Использование солнечной энергии на земле: Использование энергии солнца на Земле – примеры для доклада

Удивительные факты о солнечной энергии

Как источник энергии будущего, солнечная энергия — это исключительно чистый, простой и естественный способ получения энергии, который не связан ни с какой биологической опасностью.

В современном мире потребление невозобновляемых источников энергии, таких как нефть, газ, торф и уголь, растет с угрожающей скоростью. Мировые запасы природных энергоносителей расходуются гораздо быстрее, чем образовываются новые залежи в недрах Земли, а сама добыча природных ископаемых наносит огромный вред экологии планеты. Сегодня пришло время других источников энергии – возобновляемых, таких как солнечная, ветровая и геотермальная энергия!

Несмотря на то, что многие страны уже давно начали широко использовать солнечную энергию, нашей цивилизации предстоит пройти долгий путь, чтобы научиться использовать эту энергию для удовлетворения своего ежедневного спроса.

Вот несколько фактов о солнечной энергии, которые могут помочь вам оценить потенциал солнечной энергии для удовлетворения глобальных потребностей и в итоге спасти нашу планету от разрушения.

Что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия важнейший сырьевой ресурс и самый мощный поставщик возобновляемой энергии на планете.

Солнце производит энергию в течение миллиардов лет. Это самый важный источник энергии для большинства форм жизни на Земле. Солнечная энергия – это возобновляемый источник энергии, в отличие от невозобновляемых источников, таких как ископаемое топливо. Солнечные энергетические технологии используют энергию Солнца для освещения и обогрева домов, офисных помещений, производства горячей воды и т.д.

Основное преимущество солнечной энергии заключается в том, что она не производит никаких загрязняющих веществ и является одним из самых чистых источников энергии.

Это возобновляемый источник энергии, оборудование для которого требует несложного обслуживания и просто в установке. Единственное ограничение, которым обладает солнечная энергия, заключается в том, что её нельзя использовать ночью, а количество солнечного света, которое получается на Земле, зависит от географического местоположения, времени суток, времени года и погодных условий. Да, но есть же аккумуляторы Энергомет! И будете совершенно правы!

20 фактов о солнечной энергии

1. Солнечная энергия является полностью свободным источником энергии, и она встречается в изобилии. Несмотря на то, что Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, требуется меньше 10 минут, чтобы свет мог преодолеть такую большую дистанцию.
2. Солнечная энергия, которая состоит из лучистого тепла и света от Солнца, может быть использована многими современными технологиями, такими как фотоэлектрические энергетические системы, солнечное отопление, искусственный фотосинтез, солнечная архитектура и солнечное тепловое электричество.
3. Солнечные технологии можно классифицировать на активные и пассивные. Примерами активных солнечных технологий являются фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы, которые используют солнечную энергию. Пассивные технологии включают в себя строительство помещений таким образом, чтобы улучшалась циркуляция воздуха, ориентирование пространства для эффективного использования солнечного света и т.д.
4. Земля получает 174 Петаватта (а это десять в пятнадцатой степени Вт) входящего солнечного излучения в верхних слоях атмосферы. Около 30% отражается обратно в космос, а остальное поглощаются океанами, облаками и сухопутными массивами.
5. Циркуляция воды является важным результатом солнечной активности. Земля, океаны и атмосфера поглощают солнечное излучение, и оно повышает их температуру. Теплый воздух поднимается от океанов, вызывая конвекцию. Когда этот воздух поднимается на большие высоты, то создаются облака путем конденсации водяного пара. Эти облака вызывают дожди, которые возвращают воду на поверхность Земли, завершая водный цикл.
6. Солнечная энергия имеет и другое применение. С помощью фотосинтеза солнечная энергия преобразуется зелеными растениями в химическую энергию, которая создает биомассу, составляющую ископаемое топливо.
7. Садоводство и сельское хозяйство стремятся максимально использовать солнечную энергию. К ним относятся такие методы, как распределение циклов посадки и скрещивание сортов растений. Солнечные технологии также используются для преобразования света в тепло для получения возможности выращивания специальных культур круглый год.
8. Системы горячего водоснабжения на солнечной энергии используют солнечную энергию для нагрева воды. В некоторых районах от солнечного нагрева можно обеспечить от 60 до 70% воды, используемой внутри страны при температурах до 60 градусов Цельсия.
9. Солнечные дымоходы и пассивные системы вентиляции с использованием конвекции воздуха нагретого солнечной энергией широко применялось еще в древности. Нагретая труба и воздух под воздействием солнца создают эффект всасывания и могут использоваться как для проветривания, так и для охлаждения помещений.
10. Солнечная энергия успешно применяется в опреснении морской воды. Солнце выступает в качестве испарителя-опреснителя соленой воды. Полученную пресную воду можно использовать для нужд сельского хозяйства, в промышленности и в быту.
11. Одежду прекрасно можно сушить на солнце. Благодаря солнечным лучам постельное белье и одежда пахнут свежестью, к тому же, солнечный свет – это природный отбеливатель и дезинфектор.
12. Пища может быть приготовлена, высушена или пастеризована с использованием солнечной энергии.
13. Солнечная энергия может быть преобразована в электрическую. В настоящее время существует два метода преобразования энергии солнца в электричество с помощью фотовольтаики (или чаще его называют прямым методом преобразования) или концентрированной солнечной энергии (непрямой метод). Прямой метод (безмашинный) — это когда энергия солнца непосредственно преобразуется в электрическую без промежуточной стадии. В непрямом (машинном методе) имеет место промежуточная стадия преобразования энергии.
14. Преобразованная энергии солнечного света в органических веществах при помощи фотосинтеза давно используется в качестве сырья для технических нужд человечества. Такие виды топлива, как биогаз, биодизель и другие углеводороды, полученные из биомассы водородным или метановым способом, динамично развиваются в качестве источника энергии во многих отраслях народного хозяйства.
15. Солнечные тепловые системы хранения способны накапливать энергию и отдавать ее для последующего использования за счет материалов с высокой удельной теплоемкостью. К таким тепловым накопителям энергии относятся камень, крупнозернистый гравий, галька, земля, вода, соль, а также другие вещества. Вещества способны накапливать тепло при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) таким образом энергии накапливается много, а температура практически не меняется. Солнечная энергия не наносит никакого вреда окружающей среде, является экологически чистым источником, не расходуют ресурсы полезных ископаемых и не нарушает тепловой баланс планеты.
16. Использование солнечного излучения особенно важно в космосе. Энергия солнца является одним из немногих источников энергии для обеспечения работоспособности спутников, автоматических межпланетных станций и космических кораблей.
17. Современные разработки и научные исследования в области солнечной энергии с применением нанотехнологий в будущем уменьшат затраты, и увеличат эффективность преобразования излучения Солнца в электричество.
18. Земля получает около 1 366 Вт прямого солнечного излучения на квадратный метр.
19. Солнечная энергия способна полностью решить энергетические проблемы, когда потребность в ее использовании носит временный характер. Наиболее интересные из них это защитный чехол для мобильного телефона, рюкзак с солнечной панелью, солнечные Bluetooth-наушники. Такие зарядные устройства позволяют зарядить любую электронику, в которой есть выход USB.
20. Панели солнечных батарей практически не требуют технического обслуживания, так как батареи не требуют воды или другого регулярного обслуживания и будут работать в течение многих лет. Как только солнечные панели установлены, постоянных затрат не возникает.

По сути, такая энергия солнечного излучения бесплатная, единственные затраты — это изначальная стоимость оборудования. Кроме того, во многих странах существует множество государственных программ и налоговых льгот, предназначенные для стимулирования использования энергии солнца. Подобная политика государства позволяет существенно сэкономить средства владельцев на установку таких устройств.

Солнечная энергия – это технология, используемая для преобразования солнечной энергии в другие формы, такие как электрическая и тепловая энергия, и может служить для удовлетворения глобальных потребностей человечества.

На данный момент только одна десятая глобальных потребностей в энергии обеспечивается солнечной энергией, но потенциал для будущего – ошеломляющий! Солнечная энергия в будущем может стать основным источником непрерывно возобновляемой энергии в биосфере Земли.

Использование энергии солнца на земле — Аккумуляторы WESTA

Великое и могучее, вечное и всегда молодое, так во многих древних религиях люди отзывались о Солнце. Говорили о нем как об одушевленном предмете и поклонялись ему, мерили время и возносили хвалу как первоисточнику всех земных благ.

И сегодня, когда ни для кого не является секретом, что именно Солнце является основным природным источником тепла и соответственно жизни во многом приходится соглашаться с пониманием роли небесного светила в жизни человечества.

Ну а чем кроме поклонения и понимания важности Солнца в истории цивилизации сегодня человечество может воспользоваться в повседневной своей жизни? Конечно, Солнце является источником необходимой энергии для фотосинтеза растений, оно заставляет совершаться круговороту воды в природе, только благодаря Солнцу, планета имеет все известные сегодня ископаемые виды топлива. И еще человек может использовать энергию солнца для обеспечения своих потребностей в энергии – тепловой и электрической.

Солнце – основной источник энергии на земле

Природа мудро позаботилась о процессе доставки солнечной энергии к Земле, отсылая с поверхности светила солнечную радиацию до поверхности Земли из всего спектра электромагнитного излучения, доходит три основных вида волн:

• ультрафиолетовые волны, их общее количество в солнечном спектре по разным подсчетам составляет около 2%, при этом оно невидимо для человеческого глаза,
• световые волны составляют примерно половину доходящей до Земли энергии – 49%, благодаря волнам этого диапазона человек имеет возможность видеть все краски мира;
• инфракрасные волны, на которые приходится 49% спектра, при этом именно благодаря этим 49% происходит нагревание поверхности Земли, океанов и суши, и именно эти волны и являются источником наиболее востребованной сегодня человечеством солнечной энергии.

Принцип преобразования энергии солнца в электричество и тепло

Как и любой другой процесс, преобразование солнечного света в тепловую и электрическую энергию происходит по принципу прямого превращения световой энергии в тепловую или электрическую – солнечный свет, попадая, на специальную поверхность запускает процесс превращения световой энергии в электрическую или тепловую.

Процесс получения тепловой и электрической энергии из энергии солнца, несмотря на определенное различие в целом очень схож и во многом может быть представлен в виде схожих друг с другом схем:

• для получения тепловой энергии используется тепловой коллектор для поглощения инфракрасных волн, далее в зависимости от сложности системы используются накопители и теплообменники, нагревающие конечный продукт;
• для получения электрической энергии используется принцип прямого преобразования солнечного света в электричество постоянного тока – фотоэлемент принимает на свою поверхность солнечный свет и преобразует в электричество.

Как используют солнечную энергию в наше время

Во многом, использование бесплатной и возобновляемой, а соответственно наиболее перспективной энергии солнца сегодня от теоретических изысканий уже давно перешло в практическую плоскость.

Огромное количество предложений коммерческих фирм делают такую энергию доступной практически для всех, при этом основными направлениями использования такой энергии в повседневной жизни выступают во многом привычные вещи.

Солнечные батареи

Наиболее распространенный источник преобразования солнечного света в электроэнергию. Несмотря на, относительную дороговизну и небольшую мощность, солнечные батареи вполне могут уже сегодня обеспечить половину потребностей человечества в бесплатном освещении.

Несмотря на относительную новизну этого вида источников электроэнергии и еще пока несовершенство технологии уже сегодня солнечные батареи используются как для освещения садовых дорожек и улиц, и уже используются в качестве источников энергии для освещения домов и городских квартир.

Энергоснабжение дома

• Еще пару лет назад система солнечных батарей для освещения дома была чем-то из области фантастики, а сегодня вполне реально установить на балконе или наружной стене комплект солнечных панелей способных обеспечить энергоснабжение отдельной квартиры или загородного дома.
• Технология использования солнечной энергии для получения электричества пока не позволяет получить слишком большой КПД – в среднем он составляет около 13%, а вырабатываемый ток равен 12 В, но и такого количества энергии вполне достаточно чтобы бесплатно пользоваться освещением в квартире или доме.
• Во многом скепсиса оборудовать дом солнечными батареями добавляет возможность работы панелей в пасмурный день или в сумерках, однако, это уже давно забытый этап – все представленные солнечные панели работают даже в глубоких сумерках, а аккумуляторных батарей вполне хватает для питания током потребителей до следующей зарядки.

Портативные солнечные батареи

Еще один вид источников электрического тока в отсутствие стационарной электрической сети. Переносные панели, легкие и удобные незаменимы для тех, чья жизнь связана с постоянными перемещениями вдали от цивилизации, туристов, путешественников, да и для дачников у кого нет электричества на участке очень нужная вещь для зарядки телефона или питания радиоприемника.

Солнечный коллектор

Еще большее применение нашло использование процесс преобразования солнечной энергии в тепловую энергию. Простейшим ее примером можно назвать летний душ, когда емкость с водой нагревается на солнце. Однако сегодня это уже далеко не самый экономически выгодный вариант использования солнечной энергии для бытовых целей – простейший солнечный коллектор делает процесс нагрева воды намного более эффективным.

Суть солнечного коллектора заключается в поглощении энергии поглощающим элементом и передачи ее в виде тепловой энергии для нагрева жидкости. Сегодня используются несколько видов солнечных коллекторов:

• плоский коллектор, в котором поглощающий элемент выполнен в виде плоской панели, внутри которой циркулирует теплоноситель;
• трубчатый коллектор – вид солнечной установки, в которой нагрев рабочей жидкости происходит в соединенных между собой трубах, имеющих хорошую теплопроводность.

Горячее водоснабжение

Установки горячего водоснабжения – сегодня наиболее используемый вид солнечных установок с солнечным коллектором. Нагреваемая солнцем рабочая жидкость по трубопроводу поступает в бак-концентратор, где по теплообменнику происходит нагрев воды.

Схема устройства похожа на обычный электрический бойлер, только вместо электрического нагревательного элемента внутри бака находится трубчатый теплообменник с рабочей жидкостью. Относительно небольшая установка с солнечным коллектором способна обеспечить бесплатный нагрев воды для покрытия бытовых нужд суточного потребления горячей воды семьи из 4 человек в весенне-осенний период.

В отличие от горячего водоснабжения установка для автономного теплоснабжения с использованием солнечного света сегодня выглядит во многом еще большой экзотикой, но в целом не является фантастикой. В ней заложен принцип аккумулирования тепловой энергии и постепенного ее использования для отопления помещений дома. В таких установках используется комбинированный подход:

• здание усовершенствуется – делается более эффективная теплоизоляция, сокращаются потери тепла, производится замена стеклопакетов;
• в подвальном помещении размещается аккумулятор тепла, способный накапливать большое количество тепловой энергии;
• монтируются солнечные коллекторы с заполнение специальным теплоносителем, способным нагреваться при минимальных положительных температурах воздуха;

Такая система отопления способна обеспечить отопление загородного дома в осенне-зимний период на протяжении 60-70 дней, а при условии теплой зимы, с большим количеством солнечных дней и обойтись без других источников энергии на протяжении всего отопительного сезона.

