Примеры использования солнечной энергии на земле. «Солнечная энергия» доклад. Современные солнечные панели и электростанции

Солнце - один из самых безопасных и неисчерпаемых источников энергии. Грамотное использование ее - вопрос экологической безопасности и экономической эффективности деятельности любой отрасли или страны. Такой источник энергии, как солнце, обладает рядом значительных преимуществ перед другими, популярными . Оно не погаснет и может подарить человеку огромное количество киловатт часов, оно экологично и экономично, Солнце доступно для любого уголка Земли и способно сохранить природные ресурсы, истощаемые с каждым вырубленным деревом и добытым килограммом угля.

Солнечная энергия восстановима, то есть может существовать без вмешательства человека в природу, в отличие от атомной энергии, солнце не сможет причинить вреда окружающей среде и сохраняет чистоту лесов и рек в первозданном виде.

Примеры использования

Возьмите в руки обычный на солнечных батареях - это самый элементарный пример использования солнечной энергии и превращения ее в электрическую, темные поверхности способны эффективно поглощать лучи и использовать энергию светила, преобразуя ее в тепловую. Специальные технологии, являющиеся передовыми достижениями в науке и технике, давно используются для сбора и хранения солнечной энергии, которая сумела успешно заменить бензин в автомобилях, отапливать и освещать дома.

Использование географических особенностей расположения тех или иных построек вкупе с современными материалами позволяет человечеству полностью перейти на энергию солнечного света при этом все современные средства связи: телевидение, интернет и прочие удобства будут продолжать функционировать в обычном режиме. Такие здания отличаются экологической чистотой и высокой экономичностью.

Специальные элементы, преобразующие солнечную энергию, успешно используются в космических технологиях, современные спутники и космические станции оборудуются специальными батареями, питающимися от лучей общего светила. Солнечная энергия весьма удобна в использовании и доступна даже в диких и наиболее удаленных уголках земного шара, где проведение коммуникаций и линий электропередач весьма затруднительно или невозможно.

Использование электрической энергии в чистом виде не всегда удобно, именно поэтому многие системы используют смешанные источники электричества, сочетая Солнце и традиционные виды энергии.

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.

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.

Кстати, очень много ресурсов на планете представляют собой производные от солнечной энергии. К примеру, ветер, который является ещё одним возобновляемым источников, не дул бы без солнца. Испарение воды и накопление её в реках также происходит под действием солнца. А вода, как известно, используется гидроэнергетике. Биотоплива также не было бы без солнца. Поэтому, помимо прямого источника энергии, солнце влияет на другие сферы энергетики.

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».

Долгое время инсоляторы выпускались по схеме, использующей энергию солнца для превращения воды в пар. И преобразованная энергия использовалась для совершения какой-либо работы. Первое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую, было создано в 1953 году в США. Оно стало прообразом современных солнечных батарей. Фотоэлектрический эффект, на котором основана их работа, был открыт ещё в 70-е годы XIX столетия.

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.

Стоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними. Поэтому их чаще всего используют в быту. Есть также целые солнечные электростанции. Как правило, они создаются в странах с большим числом солнечных дней в году. Это Израиль, Саудовская Аравия, юг США, Индия, Испания. Сейчас есть и совсем фантастические проекты. Например, солнечные электростанции вне атмосферы. Там солнечный свет ещё не потерял энергию. То есть, излучение предлагается улавливать на орбите и затем переводить в микроволны. Затем в таком виде энергия будет отправляться на Землю.

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.

Версии об источниках солнечной энергии высказывались самые разные. На данный момент специалисты утверждают, что энергии высвобождается в результате превращения четырёх атомов H2 в ядро He. Процесс протекает с выделением существенного количества энергии. Для сравнения представьте, что энергия превращения 1 грамма H2 сопоставима с той, что выделяется при сжигании 15 тонн углеводородов.

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.

Основные способы преобразования энергии солнца представлены ниже:

фотоэлектрический;
гелиотермальный;
термовоздушный;
солнечные аэростатные электростанции.

Первый способ самый распространённый. Здесь используются фотоэлектрические панели, которые под воздействием солнца вырабатывают электрическую энергию. В большинстве случаев их делают из кремния. Толщина таких панелей составляет десятые доли миллиметра. Такие панели объединяются в фотоэлектрические модули (батареи) и устанавливаются на солнце. Чаще всего их ставят на крышах домов. В принципе, ничто не мешает разместить их на земле. Нужно, только чтобы вокруг них не было крупных предметов, других зданий и деревьев, которые могут отбрасывать тень.

