Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.
Необходимость в солнечной энергии
Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.
Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.
«Работа» Солнца
Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.
Основной источник энергии
Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:
1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.
2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.
3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.
Принцип преобразования инфракрасных волн
Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.
Цель, которую преследует солнечная энергетика, - получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого - Солнце.
Работа комплекса
Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.
География излучений небесного Светила
Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца - долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.
То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:
Странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
- жителям Аравийского полуострова;
- восточному побережью Африки;
- северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
- западному побережью Южной Америки.
Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.
Электростанции
Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.
Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.
По мнению некоторых исследователей, уже в ближайшем будущем человечество может отказаться от существующих ныне традиционных путей получения электроэнергии. Потребности людей полностью удовлетворит небесное светило.
Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них - частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.
Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:
Башенные;
- установки с фотоэлементами;
- тарельчатые;
- параболические;
- солнечно-вакуумные;
- смешанные.
Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.
При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.
Если вы увидите целый ряд огромных по своему размеру спутниковых антенн, на внутренней стороне которых установлены зеркальные пластины, то знайте, что это параболические электростанции, работающие на излучении Солнца. Принцип их действия схож с такими же системами башенного типа. Они ловят пучок света и нагревают приемник с жидкостью. Далее вырабатывается пар, который и идет на производство электроэнергии.
Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.
Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.
Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.
Достоинства и недостатки солнечной энергетики
У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:
Экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;
- доступность основных составляющих - фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;
- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;
- постоянно снижающаяся себестоимость.
Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:
Влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;
- необходимость в аккумулировании энергии;
- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;
- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;
- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;
- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.
Перспективы развития
Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.
Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых - многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.
Ученые произвели интересный расчет. Если на суше планеты Земля установить фотоэлементы, которые бы расположились на семи сотых ее территории, то они, даже имея КПД 10%, обеспечили бы все человечество необходимым ему теплом и светом. И это не столь уж далекая перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются на сегодняшний день, имеют КПД, равный 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.
Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.
Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.
Где используется солнечная энергия
Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.
Вообще же использование солнечной энергии очень востребовано в таких областях, как:
- Сельское хозяйство;
- Энергоснабжение санаториев и пансионатов;
- Космическая отрасль;
- Природоохранная деятельность и экотуризм;
- Электрификация отдаленных и сложнодоступных регионов;
- Уличное, садовое и декоративное освещение;
- Сфера ЖКХ (ГВС, придомовое освещение);
- Мобильная техника (гаджеты и зарядные модули на солнечных батареях).
Ранее энергия солнца использовалась главным образом в космической отрасли (энергоснабжение спутников, станций и т.д.) и в промышленности, но со временем альтернативную энергетику начали активно развивать и в быту. Одними из первых объектов, оснащенных солнечными установками, стали южные пансионаты и санатории, особенно расположенные в уединенных районах.
Солнечные установки и их преимущества
Успешное применение первых гелиомодулей доказало, что энергия солнечных лучей обладает массой преимуществ перед традиционными источниками. Ранее главными достоинствами гелиоустановок называли лишь экологичность и неисчерпаемость (а также бесплатность) солнечного света.
Но на самом деле список достоинств гораздо шире:
- Автономность, так как не требуется никаких внешних энергокоммуникаций;
- Стабильность подачи питания, в силу специфики солнечный ток не подвержен скачкам напряжения;
- Экономичность, так как средства тратятся только один раз, при монтаже установки;
- Солидный ресурс эксплуатации (свыше 20 лет);
- Всесезонное использование, солнечные установки эффективно работают даже в морозы и облачную погоду (с незначительным снижением КПД);
- Простота и удобство сервисного обслуживания, так как требуется только изредка очищать лицевые стороны панелей от загрязнений.
Единственным недостатком можно назвать только зависимость от солнца и тот факт, что такие установки не работают ночью. Но эта проблема решается за счет подключения специальных аккумуляторов, в которых накапливается выработанная за день энергия солнечного света.
Фотоэнергия
Фотоэнергия – это один из двух способов использования излучения солнца. Это постоянный ток, вырабатываемый под действием солнечных лучей. Происходит такое преобразование в так называемых фотоячейках, которые, по сути, представляют собой двухслойную структуру из двух полупроводников разного типа. Нижний полупроводник относится к p-типу (с недостатком электронов), верхний – к n-типу с избытком электронов.
Электроны n-проводника поглощают энергию падающих на них лучей солнца и покидают свои орбиты, причем энергетического импульса достаточно для того, чтобы они перешли в зону p-проводника. При этом образуется направленный электронный поток, называемый фототоком. Иными словами, вся структура работает как своеобразные электроды, в которых под воздействием солнца генерируется электроэнергия.
Для производства таких фотоячеек применяют кремний. Объясняется это тем, что кремний во-первых, широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует больших затрат.
Фотоячейки из кремния бывают:
- Монокристаллическими. Изготавливаются из монокристаллов и отличаются равномерной структурой с чуть более высоким КПД (примерно 20%), но при этом дороже стоят.
- Поликристаллическими. Имеют неравномерную структуру за счет использования поликристаллов и несколько более низкий КПД (15-18%), но гораздо дешевле моновариантов.
- Тонкопленочными. Изготавливаются методом напыления аморфного кремния на тонкопленочную подложку. Отличаются гибкой структурой и самой низкой себестоимостью производства, однако имеют вдвое больше габариты по сравнению с кристаллическими аналогами той же мощности.
Сферы применения каждого типа ячеек весьма обширны и определяются их эксплуатационными особенностями.
Солнечные коллекторы
Гелиоколлекторы также используются как преобразователи солнечной энергии, но принцип их действия совершенно иной. Они преобразуют падающий свет не в электрическую, а в тепловую энергию за счет нагрева жидкого теплоносителя. Применяют их либо для ГВС, либо для отопления домов. Главный элемент любого коллектора – абсорбер, он же – теплопоглотитель. Абсорбер представляет собой либо плоскую пластину, либо трубчатую вакуумированную систему, внутри которой циркулирует теплоноситель (это или простая вода, или антифриз). Причем абсорбер обязательно красится в черный цвет специальной краской для увеличения коэффициентов поглощения.
Именно по типу абсорберов коллекторы делят на плоские и вакуумные. У плоских теплопоглотитель выполняют в виде металлической пластины, к которой снизу припаян металлический же змеевик с теплоносителем. У вакуумных абсорбер изготавливается их нескольких соединенных между собой на концах стеклянных трубок. Трубки делают двойными, между стенками создают вакуум, а внутри помещают стержень с теплоносителем. Все стержни сообщаются между собой посредством специальных соединителей в местах стыков труб.
Абсорберы обоих типов помещают в прочный легкий корпус (обычно – из алюминия или ударопрочных пластиков) и надежно теплоизолируют от стенок. Лицевая же сторона корпуса закрывается прозрачным ударостойким стеклом с максимальной проницаемостью для фотонов. Это обеспечивает лучшее поглощение солнечной энергии.
Особенности функционирования
Принцип работы обоих типов коллекторов аналогичен. Нагреваясь в коллекторе до высоких температур, теплоноситель проходит по соединительным шлангам в теплообменный бак, который наполнен водой. Через бак он проходит по змеевидной трубке, отдавая свое тепло воде. Остывший теплоноситель выходит из бака и подается обратно в коллектор. По сути, это – своеобразный «солнечный» кипятильник», только вместо нагревательной спирали используется змеевик в баке, а вместо электросети – солнечный свет.
Конструктивные различия определяют и разницу в применении вакуумных и плоских коллекторов. Использование солнечного излучения при помощи вакуумных моделей возможно круглый год, в том числе и зимой, и в межсезонье. Плоские же варианты лучше работают в летний период. Однако они дешевле и проще вакуумных, поэтому оптимально подходят именно для сезонных целей.
Солнечная энергия в городах (экодома)
Гелиоэнергетика активно применяется не только для частных домов, но и для городских строений. Как человек использует солнечную энергию в мегаполисах, догадаться не сложно. Она также применяется для обогрева и ГВС зданий, причем нередко – целых кварталов.
В последние годы активно развиваются и воплощаются концепции экодомов, полностью работающих на альтернативных источниках энергии. В них используются комбинированные системы, обеспечивающие эффективное получение солнечной, ветровой и тепловой энергии земли. Нередко такие дома не только целиком покрывают свои энергетические нужды, но и передают излишки в городские сети. Причем совсем недавно проекты таких экозданий появились и в России.
