Сонце - одне з найбільш безпечних та невичерпних джерел енергії. Грамотне використання її – питання екологічної безпеки та економічної ефективності діяльності будь-якої галузі чи країни. Таке джерело енергії, як сонце, має низку значних переваг перед іншими, популярними. Воно не згасне і може подарувати людині величезну кількість кіловат годин, воно екологічне та економічне. Сонце доступне для будь-якого куточка Землі і здатне зберегти природні ресурси, що виснажуються з кожним вирубаним деревом та видобутим кілограмом вугілля.
Сонячна енергія відновна, тобто може існувати без втручання людини в природу, на відміну від атомної енергії, сонце не зможе завдати шкоди навколишньому середовищу та зберігає чистоту лісів та річок у первозданному вигляді.
Приклади використання
Візьміть до рук звичайний на сонячних батареях - це найпростіший приклад використання сонячної енергії та перетворення її на електричну, темні поверхні здатні ефективно поглинати промені та використовувати енергію світила, перетворюючи її на теплову. Спеціальні технології, які є передовими досягненнями в науці та техніці, давно використовуються для збирання та зберігання сонячної енергії, яка зуміла успішно замінити бензин в автомобілях, опалювати та освітлювати будинки.
Використання географічних особливостейрозташування тих чи інших будівель разом з сучасними матеріаламидозволяє людству повністю перейти на енергію сонячного світла, при цьому все сучасні засобизв'язку: телебачення, інтернет та інші зручності продовжуватимуть функціонувати у звичайному режимі. Такі будівлі відрізняються екологічною чистотою та високою економічністю.
Спеціальні елементи, що перетворюють сонячну енергію, успішно використовуються в космічні технології, Сучасні супутники та космічні станції обладнуються спеціальними батареями, що живляться від променів загального світила. Сонячна енергія дуже зручна у використанні і доступна навіть у диких і найбільш віддалених куточках земної кулі, де проведення комунікацій та ліній електропередач дуже важко або неможливе.
Використання електричної енергіїу чистому вигляді не завжди зручно, саме тому багато систем використовують змішані джерела електрики, поєднуючи Сонце та традиційні види енергії.
На сьогоднішній день проблема витрати енергії стоїть досить гостро – ресурси планети не нескінченні і за час свого існування людство неабияк спустошило те, що було дано природою. На даний момент активно проводиться видобуток вугілля та нафти, запаси яких з кожним днем стають дедалі меншими. дозволила людству зробити неймовірний крок у майбутнє і використовувати атомну енергію, привнісши разом із цим благом величезну небезпеку для довкілля.
Не менш гостро стоїть питання екологічне - активний видобуток ресурсів та їх подальше використання згубно позначається на стані планети, змінюючи не лише природу ґрунтів, а й навіть кліматичні умови.
Саме тому особлива увага завжди приділялася природним джерелам енергії, таким, як вода або вітер. Зрештою, через стільки років активних досліджень та розробок людство «доросло» до використання енергії Сонця на Землі. Саме про нього й йтиметься далі мова.
Що в цьому привабливого
Перш ніж переходити до конкретним прикладам, з'ясуємо, чим так сильно зацікавив цей вид видобутку енергії дослідників всього світу. Основним його надбанням можна назвати невичерпність. Незважаючи на численні гіпотези, ймовірність того, що зірка на кшталт Сонця згасне найближчим часом, дуже мала. Отже, перед людством відкрито можливість отримувати чисту енергію цілком природним шляхом.
Друга безперечна перевага використання енергії Сонця на Землі полягає в екологічності цього варіанту. Вплив на навколишнє середовище за таких умов буде нульовим, що, у свою чергу, забезпечує всьому світові набагато світліше майбутнє, ніж те, що відкривається при постійному видобутку обмежених підземних ресурсів.
Нарешті, слід приділити окрему увагу тому факту, що Сонця становить найменшу небезпеку самої людини.
Як насправді
Тепер перейдемо до суті. Під дещо поетичною назвою « сонячна енергія» ховається насправді перетворення радіації на електрику за допомогою спеціально розроблених технологій. Цей процес забезпечують фотоелектричні елементи, які людство надзвичайно активно використовує у своїх цілях, причому досить успішно.
Сонячна радіація
Так уже склалося історично, що іменник «радіація» викликає в людини швидше негативні асоціації, ніж позитивні у зв'язку з тими техногенними катастрофами, які світові вдалося пережити за своє життя. Тим не менш, технологія використання енергії Сонця на Землі передбачає роботу саме з нею.
По суті, даний вид радіації є електромагнітним випромінюванням, діапазон якого знаходиться в проміжку від 2,8 до 3,0 мкм.
Такий сонячний спектр, що успішно використовується людством, складається насправді з трьох видів хвиль: ультрафіолетових (приблизно 2%), приблизно 49% складають світлові хвилі і, нарешті, ще стільки ж припадає на Сонячна енергія має невелику кількість інших складових, проте роль їх така незначна , Що особливого впливу життя Землі вони мають.
Кількість сонячної енергії, яка потрапляє на Землю
Тепер, коли склад спектра, що використовується на благо людства визначений, слід відзначити ще одну важливу особливість даного ресурсу. Використання сонячної енергії Землі здається дуже перспективним ще й тому, що вона доступна в досить великій кількості при практично мінімальних витратах на переробку. Загальна кількість випромінюваної зіркою енергії надзвичайно велика, проте до поверхні Землі сягає приблизно 47%, що дорівнює семистам квадрильйонам кіловат-годин. Для порівняння зазначимо, що всього одна кіловат-година зможе забезпечити десятирічну роботу лампочки потужністю в сто ват.
Потужність випромінювання Сонця та використання енергії на Землі, звичайно, залежить від цілого ряду факторів: кліматичних умов, кута падіння променів на поверхню, пори року та географічне розташування.
Коли та скільки
Нескладно здогадатися, що добова кількість сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі, постійно змінюється, оскільки безпосередньо залежить від положення планети по відношенню до Сонця та руху самого світила. Давно відомий той факт, що опівдні випромінювання максимально, в той час як вранці і ввечері кількість променів, що досягають, значно менша.
З упевненістю можна говорити про те, що використання енергії Сонця буде найбільш продуктивним у регіонах, максимально наближених до екваторіальної смуги, оскільки саме там різниця між вищими та нижчими показниками мінімальна, що говорить про максимальну кількість радіації, що досягає поверхні планети. Наприклад, на території пустельних африканських ділянок річна кількість випромінювання досягає в середньому 2200 кіловат-годин, тоді як на території Канади або, наприклад, Центральної Європи показники не перевищують 1000 кіловат-годин.
Сонячна енергетика в історії
Якщо мислити максимально широко, спроби «приручити» велике світило, що зігріває нашу планету, почалися ще в давнину за часів язичництва, коли кожна стихія була втілена окремим божеством. Однак, звичайно, тоді про використання сонячної енергії навіть не могло бути мови - у світі панувала магія.
Тема використання енергії Сонця Землі стала активно підніматися лише наприкінці XIV - початку ХХ століття. Справжній прорив у науці був здійснений в 1839 Олександром Едмоном Беккерелем, якому вдалося стати першовідкривачем фотогальванічного ефекту. Вивчення цієї теми значно посилилося, і вже через 44 роки Чарльз Фріттс зміг сконструювати перший в історії модуль, в основі якого був позолочений селен. Таке використання енергії Сонця на Землі давало невелику кількість електрики, що вивільняється - загальна кількість вироблення тоді склала не більше 1%. Проте для всього людства це стало справжнім проривом, який відкрив нові обрії науки, про які раніше не доводилося навіть мріяти.
Вагомий внесок у розвиток сонячної енергетики зробив свого часу сам Альберт Ейнштейн. У сучасному світіім'я вченого найчастіше пов'язують із його знаменитою теорією відносності, проте насправді Нобелівської премії він був удостоєний саме за вивчення
До наших днів технологія використання енергії Сонця на Землі переживає то стрімкі злети, то не менш стрімкі падіння, проте ця галузь знань постійно поповнюється новими фактами, і можна сподіватися, що вже в найближчому майбутньому перед нами відчиняться двері в абсолютно новий світ.
Природа проти нас
Про переваги використання енергії Сонця на Землі ми вже говорили. Тепер звернемо увагу на недоліки даного методу, яких, на жаль, не менше.
Через пряму залежність від географічного положення, кліматичних умов та руху Сонця вироблення сонячної енергії у достатній кількості потребує величезних територіальних витрат. Суть полягає в тому, що чим більше буде площа споживання та переробки сонячної радіації, тим більше екологічно чистої енергії ми отримаємо на виході. Розміщення таких величезних систем вимагає великої кількості вільної площі, що викликає певні труднощі.
Ще одна проблема, що стосується використання енергії Сонця на Землі, полягає у прямій залежності від часу доби, оскільки вироблення вночі буде нульовим, а в ранковий і вечірній час вкрай незначним.
Додатковим фактором ризику є сама погода - різкі зміни умов можуть вкрай негативно позначитися на роботі такого роду системи, оскільки викликають труднощі у налагодженні необхідної потужності. У певному сенсі ситуації з різкою зміною кількості поглинання та виробітку можуть бути небезпечними.
Чисто, але дорого
Використання сонячної енергії на Землі важко на даний момент через її дорожнечу. Фотоелементи, необхідні здійснення основних процесів, мають досить високу вартість. Звичайно, позитивні сторони використання такого роду ресурсу роблять його окупним, проте з економічної точки зору на даний момент не доводиться говорити про повну окупність грошових витрат.
Проте, як показує тенденція, ціна на фотоелементи поступово падає, тому згодом цю проблему можна повністю вирішити.
Незручність процесу
Використання Сонця як джерела енергії становить складне становище ще й тому, що даний спосіб обробки ресурсів досить трудомісткий і незручний. Споживання та переробка радіації безпосередньо залежить від чистоти пластин, яку забезпечити досить проблематично. Крім того, вкрай негативно на процесі позначається і нагрівання елементів, яке можна запобігти лише використанням найпотужніших систем охолодження, що потребує додаткових матеріальних витрат, причому чималих.
Крім того, пластини, що використовуються в геліоколекторах, після 30 років активної роботи поступово стають непридатними, а про вартість фотоелементів говорилося раніше.
Екологічне питання
Раніше говорилося, що використання такого роду ресурсу зможе позбавити людство від досить серйозних проблем із довкіллям у майбутньому. Джерело ресурсів та кінцевий продукт справді екологічно максимально чисті.
Проте використання енергії Сонця, принцип роботи геліоколекторів полягає у застосуванні спеціальних пластин з фотоелементами, для виготовлення яких потрібна маса отруйних речовин: свинцю, миш'яку або калію. Саме їх використання шкоди навколишньому середовищу не приносить, проте, враховуючи обмежений термін їх експлуатації, згодом утилізація пластин може стати серйозною проблемою.
Для обмеження негативного впливуна екологію виробники поступово переходять на тонкоплівкові пластини, які мають нижчу вартість і менш згубно позначаються на навколишньому середовищі.
Способи перетворення радіації на енергію
Фільми та книги про майбутнє людства дають нам майже завжди приблизно однакову картину даного процесу, яка, по суті, може суттєво відрізнятись від дійсності. Існує кілька способів перетворення.
Найпоширенішим можна назвати вже описане раніше використання фотоелементів.
Як альтернатива людство активно використовує геліотермальну енергетику, засновану на нагріванні спеціальних поверхонь, який дозволяє при належному напрямку отриманої температури нагрівати воду. Якщо спростити цей процес максимально, можна порівняти з баками, які використовуються для літнього душу в будинках приватного сектора.
Ще одним способом застосування випромінювання для вироблення енергії є «сонячний вітрило», який може діяти тільки в такого роду система перетворює радіацію в
Проблема відсутності вироблення в нічний час доби частково вирішується сонячними аеростатними електростанціями, робота яких продовжується завдяки акумуляції енергії, що виділяється, і тривалості процесу охолодження.
Ми і сонячна енергія
Ресурси енергії сонця та вітру на Землі використовуються досить активно, хоча ми часто й не помічаємо цього. Раніше згадувалося простонародне нагрівання води в літньому душі. По суті найчастіше сонячна енергія використовується саме для цих цілей. Тим не менш, є безліч інших прикладів: майже в кожному магазині освітлювальної техніки можна знайти накопичувальні лампочки, які можуть працювати без електричного струму навіть вночі завдяки енергії, акумульованій за день.
Установки на основі фотоелементів активно використовуються на всіляких насосних станціяхта вентиляційних системах.
Вчора сьогодні завтра
Один з найважливіших ресурсівдля людства - сонячна енергія, і її використання надзвичайно великі. Ця галузь активно фінансується, розширюється та вдосконалюється. Наразі сонячна енергетика максимально розвинена в США, де деякі регіони використовують її як повноцінне альтернативне джерело харчування. Так само електростанції такого типу працюють в Інші країни давно взяли курс на даний вид отримання електроенергії, що незабаром, можливо, вирішить проблему забруднення навколишнього середовища.
На читання 8 хв. Переглядів 756 Опубліковано 27.11.2015
Велике і могутнє, вічне і завжди молоде, так у багатьох стародавніх релігіях люди відгукувалися про Сонце. Говорили про нього як про одухотворений предмет і поклонялися йому, міряли час і звеличували хвалу як першоджерелу всіх земних благ.
І сьогодні, коли ні для кого не є секретом, що саме Сонце є основним природним джерелом тепла і відповідно до життя багато в чому доводиться погоджуватися з розумінням ролі небесного світила у житті людства.
Ну а чим окрім поклоніння та розуміння важливості Сонця в історії цивілізації сьогодні людство може скористатися у повсякденному своєму житті? Звичайно, Сонце є джерелом необхідної енергії для фотосинтезу рослин, воно змушує відбуватися кругообігу води в природі, тільки завдяки Сонцю планета має всі відомі сьогодні викопні види палива. І ще людина може використовувати енергію сонця для забезпечення своїх потреб в енергії – тепловій та електричній.
Сонце - основне джерело енергії на землі
Природа мудро подбала про процес доставки сонячної енергії до Землі, надсилаючи з поверхні світила сонячну радіацію до поверхні Землі з усього спектра електромагнітного випромінювання, доходить три основні види хвиль:
- ультрафіолетові хвилі, їх загальна кількість у сонячному спектрі за різними підрахунками становить близько 2%, при цьому вона невидима для людського ока,
- світлові хвилістановлять приблизно половину енергії, що доходить до Землі – 49%, завдяки хвилях цього діапазону людина має можливість бачити всі фарби світу;
- інфрачервоні хвилі,на які припадає 49% спектру, при цьому саме завдяки цим 49% відбувається нагрівання поверхні Землі, океанів і суші, і саме ці хвилі є джерелом найбільш затребуваної сьогодні людством сонячної енергії.
Принцип перетворення енергії сонця на електрику та тепло
Як і будь-який інший процес, перетворення сонячного світла на теплову та електричну енергію відбувається за принципом прямого перетворення світлової енергії на теплову або електричну – сонячне світло, потрапляючи, на спеціальну поверхню запускає процес перетворення світлової енергії на електричну або теплову.
Процес отримання теплової та електричної енергії з енергії сонця, незважаючи на певну різницю в цілому дуже схожий і багато в чому може бути представлений у вигляді схожих один з одним схем:
- для отримання теплової енергії використовується тепловий колектор для поглинання інфрачервоних хвиль, далі залежно від складності системи використовуються накопичувачі та теплообмінники, що нагрівають кінцевий продукт;
- для отримання електричної енергії використовується принцип прямого перетворення сонячного світла на електрику постійного струму– фотоелемент приймає на свою поверхню сонячне світло та перетворює на електрику.
Як використовують сонячну енергію у наш час
Багато в чому використання безкоштовної та відновлюваної, а відповідно найперспективнішої енергії сонця сьогодні від теоретичних пошуків вже давно перейшло в практичну площину. Величезна кількість пропозицій комерційних фірм роблять таку енергію доступною практично для всіх, при цьому основними напрямками використання такої енергії повсякденному життівиступають багато в чому звичні речі.
Сонячні батареї
Найбільш поширене джерело перетворення сонячного світла на електроенергію.Незважаючи на відносну дорожнечу і невелику потужність, сонячні батареї цілком можуть вже сьогодні забезпечити половину потреб людства в безкоштовному освітленні.
Незважаючи на відносну новизну цього виду джерел електроенергії та ще поки недосконалість технології вже сьогодні сонячні батареї використовуються як для освітлення садових доріжок та вулиць, і вже використовуються як джерела енергії для освітлення будинків та міських квартир.
Енергопостачання будинку
Ще кілька років тому система сонячних батарей для освітлення будинку була чимось із області фантастики, а сьогодні цілком реально встановити на балконі або зовнішній стіні комплект сонячних панелей, здатних забезпечити енергопостачання окремої квартири або заміського будинку.
Технологія використання сонячної енергії для отримання електрики поки не дозволяє отримати надто великий ККД – в середньому він становить близько 13%, а струм, що виробляється, дорівнює 12 В, але і такої кількості енергії цілком достатньо щоб безкоштовно користуватися освітленням в квартирі або будинку.
Багато в чому скепсису обладнати будинок сонячними батареями додає можливість роботи панелей у похмурий день або в сутінках, проте, це вже давно забутий етап – всі представлені сонячні панелі працюють навіть у глибоких сутінках, а акумуляторних батарей цілком вистачає для живлення струмом споживачів до наступної зарядки.
Портативні сонячні батареї
Ще один вид джерел електричного струму без стаціонарної електричної мережі. Переносні панелі, легкі та зручні незамінні для тих, чиє життя пов'язане з постійними переміщеннями далеко від цивілізації, туристів, мандрівників, та й для дачників у когось немає електрики на ділянці дуже потрібна річ для зарядки телефону або живлення радіоприймача.
сонячний колектор
Ще більше застосування знайшло використання процес перетворення сонячної енергії в теплову енергію. Найпростішим її прикладом можна назвати літній душ, коли ємність із водою нагрівається на сонці. Однак сьогодні це вже далеко не найекономічніший варіант використання сонячної енергії для побутових цілей. Найпростіший сонячний колектор робить процес нагрівання води набагато ефективнішим.
Суть сонячного колектора полягає у поглинанні енергії поглинаючим елементом та передачі її у вигляді теплової енергії для нагрівання рідини. Сьогодні використовуються кілька видів сонячних колекторів:
- плоский колектор,у якому поглинаючий елемент виконаний у вигляді плоскої панелі, усередині якої циркулює теплоносій;
- трубчастий колектор– вид сонячної установки, у якій нагрівання робочої рідини відбувається у з'єднаних між собою трубах, що мають хорошу теплопровідність.
Гаряче водопостачання
Установки гарячого водопостачання– сьогодні найбільш використовується вид сонячних установок із сонячним колектором. Робоча рідина, що нагрівається сонцем, по трубопроводу надходить у бак-концентратор, де по теплообміннику відбувається нагрівання води.
Схема пристрою схожа на звичайний електричний бойлер тільки замість електричного нагрівального елемента всередині бака знаходиться трубчастий теплообмінник з робочою рідиною. Відносно невелика установка із сонячним колектором здатна забезпечити безкоштовне нагрівання води для покриття побутових потреб добового споживання. гарячої водисім'ї з 4 осіб у весняно-осінній період.
На відміну від гарячого водопостачання установка для автономного теплаОпостачання з використанням сонячного світла сьогодні виглядає багато в чому ще великою екзотикою, але загалом не є фантастикою. У ній закладено принцип акумулювання теплової енергії та поступового її використання для опалення приміщень будинку. У таких установках використовується комбінований підхід:
- будинок удосконалюється- робиться ефективніша теплоізоляція, скорочуються втрати тепла, проводиться заміна склопакетів;
- у підвальному приміщенні розміщується акумулятор тепла,здатний накопичувати велику кількість теплової енергії;
- монтуються сонячні колектори із заповненням спеціальним теплоносієм,здатним нагріватися за мінімальних позитивних температур повітря;
Така система опалення здатна забезпечити опалення заміського будинку в осінньо-зимовий період протягом 60-70 днів, а за умови теплої зими, з великою кількістю сонячних днів та обійтися без інших джерел енергії протягом усього опалювального сезону.
Сонячні концентратори
Досить екзотичний, хоч і древній вид апаратів для використання енергії світила. Використання концентрованих в одній точці сонячних променів відраховується з часу Стародавню ГреціюКоли Архімед за допомогою дзеркал спалив флот ворога.
Сьогодні в основному сонячні концентратори використовуються як похідні екологічно чисті кухні для приготування нехитрих страв і в сонячній енергетиці, коли на великих площахпараболічні дзеркала концентрують сонячне світло на трубопроводах із теплоносієм.
Транспорт на сонячній енергії
Сьогодні нікого не здивувати тому, що диваки використовують сонячну енергію в різних цілях, проте регулярні чемпіонати Австралії з гонок через весь континент на сонячних автомобілях досі висвітлюються пресою в колонках курйозів. А водночас за останні 10 років швидкість таких сонцемобілів зросла з 6 до 80 кілометрів на годину. До того ж готується друга навколосвітня подорож літака сонячною енергією.
І хоча до промислових зразків ще далеко, але якщо літак, що використовує енергію сонця, облетів Земну кулю, то незабаром це стане звичною справою.
Де найкраще використовують сонячну енергію
Як не дивно, але в рейтингу країн, які найбільш раціонально використовують сонячну енергію, практично немає держав, які географічно, отримують найбільшу кількість сонячного світла. Багато в чому це можна пояснити тим, що безкоштовну енергію найбільше люблять там, де вміють рахувати гроші.
До того ж саме в топ-10 країн, що найбільш використовують сонячну енергію, знаходяться країни з високим розвитком технологій, а отже, що зробили технологію використання енергії сонця найбільш доступною.
Серед лідерів сьогодні країни, які прагнуть забезпечити енергетичну незалежність не тільки держави, а й окремого громадянина. Німеччина, Італія, Японія.У цих країнах більшість сонячних установок використовуються як сонячні панелі для зовнішнього освітлення та гарячого водопостачання.
На промислову основу використання енергії сонця поставлено США, де розташовані найбільше сонячних електростанцій. А ось використання Сонця з екологічною метою найкраще поставлено в Ізраїлі – тут не тільки опріснюють воду, а й очищають. каналізаційні стокиза допомогою сонячних установок.
Перспективи розвитку сонячної енергетики
Війни та нафтові кризи самі собою підштовхують людей до пошуку дешевих та вічних джерел енергії. Як би не був дешевий видобуток корисних копалин, але їх запаси не безмежні, до того ж технології видобутку багато в чому стають небезпечними для довкілля людства. І саме тому сонячна енергетика дедалі більше займає позицій в енергетичному секторі розвинених країн, поступово витісняючи атомну та теплову.
Сьогодні вже ухвалено низку держав програми розвитку сонячної енергетики, в яких, наприклад, у Німеччині передбачається до 2050 року наростити використання сонячної енергії в загальному балансі країни до 50%. А Ізраїль вже сьогодні використовує близько 15% електроенергії, виготовленої сонячними панелями.
Сонце - це гігантське джерело випромінювання, що світиться, посилає безперервно величезну кількість енергії в напрямку Землі. Життя на Землі було б неможливим без сонячного тепла і світла. Завдяки сонячній енергії відбувається кругообіг повітря та води, йдуть процеси фотосинтезу в рослинах, виділяється кисень.
Як використовувати енергію Сонця?
Для отримання енергії людство здебільшого спустошує запаси вугілля, нафти та газу, яких з кожним днем стає дедалі менше. Використання атомної енергії пов'язане з величезними ризиками та несе величезну небезпеку для довкілля. Тому над збільшенням використання енергії сонця Землі працюють вчені всіх країн світу.
Рис. 1. Сонце - світиться.
Сонячне випромінювання досягає Землю лише за 480 сек.
Скільки енергії від Сонця можна отримати
Сонце посилає у бік Землі 20 мільйонів ексаджоулів (ЕДж) на рік. 1 ЭДж=10 18 Дж. Землі надходить приблизно 25%. З цієї енергії 70% поглинається атмосферою, відбивається і губиться. Безпосередньо на поверхню Землі сягає 1,54 мільйона ексаджоулів на рік. Ця величина перевищує у 5 разів весь запас енергії вуглеводневого палива (вугілля, нафту, газ), накопичений на Землі за мільйони років. Більша частинаенергії на поверхні нашої планети перетворюється на тепло. Тепло гріє землю, воду та повітря. На це витрачається мала частина енергії, що надійшла. Наприклад, рослини споживають всього 0,5% від сонячної енергії, що надійшла. Таким чином, резерви енергії, які людство може використовувати замість спалювання вуглеводнів, воістину безмежні.
Приклади використання енергії Сонця Землі
Найпростішим прикладом використання сонячної енергії є літній душ на дачі, в якому вода нагрівається завдяки Сонцю. Сонячна енергія сьогодні використовується у таких сферах життєдіяльності, як:
- Енергопостачання приватних будинків, пансіонатів, санаторіїв;
- Енергопостачання населених пунктів, що знаходяться далеко від міської інфраструктури;
- Сільське господарство;
- Космонавтика;
- Екотуризм;
- Вуличне освітлення, декоративне підсвічування на дачних ділянках;
- Житлово-комунальне господарство;
- Зарядні пристрої (заряджання калькуляторів, годинників, мобільних гаджетів).
Ще недавно ці технології застосовувалися лише у військовій сфері та космонавтиці. За допомогою фотоелементів на сонячних батареях забезпечувалися енергією супутники та спеціальні наземні об'єкти.
Рис. 2. Космічний апарат із сонячними батареями.
Зараз сонячна енергетика почала використовуватись у побуті та промисловому виробництві. Сьогодні часто можна зустріти геліосистеми у південних регіонах. Найчастіше вони використовуються у приватному секторі, а також у дрібному туристичному бізнесі (санаторії, будинки відпочинку тощо).
Як сьогодні використовується сонячна енергія
Енергію сонячного випромінювання перетворюють Землі в теплову і електричну енергії з допомогою пасивних і активних систем. До пасивних систем належать будинки, при будівництві яких застосовують будматеріали, які ефективно поглинають енергію сонячної радіації. У свою чергу, до активних систем належать теплові колектори, що перетворюють сонячну радіацію на енергію, а також фотоелементи, що конвертують її в електрику.
Сонячні батареї
Напівпровідникові елементи (кремнієві пластини, Si) генерують електричний струмпри попаданні на них сонячного світла, завдяки фотоефекту, який відкрив Альберт Енштейн. Набір із великої кількості пластин фотоелементів утворює сонячну батарею. Такі фотоелектричні перетворювачі легко використовувати, оскільки вони мають невелику вагу, прості в обслуговуванні, а також є досить ефективними як перетворювачі сонячної потужності. Роботи над підвищенням коефіцієнта корисної дії(ККД) сонячних батарей ведуться безперервно. Якщо в середині минулого століття їх ККД становив 1%, то зараз він досягає 15%.
Рис. 3. Сонячні батареї на дахах будинків або землі.
До 2020 року Китай планує розмістити у космосі сонячну електростанцію.
Що ми дізналися?
Отже, ми дізналися, як за допомогою пасивних та активних систем енергія сонячного випромінювання перетворюється на теплову та електричну енергію. Сонячні батареї на базі напівпровідникових елементів дозволяють створювати екологічно чисті електростанції, особливо в регіонах з великою кількістю сонячних днів. За підсумками цієї інформації можна підготувати доповідь “Використання енергії Сонця Землі”. Для презентації доповіді у класі можна продемонструвати роботу фотоелемента, наприклад за допомогою фотоекспонометра.
Тест на тему
Оцінка доповіді
Середня оцінка: 4.4. Усього отримано оцінок: 140.
Сонце відіграє виняткову роль життя Землі. Весь органічний світ нашої планети завдячує Сонцю своїм існуванням. Сонце – це джерело світла і тепла, а й початкове джерело багатьох інших видів енергії (енергії нафти, вугілля, води, вітру).
З моменту появи на землі людина почала використовувати енергію сонця. За археологічними даними відомо, що для житла перевагу віддавали тихим, закритим від холодних вітрів та відкритим сонячним променям місцям.
Мабуть, першою відомою геліосистемою можна вважати статую Аменхотепа III, що відноситься до XV століття до н. Усередині статуї розташовувалась система повітряних і водяних камер, які під сонячним промінням надавали руху схований музичний інструмент. У Стародавню Грецію поклонялися Геліосу. Ім'я цього бога сьогодні лягло в основу багатьох термінів, пов'язаних із сонячною енергетикою.
Проблема забезпечення електричною енергією багатьох галузей світового господарства, постійно зростаючих потреб населення Землі стає все більш насущною.
Загальні відомості про Сонце
Сонце – центральне тіло Сонячна система, розпечена плазмова куля, типова зірка-карлик спектрального класу G2
Характеристики Сонця
- Маса MS~2*1023 кг
- RS~629 тис. км
- V= 1,41*1027 м3, що майже 1300 тис. разів перевищує обсяг Землі,
- середня щільність 1,41*103 кг/м3,
- світність LS=3,86*1023 кВт,
- ефективна температура поверхні (фотосфера) 5780 К,
- період обертання (синодичний) змінюється від 27 діб на екваторі до 32 діб. біля полюсів,
- прискорення вільного падіння 274 м/с2 (при такому величезному прискоренні сили тяжіння людина масою 60 кг важила б понад 1,5 т).
У центральній частині Сонця знаходиться джерело його енергії, або, говорячи образною мовою, та "піч", яка нагріває його і не дає йому охолонути. Ця область називається ядром (див. рис.1). У ядрі, де температура сягає 15 МК, відбувається виділення енергії. Ядро має радіус трохи більше чверті загального радіусу Сонця. Однак у його обсязі зосереджена половина сонячної маси та виділяється практично вся енергія, яка підтримує свічення Сонця.
Відразу навколо ядра починається зона променистої передачі енергії, де поширюється через поглинання і випромінювання речовиною порцій світла – квантів. Кванту потрібно дуже багато часу, щоб проникнути через щільну сонячну речовину назовні. Так що якби грубка всередині Сонця раптом згасла, то ми дізналися б про це тільки через мільйони років.
На своєму шляху через внутрішні сонячні прошарки потік енергії зустрічає таку область, де непрозорість газу сильно зростає. Це конвективна зона Сонця. Тут енергія передається не випромінюванням, а конвекцією. Конвективна зона починається приблизно на відстані 0,7 радіусу від центру і простягається практично до видимої поверхні Сонця (фотосфери), де перенесення основного потоку енергії знову стає променистим.
Фотосфера – це випромінююча поверхня Сонця, яка має зернисту структуру, яка називається грануляцією. Кожне таке зерно розміром майже з Німеччину і являє собою потік гарячої речовини, що піднявся на поверхню. На фотосфері часто можна побачити відносно невеликі темні області – сонячні плями. Вони на 1500?С холодніше навколишньої фотосфери, температура якої досягає 5800?С. Через різницю температур з фотосферою ці плями і здаються при спостереженні в телескоп чорними. Над фотосферою розташований наступний, більш розряджений шар, який називається хромосферою, тобто пофарбованою сферою. Таку назву хромосфера набула завдяки своєму червоному кольору. І, зрештою, над нею знаходиться дуже гаряча, але й надзвичайно розріджена частина сонячної атмосфери – корона.
Сонце – джерело енергії
Наше Сонце – це величезна газова куля, що світиться, всередині якої протікають складні процеси і в результаті безперервно виділяється енергія. Енергія Сонця є джерелом життя на планеті. Сонце нагріває атмосферу та поверхню Землі. Завдяки сонячній енергії дмуть вітри, здійснюється кругообіг води в природі, нагріваються моря та океани, розвиваються рослини, тварини мають корм. Саме завдяки сонячному випромінюванню Землі існують викопні види палива. Сонячна енергія може бути перетворена на теплоту або холод, рушійну силу та електрику.
Сонце випаровує воду з океанів, морів, з земної поверхні. Воно перетворює цю вологу на водяні краплі, утворюючи хмари та тумани, а потім змушує її знову падати на Землю у вигляді дощу, снігу, роси чи інею, створюючи таким чином гігантський кругообіг вологи в атмосфері.
Сонячна енергія є джерелом загальної циркуляції атмосфери та циркуляції води в океанах. Вона створює гігантську систему водяного і повітряного опалення нашої планети, перерозподіляючи тепло по земній поверхні.
Сонячне світло, потрапляючи на рослини, викликає у нього процес фотосинтезу, визначає зростання та розвиток рослин; потрапляючи на ґрунт, він перетворюється на тепло, нагріває його, формує ґрунтовий клімат, даючи тим самим життєву силунасіння рослин, що знаходиться в грунті, мікроорганізмів і живих істот, що населяють її, які без цього тепла перебували б у стані анабіозу (спячки).
Сонце випромінює дуже багато енергії - приблизно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Кіловатт·година - це кількість енергії, необхідна для роботи лампочки розжарювання потужністю 100 Вт протягом 10 годин. Зовнішні шари атмосфери Землі перехоплюють приблизно одну мільйонну частину енергії, що випромінюється Сонцем, або приблизно 1500 квадрильйонів (1,5 x 1018) кВт·год. Однак лише 47% усієї енергії, або приблизно 700 квадрильйонів (7 x 1017) кВт·год, досягає поверхні Землі. Решта 30% сонячної енергії відбивається назад у космос, приблизно 23% випаровують воду, 1% енергії посідає хвилі і течії і 0,01% - процес утворення фотосинтезу у природі.
Дослідження сонячної енергії
Чому Сонце світить і не остигає вже мільярди років? Яке паливо дає йому енергію? Відповіді це питання вчені шукали століттями, і лише на початку ХХ століття було знайдено правильне рішення. Тепер відомо, що, як і інші зірки, світить завдяки термоядерним реакціям, що протікають у його надрах.
Якщо ядра атомів легких елементів зіллються в ядро атома важчого елемента, то маса нового виявиться меншою, ніж сумарна маса тих, з яких воно утворилося. Залишок маси перетворюється на енергію, яку забирають частинки, що звільнилися в ході реакції. Ця енергія майже повністю перетворюється на тепло. Така реакція синтезу атомних ядерможе відбуватися тільки за дуже високому тискута температурі понад 10 млн. градусів. Тому вона і називається термоядерною.
Основна речовина, що становить Сонце, - водень, на її частку припадає близько 71% усієї маси світила. Майже 27% належить гелію, а решта 2% - більш важким елементам, таким як вуглець, азот, кисень та метали. Головним «паливом» Сонця є водень. З чотирьох атомів водню внаслідок ланцюжка перетворень утворюється один атом гелію. А з кожного грама водню, що бере участь у реакції, виділяється 6x10 11 Дж енергії! На Землі такої кількості енергії вистачило б, щоб нагріти від температури 0ºC до точки кипіння 1000 м 3 води.
Потенціал сонячної енергії
Сонце забезпечує нас у 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, ніж фактично використовується у всьому світі. Тільки на світовому комерційному ринку купується та продається трохи менше 85 трильйонів (8,5 x 10 13 ) кВт·год енергії на рік. Оскільки неможливо простежити за всім процесом загалом, не можна з упевненістю сказати, скільки некомерційної енергії споживають люди (наприклад, скільки деревини та добрива збирається та спалюється, яка кількість води використовується для виробництва механічної чи електричної енергії). Деякі експерти вважають, що така некомерційна енергія становить одну п'яту частину всієї енергії, що використовується. Але навіть якщо це так, то загальна енергія, що споживається людством протягом року, становить приблизно одну семитисячну частину сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі в той же період.
У розвинених країнах, наприклад, США, споживання енергії становить приблизно 25 трильйонів (2.5 x 10 13 ) кВт·год на рік, що відповідає більш ніж 260 кВт·ч на людину на день. Цей показник є еквівалентом щоденної роботи понад ста лампочок розжарювання потужністю 100 Вт протягом цілого дня. Середньостатистичний громадянин США споживає у 33 рази більше енергії, ніж мешканець Індії, у 13 разів більше, ніж китаєць, у два з половиною рази більше, ніж японець і вдвічі більше за шведа.