Тверской Городской Форум

Статьи, обзоры и общение

Солнце источник энергии

Содержание

Солнце и солнечная энергия

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.

Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.

Общие сведения о Солнце

Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.

Характеристики Солнца

  • Масса MS~2*1023 кг
  • RS~629 тыс. км
  • V= 1,41*1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
  • средняя плотность 1,41*103 кг/м3,
  • светимость LS=3,86*1023 кВт,
  • эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,
  • период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
  • ускорение свободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Строение Солнца

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.

Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области — солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.

Солнце – источник энергии

Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.

Исследование солнечной энергии

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×1011 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м3 воды.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии: виды и особенности гелиосистем

Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

Становились ли вы участником обсуждений альтернативной энергии? Практически каждый человек хоть что-то, но слышал об этом. И многим даже выпадало воочию наблюдать солнечные батареи или ветровые электростанции. Сейчас развитие данной сферы энергоснабжения очень важно для дальнейшего комфортного существования человечества.

Так как основную часть традиционных ресурсов, таких как полезные ископаемые, мы практически исчерпали, приходится искать более долговечные источники. Одним из таких нетрадиционных источников энергии является солнечная энергия. Этот ресурс один из наиболее распространенных и легкодоступных, поскольку солнечный свет в том или ином количестве есть в любом уголке нашей планеты. Поэтому разработки, связанные с аккумуляцией солнечной энергией, начались достаточно давно и активно проводятся и по сей день.

Как источник энергии солнечный свет отличная альтернатива традиционным ресурсам. И при грамотном использовании вполне может вытеснить все другие энергоресурсы в будущем.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Именно этот процесс запускает циркуляцию влаги на Земле. Повышение и понижение температуры влияет на образование облаков и выпадение осадков.

  • Фотосинтез. Процесс, благодаря которому поддерживается баланс углекислого газа и кислорода, образуются необходимые для развития и роста растений вещества также происходит с помощью солнечных лучей.
  • Циркуляция атмосферы. Солнце влияет на процессы перемещения воздушных масс и теплорегуляции.
  • Солнечная энергия – это основа существования жизни на Земле. Но на этом ее благотворное воздействие не заканчивается. Для человечества солнечная энергия может быть полезной как альтернативный источник энергии.

    Гелиотермальная энергетика как вид автономного питания

    В настоящее время активное развитие технологий сделало возможным преобразование энергии Солнца в другие применяющиеся человеком виды. Как возобновляемый источник энергии солнечная энергия получила широкое распространение и активно используется, как в промышленных масштабах, так и локально на небольших частных участках. И с каждым годом сфер, где применение гелиотермальной энергии является обыденным делом, становится все больше.

    Сегодня солнечный свет как источник энергии используется:

    • В сельском хозяйстве для отопления и электроснабжения различных хозяйственных построек таких, как теплицы, ангары и прочие.
    • Для обеспечения электричества в медицинских центрах и зданий спортивного назначения.
    • Для снабжения электроэнергией населенных пунктов.
    • Для обеспечения более дешевого освещения на улицах городов.
    • Для поддержания налаженной работы всех коммуникационных систем в жилых домах.
    • Для ежедневных бытовых потребностей населения.

    Исходя из этого, мы видим, что солнечная энергия в действительности может стать отличным источником питания практически в каждой сфере человеческой деятельности. Поэтому продолжение исследований в данной отрасли могут изменить привычное нынешнее существование в корни.

    Активные и пассивные системы преобразования солнечной энергии

    На сегодняшний день благодаря различным разработкам и методам солнечная энергия как альтернативный источник энергии может быть преобразована и аккумулирована разными способами. Сейчас существуют системы активного использования гелиоэнергии, и пассивные системы. В чем их суть?

    • Пассивные (подбор стройматериалов и проектировка помещений для максимального применения энергии солнечного света) по большей части направлены на использование прямой солнечной энергии. Пассивные системы – это здания, в которых проектирования происходило таким способом, чтобы как можно больше световой и тепловой энергии получать от Солнца.
    • Активные (фотоэлектрические системы, солнечные электростанции и коллекторы), в свою очередь, подразумевают действительно переработку полученной солнечной энергии в другие необходимые человеку виды.

    Оба вида подобных систем применяются в тех или иных случаях в зависимости от потребностей, которые они должны удовлетворять. Будь то строительство экологически чистого солнечного дома или установка коллектора на участке – это в любом случае даст свой результат и будет выгодным вложением.

    Солнечная электростанция как источник энергии

    Что такое солнечная электростанция? Это специально организованное инженерное сооружение, благодаря которому происходят процессы преобразования солнечной радиации для дальнейшего получения электроэнергии. Конструкции подобных станций могут быть совершенно различными в зависимости от того, какой способ переработки будет применяться.

