Для чего нужна солнечная энергия. Способы преобразования радиации в энергию. Общие сведения о Солнце

Гелиоэнергетика – получение солнечной энергии путем накапливания ее с помощью специальных установок. Сегодня ведется активное развитие солнечной энергетики в России. Ученые страны занимаются вопросами изучения возможностей получения энергоносителей уже много лет. Но особенно тщательно данному вопросу посвящается работа с 2000 года.

На данный момент изобретены и успешно используются различные системы и установки, позволяющие накапливать энергию солнца и преобразовывать ее в энергоносители. Фотоэлектрические комплексы работают от рассеянного солнечного света. Причем мощность установки можно регулировать в зависимости от нужд пользователя. Простое добавление секции фотопреобразователя способно существенно увеличить полезный коэффициент действия, тем самым обеспечить получение необходимого количества энергии.

Сегодняшние перспективы солнечной энергетики

Вопросам усовершенствования механизма использования природной энергии уделяется много внимания современным человеком. Именно поэтому перспективы солнечной энергетики для будущего весьма высоки. Уже в ближайшие годы, по заверению специалистов, мир будет использовать природный ресурс в полной мере, обеспечивая для себя неиссякаемое получение энергоносителей.

Для мировой общественности развитие этой промышленной отрасли является приоритетным. Причин тому несколько. А именно:

• возможность использования природы для получения энергии;
• экологическая чистота получаемого продукта;
• относительная дешевизна;
• абсолютная безопасность для окружающей среды;
• минимальные затраты на оборудование (в сравнении с получаемым результатом).

Иными словами, энергия, получаемая из солнечных лучей, имеет для человечества в целом только положительные стороны. Современное развитие технических возможностей дает отличные перспективы – разрабатываемое оборудование способно преобразовывать солнечную энергию с минимальными затратами на работу.

Важно и то, что солнечные установки очень просты в эксплуатации. Они легко монтируются, их несложно ремонтировать и видоизменять, подстраивая под собственные нужды. Фотопреобразователи занимают немного места, их монтируют на крышах зданий. Кроме того, накапливать энергию они способны даже в непогоду.

Ученые пришли к выводу, что количество солнечного света, попадающего на земную поверхность всего за одну неделю, в сотни раз превышает энергию, возможную к получению от всех известных земных энергоносителей (газ, уголь, дерево). Это значит, что человек может всего за 7 дней получить столько энергии, сколько способны дать, например, несколько тонн угля.

Будущее за солнечной энергетикой

Такое утверждение делают международные специалисты. Учитывая возможности, которые дает рассеянный солнечный свет, сомневаться в верности такого мнения не приходится. Несложно убедиться в этом на простом примере.

Для получения одной тонны угля требуются колоссальные затраты, состоящие из времени, человеческого труда и использования специального оборудования. Несложно сосчитать, в какую сумму обходится стране каждая тонна твердотопливного материала.

Что происходит в случае с солнечной энергией? Требуется только однажды установить накопитель (батарею, комплекс, систему), и получение энергии происходит постоянно, без прямого участия человека. То есть, чтобы обогреть жилое помещение или получить бесперебойное электропитание, пользователю не приходится постоянно тратить время, силы и финансовые средства.

В мире будущее солнечной энергетики рассматривается как довольно радужное. И на то есть причины. За последние годы специалистам удалось существенно повысить качество «приемников» солнечной энергии и повысить их конверсию. Как результат, человеку доступны сверхмощные солнечные батареи, отличающиеся высокой надежностью и малыми габаритами.

Альтернативный источник получения энергоносителей позволит человечеству решить проблемы с сохранением окружающей среды. Не стоит забывать и об исчерпывающихся залежах других материалов: угля, газа, дерева. Солнечные лучи – настоящий друг человека.

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России
Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.
В с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).
Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.
Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах
Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.

Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Использование аккумуляторов
Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.
Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.
Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.
Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца - какова сегодня ее цена?
Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.
Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы
Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.
Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.
Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.
Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.
Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!

Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.

Необходимость в солнечной энергии

Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.

Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.

«Работа» Солнца

Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.

Основной источник энергии

Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:

1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.

2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.

3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.

Принцип преобразования инфракрасных волн

Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.

Цель, которую преследует солнечная энергетика, - получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого - Солнце.

Работа комплекса

Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.

География излучений небесного Светила

Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца - долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.

То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:

Странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
- жителям Аравийского полуострова;
- восточному побережью Африки;
- северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
- западному побережью Южной Америки.

Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.

Электростанции

Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.

Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.

По мнению некоторых исследователей, уже в ближайшем будущем человечество может отказаться от существующих ныне традиционных путей получения электроэнергии. Потребности людей полностью удовлетворит небесное светило.

Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них - частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.

Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:

Башенные;
- установки с фотоэлементами;
- тарельчатые;
- параболические;
- солнечно-вакуумные;
- смешанные.

Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.

При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.

Если вы увидите целый ряд огромных по своему размеру спутниковых антенн, на внутренней стороне которых установлены зеркальные пластины, то знайте, что это параболические электростанции, работающие на излучении Солнца. Принцип их действия схож с такими же системами башенного типа. Они ловят пучок света и нагревают приемник с жидкостью. Далее вырабатывается пар, который и идет на производство электроэнергии.

Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.

Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.

Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:

Экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;
- доступность основных составляющих - фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;
- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;
- постоянно снижающаяся себестоимость.

Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:

Влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;
- необходимость в аккумулировании энергии;
- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;
- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;
- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;
- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.

Перспективы развития

Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.

Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых - многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.

Ученые произвели интересный расчет. Если на суше планеты Земля установить фотоэлементы, которые бы расположились на семи сотых ее территории, то они, даже имея КПД 10%, обеспечили бы все человечество необходимым ему теплом и светом. И это не столь уж далекая перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются на сегодняшний день, имеют КПД, равный 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.

Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка»

Кафедра общей и теоретической физики

Курсовая работа по общей физике

Солнечная энергия и перспективы ее использования

Студентки 321 группы

физического факультета

Лешкевич Светлана Валерьевна

Научный руководитель:

Федорков Чеслав Михайлович

Минск, 2009

Введение

1. Общие сведения о солнце

2. Солнце – источник энергии

2.1 Исследование солнечной энергии

2.2 Потенциал солнечной энергии

3. Использование солнечной энергии

3.1 Пассивное использование солнечной энергии

3.2 Активное использование солнечной энергии

3.2.1 Солнечные коллекторы и их виды

3.2.2 Солнечные системы

3.2.3 Солнечные тепловые электростанции

3.3 Фотоэлектрические системы

4. Солнечная архитектура

Заключение

Список использованных источников

Введение

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.

Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.

1. Общие сведения о Солнце

Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.

Характеристики Солнца

1. Масса M S ~2*10 23 кг

2. R S ~629 тыс. км

3. V= 1,41*10 27 м 3 , что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,

4. средняя плотность 1,41*10 3 кг/м 3 ,

5. светимость L S =3,86*10 23 кВт,

6. эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,

7. период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,

8. ускорение свободного падения 274 м/с 2 (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Строение Солнца

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы “печка” внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

Рис. 1 Строение Солнца

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.

Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое "зерно" размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области - солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть "окрашенной сферой". Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы - корона.

2. Солнце – источник энергии

Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x10 20 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 10 18) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 10 17) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% - на процесс образования фотосинтеза в природе.

2.1 Исследование солнечной энергии

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, - водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% - более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6x10 11 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0º C до точки кипения 1000 м 3 воды.

2.2 Потенциал солнечной энергии

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 10 13) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 10 13) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

Солнце – это природный огромный источник энергии. Внутри этого газового шара ежеминутно протекают сотни различных процессов. Без Солнца невозможна жизнь на Земле, так как оно является источником энергии для всех живых организмов. Все земные природные процессы осуществляются благодаря солнечной энергии. Циркуляция атмосферы, круговорот воды, фотосинтез, теплорегуляция на планете – все это было бы невозможным без Солнца. Использование солнечной энергии на Земле такое же привычное явление, как вдох и выдох для человека. Но оно может дать человечеству еще больше. Его успешно можно использовать для получения промышленной энергии, тепловой или электрической.

Потенциал, которым обладает солнечная энергетика

Разработки по использованию солнечной энергии начались в еще в 20 веке. С тех проведено сотни исследований учеными со всех уголков мира. Ими было доказано, что эффективность использования солнечной энергии может быть очень и очень высокой. Данный источник может обеспечить энергоснабжение на всей планете гораздо лучше, чем все существующие на сегодняшний день ресурсы в совокупности. При этом такой вид энергии является общедоступным и бесплатным.

Использование энергии солнечного света

Запасы природных ископаемых, способных обеспечить энергоснабжение на Земле, сокращаются с каждым днем. Поэтому в настоящее время ведутся активные разработки различных способов использования солнечной энергии. Данный ресурс является отличной альтернативой традиционным источникам. Поэтому исследования в этой сфере невероятно важны для общества.

Достижения, которые существуют на данный момент, дали возможность создать системы использования солнечной энергии, которые делаться на два типа:

• Активные (фотоэлектрические системы, солнечные электростанции и коллекторы).
• Пассивные (подбор стройматериалов и проектировка помещений для максимального применения энергии солнечного света).

Преобразование и использование солнечной энергии таким образом дало возможность применять неиссякаемый ресурс с высокой продуктивностью и окупаемостью.

Принцип работы пассивных систем

Существует несколько видов пассивного использования солнечной энергии. Большинство из них невероятно просты в применении, но при этом достаточно эффективны. Также существуют и более замысловатые варианты, которые помогают получать больше выгоды. Например:

• Первое, что приходит на ум, это емкость, в которой хранится вода. Если покрасить ее в темный оттенок, то таким нехитрым образом солнечная энергия будет преобразовываться в тепловую, и вода будет нагреваться.
• Следующий вариант не под силу выполнить обычному человеку самостоятельно, так как он требует скрупулезного анализа специалиста. Данная технология должна приниматься во внимание еще на этапе проектирования и строительства дома. Основываясь на климатических условиях, здание проектируется таким образом, что само работает как солнечный коллектор. После чего подбираются необходимые материалы, способствующие максимальной аккумуляции энергии солнечных лучей.

