Источник энергии солнца применение

Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

В мире всё меньше традиционных источников энергии. Запасы нефти, газа, угля истощаются и всё идёт к тому, что рано или поздно они закончатся. Если к этому времени не найти альтернативных источников энергии, то человечество ждёт катастрофа. Поэтому во всех развитых странах ведутся исследования по открытию и разработке новых источников энергии. В первую очередь – это солнечная энергия. С древних времён эта энергию использовалась людьми для освещения жилища, сушки продуктов, одежды и т. п. Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца в электрическую или тепловую. Отрасль постепенно растёт и развивается, но, как и везде, есть свои проблемы. Обо всём этом речь пойдёт в настоящем материале.

Солнце как альтернативный источник энергии

Энергия солнца является одним из самых доступных возобновляемых источников на Земле. Использование солнечной энергии в народном хозяйстве положительно сказывается на состоянии окружающей среды, поскольку для её получения не требуется бурить скважины или разрабатывать шахты. К тому же, этот вид энергии свободный и не стоит ничего. Естественно, что требуются затраты на покупку и монтаж оборудования.

Проблема в том, что солнце – это прерывистый источник энергии. Так, что требуется накопление энергии и использование её в связке с другими энергетическими источниками. Основная проблема на сегодняшний день заключается в том, что современное оборудование имеет низкую эффективность преобразования энергии солнца в электрическую и тепловую. Поэтому все разработки направлены на то, чтобы увеличить КПД таких систем и снизить их стоимость.

Вот он – возобновляемый источник энергии

Солнце отправляет к поверхности нашей планеты радиацию. Из широкого спектра излучения поверхности Земли достигают 3 типа волн:

Световые. В спектре излучения их примерно 49 процентов;
Инфракрасные. Их доля также 49 процентов. Благодаря этим волнам наша планета нагревается;
Ультрафиолетовые. В спектре солнечного излучения их примерно 2 процента. Они невидимы для нашего глаза.

Экскурс в историю

Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.

Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.

Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».

Инсолятор О. Мушо

В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.

Для получения большей мощности солнечных систем низкий КПД компенсируется увеличенной площадью фотоэлементов. Но это не выход, поскольку кремниевые полупроводники в фотоэлементах довольно дорогие. При увеличении КПД возрастает стоимость материалов. Это является главным препятствием для массового использования солнечных батарей. Но по мере истощения ресурсов их использование будет всё более выгодным. Кроме того, исследования по увеличению КПД фотоэлементов не прекращаются.

Фотоэлемент для солнечной батареи

Преобразование солнечной энергии

Прежде всего, стоит сказать о том, в чём можно выразить и оценить солнечную энергию.

Как можно оценить величину солнечной энергии?

Специалисты используют для оценки такую величину, как солнечная постоянная. Она равна 1367 ватт. Именно столько энергии солнца приходится на квадратный метр планеты. В атмосфере теряется примерно четверть. Максимальное значение на экваторе – 1020 ватт на квадратный метр. С учётом дня и ночи, изменения угла падения лучей, эту величину следует уменьшить ещё в три раза.

Распределение солнечного излучения на карте планеты

Способы преобразования

Поскольку наука на сегодняшний день не имеет устройств, работающих на энергии солнца в чистом виде, её требуется преобразовать в другой тип. Для этого были созданы такие устройства, как солнечные батареи и коллектор. Батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. А коллектор вырабатывает тепловую энергию. Есть также модели, совмещающие эти два вида. Они называются гибридными.

Гибридная солнечная панель

фотоэлектрический;
гелиотермальный;
термовоздушный;
солнечные аэростатные электростанции.

Кроме фотоэлементов, для получения электрической энергии применяются тонкопленочные или гибкие солнечные панели. Их преимуществом является малая толщина, а недостатком – сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.

Гибкая солнечная панель

Гелиотремальная энергетика основана на нагреве поверхности энергоносителя в специальном коллекторе. Например, это может быть нагрев воды для системы отопления дома. В качестве теплоносителя может использоваться не только вода, но и воздух. Он может нагреваться в коллекторе и подаваться в систему вентиляции дома.

Все эти системы стоят достаточно дорого, но их освоение и совершенствование постепенно продолжается.
Вернуться к содержанию

Преимущества и недостатки солнечной энергии

Преимущества

Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике. Все традиционные источники в той или иной мере наносят вред ОС;
Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное (служит до 30 лет). После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;
Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;
Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;
Хорошо адаптированы для использования в частных домах;
Эстетика. Можно установить на крыше или фасаде здания не в ущерб внешнему виду;
Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения.

Недостатки

Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
Первоначальные вложения высокие. Особенно это ощутимо для обычных людей при покупке оборудования для частного дома;
Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
Для размещения требуется большая площадь;
Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку.

Сферы применения солнечной энергии

Направлений использования довольно много. Ниже рассматриваются самые востребованные и распространённые.

Энергоснабжение частного дома

Совсем недавно такие системы были чем-то из фантастических фильмов. Но сейчас у многие можно встретить комплекты солнечных модулей на крыше или фасаде дома. КПД таких систем пока не превышает 10─15 процентов. Напряжение 12 или 24 вольта. Но для частного дома или дачи этого вполне достаточно.

Здесь стоит сказать, что современные панели вырабатывают электричество даже в сумерках и пасмурную погоду. Заряда аккумуляторных батарей хватает на тёмное время суток. Кроме того, солнечные панели подключаются как вспомогательные, и при необходимости их подменяет основная энергетическая система.
Вернуться к содержанию

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

Здесь энергия солнца преобразуется в тепловую. Наверное, у многих на дачном участке есть душ с металлическим баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мытья нагретой водой. Это простейший вариант такого коллектора.

Но современные системы работают значительно эффективнее. В них есть поглощающий элемент, который передаёт тепловую энергию теплоносителю. Есть варианты с водой и воздухом в качестве теплоносителя.

Компактные системы с коллектором могут обеспечить бесплатный нагрев воды в доме для семьи на 3─5 человек. Речь идёт об осенне-зимнем периоде. Зимой эффективность подобных систем значительно снижается. Параллельно с установкой таких систем проводятся работы по улучшению изоляции. Если зимы в вашем регионе не суровые, то коллектор вполне может использоваться и зимой.
Вернуться к содержанию

Портативные источники энергии

Этот вид устройств предназначен для получения электрической энергии при отсутствии электрических сетей. Такие переносные аккумуляторы с возможностью зарядки от солнечной панели популярны среди туристов, дачников и т. п. Об этих устройствах можно прочитать в статьях:

Концентраторы

Этот вид устройств можно назвать экзотикой. Их можно встретить у туристов в составе походных кухонь. Они концентрируют свет параболическим зеркалом на ёмкости с теплоносителем.
Вернуться к содержанию

Транспорт

Это пока также экзотическая сфера применения. Но уже сейчас проводятся гоночные соревнования в Австралии на солнечных карах. Однако в последнее время конструкторам удалось нарастить скорость таких транспортных средств до 80 км/час. И также проводятся испытания самолёта на солнечных батареях с облётом планеты.
Вернуться к содержанию

Развитие солнечной энергетики в разных странах и её перспективы

Альтернативные виды энергетики, к которым относится солнечная, быстрее всего развивается в технологически развитых странах. Это США, Испания, Саудовская Аравия, Израиль и другие страны, где большое количество солнечных дней в году. Солнечная энергетика также развивается в России и странах СНГ. Правда, темпы у нас значительно медленнее из-за климатических условий и меньших доходов населения.

На территории бывшего СССР климат для солнечных установок больше всего подходит климат на Украине и республиках Средней Азии. Однако здесь пока больше разговоров о развитии, чем реальных дел. То есть, раскрыть потенциал использования солнечной энергии здесь пока не удалось. Если говорить о доле солнечной энергии на рынке России и стран СНГ, то она не превышает 1 процента. В планах значится строительство нескольких солнечных электростанций. Поэтому ситуация ещё может исправиться.

В России наблюдается постепенное развитие и уклон делается на развитие солнечной энергетики в регионах Дальнего Востока. Солнечные электростанции строятся в удалённых населённых пунктах Якутии. Это позволяет экономить на завозимом топливе. Строятся электростанции и в южной части страны. Например, в Липецкой области.

Все эти данные позволяют сделать вывод о том, что многие страны мира пытаются максимально внедрить у себя использование солнечной энергии. Это актуально потому, что энергопотребление постоянно растёт, а ресурсы ограничены. К тому же, традиционная сфера энергетики сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому альтернативная энергетика – это будущее. И энергия солнца является одним из ключевых её направлений.
Вернуться к содержанию

Источник

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