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

Термовоздушный способ преобразования подразумевает получение энергию потока воздуха. Этот поток направляется на турбогенератор. В аэростатных электростанциях под действием солнечной энергии в аэростатном баллоне генерируется водяной пар. Поверхность аэростата покрывается специальным покрытием, поглощающим солнечные лучи. Такие электростанции способны работать в пасмурную погоду и в тёмное время суток благодаря запасу пара в аэростате.

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.

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.

Без энергии невозможна жизнь на планете. Физический закон сохранения энергии говорит о том, энергия не может возникнуть из ничего и не исчезает бесследно. Она может быть получена из природных ресурсов, таких как уголь, природный газ или уран, и превращена в удобные для нас формы, например, в тепло или свет. В окружающем нас мире можем находить различные формы накопления энергии, но важнейшим для человека является энергия, которую дают солнечные лучи- солнечная энергия.

Солнечная энергия относится к восстанавливаемым источникам энергии, то есть восстанавливается без участия человека, естественным путем. Это один из экологически безопасных энергетических источников, который не загрязняет окружающую среду. Возможности применения солнечной энергии практически неограниченны и ученые всего мира работают над разработкой систем, которые расширяют возможности использования солнечной энергии .

Один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт энергии. Это примерно соответствует мощности работы 1 миллиона электрических ламп. Впечатляет такая цифра — Солнце дает Земле ежесекундно 80 тысяч миллиардов кВт, т.е в несколько раз больше, чем все электростанции мира. Перед современной наукой стоит задача — научиться наиболее полно и эффективно использовать энергию Солнца, как наиболее безопасную. Ученые считают, что повсеместное использование солнечной энергии — это будущее человечества.

Мировые запасы открытых месторождений угля и газа, при таких темпах их использования, как сегодня, должны истощиться в ближайшие 100 лет. Подсчитано, что в еще не разведанных месторождениях запасов горючих ископаемых хватило бы на 2-3 столетия. Но при этом наши потомки были бы лишены этих энергоносителей, а продукты их сгорания нанесли бы колоссальный ущерб окружающей среде.

Огромный потенциал имеет атомная энергия. Однако, Чернобыльская авария в апреле 1986 года показала, какие серьезные последствия может повлечь использование ядерной энергии. Общественность всего мира признала, что использование атомной энергии в мирных целях экономически оправдано, но следует соблюдать строжайшие меры безопасности при ее использовании.

Следовательно, наиболее чистый, безопасный источник энергии — Солнце!

Солнечная энергия может быть преобразована в полезную энергию посредством использования активных и пассивных солнечных энергетических систем.

Пассивные системы использования солнечной энергии.

Самый примитивный способ пассивного использования солнечной энергии — это окрашенная в темный цвет емкость для воды. Темный цвет, аккумулируя солнечную энергию , превращает ее в тепловую — вода нагревается.

Однако, есть более прогрессивные методы пассивного использования солнечной энергии . Разработаны строительные технологии, которые при проектировании зданий, учета климатических условий, подбора строительных материалов максимально используют солнечную энергию для обогрева или охлаждения, освещения зданий. При таком проектировании сама конструкция здания является коллектором, аккумулирующей солнечную энергию .

Так, в 100г н.э Плиний Младший построил небольшой дом на севере Италии. В одной из комнат окна сделаны из слюды. Оказалось, что эта комната теплее других и на ее обогрев требовалось меньше дров. В этом случае слюда являлась как изолятор, задерживающий тепло.

Современные строительные конструкции учитывают географическое положение зданий. Так, большое количество окон, выходящие на южную сторону, предусматривают в северных регионах, чтобы поступало больше солнечного света и тепла, и ограничивают количество окон с восточной и западной стороны, чтобы ограничить поступление солнечного света летом. В таких зданиях ориентация окон и расположение, тепловая нагрузка и теплоизоляция — единая конструкторская система при проектировании.

Такие здания экологически чистые, энергетически независимые и комфортные. В помещениях много естественного света, более полно ощущается связь с природой, к тому же существенно экономится электроэнергия. Тепло в таких зданиях сохраняется благодаря подобранным теплоизоляционным материалам стен, потолков, полов. Такие первое «солнечные» здания приобрели огромную популярность в Америке после Второй мировой войны. Впоследствии, из-за снижения цен на нефть, интерес к проектировке таких зданий несколько угас. Однако, сейчас, в связи с глобальным экологическим кризисом, наблюдается рост внимания к экологическим проектам с возобновляющимся энергетическим системам возросла вновь.

Активные системы использования солнечной энергии

В основе активных систем использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы. Коллектор, поглощая солнечную энергию , преобразует ее в тепло, которое через теплоноситель обогревает здания, нагревает воду, может преобразовать его в электрическую энергию и т.д. Солнечные коллекторы могут применятся во всех процессах в промышленности, сельском хозяйстве, бытовых нуждах, где используется тепло.