Благодаря таким методам становится возможным использование солнечной энергии для отопления и освещения помещений. Также подобные разработки способствуют энергосбережению. Так как подобное проектирование способно не только преобразовывать солнечную энергию, но и сохранять тепло внутри здания, что также позволяет значительно сократить расходы.

Способы активного использования солнечной энергии

Основой данного принципа энергоснабжения являются коллекторы. Такое оборудование поглощает энергию и перерабатывает ее в тепло, с помощью которого можно отапливать дом или подогревать воду, а также преобразовывает солнечную энергию в электрическую. Коллекторы широко применяются как в промышленном объеме, так и на частных участках и сельском хозяйстве.

Помимо коллекторов еще одним оснащением активной системы можно назвать панели с фотоэлементами. Данное устройство позволяет использовать солнечную энергию в быту и в промышленных масштабах. Такие панели очень просты, неприхотливы в обслуживании и долговечны.

Также способом активного применения энергии Солнца являются солнечные электростанции. Они подходят только для масштабного преобразования радиации в тепловую ил электроэнергию. За последние годы они значительно набрали популярность в мире и разработки в этой сфере позволяют расширять возможности и количество таких станций.

Говоря о том, что солнечная энергия помогает экономить на применении традиционных ресурсов, стоит заметить, что подобное преимущество станет действительно полезным людям, обладающим своими частными участками. Собственный дом дает возможность установить оборудование для преобразования энергии, которое сможет удовлетворять, даже если и не полностью, хотя бы часть энергетических потребностей. Это поможет значительно снизить потребление централизованного энергоснабжения и уменьшить расходы.

Солнечная энергия – это отличный источник для таких процессов:

• Пассивный обогрев и охлаждение дома.

Не следует забывать о том, что Солнце и так греет все, что существует на Земле, и ваш дом не исключение. Поэтому можно усилить благотворное воздействие, внеся на этапе строительства определенные поправки, и использовав специальные техники. Таким образом, вы получите дом с гораздо более комфортной теплорегуляцией без особых вложений.

• Нагрев воды с помощью солнечной энергии.

Применение энергии солнечных лучей для подогрева воды – это самый простой и дешевый способ, доступный человеку. Подобное оснащение можно купить по адекватным ценам. При этом они смогут окупить себя достаточно быстро, ощутимо снизив расходы на централизованное энергоснабжение.

• Освещение улиц.

Это самый простой и дешевый способ использования солнечной энергии. Специальные устройства, которые поглощают за день солнечную радиацию, а в темное время суток освещают участки, очень популярны среди владельцев частных домов и сейчас.

Солнечная панель, к сожалению, не отличается всеобщей доступностью. Ее стоимость достаточно высока, но при этом, это удобный и выгодный энергетический ресурс, который успешно можно применять в российских широтах. Но если ваше финансовое положение не позволяет осуществить такую дорогостоящую покупку, вы сможете создать подобные панели самостоятельно.

Как это сделать?

• Первым делом вам будут нужны солнечные фотоэлементы. В среднем для одной панели их понадобится около 36 штук. Лучше выбирать элементы на монокристаллах, так как у них выше коэффициент полезного действия, и срок эксплуатации дольше.
• Сама панель производится из фанерного листа. Из него вырезается днище, размер которого вы определяете, смотря на количество фотоэлементов. Далее панель помещается в рамку из брусков.
• После чего требуется изготовить подложку, на которую будут накладываться фотоэлементы. Это можно сделать из ДВП.
• Далее вам необходимо сделать отверстия. Обязательно проследите, чтобы они были симметричны.
• Далее проводится процедура окрашивания и сушки, которая повторяется два раза.
• После того, как подложка высохнет, на нее выкладываются элементы, и производится распайка. Важный момент – выкладывайте их вверх ногами.
• В конечном этапе фотоэлементы выкладывают рядами, а потом уже соединяют все в комплексы. Все это по итогу крепится с помощью силикона.

Вот таким несложным способом вы можете создать своими руками оборудование, позволяющее использовать солнечную энергию в быту. Немного усилий и терпения, и у вас все получится.

Использование солнечной энергии в России

На каком этапе развития сейчас находится альтернативная энергетика в России? К сожалению, в нынешнее время это происходит на очень низком уровне. Пока страна не воплощает весь существующий потенциал в жизнь. На это имеет достаточно сильное влияние такой аспект, как наличие больших запасов полезных ископаемых, которые используются для традиционного энергоснабжения.

Тем не менее, успешное использование солнечной энергии в России возможно. Благодаря огромной площади, включающей в себя разные климатические зоны и рельеф, страна имеет возможность активно развивать выработку альтернативной энергии. При грамотном и всестороннем подходе можно обеспечивать весомый процент общего энергоснабжения именно с помощью энергии Солнца.