    Разновидности солнечных электростанций:

    • СЭС, в основе сооружения которой находится башня.
    • Станция, сооружающаяся по тарельчатому типу.
    • Основанная на работе фотоэлектрических модулей.
    • Станции, работающие с применением параболоцилиндрических концентраторов.
    • С двигателем Стерлинга, взятым за основу работы.
    • Станции аэростатного типа.
    • Электростанции комбинированного типа.

    Как мы видим, солнечная электростанция как источник энергии давно перестала быть частью утопических научно-фантастических романов и активно используется во всем мире для удовлетворения энергетических потребностей общества. В ее работе существуют как явные преимущества, так и недостатки. Но их правильный баланс дает возможность получать необходимый результат.

    Плюсы и минусы солнечных электростанций

    Достоинства:

    • Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии. При этом сама по себе она общедоступная и бесплатная.
    • Солнечные установки достаточно безопасны в использовании.
    • Подобные электростанции являются полностью автономными.
    • Они отличаются экономностью и быстрой окупаемостью. Основные затраты происходят только лишь на необходимое оборудование и в дальнейшем требуют минимальных вложений.
    • Еще одна отличительная черта – это стабильность в работе. На подобных станциях практически не бывает скачков напряжения.
    • Они не прихотливы в обслуживании и достаточно просты в использовании.
    • Также для оборудования СЭС характерный долгий эксплуатационный период.

    Недостатки:

    • Как источник энергии солнечной системы очень чувствительны к климату, погодным условиям и времени суток. Подобная электростанция не будет эффективно и продуктивно работать ночью или в пасмурный день.
    • Более низкая продуктивность в широтах с яркой сменой сезонов. Максимально эффективны в местности, где количество солнечных дней в году наиболее близко к 100%.
    • Очень высокая и малодоступная стоимость оборудования для солнечных установок.
    • Потребность в проведении периодических очисток от загрязнений панелей и поверхностей. Иначе меньшее количество радиации поглощается и падает продуктивность.
    • Значительное повышение температуры воздуха в пределах электростанции.
    • Потребность в использовании местности с огромной площадью.
    • Дальнейшие трудности в процессе утилизации составляющих станции, в особенности фотоэлементов, после окончания срока их эксплуатации.

    Как и в любой производственной сфере, в переработке и преобразовании солнечной энергии есть свои сильные и слабые стороны. Очень важно, чтобы преимущества перекрывали недостатки, в таком случае работа будет оправдана.

    Сейчас большинство разработок в данной отрасли направлены на оптимизацию и улучшение функционирования и использования уже существующих методов и на разработку новых, более безопасных и продуктивных.

    Солнечная энергия – энергия будущего

    Чем дальше шагает в своем техническом развитии наше общество, тем больше источников энергии может потребоваться с каждым новым этапом. Но традиционных ресурсов становится все меньше, а цена на них растет. Поэтому люди начали активнее задумываться об альтернативных вариантах энергоснабжения. И тут пришли на помощь возобновляемые источники. Энергия ветра, воды или Солнца – это новый виток, позволяющий и дальше развиваться обществу, снабжая его необходимыми ресурсами.

    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

    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».

    Инсолятор О. Мушо

    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.

    Фотоэлемент для солнечной батареи

    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.

    Распределение солнечного излучения на карте планеты

    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.

    Солнечная батарея

    Солнечный коллектор

    Гибридная солнечная панель

    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 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

    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.

    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.

    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.

    Коллекторы чаще всего работают в составе систем горячего водоснабжения частных домов. Нагретый в них теплоноситель попадает в накопитель (бойлер), где нагревает воду. Схема практически такая же, как у электрического бойлера. Только электричество в этом случае не расходуется.

    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.

    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.

    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.

    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.

    Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

    Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

    Преобразование в электрическую энергию

    Путем применения фотоэлектрических элементов

    Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

    Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

    Путем применения термоэлектрических генераторов.

    • Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

    Преобразование в тепловую энергию

    Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

    • Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

    Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

    • Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

    Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
    Путем использования гелиотермальных установок.
    Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

    Солнечные электростанции работают в

    • Оренбургской области:
      «Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
      «Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт.
    • Республике Башкортостан:
      «Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
      «Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт.
    • Республике Алтай:
      «Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
      «Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт.
    • Республике Хакасия:
      «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
    • Белгородской области:
      «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
    • В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
    • Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

    В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

    • В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
    • В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
    • В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
    • В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
    • В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
    • В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
    • В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
    • В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
    • В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
    • В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
    • В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
    • В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
    • В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
    • В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
    • В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
    • В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

    Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
    Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.

    Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

    Перспективы

    Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.
    Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

    1. Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
    2. Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
    3. Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:
    • В 2009 году — «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
    • Помощь государства при реализации программы Международной финансовой корпорации (IFC) по развитию возобновляемых источников энергии.
    • Создание, на законодательном уровне, экономических рычагов, способствующих развитию «зеленой» энергетики, выражающихся в установлении льготных тарифов, финансовой помощи при строительстве, налоговые льготы и компенсация части кредитных затрат на строительство.

    Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.

    Солнечная энергия: история от Альфа до Омега

    С древних времен человек использовал энергию Солнца в своих бытовых нуждах: подогреть воду, зажечь огонь и т. д. Во времена начала развития физического знания по оптике люди использовали зеркала и линзы для фокусировки солнечных лучей на объект. Они конструировали несложные установки для того, чтобы поджечь сухое дерево или выпарить воду для получения соли.

    В Новое Время, когда науку перестала преследовать церковь, таких установок ставало все больше, а их качество выше. Первым самым толковым прибором для плавки чугуна и гранита было стекло с идеально ровной поверхностью. Оно было двояковыпуклой формы и могло расплавить эти твердые вещества в считанные секунды.

    После следовали изобретения, которые не только использовали солнечный свет для нагрева чего-либо, но и для превращения солнечных лучей непосредственно в механическую энергию. Хотя идея их конструкции не «перепрыгивала» этап нагрева воды: лучи грели паровой котел, а с его помощью можно было делать механическую работу. Мощности таких установок колебалились в пределах 11 кВт.

    В XIX веке было обнаружено и изучено удивительное явление – фотоэлектрический эффект. С его помощью было возможно преобразовать солнечный свет в электричество. Суть явления в том, что под действием электромагнитной волны твердое тело высвобождало электроны. На этом принципе был сконструирован первый фотоэлемент – вакуумный диод.

    Позже, в середине XX века, когда в науку ворвались полупроводниковые материалы, то ученые (в том числе Абрам Федорович Иоффе), принялись изготовлять фотоэлементы из кремния. Они были гораздо компактнее и обладали более приемлемыми характеристиками для практического применения. К сожалению, технологии изготовления полупроводниковых устройств в то время было слаборазвитым и современные академики достигли низких показателей КПД своих образцов. Использовать первые солнечные батареи оказалось целесообразно лишь на космических спутниках.

    Сегодня конструкция солнечных батарей совершенствованы и с каждым днем все шире используются. Особенно в странах, где световой день довольно длин и не слишком укорачивается с переменой времени года, солнечная энергия обеспечивает около 10% потребляемого электричества. В Сиднее в ближайшие два года планируется установить солнечные системы общей мощностью 12,5 МВт. В странах бывшего СНГ сфера развития альтернативных источников энергии на порядок заторможена, поэтому похвастаться мы ничем не можем к сожалению.

    Почему именно солнечная энергия ?

    Многие люди уже не один раз убедились в том, насколько популярной среди большинства людей, стала электроэнергия, которую человек получает именно от нашего светила, солнца. И к тому же, отдельно необходимо напомнить о том, что стоимость такой электроэнергии намного ниже, нежели стандартная электрическая энергия, которая доставляется людям от атомных и тепловых электростанций. К тому же, электроэнергия которая получается именно от солнца, абсолютно не несет никакого вреда экологии, нежели вышеупомянутые электростанции.

    Возьмем к примеру чернобыльскую АЭС, взрыв на которой нанес не только большой удар по карман государства, но и нанес невосполнимый вред как человеческому здоровью, так и нормальной жизни большинства людей который проживали не только возле очага взрыва, но и далеко за его пределами

    Именно поэтому, человечество стареться полностью заменить стандартную электроэнергию, которая вырабатывается электростанциями, на такую которая не будет нести вреда человечеству. Свое глубокое применение солнечные батареи нашли в многих областях.

    Именно поэтому, уже сейчас необходимо определиться с суммой денег, и постепенно переходить на солнечную энергетику.

    Виды альтернативных источников энергии

    Но почему же, до сих пор солнечная энергетика не внедрена по максимуму и не заменило стандартную, если она настолько дешевая? В первую очередь, потому что большая часть людей думает, что для монтажа таких систем потребуется очень много денег, и сомневаться в ее эффективности, что как раз является просто огромным тормозом. Но это очень ошибочное мнение так как уже не раз было доказано, что практически каждый человек может позволить себе установить установку такого рода источника энергии.

    Ведь уже сегодня можно наблюдать, что большая часть новых устройств, способна работать как от стандартного источника электроэнергии, так и от солнечных элементов. Что касается монтажа такого рода систем, то можете быть абсолютно уверены в том, что данную процедуру осуществлять специалисты в довольно короткое время, и скоро вы сможете безо всяких опасений испытать на себе преимущества солнечной энергии. В завершение, необходимо напомнить, что большая часть стран мира, отдают свое предпочтение именно солнечной энергетики, так как ученые доказали, что такой вид энергии, наиболее проще использовать по назначению, нежели получать электрическую энергию. Используя для этого другие источники.