Гелиостанции и их виды
В южных регионах с высокой инсоляцией строят не просто отдельные гелиоустановки, но целые станции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Количество солнечной энергии, производимое ими, весьма велико и многие страны с подходящим климатом уже начали постепенный перевод всей энергосистемы на такой альтернативный вариант. По принципу работу станции делят на фототермические и фотоэлектрические. Первые работают по методу коллекторов и подают в дома разогретую воду для ГВС, вторые же вырабатывают непосредственно электричество.
Существует несколько видов гелиостанций:
- Башенные. Позволяют получать сверхнагретый водяной пар, подаваемый на генераторы. В центре станции базируется башня с водным резервуаром, вокруг нее размещают гелиостаты (зеркальные), которые фокусируют лучи на резервуаре. Это достаточно эффективные станции, главный их недостаток – сложность точного позиционирования зеркал.
- Тарельчатые. Состоят из приемника гелиоэнергии и отражателя. Отражатель – тарелкообразное зеркало, концентрирующее излучение на приемнике. Такие концентраторы солнечной энергии располагаются на небольшом удалении от приемника, а их количество определяется требуемой мощностью установки.
- Параболические. Трубки с теплоносителем (обычно – маслом) помещают в фокусе длинного параболического зеркала. Разогретое масло отдает тепло воде, та вскипает и вращает генераторы.
- Аэростатные. По сути, это самые эффективные и мобильные гелиостанции на Земле. Их главный элемент – аэростат с фотоэлектрическим слоем, наполненный водяным паром. Он поднимается высоко в атмосферу (обычно выше облаков). Разогретый пар из шара по гибкому паропроводу подается на турбину, на выходе из нее конденсируется и вода насосом поднимается обратно в шар. Попав в шар, вода испаряется и цикл продолжается.
- На фотобатареях. Это уже привычные всем установки на солнечных батареях, которые используются для частных домов. Они обеспечивают получение электроэнергии и подогрев воды в нужных объемах.
Сегодня разного рода гелиостанции (в том числе и комбинированные, объединяющие несколько типов) играют все большую роль в энерговыработке многих стран. А некоторые государства перестраивают свою энергетику таким образом, чтобы через несколько лет вообще практически полностью перейти на альтернативные системы.
Солнце проделало большую работу, чтобы отправить нам свою энергию, поэтому давайте ценить это! Теплый луч света на лице, был на поверхности Солнца восемь минут и девятнадцать секунд назад
1 . В ысушить одежду
Солнце проделало большую работу, чтобы отправить нам свою энергию, поэтому давайте ценить это! Теплый луч света на лице, был на поверхности Солнца восемь минут и девятнадцать секунд назад. Как минимум, используем его, чтобы высушить одежду. Поскольку солнце гигантский ядерный реактор, расскажите своим друзьям: у вас есть атомная сушилка для белья.
2 . В ы р а с т и т ь с в о ю е д у
Уберите солнце, и что сможет расти? С помощью лишь почвы и солнечного света мы можем выращивать помидоры, перец, яблоки, малину, зеленый салат и многое другое. Постройте солнечные теплицы, которые хранят тепло солнца и вы сможете выращивать пищу даже во время холодной зимы.
3 . Н а г р е т ь в о д у
Семьдесят миллионов китайских семей используют солнце для нагрева воды так почему и нет? Вы можете использовать вакуумную трубу или плоскую пластину, чтобы собрать солнечное тепло. При инвестициях в размере около $ 6800, эти механизмы обеспечат 100 процентов горячей воды летом, и 40 процентов в зимний период.
4 . О ч и с т и т ь в о д у
Если ваш местный водопровод небезопасно, вы можете использовать солнце для дезинфекции воды, заполнив пластиковые бутылки и оставив их на солнце в течение не менее шести часов. Солнечные ультрафиолетовые лучи убьют все бактерии и микроорганизмы. Если вы живете на берегу моря, вы можете использовать солнечную энергию для опреснения воды.
5 . С о здать сво е э л е к т р и ч е с т в о
Установите на крыше солнечные батареи.
6. Привести автомобиль в движени е
Представьте автомобиль который питается только от солнца. Nissan Leaf EV 16000 километров в год, например, будет использовать 2000 кВт электроэнергии. Фотоэлектрическая система на вашей крыше будет генерировать 2200 кВт-ч в год, и как только вы выплатили солнечные панели, энергия является бесплатной.
7 . Д л я д и з айна вашег о д о м а
При проектировании пассивного солнечного дома, окна на южной стороне и изоляция на севере создают тепловую массу для хранения солнечного тепла. Эти шаги могут снизить потребности в отоплении на 50 процентов. Максимально естественное освещение солнца уменьшает необходимость в искусственной подсветке.
8. Для отопления дома
9. Готовить пищу
Существуют различные виды солнечных плит: некоторые используют отражающую солнечные окна, другие параболическая диски. Летом вы также можете сделать свою собственную солнечную сушку для фруктов и овощей в вашем саду.
10. Энергия для мира
Каждый день, солнце излучает в тысячу раз больше тепла в пустынях мира, чем мы используем. Солнечная тепловая технология, с помощью параболических или солнечных башен, можно конвертировать эту энергию в пар, а затем электричество. Мы могли бы решить все мировые энергетические потребности, используя только пять процентов Техаса для солнечной тепловой энергии. Так кто нуждается в нефти и нефтяных разливах?
На сегодняшний день проблема расхода энергии стоит достаточно остро - ресурсы планеты не бесконечны и за время своего существования человечество изрядно опустошило то, что было дано природой. На данный момент активно проводится добыча угля и нефти, запасы которых с каждым днем становятся все меньше. позволила человечеству сделать невероятный шаг в будущее и использовать атомную энергию, привнеся вместе с этим благом огромную опасность для всей окружающей среды.
Не менее остро стоит вопрос экологический - активная добыча ресурсов и их дальнейшее использование пагубно сказывается на состоянии планеты, изменяя не только природу почв, но даже климатические условия.
Именно поэтому особенное внимание всегда уделялось естественным источникам энергии, таким, к примеру, как вода или ветер. Наконец, спустя столько лет активных исследований и разработок человечество «доросло» до использования энергии Солнца на Земле. Именно о нем и пойдет далее речь.
Что в этом привлекательного
Прежде чем переходить к конкретным примерам, выясним, чем же так сильно заинтересовал этот вид добычи энергии исследователей всего мира. Основным его достоянием можно назвать неисчерпаемость. Несмотря на многочисленные гипотезы, вероятность того, что звезда вроде Солнца погаснет в ближайшее время, крайне мала. Значит, перед человечеством открыта возможность получать чистую энергию совершенно естественным путем.
Второе несомненное преимущество использования энергии Солнца на Земле заключается в экологичности этого варианта. Воздействие на окружающую среду при таких условиях будет нулевым, что в свою очередь обеспечивает всему миру куда более светлое будущее, нежели то, которое открывается при постоянной добыче ограниченных подземных ресурсов.
Наконец, следует уделить отдельное внимание тому факту, что Солнца представляет наименьшую опасность для самого человека.
Как на самом деле
Теперь перейдем к сути. Под несколько поэтичным названием «солнечная энергия» скрывается на самом деле преобразование радиации в электричество при помощи специально разработанных технологий. Данный процесс обеспечивают фотоэлектрические элементы, которые человечество чрезвычайно активно использует в своих целях, причем достаточно успешно.
Солнечная радиация
Так уж сложилось исторически, что существительное «радиация» вызывает у человека скорее негативные ассоциации, нежели позитивные в связи с теми техногенными катастрофами, которые миру удалось пережить на своем веку. Тем не менее технология использования энергии Солнца на Земле предусматривает работу именно с ней.
По сути, данный вид радиации представляет собой электромагнитное излучение, диапазон которого находится в промежутке от 2,8 до 3,0 мкм.
Столь успешно используемый человечеством солнечный спектр состоит на самом деле из трех видов волн: ультрафиолетовых (примерно 2%), примерно 49% составляют световые волны и, наконец, еще столько же приходится на Солнечная энергия имеет небольшое количество других составляющих, однако роль их столь незначительна, что особого воздействия на жизнь Земли они не имеют.
Количество солнечной энергии, попадающей на Землю
Теперь, когда состав используемого на благо человечества спектра определен, следует отметить еще одну важную особенность данного ресурса. Использование солнечной энергии на Земле кажется весьма перспективным еще и потому, что она доступна в довольно большом количестве при практически минимальных затратах на переработку. Общее количество излучаемой звездой энергии чрезвычайно велико, однако до поверхности Земли доходит примерно 47%, что равно семистам квадриллионам киловатт-часов. Для сравнения отметим, что всего один киловатт-час сможет обеспечить десятилетнюю работу лампочки мощностью в сто ватт.
Мощность излучения Солнца и использование энергии на Земле, конечно, зависит от целого ряда факторов: климатических условий, угла падения лучей на поверхность, времени года и географического положения.
Когда и сколько
Несложно догадаться, что суточное количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, постоянно меняется, поскольку напрямую зависит от положения планеты по отношению к Солнцу и движения самого светила. Давно известен тот факт, что в полдень излучение максимально, в то время как утром и вечером количество достигающих поверхности лучей значительно меньше.
С уверенностью можно говорить о том, что использование энергии Солнца будет наиболее продуктивно в регионах, максимально приближенных к экваториальной полосе, поскольку именно там разница между высшими и низшими показателями минимальна, что говорит о максимальном количестве радиации, достигающей поверхности планеты. К примеру, на территории пустынных африканских участков годовое количество излучения достигает в среднем 2200 киловатт-часов, в то время как на территории Канады или, к примеру, Центральной Европы показатели не превышают 1000 киловатт-часов.
Солнечная энергетика в истории
Если мыслить максимально широко, попытки «приручить» великое светило, согревающее нашу планету, начались еще в глубокой древности во времена язычества, когда каждая стихия была воплощена отдельным божеством. Однако, конечно, тогда об использовании солнечной энергии даже речи быть не могло - в мире царила магия.
Тема использования энергии Солнца на Земле стала активно подниматься только в конце XIV - начале ХХ века. Настоящий прорыв в науке был совершен в 1839 году Александром Эдмоном Беккерелем, которому удалось стать первооткрывателем фотогальванического эффекта. Изучение данной темы значительно усилилось, и уже через 44 года Чарльз Фриттс смог сконструировать первый в истории модуль, в основе которого был позолоченный селен. Такое использование энергии Солнца на Земле давало небольшое количество высвобождаемого электричества - общее количество выработки тогда составило не более 1%. Тем не менее для всего человечества это стало настоящим прорывом, открывшим новые горизонты науки, о которых ранее не приходилось даже мечтать.
Весомый вклад в развитие солнечной энергетики внес в свое время сам Альберт Эйнштейн. В современном мире имя ученого чаще связывают с его знаменитой теорией относительности, однако на самом деле Нобелевской премии он был удостоен именно за изучение
До наших дней технология использования энергии Солнца на Земле переживает то стремительные взлеты, то не менее стремительные падения, однако эта отрасль знаний постоянно пополняется новыми фактами, и можно надеяться, что уже в обозримом будущем перед нами откроется дверь в совершенно новый мир.
Природа против нас
О достоинствах использования энергии Солнца на Земле мы уже говорили. Теперь обратим внимание на недостатки данного метода, которых, к сожалению, не меньше.
Из-за прямой зависимости от географического положения, климатических условий и движения Солнца выработка солнечной энергии в достаточном количестве требует огромных территориальных затрат. Суть заключается в том, что чем больше будет площадь потребления и переработки солнечной радиации, тем большее количество экологически чистой энергии мы получим на выходе. Размещение же таких огромных систем требует большого количества свободной площади, что вызывает определенные затруднения.
Еще одна проблема, касающаяся использования энергии Солнца на Земле, заключается в прямой зависимости от времени суток, поскольку выработка ночью будет нулевой, а в утреннее и вечернее время крайне незначительной.
Дополнительным фактором риска является сама погода - резкие смены условий могут крайне негативно сказаться на работе такого рода системы, поскольку вызывают затруднения в отладке необходимой мощности. В некотором смысле ситуации с резкой сменой количества поглощения и выработки могут быть опасными.
Чисто, но дорого
Использование солнечной энергии на Земле затруднительно на данный момент из-за ее дороговизны. Фотоэлементы, необходимые для осуществления основных процессов, имеют достаточно высокую стоимость. Конечно, положительные стороны использования такого рода ресурса делают его окупаемым, однако с экономической точки зрения на данный момент не приходится говорить о полной окупаемости денежных затрат.
Тем не менее, как показывает тенденция, цена на фотоэлементы постепенно падает, так что со временем данная проблема может быть полностью решена.
Неудобство процесса
Использование Солнца как источника энергии представляет затруднение еще и потому, что данный способ обработки ресурсов довольно трудоемок и неудобен. Потребление и переработка радиации напрямую зависят от чистоты пластин, которую обеспечить довольно проблематично. Кроме того, крайне негативно на процессе сказывается и нагревание элементов, которое можно предотвратить только использованием мощнейших систем охлаждения, что требует дополнительных материальных затрат, причем немалых.
Кроме того, пластины, используемые в гелиоколлекторах, после 30 лет активной работы постепенно приходят в негодность, а о стоимости фотоэлементов говорилось ранее.
Экологический вопрос
Ранее говорилось, что использование такого рода ресурса сможет избавить человечество от достаточно серьезных проблем с окружающей средой в будущем. Источник ресурсов и конечный продукт действительно экологически максимально чисты.
Тем не менее использование энергии Солнца, принцип работы гелиоколлекторов заключается в применении специальных пластин с фотоэлементами, для изготовления которых требуется масса ядовитых веществ: свинца, мышьяка или калия. Само их использование вреда окружающей среде не приносит, однако, учитывая ограниченный срок их эксплуатации, со временем утилизация пластин может стать серьезной проблемой.
Для ограничения негативного воздействия на экологию производители постепенно переходят на тонкопленочные пластины, которые имеют более низкую стоимость и менее пагубно сказываются на окружающей среде.
Способы преобразования радиации в энергию
Фильмы и книги о будущем человечества дают нам почти всегда примерно одинаковую картину данного процесса, которая, по сути, может существенно отличаться от действительности. Существует несколько способов преобразования.
Самым распространенным можно назвать уже описанное ранее задействование фотоэлементов.
В качестве альтернативы человечество активно использует гелиотермальную энергетику, основанную на нагреве специальных поверхностей, который позволяет при должном направлении полученной температуры нагревать воду. Если упростить данный процесс максимально, его можно сравнить с баками, которые используются для летнего душа в домах частного сектора.
Еще одним способом применения излучения для выработки энергии является «солнечный парус», который может действовать только в Такого рода система преобразует радиацию в
Проблема отсутствия выработки в ночное время суток частично решается солнечными аэростатными электростанциями, работа которых продолжается благодаря аккумуляции выделяемой энергии и длительности процесса остывания.
Мы и солнечная энергия
Ресурсы энергии солнца и ветра на Земле используются довольно активно, хотя мы часто и не замечаем этого. Ранее уже упоминалось простонародное нагревание воды в летнем душе. По сути, чаще всего солнечная энергия используется именно для этих целей. Тем не менее есть масса других примеров: почти в каждом магазине осветительной техники можно найти накопительные лампочки, которые могут работать без электрического тока даже ночью благодаря энергии, аккумулированной за день.
Установки на основе фотоэлементов активно используются на всевозможных насосных станциях и вентиляционных системах.
Вчера, сегодня, завтра
Один из важнейших ресурсов для человечества - солнечная энергия, и перспективы ее использования чрезвычайно велики. Данная отрасль активно финансируется, расширяется и совершенствуется. Сейчас солнечная энергетика максимально развита в США, где некоторые регионы используют ее как полноценный альтернативный источник питания. Так же электростанции такого типа работают в Другие же страны давно взяли курс на данный вид получения электроэнергии, что в скором времени, возможно, решит проблему загрязнения окружающей среды.
На чтение 8 мин. Просмотров 756 Опубликовано 27.11.2015
Великое и могучее, вечное и всегда молодое, так во многих древних религиях люди отзывались о Солнце. Говорили о нем как об одушевленном предмете и поклонялись ему, мерили время и возносили хвалу как первоисточнику всех земных благ.
И сегодня, когда ни для кого не является секретом, что именно Солнце является основным природным источником тепла и соответственно жизни во многом приходится соглашаться с пониманием роли небесного светила в жизни человечества.
Ну а чем кроме поклонения и понимания важности Солнца в истории цивилизации сегодня человечество может воспользоваться в повседневной своей жизни? Конечно, Солнце является источником необходимой энергии для фотосинтеза растений, оно заставляет совершаться круговороту воды в природе, только благодаря Солнцу, планета имеет все известные сегодня ископаемые виды топлива. И еще человек может использовать энергию солнца для обеспечения своих потребностей в энергии – тепловой и электрической.
Солнце – основной источник энергии на земле
Природа мудро позаботилась о процессе доставки солнечной энергии к Земле, отсылая с поверхности светила солнечную радиацию до поверхности Земли из всего спектра электромагнитного излучения, доходит три основных вида волн:
- ультрафиолетовые волны , их общее количество в солнечном спектре по разным подсчетам составляет около 2%, при этом оно невидимо для человеческого глаза,
- световые волны составляют примерно половину доходящей до Земли энергии – 49%, благодаря волнам этого диапазона человек имеет возможность видеть все краски мира;
- инфракрасные волны, на которые приходится 49% спектра, при этом именно благодаря этим 49% происходит нагревание поверхности Земли, океанов и суши, и именно эти волны и являются источником наиболее востребованной сегодня человечеством солнечной энергии.
Принцип преобразования энергии солнца в электричество и тепло
Как и любой другой процесс, преобразование солнечного света в тепловую и электрическую энергию происходит по принципу прямого превращения световой энергии в тепловую или электрическую – солнечный свет, попадая, на специальную поверхность запускает процесс превращения световой энергии в электрическую или тепловую.
Процесс получения тепловой и электрической энергии из энергии солнца, несмотря на определенное различие в целом очень схож и во многом может быть представлен в виде схожих друг с другом схем:
- для получения тепловой энергии используется тепловой коллектор для поглощения инфракрасных волн, далее в зависимости от сложности системы используются накопители и теплообменники, нагревающие конечный продукт;
- для получения электрической энергии используется принцип прямого преобразования солнечного света в электричество постоянного тока – фотоэлемент принимает на свою поверхность солнечный свет и преобразует в электричество.
Как используют солнечную энергию в наше время
Во многом, использование бесплатной и возобновляемой, а соответственно наиболее перспективной энергии солнца сегодня от теоретических изысканий уже давно перешло в практическую плоскость. Огромное количество предложений коммерческих фирм делают такую энергию доступной практически для всех, при этом основными направлениями использования такой энергии в повседневной жизни выступают во многом привычные вещи.
Солнечные батареи
Наиболее распространенный источник преобразования солнечного света в электроэнергию.
Несмотря на, относительную дороговизну и небольшую мощность, солнечные батареи вполне могут уже сегодня обеспечить половину потребностей человечества в бесплатном освещении.
Несмотря на относительную новизну этого вида источников электроэнергии и еще пока несовершенство технологии уже сегодня солнечные батареи используются как для освещения садовых дорожек и улиц, и уже используются в качестве источников энергии для освещения домов и городских квартир.
Энергоснабжение дома
Еще пару лет назад система солнечных батарей для освещения дома была чем-то из области фантастики, а сегодня вполне реально установить на балконе или наружной стене комплект солнечных панелей способных обеспечить энергоснабжение отдельной квартиры или загородного дома.
Технология использования солнечной энергии для получения электричества пока не позволяет получить слишком большой КПД – в среднем он составляет около 13%, а вырабатываемый ток равен 12 В, но и такого количества энергии вполне достаточно чтобы бесплатно пользоваться освещением в квартире или доме.
Во многом скепсиса оборудовать дом солнечными батареями добавляет возможность работы панелей в пасмурный день или в сумерках, однако, это уже давно забытый этап – все представленные солнечные панели работают даже в глубоких сумерках, а аккумуляторных батарей вполне хватает для питания током потребителей до следующей зарядки.
Портативные солнечные батареи
Еще один вид источников электрического тока в отсутствие стационарной электрической сети. Переносные панели, легкие и удобные незаменимы для тех, чья жизнь связана с постоянными перемещениями вдали от цивилизации, туристов, путешественников, да и для дачников у кого нет электричества на участке очень нужная вещь для зарядки телефона или питания радиоприемника.
Солнечный коллектор
Еще большее применение нашло использование процесс преобразования солнечной энергии в тепловую энергию. Простейшим ее примером можно назвать летний душ, когда емкость с водой нагревается на солнце. Однако сегодня это уже далеко не самый экономически выгодный вариант использования солнечной энергии для бытовых целей
– простейший солнечный коллектор делает процесс нагрева воды намного более эффективным.
Суть солнечного коллектора заключается в поглощении энергии поглощающим элементом и передачи ее в виде тепловой энергии для нагрева жидкости. Сегодня используются несколько видов солнечных коллекторов:
- плоский коллектор, в котором поглощающий элемент выполнен в виде плоской панели, внутри которой циркулирует теплоноситель;
- трубчатый коллектор – вид солнечной установки, в которой нагрев рабочей жидкости происходит в соединенных между собой трубах, имеющих хорошую теплопроводность.
Горячее водоснабжение
Установки горячего водоснабжения
– сегодня наиболее используемый вид солнечных установок с солнечным коллектором. Нагреваемая солнцем рабочая жидкость по трубопроводу поступает в бак-концентратор, где по теплообменнику происходит нагрев воды.
Схема устройства похожа на обычный электрический бойлер, только вместо электрического нагревательного элемента внутри бака находится трубчатый теплообменник с рабочей жидкостью. Относительно небольшая установка с солнечным коллектором способна обеспечить бесплатный нагрев воды для покрытия бытовых нужд суточного потребления горячей воды семьи из 4 человек в весенне-осенний период.
В отличие от горячего водоснабжения установка для автономного тепл оснабжения с использованием солнечного света сегодня выглядит во многом еще большой экзотикой, но в целом не является фантастикой. В ней заложен принцип аккумулирования тепловой энергии и постепенного ее использования для отопления помещений дома. В таких установках используется комбинированный подход:
- здание усовершенствуется – делается более эффективная теплоизоляция, сокращаются потери тепла, производится замена стеклопакетов;
- в подвальном помещении размещается аккумулятор тепла, способный накапливать большое количество тепловой энергии;
- монтируются солнечные коллекторы с заполнение специальным теплоносителем, способным нагреваться при минимальных положительных температурах воздуха;
Такая система отопления способна обеспечить отопление загородного дома в осенне-зимний период на протяжении 60-70 дней, а при условии теплой зимы, с большим количеством солнечных дней и обойтись без других источников энергии на протяжении всего отопительного сезона.
Солнечные концентраторы
Довольно экзотичный, хотя и древний вид аппаратов для использования энергии светила. Использование концентрированных в одной точке солнечных лучей отсчитывается со времени Древней Греции, когда Архимед, с помощью зеркал сжег флот неприятеля.
Сегодня в основном солнечные концентраторы используются в качестве походных экологически чистых кухонь для приготовления нехитрых блюд и в солнечной энергетике, когда на больших площадях параболические зеркала концентрируют солнечный свет на трубопроводах с теплоносителем.
Транспорт на солнечной энергии
Сегодня никого не удивить тому, что чудаки используют солнечную энергию в разных целях, но, тем не менее, регулярные чемпионаты Австралии по гонкам через весь континент на солнечных автомобилях до сих пор освещаются прессой в колонках курьезов. А вместе с тем за последние 10 лет, скорость таких солнцемобилей возросла с 6 до 80 километров в час. К тому же готовится второе кругосветное путешествие самолета на солнечной энергии.
И хотя до промышленных образцов еще далеко, но если самолет, использующий энергию солнца, облетел Земной шар, то в скором будущем это станет обычным делом.
Где лучше всего используют солнечную энергию
Как ни странно, но в рейтинге стран, наиболее рационально использующих солнечную энергию практически нет государств, которые географически, получают наибольшее количество солнечного света. Во многом это объяснимо тем, что бесплатную энергию больше всего любят там, где умеют считать деньги.
К тому же именно в топ-10 наиболее использующих солнечную энергию стран находятся страны с высоким развитием технологий, а следовательно, сделавших технологию использования энергии солнца наиболее доступной.
Среди лидеров сегодня страны стремящиеся обеспечить энергетическую независимость не только государства, но и отдельного гражданина – Германия, Италия, Япония. В этих странах большинство солнечных установок используются в качестве солнечных панелей для наружного освещения и горячего водоснабжения.
На промышленную основу использование энергии солнца поставлено в США, где расположены наибольшее количество солнечных электростанций. А вот использование Солнца в экологических целях лучше всего поставлено в Израиле – здесь не только опресняют воду, но и очищают канализационные стоки с помощью солнечных установок.
Перспективы развития солнечной энергетики
Войны и нефтяные кризисы сами собой подталкивают людей к поиску дешевых и вечных источников энергии. Сколь бы не была дешева добыча полезных ископаемых, но их запасы не безграничны, к тому же технологии добычи во многом становятся опасными для самой среды обитания человечества. И именно поэтому солнечная энергетика все больше занимает позиций в энергетическом секторе развитых стран, постепенно вытесняя атомную и тепловую.
Сегодня уже принято рядом государств программы развития солнечной энергетики, в которых, например, в Германии предусматривается до 2050 года нарастить использование солнечной энергии в общем балансе страны до 50%. А Израиль уже сегодня использует около 15 % электроэнергии, произведенной солнечными панелями.