Солнечные концентраторы

Довольно экзотичный, хотя и древний вид аппаратов для использования энергии светила. Использование концентрированных в одной точке солнечных лучей отсчитывается со времени Древней Греции, когда Архимед, с помощью зеркал сжег флот неприятеля.

Сегодня в основном солнечные концентраторы используются в качестве походных экологически чистых кухонь для приготовления нехитрых блюд и в солнечной энергетике, когда на больших площадях параболические зеркала концентрируют солнечный свет на трубопроводах с теплоносителем.

Транспорт на солнечной энергии

Сегодня никого не удивить тому, что чудаки используют солнечную энергию в разных целях, но, тем не менее, регулярные чемпионаты Австралии по гонкам через весь континент на солнечных автомобилях до сих пор освещаются прессой в колонках курьезов. А вместе с тем за последние 10 лет, скорость таких солнцемобилей возросла с 6 до 80 километров в час. К тому же готовится второе кругосветное путешествие самолета на солнечной энергии.

И хотя до промышленных образцов еще далеко, но если самолет, использующий энергию солнца, облетел Земной шар, то в скором будущем это станет обычным делом.

Где лучше всего используют солнечную энергию

Как ни странно, но в рейтинге стран, наиболее рационально использующих солнечную энергию практически нет государств, которые географически, получают наибольшее количество солнечного света. Во многом это объяснимо тем, что бесплатную энергию больше всего любят там, где умеют считать деньги.

К тому же именно в топ-10 наиболее использующих солнечную энергию стран находятся страны с высоким развитием технологий, а следовательно, сделавших технологию использования энергии солнца наиболее доступной.

Среди лидеров сегодня страны стремящиеся обеспечить энергетическую независимость не только государства, но и отдельного гражданина – Германия, Италия, Япония. В этих странах большинство солнечных установок используются в качестве солнечных панелей для наружного освещения и горячего водоснабжения.

На промышленную основу использование энергии солнца поставлено в США, где расположены наибольшее количество солнечных электростанций. А вот использование Солнца в экологических целях лучше всего поставлено в Израиле – здесь не только опресняют воду, но и очищают канализационные стоки с помощью солнечных установок.

Перспективы развития солнечной энергетики

Войны и нефтяные кризисы сами собой подталкивают людей к поиску дешевых и вечных источников энергии.

Сколь бы не была дешева добыча полезных ископаемых, но их запасы не безграничны, к тому же технологии добычи во многом становятся опасными для самой среды обитания человечества.

И именно поэтому солнечная энергетика все больше занимает позиций в энергетическом секторе развитых стран, постепенно вытесняя атомную и тепловую.

Сегодня уже принято рядом государств программы развития солнечной энергетики, в которых, например, в Германии предусматривается до 2050 года нарастить использование солнечной энергии в общем балансе страны до 50%. А Израиль уже сегодня использует около 15 % электроэнергии, произведенной солнечными панелями.

Использование энергии солнца на Земле — способы и преимущества

Неисчерпаемый источник

Согласно определению, солнечная энергия — это электромагнитное излучение всех частот от звезды системы, которое достигает планеты Земля. Большая его доля приходится на видимый и инфракрасный спектры.

С древних времен люди научились использовать эту энергию, в первую очередь, как источник тепла.

Лишь с первой половины XIX века люди начали активно преобразовывать солнечный свет в электричество, что стало возможным благодаря созданию специальных устройств — фотоэлементов.

Цифры и данные

Выгода использования солнечной энергии на Земле базируется на достаточно весомом факте: за этим источником ближайшее будущее. Доказать это утверждение несложно, если учесть следующие данные:

1. За один год планета получает от Солнца приблизительно 3,85*10 24 Дж энергии.
2. Благодаря использованию направленных потоков воздушных масс (ветра) можно получать 2,25*10 21 Дж.
3. Вся биомасса планеты использует около 3*10 21 Дж энергии ежегодно. Основная ее доля приходится на тропические леса Южной Америки.
4. Электричество и органические энергетические источники, которые человек использует для своих нужд, в среднем составляют 5*10 20 Дж в год.

Эти данные показывают, что развитие современной экономики и увеличение энергопотребления сполна может быть обеспечено за счет энергии солнца, ведь она на 4 порядка (в 10000 раз) превышает существующие нужды.

В 2002 году было вычислено, что один солнечный час на планете способен обеспечить энергией все человечество на 1 год.

В свою очередь, всего 18 ясных дней достаточно, чтобы получить столько энергии, сколько ее запасено по всему миру в виде любых других ресурсах в настоящее время.

Цифры также демонстрируют, что вся гигантская зеленая масса планеты использует лишь 0,08% всей доступной энергии электромагнитного излучения. Эти данные говорят о неисчерпаемости рассматриваемого источника и огромных возможностях для развития глобальной экономики, которые он предоставляет.

Согласно прогнозам экологической организации мирового значения Гринпис, к 2030 году около 2/3 всего населения планеты будут использовать солнечные лучи в качестве основного энергетического источника.

Прямое и рассеянное излучение

Около 30% электромагнитного излучения, которое достигает верхних слоев атмосферы планеты, рассеивается и излучается обратно в космос. Далее, при прохождении толщи атмосферы происходит дальнейшее рассеивание света на облаках. Наконец, нагреваясь, поверхность суши и океанов также излучает электромагнитные волны низких частот (инфракрасный спектр).

Около 1000 Вт/м 2 энергии падает в среднем на поверхность Земли. Это прямое излучение. Его можно теоретически использовать для концентрации и перенаправления для генерации полезного тепла или электроэнергии. В настоящее время львиная доля прямого излучения уходит на нагрев поверхности и последующее ее остывание в виде рассеянного испускания электромагнитных волн.

Рассеянное излучение играет важную роль в поддержании жизни на планете. Благодаря ему происходит нагрев нижних слоев атмосферы и их подъем в верхние слои в результате явления конвекции. Последующее остывание теплого воздуха приводит к образованию облаков, дождям и ветрам.

Основные преимущества

Основные преимущества в сравнении с традиционными источниками:

1. Неисчерпаемость. Речь о возобновлении не идет, поскольку Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет.
2. Отсутствие какого-либо загрязнения окружающей среды. По сути, энергии Солнца обязана наша планета со всем ее многообразием живых существ.
3. Сокращение вредных выбросов и замедление процесса глобального потепления, который во многих регионах уже ощущается непосредственно в виде погодных аномалий и подъема уровня океана.
4. Возможность развития регионов, которые находятся на больших расстояниях от индустриально развитых центров. В таких местах может не быть собственных полезных ископаемых, а их привоз является экономически нецелесообразным. Как правило, многие из этих регионов планеты являются островными государствами, которые расположены вдали от континентов.
5. Простота использования и преобразования. Поскольку в настоящее время развивается активно направление преобразования энергии солнца в электрическую, то последнюю можно использовать для широкого спектра нужд.

Современное состояние развития устройств для преобразования солнечной энергии позволяет создавать как крупные сети для мегаполисов, так и изолированные станции, обеспечивающие потребности относительно небольших поселений вплоть до отдельных домов.

Способы использования

Два основных способа применения солнечного электромагнитного излучения:

Пассивный метод

К пассивному относится использование солнечного света в быту непосредственно, то есть без его преобразования в другие виды энергии с помощью каких-либо устройств и механизмов. Этот способ включает различные системы проектирования зданий и сооружений, водохранилищ и солнечных кухонь, которые позволяют определенным образом перераспределять энергию падающих лучей и улучшать естественную вентиляцию помещений или поглощать тепло в дневное время суток и отдавать его в ночные часы. Такая архитектура получила название биоклиматической.

Активное применение

В дополнение к тому, где используется солнечная энергия, следует отметить активное ее применение. Оно подразделяется на два типа:

• термический;
• фотоэлектрический.

О термическом активном использовании света мало информации, поскольку он в настоящее время занимает менее 1% от всей рассматриваемой индустрии.

Суть его заключается в накоплении тепла в специальных устройствах, которые принимают лучи, но сами практически не излучают.

Вся поступившая энергия в эти нагреватели используется для нагрева воды или пара, который впоследствии можно применить для домашних нужд (обогрев, приготовление пищи и так далее).

Некоторые термоустройства позволяют получать температуры в несколько сотен градусов (300−500 °C). В их дизайне применяют современные материалы с заранее заданными оптико-термическими свойствами (пластмассы, стекло).

Фотоэлектрический способ использования солнечных лучей главным образом базируется на применении так называемых фотоэлементов и панелей, из которых они собираются.

Именно это направление энергетики получило колоссальное развитие в последнее десятилетие во многих развитых странах (США, Германия, Великобритания, Япония, Испания).

Выработка солнечной электроэнергии в глобальном масштабе в период с 2006 по 2018 год увеличилась в десятки раз и составила более 500 ГВт.

Фотоэлектрический элемент

Он представляет собой ячейку, созданную с помощью современных технологий. Она включает в себя активный полупроводник (в основном кремний и его соединения p и n-типа), прозрачное стекло специального типа и алюминиевый корпус для обеспечения механической прочности элемента.

Падающий фотон возбуждает электрон, переводя его из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости. Этот элементарный акт приводит к генерации пары свободных носителей заряда электрон-дырка.

Наличие электростатического поля внутри полупроводника приводит к разделению генерированного заряда через p-n переход, что создает разность потенциалов.

Последняя используется для получения постоянного электрического тока.

В зависимости от дизайна и стоимости полупроводники фотоэлементов бывают трех типов:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• аморфные.

Их стоимость падает сверху вниз по списку, а КПД преобразования возрастает. Аморфный кремний применяют в дешевых устройствах, например, в недорогих часах и калькуляторах.

Самый высокий КПД фотоэлемента, который в настоящее время удалось получить, составляет 20%. В подавляющем же большинстве случаев этот показатель около 15%.

Связано это с тем, что большая доля солнечного света имеет энергию большую, чем необходимо для активации работы устройства, поэтому львиная ее доля расходуется на тепловые колебания решетки полупроводника, а не на генерацию электричества.

Развитие отрасли в современном мире

Ввиду повышения требований к экологичности используемых источников энергии в последнее время, солнечная индустрия стала активно набирать популярность в XXI веке. Сейчас многие электронные устройства и аппараты используют солнечные лучи либо в качестве основного источника, либо как дополнительный. Примером могут служить гибридные автомобили.

В 2015 году солнечный вид энергии занял третье место среди возобновляемых источников, после гидростанций и ветряных мельниц. Лидерами в этом направлении являются Германия, Китай, Япония и США. Так, в июне 2014 года в Германии благодаря использованию солнечных батарей удалось получить 50% всей электроэнергии, потребляемой страной в течение суток.

Таким образом, тема солнечной энергетики является актуальной в связи с частыми экономическими кризисами традиционных энергоресурсов и с учетом тяжелой экологической обстановки во многих регионах мира. Многие ученые считают энергию Солнца ближайшим будущим человеческой цивилизации.

Использование энергии Солнца на Земле* (сверх программы)

Все с детства знают, что Солнце является важнейшим источником света и тепла для нашей планеты. Без солнечной энергии, не было бы жизни на Земле. И люди, и животные, и растения — все нуждаются в солнечной энергии.

Люди часто используют солнечное тепло, чтобы высушить белье или нагреть воду. Мы воспринимаем солнечный свет и тепло как должное и редко задумываемся о том, сколько энергии передаётся нам от Солнца.

Заметив это, люди задумались, а можно ли как-то использовать солнечную энергию в своих целях. Оказалось, что можно, и весьма успешно.

Существуют солнечные батареи, о которых мы упоминали в уроке об излучении.

Эти батареи способны улавливать солнечную энергию и преобразовывать её в электрическую. Это особенно полезно на космических станциях и кораблях.

Солнечные батареи устанавливаются прямо на корпус корабля или станции, таким образом, получая энергию от Солнца. После это энергия преобразуется в электрическую и используется, например, для освещения.

Солнечные батареи обычно имеют размеры порядка 10—50 м2.

Чтобы детально рассмотреть вопросы, связанные с использованием солнечной энергии, вам нужно еще многое изучить. Поэтому, сегодняшний урок можно считать ознакомительным.

Итак, давайте познакомимся с некоторыми общеизвестными фактами. Существует так называемая солнечная постоянная — это интенсивность солнечного излучения.

Интенсивность определяется мощностью излучаемой энергии на 1м2:

Солнечная постоянная равна

То есть, за 1 с, через площадь в 1 м2 проходит 1367 Дж солнечной энергии. Но, до нас доходит не вся эта энергия из-за того, что у Земли есть атмосфера. Часть энергии поглощается частицами, находящимися в атмосфере, а часть — отражается и уходит обратно в космическое пространство.

Поэтому, максимальный поток солнечной энергии, который доходит до поверхности Земли — это 102 Вт/м2. Но, этой интенсивности поток достигает на экваторе, на уровне моря. В действительности же, интенсивность излучения в тех или иных областях Земли будет зависеть от погоды, от времени суток и от некоторых других факторов.

Так что, средняя интенсивность примерно втрое меньше максимальной и составляет 34 Вт/м2. От этого значения мы и будем отталкиваться.

Исходя из этого, мы можем вывести формулу, по которой можно подсчитать солнечную энергию, которую может собрать солнечная батарея. Если мы умножим интенсивность излучения на площадь батареи, то мы получим мощность: P = I0S.

• Чтобы найти энергию, нужно мощность умножить на время излучения: E = Pt.
• Тогда получим, что энергия равна: E = I0St.
• Итак, если мы установим батарею 5 на 8 метров, то за 8 часов батарея получит:

Для сравнения при сгорании литра бензина выделяется менее 33 МДж. Предположим, что при преобразовании солнечной энергии в электрическую теряется 90% энергии. То есть, коэффициент полезного действия составляет всего 10%:

Даже при этом, энергии, полученной от солнца за световой день, хватит на работу трёх стоваттных лампочек в течение почти четырёх часов.

Конечно, вы можете сказать, что литр бензина стоит значительно дешевле, чем изготовление солнечной батареи, да и работа трёх лампочек — это не очень-то впечатляющий показатель. Но, ведь, мы сейчас рассмотрели использование только одной батареи.

