Сонячна енергія 2
У світі все менше традиційних джерел енергії. Запаси нафти, газу, вугілля виснажуються і все йде до того, що рано чи пізно вони закінчаться. Якщо до цього часу годі й шукати альтернативних джерел енергії, то людство чекає катастрофа. Тому у всіх розвинених країнах ведуться дослідження по відкриттю і розробці нових джерел енергії. В першу чергу - це сонячна енергія. З давніх часів ця енергію використовувалася людьми для освітлення житла, сушки продуктів, одягу і т. П. Сонячна енергетика сьогодні є одним з найбільш перспективних джерел альтернативної енергії. В даний час вже є досить багато конструкцій, що дозволяють перетворювати енергію сонця в електричну або теплову. Галузь поступово зростає і розвивається, але, як і скрізь, є свої проблеми. Про все це йтиметься в цьому матеріалі.
Сонце як альтернативне джерело енергії
Енергія сонця є одним з найдоступніших поновлюваних джерел на Землі. Використання сонячної енергії в народному господарстві позитивно позначається на стані навколишнього середовища, оскільки для її отримання не потрібно бурити свердловини або розробляти шахти. До того ж, цей вид енергії вільний і не варто нічого. Природно, що потрібні витрати на придбання і монтаж устаткування.
Проблема в тому, що сонце - це переривчастий джерело енергії. Так, що потрібно накопичення енергії і використання її в зв'язці з іншими енергетичними джерелами. Основна проблема на сьогоднішній день полягає в тому, що сучасне обладнання має низьку ефективність перетворення енергії сонця в електричну і теплову. Тому все розробки спрямовані на те, щоб збільшити ККД таких систем і знизити їх вартість.
Ось він - поновлюване джерело енергії
До речі, дуже багато ресурсів на планеті є похідні від сонячної енергії. Наприклад, вітер, який є ще одним поновлюваних джерел, не дув би без сонця. Випаровування води і накопичення її в річках також відбувається під дією сонця. А вода, як відомо, використовується гідроенергетиці. Біопалива також не було б без сонця. Тому, крім прямого джерела енергії, сонце впливає на інші сфери енергетики.
Сонце відправляє до поверхні нашої планети радіацію. З широкого спектру випромінювання поверхні Землі досягають 3 типи хвиль:
- Світлові. В спектрі випромінювання їх приблизно 49 відсотків;
- Інфрачервоні. Їх частка також 49 відсотків. Завдяки цим хвилям наша планета нагрівається;
- Ультрафіолетові. У спектрі сонячного випромінювання їх приблизно 2 відсотки. Вони невидимі для нашого ока.
Екскурс в історію
Як розвивалася сонячна енергетика до наших днів? Про використання сонця в своїй діяльності людина думала з давніх часів. Всім відома легенда, згідно з якою Архімед спалив флот ворога у свого міста Сіракузи. Він використовував для цього запальні дзеркала. Кілька тисяч років тому на Близькому сході палаци правителів опалювали водою, яка нагрівалася сонцем. У деяких країнах випаровуємо морської води на сонці отримували сіль. Вчені часто проводили досліди з нагрівальними апаратами, що працюють від сонячної енергії.
Перші моделі таких нагрівачів були випущені в XVII─XVII століттях. Зокрема, дослідник Н. Соссюр представив свою версію водонагрівача. Він являє собою ящик з дерева, накритий скляною кришкою. Вода в цьому пристрої підігрівалася до 88 градусів Цельсія. У 1774 році А. Лавуазьє використовував лінзи для концентрації тепла від сонця. І також з'явилися лінзи, що дозволяють локально розплавити чавун за кілька секунд.
Батареї, що перетворюють енергію сонця в механічну, створили французькі вчені. В кінці XIX століття дослідник О. Мушо розробив інсолятор, що фокусує промені за допомогою лінзи на паровому котлі. Цей котел використовувався для роботи друкарської машини. У США в той час вдалося створити агрегат, що працює від сонця, потужністю в 15 «коней».
Інсолятор О. Мушо
Довгий час інсолятори випускалися за схемою, що використовує енергію сонця для перетворення води в пару. І перетворена енергія використовувалася для здійснення будь-якої роботи. Перший пристрій, що перетворює сонячну енергію в електричну, було створено в 1953 році в США. Воно стало прообразом сучасних сонячних батарей. Фотоелектричний ефект, на якому заснована їхня робота, був відкритий ще в 70-ті роки XIX століття.
У тридцяті роки минулого століття академік СРСР А. Ф. Іоффе запропонував використовувати напівпровідникові фотоелементи для перетворення енергії сонця. ККД батарей в той час був менш 1%. Минуло багато років до того, як були розроблені фотоелементи, які мають ККД на рівні 10─15 відсотків. Потім американці побудували сонячні батареї сучасного типу.
Для отримання більшої потужності сонячних систем низький ККД компенсується збільшеною площею фотоелементів. Але це не вихід, оскільки кремнієві напівпровідники в фотоелементах досить дорогі. При збільшенні ККД зростає вартість матеріалів. Це є головною перешкодою для масового використання сонячних батарей. Але в міру виснаження ресурсів їх використання буде все більш вигідним. Крім того, дослідження зі збільшення ККД фотоелементів не припиняються.
Фотоелемент для сонячної батареї
Варто сказати, що батареї на основі напівпровідників досить довговічні і не вимагають кваліфікації для догляду за ними. Тому їх найчастіше використовують в побуті. Є також цілі сонячні електростанції. Як правило, вони створюються в країнах з великим числом сонячних днів в році. Це Ізраїль, Саудівська Аравія, південь США, Індія, Іспанія. Зараз є і зовсім фантастичні проекти. Наприклад, сонячні електростанції поза атмосферою. Там сонячне світло ще не втратив енергію. Тобто, випромінювання пропонується вловлювати на орбіті і потім переводити в мікрохвилі. Потім в такому вигляді енергія буде відправлятися на Землю.
Перетворення сонячної енергії
Перш за все, варто сказати про те, в чому можна висловити і оцінити сонячну енергію.
Як можна оцінити величину сонячної енергії?
Фахівці використовують для оцінки таку величину, як сонячна постійна. Вона дорівнює 1367 ват. Саме стільки енергії сонця доводиться на квадратний метр планети. В атмосфері втрачається приблизно чверть. Максимальне значення на екваторі - 1020 ват на квадратний метр. З урахуванням дня і ночі, зміни кута падіння променів, цю величину слід зменшити ще в три рази.
Розподіл сонячного випромінювання на карті планети
Версії про джерела сонячної енергії висловлювалися самі різні. На даний момент фахівці стверджують, що енергії вивільняється в результаті перетворення чотирьох атомів H2 в ядро He. Процес протікає з виділенням істотної кількості енергії. Для порівняння уявіть, що енергія перетворення 1 грама H2 порівнянна з тією, що виділяється при спалюванні 15 тонн вуглеводнів.
Повернутися до змісту
способи перетворення
Оскільки наука на сьогоднішній день не має пристроїв, що працюють на енергії сонця в чистому вигляді, її потрібно перетворити в інший тип. Для цього були створені такі пристрої, як сонячні батареї і колектор. Батареї перетворять сонячну енергію в електричну. А колектор виробляє теплову енергію. Є також моделі, що поєднують ці два види. Вони називаються гібридними.
Основні способи перетворення енергії сонця представлені нижче:
- фотоелектричний;
- геліотермальний;
- термоповітряний;
- сонячні аеростатні електростанції.
Перший спосіб найпоширеніший. Тут використовуються фотоелектричні панелі, які під впливом сонця виробляють електричну енергію. У більшості випадків їх роблять з кремнію. Товщина таких панелей складає десяті частки міліметра. Такі панелі об'єднуються в фотоелектричні модулі (батареї) і встановлюються на сонці. Найчастіше їх ставлять на дахах будинків. В принципі, ніщо не заважає розмістити їх на землі. Потрібно, тільки щоб навколо них не було великих предметів, інших будівель і дерев, які можуть відкидати тінь.
Крім фотоелементів, для отримання електричної енергії застосовуються тонкоплівкові або гнучкі сонячні панелі. Їх перевагою є мала товщина, а недоліком - знижений ККД. Такі моделі часто використовуються в портативних зарядках для різних гаджетів.
Гнучка сонячна панель
Термоповітряний спосіб перетворення має на увазі отримання енергію потоку повітря. Цей потік спрямовується на турбогенератор. У аеростатних електростанціях під дією сонячної енергії в аеростатні балоні генерується водяну пару. Поверхня аеростата покривається спеціальним покриттям, що поглинає сонячні промені. Такі електростанції здатні працювати в похмуру погоду і в темний час доби завдяки запасу пара в аеростаті.
Геліотремальная енергетика заснована на нагріванні поверхні енергоносія в спеціальному колекторі. Наприклад, це може бути нагрівання води для системи опалення будинку. В якості теплоносія може використовуватися не тільки вода, але і повітря. Він може нагріватися в колекторі і подаватися в систему вентиляції будинку.
Всі ці системи стоять досить дорого, але їх освоєння і вдосконалення поступово триває.
Переваги та недоліки сонячної енергії
переваги
- Безкоштовно. Одне з головних переваг енергії сонця - це відсутність плати за неї. Сонячні панелі робляться з використанням кремнію, запасів якого достатньо багато;
- Немає побічної дії. Процес перетворення енергії відбувається без шуму, шкідливих викидів і відходів, впливу на навколишнє середовище. Цього не можна сказати про теплової, гідро і атомної енергетики. Всі традиційні джерела в тій чи іншій мірі завдають шкоди ОС;
- Безпека і надійність. Устаткування довговічне (служить до 30 років). Після 20─25 років використання фотоелементи видають до 80 відсотків від свого номіналу;
- Рециркуляція. Сонячні панелі повністю переробляються і можуть бути знову використані у виробництві;
- Простота обслуговування. Устаткування досить просто розгортається і працює в автономному режимі;
- Добре адаптовані для використання в приватних будинках;
- Естетика. Можна встановити на даху або фасаді будівлі не на шкоду зовнішньому вигляду;
- Добре інтегруються в якості допоміжних систем енергопостачання.
недоліки
- Ефективність залежить від часу доби і погоди. Нерентабельно використовувати в високих широтах;
- Потрібно акумулювати перетворену енергію;
- Первинні вкладення високі. Особливо це відчутно для звичайних людей при купівлі обладнання для приватного будинку;
- Періодично потрібно робити очищення панелей від забруднення;
- Для розміщення потрібна велика площа;
- Деякі фотоелементи мають в своєму складі Pb, Cd, миш'як, що ускладнює і переробку.
Сфери застосування сонячної енергії
Напрямів використання досить багато. Нижче розглядаються найбільш затребувані і поширені.
Енергопостачання приватного будинку
Зовсім недавно такі системи були чимось з фантастичних фільмів. Але зараз у багато можна зустріти комплекти сонячних модулів на даху чи фасаді будинку. ККД таких систем поки не перевищує 10─15 відсотків. Напруга 12 або 24 вольта. Але для приватного будинку або дачі цього цілком достатньо.
Тут варто сказати, що сучасні панелі виробляють електрику навіть в сутінках і похмуру погоду. Заряду акумуляторних батарей вистачає на темний час доби. Крім того, сонячні панелі підключаються як допоміжні, і при необхідності їх підміняє основна енергетична система.
Повернутися до змісту
Сонячний колектор для опалення та гарячого водопостачання
Тут енергія сонця перетворюється в теплову. Напевно, у багатьох на дачній ділянці є душ з металевим баком нагорі. Він нагрівається від сонця і можна миття нагрітою водою. Це найпростіший варіант такого колектора.
Але сучасні системи працюють значно ефективніше. У них є поглинаючий елемент, який передає теплову енергію теплоносія. Є варіанти з водою і повітрям в якості теплоносія.
Колектори найчастіше працюють у складі систем гарячого водопостачання приватних будинків. Нагріте в них теплоносій потрапляє в накопичувач (бойлер), де нагріває воду. Схема практично така ж, як у електричного бойлера. Тільки електрику в цьому випадку не витрачається.
Компактні системи з колектором можуть забезпечити безкоштовний нагрів води в будинку для сім'ї на 3─5 людина. Мова йде про осінньо-зимовому періоді. Взимку ефективність подібних систем значно знижується. Паралельно з установкою таких систем проводяться роботи по поліпшенню ізоляції. Якщо зими у вашому регіоні не суворі, то колектор цілком може використовуватися і взимку.
Портативні джерела енергії
концентратори
Цей вид пристроїв можна назвати екзотикою. Їх можна зустріти у туристів в складі похідних кухонь. Вони концентрують світло параболічних дзеркалом на ємності з теплоносієм.
Повернутися до змісту
Це поки також екзотична сфера застосування. Але вже зараз проводяться гоночні змагання в Австралії на сонячних автомобілях. Однак останнім часом конструкторам вдалося наростити швидкість таких транспортних засобів до 80 км / год. І також проводяться випробування літака на сонячних батареях з обльотом планети.
Повернутися до змісту
Розвиток сонячної енергетики в різних країнах і її перспективи
Альтернативні види енергетики, до яких відноситься сонячна, швидше за все розвивається в технологічно розвинених країнах. Це США, Іспанія, Саудівська Аравія, Ізраїль та інші країни, де велика кількість сонячних днів в році. Сонячна енергетика також розвивається вУкаіни і країнах СНД. Правда, темпи у нас значно повільніше через кліматичних умов і менших доходів населення.
На території колишнього СРСР клімат для сонячних установок найбільше підходить клімат на Україні і республіках Середньої Азії. Однак тут поки що більше розмов про розвиток, ніж реальних справ. Тобто, розкрити потенціал використання сонячної енергії тут поки не вдалося. Якщо говорити про частку сонячної енергії на ринкеУкаіни і країн СНД, то вона не перевищує 1 відсотка. У планах значиться будівництво кількох сонячних електростанцій. Тому ситуація ще може виправитися.
ВУкаіни спостерігається поступовий розвиток і ухил робиться на розвиток сонячної енергетики в регіонах Далекого Сходу. Сонячні електростанції будуються у віддалених населених пунктах Якутії. Це дозволяє економити на завозиться паливі. Будуються електростанції і в південній частині країни. Наприклад, в Алчевської області.
Всі ці дані дозволяють зробити висновок про те, що багато країн світу намагаються максимально впровадити у себе використання сонячної енергії. Це актуально тому, що енергоспоживання постійно зростає, а ресурси обмежені. До того ж, традиційна сфера енергетики сильно забруднює навколишнє середовище. Тому альтернативна енергетика - це майбутнє. І енергія сонця є одним з ключових її напрямків.
Візьміть участь в опитуванні!