Виды коллекторов

воздушный солнечный коллектор

Это простейший вид солнечных коллекторов. Его конструкция предельно проста и напоминает эффект обычной теплицы, которая есть на любом дачном участке. Проведите небольшой эксперимент. В зимний солнечный день положите на подоконник любой предмет так, чтобы на него падали солнечные лучи и через некоторое время положите на него ладонь. Вы почувствуете, что этот предмет стал теплым. А за окном может быть — 20! Вот на этом принципе и основана работа солнечного воздушного коллектора.

Основной элемент коллектора — теплоизолированная пластина, сделанная из любого материала, который хорошо проводит тепло. Пластина окрашена в темный цвет. Солнечные лучи проходят через прозрачную поверхность, нагревают пластину, а потом потоком воздуха передают тепло в помещение. Воздух проходит благодаря естественной конвенции или при помощи вентилятора, что улучшает теплопередачу.

Однако, недостаток работы этой системы в том, что требуются дополнительные расходы на работу вентилятора. Эти коллекторы работают в течении светового дня, поэтому не могут заменить основной источник отопления. Однако, если вмонтировать коллектор в основной источник отопления или вентиляции, его КПД несоизмеримо возрастает. Солнечные воздушные коллекторы могут использоваться и для опреснения морской воды, что снижает ее себестоимость до 40 евроцентов за куб м.

Солнечные коллекторы могут быть плоскими и вакуумными.

плоский солнечный коллектор

Коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечную энергию, покрытия (стекло с пониженным содержанием металла) , трубопровода и термоизолирующего слоя. Прозрачное покрытие защищает корпус от неблагоприятных климатических условий. Внутри корпуса панель поглотителя солнечной энергии (абсорбера) соединена с теплоносителем, который циркулирует по трубам. Трубопровод может быть как в виде решетки, так и в виде серпантина. Теплоноситель движется по ним от входных до выходных патрубков, постепенно нагреваясь. Панель поглотителя изготавливается из металла, хорошо проводящему тепло (алюминий, медь).

Коллектор улавливает тепло, превращая его в тепловую энергию. Такие коллекторы можно вмонтировать в крышу или расположить на крыше здания, а можно расположить их отдельно. Это придаст дизайну участка современный вид.

Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. Основным элементом коллекторов являются вакуумные трубки. Каждая из них состоит из двух стеклянных труб. Трубы изготавливают из боросиликатного стекла, причем внутренняя покрыта специальным покрытием, которое обеспечивает поглощение тепла с минимальным отражением. Из пространства между трубками выкачан воздух,. Для поддержания вакуума используется бариевый газопоглотитель. В исправном состоянии вакуумная трубка имеет серебристый цвет. Если она выглядит белой, то это значит, что вакуум исчез и трубку надо заменить.

Вакуумный коллектор состоит из комплекса вакуумных трубок (10-30) и осуществляет передачу тепла в накопительный резервуар через незамерзающую жидкость (теплоноситель). КПД вакуумных коллекторов высок:

— при облачной погоде, т.к. вакуумные трубки могут поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака

— могут работать при минусовых температурах.

Солнечные батареи.

Солнечная батарея — это набор модулей, воспринимающих и преобразующих солнечную энергию, в том числе и тепловых. Но этот термин традиционно закрепился за фитоэлектрическими преобразователями. Поэтому, говоря «солнечная батарея» подразумеваем фитоэлектрическое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую.

Солнечные батареи способны генерировать электрическую энергию постоянно или аккумулировать ее для дальнейшего использования. Впервые фотоэлектрические батареи были применены в на космических спутниках.

Достоинство солнечных батарей — максимальная простота конструкции, простой монтаж, минимальные требования к облуживанию, большой срок эксплуатации. При установке не требуют дополнительного места. Единственное условие — не затенять их в течении длительного времени и удалять пыль с рабочей поверхности. Современные солнечные батареи способны сохранять работоспособность в течении десятилетий! Трудно найти систему настолько безопасную, эффективную и с таким длительным сроком действия! Они вырабатывают энергию в течении всего светового дня, даже в пасмурную погоду.

Солнечные батареи имеют свои недостатки в применении:

— чувствительность к загрязнениям. (Если расположить батарею под углом 45 градусов, то она будет очищена дождями или снегом, тем самым не потребуется дополнительного обслуживания)

— чувствительность к высокой температуре. (Да, при нагреве до 100 — 125 градусов солнечная батарея может даже отключиться и может потребоваться система охлаждения. Вентиляционная систстема при этом затратит малую долю вырабатываемой батареей энергии. В современных конструкциях солнечных батарей предусмотрена система оттока горячего воздуха.)

— высокая цена. (Принимая во внимание длительный срок службы солнечных батарей, то она не только окупит затраты на ее приобретение, но и сэкономит средства при потреблении электроэнергии, сэкономит тонны традиционных видов топлива при том экологически безопасна)

Использование солнечных энергетических систем в строительстве.