    Солнечные батареи, устройство и применение

    Совсем недавно мысль о бесплатном получении электричества казалась фантастикой. Но современные технологии постоянно совершенствуются и альтернативная энергетика также развивается. Многие начинают пользоваться новыми разработками, находясь вдали от электромагистралей, обретая полную автономность, и не теряя при этом городского комфорта. Одним из таких источников электроэнергии являются солнечные батареи.
    Область применения таких батарей в основном предполагается для энергообеспечения загородных коттеджей, домов и дачных небольших поселков, которые находятся вдали от электролиний. То есть в местах, где требуются дополнительные источники электроэнергии.

    Что представляет собой батарея, работающая от солнечных лучей – это многочисленные проводники и фотоэлементы, соединенные в одну систему, которые преобразуют энергию, полученную от лучей солнца в электроток. Эффективность данной системы достигает в среднем сорок процентов, но для этого требуются подходящие погодные условия.

    Устанавливать солнечные системы имеет смысл только в тех районах, где солнечная погода составляет большинство дней в году. Также стоит учесть географическое положение дома. Но в основном при благоприятных условиях батарей существенно снижают потребление электричества из общей сети.

    Почему нужно выбрать именно солнечные батареи?

    Солнечное освещение есть в любых районах, и это дает доступ к получению бесплатного электричества.
    Полная независимость, от завышенных цен, установленных местными энергетическими магнатами, а это экономия общих средств уходящих на содержание своего дома.

    Порой дешевле обойдется установка солнечных систем, чем провести линию электропередач к удаленной ферме или небольшому поселку. Подсчитайте оплату работы техники и рабочих, также стоимость кабелей, столбов, плюс различные разрешения местных бюрократов и придете к выводу, что можно получить такую же услугу без всякой волокита и быть при этом хозяином.

    Экологическая чистота

    Основное превосходство данной системы. Фотоэлементы не имеют свойства производить выбросы канцерогенов, не могут влиять на повышение уровня парниковых газов, не загрязняет окружающую среду.
    Ненужность лицензирования. Пока государством не принято решения о наличии лицензии на право использовать фотоэлементы для получения электроэнергии — этим нужно пользоваться.
    Бесплатное электричество, экономия средств и экологическая чистота – вот три важных критерия для выбора солнечных батарей.

    Виды солнечных батарей

    Системы, работающие на солнечном тепле можно разделить на три больших вида:

    Пленочные батареи

    Выполняются из тонких натянутых на каркас пленок, легко устанавливается в удобных местах. При облачной погоде у них понижается эффективность производства электроэнергии процентов на двадцать, также при установке занимает большую площадь, но достаточно дешевая.

    Батареи монокристаллические.

    Состоят из множества отдельных ячеек залитых силиконом, благодаря этому имеют повышенную гидроизоляцию. Такие батареи с успехом применяются в судоходстве, устанавливаются на кровлях. Эффективно работают с солнечной стороны крыши, но в случае, когда нет для этого возможности, можно их расположить со стороны затененного ската, только результат отдачи энергии будет мало результативен.

    Эти батареи имеют небольшой вес и размер. Очень удобны при сборке и установке. От остальных их отличает малый вес, гибкость, компактность, долговечность и надежность.

    Батареи на основе поликристаллов.

    Отличаются способностью улавливать даже самый рассеянный свет и минимальной зависимости от прямого солнечного света. Все это благодаря кристаллам находящимся в ячейках и направленным во все стороны. Эти батареи получили самое широкое распространение из-за их надежности и эффективности по производству электричества. С успехом используются для освещения домов, административных помещений и улиц.

    Использование солнечных батарей в частном секторе.
    Батареи, работающие за счет поглощения солнечных лучей можно не только использовать в масштабе промышленности, но также с успехом применять в частном секторе. В последнее время наша промышленность наращивает производство солнечных батарей рассчитанных на длительную эксплуатацию сроком более двадцати пяти лет. Благодаря этому, цены на них стали ниже западной аналогичной продукции, и постепенно продолжают понижаться, становясь более доступными.

    Выгодно ли использование солнечных батарей вообще?

    Перед тем как решится на приобретение и установку солнечной электростанции у себя в частном доме, стоит все хорошо просчитать. Это сделать довольно просто. Сумму стоимости оборудования и его установки следует разделить на гарантийный срок 25 лет и все солнечные дни за год, и примерно станет ясно, стоит ли использовать такую установку в данном случае. Также нужно учесть площадь батарей, чтобы получить 1 кВт энергии, эту информацию можно уточнить у консультантов-продавцов в магазине, продающих солнечные батареи.

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *