Что делает энергия солнца

Прорыв в будущее — основные направления использования энергии солнца на земле

Обновлено: 3 января 2021

Где используется солнечная энергия?

О том, чтобы использовать солнечную энергию в своих целях, человек начал задумываться сравнительно недавно, хотя на практике пользовался ей на протяжении всей своей истории. Идея об аккумулировании и практическом применении возникла в начале XX века, но технологических возможностей для этого на то время не было. Прорыв совершился в конце века, когда появились фотоэлектрические панели, способные производить электроэнергию в ощутимых количествах. Вопрос важный и заслуживает подробного рассмотрения.

Использование энергии Солнца на земле является повсеместным, хоть и неосознанным явлением. Оно настолько обыденно и привычно, что люди редко задумываются о возможностях и перспективах солнечной энергетики. Однако, специалисты в разных отраслях научной и производственной деятельности давно разрабатывают технологии, позволяющие получать бесплатную и неиссякаемую энергию.

Если несколько десятилетий назад все ограничивалось нагревом воды в емкостях для летнего душа на дачном участке, то сегодня существуют различные способы использования солнечной энергии, наиболее развитые в следующих отраслях:

космос и авиация;
сельское хозяйство;
обеспечение энергией спортивных и медицинских объектов;
освещение участков частных домов или городских улиц;
использование в быту;
электрификация экспедиций, передвижных исследовательских или военных пунктов и т.д.

Этот список не будет полным, если не назвать СЭС, электростанции, где используется солнечная энергия. В последние годы их немало построено в США, Испании, ЮАР и других странах. Их мощность пока еще не способна превзойти уровень ГЭС, но технологии не стоят на месте и перспективы развития весьма многообещающие. Можно с уверенностью сказать, что через пару десятков лет на вопрос: «Где используется энергия Солнца на Земле?» можно будет услышать ответ: «Везде».

Особенности применения

Свет и тепло Солнца используются с помощью различных технологических методик. Как правило, выработка электроэнергии имеет целью питание отдельных или массовых потребителей, а тепловая энергия служит для обогрева жилья, теплиц, промышленных и общественных помещений.

Использование солнечной энергии на Земле ведется по двум направлениям: пассивное и активное. Оба способа имеют свои особенности и возможности, которые следует рассмотреть внимательнее.

Пассивные системы

Пассивные системы — это различные сооружения или строения, в которых использование энергии Солнца происходит путем потребления. Например, существуют дома, построенные из специальных материалов, которые способны поглощать или перерабатывать полученную тепловую энергию. Обогрев таких зданий становится проще или в нем вовсе исчезает необходимость.

Необходимо понимать, что в виду имеются не какие-то современные и продвинутые материалы, созданные на высокотехнологическом оборудовании. Дома, образующие пассивные системы, создаются из обычной древесины, теплоизолирующих и светоизолирующих панелей. Даже обычная ориентация окон дома на южную сторону автоматически переводит дом в разряд пассивных гелиосистем.

Первым в истории зафиксированным случаем, когда использование солнечной энергии было сознательным действием, была постройка дома Плинием Младшим в Италии (100 г. Н. Э.). Слюдяные окна оказались эффективным теплоизолятором, способным удерживать тепловую энергию, полученную от Солнца.

В современном мире интерес к постройке зданий-пассивных гелиосистем то возрастает, то вновь падает. Энергетический кризис вынуждает активно искать способы получения дешевой альтернативной энергии, но при улучшениях экономической обстановки ситуация разворачивается в обратную сторону. Однако, общая обстановка демонстрирует постоянное развитие и продвижение гелиосистем в технике и быту.

Активные системы

Активные солнечные системы получают энергию и преобразуют ее тем или иным способом. В данном случае используются специально изготовленные приспособления и устройства, для которых получение, преобразование и передача энергии является основной и единственной задачей, а не дополнительной функцией, как у пассивных гелиосистем. Существуют довольно простые и более сложные конструкции, выполняющие разные задачи. По функционалу их можно разделить на фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы.

Первые занимаются выработкой электрического тока из энергии, полученной от нашего светила. Они обладают широкими возможностями и встречаются практически везде, где применяют энергию Солнца.

Вторые — коллекторы — используются только как источник тепловой энергии для отопительных систем частных домов или иных помещений относительно небольшого размера. И те, и другие устройства обладают собственными преимуществами и недостатками. Рассмотрим их подробнее.