В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах. Эти здания используют тихий, надежный и безопасный источник энергии — Солнце. Солнечная энергия используется для освещения, отопления помещений, охлаждения воздуха, вентиляции, производства электроэнергии.

Представляем несколько инновационных архитектурных проектов с использованием солнечных систем.

Фасад этого здания сконструирован из стекла, железа, алюминия с встроенными аккумуляторами солнечной энергии. Производимой энергии достаточно, чтобы не только обеспечить жителей дома автономным горячим водоснабжением и электричеством, но и освещать улицу 2,5 км в течении года.

Этот дом спроектировала группа американских студентов. Проект был представлен на конкурс «Проектирование, строительство домов и эксплуатация солнечных батарей». Условия конкурса: представить архитектурный проект жилого дома при его экономической эффективности, энергосбережении и привлекательности. Авторы проекта доказали, что их проект доступен, привлекателен для потребителя, сочетает превосходный дизайн и максимальную эффективность. (перевод с сайта www.solardecathlon.gov)

Использование систем солнечной энергии в мире.

Системы использования солнечной энергии совершенны и экологически безопасны. Во всем мире на них огромный спрос. Во всем мире люди начинают отказываются от использования традиционных видов топлива из-за роста цен на газ и нефть. Так, в Германии в 2004г. 47% домов имели солнечные коллекторы для нагрева воды.

Во многих странах мира разработаны государственные программы развития использования солнечной энергии . В Германии это программа «100 000 солнечных крыш», в США аналогичная программа «Миллион солнечных крыш». В 1996г. архитекторы Германии, Австрии, Великобритании, Греции и др. стран разработали Европейскую хартию о солнечной энергии в строительстве и архитектуре. В Азии лидирует Китай, где на основе современных технологий внедряются системы солнечных коллекторов в строительство зданий и использование солнечной энергии в промышленности.

Факт, который говорит о многом: одним из условий вступления в Евросоюз является рост доли альтернативных источников в энергосистеме страны. В 2000г. в мире работало 60 млн кв км солнечных коллекторов, к 2010г из площадь возросла до 300 млн кв км.

Эксперты отмечают, рынок систем солнечной энергии на территории России, Украины и Белоруссии только формируется. Солнечные системы никогда не производились в больших масштабах, потому что сырьевые ресурсы были настолько дешевы, что дорогостоящее оборудование гелиосистем было не востребовано… Выпуск коллекторов, в России, например, почти полностью прекращен.

В связи с подорожанием традиционных энергоносителей, наметилось оживление интереса с применению солнечных систем. В ряде регионов этих стран, испытывающих дефицит энергоресурсов, принимаются локальные программы по использованию гелиосистем, но широкому потребительскому рынку солнечные системы практически не знакомы.

Главная причина медленного развития рынка продажи и использования солнечных систем является, во-первых, их высокая начальная стоимость, во-вторых, недостаток информации о возможностях солнечных систем, передовых технологиях их использования, о разработчиках и изготовителях гелиосистем. Все это не может дать возможности правильно оценить эффективность применения систем, работающих на солнечной энергии .

Надо иметь в виду, что солнечный коллектор — не конечная продукция. Для получения конечной продукции — тепла, электроэнергии, горячей воды — надо пройти путь от проектирования, монтажа до пуска гелиосистем. Небольшой имеющийся опыт использования солнечных коллекторов показывает, что эта работа не сложнее монтажа традиционного отопления, но экономическая эффективность значительно выше.

В Белоруссии, России, на Украине есть множество фирм, занимающиеся проектировкой и монтажом оборудования отопления, но приоритет имеют сегодня традиционные энергоносители. Развитие экономических процессов, мировой опыт использования систем солнечной энергии показывает, что будущее за альтернативными источниками энергии. На ближайшее будущее можно отметить, что гелиосистемы являются новой, практически не занятой позицией нашего рынка.

На сегодняшний день проблема расхода энергии стоит достаточно остро - ресурсы планеты не бесконечны и за время своего существования человечество изрядно опустошило то, что было дано природой. На данный момент активно проводится добыча угля и нефти, запасы которых с каждым днем становятся все меньше. позволила человечеству сделать невероятный шаг в будущее и использовать атомную энергию, привнеся вместе с этим благом огромную опасность для всей окружающей среды.

Не менее остро стоит вопрос экологический - активная добыча ресурсов и их дальнейшее использование пагубно сказывается на состоянии планеты, изменяя не только природу почв, но даже климатические условия.

