Недостатки солнца как источника энергии

Плюсы и минусы солнечной энергии

Как снабжать человечество электроэнергией без вреда для окружающей среды – главный вопрос, которым не так давно задавались современные исследователи. Мы уже научились добывать энергию с помощью сооружения волновых, приливных, геотермальных, ветряных и солнечных электростанций. Прогресс технологий подарил нам уникальную возможность использовать Солнце с помощью установленной системы либо же портативных батарей в индивидуальных целях. В этой статье мы рассмотрим плюсы и минусы солнечной энергии, а также коротко расскажем о том, что собой представляют гелиопанели и где их используют.

Устройство солнечных батарей

Возможность использования солнечной энергии подарила нам такая наука, как гелиоэнергетика. Именно она исследует и разрабатывает устройства, которые занимаются преобразованием излучения Солнца в электрическую и тепловую энергию.

К таким устройствам относится солнечная батарея. Это плоская, с защитным покрытием конструкция из фотоэлементов, являющихся полупроводниками. Они обеспечивают процесс преобразования солнечной энергии в электрическую. Благодаря разнообразию размеров, их применяют в различных сферах жизнедеятельности.

Например, для обеспечения электричеством частного дома потребуется установка, которая включает следующие составляющие:

С помощью инвертора постоянный ток, который создается в ясный день, проходит процесс преобразования в переменный, а далее распределяется на потребителей электричества. Нерасходуемое электричество накапливается в аккумуляторах и используется ночью или в непогоду. Контроллер следит за зарядом аккумуляторов.

Рассмотрим подробно плюсы и минусы солнечных батарей.

Преимущества

Использование солнечных батарей имеет следующие преимущества:

доступность источника энергии;
постоянное и независимое энергоснабжение;
бесплатное потребление;
экологичность;
бесшумность;
высокая износостойкость.

Каждое из этих достоинств мы опишем более подробно.

Доступность источника энергии

Солнце освещает практически каждый участок поверхности Земли. Поэтому человек может воспользоваться преимуществами использования солнечной энергии. Также следует отметить, что потенциал этого типа энергии в рамках всемирного масштаба многократно превышает потребность в ней.

Постоянное и независимое энергоснабжение

В отличие от полезных ископаемых, энергия Солнца неисчерпаемая и всеобъемлющая. Конечно, как и все на нашей планете имеет свой конец, так и Солнце может иссякнуть. Но когда это произойдет – никто наверняка не знает. Помимо этого, ни солнечная панель, ни сам источник не требует каких-либо затрат на содержание. Этот факт делает вас абсолютно независимым от цен и транспортировки электроснабжения.

Бесплатное потребление

Как мы уже упоминали, Солнце – источник бесплатной энергетики. Некоторые затраты потребуются лишь на установку системы, которая обеспечит вас электричеством. Но в данном случае их можно отнести к долгосрочным инвестициям.

Экологичность

Глобальное потепление – серьезная проблема. Использование солнечных батарей помогает снизить расход природных ресурсов, а их производство и принцип работы не сопровождаются выбросом вредных веществ в атмосферу. Поэтому они являются абсолютно экологичными.

При установке системы, перерабатывающей солнечную энергию в электричество, вы можете быть уверенны в ее безопасности для окружающей среды и своих родных и близких.

Бесшумность

Генерация электроэнергии происходит совершенно бесшумно по причине отсутствия движущихся деталей в конструкции солнечных панелей. Устанавливая систему на крыше своего дома, можно не беспокоиться о постоянном гуле, который, например, издают электрические столбы.

Высокая износостойкость

Срок службы такой системы электроснабжения составляет около 25 лет. С течением времени КПД панелей начинает снижаться. В виду простоты конструкции, ее всегда можно заменить на новую.

Недостатки использования солнечных батарей

Солнечная энергия, а именно ее использование, предусматривает также и минусы, не смотря на вышеописанные плюсы.

К недостаткам относят следующие факторы:

высокая цена;
низкий КПД;
большая площадь, занимаемая системой;
зависимость работы от погодных условий.

Стоимость монтажа системы, которая сможет удовлетворить индивидуальные потребности человека, непомерно высока. Не говоря уже о том, чтобы снабдить электроэнергией целый дом. Это объясняется следующим пунктом.

Низкий КПД

Продуктивность солнечных батарей намного ниже, по сравнению с традиционными источниками электроэнергии. Например, панель средней работоспособности, площадью в 1 м 2 производит мощность около 120 Вт. Этого должно хватить только для зарядки планшета или телефона. Из этого вытекает следующий пункт.

Большая площадь, занимаемая системой

Чтобы обеспечить ваши минимальные потребности в электроэнергии, вам понадобится очень большая площадь. Если, конечно же, речь не идет о зарядке телефонов, планшетов или работы приборов с потреблением низкой мощности.

Зависимость работы от погодных условий

КПД солнечных батарей снижается в пасмурный, облачный день, зимой, при низких температурах и т.д. Ночью, в отсутствие Солнца, источника энергии, производство электричества прекращается. На работу панелей также влияет расположение вашего дома и окон.

Использование солнечной энергии

Помимо удовлетворения индивидуальных запросов потребителей электричества, солнечную энергию используют в различных сферах жизнедеятельности:

Авиация. Благодаря солнечной энергии, самолеты могут не расходовать топливо на протяжении некоторого времени.
Автомобилестроение. Панели могут использоваться для зарядки электромобилей.
Медицина. Благодаря разработкам южнокорейских ученых, мир увидел солнечную батарею, которую используют для приборов, поддерживающих функциональность организма человека, путем вживления под кожу.
Космонавтика. Гелиопанели устанавливаются, например, на спутниках и космических телескопах.

Это всего лишь несколько примеров. Кроме этого, солнечные панели широко используют для обеспечения электроэнергией зданий, а также целых населенных пунктов.

Надеемся, что вышеописанные преимущества и недостатки использования солнечных батарей помогут вам определиться с решением, стоит ли вам обратиться к альтернативным источникам энергии.

Источник

Солнечная энергия: преимущества и недостатки

Основным преимуществом технологии солнечной энергии является то, что она является устойчивой альтернативой ископаемым видам топлива. К недостаткам можно отнести то, что это дороже, чем другие чистые источники энергии.

Солнечная энергия: обзор

В связи с растущей угрозой изменения климата из-за чрезмерного выброса углерода многие страны ищут альтернативы чистой энергии, чтобы заменить традиционные ископаемые виды топлива.

Из всех альтернатив экологически чистой энергии солнечная энергия, возможно, была самой дорогой, хотя цены на нее снижаются.Однако после рассмотрения плюсов и минусов наряду с ожиданиемпродолжения снижения цен будущее солнечной энергии выглядит довольно радужным.

Плюсы солнечной энергии заключаются в том, что она является устойчивой альтернативой ископаемому топливу и оказывает незначительное воздействие на окружающую среду и имеет потенциал для ее производства в любой стране. Минусы в том, что он производит энергию только тогда, когда светит солнце, требует значительного количества земли и что для некоторых солнечных технологий требуются редкие материалы.

Краткий обзор

Технология солнечной энергии становится все более конкурентоспособной по стоимости альтернативой ископаемому топливу, хотя на некоторых рынках остается довольно дорогой.

Преимущества солнечной энергии

Стабильный

Преимущество солнечной энергии заключается в том, что это устойчивая альтернатива ископаемому топливу. Хотя у ископаемого топлива есть срок годности, который может быстро приближаться, солнце, вероятно, будет существовать по крайней мере несколько миллиардов лет.

Низкое воздействие на окружающую среду

Солнечная энергия оказывает значительно меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с ископаемым топливом.Его выбросы парниковых газов несущественны, поскольку технология не требует сжигания топлива.Кроме того, хотя концентрирующие солнечные тепловые электростанции (CSP) сравнительно неэффективны в использовании воды в зависимости от типа используемой технологии, правильная технология значительно увеличивает эффективность, в то время как фотоэлектрические (PV) солнечные элементы не требуют воды при производстве электроэнергии.

Энергетическая независимость

Поскольку солнце светит по всему миру, оно делает каждую страну потенциальным производителем энергии, что обеспечивает большую энергетическую независимость и безопасность. Солнечная энергия не только обещает обеспечить безопасность и независимость на национальном уровне; солнечные панели могут быть установлены в отдельных домах, обеспечивая электроэнергию, которая не зависит от подключения к более крупной электросети.

173 000

Приблизительное количество тераватт солнечной энергии, излучаемой на Землю каждый день, – в 10 000 раз больше, чем ежедневное потребление энергии в мире.

Недостатки солнечной энергии

Прерывистость

Одна из самых больших проблем, связанных с технологиями использования солнечной энергии, заключается в том, что энергия вырабатывается только тогда, когда светит солнце. Это означает, что в ночное время и в пасмурные дни может прерываться подача электроэнергии. Дефицит, вызванный этим прерыванием, не был бы проблемой, если бы существовали недорогие способы хранения энергии, поскольку чрезвычайно солнечные периоды могут фактически генерировать избыточную мощность. Фактически, Германия – один из лидеров в области технологий солнечной энергии – сейчас сосредоточивает внимание на разработке адекватных накопителей энергии для решения этой проблемы.

Землепользование

Другая проблема заключается в том, что солнечная энергия может занять значительную часть земли и вызвать деградацию земель или потерю среды обитания для диких животных.В то время как солнечные фотоэлектрические системы могут быть прикреплены к уже существующим структурам, для более крупных фотоэлектрических систем может потребоваться от 3,5 до 10 акров на мегаватт, а для объектов CSP требуется от 4 до 16,5 акров на мегаватт.4 Тем не менее, воздействие можно уменьшить, разместив объекты в некачественных зонах или вдоль существующих транспортных и транспортных коридоров.

Дефицит материалов

Для производства некоторых солнечных технологий требуются редкие материалы. Однако это в первую очередь проблема фотоэлектрической технологии, а не технологии CSP. Кроме того, это не столько отсутствие известных запасов, сколько неспособность текущего производства удовлетворить будущий спрос: многие из редких материалов являются побочными продуктами других процессов, а не целью целенаправленных усилий по добыче полезных ископаемых. Переработка фотоэлектрических материалов и достижения в области нанотехнологий, которые увеличивают эффективность солнечных элементов, могут помочь увеличить предложение, но, возможно, поиск заменителей материалов, которые существуют в большем изобилии, может сыграть свою роль.

Оборотная сторона окружающей среды

Единственный экологический недостаток солнечной технологии заключается в том, что она содержит многие из тех же опасных материалов, что и электроника. Поскольку солнечная энергия становится все более популярной, проблема утилизации опасных отходов становится дополнительной проблемой. Однако при условии, что проблема надлежащей утилизации решена, сокращение выбросов парниковых газов, которое предлагает солнечная энергия, делает ее привлекательной альтернативой ископаемым видам топлива.

Источник

Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

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

Солнце как альтернативный источник энергии

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

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

Вот он – возобновляемый источник энергии

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

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

Экскурс в историю

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

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

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

Инсолятор О. Мушо

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

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

Фотоэлемент для солнечной батареи

Преобразование солнечной энергии

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

Как можно оценить величину солнечной энергии?

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

Распределение солнечного излучения на карте планеты

Способы преобразования

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

Гибридная солнечная панель

фотоэлектрический;
гелиотермальный;
термовоздушный;
солнечные аэростатные электростанции.

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

Гибкая солнечная панель

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

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

Преимущества и недостатки солнечной энергии

Преимущества

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

Недостатки

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

Сферы применения солнечной энергии

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

Энергоснабжение частного дома

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

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

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

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

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

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

Портативные источники энергии

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

Концентраторы

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

Транспорт

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

Развитие солнечной энергетики в разных странах и её перспективы

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

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

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

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

Источник