Солнечные фотоэлементы

Фотоэлектрические элементы получают солнечную энергию и вырабатывают из нее электрический ток. Такова общая схема, на практике все несколько сложнее. Солнечные лучи, попадая на поверхность фотоэлементов, воздействуют на кремниевые пластины, в которых начинается процесс замещения электронов. Они начинают активно совершать p-n переход, т.е. появляется постоянный фототок. Остается только припаять провода к соответствующим контактам, и можно снимать постоянное напряжение определенной величины. Если собрать такие элементы в батарею, то в результате можно получать вполне существенный ток, пригодный для зарядки аккумуляторов или практического использования.

Выработка тока фотоэлементами нестабильна, зависит от внешних факторов — погоды, времени года и суток, наличия облачности. Кроме того, солнечные батареи дают постоянный ток. Для обеспечения потребителей электротоком со стандартными параметрами необходимо преобразовать полученное напряжение.

Поэтому обычный состав комплекса выглядит следующим образом:

Работа системы заключается в приеме солнечной энергии фотоэлементами и сбрасывании напряжения на аккумуляторы. Уровень заряда находится под управлением контроллера, который выполняет функции диспетчера и регулирует режим заряда и отдачи энергии. Преобразование постоянного тока в переменный выполняет инвертор, с которого питание подается на стандартные приборы потребления. Использование солнечной энергии таким способом наиболее эффективно, так как в результате получается универсальный вид, пригодный для питания большого количества установок, приборов и устройств.

Фотоэлементы, или солнечные батареи, как их называют в обиходе, бывают нескольких видов: кремниевые и пленочные.

Количество кремния в окружающей природе очень велико, чем и объясняется популярность этого типа фотоэлементов. Существуют разные виды кремниевых солнечных батарей:

Монокристаллические. Их КПД приближается к 20%, что для современных фотоэлементов весьма высокий показатель. Производятся из очищенного материала, монокристалла, разрезанного на тонкие пластинки. Внешне такие панели похожи на соты или ячейки черного цвета. Самые дорогие и качественные
Поликристаллические. При изготовлении используется срез из медленно охлажденного расплава кремния. Полученные пластинки состоят из множеств кристаллов, ориентированных в разные стороны. КПД — до 18%. Цвет ячеек синий, отличить их легко. Стоимость заметно ниже, чем у монокристаллических панелей
Аморфные. Представляют собой слой силана (кремневодорода), нанесенного на гибкую подложку. КПД всего 5%, но способность поглощать солнечные лучи намного выше — почти в 20 раз, поэтому аморфные панели весьма хороши для пасмурной погоды. Стоимость самая низкая из всех кремниевых видов

Пленочные батареи производятся из различных полимеров, способных демонстрировать полупроводниковый эффект. Их разрабатывают с целью снижения себестоимости производства фотоэлементов, а также для улучшения характеристик панелей. Существуют разные виды:

на основе теллурида кадмия;
на базе селенида меди-индия;
на полимерной основе.

Пока пленочные образцы уступают кремниевым как по КПД, так и по остальным показателям (кроме цены), но производители не теряют бодрости и уверяют пользователей в скором изменении ситуации.

Использование фотоэлементов для производства электротока позволяет получать количество энергии, достаточное для питания любых потребителей, главное — достаточное количество панелей. В этом заключается одно из основных преимуществ солнечной энергетики — способность расширяться путем наращивания количества светоприемных элементов, а не с помощью замены всего оборудования.

Солнечные коллекторы

Эти устройства действуют по совершенно иному принципу. Они не используют высокотехнологичных материалов, получая от Солнца только тепловую энергию. Принцип действия коллекторов основан на способности солнечных лучей заметно нагревать предметы. Наиболее простая модель представляет собой плоский ящик черного цвета, накрытый прозрачной крышкой. Темная поверхность принимает солнечное тепло, нагревается, но отдавать его в окружающую атмосферу не может — мешает эффект парника, образованный прозрачной крышкой. На практике конструкции солнечных коллекторов несколько отличаются:

Открытые. Самые простые (если не примитивные) приемники, представляющие собой продолговатые лотки из черной пластмассы, наполненные водой. Лотки нагреваются и отдают тепло воде. Которая используется для летнего душа или подогрева воды в бассейне. Этот вид не может похвастаться ни КПД, ни долговечностью, но простота и возможность сделать открытые коллекторы самостоятельно дали определенную популярность
Трубчатые. Приемниками энергии являются вакуумные стеклянные трубки. Они имеют коаксиальную конструкцию (тип «труба в трубе», между ними вакуум для теплоизоляции). Соединяются в распределитель и подключаются к отопительному контуру
Плоские. Больше всего они напоминают вышеупомянутую модель — черный ящик с прозрачной крышкой. На поверхность днища плотно крепится трубка с водой, получающей тепловую энергию от контакта с нагретым материалом

Использовать солнечные коллекторы можно только в определенных условиях. Если стоит мороз, полезный эффект будет практически незаметен. Необходимо, чтобы температура воздуха было довольно высока, что делает использование солнечного обогрева доступным только в достаточно теплых регионах. Коллекторы используются только для обогрева помещений, поэтому их функционал и возможности заметно ниже.

Преимущества солнечных установок

Основным преимуществом является неограниченно высокий ресурс источника — Солнца. На самом деле, поток энергии имеет определенные пределы, но на нынешнем этапе развития технологии достичь этого предела совершенно невозможно.
Вторым преимуществом является отсутствие стоимости энергии. Она просто есть, и ей можно и нужно пользоваться.
Кроме того, появление источника предсказуемо и может быть заранее рассчитано с точностью до секунд, что заметно отличает его от других альтернативных видов энергии.

Проблемы использования солнечной энергии

Применение солнечной энергии имеет и некоторые проблемы. Основными из них являются отсутствие Солнца в ночное время и возможность возникновения облачности, осадков и прочих неблагоприятных погодных условий. Есть и еще важная и существенная проблема — низкая эффективность оборудования, в сочетании с высокой ценой. Эта проблема считается разрешимой, многие ученые и инженеры постоянно работают над ее решением.

Перспективы развития

Энергия Солнца на Земле неиссякаема. Это дает основания прочить постоянное развитие и продвижение технологий получения и переработки солнечной энергии, появление более эффективной аппаратуры, увеличение доли солнечной энергии в общем потреблении человечества. Статистика показывает, что за последние 10 лет в этом направлении сделан гигантский скачок, поэтому будущее у гелиоэнергетики во всех смыслах слова блестящее.

Источник

Варианты использования солнечной энергии в хозяйственной деятельности

Энергия солнца представляет собой поток фотонов и имеет огромное значение для всего живого на нашей планете. Солнце обеспечивает существование жизни на Земле, влияя на основополагающие процессы в биосфере. Благодаря солнцу нагреваются моря, реки, поверхность планеты, дует ветер и так далее. Человек уже давно стал использовать свет от солнца в своей хозяйственной деятельности. Но альтернативная энергетика оформилась в качестве самостоятельной отрасли не так давно. Между тем солнечная энергия играет всё более важную роль в хозяйственной деятельности. Как источник тепла солнце используется давно, а в последнее время появляется большое количество устройств и систем для этого. Сегодня мы поговорим о том, как человек использует солнечную энергию.

Где используется солнечная энергия?

Использование солнечной энергии ежегодно увеличивается. Не так давно энергия солнца использовалась для нагрева воды на даче в летнем душе. А сегодня различные установки уже используются для обогрева частных домов, в градирнях. Солнечные батареи вырабатывают электричество, необходимое для обеспечения энергией небольших посёлков.

Авиация и космическая отрасль;
Сельское хозяйство. Отопление и обеспечение электричеством теплиц, ангаров и прочих хозяйственных построек;
Использование солнечной энергии в быту (отопление и электрификация жилых домов);
Электроснабжение объектов медицины и спорта;
Использование солнечной энергии для освещения городских объектов;
Электрификация небольших населённых пунктов.

Использование первых образцов солнечных модулей подтвердило, что энергия солнца имеет существенные плюсы по сравнению с традиционными источниками. Основные преимущества гелиосистем – это практически неограниченный запас, отсутствие вреда окружающей среде, а также бесплатное использование.

Этот список плюсов стоит расширить:

Стабильное питание, поскольку ток от гелиобатарей не имеет скачков напряжения;
Автономная работа гелиосистем. Для них не требуется внешней инфраструктуры;
Срок службы более 20 лет;
Гелиосистемы практичны и просты в эксплуатации. Основные вложения делают при монтаже.

Особенности использования солнечной энергии

Фотоэнергия излучения солнца преобразуется в фотоэлектрических элементах. Это двухслойная структура, состоящая из 2 полупроводников различного типа. Полупроводник внизу – это p-тип, а верхний − n-тип. У первого недостаток электронов, а у второго − избыток.

На сегодняшний день выпускаются несколько видов фотоэлементов:

Монокристаллические. Они выпускаются из монокристаллов кремния и имеют равномерную кристаллическую структуру. Среди остальных типов выделяются самым высоким КПД (около 20 процентов) и увеличенной стоимостью;
Поликристаллические. Структура поликристаллическая, менее равномерная. Стоят дешевле и имеют КПД от 15 до 18 процентов;
Тонкопленочные. Эти фотоэлементы изготовлены напылением на гибкую подложку аморфного кремния. Такие фотоэлементы дешевле всего, но и КПД у них оставляет желать лучшего. Они используются при производстве гибких солнечных панелей.

Как человек использует солнечную энергию?

Можно выделить две группы систем, которые используются человеком для преобразования энергии солнца в тепловую и электрическую. Это пассивные и активные системы.

Среди примеров пассивных систем для использования энергии солнца можно назвать некоторые строения. При их возведении применялись строительные материалы, имеющие высокую величину поглощения светового излучения. Причём эти строения возводятся с учётом особенностей климата, в котором они построены. Материалы, из которых построены эти дома, используют энергию солнца для освещения и обогрева помещений в здании. В частности, это деревянные полы, светопоглощающие панели, изоляция, ориентация дома на южную сторону.

Благодаря своей конструкции, пассивные системы достигают максимально выгодного использования световой энергии. В результате, за счёт снижения расходов на коммунальные расходы такие дома себя быстро окупают. Эти строения независимы в энергетическом плане и не загрязняют окружающую среду.

Тепловые коллекторы

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в тепло. Можно выделить следующие основные виды коллекторов:

Плоские. Они наиболее распространены. Их используют как для отопления, так и для горячего водоснабжения. Обычно такие коллекторы используют только в летнее время, поскольку зимой их эффективность резко падает. Об изготовлении таких солнечных коллекторов своими руками можно прочитать по ссылке;

Вакуумные. Сфера их использования, как и у плоских. Но они используются, когда требуется горячая вода более высокой температуры. В них трубки теплообменника находятся в вакууме внутри стеклянных трубок. Внутри циркулирует теплоноситель. Как правило, такие установки делаются на производстве, а не в домашних условиях. Они функционируют круглый год, даже в российском климате;
Воздушные. Сфера использование таких устройств – это воздушное отопление и осушительные установки. Могут использоваться при температуре на улице не ниже 5─10 градусов Цельсия;
Интегрированные коллекторы. Наиболее простая конструкция. Это специальные баки с теплоизоляцией, где нагревается вода. В дальнейшем она используется на хозяйственные нужды.

Солнечные батареи

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в электрическую энергию. Для этого используются фотоэлектрические элементы. При попадании на них света они вырабатывают электрическую энергию. Один такой фотоэлемент имеет маленькую мощность. Поэтому их последовательно соединяют в батареи. Часто умельцы занимаются созданием таких солнечных батарей своими руками. Подробнее об этом можно прочитать по ссылке.

Солнечные электростанции

В тех регионах мира, где высокая солнечная инсоляция, делают не просто одиночные гелиостанции, а настоящие электростанции промышленного масштаба. Они вырабатывают электричество, объёма которого хватает для обеспечения энергией небольших населённых пунктов. Многие южные страны уже имеют большой процент использования солнечной энергии в своих национальных энергосистемах. Солнечные электростанции вырабатывают электричество или горячую воду. То есть, работают как батареи и коллекторы. К примеру, власти Калифорнии (США) собираются до 2020 года довести долю выработки электричества с гелиоэлектростанций в энергосистеме штата до 30%.

Электротранспорт на солнечных батареях

Постепенно идёт внедрение солнечных батарей на автомобильном транспорте. Образцы, которые целиком работают от солнечных батарей, пока ещё существуют только в виде концепт-каров. Использование их в массовом масштабе на данный момент невозможно.

В них гелиопанели устанавливаются на поверхность кузова и заряжают аккумуляторы. Те, в свою очередь, обеспечивают питание электромотора. Использование батарей в серийных моделях ограничивается тем, что их используют для питания отдельных узлов автомобиля. Подробнее читайте в статье «Солнечная энергия в автомобилестроении».

Прочие направления

Ниже приводятся ещё некоторые примеры того, как человек использует солнечную энергию. Все перечисленные предметы существуют в исполнении, работающем от гелиобатарей:

Термометр;
Детские игрушки;
Фонтан;
Power bank на солнечных батареях для зарядки различных гаджетов;
Всевозможные светильники;
Походные солнечные батареи;
Радиоприёмник;
Двигатель;
Есть даже самолёт на солнечных батареях.

Источник