Энергия солнца как альтернативный источник энергии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете: Земля и ее атмосфера прогреваются, дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения…

Солнечная энергия может быть преобразована, например, в движущую силу и электричество.

Как известно, запасы нефти и газа небезграничные, поэтому разработки в использовании альтернативных источников энергии – основа жизнеобеспечения жителей планеты.

По разным данным, человечество успело израсходовать свыше 65% мировых запасов нефти. Ежедневно в мире расходуется нефти почти в 5 раз больше, чем удается найти ее в новых месторождениях. По самым оптимистичным прогнозам, запасов, не возобновляемых источников энергии, хватит на 30 – 70 лет! [1]

Численность населения планеты составляет свыше 7 млрд. человек. При любом подсчете ресурсов Земли она не сможет прокормить более 10-12 млрд. человек!

Вопрос об использовании энергии Солнца, как возможности экономного использования природных ресурсов для сохранения и дальнейшего развития человеческого общества и определил актуальность темы исследования.

Объект исследования - изучение разработок ученых-исследователей и расчетных данных, связанных с энергетическим ресурсом Солнца.

Предмет исследования – излучение Солнца, как перспективный и альтернативный источник энергии.

Цель исследования – рассмотреть современные достижения и перспективы использования энергии Солнца, в ходе самостоятельных экспериментов установить факторы, влияющие на величину фототока, найти способ использования солнечных модулей в домашних условиях.

Методы исследования - классификация, систематизация, описание, сравнение.

Работа включает введение, 2 главы, заключение, список использованной литературы, приложение.

В первой главе освещаются вопросы альтернативного и технического использования солнечной энергии, затронуты вопросы экологии.

Во второй главе представлены результаты эксперимента по изучению зависимости генерируемой фотоэлементамисолнечной энергииот внешних факторов, использованиеее в технических устройствах, сделанных самостоятельно.

В заключение даются краткие выводы и перспективы использования солнечной энергии для развития цивилизации.

Глава 1. Применение энергии Солнца

1.1. Пассивное использование солнечной энергии

«Солнце … является неисчерпаемым источником

физической силы… та непрестанно заводящаяся

пружина, которая поддерживает в состоянии

движения механизм всех происходящих на Земле

(Роберт Майер, 1845г.)

Восемь минут – время, через которое солнечный свет достигнет Земли. Знаменательных восемь минут, которые стали основой жизни на единственной обитаемой планете в нашей Галактике.

Солнечный свет – это неиссякаемый источник энергии. Для понимания, на сколько велик запас солнечной энергии приведу несколько цифр: мощность солнечного излучения составляет 3,8*10 26 Вт каждую секунду, что равносильно тому, как если бы за это время сжигали 1,3*10 16 тонн угля!

Если бы Солнце светило за счет горения угля, то при массе 2*10 30 кг просуществовало, лишь 5 тысяч лет!

Не менее интересны и процессы, которые происходят на Солнце и обеспечивают такой запас энергии: на 1 млн. атомов водорода приходится 98 тыс. атомов гелия, 851кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по два атома никеля, натрия и кальция, и иных элементов.

Расчеты показывают, чтобы обеспечить мощность ежесекундного излучения 3,8*10 26 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно сгорать 630млн.т. водорода, а масса Солнца должна будет уменьшиться при этом на 4,2млн.т. и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве.

Несмотря на колоссальность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно и удельная мощность равна 1,9*10 -7 Вт/г, что в 50млрд. раз меньше удельной мощности горящей спички (10 4 Вт/г) и в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2*10 -3 Вт/г).

Наше Солнце образовалось из космической пыли около 5млрд. лет назад. Через 5-7млрд. лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения – с этого момента его дни сочтены [2].

Киловатт-час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Энергия, излучаемая Солнцем, ежесекундно составляет 1,1*10 20 кВт/ч. Этой энергии хватило бы, примерно, на 13*10 16 лет работы такой лампочки! Интерес человечества к использованию энергии Солнца, таким образом, совершенно очевиден.