Давайте посчитаем, сколько мы можем получить энергии, если поставим солнечные батареи на крышу дома. Площадь такой крыши составляет порядка 200 м2. В летний период световой день длится порядка 12 часов. Вот и считайте:

Даже, если мы опять предположим только 10% эффективности солнечных батарей, этой энергии хватит на то чтобы постирать белье в стиральной машине, посмотреть фильм по телевизору и обеспечить работу компьютера более чем на сутки:

Можно привести много примеров, но мы приведём только один. За июль 2013 года Германия, будучи далеко не самой солнечной страной, произвела более 5 ТВт-часов, используя солнечную энергию. Такое количество электроэнергии потребляет целый район многоквартирных домов за 10 лет.

А теперь, давайте рассмотрим, какие есть недостатки и  достоинства использования солнечной энергии. Конечно, очевидное и важнейшее достоинство солнечной энергии — это то, что для нас Солнце является неисчерпаемым источником.

Что бы ни случилось, Солнце светит каждый день, и каждый день мы можем получать энергию, причем совершенно бесплатно. Конечно, солнечные батареи тоже не вечны: за ними нужен уход и их периодически приходится менять. Но факт остаётся фактом: мы получаем энергию от неисчерпаемого источника.

Второе очень важное достоинство этого источника — это общедоступность. Ведь Солнце светит везде и всюду, поэтому, любой человек может использовать эту энергии. В отличие от нефти, газа, каменного угля и других ископаемых, солнечную энергию добывать не нужно.

Ну и, конечно, нельзя не упомянуть о том, что использование солнечной энергии никак не загрязняет окружающую среду. Сегодня проблема экологии стоит довольно остро, поэтому именно сегодня нам стоит задуматься о природных источниках энергии, таких, как энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Но, в использовании солнечной энергии есть определённые сложности. Во-первых, такой источник всегда зависит от погоды и от времени суток. Во-вторых, сама солнечная батарея — довольно дорогая конструкция из-за применения редких элементов, таких, как, например индий или теллур.

При повсеместном внедрении солнечных батарей существует риск изменения альбедо. Альбедо — это характеристика отражательной способности поверхности. Если поставить слишком много батарей, то Земля в целом станет отражать больше лучей.

Это может привести, например, к усилению парникового эффекта и, как следствие, к глобальному потеплению. Или же, это каким-то образом может сказаться на растениях.

Эффект предугадать трудно, но у нас есть достаточно примеров того, как опасно вмешиваться в природные процессы.

Тем не менее, если с умом использовать солнечные батареи, то можно с успехом получать большое количество энергии от неисчерпаемого и общедоступного источника. Использование альтернативных источников энергии рано или поздно придется внедрить, поскольку на данный момент, человечество живет за счет использования ресурсов планеты, которые, увы, не вечны.

Доклад-сообщение Использование энергия солнца на земле

В современном мире все большую популярность находит использование энергии солнечного света. Если раньше его использовали дачники для нагрева душа, то сейчас его использую в работе космических кораблей и добывании электричества. Системы, созданные на принципе взаимодействия с солнечным светом, делят на пассивные и активные.

К первым относятся так называемые солнечные здания, которые строятся с учетом всех особенностей климатической зоны. Такие системы позволяют максимально эффективно использовать солнечный свет, что позволяет окупить энергозатраты. Это является очень перспективным случаем, позволяющим отдельным зданиям работать автономно, используя только фотоны.

Активными системами называют аккумуляторы, коллекторы, различные трубопроводы для подачи тепла.

Для преобразования света, исходящего от звезды, в электрический ток используют фотоэлементы — специальные устройства, имеющие на своей поверхности полупроводники.

Фотоны света, ударяясь о поверхность фотоэлемента, приводят электроны в движение, которые создают электрический ток. Огромный плюс в том, что во время работы фотоэлементов не протекает химических реакций, что существенно увеличивает время эксплуатации фотоэлемента.

Кроме того, они легкие, удобны и просты в обслуживании и по мере развития технологий их КПД постоянно повышается.

Солнечные установки имеют целый ряд преимуществ, таких как:

• бесплатность и неисчерпаемость ресурсов;
• безопасность;
• автономность;
• долговечность;
• простота обслуживания;
• экономичность.

В Европе уже многие предприниматели и частники начинают создавать целые солнечные фермы по выработке большого тока. Такие фермы окупают себя очень быстро, что говорит о том, что будущее человечества — в использовании энергии солнца как главного производительного ресурса.

Использование энергия солнца на земле доклад

Древние язычник в далекие времена воспринимали наше Солнце словно божество. Ему поклонялись и отдавали дань уважения. Конечно, прошло время, цивилизация продвинулась вперед и вот уже в XIX-XX веках ученые начали изучать солнечную энергию, и применять еехозяйственной сфере.

Ученые создавали солнечные панели, которые могли принять и использовать энергию Солнца, это стало не только большим прорывом для человечества, это стало толчком, для новых важных открытий. Всем известно, что Солнце издает большое количество энергии.

Этой энергии хватит, чтобы обеспечить нашу планету электричеством на долгие годы. С помощью солнечных батарей, мы можем получать эту энергию для своих нужд. С каждым годом такие батареи изменяют и усовершенствуют.

На сегодняшний день эта промышленность еще не особо развита, но скорее всего, в будущем, солнечная энергия займет одно из первых мест в энергетике.

Все мы знаем, что Солнце неиссякаемый и первоначальный источник всех энергетических процессов. Его энергия, достигая Земли, превращается в тепло. Именно благодаря Солнцу обогреваются реки, воздух и земля. Но много тепла теряется и в космосе.

Энергии Солнца вполне хватит, чтобы покрыть все потребления населения. Самое главное при этом, что использование солнечной энергии достаточно безопасный процесс для природы и всего живого вокруг.

Сама по себе, солнечная энергия чистая в экологическом плане, атомные электростанции намного больше приносят вреда Земле, чем энергия солнца. Конечно, при использовании солнечной энергии возникают различные проблемы.

Достаточно знать о том, что Солнце светит только днем, то есть энергия будет поступать только в дневное время. Поэтому необходимо придумать процесс накопления энергии днем, чтобы спокойно использовать ее ночью.

В каких же сферах все-таки применяют солнечную энергию? В первую очередь, это летний дачный душ, в котором бак воды нагревают солнечные лучи. Солнечные коллекторы, набирающие популярности на сегодняшний день, дают возможность обогреть целый дом. От таких коллекторов можно не только получить тепло, но еще и зарядить телефон, подогреть воду в баке, и получить свет.

Большим спросом пользуется энергия солнца в народном хозяйстве. Ею обогревают ангары, парники и многие другие постройки. Увеличивается энергоснабжение больниц и спортивных учреждений. Отличным вариантом в применении солнечной энергии стало освещение улиц и городских объектов. Многие бытовые нужды решаются с помощью солнечных коллекторов и батарей.

Солнечные установки имеют больше преимуществ, чем недостатков.

В первую очередь их использование безопасно и бесконечно, они полностью автономны, долговечны и стабильны. Конечно, стоят они не дешево, но их цена со временем окупится, и будет только радовать.

С каждым годом человечество придумывает все новые, и новые способы использовать солнечную энергию. Если не так давно ее использовали только для обогрева дома, то теперь вырабатывают электричество, для подачи не только света, но и воды в большие населенные пункты.

Создаются и усовершенствуются гелиосистемы, с помощью которых в районах, чаще всего это пустыни и степи, где солнце светит постоянно, можно установить электростанцию и получать электричество.

Благодаря этому неприспособленные к жизни места, станут заселенными, построятся дома, появится электричество и водопровод. Энергия будет использоваться на все нужды населения.

Уже сегодня во многих странах установлены и используются солнечные батареи. В странах Азии, Египте и Турции прекрасно пользуются солнечной энергией. Люди надеются, что в скором времени это приобретет большого использования и станет доступно многим людям, ведь это не только экономит затраты на отопление и электроэнергию, это еще и не приносит вред нашему здоровью.

Популярные темы сообщений

• Белладонна (растение)
  Беладонна – растение красивое, но в то же время и весьма ядовитое. К слову, также ее называют красавкой, но большинство людей все же помнит лишь первое, более привычное название. Что касается размеров, длина растения может достигать до двух метров.
• Средневековье
  Средние века, или Средневековье – это исторический термин, который отображает период истории в Европе и Ближнего Востока. Начался он после периода Античности, а за ним последовал период Нового времени.
• Река Обь
  Обь — крупная река России. Ее протяженность составляет 3650 км, а бассейн – почти 3 миллиона км, что делает ее рекордсменкой в этой области в РФ. Обь находится на западе России, большая ее часть протекает по Западно-Сибирской равнине.

Доклад Использование энергии солнца на Земле по физике 8 класс сообщение

Солнце — небесное светило, которое освещает Землю и позволяет нам видеть. Ведь свет идет по большей части именно от Солнца, благодаря чему, люди могут наблюдать за пространством своего обитания. С давних времен люди искали возможности использовать не только тепло и свет от этого светила, но и отыскать другие способы преобразования солнечной энергии.

Наиболее распространенным методом является создание солнечных электростанций, которые могут преобразовать получаемый свет и тепло и электричество.

Конечно, тут существуют некоторые ограничения, которые обуславливаются переменной облачностью и другими факторами.

На данный период существуют возможности запустить такие электростанции в космос, где проблемы облачности не существует, но современные технологии не могут сделать такие космические станции рентабельными.

Поэтому люди по большей части занимаются земными солнечными электростанциями, которые могут быть и промышленными и бытовыми, то есть частными.

Для того чтобы обеспечить электроэнергией жилой дом, вполне достаточно установить на крыше солнечные панели в относительно небольшом количестве.

Речь может идти не только о частном доме, но и о городском многоквартирном и такая практика существует в Европе, где на крышах городских домов устанавливают солнечные панели, которые обеспечивают какую-то часть энергоснабжения.

На практике использование солнечной энергии сейчас не приносит огромной выгоды, но этот вектор получения энергии является более чем актуальным. Ведь со временем люди начинают потреблять больше энергии. Больше людей пользуется электроприборами, а сами приборы становятся более затратными в смысле использования электричества.

Поэтому, если каждый будет использовать для себя солнечные панели, такой вариант будет выходом из задачи обеспечить каждого человека нужным количеством энергии.

Тем не менее, культура такого самообеспечения до сих пор не является развитой.

Для этого требуется дополнительное техническое и культурное развитие человечества, которое может наблюдаться в не самой близкой перспективе, хотя и не выглядит чем-то заоблачным.

Сообщение Использование солнечной энергии

Именно солнце определяет существование и развитие всего живого на Земле. Как говорят ученые, возникновение живых организмов обуславливается практически идеальным расположением нашей планеты. Если бы Земля была немного ближе или дальше, то живые организмы тут не могли бы существовать.

Тем не менее, мы, если возможно так сказать, выиграли в космической лотерее и можем существовать на этой планете. Более того, мы можем пользоваться энергией солнца.

Ранее люди использовали солнечное тепло и свет довольно примитивно, в основном для сельского хозяйства или нагревания чего-либо.

Сейчас ситуация поменялась и технические достижения позволяют применять более современные методики, в частности механизмы, которые позволяют собирать и преобразовывать солнечную энергию.

Помимо этого тенденции к развитию экологических методов получения полезной энергии для человеческих потребностей, делают этот способ довольно популярным.

Во многих прогрессивных странах солнечная энергия постепенно приобретает статус основного источника получения электричества. Используются и бытовые «сборщики» этой энергии – солнечные панели, которые позволяют практически непрерывно получать электричество, и промышленные технологии – целые поля таких панелей крупного размера.

Единственным недостатком такого способа является зависимость от погодных условий. Как нетрудно понять, если погода является облачной, то солнечные установки перестают работать. Тем не менее и этот недостаток нивелируется современными учеными, которые создают специальные аккумуляторы, позволяющие работать более эффективно вне зависимости от погоды.

В завершение следует отметить возможность прямого использования солнечной энергии. К примеру, для нагрева воды. Для этой цели просто используются разнообразные емкости, которые нагреваются на открытом воздухе и могут поставлять воду в систему водоснабжения.

Физика 8 класс

• Лошадь домашнее животное
  Лошади — одни из самых красивых и грациозных животных на всем свете, но на этом их достоинства не заканчиваются! Лошадки являются незаменимыми помощниками в хозяйстве и быте
• Среда обитания организмов
  Разумеется, что все живые существа не способны существовать сами по себе – им необходимо определенное место, в котором будет протекать их жизнедеятельность (и место это должно обладать благоп
• Липа
  Из всех известных науке лиственных деревьев липа является одним из древнейших растений.
• Снежные лавины
  Снежная лавина – скорый и неожиданный спуск большого количества снега с поверхности горы. Скорость схождения может достигать более 90 метров в секунду, и вес достигает 60 тонн. Явление чрезвы
• Река Ока
  Река Ока представляет собой типичную равнинную реку, которая расположена в европейской части нашей Родины. Своё название она получила от древнерусского слова «вода». Река Ока считается отличн
• Рельеф Земли
  Наша планета поистине прекрасное место, в котором нашло себе место огромное количество различных прекрасных вещей, начиная списком из материальных вещей, которые поражают своей красотой

Преимущество использования энергии Солнца на Земле

Энергия – это жизненная кровь социально-экономического развития. Использование энергии значительно эволюционировало за последние десятилетия в том числе и от Солнца.
Практическое использование энергии Солнца может оказаться более чем достаточным, чтобы удовлетворить спрос для всех энергетических систем необходимых для жизни человека.

Доля ресурсов солнечных лучей, достигающих поверхности Земли, могла бы полностью обеспечить потребность глобального потребления если бы их можно было бы обуздать.

1 иоттаватт (1024 Вт) энергии достигает поверхности Земли в год от Солнца, что примерно в 10 11 раз превышает спрос на первичные ресурсы в мире, но самый большой вопрос как эти ресурсы обуздать.
Для сравнения в 2018 году 20 400 TВт (20,4 х 1012 Вт) электричества было произведено во всем мире.

Доступный солнечный ресурс

Общий спектр электромагнитных волн, излучаемых Солнцем, определяется как солнечное излучение или инсоляции света. Только небольшая часть этого излучения попадает на Землю. Солнечный свет, который попадает на поверхность Земли содержит видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет.

Время в пути для солнечного света от Солнца до Земли составляет примерно около 8 минут.
Доступный солнечный ресурс в различных местах нашей планеты различен. Тропические регионы предлагают лучший ресурс, чем более умеренные широты.

Например, средняя мощность облучения в Европе составляет около 1000 Вт/ч на квадратный метр по сравнению с 1800 Вт/ч на Среднем Востоке.  Используя сегодняшнюю технологию полупроводниковых солнечных батарей, поле площадью 500 на 500 км смогло бы произвести всю электроэнергию используемую в России.

По мере того как технология будет все больше и больше доступна потенциал использования энергии солнца как главный источник низкоуглеродистой энергии будет расти.

Сейчас фотоэлектрические системы могут обеспечить 276 х 106 МВт/ч энергии, что эквивалентно только 1% от глобального спроса.

Хотя за свой срок службы типичный фотоэлектрический модуль в солнечном климате будет производить более чем в двадцать раз больше электроэнергии, первоначально используемой для его производства.

Использование энергии солнца считается более экологичным, чем обычные способы использования источников, таких как ископаемое топливо и уголь. Солнечная энергия на сегодняшний день является крупнейшим энергетическим ресурсом на Земле.

Откуда Солнце берет энергию

На Солнце происходит термоядерная реакция. Чистая масса до и после процесса деления или слияния отрицательна; другими словами, в ядерной реакции происходит потеря массы. Эта масса не просто исчезает, а превращается в энергию.

Ядерный синтез водорода в гелий – это процесс, благодаря которому солнце дает нам энергию.
Фактически Солнце каждую секунду превращает около 620 миллионов метрических тонн водорода в гелий.

99% от ядерного синтеза генерируется внутри 24% радиуса Солнца, которая течет наружу через несколько различных слоев, прежде чем уйдет как солнечный свет.

Солнце горит уже несколько миллиардов лет. Постоянная потеря массы, вызванная ядерным синтезом, означает, что солнце медленно исчезает.

Но не волнуйтесь: по данным, у нашего светила осталось еще 6,5 миллиардов лет термоядерных процессов, прежде чем оно выключится.

174 петаватта (PВт) в виде солнечной радиации (или инсоляции – облучение поверхности) попадает в нашу атмосферу.
Почти треть из них отражается обратно в космос.

Остальные, 3 850 000 эксаджоулей (1 эксаджоуль равен 277,78 ПВт∙ч (петаватт-час)) поглощаются атмосферой, облаками, океанами и сушей. Это количество энергии за час больше в 8640 раз, чем необходимо общее потребление во всем мире.

По другому один час облучения поверхности нашей планеты эквивалентен мировому потреблению в течение всего года.

К сожалению, обуздать всю эту энергию от нашей звезды невозможно.

Вот некоторые другие интересные сравнения, которые помогут понять огромный потенциал энергии Солнца:

• один год от солнечных лучей, достигающих поверхность Земли, в два раза больше всех невозобновляемых ресурсов, включая ископаемое топливо и ядерный уран.
• солнечная энергия, которая каждую секунду попадает на Землю, эквивалентна 4 триллионам 100-ваттных лампочек.
• энергия, которая падает на одном квадратном километре в год, эквивалентна 3 миллионам баррелей нефти.

Производство солнечной энергии

Использование энергии солнца возможно с помощью фотоэлектрических систем. Принцип работы солнечного элемента в преобразовании солнечного света непосредственно в электричество.

Когда полупроводниковые панели подвергаются действию света, они производят направленный ток. Инвертор после этого преобразовывает постоянный ток в электричество переменного тока который распределяется через электрические сети. Возможно использование постоянного тока от полупроводниковых панелей или в комбинации с различными устройствами преобразования тока.

Солнечный фотоэлемент является самым маленьким полупроводниковым устройством, которое преобразует солнечный свет в электрическую энергию. Модуль представляет собой сборку ячеек последовательно или параллельно соединенных для увеличения напряжения и/или тока. Панель-это сборка модулей на конструкции. Массив – это сборка панелей на площадке.

Преимущества солнечного источника

1. Согласно астрофизике, Солнце родилось около 4,57 миллиарда лет назад и имеет еще 6-7 миллиардов лет до того, как оно станет белым карликом (планетарная стадия, когда ядерное топливо в Звезде исчерпывается).
2. Богатый потенциал ядерного топлива в звезде находится за пределами воображения. Поверхность Земли получает 120 000 тераватт солнечной радиации (солнечного света) – в 8640 раз больше энергии, чем необходимо для снабжения всего мира.
3. Устойчивый богатый и возобновляемый источник энергии также является постоянным. Устойчивые источники энергии удовлетворяют потребности настоящего времени без ущерба для способности будущих поколений удовлетворять свои потребности. Другими словами, солнечная энергия является устойчивой, потому что мы не можем её чрезмерно потреблять.
4. Экологически чистое использование солнечной энергии, как правило, не вызывает загрязнения окружающей среды. Однако есть выбросы, связанные с производством, транспортировкой и установкой солнечных энергетических систем – почти ничего по сравнению с большинством обычных источников. Очевидно, что этот тип ресурсов снижает нашу зависимость от невозобновляемых источников энергии. Это важный шаг в борьбе с климатическим кризисом.
   Известно, что сжигание ископаемого топлива высвобождает химические вещества и частицы, которые вызывают рак, повреждение мозга и нервов, врожденные дефекты, травмы легких и проблемы с дыханием. Токсичные вещества, выделяемые при сжигании углеводородов, загрязняют воздух и воду и вызывают кислотные дожди и смог. Эти негативные последствия сжигания ископаемого топлива для окружающей среды и жизни человека заставляют человека диверсифицировать энергетические ресурсы путем перехода к использованию энергии Солнца.
5. Хорошая доступность во всем мире. Не только страны, которые находятся ближе всего к экватору, могут использовать солнечную энергию – Германия, например, имеет на сегодняшний день самую высокую мощность этого типа устройств.
6. Снижение затрат на электроэнергию с введением чистых схем учета и ввода тарифов. Домовладельцы теперь могут “продавать” избыточную электроэнергию или получать кредиты на оплату счетов, когда они производят больше электроэнергии, чем они фактически потребляют.
7. Финансовая поддержка со стороны правительства/государства.
8. Низкие затраты на обслуживание.
9. Совершенствование технологий по использованию энергии Солнца.

История использования солнечной энергии

Многие процессы жизнедеятельности на земном шаре обеспечиваются ресурсами солнечной энергии. Свет и тепло звезды позволяют осуществляться круговороту воды в природе, расти зелени, а также способствуют выработке топлива за счет накопления углерода. Солнце с древних времен и по сей день играет важную роль в существовании любого живого организма.

Экскурс в историю

О пользе тепла и света предки помнили всегда: в жарких странах праотцы сушили шкуры, готовили пищу на раскаленных камнях, в холодные же времена Солнце согревало и позволяло выжить. После неизбежных процессов эволюционирования в VII веке до нашей эры появились часы, определяющие время по Солнцу. Впервые такой механизм был разработан в Вавилоне, затем опыт переняли предки Рима и Греции. III век до новой эры открыл возможность зажигания огня. Доподлинно известно, что Архимеду при помощи данного метода удалось спалить дотла флот врага, осаждавший город.

В промышленность использование солнечной энергии ввел в Италии Леонардо да Винчи, спроектировав параболическое зеркало, отражающее свет под углами, необходимыми для обогрева котельных фабрик. После во Франции Жорж Луи Леклерк де Бюффон усовершенствовал технологию да Винчи. Теперь появилась возможность использования отраженных лучей в качестве воспламенителя. Бюффону удалось воспламенить таким образом сухое дерево на расстоянии 68 километров от зеркала. В 18 веке было совершено открытие, позволяющее использовать линзы для концентрации тепла. Затем в 19 веке Александр Эдмон Беккерель выявил фотоэффект, Чарльз Фриттс создал первую батарею, а в начале 20 века Альберт Эйнштейн был награжден Нобелевской премией за доработку идеи Беккереля. Недостатком являлся только очень низкий КПД — всего 1%. Середина столетия стала началом эры использования спутников с солнечными блоками, излучавшими энергию для потребления космическими кораблями. Теперь КПД составлял около 20%. В основном, такие мощные устройства в промышленных масштабах разрабатывались в США, Израиле, Саудовской Аравии и некоторых других странах.

Новое время

Сегодня направление солнечной энергетики развивается достаточно быстро. Во многих государствах происходит активная поддержка данной отрасли, создаются специальные программы. Например, владельцы домов в Европе имеют возможность отдать энергию, накопленную солнечными блоками за день, в муниципальную сеть, взамен получив льготы на оплату коммунальных услуг. Компании Германии активно выкупают избыток энергии с целью поддержки инновационных технологий, позволяющих более рационально использовать ресурсы. В ФРГ существует специальная программа государственного масштаба, компенсирующая высокий процент от затрат при переходе на солнечные батареи. Позднее такой опыт переняли США, Япония и Монголия. В Испании согласно законодательству строительство ведется только с применением технологий внедрения батарей на крышах. Европейская Ассоциация Фотовольтаики прогнозирует удовлетворение в среднем 12% мировых потребностей в электроэнергии к 2030 году, используя солнечные батареи в качестве более дорогих аналогов ИБП для котлов.

Российская Федерация

Сегодня страна пока не имеет государственных программ, значительно способствующих развитию данной промышленной ресурсодобывающей отрасли, что можно объяснить большим количеством запаса углерода и дорогой стоимостью солнечной энергии. Несмотря на это, перспектива передового развития данной отрасли есть, к примеру, в некоторой части юга России. Несмотря на привычное тепло и возможность использования солнечной энергии в Краснодарском крае или Астраханской области, ученые Российской Академии Наук установили, что наиболее подходящими регионами для подобных экспериментов являются Приморье и Сибирь. Там ежегодное количество солнечного излучения превышает значение южных территорий. Первая электростанция в России появилась в 2010 году в Белгородской области в качестве экспериментального проекта, но пока сведения о прогрессе государства не упомянуты ни в одном из аналитических докладов Организации Объединенных Наций, обозревающих состояние мировой фотовольтаики.

Преобразование энергии

В науке используется термин солнечной постоянной, равной 1367 ватт и приходящейся на 1 квадратный метр земного шара. Доля света рассеивается в атмосфере, а часть минимизируется в зависимости от угла падения луча и времени суток. Таким образом, максимальное значение солнечной энергии на экваторе будет составлять около 300-350 ватт. Ученые сошлись во мнении, что преобразование происходит путем превращения атомов водорода в ядро гелия, сопровождая данный процесс выделением существенного количества тепловой энергии. Сегодня пока не существует устройства, которое бы работало исключительно на солнечном свете, поэтому для преобразования были созданы батареи и коллекторы. Первые устройства преобразуют ресурс, излучаемый звездой, а вторые вырабатывают тепло.

Среди современных способов получения энергии выделяют следующие:

• Фотоэлектрический. Самый распространенный метод, позволяющий использовать кремний. Комплекс панелей образует батарею и располагается под солнечными лучами. При применении данного способа необходимо следить, чтобы на модули не попадали тени от деревьев или близлежащих сооружений.
• Гелиотермальный. Метод основан на нагревании поверхности энергоносителя в коллекторе. Подобным образом можно бесперебойно подавать водоснабжение или тепло в дом.
• Термовоздушный. Способ основан на захвате и устремлении потока в аэростатный отсек, в котором конденсируется водяной пар. Подобная электростанция имеет преимущество перед другим оборудованием за счет работоспособности в любое время суток.

Преимущества солнечной энергии

• отсутствие платы за ресурс;
• не обладает побочными эффектами: преобразование света и тепла в электричество происходит бесшумно, безотходно, не влияя на благоустройство экологии;
• долговечность — солнечные батареи способны работать около 30 лет;
• возможность вторичного применения — благодаря современным технологиям блоки могут быть переработаны;
• легкость использования — оборудование снабжено автономным режимом и не требует постоянного контроля;
• функциональность — солнечные блоки адаптированы для домашнего применения.

Недостатки

• различный уровень эффективности в светлое и темное время суток;
• зависимость от сезона;
• необходимость аккумулирования преобразованной энергии;
• высокая стоимость, не позволяющая внедрение данной технологии в каждый дом.

Сферы применения

Вариантов использования солнечного света достаточно много. Самым серьезным считается энергоснабжение домов. С начала текущего века наука шагнула вперед достаточно далеко, и сегодня есть возможность установки солнечных батарей не только в качестве основных источников получения электроэнергии, но и в виде дополнительных, включающихся в работу по необходимости.

При использовании панелей все чаще происходит обогрев помещений или воды. Простейший коллектор наверняка имеется на участке у каждого дачника — летний душ с железным баком на крыше. В данном случае при использовании солнечной энергии принцип обогревания аналогичен. Теплоноситель попадает в бойлер, где происходит увеличение температуры жидкости без расхода электричества. Подобное оборудование позволяет достигать тех же результатов, что и ИБП для газовых котлов, но стоит значительно дороже. В холодное время года такой коллектор способен обеспечить теплый воздух и горячую воду для семьи из 3-5 человек. Стоит отметить, что при установлении панелей для обогрева дома проводятся работы, способствующие улучшению теплоизоляции.

Солнечная энергия становится все популярней в качестве заряда портативных батарей или аккумуляторов. Подобный альтернативный источник устройств обеспечивает работу многих гаджетов — ноутбуков, смартфонов, планшетных компьютеров. Некоторые производители усовершенствуют устройства, добавляя противоударные и водонепроницаемые функции. Принцип работы таких аппаратов прост: солнечный свет попадает на панель и преобразуется в электрический заряд, обеспечивая питание. Среди особенностей использования выделяют необходимость определения оптимального угла падения солнечных лучей.

Какие есть способы преобразования солнечной энергии и их КПД

Какие есть способы преобразования солнечной энергии и их КПД

Солнечная энергия — энергия от Солнца в форме радиации и света.

Излучение Солнца все время несет к Земле энергию. Это, по существу, электромагнитная энергия. Спектр электромагнитного излучения Солнца лежит в широком диапазоне: от радиоволн до рентгеновских лучей. Максимум его интенсивности приходится на видимый свет, а именно — на желто-зеленую часть спектра. В целом можно сказать, что энергия солнечного излучения управляет жизнью на Земле, климатом и погодой на нашей планете — вся живая природа на Земле обязана своим существованием Солнцу.

Дело в том, что от Солнца — к верхним слоям земной атмосферы непрерывно поступает в форме излучения мощность порядка 174 петаватт (пета — 10 в 15 степени). При этом 16% поступающей энергии поглощается верхними слоями атмосферы, а 6% — отражается от нее. В зависимости от погодных условий, в средних слоях атмосферы также происходит отражение до 20%, а поглощается около 3% приходящей от Солнца энергии.

Таким образом, наша атмосфера рассеивает и фильтрует значительную часть спектра, пропуская, однако, к поверхности земли немалую его долю в форме инфракрасного и немного ультрафиолетового. В результате мы можем наблюдать круговорот воды в природе, фотосинтез растений, и имеем среднюю температуру земной поверхности около 14°C.

Технология, позволяющая человечеству использовать данную энергию практически и осознанно, называется солнечной энергетикой. И такое положение не лишено здравых оснований, ведь по оценкам ученых потенциал энергии Солнца, которая может быть принята на поверхности земли и преобразована в полезную для человека форму, составляет на сегодняшний день в максимуме почти 49,9 эксаджоуль в год (экса — 10 в 18 степени), что в 10000 превосходит нынешние потребности человечества.

Даже в Германии, где климат не особо солнечный, энергия, которую можно было бы в идеале получить от Солнца, в 100 крат превзошла бы потребности всей страны. А в Австрии на 1 квадратный метр поверхности земли приходится до 1480 кВт-ч в год. И лишь 50% этой энергии принимается в стране солнечными концентраторами, осуществляющими нагрев теплоносителя в своем фокусе.

Далее давайте рассмотрим наиболее приемлемые на сегодняшний день способы преобразования солнечной энергии, и оценим их коэффициент полезного действия (КПД).

Солнечный коллектор

Солнечные коллекторы, хотя и относятся к низкотемпературным установкам, тем не менее они позволяют добывать примерно 1250 кВт-ч на квадратный метр энергии в год. Энергия получается здесь в форме тепла, пригодного для промышленного отопления и обеспечения горячего водоснабжения.

Практически установка преобразует энергию, даваемую видимым светом и ближним инфракрасным излучением, — в тепло, поскольку разогревается здесь теплоноситель — вода. При отсутствии забора тепла (застое) коллекторы такого плана способны нагреть воду до 200°C.

Установка имеет покрытие из специального абсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение, и передающего тепло теплопроводящей системе. Селективное покрытие обычно представляет собой черный никель или напыление оксида титана. Среднестатистический КПД таких установок 50%.

Параболоцилиндрическое зеркало

Установки на базе параболоцилиндрических зеркал относятся к среднетемпературным установкам. Они позволяют получать 375 кВт-ч на квадратный метр электрической и тепловой энергии в год. В фокусе такой установки располагается трубка (внутри которой теплоноситель — масло) или фотоэлектрический преобразователь. Масло в трубке разогревается здесь до 350°C и даже больше.

Одно параболоцилиндрическое зеркало, из которых набирается крупная электростанция, имеет протяженность до 50 метров. Термальная эффективность параболических концентраторов доходит до 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350°C. Средний КПД подобных установок доходит до 20%.

Гелиостатные системы

Гелиостатные системы относятся к высокотемпературным установкам. На них получают 500 кВт-ч на квадратный метр электрической энергии в год, кроме того гелиостатные установки дают возможность получать и тепловую энергию. Здесь нагревается теплоноситель на основе натрия и газ (двухконтурная система с термической солью). Множество зеркал отражают солнечное излучение, направляя его на емкость с теплоносителем, расположенную на вершине башни. КПД таких систем достигает 20%.

Солнечная батарея

Солнечные батареи относятся к электроэнергетическим установкам, и позволяют получать при помощи фотоэлектрических преобразователей 250 кВт-ч электроэнергии в год. Их эффективности бывает достаточно чтобы обеспечить электричеством небольшое домашнее хозяйство в солнечном регионе, также небольшие солнечные панели в состоянии снабжать электроэнергией дорожные знаки, осветительные приборы, оросительные системы и т. д.

На сегодняшний день эффективность солнечных батарей оставляет желать лучшего, их средний КПД относительно невысок, около 10%, но технология все время совершенствуется.

Ранее ЭлектроВести писали, что Международное агентство возобновляемой энергетики (IRENA) опубликовало очередной ежегодный статистический сборник сведений о генерирующих мощностях, работающих на основе возобновляемых источников энергии, Renewable Capacity Statistics 2019.

По материалам: electrik.info.

Использование солнечной энергии в дачных домах (на приусадебных участках)

В. П. Бреусов, д. т. н., профессор СПбГПУ

Почти все источники энергии так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ не что иное как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате дополнительных химических процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также рождается от действия Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Весьма заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию.

Всего за три дня солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности.

Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного небольшого озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Человек еще с древнейших времен знал об этом неисчерпаемом источнике энергии. Всем нам хорошо известно по собственному опыту, что простым увеличительным стеклом можно сфокусировать солнечный свет в одну точку, где горячий пучок лучей может зажечь какое-нибудь горючее вещество. Вероятно, кое-кому из вас приходилось в лесу, за неимением спичек, пользоваться лупой, чтобы разжечь костер. Существует легенда о том, что древнегреческий математик и физик Архимед во время Пунической войны при помощи системы зеркал поджег деревянные римские корабли в Сиракузах. Сегодня эта история представляется нам весьма сомнительной, ибо в III в до нашей эры люди не умели делать достаточно больших и точных зеркал, способных что-то поджечь на расстоянии. Но любопытно, что сама идея возникла еще в античную эпоху: значит, люди уже тогда задумывались над тем, как поймать и использовать солнечные лучи, знали о способности линз и вогнутых зеркал сосредоточивать лучи в одной точке — фокусе. Именно линзами пользовались древнегреческие жрецы, чтобы зажечь священный огонь в храме богини Весты.

Однако за все время, начиная с первых скромных опытов в XVII в. и до космических полетов, прямому использованию солнечной энергии уделяли недостаточное внимание.

Известно, что солнечная энергия характеризуется чрезвычайной рассеянностью и очень низкой концентрацией. Если бы мы захотели построить гелиоэлектростанцию мощностью 1000 МВт в Сахаре, где весьма много «солнечных дней», то для нее потребовалось бы улавливать все солнечное излучение с площади 35 км2; на Сицилии (Италия) площадь увеличилась бы до 50 км2; а для Японии, чтобы удовлетворить за счет Солнца всю потребность в энергии, пришлось бы собирать солнечное излучение с площади 73,5 км2,

Из всех существующих возобновляемых источников энергии солнце, наряду с ветром, является самым доступным и экологически чистым. Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы: как уловить его Черный бак или бочка, расположенные на солнце наибольший поток, сохранить и передать тепло потребителю без потерь.

Самый простой способ использовать энергию солнца для нагревания воды — черный бак или бочка, расположенные на солнце. Таким образом, у Вас нагреется вода, например для душа, в ясный летний день. А если подобный бак поместить в ящик со стеклянной крышкой, хорошо изолировать от потерь тепла, и расположить на солнечной стороне, то тогда вода нагреется настолько, что можно принимать душ или мыть посуду даже в прохладный и облачный день.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), для повышения эффективности установки прямого использования солнечной энергии необходимо иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточно развитой поверхностью. Простейшее устройство такого рода — плоский коллектор. В идеале это черный плоский адсорбер (теплонакопитель), помещенный в хорошо теплоизолированный плоский ящик. Сверху ящик покрывают стеклом или пластмассой. Стекло пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В ящике между днищем и стеклом чаще всего размещают трубы, через которые течет теплоноситель — это может быть вода, масло, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Трубы являются абсорбером (теплонакопителем).

Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается трубами и нагревает рабочее вещество в трубах. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения.

При отоплении жилья и получения горячей воды для хозяйственных нужд и при многих других применениях серьезную проблему представляет хранение солнечной энергии, улавливаемой коллектором. В простейшем случае горячая вода сборного трубопровода отводится в теплоизолированный резервуар, откуда ее можно отбирать в плохую погоду или вечернее время. В качестве аккумулятора тепла используют хорошо изолированный контейнер.

Автором этой статьи был предложен проект использования ребристых радиаторов в дачных домиках для получения горячей воды. Вода из скважины подается насосом (4) в плоский длинный бак (1), выкрашенный в черный цвет и установленный на крыше дома (емкость бака 200 л). Из бака вода подается самотеком в плоские радиаторы (2), выложенные на крыше на теплоизоляционном материале и окрашенные также в черный цвет, затем вода самотеком поступает в бак горячей воды (3), находящийся ниже радиаторов в деревянном ящике с основой теплоизоляционного материала. Нагретая вода с температурой 50-60 °С может быть использована для хозяйственных нужд в дачном домике. Из бака (3) она поступает по трубопроводу (6) в кран (5) или душевую кабину (7).В описанной водонагревающей системе использованы отопительные плоские радиаторы из жилых домов общей площадью около 25 м2.

 

Проект использования ребристых радиаторов в дачных домиках

 

 

В ясный солнечный день, при отсутствии облачности вода в данной системе может достигать температуры 70-75 °С. Плоские радиаторы расположены на южной стороне крыши под углом 45-48 °С. В дни с переменной облачностью достигается температура от 40 до 60 °С.

Типовые солнечные термические системы представляют собой нагревательные системы, состоящие из эффективных коллекторов, насосного блока, контроллера и накопителя. При этом для работы коллектора совсем не требуется яркое солнце, он может нагреть теплоноситель и зимой, и в облачную погоду. Приготовленная горячая вода может быть использована для отопления, для подогрева воды в бассейнах. Площадь современного коллектора составляет 2,5 м2, вес от 30 до 60 кг. Обычно коллектор устанавливают на крышу дома, под углом 40-50°. Наилучшее место для установки — южные скаты крыши. Материал и конструкция кровли не имеют никакого значения. Тепловая солнечная нагревательная система для небольшого дома может состоять из 2-4 коллекторов и накопителя емкостью от 300 до 700 литров. Минимальная площадь для установки накопителя 60х60 см, причём конфигурация накопителей может быть различной, изготовленной специально для узких помещений. Коллекторы соединяются с накопителями через теплообменники, коллекторный контур выполняется из меди и заполняется специальной незамерзающей жидкостью, которую не надо сливать при отрицательных температурах и которая всегда находится в постоянной готовности к работе. Работа насосного блока регулируется контроллером, измеряющим температуру в коллекторе и накопителе. Как только возникает возможность снимать тепло из коллектора, контроллер включает насосный блок, установленный в непосредственной близости от накопителя.

Мы сможем более регулярно использовать солнечные системы и внешние нагреватели воды для отопления домов. Конечно, они более удобны в регулировании, подаче в нужное место, аккумулировании и позволяют получать достаточно высокие температуры.

Но для того, чтобы получить максимальный эффект, можно строить большие комплексы с использованием дорогих материалов (медь, алюминий).

 

Вот так выглядит коллектор, способный нагреть воду до 90 °С:

 

 

Преимущества таких систем — увеличение степени поглощения солнечного излучения и, при хорошей изоляции, возможность сохранять тепло в зимние дни. Как правило, такие комплексы интегрируются в систему отопления жилых домов

Идея отапливать дома энергией солнечного излучения известна с древнейших времен, когда наши предки строили дома окнами на юг (в северном полушарии). В наше время мы можем видеть, как инженеры проектируют муниципальные и частные дома, основанные на пассивном отоплении. При простых архитектурных приспособлениях, путем удачного расположения окон, стен и крыши можно сэкономить тепло, а значит и деньги. Известно, что наибольшее количество солнечных лучей поглощает не крыша, а стены дома, особенно с южной стороны. Это дает возможность использовать энергию солнца простейшим способом, расположив большие Почему же комната нагревается утепленные окна на южной стене. Такие архитектурные решения, как большие окна с южной, солнечной стороны, и маленькие окна с северной, позволяют «впустить» больше солнца в дом. Это, конечно, недостаточная мера для отопления дома, но в комплексе с другими способами отопления и теплоизоляции она дает небольшую добавку к получаемой домом энергии.

На практике дома с пассивными системами отопления обогреваются еще лучше, если в них имеются вентиляторы, благодаря которым теплый воздух циркулирует между комнатами.

Почему же комната нагревается? На этот вопрос можно получить ответ, вспомнив свойства солнечного излучения. В дневное время суток в наш дом сквозь стекло проходит солнечное (коротковолновое) излучение. Там оно нагревает предметы и переходит в длинноволновое излучение, которое не может пройти обратно через стекло, то есть наружу. Таким образом, комната постепенно нагревается. Так действует парниковый эффект, который таким же образом нагревает нашу планету. В этом случае роль стекла, препятствующего выходу наружу отраженного солнечного излучения, играет атмосфера, в которой скопились парниковые газы.

«СОЛНЕЧНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»

Существуют станции, состоящие из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем. Таких концентраторов может быть несколько десятков и более. Все они передают солнечную энергию жидкости теплоносителю, которая собирается от всех коллекторов к центральной энергостанции и, преобразуясь в парогенераторе, поступает далее в виде электричества потребителю.

Все более популярным способом, позволяющим получать электрическую энергию прямо из солнечного излучения, являются фотоэлементы. Хотя у них есть один недостаток, как и у всех устройств работающих от солнечного излучения — они работают только в ясный солнечный день. Фотоэлементы преобразуют энергию солнца в электричество с помощью фотоэффекта. Фотоэффект — это испускание электронов с поверхности предметов под действием световых частиц (фотонов). Фотоэлектрический эффект может происходить на металлической поверхности, в жидкости и в отдельном атоме газа. Самым простым и удобным материалом является металл. Однако не все металлы могут дать одинаковый для всех фотоэффект. Так, медь и платина не способны дать фотоэлектрический эффект при воздействии видимой части светового спектра. Самым лучшим материалом оказался кремний. К тому же на Земле по запасам он на втором месте после кислорода, что в будущем будет способствовать его масштабному освоению.

Сегодня эта энергия стоит дороже, чем энергия, получаемая от сжигания ископаемого топлива (около 2-3 долларов за ватт установленной мощности). Но технологии получения «солнечного электричества» стремительно развиваются, и электроэнергия, получаемая от фотоэлементов, с каждым годом становится все более конкурентоспособной. Развитие фотоэлементов происходило интенсивно по мере освоения космоса, где создавались фотобатареи для спутников и космических станций, и лишь в конце 20 века промышленность настроилась на народное хозяйство. Цены на фотоэлементы постоянно падают, и мы видим уже применение их в жилом комплексе, автотранспорте и быту (например, для энергоснабжения карманных калькуляторов или часов).

Примечание издателя

Опыт использования простейших солнечных коллекторов показывает, что даже в Ленинградской области с небольшим числом солнечных дней можно удовлетворить потребность в теплой воде в загородных домах и обеспечить отопление солнечным излучением с мая по сентябрь. В условиях Калининграда или юга Новгородской области этот метод эффективен с апреля по октябрь. Солнечные коллекторы последнего поколения с вакуумной изоляцией позволяют использовать их и в зимнее время при минусовой температуре и обеспечивают температуру теплоносителя 60-70 °С круглый год.

Жорес Алферов — солнечная энергия не имеет альтернатив

Жорес Алферов – о том, когда и почему закончится век нефти

Организация Объединенных Наций объявила 2015 год Годом света и световых технологий. На церемонии открытия в Париже многие докладчики вспоминали 1905 год, когда Альберт Эйнштейн опубликовал пять статей о роли света, говорили о том, какой вклад эти работы сделали в развитие всей современной науки. Я же буду говорить только об одной проблеме в этой области – об эффективной генерации и преобразовании световой энергии.