Именно поэтому особенное внимание всегда уделялось естественным источникам энергии, таким, к примеру, как вода или ветер. Наконец, спустя столько лет активных исследований и разработок человечество «доросло» до использования энергии Солнца на Земле. Именно о нем и пойдет далее речь.

Что в этом привлекательного

Прежде чем переходить к конкретным примерам, выясним, чем же так сильно заинтересовал этот вид добычи энергии исследователей всего мира. Основным его достоянием можно назвать неисчерпаемость. Несмотря на многочисленные гипотезы, вероятность того, что звезда вроде Солнца погаснет в ближайшее время, крайне мала. Значит, перед человечеством открыта возможность получать чистую энергию совершенно естественным путем.

Второе несомненное преимущество использования энергии Солнца на Земле заключается в экологичности этого варианта. Воздействие на окружающую среду при таких условиях будет нулевым, что в свою очередь обеспечивает всему миру куда более светлое будущее, нежели то, которое открывается при постоянной добыче ограниченных подземных ресурсов.

Наконец, следует уделить отдельное внимание тому факту, что Солнца представляет наименьшую опасность для самого человека.

Как на самом деле

Теперь перейдем к сути. Под несколько поэтичным названием «солнечная энергия» скрывается на самом деле преобразование радиации в электричество при помощи специально разработанных технологий. Данный процесс обеспечивают фотоэлектрические элементы, которые человечество чрезвычайно активно использует в своих целях, причем достаточно успешно.

Солнечная радиация

Так уж сложилось исторически, что существительное «радиация» вызывает у человека скорее негативные ассоциации, нежели позитивные в связи с теми техногенными катастрофами, которые миру удалось пережить на своем веку. Тем не менее технология использования энергии Солнца на Земле предусматривает работу именно с ней.

По сути, данный вид радиации представляет собой электромагнитное излучение, диапазон которого находится в промежутке от 2,8 до 3,0 мкм.

Столь успешно используемый человечеством солнечный спектр состоит на самом деле из трех видов волн: ультрафиолетовых (примерно 2%), примерно 49% составляют световые волны и, наконец, еще столько же приходится на Солнечная энергия имеет небольшое количество других составляющих, однако роль их столь незначительна, что особого воздействия на жизнь Земли они не имеют.

Количество солнечной энергии, попадающей на Землю

Теперь, когда состав используемого на благо человечества спектра определен, следует отметить еще одну важную особенность данного ресурса. Использование солнечной энергии на Земле кажется весьма перспективным еще и потому, что она доступна в довольно большом количестве при практически минимальных затратах на переработку. Общее количество излучаемой звездой энергии чрезвычайно велико, однако до поверхности Земли доходит примерно 47%, что равно семистам квадриллионам киловатт-часов. Для сравнения отметим, что всего один киловатт-час сможет обеспечить десятилетнюю работу лампочки мощностью в сто ватт.

Мощность излучения Солнца и использование энергии на Земле, конечно, зависит от целого ряда факторов: климатических условий, угла падения лучей на поверхность, времени года и географического положения.

Когда и сколько

Несложно догадаться, что суточное количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, постоянно меняется, поскольку напрямую зависит от положения планеты по отношению к Солнцу и движения самого светила. Давно известен тот факт, что в полдень излучение максимально, в то время как утром и вечером количество достигающих поверхности лучей значительно меньше.

С уверенностью можно говорить о том, что использование энергии Солнца будет наиболее продуктивно в регионах, максимально приближенных к экваториальной полосе, поскольку именно там разница между высшими и низшими показателями минимальна, что говорит о максимальном количестве радиации, достигающей поверхности планеты. К примеру, на территории пустынных африканских участков годовое количество излучения достигает в среднем 2200 киловатт-часов, в то время как на территории Канады или, к примеру, Центральной Европы показатели не превышают 1000 киловатт-часов.

Солнечная энергетика в истории

Если мыслить максимально широко, попытки «приручить» великое светило, согревающее нашу планету, начались еще в глубокой древности во времена язычества, когда каждая стихия была воплощена отдельным божеством. Однако, конечно, тогда об использовании солнечной энергии даже речи быть не могло - в мире царила магия.

Тема использования энергии Солнца на Земле стала активно подниматься только в конце XIV - начале ХХ века. Настоящий прорыв в науке был совершен в 1839 году Александром Эдмоном Беккерелем, которому удалось стать первооткрывателем фотогальванического эффекта. Изучение данной темы значительно усилилось, и уже через 44 года Чарльз Фриттс смог сконструировать первый в истории модуль, в основе которого был позолоченный селен. Такое использование энергии Солнца на Земле давало небольшое количество высвобождаемого электричества - общее количество выработки тогда составило не более 1%. Тем не менее для всего человечества это стало настоящим прорывом, открывшим новые горизонты науки, о которых ранее не приходилось даже мечтать.

