Sluneční tepelná energie je formou sluneční energie . To označuje využití tepelné energie ze slunečního záření , aby se teplo z tekutiny (kapalina nebo plyn). Energie přijaté tekutiny se pak může použít přímo ( ohřev teplé užitkové vody , topení , atd ), nebo nepřímo (výroba vodní páry k pohonu alternátorů a tak získat elektrickou energii , výroba za studena , atd.) ).
Sluneční tepelná energie pochází z tepla přenášeného slunce pomocí záření , a neměly by být zaměňovány s jinými formami solární energie, a zejména na fotovoltaické solární energie , který využívá fotoelektrický jev v cílem změnit fotony emitované to. Na slunce na elektřinu .
Solární kolektor je nástroj použit pro konverzi sluneční záření na teplo. Základní fyzikální principy, na nichž je tato výroba energie založena, jsou zejména absorpce a vedení tepla . V tomto konkrétním případě se soustředí systémy ( termodynamické solární elektrárny , solární trouby , atd. ), Odraz také hraje důležitou roli.
Solární termální se rozvíjí, a to i přes výrazné zpomalení od roku 2009; Čína sama o sobě představuje 71% z instalovaného výkonu senzorů, ale v moci jednoho obyvatele je překročena o sedm zemí, včetně Rakouska , v Řecku a Austrálii .
První zaznamenané ne pasivní využití solární tepelné energie lidmi se datuje do roku 212 př. AD, když Archimedes soustředil energii slunce, aby zapálil římské lodě obléhající Syrakusy . Vědci však poté zpochybnili technickou proveditelnost takové metody. O více než 17 století později v1561„ Adam Lonitzer evokuje proces používaný alchymisty využívající energii slunce koncentrovanou k vývoji parfémů.
v 1615, Caus lidové Solomon Solární pumpa využívá čočky pro ohřev nádoby s vzduchu-voda. Tento vynález je považován za první využití sluneční energie od klasických dob .
V 1780s , HB de Saussure vynalezl měřící nástroj, který ho ke studiu výhřevností účinky slunečních paprsků, které nazval „heliothermometer“, použil skleníkový efekt získaný zasklení umístěná nad slunce. Absorbér v izolovaném boxu ; vytvořil tak první nízkoteplotní tepelné solární kolektory.
V roce 1865 postavil Augustin Mouchot první solární motor sestávající z kuželového přijímače vybaveného zčernalým kovovým zásobníkem pokrytým tenkou průhlednou skleněnou nádobou v ohnisku.
V roce 1868 postavil švédský vynálezce John Ericsson také několik solárních motorů , které pracují buď s parami, nebo ve spojení s motorem s horkým vzduchem (nebo kalorickým motorem).
V roce 1893 objevil britský fyzik James Dewar účinek termosky podle principu nádoby se dvěma stěnami oddělenými vzduchovou mezerou, zajišťující téměř dokonalou izolaci. Princip izotermické láhve následně umožnil vývoj solárních tepelných kolektorů s vakuovými trubicemi.
V 10. letech 19. století se v Kalifornii objevily první solární ohřívače vody . Po období věnovaném hlavně rozvoji vodní energie byly zkoušky průmyslového rozvoje tepelných solárních elektráren završeny technickým úspěchem, ale ne ekonomickým, protože příchodem v době, kdy cena ropy opět klesla.
Od 70. a 80. let však jeho vývoj zaostává, zatímco vývoj fotovoltaické sluneční energie je upřednostňován. Proto jsou funkční pouze malé solární tepelné jednotky (jednotlivé ohřívače vody nebo malé komunity, bazény atd. ) Na úkor těžké solární tepelné energie určené k výrobě elektřiny.
Během dvacátých let nutnost snižovat emise skleníkových plynů , vyhlídky na špičkovou ropu a pochybnosti o řešeních pro nakládání s jaderným odpadem a rizika spojená s tímto zdrojem energie zatraktivnily sluneční energii. Solární ohřívače vody zaznamenaly rychlý rozvoj v některých zemích, zejména v Číně, a byly dokončeny rozsáhlé průmyslové projekty ve Spojených státech, Španělsku, na Středním východě , v Austrálii a Maroku , ale rychlý pokles solárních fotovoltaických nákladů na začátku let 2010 srazila termodynamické solární projekty, které se staly méně konkurenceschopnými.
Využití solární tepelné energie má několik výhod. Pokud jde o vytápění , senzory pro vytápění jsou relativně jednoduché, rustikální a odolné.
Pokud jde o elektřinu, konvenčně používané systémy parních turbín jsou založeny na dokonale bezpečných a osvědčených součástech. Ve velmi slunných oblastech je ziskovost prokázána: termodynamická solární elektrárna v Maroku se amortizuje z hlediska energie za pět měsíců (to znamená, že vyrobí více energie, než je nutné pro její konstrukci a spuštění), což je srovnatelná s větrnou energií (čtyři až sedm měsíců), ale mnohem rychlejší než křemíkové fotovoltaické moduly (které v roce 2009 vyžadují tři až pět let na splacení svého „energetického dluhu“, ale které budou vyžadovat nižší náklady a práci na jejich údržbu a provoz). A konečně existuje silný rozvojový potenciál v několika rozvojových zemích, které mají a priori mírný dopad na životní prostředí (pouště, suché oblasti atd. ). Podle DLR je kapacita více než 3 GW v Evropě realistická, zatímco pro celou planetu by to bylo 15 GW .
V oblasti čištění vody může sluneční energie stále poskytovat dostatek pitné vody v tropických a subtropických oblastech.
Kapacita tepelných solárních kolektorů v provozu byla v roce 2017 (s výjimkou termodynamických solárních elektráren ) rozdělena takto :
| Země | Instalovaný výkon ( GWth ) |
Sběratelská plocha (miliony m²) |
% 2017 |
|---|---|---|---|
| Čína | 334,52 | 477,9 | 70,6% |
| Spojené státy | 17,89 | 25,56 | 3,8% |
| krocan | 16,29 | 23.27 | 3,4% |
| Německo | 13,75 | 19,65 | 2,9% |
| Brazílie | 10.41 | 14,87 | 2,2% |
| Indie | 8,02 | 11,45 | 1,7% |
| Austrálie | 6,58 | 9.41 | 1,4% |
| Rakousko | 3.62 | 5.17 | 0,8% |
| Izrael | 3.30 | 4,71 | 0,7% |
| Řecko | 3.23 | 4.62 | 0,7% |
| Itálie | 3.20 | 4.57 | 0,7% |
| Japonsko | 2,91 | 4.16 | 0,6% |
| Španělsko | 2.88 | 4.11 | 0,6% |
| Svět | 473,78 | 676,83 | 100% |
Na konci roku 2018 se tato kapacita odhaduje na přibližně 480 GWth ; od roku 2000 se znásobil o 7,7; vyrobená solární tepelná energie letos činila 396 TWh . Trh v roce 2018 poklesl o 3,9%, a to navzdory výraznému nárůstu v Polsku: + 179%, v Dánsku: + 128%, v Indii: + 14%, v Mexiku: + 4% a v Řecku: + 4%. Pokles trhu je způsoben hlavně Čínou, která již pátý rok po sobě zaznamenala zpomalení; tento pokles se však postupně uvolňuje: -5% v roce 2018 po -9% v roce 2016 a -17% v letech 2014 a 2015.
Deset zemí nejvíce vybavených termální solární energií bylo v roce 2017:
| Země | Instalovaná kapacita ( Wth per capita) |
|---|---|
| Barbados | 540 |
| Kypr | 440 |
| Rakousko | 413 |
| Izrael | 397 |
| Řecko | 300 |
| Austrálie | 276 |
| Palestina | 269 |
| Čína | 242 |
| krocan | 201 |
| Dánsko | 199 |
Ve Francii sotva solární růst: instalovaný teplotní senzory povrch je pouze 3225 MW 2 (v milionech čtverečních metrů), v roce 2018 nebo 2258 MW je 6 th největší v Evropě za Německem, n o 1 s 13,489 MW , následované Rakouskem Řecko, Španělsko a Itálie, a 18 th největší v oblasti instalovány na jednoho obyvatele; V roce 2018 však došlo k mírnému oživení s růstem trhu o 2%. Zdá se však, že toto odvětví, stejně jako v mnoha jiných zemích, zažívá renesanci v podobě velkých instalací, ať už jsou připojeny k městským vytápěcím sítím, nebo zda dodávají velké množství tepla vyžadované průmyslovými procesy.
Solární tepelný kolektor je navržen tak, aby sbíral sluneční energii přenášenou zářením a předával ji teplonosné tekutině (plynu nebo kapalině) ve formě tepla.
Různé typy senzorů se liší hlavně podle teplotního rozsahu, ve kterém se používají. Prosklené kolektory jsou optimální pro velmi nízké teploty (zejména ohřev bazénu). Poté následují ploché prosklené kolektory, které lze použít k výrobě teplé užitkové vody nebo k vytápění budov. Pro vyšší teploty (nad 80 ° C ) jsou nejvhodnější vakuové trubicové kolektory . Pro ještě vyšší teploty (nad 100 - 110 ° C ), koncentrace systémy jsou běžně používány ( parabolické zrcadlo , lineární Fresnelovy senzorem, parabolický reflektor jako Schefflerem je reflektorem, solární věže , atd. ).
Je-li integrován do stěny (fasády nebo střechy), může takový snímač převzít různé architektonické funkce (zeď, dekorace, zdroj stínu, protihluková stěna atd. ), Poskytovat teplo a rekuperovat část ztrát tepla z budovy sám.
Tyto systémy se v současné době používají jednotlivě, ale mají potenciál pro integraci v ekologických čtvrtích , jako jsou protihlukové stěny , renovace energie nebo v nových budovách, a to prostřednictvím přístupů typu inteligentní sítě , v rámci energetických sítí založených na spolupráci, jako jsou sítě navržené TRI ( třetí průmyslová revoluce, kterou prosazuje zejména Jeremy Rifkin ).
V létě mohou panely shromažďovat chladnější vzduch v noci a během dne, podle výrobců hraje struktura roli „izolátoru“ omezujícího vytápění; a 5 m 2 SolarWall by ušetřilo tunu emisí CO 2/ rok v průměru.
The 6. února 2014ArcelorMittal oznámila, že ve Francii (ve Haironville v Mosele ) bude vyrábět ocelové kolektory (ploché nebo zakřivené) pro solární stěny a střechy systému ohřevu vzduchu „ SolarWall “, což je „další plášť“, který bude umístěn na budovy ( Orientace jihovýchod - jih - jihozápad), aby se ušetřilo 20 až 50% konvenčních energetických potřeb. Očekává se, že tento produkt a koncept vyvinutý kanadskou skupinou „ Conserval Engineering “ bude uveden na trh v Evropě v roce 2014. Senzory navržené na míru jsou vhodné pro každý jednotlivý nebo kolektivní projekt vytápění nebo pro průmyslové a zemědělské sušárny. A musí být instalovány pokrývači / pokrývače nebo hydroizolace. Jejich předpokládaná životnost je 30 let bez údržby. Jsou uznávány systémem ekologické certifikace LEED (poskytuje až deset „ LEED bodů “).
Na stupnici jednotlivého nebo hromadného bytu je možné instalovat solární ohřívač vody nebo solární ohřev : na střechu se nejčastěji instalují prosklené kolektory, ve kterých cirkuluje teplonosná kapalina ohřátá sáláním. Solární panel , který pak přenáší teplo do nádrže na vodu nebo do zařízení zvaného přímá solární podlaha (PSD) zabudovaného do podlahové desky.
Tento proces umožňuje pokrýt 2/3 až 3/4 roční potřeby teplé vody (ve Francii) a případně poskytnout důležitý doplněk k vytápění (instalace známá jako kombinovaný solární systém , SSC). K 2012 tepelnou ochranu (RT 2012) změnily využívání obnovitelných zdrojů energie (ENR) pro novou výstavbu . Každý rodinný dům musí od té doby používat RE. Jako takový je navržen nový typ minimalistického samostatného solárního ohřívače vody (CESI) , S rozměry sníženými na minimum (2 m 2 kolektor a 150 litrová nádrž) a se sníženými náklady.
V kolektivním bydlení je využití sluneční energie také velmi užitečné pro prioritní výrobu teplé vody.
Existují také solární teplárny , které fungují na stejném principu jako individuální solární ohřev, ale ve větším měřítku. Vyrobená horká voda je poté distribuována prostřednictvím tepelných sítí .
Existují typy chladicích strojů, které paradoxně používají zdroj tepla: například chladnička s absorpcí plynu , zcela běžná pro obytné automobily a karavany. Toto teplo může být dodáváno sluncem se senzory srovnatelnými se senzory v jiných aplikacích. Závislost na slunci není problémem, pokud jde o zajištění evakuace přebytečného slunečního tepla, a pro další aplikace je stále možné zajistit provoz pomocí záložního systému spalováním.
Solární vařiče jsou široce používány v Číně a Indii . Kromě krabicového a deskového sporáku byly vyvinuty parabolické sporáky.
Kartonová deska pokrytá hliníkovou fólií a rozřezaná na skořápku již umožňuje ohřívat hrnec (nejlépe černý) umístěný v průhledném plastovém sáčku omezujícím tepelné ztráty a ve vodní páře. S takovými systémy lze vařit, vařit nebo ohřívat mnoho potravin a vařit vodu. Nejkřehčí částí je plastový sáček.
Sporáky na konzervy se skleněným víkem nebo tuhým plastem lze snadno vyrobit z místních materiálů (prázdné a suché skořápky pro tepelnou izolaci atd. ). Existuje mnoho modelů solárních pecí na vaření potravin, které dosahují obecně teplot od 100 do 220 ° C.
Využití sluneční energie sahá až do starověku, ale to nebylo až do XIX th století že první solární motory se objeví. Nejznámější jsou solární motory Augustina Mouchota a Johna Ericssona , kteří se snaží spojit solární energii s horkovzdušným motorem , v některých případech účinnějším než parní stroj .
Solární motory přeměňují sluneční energii na mechanickou energii, která se poté transformuje na elektrickou energii nebo jakoukoli jinou energii. Solární motory pracují buď s horkým vzduchem, nebo s vodní párou. V obou případech koncentrují sluneční energii k ohřevu pracovní tekutiny (vzduchu nebo vody), která je hnací silou.
Systémy výroby energie umožňují koncentrování sluneční energie v přesném bodě, který pak může dosáhnout značné teploty . Výroba elektřiny je poté možná mimo jiné prostřednictvím parních turbín nebo jiných tepelných strojů.
Za tímto účelem parabolické kolektory ohřívají teplonosnou kapalinu (voda, roztavené soli, syntetické oleje nebo přímo páry) cirkulující v potrubích umístěných v jejich geometrickém ohnisku.
Nepravidelnost, která je vlastní sluneční energii, lze obejít buď akumulací tepla (se zásobníkem horké kapaliny), nebo hybridizací solárních koncentrátorů s konvenční tepelnou elektrárnou (kotel a sluneční teplo dodávající stejnou plynovou turbínu). Pára) .
The 31. března 2007, 25 km od Sevilly byla oficiálně uvedena do provozu solární elektrárna s názvem PS10 s elektrickým výkonem 11 MW , jejíž očekávaná produkce je kolem 23 GWh / rok (tj. Plná výroba energie 2 000 h / rok ). Plánují se další podobné závody.
V roce 2011 byla Alba Nova 1 na Korsice první rozsáhlou francouzskou termodynamickou solární elektrárnou, která získala stavební povolení na více než 30 let.
1,000 m vysoká sluneční věž , plánovaná pro Buronga v Austrálii, byl jedním z nejambicióznějších projektů na planetě pro výrobu alternativní energie. Byla by to elektrárna na obnovitelné zdroje, která by poskytovala stejnou energii jako malý jaderný reaktor a byla by bezpečnější a čistší.
Stirlingův motor spojen s generátorem lze stejně dobře použít parabolický koncentrátor systém nebo ploché kolektory pro přenos tepla tekutiny, v závislosti na jeho provozní teplotní spád.