznej od czasów klasycznych .
W 1780 , HB de Saussure wynalazł przyrząd pomiarowy pozwalający mu na zbadanie skutków opałowej promieni słonecznych, które nazwał „heliothermometer”, użył efektu cieplarnianego uzyskanych przez przeszklenia umieszczone powyżej słońcu. Absorber w izolowanym pudełku ; stworzył w ten sposób pierwsze niskotemperaturowe termiczne kolektory słoneczne.
W 1865 roku Augustin Mouchot zbudował pierwszy silnik słoneczny składający się ze stożkowego odbiornika wyposażonego w czerniony metalowy pojemnik pokryty cienkim przezroczystym szklanym słojem w linii ogniskowej.
W 1868 roku John Ericsson , szwedzki wynalazca, zbudował również kilka silników słonecznych , które pracują albo na parę, albo w połączeniu z silnikiem na gorące powietrze (lub silnik kaloryczny).
W 1893 roku brytyjski fizyk James Dewar odkrył efekt termosu zgodnie z zasadą pojemnika z dwiema ścianami oddzielonymi szczeliną powietrzną, zapewniając prawie doskonałą izolację. Zasada butli izotermicznej pozwoliła następnie na opracowanie kolektorów słonecznych z lampami próżniowymi.
W 1910 roku w Kalifornii pojawiły się pierwsze indywidualne słoneczne podgrzewacze wody . Po okresie poświęconym głównie rozwojowi energetyki wodnej , próby przemysłowego rozwoju termicznych elektrowni słonecznych zakończyły się sukcesem technicznym, ale nie ekonomicznym, gdyż doszło do ponownego spadku ceny ropy.
Jednak od lat 70. i 80. XX wieku jego rozwój jest opóźniony, podczas gdy preferowany jest rozwój fotowoltaicznej energii słonecznej . W związku z tym funkcjonalne są tylko małe jednostki solarne (indywidualne podgrzewacze wody lub małe wspólnoty, baseny, itp. ), Ze szkodą dla ciężkiej energii słonecznej przeznaczonej do produkcji energii elektrycznej.
W pierwszej dekadzie XXI wieku potrzeba redukcji emisji gazów cieplarnianych , perspektywa szczytu ropy naftowej oraz wątpliwości co do rozwiązań w zakresie gospodarowania odpadami jądrowymi i zagrożeń związanych z tym źródłem energii sprawiły, że energia słoneczna stała się bardziej atrakcyjna termicznie. Słoneczne podgrzewacze wody doświadczyły szybkiego rozwoju w niektórych krajach, zwłaszcza w Chinach, a projekty przemysłowe na dużą skalę zostały ukończone w Stanach Zjednoczonych, Hiszpanii, na Bliskim Wschodzie , w Australii i Maroku , ale szybki spadek kosztów fotowoltaiki na początku ubiegłego wieku doprowadziło do upadku termodynamicznych projektów słonecznych, które stały się mniej konkurencyjne.
Wykorzystanie słonecznej energii cieplnej ma kilka zalet. Jeśli chodzi o ogrzewanie , czujniki do ogrzewania są stosunkowo proste, rustykalne i trwałe.
W zakresie energii elektrycznej konwencjonalnie stosowane układy turbin parowych oparte są na doskonale bezpiecznych i sprawdzonych podzespołach. Na obszarach bardzo nasłonecznionych opłacalność jest udowodniona: termodynamiczna elektrownia słoneczna w Maroku jest amortyzowana pod względem energii w ciągu pięciu miesięcy (to znaczy, że wyprodukuje więcej energii niż potrzeba do jej budowy i rozruchu), co jest porównywalne z energią wiatrową (od czterech do siedmiu miesięcy), ale znacznie szybsze niż krzemowe moduły fotowoltaiczne (które w 2009 roku wymagają od trzech do pięciu lat na spłatę „długu energetycznego”, ale które będą wymagały mniejszych kosztów i pracy przy ich utrzymaniu i eksploatacji). Wreszcie, duży potencjał rozwojowy jest dostępny w kilku krajach rozwijających się, które mają a priori umiarkowany wpływ na środowisko (pustynie, suche strefy itp .). Według DLR moc powyżej 3 GW jest realistyczna w Europie, podczas gdy dla całej planety byłaby to 15 GW .
W dziedzinie oczyszczania wody destylator słoneczny może zapewnić wystarczającą ilość wody pitnej na obszarach tropikalnych i subtropikalnych.
Moce pracujących kolektorów termicznych rozkładały się w 2017 r. Następująco (z wyłączeniem termodynamicznych elektrowni słonecznych ):
| Kraj | Zainstalowana moc ( GWth ) |
Powierzchnia kolektora (mln m²) |
% 2017 |
|---|---|---|---|
| Chiny | 334,52 | 477,9 | 70, 6% |
| Stany Zjednoczone | 17,89 | 25,56 | 3,8% |
| indyk | 16.29 | 23,27 | 3,4% |
| Niemcy | 13,75 | 19,65 | 2,9% |
| Brazylia | 10.41 | 14,87 | 2,2% |
| Indie | 8.02 | 11.45 | 1,7% |
| Australia | 6.58 | 9.41 | 1,4% |
| Austria | 3.62 | 5.17 | 0,8% |
| Izrael | 3.30 | 4.71 | 0,7% |
| Grecja | 3.23 | 4.62 | 0,7% |
| Włochy | 3.20 | 4.57 | 0,7% |
| Japonia | 2,91 | 4.16 | 0,6% |
| Hiszpania | 2,88 | 4.11 | 0,6% |
| Świat | 473,78 | 676,83 | 100% |
Ta moc jest szacowana na około 480 GWth na koniec 2018 roku; wzrosła o 7,7 od 2000 r .; Wytworzona w tym roku energia słoneczna wyniosła 396 TWh . Rynek spadł o 3,9% w 2018 roku, pomimo znacznych wzrostów w Polsce: + 179%, Danii: + 128%, Indiach: + 14%, Meksyku: + 4% i Grecji: + 4%. Spadek na rynku spowodowany jest głównie przez Chiny, które piąty rok z rzędu doświadczyły spowolnienia; jednak spadek ten stopniowo słabnie: -5% w 2018 r. po -9% w 2016 r. i -17% w 2014 i 2015 r.
Dziesięć krajów najbardziej wyposażonych w termiczną energię słoneczną było w 2017 r .:
| Kraj | Zainstalowana moc ( Wth na mieszkańca) |
|---|---|
| Barbados | 540 |
| Cypr | 440 |
| Austria | 413 |
| Izrael | 397 |
| Grecja | 300 |
| Australia | 276 |
| Palestyna | 269 |
| Chiny | 242 |
| indyk | 201 |
| Dania | 199 |
We Francji prawie słonecznej rośnie: zainstalowany czujniki temperatury powierzchni jest tylko 3,225 MW 2 (miliony metrów kwadratowych) w 2018 i 2258 MWth The 6 th wielkości w Europie za Niemczech n o 1 do 13,489 MWth , a następnie Austria Grecja, Hiszpania i Włochy, a 18 th największa w obszarze zainstalowany na mieszkańca; Rok 2018 przyniósł jednak lekkie ożywienie, wzrost rynku o 2%. Wydaje się jednak, że sektor przeżywa, podobnie jak w wielu innych krajach, renesans w postaci dużych instalacji, niezależnie od tego, czy są one podłączone do miejskich sieci ciepłowniczych, czy też dostarczają duże ilości ciepła wymaganego przez procesy przemysłowe.
Kolektor słoneczny przeznaczony jest do zbierania energii słonecznej przenoszonej przez promieniowanie i przekazywania jej do płynu niezamarzającego (gazu lub cieczy) w postaci ciepła.
Różne typy czujników różnią się głównie zakresem temperatur, w których są używane. Kolektory nieszkliwione są optymalne do zastosowań w bardzo niskich temperaturach (głównie do ogrzewania basenu). W dalszej kolejności kolektory płaskie przeszklone, które można wykorzystać do produkcji ciepłej wody użytkowej lub do ogrzewania budynków. Te kolektory próżniowe są te, które najlepiej nadaje się do wyższych temperatur (powyżej 80 ° C ). Dla jeszcze wyższych temperaturach (powyżej 100 - 110 ° C ), stosuje się zwykle układy Stężenie ( lustro paraboliczne , liniowy czujnik Fresnela, paraboliczny reflektor, tak jak reflektor Scheffler'S, wieży solarnej , itd. ).
Czujnik taki wbudowany w ścianę (elewację lub dach) może pełnić różne funkcje architektoniczne (ściana, dekoracja, źródło cienia, izolacja akustyczna itp. ), Zapewniać ciepło i odzyskiwać część strat ciepła z budynku. samo.
Takie systemy są obecnie stosowane indywidualnie, ale mają potencjał do integracji w eko-sąsiedztwach , jako ekrany akustyczne , w renowacji energii lub w nowych budynkach poprzez i w ramach podejść typu inteligentnych sieci, współpracujące sieci energetyczne, takie jak te proponowane przez TRI ( trzecia rewolucja promowana w szczególności przez Jeremy'ego Rifkina ).
W okresie letnim panele mogą zbierać chłodniejsze powietrze w nocy, aw dzień - zdaniem producentów - konstrukcja pełni rolę „izolatora” ograniczającego ogrzewanie; a 5 m 2 SolarWall pozwoliłoby zaoszczędzić tonę emisji CO 2/ rok średnio.
Plik 6 lutego 2014ArcelorMittal ogłosił, że będzie produkować we Francji (w Haironville , Moselle ) stalowe kolektory (płaskie lub zakrzywione) do ścian słonecznych i dachów systemu ogrzewania powietrznego „ SolarWall ” , który jest „dodatkową powłoką ” do umieszczenia na budynkach ( Orientacja południowy wschód - południe - południowy zachód), aby zaoszczędzić od 20 do 50% zapotrzebowania na energię konwencjonalną. Ten produkt i koncepcja opracowana przez kanadyjską grupę „ Conserval Engineering ” ma zostać wprowadzona na rynek w Europie w 2014 r. Indywidualnie zaprojektowane czujniki są odpowiednie dla każdego indywidualnego lub zbiorowego projektu ogrzewania lub przemysłowych i rolniczych instalacji suszących. Muszą być instalowane przez dekarzy / dekarzy lub impregnatów. Ich oczekiwana żywotność to 30 lat bez konserwacji. Są rozpoznawane przez system ekocertyfikacji LEED (zapewniający do dziesięciu „ punktów LEED ”).
W skali indywidualnego lub wspólnego mieszkania, możliwe jest zainstalowanie słonecznego ogrzewania wody lub energii słonecznej : ramą kolektory są najczęściej instalowane na dachu, w którym krąży płyn ciepłonośny ogrzewana przez promieniowanie słoneczne. Panel , który następnie przekazuje ciepło do zbiornika wody lub do urządzenia zwanego bezpośrednią podłogą słoneczną (PSD), wbudowanego w płytę podłogową.
Proces ten pozwala pokryć 2/3 do 3/4 rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę (we Francji) i ewentualnie zapewnić znaczący dodatek do ogrzewania (instalacja zwana połączonym systemem słonecznym , SSC). Przepisy termiczne z 2012 r. (RT 2012) zmieniły wykorzystanie energii odnawialnej (EnR) w nowych budynkach . Odtąd każdy dom jednorodzinny musi korzystać z odnawialnego źródła energii. W związku z tym zaproponowano nowy typ minimalistycznego indywidualnego słonecznego podgrzewacza wody (CESI) , O wymiarach zredukowanych do minimum ( kolektor 2 m 2 i zbiornik o pojemności 150 litrów) i po obniżonych kosztach.
W budownictwie zbiorowym wykorzystanie energii słonecznej jest również bardzo przydatne do wytwarzania ciepłej wody użytkowej jako priorytetu.
Istnieją również elektrownie słoneczne , działające na tej samej zasadzie co indywidualne ogrzewanie słoneczne, ale na większą skalę. Wytworzona ciepła woda jest następnie rozprowadzana przez sieci ciepłownicze .
Istnieją typy maszyn chłodniczych, które paradoksalnie wykorzystują źródło ciepła: na przykład lodówka absorpcyjna gazu , dość powszechna w samochodach kempingowych i przyczepach kempingowych. Ciepło to może być dostarczane przez słońce, dzięki czujnikom porównywalnym do stosowanych w innych zastosowaniach. Uzależnienie od słońca nie stanowi problemu, jeśli chodzi o odprowadzenie nadmiaru ciepła słonecznego, a dla innych zastosowań nadal istnieje możliwość zapewnienia pracy z wykorzystaniem systemu rezerwowego poprzez spalanie.
Kuchenki słoneczne są szeroko stosowane w Chinach i Indiach . Oprócz kuchenek skrzynkowych i płytowych opracowano kuchnie paraboliczne.
Tekturowy talerz pokryty folią aluminiową i pocięty w skorupę już teraz umożliwia podgrzanie garnka (najlepiej czarnego) umieszczonego w przezroczystej torbie foliowej ograniczającej straty ciepła i pary wodnej. W takich systemach wiele potraw można gotować, gotować na wolnym ogniu lub podgrzewać, a wodę można gotować. Najbardziej delikatną częścią jest plastikowa torba.
Kuchenki ze szklaną pokrywą lub sztywnym plastikiem są dość łatwe do wykonania z lokalnych materiałów (puste i suche skorupy do izolacji termicznej itp .). Istnieje wiele modeli pieców słonecznych do gotowania potraw, przy czym te ostatnie osiągają ogólnie temperaturę od 100 do 220 ° C.
Wykorzystanie energii słonecznej sięga starożytności, ale dopiero w XIX th wieku, że pierwsze silniki słoneczne pojawiają. Najbardziej znane są silniki słoneczne Augustina Mouchota i Johna Ericssona , który stara się skojarzyć energię słoneczną z silnikiem na gorące powietrze , w niektórych przypadkach bardziej wydajnym niż silnik parowy .
Silniki słoneczne przekształcają energię słoneczną w energię mechaniczną, która jest następnie przekształcana w energię elektryczną lub jakąkolwiek inną energię. Silniki słoneczne działają albo na gorące powietrze, albo na parę wodną. W obu przypadkach koncentrują energię słoneczną, aby ogrzać czynnik roboczy (powietrze lub wodę), który jest siłą napędową.
Systemy produkcji energii pozwalają na skoncentrowanie energii słonecznej w precyzyjnym punkcie, który może następnie osiągnąć znaczną temperaturę . Produkcja energii elektrycznej jest wtedy możliwa między innymi za pośrednictwem turbin parowych lub innych silników cieplnych.
W tym paraboliczne kolektory się płynu przenoszącego ciepło (wody, stopione sole, oleje syntetyczne, lub bezpośrednio para) poruszających się rur umieszczonych w ich geometrycznego punktu centralnego.
Nierówności nieodłącznie związane z energią słoneczną można obejść, albo przez magazynowanie ciepła (w zbiorniku gorącego płynu), albo przez hybrydyzację koncentratorów słonecznych z konwencjonalną elektrownią cieplną (kocioł i ciepło słoneczne zasilające tę samą turbinę gazową). ).
Plik 31 marca 200725 km od Sewilli oficjalnie zainaugurowano elektrownię słoneczną PS10 o mocy elektrycznej 11 MW , której spodziewana produkcja to około 23 GWh / rok (czyli pełna moc 2000 h / rok ). W planach są inne podobne zakłady.
W 2011 roku Alba Nova 1 , zlokalizowana na Korsyce , była pierwszą francuską termodynamiczną elektrownią słoneczną na dużą skalę, która uzyskała pozwolenie na budowę od ponad 30 lat.
1000 m wysoka wieża słoneczna , planowane Buronga w Australii, był jednym z najbardziej ambitnych projektów na świecie do produkcji energii alternatywnej. Byłaby to elektrownia odnawialna, która zapewniałaby taką samą moc jak mały reaktor jądrowy, a jednocześnie byłaby bezpieczniejsza i czystsza.
Silnik Stirlinga podłączony do generatora można równie dobrze stosować system parabolicznych koncentratorów lub płaskie kolektory płynów wymiany ciepła, w zależności od działającej gradientu temperatury.