Президент Лондонского королевского общества Джордж Портер как-то сказал замечательную фразу: «Вся наука – прикладная. Разница только в том, что в одних случаях приложение возникает очень быстро, а в других – через столетия». Фундаментальная наука пытается найти решения двух основных проблем – происхождения Вселенной и происхождения жизни. Им посвящено огромное количество исследований, и из этих исследований возникла масса приложений. В XX столетии у людей появилась возможность создать источник бесконечной энергии, зажечь Солнце на Земле. Это удалось сделать, когда люди создали и взорвали водородную бомбу.

С моей точки зрения, наибольший вклад в решение проблемы создания рукотворного Солнца внесли Эдвард Теллер, Станислав Улам, Виталий Гинзбург и Борис Константинов. Идея использования термоядерного синтеза родилась достаточно быстро, но классический проект водородной бомбы мог быть реализован только после того, как первые шаги к его осуществлению сделал Станислав Улам, а затем идея получила развитие у Эдварда Теллера. Была создана система, которая была опробована в ноябре 1952 года на испытании «Майк» – энергия атомной бомбы с помощью специальных кранов концентрировалась на дейтерид-тритиевой взрывчатке. Ей требовалась гигантская система охлаждения, и хотя взрыв составил 10 мегатонн, это была не бомба, а термоядерное устройство. Бомбой ее сделал Виталий Лазаревич Гинзбург, который предложил использовать для реакции не дейтерид трития, а дейтерийд лития. Это твердое вещество, при комнатной температуре напоминает мел, и с его использованием бомбу можно сделать транспортабельной. Практический же метод получения лития-6 реализовал Борис Павлович Константинов, и этот подход, без использования методов Улама-Теллера, был реализован в сахаровской «Слойке».

Потом Солнце на Земле зажигали слишком много раз, и никакого счастья человечеству это не принесло. В 1951 году академики Тамм и Сахаров предложили магнитную изоляцию плазмы и основу того, что впоследствии получило название «токамак». Научное сообщество мира, советские, американские, британские ученые и представители многих других стран истратили сотни миллиардов долларов на различного сорта установки, в которых можно было бы вести реакции управляемого термоядерного синтеза. В итоге это вылилось в международный проект ITER, значительный вклад в который внесла и наша страна, и во Франции уже началось строительство. Если вы сегодня спросите специалистов, когда эти технологии получат широкое индустриальное применение, то получите ответ, что к 2020 году будут первые экспериментальные работы, может быть, в начале второй половины XXI века их начнут активно использовать. Я отношусь к этому весьма скептически, потому что одна магнитная изоляция плазмы сама по себе проблем не решает.

Есть еще другое направление термоядерных исследований – лазерный термоядерный синтез. В этой области есть определенный прогресс, добились его прежде всего в Ливерморской лаборатории. На установке National Ignition Facility 192 лазерных пучка были сконцентрированы на термоядерной взрывчатке в очень малом объеме, и количество полученной энергии оказалось больше энергии, переданной топливу. Но зачем все это изучать?

Нам, безусловно, нужны новые источники энергии. Причем успешный термоядерный реактор есть у нас под рукой. Это звезда класса G2, очень средняя по космическим меркам – наше Солнце. Оно надежно функционирует уже многие миллиарды лет, и еще долго будет продолжать работать без перебоев. Наверное, наилучшим вариантом для нас было бы научиться эффективному преобразованию солнечной энергии и эффективной генерации света.

Благодаря появлению полупроводниковых светодиодов и лазеров в этой области произошли значительные изменения. Той основой, на которой можно проводить и преобразование, и генерацию, стали гетероструктуры, которые сегодня нашли массу применений и в некоторых областях стали незаменимыми. К примеру, для космических исследований солнечные батареи являются не просто наиболее эффективным источником энергии, а фактически единственным решением энергетических проблем.

Очень важным моментом в повышении эффективности энергопотребления становится работа над источниками освещения: если мы повышаем их коэффициент полезного действия (КПД), то начинаем заметно экономить электричество. В свое время меня поразила статистика использования источников света в Великобритании. Практически до середины XX века там превалировали газовые и керосиновые источники света, и только во второй половине столетия начали повсеместно использовать электрические лампочки. В прошлом году трое выдающихся японских ученых, Исама Акасаки, Хироши Амано и Судзи Накамура, получили Нобелевскую премию за создание синего светодиода, с помощью которого люминесцентным образом можно получить белое освещение. Со временем основным типом светодиода станет такой, в котором вы будете регулировать все основные цвета, интенсивность освещения, задавать параметры на компьютере. Прогноз в той же Великобритании показывает, что с середины 2020-х годов практически все освещение перейдет на светодиоды.

Каменный век закончился не потому, что наступил дефицит камня, и век нефти закончится не из-за дефицита нефти. Во всех случаях основу развития цивилизации составляют новые технологии, которые создаются на основе научного исследования. Если мы посмотрим, как меняются различные типы солнечных батарей, самыми часто используемыми были и остаются устройства на кремниевой технологии. Но заметную часть в общей мощности производства стали занимать солнечные батареи на основе концентраторных каскадных фотоэлементов на гетероструктурах. Кроме того, в 2000 году вместе с нами Нобелевскую премию по химии получили Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава – они доказали возможность получения проводящих и изоляционных полимерных материалов, а также перспективы использования этого нового класса материалов в том числе для светодиодов и солнечных батарей. Основное преимущество полимерного подхода в том, что с его помощью приборы можно печатать типографским способом. К сожалению, там пока масса проблем – рекордный КПД составляет всего 13%, низкая надежность, но перспектива печати открывает новые горизонты: пленку можно будет наклеивать на окна, и они будут одновременно пропускать световое излучение и генерировать электричество. Эти полимерные материалы определенно займут свою нишу, и частота их применения будет расти.

Первая государственная программа использования солнечной энергии появилась в США в 1974 году во время первого крупного энергетического кризиса, аналогичная программа была принята у нас в СССР. Стоимость пикового ватта установленной мощности на основе фотовольтаического эффекта в ней составляла $100 за ватт, и мы тогда прогнозировали, что за 25-30 лет этот показатель упадет до 25-30 центов за ватт. В первые годы мы успешно шли к результату, потом процессы затормозились, но, тем не менее, сегодня эта величина составляет полдоллара за ватт. Если сравнить этот показатель с аналогичной величиной для атомной электростанции – там стоимость составит четыре-пять тысяч долларов за киловатт. Если даже учесть дополнительные моменты, что там пиковый киловатт является одновременно средним (или очень близок к этому значению), что для солнечных батарей другие величины, требования к безопасности, все равно получаемые мощности стоят меньше.

Суммарная мощность всех солнечных батарей, установленных в мире в 2014 году, составила 47 ГВт. Для сравнения, пиковая мощность всех электростанций России составляет примерно 200 ГВт, а суммарная мощность всех установленных в мире солнечных батарей сегодня составляет 187 ГВт. Согласно прогнозам, к 2020 году она составит 500-540 ГВт.

В завершение я хочу подчеркнуть, что лучшим типом преобразования солнечной энергии сегодня является фотовольтаический эффект в полупроводниковых солнечных батареях. Теоретическая эффективность преобразования солнечной энергии на основе системы гетероструктур с большим количеством p-n переходов может достигать 86%. В системе всего с тремя p-n переходами сегодня реально достигнуть КПД в 46%, при крупномасштабном производстве этот показатель составит 40%. Чаще всего сегодня используются кремниевые солнечные батареи, у которых рекорд КПД составляет 25% в лаборатории и 18% в массовом производстве, но это уже очень выгодно.

Нам необходимо двигаться дальше по этой дороге, выбирая наиболее эффективные материалы, и, с моей точки зрения, для этого требуется решить две чрезвычайно важных проблемы. Первая – повышение КПД кремниевых солнечных батарей благодаря использованию второго каскада, причем важно, чтобы он не был слишком дорогим. Решение это непростое, но с его помощью можно увеличить КПД примерно в полтора раза – до 30%, это было доказано и у нас в Академическом университете, и другими организациями. Вторая – развитие каскадных солнечных концентраторных батарей, где при массовом производстве сегодня можно добиться КПД в 40%, а значит, возможно заметное увеличение прироста мощности при снижении стоимости одного киловатта.

Я бы сказал, что сегодня этот способ преобразования солнечной энергии достиг того уровня, когда он начинает экономически конкурировать с существующими типами производства электроэнергии. С моей точки зрения, к середине столетия он будет составлять заметную часть, десятки процентов производства электроэнергии в мире. Наука интернациональна по своей природе и не знает границ, и я надеюсь, что в решении столь важных задач мы не изменим своим принципам, будем делиться результатами исследований и работать вместе для решения общих проблем.

Экотермо

  Человечество издавна использует энергию Солнца: для сушки одежды, приготовления пищи, освещения жилища. Солнце — неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Здесь следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). А зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше, но, даже, несмотря на это, количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% — полностью покрыть потребности в будущем.

 На данный момент солнечную энергию используют в основном двумя методами — в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций. Использование термосистем в основном идёт по двум направлениям: для горячего водоснабжения и отопления. Установки и системы солнечного теплоснабжения делятся на пассивные и активные.

 В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций при использовании дополнительных устройств или без них. Во многих странах для зданий характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время были разработаны усовершенствования этой «системы». Стена, обращенная на юг, окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается остекленная поверхность, а между ними остается воздух, который нагревается и циркулирует вдоль стены, создавая эффект теплой воздушной прослойки.

 Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств, преобразующих солнечную энергию в тепло. Солнечные коллекторы могут быть двух типов: тепловая труба и определённым образом смонтированный теплопровод, внутри которого циркулирует вода, нагреваемая солнечным излучением, которое улавливает наружная поверхность устройства. Что же касается тепловой трубы, то принцип работы тут простой (Рис.1).

Рис. 1 Принцип работы тепловой трубы

 Обычная тепловая труба из неорганического стекла состоит из стеклянной вакуумированной колбы, в которую вставлена медная трубка. Медная трубка герметично запаяна с расширением в верхней части. Внутри неё находиться специальная легкокипящая жидкость. При нагревании устройства Солнцем жидкость закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть — наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-300°С. Там она конденсируется, отдавая тепло воде, которая течет по теплопроводу (Рис. 2), а конденсат стекает по стенкам трубки вниз и процесс повторяется.

Рис.2 Тепловые трубы, собранные в коллектор

 Тепловые трубки с использованием неорганических теплоносителей демонстрируют эффективность теплопередачи в 30 000 раз большую, чем у серебра.

 Другой способ аккумулирования и использования солнечной энергии — фотоэлектрический. Метод прямого преобразования солнечного излучения в электричество является удобным для потребителя и считается наиболее экологически чистым по сравнению с другими способами получения электричества, которые используют органическое топливо, ядерное сырьё или гидроресурсы.

 Основой солнечного фотоэлемента является пластина полупроводника с p-n переходом, она может быть изготовлена из селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Работа такого элемента основана на явлении фотоэффекта, открытом еще в позапрошлом столетии Г.Герцем. Теорию фотоэффекта создал А.Ейнштейн в 1905 году, за что был награждён Нобелевской премией. В двух словах суть эффекта заключается в том, что энергия квантов солнечного света переходит в энергию потока электронов в материале.

 Возникает вопрос: какую же электрическую мощность можно получить от солнечного элемента? Это определяется как условиями освещения, так и характеристиками самого солнечного элемента. Монокристаллический кремниевый солнечный элемент размером 100х100 мм2 и толщиной 280 мкм (Рис. 3), при КПД 14.5% в условиях стандартного освещения мощностью 100 мВт/см2, может подать на внешнюю нагрузку напряжение 0.49В и ток 3А, то есть выделить 1.45Вт мощности. Объединяя такие фотомодули, можно создавать электростанции разной мощности, от нескольких ватт до нескольких мегаватт (Рис.4).

Рис. 3 Фотомодуль	Рис.4 Батарея фотомодулей

  Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии, такие как электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками (Рис.5), а также с системами на ископаемом топливе.

Рис.5 Солнечная Труба преобразует солнечное излучение (прямое и рассеянное) в электричество, новым способом комбинируя три общеизвестных принципа: парниковый эффект, вытяжную трубу и ветрогенератор. Горячий воздух образуется под большой стеклянной крышей вследствие нагрева солнцем. Воздух движется к трубе, расположенной в середине крыши, и вытягивается в нее. При этом поток воздуха вращает расположенные в основании трубы турбины

  Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из наиболее быстро развивающихся в мире направлением использования возобновляемых источников энергии. Согласно обзору рынка компании Solarbuzz, мировой объем производства фотоэлементов в 2008 г. достиг 6,85 ГВт (почти двукратный рост по сравнению с 3,44 ГВт, произведенными в 2007 г.). Китай и Тайвань, увеличив свою долю в мировом производстве фотоэлементов с 35% до 44%, подтвердили свое лидерство в этом секторе, оставив далеко позади Германию и Японию. В то же время, ведущим производителем фотоэлементов остается немецкая компания Q-Cells, на третьем — по-прежнему, Suntech (Китай), а вот на второе месте в 2008 г. вышла компания First Solar (США), использующая тонкопленочные технологии. Всего же производство тонкопленочных фотоэлементов выросло на 123% до 0,89ГВт. Кроме того, по сравнению с другими видами производства электроэнергии за счет возобновляемых источников, солнечная фотоэнергетика обладает наибольшим потенциалом долгосрочного роста. Согласно прогнозу Европейской ассоциации фотовольтаики (EPIA), к 2030 г. солнечные батареи будут производить до 2646 ТВт электроэнергии, удовлетворяя от 8.9 до 13.8% мировых потребностей. Годовой объем рынка фотовольтаики достигнет €454 млрд.

Где находится солнечная энергия — Управление энергетической информации США (EIA)

Солнечная энергия — это солнце

Sunshine — это лучистая энергия солнца. Количество солнечной радиации или солнечной энергии , которое Земля получает каждый день, во много раз превышает общее количество всей энергии, которую люди потребляют каждый день. Однако на поверхности Земли солнечная энергия является переменным и непостоянным источником энергии. Тем не менее, использование солнечной энергии, особенно для производства электроэнергии, значительно увеличилось в Соединенных Штатах и ​​во всем мире за последние 30 лет.

Ресурсы солнечной энергии зависят от местоположения

Доступность и интенсивность солнечной радиации на поверхности земли зависит от времени суток и местоположения. Как правило, интенсивность солнечной радиации в любом месте максимальна, когда солнце находится в наиболее высоком видимом положении на небе — в солнечный полдень — в ясные безоблачные дни.

Широта, климат и погодные условия являются основными факторами, влияющими на инсоляцию. — количество солнечной радиации, полученной на данной площади поверхности в течение определенного периода времени.Места в более низких широтах и ​​в засушливом климате обычно получают большее количество солнечного света, чем другие места. Облака, пыль, вулканический пепел и загрязнение атмосферы влияют на уровень инсоляции на поверхности. Здания, деревья и горы могут затенять место в разное время дня в разные месяцы года. Сезонные (ежемесячные) колебания солнечных ресурсов увеличиваются с увеличением расстояния от земного экватора.

Тип солнечного коллектора также определяет тип солнечного излучения и уровень инсоляции, который получает солнечный коллектор.Концентрирующие солнечные коллекторные системы, такие как те, которые используются на солнечных теплоэлектростанциях, требуют прямого солнечного излучения , что, как правило, больше в засушливых регионах с небольшим количеством пасмурных дней. Плоские солнечные тепловые и фотоэлектрические (PV) коллекторы могут использовать глобального солнечного излучения , которое включает рассеянного (рассеянного) и прямого солнечного излучения. Узнайте больше о солнечной радиации.

Как правило, коллектор солнечной энергии с системой слежения будет иметь более высокие уровни дневной и годовой инсоляции, чем солнечный коллектор в фиксированном положении.Узнайте больше об углах наклона фотоэлектрических коллекторов и системах слежения за фотоэлектрическими коллекторами.

Две карты ниже показывают среднегодовую солнечную радиацию в США в киловатт-часах (кВтч) на квадратный метр в день (кВтч / м2 / день) для прямого нормального излучения (DNI), используемого концентрирующими коллекторами солнечной энергии, и используемой глобальной горизонтальной освещенности (GHI). плоскими солнечными коллекторами. На карте мира ниже показано среднесуточное глобальное солнечное излучение на горизонтальной плоской поверхности.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, U.S. Министерство энергетики

Нажмите для увеличения

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, Министерство энергетики США

.

Нажмите для увеличения

Мировая карта солнечных ресурсов

Источник: Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), НАСА «Приземная метеорология и солнечная энергия (SSE)», 2008 г.

Нажмите для увеличения

Где используется солнечная энергия

Уровни инсоляции важны для технических и экономических показателей солнечных энергетических систем.Наличие финансовых и других стимулов для использования солнечной энергии также является важным фактором, влияющим на то, где установлены системы солнечной энергии. Чистый учет был особенно важен для поощрения установки фотоэлектрических систем в домах и на предприятиях.

Общее использование солнечной энергии в США увеличилось с примерно 0,06 триллиона британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в 1984 году до примерно 1246 триллионов БТЕ (или примерно 1,2 квадриллиона БТЕ) в 2020 году. На производство солнечной электроэнергии приходилось около 95% всей солнечной энергии использование в 2020 году и прямое использование солнечной энергии для отопления составило около 5%.

Общая выработка солнечной электроэнергии в США увеличилась с примерно 5 миллионов кВтч в 1984 году (почти все от солнечных теплоэлектростанций) до примерно 133 миллиардов кВтч в 2020 году, из которых 66% приходилось на фотоэлектрические электростанции коммунального масштаба, 31% — на солнечные электростанции. от распределенных / малых фотоэлектрических систем, и 2% приходилось на солнечные теплоэлектростанции. Электростанции коммунального масштаба имеют мощность по выработке электроэнергии не менее одного мегаватта (МВт), а малые системы — менее одного мегаватта.

На картах ниже показано общее годовое производство солнечной электроэнергии в каждом штате за счет солнечных электростанций коммунального масштаба и расчетное производство электроэнергии из небольших фотоэлектрических систем. Большинство небольших фотоэлектрических систем устанавливаются на зданиях. На долю малых фотоэлектрических систем в жилищном секторе приходилось 61% от общего объема производства малой фотоэлектрической электроэнергии в 2020 году.

Согласно международной энергетической статистике EIA, в 1990 году 11 стран произвели около 0,4 млрд кВтч общей выработки солнечной электроэнергии, а в 2019 году 218 стран и США.С. территорий произвело около 699 млрд. КВтч. Пять крупнейших производителей солнечной электроэнергии и их процентные доли в общемировом производстве солнечной электроэнергии в 2019 году составили:

• Китай – 32%
• США – 15%
• Япония – 11%
• Индия – 7%
• Германия – 6%

Последнее обновление: 26 марта 2021 г.

Потенциал и использование солнечной энергии

Потенциал и использование солнечной энергии

Помимо бесплатного использования в качестве источника энергии (использование его и превращение в электричество требует денег), энергия солнца практически безгранична.Поверхность Земли получает солнечную энергию в среднем 343 Вт / м ² . Если мы умножим это на площадь поверхности Земли, примерно 5×10 ¹⁴ m ² , мы получим 1715×10 ¹⁴ Вт. Но 30% этой площади отражается, и только 30% Земли находится над уровнем моря. , поэтому полезная солнечная энергия, которую мы получаем на поверхности земли, составляет около 360×10 ¹⁴ Вт. Нам необходимо еще больше уменьшить ее, потому что не вся поверхность земли подходит для установки солнечных фотоэлектрических панелей — мы не хотим сокращать расходы. леса и покрытые льдом территории не подходят, поэтому мы уменьшаем площадь примерно наполовину. В течение года это количество солнечной энергии составляет 66×10 ²² Джоулей. В 2018 году мы израсходовали около 600×10 ¹⁸ Дж энергии, что составляет лишь чуть меньше 0,1% собираемой солнечной энергии, которую мы получаем на земле. Это означает, что даже если бы мы получали всю нашу энергию от Солнца, мы не смогли бы повлиять на нее! Потенциал огромен — в 10 000 раз больше, чем нам нужно!

Давайте посмотрим, что для нас будет означать получение всей нашей энергии из солнечных фотоэлементов — какую часть поверхности Земли нам нужно будет покрыть панелями? Черные точки (радиус 100 км) на рисунке ниже представляют области, которые могут генерировать достаточно энергии из солнечного света, чтобы полностью обеспечивать энергией планету в течение всего года.На практике существуют препятствия для работы планеты полностью на солнечном свете (все должно быть электрифицировано, нам потребуется очень большое количество аккумуляторов энергии и т. Д.), Но точки полезны как демонстрация того, насколько велика энергия производственный потенциал от солнечной энергии.

Глобальная средняя солнечная освещенность. Области, отмеченные красным, в среднем имеют более высокий ресурс солнечной энергии. Черными точками обозначены районы с достаточным потенциалом солнечной энергии для удовлетворения потребностей всего мира в энергии.

Источник: Общее предложение первичной энергии
Необязательно: Если вас интересует более подробное представление о ресурсах солнечной энергии в вашем районе, компания под названием Vaisala 3Tier производит карты, которые вы можете загрузить для личного (некоммерческого) использования.

Щелкните здесь для аудио и письменного описания изображения глобальной средней солнечной освещенности.

Одно из важных различий между Solar PV и CSP заключается в том, что CSP требует более интенсивного солнечного света, и поэтому во многих местах это не жизнеспособный вариант.Напротив, солнечные фотоэлементы работают практически везде — они более универсальны. Еще одно важное отличие заключается в масштабе — CSP действительно подходит для электростанций коммунального масштаба, тогда как солнечные фотоэлектрические панели работают как в коммунальном, так и в очень маленьком масштабе.

На карте ниже показан мировой потенциал PV. Изменчивость карты в основном зависит от облачности и широты. Многие из крупных солнечных фотоэлектрических станций для коммунальных предприятий расположены в красных областях, но удивительное количество солнечной энергии собирают в таких местах, как Германия и Япония, которые являются довольно облачными.Но даже в довольно облачном месте, таком как Пенсильвания, вы можете видеть на карте, что мы могли ожидать около 1460 кВтч в год от фотоэлектрической батареи мощностью 1 кВт. Исходя из этого, вы можете рассчитать, сколько квадратных метров фотоэлектрических панелей вам понадобится, чтобы обеспечить электричеством дом, который обычно использует 10 800 кВт / ч в год. Если разделить 10 800 кВт · ч на 1460, вы увидите, что вам потребуется около 7 кВт солнечных панелей, которые поместятся на крышу типичного дома. Главное здесь то, что солнечные фотоэлектрические панели являются жизнеспособным источником энергии в большинстве частей мира, где живут люди.В отличие от солнечных панелей, энергия от CSP жизнеспособна только в тех местах, где дневные итоги на карте выше выше 6 кВтч / день. Тем не менее, есть много регионов, где жизнеспособность CSP и численность населения совпадают, поэтому он также может стать важным энергетическим ресурсом в будущем.

На этой карте мира из Глобального атласа солнечной энергии Группы Всемирного банка показан расчетный потенциал солнечной фотоэлектрической энергии с точки зрения киловатт-часов энергии, производимой солнечной фотоэлектрической батареей мощностью 1 киловатт. Важно понимать, что дневные итоги — это среднее значение — результат каждый день будет варьироваться в зависимости от того, насколько облачно и насколько высоко в небе находится Солнце.Годовые итоги — это всего лишь ежедневные итоги, умноженные на 365.

Активизируйте свое обучение

Для студентов, проживающих в США: Согласно приведенной выше карте, проживаете ли вы в районе, который может поддерживать производство фотоэлектрических модулей? А как насчет CSP? Вы знаете кого-нибудь, кто производит солнечную энергию дома?

Нажмите, чтобы получить ответ.

ОТВЕТ: Ответы будут зависеть от того, где вы живете. Большинство западных, центральных и южных штатов обладают достаточным потенциалом производства электроэнергии, чтобы сделать фотоэлектрические системы жизнеспособным вариантом.Потенциал производства CSP ограничен несколькими штатами на юго-западе, в первую очередь Аризоной и Нью-Мексико, а также некоторыми частями южной Калифорнии и Невады. Здесь, в центральной Пенсильвании, у нас едва ли достаточно производственного потенциала, чтобы сделать фотоэлектрическую энергию хорошей инвестицией, а у CSP нет достаточного потенциала, чтобы сделать ее жизнеспособным вариантом.

Важность солнечной энергии

Обещание солнечной энергии

Всю жизнь на Земле поддерживает солнце.Этот удивительный ресурс излучает энергию и обеспечивает нас теплом и светом, превращая водород в гелий в его ядре. Мы называем это солнечным излучением. Лишь около половины этой солнечной радиации достигает поверхности Земли. Остальное либо поглощается, либо отражается облаками и атмосферой. Тем не менее, мы получаем достаточно энергии от солнца, чтобы удовлетворить потребности всего человечества в энергии — в миллионы раз. Солнечная энергия — энергия солнца — это огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс.

Солнечный свет или солнечная энергия может использоваться непосредственно для обогрева и освещения домов и предприятий, для выработки электроэнергии, а также для нагрева воды, солнечного охлаждения и множества других коммерческих и промышленных целей.Наиболее важным, учитывая растущую озабоченность по поводу изменения климата, является тот факт, что производство солнечной электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электричеству из ископаемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, без загрязнения, вызываемого глобальным потеплением, без рисков скачков цен на электроэнергию и без угроз. нашему общественному здоровью.

Солнечный ресурс огромен. По данным Министерства энергетики США, количества солнечного света, падающего на поверхность Земли за полтора часа, достаточно, чтобы обеспечить потребление энергии во всем мире на целый год.Всего 18 солнечных дней на Земле содержат столько же энергии, сколько хранится во всех запасах угля, нефти и природного газа на планете.

И когда система использует солнечные ресурсы и преобразует их в полезную энергию, топливо становится бесплатным.

Рост солнечной энергии

С 2008 года количество установок в США выросло в 17 раз с 1,2 гигаватт (ГВт) до примерно 30 ГВт на сегодняшний день, что достаточно для выработки энергии, эквивалентной 5.7 миллионов средних американских домов. С 2010 года средняя стоимость солнечных фотоэлектрических панелей упала более чем на 60%, а стоимость солнечной электрической системы упала примерно на 50%. Солнечная электроэнергия в настоящее время считается экономически конкурентоспособной с традиционными источниками энергии в нескольких штатах, включая Калифорнию, Гавайи, Техас и Миннесоту.

Основы солнечной энергетики

Итак, каковы основы систем солнечной энергии? Прежде всего, системы солнечной энергии различаются в зависимости от области применения и размера.Жилые системы можно найти на крышах по всей территории Соединенных Штатов, и предприятия начинают устанавливать солнечные панели, чтобы компенсировать свои затраты на электроэнергию. Коммунальные предприятия также строят большие солнечные электростанции, чтобы обеспечить более чистой энергией всех потребителей, подключенных к сети.

Независимо от специфики данной установки, существует два основных типа технологий солнечной энергии — фотоэлектрическая (PV) и концентрирующая солнечная энергия (CSP). Большинство людей знакомы с фотоэлектрической технологией из-за солнечных панелей, которые они все чаще видят на крышах зданий или на панелях, размещенных на Международной космической станции. Когда солнце освещает одну из этих солнечных панелей, фотоны солнечного света поглощаются ячейками в панели, что создает электрическое поле через слои и заставляет электричество течь. Фотоэлектрические установки могут быть установлены на земле, на крыше или на стене. Они могут быть установлены в постоянной ориентации для увеличения производительности и стоимости, или они могут быть установлены на трекерах, которые следуют за солнцем по небу. Фотоэлектрические панели на крыше делают солнечную энергию жизнеспособной практически во всех частях Соединенных Штатов.В солнечном месте, таком как Лос-Анджелес или Феникс, жилая система мощностью пять киловатт вырабатывает в среднем от 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно потреблению электроэнергии типичным домом в США.

Вторая технология — это концентрация солнечной энергии (также называемая концентрированной солнечной тепловой энергией и CSP ). Он используется в основном на очень больших электростанциях и не подходит для использования в жилых помещениях. В этой технологии используются зеркала для отражения и концентрации солнечного света на приемниках, которые собирают солнечную энергию и преобразуют ее в тепло.Тепло используется для привода теплового двигателя, обычно паровой турбины, который подключен к генератору электроэнергии, который затем используется для производства электроэнергии.

Наше будущее явно зависит от нашей способности использовать солнечные и другие возобновляемые источники энергии. Расширяющиеся технологии, налоговые льготы и адаптация коммунальных предприятий к потребителям солнечной энергии — все это обнадеживает в области солнечной энергии. Однако наиболее важно помнить, что в среднем по всей поверхности планеты на квадратный метр приходится 4.2 киловатт-часа энергии солнца каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год.

Solar Energy — обзор

9.3 Барьеры для внедрения солнечной энергии

На уровне принятия решений индивидуальным домовладельцем существует несколько препятствий для принятия солнечной энергии, даже в тех случаях, когда местный климат, цены на электроэнергию для коммунальных предприятий и Нормативно-правовая среда может сделать установку системы панелей на крыше рациональным выбором. Первым очевидным потенциальным препятствием являются значительные капитальные затраты, которые обычно составляют около 20 000 долларов США. Хотя эти затраты могут субсидироваться несколькими способами или привлекательно финансироваться, они по-прежнему являются серьезным препятствием для более широкого распространения распределенной солнечной энергии. .

Даже если этот финансовый барьер удастся преодолеть, останутся и другие потенциальные препятствия. Домовладельцу может не хватать информации или способности выполнять финансовые расчеты, которые в противном случае привели бы к рациональному решению установить солнечные панели, тем самым, возможно, сэкономив деньги в долгосрочной перспективе: препятствием здесь является простое отсутствие информации, возможно в сочетании с неграмотностью [ 21].

Даже если домовладелец не может убедительно обосновать необходимость установки солнечных батарей, он может сделать это по ряду других причин. Имеются анекдотические сообщения [22] о домовладельцах, получающих психологическую выгоду от ощущения независимости от общественной полезности для власти. Многие домовладельцы также сообщают, что на их решение об установке повлияло желание внести свой вклад в улучшение глобальной проблемы изменения климата. Однако здесь мы подходим к другому набору препятствий для принятия солнечной энергии.В Соединенных Штатах, в частности, в некоторых кругах наблюдается возрождение враждебности и подозрительности, направленных против сообщений ученых об антропогенном изменении климата, или просто контрфактического, в значительной степени политически мотивированного, отрицания существования научного консенсуса. Существует также простое невежество: недавний опрос показал [23], что, хотя большее число американцев признают реальность антропогенного изменения климата, чем раньше, только 13% знают, что «почти все климатологи (более 90%) убеждены, что человечество — происходит глобальное потепление.«Кажется вероятным, что по крайней мере некоторые из этих американцев, если бы они были лучше информированы, стали бы частью населения, которое выражает обеспокоенность по поводу глобального потепления как фактора, повлиявшего на их решение установить солнечную энергетическую систему; поэтому их совокупная неосведомленность может рассматриваться как препятствие для более широкого распространения солнечной энергии.

Солнечная энергия, наряду со всеми другими формами энергии, которые не потребляют ископаемое топливо, напрямую конкурирует с экономическими интересами корпораций, получающих прибыль от добычи и продажи нефти, угля и природного газа.Каждый джоуль энергии, потребляемой из возобновляемых источников, заменяет джоуль энергии, который в противном случае потребовался бы в результате химического сжигания, обычно ископаемого топлива, или ядерной энергии. Поэтому неудивительно, что индустрия ископаемого топлива инвестировала средства в целевые кампании лоббирования [24] с целью подавления внедрения возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной энергии. В Соединенных Штатах это принимает форму прямого лоббирования законодателей штата с целью отменить существующие в законодательстве штата стимулы, которые стимулируют установку солнечных панелей.Это также принимает форму пропагандистских кампаний [24], направленных на то, чтобы внедрить идею о том, что сетевые замеры дискриминируют в финансовом отношении домовладельцев, не оборудованных солнечными батареями. Недавние решения законодательных собраний штатов Гавайев, Аризоны, Мэна и Индианы об отмене мандатов этих штатов на сетевые измерения были приписаны [24] этим усилиям лоббирования. Даже в отсутствие законодательной победы сомнения относительно будущего программ сетевого измерения, вызванные лоббистскими и пропагандистскими усилиями, достаточны для того, чтобы отговорить многих домовладельцев от значительных инвестиций в панели для крыш, поскольку их финансовые расчеты могут предполагать, что чистые мандат на измерения будет оставаться в силе в течение значительной части срока службы панелей.

Ситуация на федеральном уровне в Соединенных Штатах может быть еще более плачевной для будущего внедрения солнечной энергии. Нынешнее руководство Министерства энергетики демонстрирует все признаки недружелюбного отношения к возобновляемым источникам энергии в целом: руководитель аппарата министра энергетики является бывшим руководителем высокого уровня в ведущей фирме по лоббированию ископаемого топлива [24], а секретарь сам был откровенен в своих опасениях по поводу возможного вреда, который возобновляемые источники энергии могут нанести бизнесу по ископаемому топливу.

Солнечные диски, которые могут привести Землю в действие

Возможности на этом не заканчиваются. Хотя в настоящее время мы полагаемся на материалы с Земли для строительства электростанций, ученые также рассматривают возможность использования ресурсов из космоса для производства, таких как материалы, найденные на Луне.

Но одной из главных проблем впереди будет возвращение энергии на Землю. План состоит в том, чтобы преобразовать электричество солнечных элементов в энергетические волны и использовать электромагнитные поля для передачи их вниз к антенне на поверхности Земли.Затем антенна преобразует волны обратно в электричество. Исследователи во главе с Японским агентством аэрокосмических исследований уже разработали конструкции и продемонстрировали орбитальную систему, которая должна это делать.

В этой области еще предстоит проделать большую работу, но цель состоит в том, чтобы солнечные электростанции в космосе стали реальностью в ближайшие десятилетия. Исследователи в Китае разработали систему под названием Omega, которую они планируют ввести в действие к 2050 году. Эта система должна обеспечивать 2 ГВт энергии в энергосистему Земли с максимальной производительностью, что является огромным объемом.Чтобы производить столько энергии с помощью солнечных батарей на Земле, вам потребуется более шести миллионов штук.

Меньшие спутники на солнечной энергии, такие как те, что предназначены для работы луноходов, могут быть введены в эксплуатацию еще раньше.

По всему миру научное сообщество вкладывает время и усилия в разработку солнечных электростанций в космосе. Мы надеемся, что однажды они могут стать жизненно важным инструментом в нашей борьбе с изменением климата.

–

Аманда Джейн Хьюз — преподаватель энергетики в Ливерпульском университете, где ее исследования включают разработку солнечных элементов и оптических инструментов.Стефания Сольдини преподает по аэрокосмической инженерии в Ливерпульском университете, и ее опыт включает численное моделирование для проектирования космических аппаратов и управления ими, навигации и управления, астероидов и полетов на солнечном парусе.

–

Эта статья первоначально появилась на The Conversation и переиздается по лицензии Creative Commons. По этой же причине в этой истории нет оценки выбросов углерода, , поскольку в рассказах о Future Planet обычно содержится .

–

Присоединяйтесь к миллиону поклонников Future, поставив нам лайк на Facebook , или подписывайтесь на нас в Twitter или Instagram .

Если вам понравилась эта история, подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com , которая называется «Основной список». Тщательно подобранная подборка историй из BBC Future, Culture, Worklife и Travel, которые доставляются на ваш почтовый ящик каждую пятницу.

В центре внимания солнечная энергия | Изучайте науку в Scitable

По данным Управления энергетической информации США, общая потребность человечества в энергии составляет около 20 триллионов киловатт-часов в 2010 г. и вырастет до более чем 30 триллионов киловатт-часов к 2030 году. большая часть этой потребности в энергии удовлетворяется за счет сжигания ископаемого топлива (природного газа, уголь, нефть). Поскольку запасы этого топлива сокращаются, и они имеют множество негативных воздействий на окружающую среду, возобновляемые источники энергии — энергия источники, которые пополняются естественным образом и не могут быть исчерпаны — взяли на себя новое глобальное значение.Одним из самых распространенных возобновляемых источников энергии является солнечная энергия. В безоблачный день каждый квадратный метр поверхности Земли равен подвергается бомбардировке примерно одним киловаттом энергии за один час солнечного света. Ставить Другими словами, количество солнечной энергии, которая попадает на поверхность Земли в один час больше, чем общее количество энергии, которое весь человек население требует в год. Неудивительно, что многие ученые и политики ищут для способов сделать солнечную энергию более важной частью нашей энергетической стратегии в будущее.

Некоторая часть солнечной энергии уже используется человеком. Сегодня широко доступны три типа технологий солнечной энергии. Фотоэлектрические ячейки, впервые разработанные в Bell Labs в 1954 году, содержат полупроводниковые материалы. которые поглощают световую энергию от солнца и производят поток электрической энергии в отклик. Это знакомые прямоугольные панели, которые можно увидеть на спутниках и крыши некоторых домов. Концентрирующая солнечная энергия, разработанная в США Министерство энергетики в 1982 году использует зеркала для отражения и концентрации солнечного света. на ресиверы, содержащие теплопоглощающую жидкость.Затем используется нагретая жидкость. кипятить воду для пара, который крутит паровая турбина. Затем паровая турбина приводит в движение генератор, производящий электричество. Солнечное отопление использует солнечные коллекторы, которые содержат трубки с теплопоглощающей жидкостью для обеспечения зданий теплом или горячей водой или бассейны.

Несмотря на эти и другие достижения в области солнечной энергетики, менее одного процента от общей потребности человека в энергии в настоящее время удовлетворяется за счет солнечная энергия. Почему солнечная энергия не повлияла на нашу глобальную энергетику проблема? Конечно, препятствие для более широкого внедрения солнечной энергии — это не проблема. недостаток предложения.Скорее, основная задача — улавливание и транспортировка солнечной энергии. энергию в энергосети экономичным и экологически чистым способом. Солнечные электростанции, такие как установки системы производства солнечной энергии в Калифорнии. Пустыня Мохаве и завод Nevada Solar One в Лас-Вегасе могут обеспечить чистоту энергии в сеть, но требуются большие участки земли и, часто, большое количество вода для охлаждения, вызывающая экологические проблемы. Это поставило в тупик строительство этих заводов в США. Отдельные жители могут развернуть свои собственные солнечные батареи и солнечные водонагреватели, но эти устройства очень дорогие в изготовлении и установке, что делает их недоступными для большинства домовладельцев без поддержки крупных государственных субсидий. В результате, хотя технологии солнечной энергии прошли долгий путь за последние десять лет, стоимость за киловатт-час солнечной энергии, как правило, намного выше стоимости на киловатт-час энергии на основе ископаемого топлива.

Потенциальные выгоды — и многие проблемы — солнечной энергии возрастают множество важных вопросов для нашего общества. Как может стоимость солнечной энергии быть сокращенным так, чтобы он стал конкурентоспособным с энергией ископаемого топлива? Если правительство, промышленность или потребители берут на себя инициативу в этих усилиях? Крупномасштабное правительство субсидии — экономически целесообразное решение с учетом текущих глобальных экономических проблемы? Как можно снизить воздействие на окружающую среду крупных солнечных электростанций? смягчено?

В этом обзоре мы проведем вас через ряд перспективы по этим важным вопросам.Смотрим на механику солнечной производство энергии, последние разработки в солнечной энергетике, воздействие солнечной энергии на окружающую среду и экономика солнечной энергии. Мы также смотрим на перспективные новые технологии, которые могут повысить эффективность солнечной энергии и снизить затраты, приблизив солнечную энергию на шаг к паритету с традиционной источники энергии.

Изображение: Stocktrek Images / Getty Images.

Solar | PHMC> Энергетические ресурсы

Солнечная энергия — возобновляемый ресурс.Он получен из солнечных лучей. Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электричество через солнечные фотоэлектрические панели. Солнечные лучи, собранные с отражающих поверхностей, нагревают объект, создавая солнечную тепловую энергию. Популярность солнечной энергии возросла после нефтяного кризиса 1970-х годов, и сегодня в Соединенных Штатах потребители продолжают полагаться на солнечные панели для различных целей.

Два типа технологий солнечной энергетики имеют разные возможности успеха. Светоотражающие тепловые панели, которые концентрируют солнечные лучи для нагрева объекта, нуждаются в прямом солнечном свете для правильной работы. Плоские фотоэлектрические солнечные панели могут преобразовывать солнечный свет, отраженный от поверхностей, таких как земля или облака, при этом для правильной работы требуется небольшое количество прямого солнечного света.

На расстоянии орбиты Земли от Солнца средний поток 1358 Вт солнечной энергии заполняет каждый квадратный метр пространства над земной атмосферой. На поверхности Земли этот солнечный поток снижается до 990 ватт на квадратный метр.Общее количество энергии, получаемой Землей от Солнца ежедневно, составляет около 18 000 тераватт, в то время как глобальные потребности в энергии сегодня составляют всего около 9 тераватт.

К сожалению, этот поток энергии не так полезен, как может показаться на первый взгляд. Во-первых, большая часть этого солнечного потока приходится на океаны, которые покрывают примерно три четверти поверхности планеты. Наиболее эффективные коммерчески доступные солнечные коллекторы имеют эффективность только 28,5% в производстве электроэнергии постоянного тока, поэтому космический солнечный коллектор этого типа может собирать только 380 Вт энергии, а при установке на поверхности земли солнечная батарея аналогичного типа. может собирать не более 280 Вт мощности.Эти высокоэффективные элементы солнечного коллектора основаны на дорогих полупроводниках, в которых используются германий, арсенид галлия и фосфид галлия-индия, каждый из которых поглощает солнечную энергию на определенных длинах волн.

Новая технология «квантовой точки» обещает повышение эффективности за счет создания монокристаллического полупроводника, содержащего медь, индий и селен, который когда-нибудь может обеспечить КПД до 63,5%. К сожалению, в большинстве недорогих солнечных коллекторов, используемых сегодня, по-прежнему используется мультикристаллический кремний, который обеспечивает эффективность только от 10% до 15%. Кроме того, эти наземные солнечные панели могут собирать солнечную энергию только в дневное время, а их эффективность значительно снижается из-за облачности и низкого угла наклона солнца.

Около сорока лет назад физики из Принстонского университета начали проектировать архитектуру сети космических спутников на солнечной энергии, которые собирали солнечную энергию в космическом вакууме и преобразовывали ее в микроволновую энергию, которая передавалась бы в наземные прямые на поверхности земли, где его можно было бы использовать для подпитки существующей электросети или для недорогого электролиза морской воды для производства недорогого водорода и кислорода для зеленых топливных элементов для питания автомобилей.Сегодня Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) в Пентагоне продолжает исследования возможности использования этого метода для обеспечения недорогой и надежной электроэнергией для военных операций по всему миру.

Сегодня средний американский дом потребляет чуть больше 10 киловатт при пиковом спросе. Если бы можно было преобразовать солнечный поток, поступающий на поверхность земли, в электричество с эффективностью 63% с помощью технологии квантовых точек, каждый американский дом мог бы питаться от солнечной батареи размером не более 25 квадратных метров.Космическая сеть спутников на солнечной энергии может когда-нибудь обеспечить еще большее количество солнечной энергии для питания существующей электросети или для экономии энергии на основе водорода.

Было также внесено предложение покрыть пустыни на юго-западе Соединенных Штатов коммерческими коллекторами солнечной энергии, хотя и с риском значительного экологического воздействия на хрупкие пустынные экосистемы. На данный момент в большинстве широт за пределами юго-запада США солнечная энергия остается дополнительным источником энергии, который требует инвестиций в более эффективные технологии и архитектуры.