Принцип возобновляемой энергии солнца

Солнце как источник энергии

Дата публикации: 19 октября 2020

С каждым днем количество мировых запасов угля, нефти, газа, то есть всего того, что служит нам сегодня источником энергии, уменьшается. И в скором будущем человечество придет к тому, что ископаемого топлива просто не останется. Поэтому все страны активно ищут спасение от стремительно надвигающейся на нас катастрофы. И первое средство спасения, которое приходит на ум – это, конечно, энергия солнца, которая используется людьми испокон веков для сушки одежды, освещения жилищ и приготовления пищи. Это и дало начало одному из направлений альтернативной энергетики – солнечной энергетике.

В качестве энергетического источника для солнечной энергетики используется энергия солнечного света, которую с помощью специальных конструкций преобразуют в тепловую или электрическую. По данным специалистов всего за одну неделю на земную поверхность от солнца поступает такое количество энергии, которое превосходит энергию мировых запасов всех видов топлива. И хотя темп развития данного направления альтернативной энергетики неуклонно растет, все же солнечная энергетика обладает не только достоинствами, но и недостатками.

Если к основным плюсам можно отнести общедоступность, а главное неисчерпаемость источника энергии, то к недостаткам причисляют:

• необходимость аккумуляции получаемой от солнца энергии,
• значительную стоимость применяемого оборудования,
• зависимость от погодных условий и времени суток,
• повышение температуры атмосферы над электростанциями и др.

Численные характеристики солнечного излучения

Существует такой показатель как солнечная постоянная. Его значение равняется 1367 Вт. Именно такое количество энергии приходится на 1 кв.м. планеты Земля. Вот только до поверхности земли из-за атмосферы энергии доходит примерно на 20-25% меньше. Поэтому значение солнечной энергии на метр квадратный, к примеру, на экваторе равняется 1020 Вт. А учитываю смену дня и ночи, изменение угла солнца над горизонтом, этот показатель снижается еще примерно в 3 раза.

Вот только откуда берется это самая энергия? Этим вопросом ученые впервые начали заниматься еще в 19 веке, причем версии были совершенно разные. Сегодня же в результате огромного числа исследований достоверно известно, что источником солнечной энергии является реакция превращения 4-х атомов водорода в ядро гелия. В результате этого процесса выделяется значительное количество энергии. К примеру, энергия, выделяемая при превращении 1 гр. водорода сравнима с энергией, которая выделяется при сгорании 15 т. бензина.

Преобразование солнечной энергии

Мы уже знаем, что энергию, получаемую от солнца необходимо преобразовать в какой-то другой вид. Необходимость этого возникает ввиду того, что человечество пока не имеет таких приборов, которые бы могли потреблять солнечную энергию в чистом ее виде. Поэтому были разработаны такие источники энергии как солнечный коллектор и солнечные батареи. Если первый используется для получения тепловой энергии, то вторые производят непосредственно электричество.

Существует несколько способов преобразования энергии солнца:

• фотовольтаика;
• термовоздушная энергетика;
• гелиотермальная энергетика;
• с использованием солнечных аэростатных электростанций.

Наиболее распространенным методом считается фотовольтаика. Принцип этого преобразования заключается в использовании фотоэлектрических солнечных панелей или как их еще называют солнечных батарей, посредством которых и происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. Как правило, изготавливают такие панели из кремния, а толщина их рабочей поверхности составляет всего несколько десятых миллиметра. Разместить их можно везде, существует лишь одно условие – наличие большого количества солнечного света. Отличный вариант для установки фотопластин – крыши жилых домов и общественных зданий.

Помимо рассмотренных фотопластин для преобразования энергии солнечного излучения используют тонкопленочные панели. Отличаются они еще меньшей толщиной, что позволяет установить их где угодно, но значительный недостаток таких панелей – это низкий КПД. Именно по этой причине их монтаж будет оправдан только при больших площадях размещения. Ради шутки тонкопленочную панель можно разместить даже на корпусе ноутбука или на дамской сумочке.

В термовоздушной энергетике солнечная энергия преобразуется в энергию потока воздуха, который затем направляют на турбогенератор. А вот в случае использования солнечных аэростатных электростанций внутри аэростатного баллона происходит генерация водяного пара. Достигается этот эффект за счет нагрева солнечным светом поверхности аэростата, на которую нанесено селективно-поглощающее покрытие. Главное преимущество это метода заключается в достаточном запасе пара, которого хватает для продолжения работы электростанции в плохую погоду и ночью.

Принцип гелиотремальной энергетики заключается в нагревании поверхности, которая поглощает солнечные лучи и фокусирует их с целью последующего использования полученного тепла. Самый простой пример – это нагревание воды, которую затем можно использоваться в бытовых нуждах, например, для подачи в канализацию или батареи, экономя при этом газ или другое топливо. В промышленных масштабах энергия солнечного излучения, получаемая данным способом, преобразуется в электрическую энергию посредством тепловых машин. Строительство таких комбинированных электростанций может длиться свыше 20 лет, но темп развития солнечной энергетики не снижается, а наоборот, неукоснительно растет.

Где возможно применение солнечной энергии?

Использовать солнечную энергию можно в абсолютно различных областях – от химической промышленности до автомобилестроения, от приготовления пищи до отопления помещений. Например, использование солнечных батарей в автомобильной отрасли началось еще в 1955 году. Именно этот год ознаменовался выпуском первого автомобиля, который работал на солнечных батареях. Сегодня же выпуском подобных автомашин занимаются BMW, Toyota и другие крупнейшие компании.

В быту солнечная энергия используется для обогрева помещений, для освещения и даже для приготовления пищи. К примеру, солнечные печи из фольги и картона по инициативе ООН активно используют беженцы, которые были вынуждены покинуть свои родные места из-за тяжелой политической обстановки. Более сложные по конструкции солнечные печи используются для термообработки и плавки металлов. Одна из крупнейших таких печей находится на территории Узбекистана.

Наиболее интересными выдумками по использованию солнечной энергии можно считать:

• Защитный чехол для телефона с фотоэлементом, являющийся одновременно и зарядкой.
• Рюкзак с прикрепленной на нем солнечной панелью. Он позволит вам зарядить не только телефон, но и планшет и даже камеру, в общем, любую электронику, у которой есть USB-вход.
• Солнечные Bluetooth-наушники.

А самая креативная задумка – это одежда, сшитая из специальной ткани. Пиджак, галстук и даже купальник – все это может стать не только предметом вашего гардероба, но и зарядным устройством.

Развитие альтернативной энергетики в странах СНГ

Высокими темпами альтернативная энергетика, в том числе и солнечная, развивается не только в США, Европе или Индии, но и в странах СНГ, в их число входит Россия, Казахстан, а в особенности Украина. Например, крупнейшая электростанция на солнечной энергии на территории стран бывшего Советского Союза «Перово» была построена в Крыму. Ее строительство завершилось в 2011 году. Эта электростанция стала 3-им новаторским проектом австрийской компании Activ Solar. Пиковая мощность «Перово» составляет около 100 МВт.

А в октябре того же года компанией Activ Solar была запущена еще одна солнечная электростанция «Охотниково» и также на территории Крыма. Ее мощность составила 80 МВт. «Охотниково» также получила статус крупнейшей, но уже на территории Центральной и Восточной Европы. Можно сказать, что альтернативная энергетика в Украине сделала громадный шаг на встречу безопасной и неиссякаемой энергии.

В Казахстане же ситуация выглядит немного иначе. В основном, развитие альтернативной энергетики в этой стране происходит лишь в теории. Потенциал у республики огромный, но раскрыть его полностью пока не получается. Конечно, правительство занимается этим вопросом, и даже был разработан план по развитию альтернативной энергетики в Казахстане, вот только доля энергии, получаемой от возобновляемых источников, в частности от солнца, будет составлять не более 1% в общем энергобалансе стране. К 2020 в планах запуск всего 4 солнечных электростанций, общая мощность которых будет составлять 77 МВт.

Альтернативная энергетика в России также развивается немалыми темпами. Но, как заявил заместитель министра энергетики, уклон в этой области делается в основном на дальневосточные регионы. Например, в Якутии суммарная выработка 4 солнечных электростанций, работающих в самых отдаленных северных поселках, составила более 50 тыс. кВт*ч. Это позволило сэкономить более 14 тонн дорого дизельного топлива. Еще одним примером использования солнечной энергии служит строящийся в Липецкой области многопрофильный авиационный комплекс. Электроэнергию для его работы будет вырабатывать первая СЭС, построенная также на территории Липецкой области.

Все это позволяет сделать следующий вывод: сегодня все страны, даже не самые развитые, стремятся максимально приблизиться к заветной цели: использованию альтернативных источников энергии. Ведь потребление электроэнергии растет с каждым днем, с каждым днем увеличивается количество вредных выбросов в окружающее среду. И многие уже понимают, что наше будущее и будущее нашей планеты зависит только нас.

Украина делает ставку на энергию Солнца

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