Энергия солнца использовалось давно

История использования солнечной энергии

Многие процессы жизнедеятельности на земном шаре обеспечиваются ресурсами солнечной энергии. Свет и тепло звезды позволяют осуществляться круговороту воды в природе, расти зелени, а также способствуют выработке топлива за счет накопления углерода. Солнце с древних времен и по сей день играет важную роль в существовании любого живого организма.

Экскурс в историю

О пользе тепла и света предки помнили всегда: в жарких странах праотцы сушили шкуры, готовили пищу на раскаленных камнях, в холодные же времена Солнце согревало и позволяло выжить. После неизбежных процессов эволюционирования в VII веке до нашей эры появились часы, определяющие время по Солнцу. Впервые такой механизм был разработан в Вавилоне, затем опыт переняли предки Рима и Греции. III век до новой эры открыл возможность зажигания огня. Доподлинно известно, что Архимеду при помощи данного метода удалось спалить дотла флот врага, осаждавший город.

В промышленность использование солнечной энергии ввел в Италии Леонардо да Винчи, спроектировав параболическое зеркало, отражающее свет под углами, необходимыми для обогрева котельных фабрик. После во Франции Жорж Луи Леклерк де Бюффон усовершенствовал технологию да Винчи. Теперь появилась возможность использования отраженных лучей в качестве воспламенителя. Бюффону удалось воспламенить таким образом сухое дерево на расстоянии 68 километров от зеркала. В 18 веке было совершено открытие, позволяющее использовать линзы для концентрации тепла. Затем в 19 веке Александр Эдмон Беккерель выявил фотоэффект, Чарльз Фриттс создал первую батарею, а в начале 20 века Альберт Эйнштейн был награжден Нобелевской премией за доработку идеи Беккереля. Недостатком являлся только очень низкий КПД — всего 1%. Середина столетия стала началом эры использования спутников с солнечными блоками, излучавшими энергию для потребления космическими кораблями. Теперь КПД составлял около 20%. В основном, такие мощные устройства в промышленных масштабах разрабатывались в США, Израиле, Саудовской Аравии и некоторых других странах.

Новое время

Сегодня направление солнечной энергетики развивается достаточно быстро. Во многих государствах происходит активная поддержка данной отрасли, создаются специальные программы. Например, владельцы домов в Европе имеют возможность отдать энергию, накопленную солнечными блоками за день, в муниципальную сеть, взамен получив льготы на оплату коммунальных услуг. Компании Германии активно выкупают избыток энергии с целью поддержки инновационных технологий, позволяющих более рационально использовать ресурсы. В ФРГ существует специальная программа государственного масштаба, компенсирующая высокий процент от затрат при переходе на солнечные батареи. Позднее такой опыт переняли США, Япония и Монголия. В Испании согласно законодательству строительство ведется только с применением технологий внедрения батарей на крышах. Европейская Ассоциация Фотовольтаики прогнозирует удовлетворение в среднем 12% мировых потребностей в электроэнергии к 2030 году, используя солнечные батареи в качестве более дорогих аналогов ИБП для котлов.

Российская Федерация

Сегодня страна пока не имеет государственных программ, значительно способствующих развитию данной промышленной ресурсодобывающей отрасли, что можно объяснить большим количеством запаса углерода и дорогой стоимостью солнечной энергии. Несмотря на это, перспектива передового развития данной отрасли есть, к примеру, в некоторой части юга России. Несмотря на привычное тепло и возможность использования солнечной энергии в Краснодарском крае или Астраханской области, ученые Российской Академии Наук установили, что наиболее подходящими регионами для подобных экспериментов являются Приморье и Сибирь. Там ежегодное количество солнечного излучения превышает значение южных территорий. Первая электростанция в России появилась в 2010 году в Белгородской области в качестве экспериментального проекта, но пока сведения о прогрессе государства не упомянуты ни в одном из аналитических докладов Организации Объединенных Наций, обозревающих состояние мировой фотовольтаики.

Преобразование энергии

В науке используется термин солнечной постоянной, равной 1367 ватт и приходящейся на 1 квадратный метр земного шара. Доля света рассеивается в атмосфере, а часть минимизируется в зависимости от угла падения луча и времени суток. Таким образом, максимальное значение солнечной энергии на экваторе будет составлять около 300-350 ватт. Ученые сошлись во мнении, что преобразование происходит путем превращения атомов водорода в ядро гелия, сопровождая данный процесс выделением существенного количества тепловой энергии. Сегодня пока не существует устройства, которое бы работало исключительно на солнечном свете, поэтому для преобразования были созданы батареи и коллекторы. Первые устройства преобразуют ресурс, излучаемый звездой, а вторые вырабатывают тепло.

Среди современных способов получения энергии выделяют следующие:

Фотоэлектрический. Самый распространенный метод, позволяющий использовать кремний. Комплекс панелей образует батарею и располагается под солнечными лучами. При применении данного способа необходимо следить, чтобы на модули не попадали тени от деревьев или близлежащих сооружений.
Гелиотермальный. Метод основан на нагревании поверхности энергоносителя в коллекторе. Подобным образом можно бесперебойно подавать водоснабжение или тепло в дом.
Термовоздушный. Способ основан на захвате и устремлении потока в аэростатный отсек, в котором конденсируется водяной пар. Подобная электростанция имеет преимущество перед другим оборудованием за счет работоспособности в любое время суток.

Преимущества солнечной энергии

отсутствие платы за ресурс;
не обладает побочными эффектами: преобразование света и тепла в электричество происходит бесшумно, безотходно, не влияя на благоустройство экологии;
долговечность — солнечные батареи способны работать около 30 лет;
возможность вторичного применения — благодаря современным технологиям блоки могут быть переработаны;
легкость использования — оборудование снабжено автономным режимом и не требует постоянного контроля;
функциональность — солнечные блоки адаптированы для домашнего применения.

Недостатки

различный уровень эффективности в светлое и темное время суток;
зависимость от сезона;
необходимость аккумулирования преобразованной энергии;
высокая стоимость, не позволяющая внедрение данной технологии в каждый дом.

Сферы применения

Вариантов использования солнечного света достаточно много. Самым серьезным считается энергоснабжение домов. С начала текущего века наука шагнула вперед достаточно далеко, и сегодня есть возможность установки солнечных батарей не только в качестве основных источников получения электроэнергии, но и в виде дополнительных, включающихся в работу по необходимости.

При использовании панелей все чаще происходит обогрев помещений или воды. Простейший коллектор наверняка имеется на участке у каждого дачника — летний душ с железным баком на крыше. В данном случае при использовании солнечной энергии принцип обогревания аналогичен. Теплоноситель попадает в бойлер, где происходит увеличение температуры жидкости без расхода электричества. Подобное оборудование позволяет достигать тех же результатов, что и ИБП для газовых котлов, но стоит значительно дороже. В холодное время года такой коллектор способен обеспечить теплый воздух и горячую воду для семьи из 3-5 человек. Стоит отметить, что при установлении панелей для обогрева дома проводятся работы, способствующие улучшению теплоизоляции.

Солнечная энергия становится все популярней в качестве заряда портативных батарей или аккумуляторов. Подобный альтернативный источник устройств обеспечивает работу многих гаджетов — ноутбуков, смартфонов, планшетных компьютеров. Некоторые производители усовершенствуют устройства, добавляя противоударные и водонепроницаемые функции. Принцип работы таких аппаратов прост: солнечный свет попадает на панель и преобразуется в электрический заряд, обеспечивая питание. Среди особенностей использования выделяют необходимость определения оптимального угла падения солнечных лучей.

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