Весомый вклад в развитие солнечной энергетики внес в свое время сам Альберт Эйнштейн. В современном мире имя ученого чаще связывают с его знаменитой теорией относительности, однако на самом деле Нобелевской премии он был удостоен именно за изучение

До наших дней технология использования энергии Солнца на Земле переживает то стремительные взлеты, то не менее стремительные падения, однако эта отрасль знаний постоянно пополняется новыми фактами, и можно надеяться, что уже в обозримом будущем перед нами откроется дверь в совершенно новый мир.

Природа против нас

О достоинствах использования энергии Солнца на Земле мы уже говорили. Теперь обратим внимание на недостатки данного метода, которых, к сожалению, не меньше.

Из-за прямой зависимости от географического положения, климатических условий и движения Солнца выработка солнечной энергии в достаточном количестве требует огромных территориальных затрат. Суть заключается в том, что чем больше будет площадь потребления и переработки солнечной радиации, тем большее количество экологически чистой энергии мы получим на выходе. Размещение же таких огромных систем требует большого количества свободной площади, что вызывает определенные затруднения.

Еще одна проблема, касающаяся использования энергии Солнца на Земле, заключается в прямой зависимости от времени суток, поскольку выработка ночью будет нулевой, а в утреннее и вечернее время крайне незначительной.

Дополнительным фактором риска является сама погода - резкие смены условий могут крайне негативно сказаться на работе такого рода системы, поскольку вызывают затруднения в отладке необходимой мощности. В некотором смысле ситуации с резкой сменой количества поглощения и выработки могут быть опасными.

Чисто, но дорого

Использование солнечной энергии на Земле затруднительно на данный момент из-за ее дороговизны. Фотоэлементы, необходимые для осуществления основных процессов, имеют достаточно высокую стоимость. Конечно, положительные стороны использования такого рода ресурса делают его окупаемым, однако с экономической точки зрения на данный момент не приходится говорить о полной окупаемости денежных затрат.

Тем не менее, как показывает тенденция, цена на фотоэлементы постепенно падает, так что со временем данная проблема может быть полностью решена.

Неудобство процесса

Использование Солнца как источника энергии представляет затруднение еще и потому, что данный способ обработки ресурсов довольно трудоемок и неудобен. Потребление и переработка радиации напрямую зависят от чистоты пластин, которую обеспечить довольно проблематично. Кроме того, крайне негативно на процессе сказывается и нагревание элементов, которое можно предотвратить только использованием мощнейших систем охлаждения, что требует дополнительных материальных затрат, причем немалых.

Кроме того, пластины, используемые в гелиоколлекторах, после 30 лет активной работы постепенно приходят в негодность, а о стоимости фотоэлементов говорилось ранее.

Экологический вопрос

Ранее говорилось, что использование такого рода ресурса сможет избавить человечество от достаточно серьезных проблем с окружающей средой в будущем. Источник ресурсов и конечный продукт действительно экологически максимально чисты.

Тем не менее использование энергии Солнца, принцип работы гелиоколлекторов заключается в применении специальных пластин с фотоэлементами, для изготовления которых требуется масса ядовитых веществ: свинца, мышьяка или калия. Само их использование вреда окружающей среде не приносит, однако, учитывая ограниченный срок их эксплуатации, со временем утилизация пластин может стать серьезной проблемой.

Для ограничения негативного воздействия на экологию производители постепенно переходят на тонкопленочные пластины, которые имеют более низкую стоимость и менее пагубно сказываются на окружающей среде.

Способы преобразования радиации в энергию

Фильмы и книги о будущем человечества дают нам почти всегда примерно одинаковую картину данного процесса, которая, по сути, может существенно отличаться от действительности. Существует несколько способов преобразования.

Самым распространенным можно назвать уже описанное ранее задействование фотоэлементов.

В качестве альтернативы человечество активно использует гелиотермальную энергетику, основанную на нагреве специальных поверхностей, который позволяет при должном направлении полученной температуры нагревать воду. Если упростить данный процесс максимально, его можно сравнить с баками, которые используются для летнего душа в домах частного сектора.

Еще одним способом применения излучения для выработки энергии является «солнечный парус», который может действовать только в Такого рода система преобразует радиацию в

Проблема отсутствия выработки в ночное время суток частично решается солнечными аэростатными электростанциями, работа которых продолжается благодаря аккумуляции выделяемой энергии и длительности процесса остывания.

Мы и солнечная энергия

Ресурсы энергии солнца и ветра на Земле используются довольно активно, хотя мы часто и не замечаем этого. Ранее уже упоминалось простонародное нагревание воды в летнем душе. По сути, чаще всего солнечная энергия используется именно для этих целей. Тем не менее есть масса других примеров: почти в каждом магазине осветительной техники можно найти накопительные лампочки, которые могут работать без электрического тока даже ночью благодаря энергии, аккумулированной за день.