Привлекательность использования солнечной энергии связана с возможностью преобразования ее в различные формы энергии, используя активные и пассивные солнечные системы.

1. Теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов – нагревателей, устанавливаемых неподвижно на крышах домов под определенным углом к горизонту. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре.

Экономическая выгода от использования коллекторов для нагревания воды, перед подачей в бойлер - достигает 50-70%!

Обычно солнечный коллектор представляет собой металлические пластины или трубки, окрашенные в черный цвет для наибольшего поглощения энергии солнечного излучения, фактически – это минитеплица, которая накапливает энергию под стеклянной панелью, под которую и помещают трубки или пластины. [6] (Приложение 1)

Если говорить о конструкции солнечных коллекторов, то в ней учитывают непосредственное их назначение:

● низкотемпературные коллекторы обеспечивают прогревание воды до 50 0 С и используются там, где требуется не очень горячая вода (бассейн)

●среднетемпературные коллекторы производят высоко- и средне потенциальное тепло (выше 50 0 С, обычно 60-80 0 С).

● вакуумированный трубчатый коллектор используется для нагрева воды в жилом секторе. Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей. [5]

2. Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей на кремниевой основе. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г.

3. Сооружение электростанций башенного или параболического видов.

Вообще, энергию Солнца использовали для обогрева домов с незапамятных времен. В древней Греции солнечный коллектор для прогрева воды был сконструирован в XIX веке. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды, обращенные на юг. Комната была теплее других, и для ее обогрева требовалось меньше дров. В известных римских банях в I-IV ст. н. э. специально устанавливались большие окна, выходящие на юг, для того чтобы больше солнечного тепла поступало в здание. К VI ст. солнечные комнаты в домах и общественных зданиях стали настолько обычны, что Джастиниан Коуд ввел "право на солнце", чтобы гарантировать индивидуальный доступ к солнцу.

Из-за перебоев с электроэнергией во время второй мировой войны к концу 1947 года в Соединенных Штатах здания, пассивно использующие солнечную энергию, пользовались таким огромным спросом, что "Libbey-Owens-Ford Glass Company" издала книгу под названием "Ваш Солнечный Дом", в которой были представлены 49 лучших проектов солнечных зданий. В середине 50-х годов ХХ века, архитектор Франк Брайдджерс разработал первое в мире пассивное солнечное здание для офисного помещения. Установленная в нем солнечная система для горячего водоснабжения работает с того времени бесперебойно. Само же здание "Брайдджерс-Пэкстон" занесено в национальный исторический регистр страны как первое в мире офисное здание, обогреваемое при помощи энергии Солнца. [4]

1.2. Активное использование солнечной энергии.

Гениальным воплощением научной мысли в техническом устройстве по праву можно считать фотоэлементы – устройства прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию.

История фотоэлементов берет начало с 1893г., когда Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. В 1953г. Джеральд Персен проводя опыты в лаборатории, случайно, установил, что кремний, покрытый определенными примесями более чувствителен к свету, нежели селен. С этого момента было положено начало освоению нового источника энергии – солнечной!

В период нефтяного кризиса (1973-74г.г.), в нескольких странах, сразу же, были запущены программы по использованию фотоэлементов, некоторые из которых до сих пор находятся в эксплуатации.

Фотоэлементы составляют основу фотоэлектрических батарей. Спектр применения, которых широк и разнообразен: от исследования космического пространства до электроснабжения жилых домов!

Ограничение связано с суточным вращением Земли, погодными условиями, загрязнением рабочей поверхности фотоэлемента.[9]

В основе работы солнечных батарей лежат физические свойства полупроводников, а производятся они из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с другими веществами. Подробное рассмотрение генерирования электроэнергии в фотоэлементах можно найти на страницах любой научно популярной литературы.

Рис. 2 Строение кремниевого фотоэлемента

Отмечу, что на современном этапе, уже решен вопрос как самой аккумуляции солнечной энергии, так и независимость используемых фотоэлементов от угловой высоты Солнца, времени года и освещенности.

Расчеты показывают, что расположение солнечных модулей под углом 45 0 на крышах зданий обеспечивает максимальное преобразование солнечной энергии в электрическую.

Просматривая различные источники, мы убедились, что преобразование солнечной энергии в электрическую – перспективное направление современной энергетики, и прежде всего потому, что Солнце, по прогнозам ученых, еще несколько миллиардов лет будет согревать нашу планету.

1.3 Альтернативные источники энергии и вопросы экологии

Энергия Солнца, разумеется, не требует никаких затрат на свое производство, но устройства, которые будут преобразовывать энергию Солнца в электрическую или накапливать ее - способны нанести вред окружающей среде.

1. Модули, генерирующие световую энергию в электрическую, располагаются на поверхности Земли. Поверхностный слой – основа сельскохозяйственной деятельности, и выделение участков под такие модули способно нанести урон сельскому хозяйству. Также придется сократить парковую зону, места отдыха…

2. Производство самих солнечных батарей относят к очень токсичному производству, а значит предположение о том, что выбросов вредных веществ в атмосферу Земли можно будет исключить – ошибочное.

3. Любое оборудование способно прийти в негодность и спустя 20 лет придется решать вопрос его утилизации.

4. Смена дня и ночи требует использовать накопители солнечной энергии - аккумуляторы. Утилизация отработанных аккумуляторов, их возможное накопление на свалках – приведет к существенному загрязнению природы.

Как видим, использование солнечных батарей не решает возникающих и уже существующих экологических проблем.

Но нельзя не принять и тот факт, что применение солнечных батарей в небольших масштабах позволяет, все же, экономить запасы топлива.

Глава II . Влияние внешних факторов на величину фототока и приведение в действие электрических приборов от накопленной солнечной энергии – самостоятельные исследования.

«По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал – 12,5 млн. т.у.т.

Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране.

В качестве источника излучения рассматривался естественный свет.

Экспериментальное оборудование включало фотоэлемент, прибор для измерения фототока, светонепроницаемая бумага, линейка. Эксперименты проводились с лабораторным оборудованием в кабинете физики намеренно в пасмурный день.

Эксперимент 1. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.

Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию Солнца в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.

Вывод. Величина фототока будет уменьшаться при увеличении загрязнения поверхности солнечной батареи.

Оконное стекло без москитной сетки

Оконное стекло с москитной сетки

Эксперимент 2. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.

Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.

Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. На фотоэлемент не попадали прямые лучи света. Для увеличения освещенности использовали лист белой бумаги. Проходящий, через оконное стекло, свет отражался от листа бумаги и попадал на фотоэлемент. В ходе эксперимента лист смещали на 5см.

Вывод. Величина фототока уменьшается при увеличении расстояния от источника отраженного света до фотоэлемента.

В мире всё меньше традиционных источников энергии. Запасы нефти, газа, угля истощаются и всё идёт к тому, что рано или поздно они закончатся. Если к этому времени не найти альтернативных источников энергии, то человечество ждёт катастрофа. Поэтому во всех развитых странах ведутся исследования по открытию и разработке новых источников энергии. В первую очередь – это солнечная энергия. С древних времён эта энергию использовалась людьми для освещения жилища, сушки продуктов, одежды и т. п. Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца в электрическую или тепловую. Отрасль постепенно растёт и развивается, но, как и везде, есть свои проблемы. Обо всём этом речь пойдёт в настоящем материале.

Солнце как альтернативный источник энергии

Энергия солнца является одним из самых доступных возобновляемых источников на Земле. Использование солнечной энергии в народном хозяйстве положительно сказывается на состоянии окружающей среды, поскольку для её получения не требуется бурить скважины или разрабатывать шахты. К тому же, этот вид энергии свободный и не стоит ничего. Естественно, что требуются затраты на покупку и монтаж оборудования.

Проблема в том, что солнце – это прерывистый источник энергии. Так, что требуется накопление энергии и использование её в связке с другими энергетическими источниками. Основная проблема на сегодняшний день заключается в том, что современное оборудование имеет низкую эффективность преобразования энергии солнца в электрическую и тепловую. Поэтому все разработки направлены на то, чтобы увеличить КПД таких систем и снизить их стоимость.

Вот он – возобновляемый источник энергии

Кстати, очень много ресурсов на планете представляют собой производные от солнечной энергии. К примеру, ветер, который является ещё одним возобновляемым источников, не дул бы без солнца. Испарение воды и накопление её в реках также происходит под действием солнца. А вода, как известно, используется гидроэнергетике. Биотоплива также не было бы без солнца. Поэтому, помимо прямого источника энергии, солнце влияет на другие сферы энергетики.

Солнце отправляет к поверхности нашей планеты радиацию. Из широкого спектра излучения поверхности Земли достигают 3 типа волн:

Световые. В спектре излучения их примерно 49 процентов;
Инфракрасные. Их доля также 49 процентов. Благодаря этим волнам наша планета нагревается;
Ультрафиолетовые. В спектре солнечного излучения их примерно 2 процента. Они невидимы для нашего глаза.

Экскурс в историю

Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.

Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.

Инсолятор О. Мушо

Долгое время инсоляторы выпускались по схеме, использующей энергию солнца для превращения воды в пар. И преобразованная энергия использовалась для совершения какой-либо работы. Первое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую, было создано в 1953 году в США. Оно стало прообразом современных солнечных батарей. Фотоэлектрический эффект, на котором основана их работа, был открыт ещё в 70-е годы XIX столетия.

В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.

Для получения большей мощности солнечных систем низкий КПД компенсируется увеличенной площадью фотоэлементов. Но это не выход, поскольку кремниевые полупроводники в фотоэлементах довольно дорогие. При увеличении КПД возрастает стоимость материалов. Это является главным препятствием для массового использования солнечных батарей. Но по мере истощения ресурсов их использование будет всё более выгодным. Кроме того, исследования по увеличению КПД фотоэлементов не прекращаются.

Фотоэлемент для солнечной батареи

Стоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними. Поэтому их чаще всего используют в быту. Есть также целые солнечные электростанции. Как правило, они создаются в странах с большим числом солнечных дней в году. Это Израиль, Саудовская Аравия, юг США, Индия, Испания. Сейчас есть и совсем фантастические проекты. Например, солнечные электростанции вне атмосферы. Там солнечный свет ещё не потерял энергию. То есть, излучение предлагается улавливать на орбите и затем переводить в микроволны. Затем в таком виде энергия будет отправляться на Землю.
Вернуться к содержанию

Преобразование солнечной энергии

Прежде всего, стоит сказать о том, в чём можно выразить и оценить солнечную энергию.

Как можно оценить величину солнечной энергии?

Специалисты используют для оценки такую величину, как солнечная постоянная. Она равна 1367 ватт. Именно столько энергии солнца приходится на квадратный метр планеты. В атмосфере теряется примерно четверть. Максимальное значение на экваторе – 1020 ватт на квадратный метр. С учётом дня и ночи, изменения угла падения лучей, эту величину следует уменьшить ещё в три раза.

Распределение солнечного излучения на карте планеты

Версии об источниках солнечной энергии высказывались самые разные. На данный момент специалисты утверждают, что энергии высвобождается в результате превращения четырёх атомов H2 в ядро He. Процесс протекает с выделением существенного количества энергии. Для сравнения представьте, что энергия превращения 1 грамма H2 сопоставима с той, что выделяется при сжигании 15 тонн углеводородов.
Вернуться к содержанию

Способы преобразования

Поскольку наука на сегодняшний день не имеет устройств, работающих на энергии солнца в чистом виде, её требуется преобразовать в другой тип. Для этого были созданы такие устройства, как солнечные батареи и коллектор. Батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. А коллектор вырабатывает тепловую энергию. Есть также модели, совмещающие эти два вида. Они называются гибридными.

Гибридная солнечная панель

фотоэлектрический;
гелиотермальный;
термовоздушный;
солнечные аэростатные электростанции.

Первый способ самый распространённый. Здесь используются фотоэлектрические панели, которые под воздействием солнца вырабатывают электрическую энергию. В большинстве случаев их делают из кремния. Толщина таких панелей составляет десятые доли миллиметра. Такие панели объединяются в фотоэлектрические модули (батареи) и устанавливаются на солнце. Чаще всего их ставят на крышах домов. В принципе, ничто не мешает разместить их на земле. Нужно, только чтобы вокруг них не было крупных предметов, других зданий и деревьев, которые могут отбрасывать тень.

Кроме фотоэлементов, для получения электрической энергии применяются тонкопленочные или гибкие солнечные панели. Их преимуществом является малая толщина, а недостатком – сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.

Гибкая солнечная панель

Термовоздушный способ преобразования подразумевает получение энергию потока воздуха. Этот поток направляется на турбогенератор. В аэростатных электростанциях под действием солнечной энергии в аэростатном баллоне генерируется водяной пар. Поверхность аэростата покрывается специальным покрытием, поглощающим солнечные лучи. Такие электростанции способны работать в пасмурную погоду и в тёмное время суток благодаря запасу пара в аэростате.

Гелиотремальная энергетика основана на нагреве поверхности энергоносителя в специальном коллекторе. Например, это может быть нагрев воды для системы отопления дома. В качестве теплоносителя может использоваться не только вода, но и воздух. Он может нагреваться в коллекторе и подаваться в систему вентиляции дома.

Все эти системы стоят достаточно дорого, но их освоение и совершенствование постепенно продолжается.
Вернуться к содержанию

Преимущества и недостатки солнечной энергии

Преимущества

Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике. Все традиционные источники в той или иной мере наносят вред ОС;
Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное (служит до 30 лет). После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;
Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;
Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;
Хорошо адаптированы для использования в частных домах;
Эстетика. Можно установить на крыше или фасаде здания не в ущерб внешнему виду;
Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения.

Недостатки

Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
Первоначальные вложения высокие. Особенно это ощутимо для обычных людей при покупке оборудования для частного дома;
Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
Для размещения требуется большая площадь;
Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку.

Сферы применения солнечной энергии

Направлений использования довольно много. Ниже рассматриваются самые востребованные и распространённые.

Энергоснабжение частного дома

Совсем недавно такие системы были чем-то из фантастических фильмов. Но сейчас у многие можно встретить комплекты солнечных модулей на крыше или фасаде дома. КПД таких систем пока не превышает 10─15 процентов. Напряжение 12 или 24 вольта. Но для частного дома или дачи этого вполне достаточно.

Здесь стоит сказать, что современные панели вырабатывают электричество даже в сумерках и пасмурную погоду. Заряда аккумуляторных батарей хватает на тёмное время суток. Кроме того, солнечные панели подключаются как вспомогательные, и при необходимости их подменяет основная энергетическая система.
Вернуться к содержанию

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

Здесь энергия солнца преобразуется в тепловую. Наверное, у многих на дачном участке есть душ с металлическим баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мытья нагретой водой. Это простейший вариант такого коллектора.

Но современные системы работают значительно эффективнее. В них есть поглощающий элемент, который передаёт тепловую энергию теплоносителю. Есть варианты с водой и воздухом в качестве теплоносителя.

Коллекторы чаще всего работают в составе систем горячего водоснабжения частных домов. Нагретый в них теплоноситель попадает в накопитель (бойлер), где нагревает воду. Схема практически такая же, как у электрического бойлера. Только электричество в этом случае не расходуется.

Компактные системы с коллектором могут обеспечить бесплатный нагрев воды в доме для семьи на 3─5 человек. Речь идёт об осенне-зимнем периоде. Зимой эффективность подобных систем значительно снижается. Параллельно с установкой таких систем проводятся работы по улучшению изоляции. Если зимы в вашем регионе не суровые, то коллектор вполне может использоваться и зимой.
Вернуться к содержанию

Портативные источники энергии

Этот вид устройств предназначен для получения электрической энергии при отсутствии электрических сетей. Такие переносные аккумуляторы с возможностью зарядки от солнечной панели популярны среди туристов, дачников и т. п. Об этих устройствах можно прочитать в статьях:

Концентраторы

Этот вид устройств можно назвать экзотикой. Их можно встретить у туристов в составе походных кухонь. Они концентрируют свет параболическим зеркалом на ёмкости с теплоносителем.
Вернуться к содержанию

Транспорт

Это пока также экзотическая сфера применения. Но уже сейчас проводятся гоночные соревнования в Австралии на солнечных карах. Однако в последнее время конструкторам удалось нарастить скорость таких транспортных средств до 80 км/час. И также проводятся испытания самолёта на солнечных батареях с облётом планеты.
Вернуться к содержанию

Развитие солнечной энергетики в разных странах и её перспективы

Альтернативные виды энергетики, к которым относится солнечная, быстрее всего развивается в технологически развитых странах. Это США, Испания, Саудовская Аравия, Израиль и другие страны, где большое количество солнечных дней в году. Солнечная энергетика также развивается в России и странах СНГ. Правда, темпы у нас значительно медленнее из-за климатических условий и меньших доходов населения.

В России наблюдается постепенное развитие и уклон делается на развитие солнечной энергетики в регионах Дальнего Востока. Солнечные электростанции строятся в удалённых населённых пунктах Якутии. Это позволяет экономить на завозимом топливе. Строятся электростанции и в южной части страны. Например, в Липецкой области.

Все эти данные позволяют сделать вывод о том, что многие страны мира пытаются максимально внедрить у себя использование солнечной энергии. Это актуально потому, что энергопотребление постоянно растёт, а ресурсы ограничены. К тому же, традиционная сфера энергетики сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому альтернативная энергетика – это будущее. И энергия солнца является одним из ключевых её направлений.
Вернуться к содержанию

Опрос

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию

Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.

Солнечная энергия — это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

Путем применения термоэлектрических генераторов.

Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

Солнечные электростанции работают в

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.

Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

Пригодна ли для обычного дома

Для бытового использования гелиоэнергетика — перспективный вид энергетики.
В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
Использование теплового насоса — обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
Гелиоколлекторы — можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

Экологическая безопасность установок;
Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
Низкая себестоимость получаемой энергии;
Доступность производства энергии;
Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
Низкий КПД;
Высокая стоимость оборудования.

Перспективы

Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.

Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.

Солнечная выработка электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электроэнергии из добываемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, отсутствием глобального загрязнения окружающей среды и без каких-либо угроз для нашего общественного здравоохранения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержит такое же количество энергии, какая хранится во всех запасах планеты угля, нефти и природного газа. За пределами атмосферы, солнечная энергия содержит около 1300 ватт на квадратный метр. После того, как она достигнет атмосферы, около одной трети этого света отражается обратно в космос, в то время как остальные продолжают следовать к поверхности Земли.

Усредненные по всей поверхности планеты, квадратный метр собирает 4,2 киловатт-часов энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облачности, могут получить более чем 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в среднем в течение года.

Преобразование солнечной энергии в электричество

Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.

В 2015 году почти 800 000 фотоэлектрических систем были установлены на крышах домов по всей территории Соединенных Штатов. Крупномасштабные PV проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электричество. Эти проекты часто имеют выходы в диапазоне сотен мегаватт, а это миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади земли.

Как работают панели солнечных батарей

Солнечные фотоэлектрические (PV) панели на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.

В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая (PV) ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.

Компоненты PV ячейки

Наиболее важными компонентами PV ячейки являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизирующийся кремний является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси — процесс, называемый допинг-этап.

Нижний слой из фотоэлементов обычно состоит из легированного борома, который в связке с кремнием создает положительный заряд (p), в то время как верхний слой, легированный фосфором, взаимодействуя с кремнием — отрицательный заряд (n).

беспилотные самолеты на солнечной энергии

Каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Панели затем либо используются как отдельные единицы или сгруппированы в более крупные массивы.

Переход к электрической системе с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ.

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 году -1кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 году – 1доллар, сейчас -20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, а ежегодный объем от продаваемых батарей превышает (по мощности) 40мВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% — из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16%), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). В скором времени ученые предполагают, что стоимость 1кВт-ч будет равна 10 центам, что поставит солнечную энергетику на первые места в энергетической независимости многих стран.

Еще в 2013 году новость разнеслась по просторам сети: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Применение вместо кремния перовскита позволит снизить стоимость производства электроэнергии при помощи солнечных батарей. Перовскит (титанат кальция) был обнаружен в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного любителя минералов). Как компонент фотоэлемента начал использоваться в 2009 году.

Батареи покрываются инновационным недорогим фотоэлементом, основное достоинство которого в том, что он может конвертировать в энергию намного большее количество частей солнечного света. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, которая позволяет с максимальной эффективностью впитывать солнечный свет. По предварительным оценкам использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость киловатта энергии в семь раз.

Солнечная энергия для ЦОД

крупная электростанция на базе возобновляемых источников энергии рядом с дата-центром Apple в городе Мейден, штат Северная Каролина (США)

крупнейшая в мире гелиотермальная электростанция Айванпа мощностью 400 МВт

В 2015 году США и Япония начали разрабатывать новый механизм электроснабжения ЦОД за счет солнечной энергии. Проект предполагает исследование новых возможностей "… использования связки генерирующих мощностей на базе солнечной энергии и систем класса HVDC (высокое напряжение постоянного тока), применяемых для распределения генерируемой солнечными батареями электроэнергии на уровне ЦОД". Такое комбинирование HVDC и солнечных панелей даст возможность развернуть единую систему резервного электропитания на базе аккумуляторных батарей, при этом можно будет экономить на капитальных и эксплуатационных расходах.

Интересно

Немецкий архитектор Андре Броезель из компании Rawlemon создал солнечую батарею в форме движущего стеклянного шара. Он называет его генератором нового поколения, который будет ловить максимальное количество лучей, так как он оснащен системой отслеживания перемещения солнца и датчиками смены погоды, а это на 35 % эффективней в сравнении с стандартными солнечными батареями.

Японская энергетическая компания Shimizu Corporation в 2015 году обьявила о своем намерение построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в виде колец с солнечными батареями будет опоясывать Луну по примеру планеты Сатурн и передавать энергию на Землю. От такой солнечной станции Shimizu Corporation ожидает 13 тысяч тераватт энергии/ год. Еще не известна стоимость и дата начала такого космического строительства.

В институте прогрессивной архитектуры в Каталонии разработали солнечную панель, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Плюсом такой технологии является отказ от опасных токсичных материалов и тяжелых металлов в производстве солнечных панелей. Тут используются специальные бактерии в крохотных топливных ячейках, размещенных в земле под корнями растений. Бактерии нужны для выработки дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут обеспечивать жизненный цикл бактерий, а вода служить в качестве подпитки для всей системы. Такая инновационная система может работать на территориях, где солнечного света не так уж и много, если заменить растения мхом, так как он может расти в тени.

Читайте также: