Жизнь современного человека просто немыслима без энергии. Отключение электроэнергии представляется катастрофой, человек уже не мыслит жизнь без транспорта, а приготовление, к примеру, пищи на костре, а не на удобной газовой или электрической плите - это уже из разряда хобби.
До сих пор мы используем для выработки энергии органическое топливо (нефть, газ, уголь). Но их запасы на нашей планете ограничены, и не сегодня-завтра наступит день, когда они иссякнут. Что же делать? Ответ уже есть - искать другие источники энергии, нетрадиционные, альтернативные, запас которых просто неисчерпаем.
К таким альтернативным источникам энергии относятся солнце и ветер.
Использование солнечной энергии
Солнце - мощнейший поставщик энергии. Что-то мы используем в силу наших физиологических особенностей. Но миллионы, миллиарды киловатт уходят впустую и исчезают с наступлением темноты. Каждую секунду Солнце дарит Земле 80 тысяч миллиардов киловатт. Это в несколько раз больше, чем вырабатывают все электростанции мира.
Только представьте, какие выгоды принесет человечеству использование солнечной энергии:
. Бесконечность по времени . Ученые предсказывают, что Солнце не погаснет еще в течение нескольких миллиардов лет. А это значит, что хватит и на наш век и для наших дальних потомков.
. География . На нашей планете нет мест, где не светило бы солнце. Где-то ярче, где-то тусклее, но Солнце есть везде. А значит не нужно будет окутывать Землю бесконечной паутиной проводов, пытаясь доставить электроэнергию в отдаленные уголки планеты.
. Количество . Энергии солнца хватит на всех. Даже если кто-то начнет безразмерно запасать такую энергию впрок, это ничего не изменит. Хватит и чтобы батарейки зарядить, и на пляже позагорать.
. Экономическая выгода . Уже не нужно будет тратиться на покупку дров, угля, бензина. Бесплатный солнечный свет будет отвечать за работу водоснабжения и автомобиля, кондиционера и телевизора, холодильника и компьютера.
. Экологически выгодно . Уйдет в прошлое тотальная вырубка лесов, не нужно будет топить печи, строить очередные "чернобыли" и "фукусимы", жечь мазут и нефть. Зачем прикладывать столько сил к уничтожению природы, когда в небе есть прекрасный и неиссякаемый источник энергии - Солнце.
К счастью, это не мечты. По оценкам ученых, уже к 2020 году 15% электроэнергии в Европе будет обеспечиваться за счет солнечного света. И это только начало.
Где используют солнечную энергию
. Солнечные батареи . Батареи, установленные на крыше дома, уже никого не удивляют. Поглощая энергию солнца, они преобразуют ее в электрическую. В Калифорнии, например, любой проект нового дома подразумевает обязательное использование солнечной батареи. А в Голландии город Херхюговард называют "городом Солнца", потому что здесь все дома оснащены солнечными батареями.
. Транспорт .
Уже сейчас все космические корабли во время автономного полета обеспечивают себя электричеством за счет энергии солнца.
Автомобили на солнечных батареях. Первая модель такого автомобиля была представлена еще в 1955 году. А уже в 2006 году французская компания Venturi наладила серийный выпуск "солнечных" автомобилей. Характеристики его пока скромны: всего 110 километров автономного хода и скорость не выше 120 км/ч. Но практически все мировые лидеры автомобильной промышленности разрабатывают свои версии экологически чистых авто.
. Солнечные электростанции .
. Гаджеты . Уже сейчас есть зарядки для многих устройств, которые работают от солнца.
Виды солнечной энергии (солнечные электростанции)
В настоящее время разработано несколько видов солнечных электростанций (СЭС):
. Башенные . Принцип работы прост. Огромное зеркало (гелиостат) поворачивается вслед за солнцем и направляет солнечные лучи на теплоприемник, заполненный водой. Далее все происходит как в обычной ТЭЦ: вода закипает, превращается в пар. Пар крутит турбину, которая задействует генератор. Последний и вырабатывает электричество.
. Тарельчатые . Принцип работы схож с башенными. Отличие заключается в самой конструкции. Во-первых, используется не одно зеркало, а несколько круглых, похожих на огромные тарелки. Зеркала устанавливают радиально, вокруг приемника.
Каждая тарельчатая СЭС может иметь сразу несколько подобных модулей.
. Фотовольтаические (использующие фотобатареи).
. СЭС с параболоцилиндрическим концентратором . Огромное зеркало в форме цилиндра, где в фокусе параболы установлена трубка с теплоносителем (чаще всего используют масло). Масло разогревается до нужной температуры и отдает тепло воде.
. Солнечно-вакуумные . Участок земли закрывают стеклянной крышей. Воздух и почва под ней нагреваются сильнее. Специальная турбина гонит теплый воздух к приемной башне, возле которой установлен электрогенератор. Электричество вырабатывается за счет разницы температур.
Использование энергии ветра
Еще один вид альтернативного и возобновляемого источника энергии - ветер. Чем сильнее ветер, тем большее количество кинетической энергии он вырабатывает. А кинетическую всегда можно преобразовать в механическую или электрическую энергию.
Механическую энергию, получаемую за счет ветра, используют уже давно. Например, при помоле зерна (знаменитые ветряные мельницы) или перекачивания воды.
Энергию ветра используют также:
В ветряных установках, которые вырабатывают электричество. Лопасти заряжают аккумулятор, от которого ток подается в преобразователи. Здесь постоянный ток преобразуется в переменный.
Транспорт. Уже сейчас есть автомобиль, который едет за счет энергии ветра. Специальная ветровая установка (кайт) позволяет двигаться и водным судам.
Виды ветряной энергии (ветряные электростанции)
. Наземные - самый распространенный вид. Такие ВЭС устанавливают на холмах или возвышенностях.
. Шельфовые . Их строят на мелководье, в значительном удалении от берегов. Электричество поступает на сушу по подводным кабелям.
. Прибрежные - устанавливают на некотором удалении от моря или океана. Прибрежные ВЭС используют силу бризов.
. Плавающие . Первый плавающий ветрогенератор был установлен в 2008 году недалеко от берегов Италии. Генераторы устанавливают на специальных платформах.
. Парящие ВЭС размещают на высоте на специальных подушках, выполненных из невоспламеняемых материалов и наполненных гелием. Электричество на землю подается по канатам.
Перспективы и развитие
Самые серьезные перспективные планы по использованию энергии солнца ставит перед собой Китай, который к 2020 году планирует стать мировым лидером в этой области. Страны ЕЭС разрабатывают концепцию, которая позволит получать до 20% электроэнергии из альтернативных источников. Американское Министерство энергетики называет меньшую цифру - к 2035 году до 14%. Есть СЭС и в России. Одна из самых мощных установлена в Кисловодске.
Что касается использования энергии ветра, то приведем некоторые цифры. Европейская Ассоциация ветровой энергетики опубликовала данные, которые показывают, что ветроэнергетические установки обеспечивают электричеством многие страны мира. Так, в Дании, за счет таких установок получают 20% потребляемой электроэнергии, в Португалии и Испании - 11%, в Ирландии - 9%, в Германии - 7%.
В настоящее время ВЭС установлены более чем в 50 странах мира, а их мощность растет из года в год.
1. Каждую секунду Земля получает 170 миллиардов ватт от солнечных вспышек
Солнце вырабатывает огромное количество энергии. Благодаря ей на Земле происходят жизненно важные процессы, наподобие водного цикла. Более 170 миллиардов ватт солнечной энергии каждую секунду «врезается» в земную атмосферу.
Чтобы сравнить эти невероятные масштабы, представьте, что в среднем смартфон потребляет около двух тысяч ватт в течение года. Солнце посылает в миллиард раз больше энергии в атмосферу каждую секунду!
Не вся солнечная энергия, которая достигает атмосферы, попадает на поверхность Земли. Атмосфера поглощает и отражает часть энергии обратно в космос, облака также отражают и поглощают энергию.
На самом деле только 50 % солнечной энергии проходит через атмосферу и попадает на поверхность Земли. И это очень хорошо, поскольку, если бы поверхности Земли достигало 100 процентов солнечной энергии, то наша жизнь кардинально бы отличалась от нынешней.