Установки на основе фотоэлементов активно используются на всевозможных насосных станциях и вентиляционных системах.

Вчера, сегодня, завтра

Один из важнейших ресурсов для человечества - солнечная энергия, и перспективы ее использования чрезвычайно велики. Данная отрасль активно финансируется, расширяется и совершенствуется. Сейчас солнечная энергетика максимально развита в США, где некоторые регионы используют ее как полноценный альтернативный источник питания. Так же электростанции такого типа работают в Другие же страны давно взяли курс на данный вид получения электроэнергии, что в скором времени, возможно, решит проблему загрязнения окружающей среды.

Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.

Где используется солнечная энергия

Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.

Вообще же использование солнечной энергии очень востребовано в таких областях, как:

Сельское хозяйство;
Энергоснабжение санаториев и пансионатов;
Космическая отрасль;
Природоохранная деятельность и экотуризм;
Электрификация отдаленных и сложнодоступных регионов;
Уличное, садовое и декоративное освещение;
Сфера ЖКХ (ГВС, придомовое освещение);
Мобильная техника (гаджеты и зарядные модули на солнечных батареях).

Ранее энергия солнца использовалась главным образом в космической отрасли (энергоснабжение спутников, станций и т.д.) и в промышленности, но со временем альтернативную энергетику начали активно развивать и в быту. Одними из первых объектов, оснащенных солнечными установками, стали южные пансионаты и санатории, особенно расположенные в уединенных районах.

Солнечные установки и их преимущества

Успешное применение первых гелиомодулей доказало, что энергия солнечных лучей обладает массой преимуществ перед традиционными источниками. Ранее главными достоинствами гелиоустановок называли лишь экологичность и неисчерпаемость (а также бесплатность) солнечного света.

Но на самом деле список достоинств гораздо шире:

Автономность, так как не требуется никаких внешних энергокоммуникаций;
Стабильность подачи питания, в силу специфики солнечный ток не подвержен скачкам напряжения;
Экономичность, так как средства тратятся только один раз, при монтаже установки;
Солидный ресурс эксплуатации (свыше 20 лет);
Всесезонное использование, солнечные установки эффективно работают даже в морозы и облачную погоду (с незначительным снижением КПД);
Простота и удобство сервисного обслуживания, так как требуется только изредка очищать лицевые стороны панелей от загрязнений.

Единственным недостатком можно назвать только зависимость от солнца и тот факт, что такие установки не работают ночью. Но эта проблема решается за счет подключения специальных аккумуляторов, в которых накапливается выработанная за день энергия солнечного света.

Фотоэнергия

Фотоэнергия – это один из двух способов использования излучения солнца. Это постоянный ток, вырабатываемый под действием солнечных лучей. Происходит такое преобразование в так называемых фотоячейках, которые, по сути, представляют собой двухслойную структуру из двух полупроводников разного типа. Нижний полупроводник относится к p-типу (с недостатком электронов), верхний – к n-типу с избытком электронов.

Электроны n-проводника поглощают энергию падающих на них лучей солнца и покидают свои орбиты, причем энергетического импульса достаточно для того, чтобы они перешли в зону p-проводника. При этом образуется направленный электронный поток, называемый фототоком. Иными словами, вся структура работает как своеобразные электроды, в которых под воздействием солнца генерируется электроэнергия.

Для производства таких фотоячеек применяют кремний. Объясняется это тем, что кремний во-первых, широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует больших затрат.

Фотоячейки из кремния бывают:

Монокристаллическими. Изготавливаются из монокристаллов и отличаются равномерной структурой с чуть более высоким КПД (примерно 20%), но при этом дороже стоят.
Поликристаллическими. Имеют неравномерную структуру за счет использования поликристаллов и несколько более низкий КПД (15-18%), но гораздо дешевле моновариантов.
Тонкопленочными. Изготавливаются методом напыления аморфного кремния на тонкопленочную подложку. Отличаются гибкой структурой и самой низкой себестоимостью производства, однако имеют вдвое больше габариты по сравнению с кристаллическими аналогами той же мощности.

Сферы применения каждого типа ячеек весьма обширны и определяются их эксплуатационными особенностями.

Солнечные коллекторы

Гелиоколлекторы также используются как преобразователи солнечной энергии, но принцип их действия совершенно иной. Они преобразуют падающий свет не в электрическую, а в тепловую энергию за счет нагрева жидкого теплоносителя. Применяют их либо для ГВС, либо для отопления домов. Главный элемент любого коллектора – абсорбер, он же – теплопоглотитель. Абсорбер представляет собой либо плоскую пластину, либо трубчатую вакуумированную систему, внутри которой циркулирует теплоноситель (это или простая вода, или антифриз). Причем абсорбер обязательно красится в черный цвет специальной краской для увеличения коэффициентов поглощения.

Именно по типу абсорберов коллекторы делят на плоские и вакуумные. У плоских теплопоглотитель выполняют в виде металлической пластины, к которой снизу припаян металлический же змеевик с теплоносителем. У вакуумных абсорбер изготавливается их нескольких соединенных между собой на концах стеклянных трубок. Трубки делают двойными, между стенками создают вакуум, а внутри помещают стержень с теплоносителем. Все стержни сообщаются между собой посредством специальных соединителей в местах стыков труб.

Абсорберы обоих типов помещают в прочный легкий корпус (обычно – из алюминия или ударопрочных пластиков) и надежно теплоизолируют от стенок. Лицевая же сторона корпуса закрывается прозрачным ударостойким стеклом с максимальной проницаемостью для фотонов. Это обеспечивает лучшее поглощение солнечной энергии.

Особенности функционирования

Принцип работы обоих типов коллекторов аналогичен. Нагреваясь в коллекторе до высоких температур, теплоноситель проходит по соединительным шлангам в теплообменный бак, который наполнен водой. Через бак он проходит по змеевидной трубке, отдавая свое тепло воде. Остывший теплоноситель выходит из бака и подается обратно в коллектор. По сути, это – своеобразный «солнечный» кипятильник», только вместо нагревательной спирали используется змеевик в баке, а вместо электросети – солнечный свет.

Конструктивные различия определяют и разницу в применении вакуумных и плоских коллекторов. Использование солнечного излучения при помощи вакуумных моделей возможно круглый год, в том числе и зимой, и в межсезонье. Плоские же варианты лучше работают в летний период. Однако они дешевле и проще вакуумных, поэтому оптимально подходят именно для сезонных целей.

Солнечная энергия в городах (экодома)

Гелиоэнергетика активно применяется не только для частных домов, но и для городских строений. Как человек использует солнечную энергию в мегаполисах, догадаться не сложно. Она также применяется для обогрева и ГВС зданий, причем нередко – целых кварталов.

В последние годы активно развиваются и воплощаются концепции экодомов, полностью работающих на альтернативных источниках энергии. В них используются комбинированные системы, обеспечивающие эффективное получение солнечной, ветровой и тепловой энергии земли. Нередко такие дома не только целиком покрывают свои энергетические нужды, но и передают излишки в городские сети. Причем совсем недавно проекты таких экозданий появились и в России.

Гелиостанции и их виды

В южных регионах с высокой инсоляцией строят не просто отдельные гелиоустановки, но целые станции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Количество солнечной энергии, производимое ими, весьма велико и многие страны с подходящим климатом уже начали постепенный перевод всей энергосистемы на такой альтернативный вариант. По принципу работу станции делят на фототермические и фотоэлектрические. Первые работают по методу коллекторов и подают в дома разогретую воду для ГВС, вторые же вырабатывают непосредственно электричество.

Существует несколько видов гелиостанций:

Башенные. Позволяют получать сверхнагретый водяной пар, подаваемый на генераторы. В центре станции базируется башня с водным резервуаром, вокруг нее размещают гелиостаты (зеркальные), которые фокусируют лучи на резервуаре. Это достаточно эффективные станции, главный их недостаток – сложность точного позиционирования зеркал.
Тарельчатые. Состоят из приемника гелиоэнергии и отражателя. Отражатель – тарелкообразное зеркало, концентрирующее излучение на приемнике. Такие концентраторы солнечной энергии располагаются на небольшом удалении от приемника, а их количество определяется требуемой мощностью установки.
Параболические. Трубки с теплоносителем (обычно – маслом) помещают в фокусе длинного параболического зеркала. Разогретое масло отдает тепло воде, та вскипает и вращает генераторы.
Аэростатные. По сути, это самые эффективные и мобильные гелиостанции на Земле. Их главный элемент – аэростат с фотоэлектрическим слоем, наполненный водяным паром. Он поднимается высоко в атмосферу (обычно выше облаков). Разогретый пар из шара по гибкому паропроводу подается на турбину, на выходе из нее конденсируется и вода насосом поднимается обратно в шар. Попав в шар, вода испаряется и цикл продолжается.
На фотобатареях. Это уже привычные всем установки на солнечных батареях, которые используются для частных домов. Они обеспечивают получение электроэнергии и подогрев воды в нужных объемах.

Сегодня разного рода гелиостанции (в том числе и комбинированные, объединяющие несколько типов) играют все большую роль в энерговыработке многих стран. А некоторые государства перестраивают свою энергетику таким образом, чтобы через несколько лет вообще практически полностью перейти на альтернативные системы.

Возможно, будет полезно почитать: