Солнце как ресурс среды

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

Как используется солнечная энергия

Что мы знаем про использование солнечной энергии на земле и про ее перспективы? Все мы, даже не имея дома солнечных батарей, активно пользуемся энергией солнца. Так, оно нагревает своим теплом нашу планету и не дает нам умереть от холода, осветляет поверхность Земли. Задумайтесь: всего один квадратный километр способен излучить почти 63000 кВт энергии. Чтобы понять, сколько это, представьте, что это равно работе целого миллиона электрических лампочек! Таким образом, каждую секунду солнце излучает 80 000 миллиардов кВт. Впечатляющие цифры.

Без энергии всего человечества попросту бы не существовало. Вспомним школьные годы и закон сохранения энергии, который мы изучали на уроках физики: энергия не возникает из ниоткуда и не может исчезнуть бесследно. Ее можно получить из природных ресурсов. Например, из угля, природного газа или урана. Ее превратят в необходимое нам тепло или свет. И все же, главным источником энергии было и остается солнце.

Разумеется, человеку было бы глупо не воспользоваться солнечной энергией, как альтернативой электрической, поскольку она имеет ряд преимуществ. Во-первых, она самовозобновляема, то есть участие человека абсолютно не требуется, во-вторых, бесплатна, в-третьих, может использоваться для нужд как мощных заводов, в хозяйстве, так и в быту среднестатистического пользователя, в-четвертых, безопасна для окружающей среды и здоровья человека. Чем ближе местность к югу, тем перспективнее использование солнечных батарей. Так, к примеру, в Израиле около 90 % домов имеют подобное оборудование.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

Именно поэтому одной из главных задач ученых мира остается изобретение способов максимально полного и эффективного использования энергии большого светила. Поистине, это будущее всего человечества, ведь природные ресурсы не вечны.

Где используют солнечную энергию?

Год за годом люди все более активно используют энергию солнца. Если еще пять лет тому назад ее использовали для подогрева воды на даче, например, то сейчас возобновляемый источник энергии используют повсеместно промышленные объекты, а также пользователи для освещения своих домов и подогрева воды.

Использование солнечной энергии — ключевые сферы:

В аграрном хозяйстве: для электрообеспечения парников ангаров и т.п.
На спортивных объектах: для электроснабжения.
В медицинских учреждениях: для энергоснабжения и автономности от перепадов напряжения и плановых отключений электричества.
В авиации и космической промышленности.
Для уличного освещения в городах.
Для электрификация отдаленных населенных пунктов.
В жилых домах: для их электроснабжение, отопление и снабжение горячей водой.
Для бытовых нужд.

Солнечные панели в авто — Honda Fit

Использование солнечной энергии: особенности

Для превращения излучаемого солнцем света в тепловую энергию используют пассивные и активные системы. Как их различать? Пассивные системы – это здания, которые построены с применением таких стройматериалов, которые максимально эффективно поглощают солнечную энергию. Активные же – это коллекторы, фотоэлементы и солнечные батареи.

Пассивные системы

Как уже упомянуто выше, это так называемые «солнечные здания». Их строят, учитывая особенности климатической зоны, в которой они расположены. Материалы, из которых они строятся, дают возможность использования всей солнечной энергии для освещения, обогрева, охлаждения помещений. Как жилых, так и промышленных. Что же это за материалы и технологии? Это изоляция, деревянный пол, поглощающий свет от поверхности, расположение здания фасадом к югу.

Построенные таким образом солнечные здания максимально используют солнечное излучение, к тому же довольно быстро окупаются, снижая энергозатраты пользователей. Счастливые обладатели таких домов становятся энергетически независимы, а также живут в экологически чистых условиях.

Активные системы

В данную подкатегорию входят коллекторы, солнечные батареи, аккумуляторы, насосы, трубопроводы для горячей воды и теплоснабжения. Их располагают на крышах или в подвалах.

Фотоэнергия

Это один из способов использования излучения солнца: постоянный ток, который вырабатывается при попадании солнечного излучения. Это преобразование происходит в фотоячейках. Фотоячейки имеют двухслойную структуру. Один полупроводник располагается ниже и относится к р-типу, второй находится выше и относится к n-типу.

Электроны второго проводника поглощают излучение солнечной энергии, после чего покидают орбиты, переходя в зону первого проводника. Именно в этот момент появляется электронный поток – фототок.

Солнечные фотоэлементы

Используются они для более эффективного применения солнечного излучения. Они состоят из полупроводников, которые, при попадании на их поверхность солнечных лучей, приходят в движение и таким образом вырабатывают ток. Из-за отсутствия химических реакций при выработке тока, срок их службы достаточно долгий. Один из способов использования это фотоэлемент для включения света.

Фотоэлектрические преобразователи энергии солнца легки в использовании благодаря маленькому весу, легкостью в обслуживании. К тому же, являются очень эффективными при использовании энергии солнца.

Солнечные коллекторы

Принцип их работы заключается в преобразовании солнечного излучения в тепло. Коллекторы можно разделить на группы:

Вакуумные.Используются в быту, когда вам нужна горячая вода. Состоят из стеклянных трубочек, которые нагреваются от солнечных лучей. В свою очередь, они уже нагревают воду.
Плоские. Довольно распространены среди пользователей альтернативных источников энергии. Удобны в использовании для бытовых отопительных потребностей, а также для подогрева воды.
Интегрированные. Считаются наиболее простыми и используются в газовых котлах для подогрева воды. Подогретая вода накапливается в баке для последующего потребления.
Воздушные. Предназначены для воздушного отопления, рекуперации воздушных масс и для осушительных установок.

Для того, чтобы в последующем использовать солнечную энергию, вначале коллекторы накапливают ее в модулях, которые ставятся на крыше. Их конструкция следующая: это стеклянные трубки и пластины, окрашенные в черный цвет для лучшего поглощения излучения солнца.

Солнечные батареи

Что такое солнечная батарея? Давайте разбираться. Она состоит из модулей, которые принимают и преобразуют энергию солнца, в том числе тепловую. Батареи генерируют электрическую энергию постоянно либо аккумулируют ее для дальнейшего использования.Чаще всего используют солнечные батареи с помощью аккумуляторов – химических источников тока. Первое их применение зафиксировано в космическом спутнике.

Материалы

Для производства большинства батарей используют кремний, который стоит недешево. Потому первичная покупка влетит вам в копеечку, что впрочем, окупится за несколько лет. У солнечных батарей множество достоинств. Это простота конструкции батарей, легкость в установке, нетребовательность в обслуживании, долгая эксплуатация, эргономичность. Работают они от аккумуляторов. Главное, о чем не стоит забывать: они должны работать на открытых участках, не затемненных деревьями или зданиями. Также не рекомендуют забывать об очищении батарей от пыли и прочих загрязнений. При правильной эксплуатации солнечных батарей, они прослужат вам верой и правдой не один десяток лет. Энергию они вырабатывают как в течение светового дня, так и при пасмурных погодных условиях. Последнее время цена батарей неуклонно падает, что говорит про перспективы их использования.

Преимущества солнечных установок

Конечно же, стоит отметить явные достоинства таких установок:

Они неисчерпаемы, потому никогда не закончатся.
Абсолютно бесплатно потребляют солнечную энергию.
Очень безопасны в эксплуатации.
Обладают таким качеством, как автономность, так как работают от аккумуляторов.
Крайне экономичны, ведь потратитесь вы только раз, приобретая их.
Вы независимы от скачков напряжения в электросети или от плановых отключений.
Установки долговечны при правильной эксплуатации.
Довольно просты как в использовании, так и в их обслуживании.

Мы неспроста закончили статью преимуществами солнечных установок, ведь благодаря ним, они с каждым годом становятся всё популярнее. Неудивительно: вы хорошенько сэкономите, купив такое чудо техники, а еще защитите свою семью и их здоровье, ведь установки не наносят ни малейшего вреда человеку, а солнечная энергия практически вечная и бесплатная. Использование солнечной энергии – поистине наше светлое будущее! А перспективы безграничны.

Источник