2. Когда мы едим фрукты и овощи, мы получаем калории от Солнца
Растения также могут нам поведать довольно интересные факты о солнечной энергии. Например, мы используем их, даже не подозревая, что растения еще один источник солнечной энергии. Оказывается, солнечная энергия играет очень важную роль в процессе фотосинтеза, генерирующий необходимый нам кислород.
Химическая реакция фотосинтеза преобразует воздух, воду и другие питательные вещества, так что растения, цветы и листья деревьев могут расти. Когда мы едим фрукты и овощи, мы потребляем калории, которые были созданы при помощи энергии Солнца. Так что, когда мы едим овощи, мы на самом деле получаем энергию от Солнца. Это один из удивительных фактов о солнечной энергии, который говорит нам, что мы используем солнечную энергию, даже когда мы не осознаем этого.
Люди едят мясо животных, которые в свою очередь едят корм, изготовленный из растений. Та энергия, которую мы получаем, употребляя в пищу мясо, происходит от энергии, которая «накапливается» в животных из растений. Это еще один удивительный факт о солнечной энергии – даже когда мы едим мясо, мы получаем энергию от Солнца.
3. Витамин D создается в нашем организме за счет солнечной энергии
Люди, как растения, также использую солнечную энергию в качестве витаминов.
Но в отличие от растений, мы не зависим от этой энергии настолько сильно. Тем не менее, наше тело нуждается в солнечной энергии, чтобы выполнять различные химические процессы. Например, чтобы вырабатывать в организме витамин D.
В коже человека находится определенный тип холестерина, который преобразует предварительный тип витамина в витамин D, который защищает кожу от ультрафиолетового излучения. Предварительно, «витаминовая заготовка», при ультрафиолетовом излучении Солнца, попадает в печень, которая в конечном итоге вырабатывает столь необходимый организму витамин D.
4. Первая солнечная электростанция была построена в 1912 году
Солнечная энергия участвует в круговороте воды в природе. Солнце нагревает воду на Земле, и это вызывает испарение, которое преобразуется в осадки в виде дождя или снега.
Когда вода и другие жидкости нагреваются от солнечной энергии, они претерпевают изменения и превращаются в газ. Для воды, этот газ является паром. Уже в 1897 году, Фрэнк Шуман создал систему, которая использует энергию Солнца, чтобы привести в движение маленький двигатель. Его более поздние системы улучшались и использовали воду для питания полноразмерного парового двигателя.
В 1912 году Шуман запатентовал свою систему и построил первую солнечную электростанцию энергии в Египте. Это один из наиболее важных фактов в истории использования солнечной энергии. Электростанция Шумана была способна получать 45-52 киловатт, и стало первым масштабным коммерческим использованием солнечной энергии. По сегодняшним меркам это небольшой масштаб, но он дал начало широкому применению солнечной энергии. Этот факт вдохновил будущих изобретателей двигаться дальше.
Солнечная тепловая энергия является одним из видов технологий, которая способная нагревать воду, а затем использовать ее изменения, чтобы привести в действие машину. Шуман оказался провидцем, который показал всем, что солнечную энергию можно будет использовать, когда на Земле исчерпаются запасы угля и нефти.
5. Прохладный напиток в жаркий день является пассивной солнечной технологией
Есть два основных типа технологий, используемых для «захвата» и применения энергии Солнца: активные и пассивные.
Активные солнечные технологии, такие как солнечные панели, собирают солнечную энергию и преобразовывают ее в электрическую. Активная солнечная технология поставляет энергию для ее использования.
Пассивные солнечные технологии направлены на снижение использования энергии из других источников. Она может быть чем-то простым. Например, крыша дома со специальным отражающим покрытием, необходимым для уменьшения количества поступающей энергии. Это необходимо для охлаждения дома летом. Пассивные солнечные технологии работают за счет уменьшения количества энергии. Даже прохладительный напиток в жаркий день является одним из видов пассивной солнечной технологии.
6. Панели солнечных батарей используют фотоны, чтобы создавать экситоны и электронные поля
Когда люди думают о солнечной энергии, они часто представляют себе солнечные панели. Эти панели содержат «солнечные клетки», которые также известны как фотоэлементы, благодаря которым происходит фотоэлектрический эффект.
Фотоэлектрических эффект тенденция некоторых материалов возбуждаться фотонами в солнечной энергии. Различные материалы обладают различными свойствами при возбуждении энергией Солнца.
Также, используются специальные материалы, чтобы заставить солнечные батареи генерировать экситоны возбужденном состоянии. Наличие последних вызывает поток электронов. В дальнейшем, при помощи солнечной батареи этот поток преобразуется в электричество, которое мы потребляем.
Первые солнечные батареи не могли преобразовывать солнечную энергию в электричество. Они были эффективными лишь на 1-2 %, в то время как современные батареи в лабораториях эффективнее на 40 %.
7. Солнечная энергия может очищать воду с помощью УФ-излучения
Еще один удивительный факт о солнечной энергии заключается в том, что ее можно использовать для очистки воды. Данное свойство солнечной энергии было известно еще древним грекам, а также практиковалось персидскими алхимиками в 1500-х годах.
Процесс очистки соленой воды при помощи солнечной энергии называется солнечным опреснением. Существует еще один способ, который использует солнечную энергию для очистки воды под названием солнечная дистилляция. Солнечная дистилляция очищает воду от многих типов загрязнений. В качестве примера можно привести стандартный цикл круговорота воды в природе.
В качестве миниатюрного примера, можно взять картонную коробку и поставить над ямкой, предварительно вырытой во влажной почве. Та вода, которая при испарении окажется на поверхности коробки, будет чистой и пригодной к питью.
Еще один вариант очистки воды — ультрафиолетовое излучение. Оно является губительным для многих микробов и бактерий.
8. Солнечная энергия является единственным источником возобновляемой энергетики
Солнечная энергия является живительной для всего, что нас окружает. Если люди перейдут на источники питания от солнечных батарей, то значительно сократится использование электрической сети. Дело в том, что электросети получают питание благодаря сжиганию угля. А этот процесс способствует изменению климата, который приводит к глобальному потеплению.
Солнечная энергия является одним из лучших источников возобновляемой энергии. Некоторые утверждают, что она является единственным источником в своем роде. Большая часть инфраструктуры в развитом мире построена на ископаемых видах топлива. Поэтому переход на использование солнечной энергии в качестве основного источника энергии потребует значительных усилий.
Экономические преимущества использования солнечной энергии очевидны. Цены на топливо увеличиваются, а затраты на производство более эффективных солнечных батарей уменьшают.
9. Гравитационная энергия от Солнца удерживает Солнечную систему
Возможно, самый загадочный из фактов о солнечной энергии относится к гравитации, которую излучает Солнце. Благодаря гравитации все планеты и другие объекты сохраняют свои орбиты в Солнечной системе.
Гравитационная энергия является одной из наименее изученных сил во Вселенной. В то время как Солнце излучает свет и солнечную энергию на Землю, оно также притягивает Землю к себе своим гравитационным полем.
Если подумать, то выходит, что солнечная энергия несет ответственность не только за круговороты воды, питающие жизнь на Земле. Солнечная энергия создала условия для существования жизни на Земле, когда Солнечная система была только сформирована.
Солнечная энергия становится все более и более важной в жизни человечества. Ученые видят в ней возобновляемые источники энергии, которые не вредят окружающей среде, а также большую пользу для здоровья человека.
Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.
Необходимость в солнечной энергии
Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.
Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.
«Работа» Солнца
Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.
Основной источник энергии
Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:
1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.
2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.
3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.
Принцип преобразования инфракрасных волн
Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.
Цель, которую преследует солнечная энергетика, - получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого - Солнце.
Работа комплекса
Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.
География излучений небесного Светила
Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца - долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.
То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:
Странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
- жителям Аравийского полуострова;
- восточному побережью Африки;
- северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
- западному побережью Южной Америки.
Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.
Электростанции
Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.
Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.
По мнению некоторых исследователей, уже в ближайшем будущем человечество может отказаться от существующих ныне традиционных путей получения электроэнергии. Потребности людей полностью удовлетворит небесное светило.
Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них - частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.
Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:
Башенные;
- установки с фотоэлементами;
- тарельчатые;
- параболические;
- солнечно-вакуумные;
- смешанные.
Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.
При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.
Если вы увидите целый ряд огромных по своему размеру спутниковых антенн, на внутренней стороне которых установлены зеркальные пластины, то знайте, что это параболические электростанции, работающие на излучении Солнца. Принцип их действия схож с такими же системами башенного типа. Они ловят пучок света и нагревают приемник с жидкостью. Далее вырабатывается пар, который и идет на производство электроэнергии.
Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.
Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.
Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.
Достоинства и недостатки солнечной энергетики
У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:
Экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;
- доступность основных составляющих - фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;
- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;
- постоянно снижающаяся себестоимость.
Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:
Влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;
- необходимость в аккумулировании энергии;
- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;
- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;
- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;
- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.
Перспективы развития
Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.
Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых - многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.
Ученые произвели интересный расчет. Если на суше планеты Земля установить фотоэлементы, которые бы расположились на семи сотых ее территории, то они, даже имея КПД 10%, обеспечили бы все человечество необходимым ему теплом и светом. И это не столь уж далекая перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются на сегодняшний день, имеют КПД, равный 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.
Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.
Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.
Где используется солнечная энергия
Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.
Вообще же использование солнечной энергии очень востребовано в таких областях, как:
- Сельское хозяйство;
- Энергоснабжение санаториев и пансионатов;
- Космическая отрасль;
- Природоохранная деятельность и экотуризм;
- Электрификация отдаленных и сложнодоступных регионов;
- Уличное, садовое и декоративное освещение;
- Сфера ЖКХ (ГВС, придомовое освещение);
- Мобильная техника (гаджеты и зарядные модули на солнечных батареях).
Ранее энергия солнца использовалась главным образом в космической отрасли (энергоснабжение спутников, станций и т.д.) и в промышленности, но со временем альтернативную энергетику начали активно развивать и в быту. Одними из первых объектов, оснащенных солнечными установками, стали южные пансионаты и санатории, особенно расположенные в уединенных районах.
Солнечные установки и их преимущества
Успешное применение первых гелиомодулей доказало, что энергия солнечных лучей обладает массой преимуществ перед традиционными источниками. Ранее главными достоинствами гелиоустановок называли лишь экологичность и неисчерпаемость (а также бесплатность) солнечного света.
Но на самом деле список достоинств гораздо шире:
- Автономность, так как не требуется никаких внешних энергокоммуникаций;
- Стабильность подачи питания, в силу специфики солнечный ток не подвержен скачкам напряжения;
- Экономичность, так как средства тратятся только один раз, при монтаже установки;
- Солидный ресурс эксплуатации (свыше 20 лет);
- Всесезонное использование, солнечные установки эффективно работают даже в морозы и облачную погоду (с незначительным снижением КПД);
- Простота и удобство сервисного обслуживания, так как требуется только изредка очищать лицевые стороны панелей от загрязнений.
Единственным недостатком можно назвать только зависимость от солнца и тот факт, что такие установки не работают ночью. Но эта проблема решается за счет подключения специальных аккумуляторов, в которых накапливается выработанная за день энергия солнечного света.
Фотоэнергия
Фотоэнергия – это один из двух способов использования излучения солнца. Это постоянный ток, вырабатываемый под действием солнечных лучей. Происходит такое преобразование в так называемых фотоячейках, которые, по сути, представляют собой двухслойную структуру из двух полупроводников разного типа. Нижний полупроводник относится к p-типу (с недостатком электронов), верхний – к n-типу с избытком электронов.
Электроны n-проводника поглощают энергию падающих на них лучей солнца и покидают свои орбиты, причем энергетического импульса достаточно для того, чтобы они перешли в зону p-проводника. При этом образуется направленный электронный поток, называемый фототоком. Иными словами, вся структура работает как своеобразные электроды, в которых под воздействием солнца генерируется электроэнергия.
Для производства таких фотоячеек применяют кремний. Объясняется это тем, что кремний во-первых, широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует больших затрат.
Фотоячейки из кремния бывают:
- Монокристаллическими. Изготавливаются из монокристаллов и отличаются равномерной структурой с чуть более высоким КПД (примерно 20%), но при этом дороже стоят.
- Поликристаллическими. Имеют неравномерную структуру за счет использования поликристаллов и несколько более низкий КПД (15-18%), но гораздо дешевле моновариантов.
- Тонкопленочными. Изготавливаются методом напыления аморфного кремния на тонкопленочную подложку. Отличаются гибкой структурой и самой низкой себестоимостью производства, однако имеют вдвое больше габариты по сравнению с кристаллическими аналогами той же мощности.
Сферы применения каждого типа ячеек весьма обширны и определяются их эксплуатационными особенностями.
Солнечные коллекторы
Гелиоколлекторы также используются как преобразователи солнечной энергии, но принцип их действия совершенно иной. Они преобразуют падающий свет не в электрическую, а в тепловую энергию за счет нагрева жидкого теплоносителя. Применяют их либо для ГВС, либо для отопления домов. Главный элемент любого коллектора – абсорбер, он же – теплопоглотитель. Абсорбер представляет собой либо плоскую пластину, либо трубчатую вакуумированную систему, внутри которой циркулирует теплоноситель (это или простая вода, или антифриз). Причем абсорбер обязательно красится в черный цвет специальной краской для увеличения коэффициентов поглощения.
Именно по типу абсорберов коллекторы делят на плоские и вакуумные. У плоских теплопоглотитель выполняют в виде металлической пластины, к которой снизу припаян металлический же змеевик с теплоносителем. У вакуумных абсорбер изготавливается их нескольких соединенных между собой на концах стеклянных трубок. Трубки делают двойными, между стенками создают вакуум, а внутри помещают стержень с теплоносителем. Все стержни сообщаются между собой посредством специальных соединителей в местах стыков труб.
Абсорберы обоих типов помещают в прочный легкий корпус (обычно – из алюминия или ударопрочных пластиков) и надежно теплоизолируют от стенок. Лицевая же сторона корпуса закрывается прозрачным ударостойким стеклом с максимальной проницаемостью для фотонов. Это обеспечивает лучшее поглощение солнечной энергии.
Особенности функционирования
Принцип работы обоих типов коллекторов аналогичен. Нагреваясь в коллекторе до высоких температур, теплоноситель проходит по соединительным шлангам в теплообменный бак, который наполнен водой. Через бак он проходит по змеевидной трубке, отдавая свое тепло воде. Остывший теплоноситель выходит из бака и подается обратно в коллектор. По сути, это – своеобразный «солнечный» кипятильник», только вместо нагревательной спирали используется змеевик в баке, а вместо электросети – солнечный свет.
Конструктивные различия определяют и разницу в применении вакуумных и плоских коллекторов. Использование солнечного излучения при помощи вакуумных моделей возможно круглый год, в том числе и зимой, и в межсезонье. Плоские же варианты лучше работают в летний период. Однако они дешевле и проще вакуумных, поэтому оптимально подходят именно для сезонных целей.
Солнечная энергия в городах (экодома)
Гелиоэнергетика активно применяется не только для частных домов, но и для городских строений. Как человек использует солнечную энергию в мегаполисах, догадаться не сложно. Она также применяется для обогрева и ГВС зданий, причем нередко – целых кварталов.
В последние годы активно развиваются и воплощаются концепции экодомов, полностью работающих на альтернативных источниках энергии. В них используются комбинированные системы, обеспечивающие эффективное получение солнечной, ветровой и тепловой энергии земли. Нередко такие дома не только целиком покрывают свои энергетические нужды, но и передают излишки в городские сети. Причем совсем недавно проекты таких экозданий появились и в России.
Гелиостанции и их виды
В южных регионах с высокой инсоляцией строят не просто отдельные гелиоустановки, но целые станции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Количество солнечной энергии, производимое ими, весьма велико и многие страны с подходящим климатом уже начали постепенный перевод всей энергосистемы на такой альтернативный вариант. По принципу работу станции делят на фототермические и фотоэлектрические. Первые работают по методу коллекторов и подают в дома разогретую воду для ГВС, вторые же вырабатывают непосредственно электричество.
Существует несколько видов гелиостанций:
- Башенные. Позволяют получать сверхнагретый водяной пар, подаваемый на генераторы. В центре станции базируется башня с водным резервуаром, вокруг нее размещают гелиостаты (зеркальные), которые фокусируют лучи на резервуаре. Это достаточно эффективные станции, главный их недостаток – сложность точного позиционирования зеркал.
- Тарельчатые. Состоят из приемника гелиоэнергии и отражателя. Отражатель – тарелкообразное зеркало, концентрирующее излучение на приемнике. Такие концентраторы солнечной энергии располагаются на небольшом удалении от приемника, а их количество определяется требуемой мощностью установки.
- Параболические. Трубки с теплоносителем (обычно – маслом) помещают в фокусе длинного параболического зеркала. Разогретое масло отдает тепло воде, та вскипает и вращает генераторы.
- Аэростатные. По сути, это самые эффективные и мобильные гелиостанции на Земле. Их главный элемент – аэростат с фотоэлектрическим слоем, наполненный водяным паром. Он поднимается высоко в атмосферу (обычно выше облаков). Разогретый пар из шара по гибкому паропроводу подается на турбину, на выходе из нее конденсируется и вода насосом поднимается обратно в шар. Попав в шар, вода испаряется и цикл продолжается.
- На фотобатареях. Это уже привычные всем установки на солнечных батареях, которые используются для частных домов. Они обеспечивают получение электроэнергии и подогрев воды в нужных объемах.
Сегодня разного рода гелиостанции (в том числе и комбинированные, объединяющие несколько типов) играют все большую роль в энерговыработке многих стран. А некоторые государства перестраивают свою энергетику таким образом, чтобы через несколько лет вообще практически полностью перейти на альтернативные системы.
Солнце - один из самых безопасных и неисчерпаемых источников энергии. Грамотное использование ее - вопрос экологической безопасности и экономической эффективности деятельности любой отрасли или страны. Такой источник энергии, как солнце, обладает рядом значительных преимуществ перед другими, популярными . Оно не погаснет и может подарить человеку огромное количество киловатт часов, оно экологично и экономично, Солнце доступно для любого уголка Земли и способно сохранить природные ресурсы, истощаемые с каждым вырубленным деревом и добытым килограммом угля.
Солнечная энергия восстановима, то есть может существовать без вмешательства человека в природу, в отличие от атомной энергии, солнце не сможет причинить вреда окружающей среде и сохраняет чистоту лесов и рек в первозданном виде.
Примеры использования
Возьмите в руки обычный на солнечных батареях - это самый элементарный пример использования солнечной энергии и превращения ее в электрическую, темные поверхности способны эффективно поглощать лучи и использовать энергию светила, преобразуя ее в тепловую. Специальные технологии, являющиеся передовыми достижениями в науке и технике, давно используются для сбора и хранения солнечной энергии, которая сумела успешно заменить бензин в автомобилях, отапливать и освещать дома.
Использование географических особенностей расположения тех или иных построек вкупе с современными материалами позволяет человечеству полностью перейти на энергию солнечного света при этом все современные средства связи: телевидение, интернет и прочие удобства будут продолжать функционировать в обычном режиме. Такие здания отличаются экологической чистотой и высокой экономичностью.
Специальные элементы, преобразующие солнечную энергию, успешно используются в космических технологиях, современные спутники и космические станции оборудуются специальными батареями, питающимися от лучей общего светила. Солнечная энергия весьма удобна в использовании и доступна даже в диких и наиболее удаленных уголках земного шара, где проведение коммуникаций и линий электропередач весьма затруднительно или невозможно.
Использование электрической энергии в чистом виде не всегда удобно, именно поэтому многие системы используют смешанные источники электричества, сочетая Солнце и традиционные виды энергии.