Без энергии невозможна жизнь на планете. Физический закон сохранения энергии говорит о том, энергия не может возникнуть из ничего и не исчезает бесследно. Она может быть получена из природных ресурсов, таких как уголь, природный газ или уран, и превращена в удобные для нас формы, например, в тепло или свет. В окружающем нас мире можем находить различные формы накопления энергии, но важнейшим для человека является энергия, которую дают солнечные лучи- солнечная энергия.
Солнечная энергия относится к восстанавливаемым источникам энергии, то есть восстанавливается без участия человека, естественным путем. Это один из экологически безопасных энергетических источников, который не загрязняет окружающую среду. Возможности применения солнечной энергии практически неограниченны и ученые всего мира работают над разработкой систем, которые расширяют возможности использования солнечной энергии .
Один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт энергии. Это примерно соответствует мощности работы 1 миллиона электрических ламп. Впечатляет такая цифра — Солнце дает Земле ежесекундно 80 тысяч миллиардов кВт, т.е в несколько раз больше, чем все электростанции мира. Перед современной наукой стоит задача — научиться наиболее полно и эффективно использовать энергию Солнца, как наиболее безопасную. Ученые считают, что повсеместное использование солнечной энергии — это будущее человечества.
Мировые запасы открытых месторождений угля и газа, при таких темпах их использования, как сегодня, должны истощиться в ближайшие 100 лет. Подсчитано, что в еще не разведанных месторождениях запасов горючих ископаемых хватило бы на 2-3 столетия. Но при этом наши потомки были бы лишены этих энергоносителей, а продукты их сгорания нанесли бы колоссальный ущерб окружающей среде.
Огромный потенциал имеет атомная энергия. Однако, Чернобыльская авария в апреле 1986 года показала, какие серьезные последствия может повлечь использование ядерной энергии. Общественность всего мира признала, что использование атомной энергии в мирных целях экономически оправдано, но следует соблюдать строжайшие меры безопасности при ее использовании.
Следовательно, наиболее чистый, безопасный источник энергии — Солнце!
Солнечная энергия может быть преобразована в полезную энергию посредством использования активных и пассивных солнечных энергетических систем.
Пассивные системы использования солнечной энергии.
Самый примитивный способ пассивного использования солнечной энергии — это окрашенная в темный цвет емкость для воды. Темный цвет, аккумулируя солнечную энергию , превращает ее в тепловую — вода нагревается.
Однако, есть более прогрессивные методы пассивного использования солнечной энергии . Разработаны строительные технологии, которые при проектировании зданий, учета климатических условий, подбора строительных материалов максимально используют солнечную энергию для обогрева или охлаждения, освещения зданий. При таком проектировании сама конструкция здания является коллектором, аккумулирующей солнечную энергию .
Так, в 100г н.э Плиний Младший построил небольшой дом на севере Италии. В одной из комнат окна сделаны из слюды. Оказалось, что эта комната теплее других и на ее обогрев требовалось меньше дров. В этом случае слюда являлась как изолятор, задерживающий тепло.
Современные строительные конструкции учитывают географическое положение зданий. Так, большое количество окон, выходящие на южную сторону, предусматривают в северных регионах, чтобы поступало больше солнечного света и тепла, и ограничивают количество окон с восточной и западной стороны, чтобы ограничить поступление солнечного света летом. В таких зданиях ориентация окон и расположение, тепловая нагрузка и теплоизоляция — единая конструкторская система при проектировании.
Такие здания экологически чистые, энергетически независимые и комфортные. В помещениях много естественного света, более полно ощущается связь с природой, к тому же существенно экономится электроэнергия. Тепло в таких зданиях сохраняется благодаря подобранным теплоизоляционным материалам стен, потолков, полов. Такие первое «солнечные» здания приобрели огромную популярность в Америке после Второй мировой войны. Впоследствии, из-за снижения цен на нефть, интерес к проектировке таких зданий несколько угас. Однако, сейчас, в связи с глобальным экологическим кризисом, наблюдается рост внимания к экологическим проектам с возобновляющимся энергетическим системам возросла вновь.
Активные системы использования солнечной энергии
В основе активных систем использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы. Коллектор, поглощая солнечную энергию , преобразует ее в тепло, которое через теплоноситель обогревает здания, нагревает воду, может преобразовать его в электрическую энергию и т.д. Солнечные коллекторы могут применятся во всех процессах в промышленности, сельском хозяйстве, бытовых нуждах, где используется тепло.
Виды коллекторов
воздушный солнечный коллектор
Это простейший вид солнечных коллекторов. Его конструкция предельно проста и напоминает эффект обычной теплицы, которая есть на любом дачном участке. Проведите небольшой эксперимент. В зимний солнечный день положите на подоконник любой предмет так, чтобы на него падали солнечные лучи и через некоторое время положите на него ладонь. Вы почувствуете, что этот предмет стал теплым. А за окном может быть — 20! Вот на этом принципе и основана работа солнечного воздушного коллектора.
Основной элемент коллектора — теплоизолированная пластина, сделанная из любого материала, который хорошо проводит тепло. Пластина окрашена в темный цвет. Солнечные лучи проходят через прозрачную поверхность, нагревают пластину, а потом потоком воздуха передают тепло в помещение. Воздух проходит благодаря естественной конвенции или при помощи вентилятора, что улучшает теплопередачу.
Однако, недостаток работы этой системы в том, что требуются дополнительные расходы на работу вентилятора. Эти коллекторы работают в течении светового дня, поэтому не могут заменить основной источник отопления. Однако, если вмонтировать коллектор в основной источник отопления или вентиляции, его КПД несоизмеримо возрастает. Солнечные воздушные коллекторы могут использоваться и для опреснения морской воды, что снижает ее себестоимость до 40 евроцентов за куб м.
Солнечные коллекторы могут быть плоскими и вакуумными.
плоский солнечный коллектор
Коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечную энергию, покрытия (стекло с пониженным содержанием металла) , трубопровода и термоизолирующего слоя. Прозрачное покрытие защищает корпус от неблагоприятных климатических условий. Внутри корпуса панель поглотителя солнечной энергии (абсорбера) соединена с теплоносителем, который циркулирует по трубам. Трубопровод может быть как в виде решетки, так и в виде серпантина. Теплоноситель движется по ним от входных до выходных патрубков, постепенно нагреваясь. Панель поглотителя изготавливается из металла, хорошо проводящему тепло (алюминий, медь).
Коллектор улавливает тепло, превращая его в тепловую энергию. Такие коллекторы можно вмонтировать в крышу или расположить на крыше здания, а можно расположить их отдельно. Это придаст дизайну участка современный вид.
Вакуумный солнечный коллектор
Вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. Основным элементом коллекторов являются вакуумные трубки. Каждая из них состоит из двух стеклянных труб. Трубы изготавливают из боросиликатного стекла, причем внутренняя покрыта специальным покрытием, которое обеспечивает поглощение тепла с минимальным отражением. Из пространства между трубками выкачан воздух,. Для поддержания вакуума используется бариевый газопоглотитель. В исправном состоянии вакуумная трубка имеет серебристый цвет. Если она выглядит белой, то это значит, что вакуум исчез и трубку надо заменить.
Вакуумный коллектор состоит из комплекса вакуумных трубок (10-30) и осуществляет передачу тепла в накопительный резервуар через незамерзающую жидкость (теплоноситель). КПД вакуумных коллекторов высок:
— при облачной погоде, т.к. вакуумные трубки могут поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака
— могут работать при минусовых температурах.
Солнечные батареи.
Солнечная батарея — это набор модулей, воспринимающих и преобразующих солнечную энергию, в том числе и тепловых. Но этот термин традиционно закрепился за фитоэлектрическими преобразователями. Поэтому, говоря «солнечная батарея» подразумеваем фитоэлектрическое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую.
Солнечные батареи способны генерировать электрическую энергию постоянно или аккумулировать ее для дальнейшего использования. Впервые фотоэлектрические батареи были применены в на космических спутниках.
Достоинство солнечных батарей — максимальная простота конструкции, простой монтаж, минимальные требования к облуживанию, большой срок эксплуатации. При установке не требуют дополнительного места. Единственное условие — не затенять их в течении длительного времени и удалять пыль с рабочей поверхности. Современные солнечные батареи способны сохранять работоспособность в течении десятилетий! Трудно найти систему настолько безопасную, эффективную и с таким длительным сроком действия! Они вырабатывают энергию в течении всего светового дня, даже в пасмурную погоду.
Солнечные батареи имеют свои недостатки в применении:
— чувствительность к загрязнениям. (Если расположить батарею под углом 45 градусов, то она будет очищена дождями или снегом, тем самым не потребуется дополнительного обслуживания)
— чувствительность к высокой температуре. (Да, при нагреве до 100 — 125 градусов солнечная батарея может даже отключиться и может потребоваться система охлаждения. Вентиляционная систстема при этом затратит малую долю вырабатываемой батареей энергии. В современных конструкциях солнечных батарей предусмотрена система оттока горячего воздуха.)
— высокая цена. (Принимая во внимание длительный срок службы солнечных батарей, то она не только окупит затраты на ее приобретение, но и сэкономит средства при потреблении электроэнергии, сэкономит тонны традиционных видов топлива при том экологически безопасна)
Использование солнечных энергетических систем в строительстве.
В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах. Эти здания используют тихий, надежный и безопасный источник энергии — Солнце. Солнечная энергия используется для освещения, отопления помещений, охлаждения воздуха, вентиляции, производства электроэнергии.
Представляем несколько инновационных архитектурных проектов с использованием солнечных систем.
|
Фасад этого здания сконструирован из стекла, железа, алюминия с встроенными аккумуляторами солнечной энергии. Производимой энергии достаточно, чтобы не только обеспечить жителей дома автономным горячим водоснабжением и электричеством, но и освещать улицу 2,5 км в течении года. |
|
|
Этот дом спроектировала группа американских студентов. Проект был представлен на конкурс «Проектирование, строительство домов и эксплуатация солнечных батарей». Условия конкурса: представить архитектурный проект жилого дома при его экономической эффективности, энергосбережении и привлекательности. Авторы проекта доказали, что их проект доступен, привлекателен для потребителя, сочетает превосходный дизайн и максимальную эффективность. (перевод с сайта www.solardecathlon.gov)Использование систем солнечной энергии в мире.
Системы использования солнечной энергии совершенны и экологически безопасны. Во всем мире на них огромный спрос. Во всем мире люди начинают отказываются от использования традиционных видов топлива из-за роста цен на газ и нефть. Так, в Германии в 2004г. 47% домов имели солнечные коллекторы для нагрева воды.
Во многих странах мира разработаны государственные программы развития использования солнечной энергии . В Германии это программа «100 000 солнечных крыш», в США аналогичная программа «Миллион солнечных крыш». В 1996г. архитекторы Германии, Австрии, Великобритании, Греции и др. стран разработали Европейскую хартию о солнечной энергии в строительстве и архитектуре. В Азии лидирует Китай, где на основе современных технологий внедряются системы солнечных коллекторов в строительство зданий и использование солнечной энергии в промышленности.
Факт, который говорит о многом: одним из условий вступления в Евросоюз является рост доли альтернативных источников в энергосистеме страны. В 2000г. в мире работало 60 млн кв км солнечных коллекторов, к 2010г из площадь возросла до 300 млн кв км.
Эксперты отмечают, рынок систем солнечной энергии на территории России, Украины и Белоруссии только формируется. Солнечные системы никогда не производились в больших масштабах, потому что сырьевые ресурсы были настолько дешевы, что дорогостоящее оборудование гелиосистем было не востребовано… Выпуск коллекторов, в России, например, почти полностью прекращен.
В связи с подорожанием традиционных энергоносителей, наметилось оживление интереса с применению солнечных систем. В ряде регионов этих стран, испытывающих дефицит энергоресурсов, принимаются локальные программы по использованию гелиосистем, но широкому потребительскому рынку солнечные системы практически не знакомы.
Главная причина медленного развития рынка продажи и использования солнечных систем является, во-первых, их высокая начальная стоимость, во-вторых, недостаток информации о возможностях солнечных систем, передовых технологиях их использования, о разработчиках и изготовителях гелиосистем. Все это не может дать возможности правильно оценить эффективность применения систем, работающих на солнечной энергии .
Надо иметь в виду, что солнечный коллектор — не конечная продукция. Для получения конечной продукции — тепла, электроэнергии, горячей воды — надо пройти путь от проектирования, монтажа до пуска гелиосистем. Небольшой имеющийся опыт использования солнечных коллекторов показывает, что эта работа не сложнее монтажа традиционного отопления, но экономическая эффективность значительно выше.
В Белоруссии, России, на Украине есть множество фирм, занимающиеся проектировкой и монтажом оборудования отопления, но приоритет имеют сегодня традиционные энергоносители. Развитие экономических процессов, мировой опыт использования систем солнечной энергии показывает, что будущее за альтернативными источниками энергии. На ближайшее будущее можно отметить, что гелиосистемы являются новой, практически не занятой позицией нашего рынка.
Солнечная энергия - это свет, тепло и жизнь на нашей планете, а еще солнечная энергия - главный альтернативный источник, который на несколько порядков превышает весь существующий энергетический потенциал Земли, и он в состоянии полностью обеспечить все ее энергетические потребности.
Как Солнце является нескончаемым источником тепла и света (условно), так и энергия солнечного излучения поддерживает жизнь на Земле уже не один миллион лет. Возможность обеспечивать все жизненно важные процессы Солнце имеет благодаря своему составу. В процентном соотношении оно преимущественно состоит из двух элементов: водорода (73%) и гелия (25%). Более подробно об образовании и жизненном цикле Солнца можно прочитать, например, в википедии.
Реакции термоядерного синтеза, которые происходят на Солнце сжигают водород, превращая его в гелий. Колоссальная энергия солнечных лучей, выделяющаяся во время таких процессов, излучается в космос. Кстати, ученые, пытаются повторить эти реакции на земле (реакция управляемого термоядерного синтеза, международный проект ТОКАМАК) .
Все организмы, использующие энергию солнечного света, обеспечивают с ее помощью свои процессы жизнедеятельности - солнечный свет необходим для начальной стадии процесса фотосинтеза. С ее участием происходит синтез таких веществ, как кислород и углеводороды.
Количество водорода на Солнце постепенно уменьшается и рано или поздно придет время, когда его запас на солнце будет исчерпан. Однако, в силу большого количества водорода этого не произойдет, по крайней мере, в ближайшие 5 миллиардов лет.
Каждую секунду в ядре Солнца около 4 миллионов тонн вещества преобразуются в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.
Основной приток энергии Солнца, который доходит до атмосферы Земли находится в спектральном диапазоне 0,1 4 мкм. В диапазоне 0,3 1,5-2 мкм атмосфера Земли почти прозрачна для солнечного излучения. Ультрафиолетовые волны (длина волны короче 0,3 мкм) поглощаются слоем озона, который находится на высотах 20-60 км. Рентгеновское и гамма-излучение до поверхности Земли почти не доходят.
Концентрация солнечной энергии характеризируется величиной 1367 Вт/м 2 , именуемой солнечной постоянной. Именно такой поток проходит через перпендикулярную площадку размером в 1 м 2 , если ее поместить на входе в верхний слой атмосферы Земли. При достижении этим потоком уровня моря, потери энергии уменьшают его до 1000 Вт/м 2 на экваторе. Но смена дня и ночи снижает его еще в 3 раза. Для умеренных широт, с учетом зимнего периода он составляет половину от количественного показателя максимального потока на экваторе.
Усреднённый по времени и по поверхности Земли, этот поток составляет 341 Вт/м 2 . В расчете на полную поверхность, или 1,74х10 17 Вт в расчёте на полную поверхность Земли. Таким образом, в сутки Земля на поверхности получит 4,176х10 15 кВтч энергии, большая часть которой, возвращается в космос в виде излучения.
По данным МЭА на 2015 год, мировое производство энергии составило 19099 Mtoe (эквивалент мегатонны нефти). В пересчёте на привычные киловаттчасы, эта цифра составит 6,07х10 11 кВтч в сутки.
Солнце дает земле энергии в 8 000 раз больше, чем необходимо всему человечеству. Очевидно, что перспективы применения данного вида энергии очень широки. С ее участием развивается ветро-энергетика (ветер возникает из-за разности температур), применяются фотоэлектрические преобразователи и строятся гидроаккумулирующие станции. Имеет место широкое использование солнечных батарей.
Потенциал применения солнечной энергии очень велик.
Преимущества и недостатки использования солнечной энергии
Преимущества использования солнечной энергии привели к тому, что уже сегодня мы видим ее использование в самых разных видах человеческой деятельности.
Главными преимуществами являются:
- Неисчерпаемость энергии солнца в ближайшие 4 миллиарда лет;
- Доступность данного вида энергии - именно с ним безопасно и эффективно сегодня работают и фермеры, и хозяева частных домов, и заводы-гиганты;
- Бесплатность и экологическая чистота вырабатываемой энергии;
- Перспектива развития данного источника энергии, который становится все более актуальным в силу роста цен на другие виды энергии;
- Т.к. количество ежегодно вводимого в эксплуатацию оборудования и его надежность растет, уменьшается стоимость вырабатываемого киловатт часа солнечной энергии.
К условным недостаткам солнечной энергии можно отнести:
- Основным недостатком солнечной энергии является прямая зависимость количества получаемого света и тепла от влияния таких факторов, как погода, время года или же суток. Логическим последствием в таком случае является необходимость аккумулировать энергию, что увеличивает стоимость системы;
- Для производства элементов оборудования данного предназначения применяются редкие а, следовательно, дорогостоящие элементы.
Перспективы развития солнечной энергетики
Сегодня технологии, в которых используется энергия солнечного света, находят все более широкое применение. Самые распространенные - это солнечные батареи. Фотоэлектрические элементы успешно устанавливаются на различные виды транспорта - начиная от электромобилей и заканчивая самолетами. Японцы практикуют установку их на поезда.
Успешно функционируя, одна из европейских гелиоэлектростанций обеспечивает все потребности Ватикана. Крупнейшая станция в Калифорнии, источником для которой является солнечная энергия (фото дают представления о масштабах), уже сейчас обеспечивает штат своей круглосуточной работой.
Внедрение таких технологий сталкивается с сопротивлением со стороны лидеров углеводородной отрасли - ведь альтернативные источники в энергетике могут в скором времени вытеснить их представителей с лидирующих позиций.
Если говорить о прямом преобразовании, то наибольшее распространение получили такие устройства преобразования солнечной энергии как тепловые трубы (солнечные коллекторы) и батареи солнечных фотоэлементов .
Экономика солнечной установки
При рассмотрении возможности установки солнечной электростанции основное внимание уделяют экологическим, а экономическим аспектам. Звучат они следующим образом:
- Какова стоимость солнечной установки?
- Каков срок ее окупаемости?
- Достаточное ли количество электроэнергии будет генерировать установка?
Целесообразно рассматривать небольшие электростанции мощностью до 50 кВт. Установки большей мощности применяют преимущественно на промышленных объектах.
Достаточное ли количество электроэнергии будет генерировать домашняя солнечная электростанция?
Для ответа на третий вопрос, перед началом проектирования солнечной установки определяет профиль энергопотребления дома. Его можно записать установив на объекте счетчик электроэнергии с функцией сохранения текущих параметров: напряжения сети, потребляемого тока, текущей потребляемой мощности, частоты. Через месяц, вы можете оценить свой профиль потребления со средними, максимальными и минимальными значениями параметров.
Если такой прибор отсутствует, то профиль энергопотребления можно оценить так: потребуется записать все приборы, которые могут использоваться в доме и смоделировать возможные варианты их ежедневного использования. После этого, вооружившись калькулятором, вы сможете рассчитать суточное потребление электричества и пиковые значения мощности.
Существенную роль играет регион, где расположено здание. Энергия, достигающая поверхности Земли, в зависимости от региона, может изменяться от более, чем 5 кВтч/м 2 /день до 1,5 кВтч/м 2 /день и менее.
Если максимальное потребление приходится на светлое время суток, то для обеспечения достаточности генерируемого электричества нужно разделить максимальную потребляемую мощность на мощность одной панели солнечных элементов. Тип и характеристики панелей известны из каталогов производителей. Нужно учитывать, что характеристики солнечных панелей приведены при их максимальной освещенности - поправка на региональный коэффициент обязательна. Зимний период, когда батареи покрыты снегом не учитывается.
Такой расчет не учитывает следующую особенность: В течении дня, установка будет всегда генерировать избыточное количество энергии , а ночью, по понятным причинам, генерация будет равна 0.
Аккумуляторные батареи с одной стороны увеличивают общую стоимость системы, с другой стороны, позволяют уменьшить количество панелей солнечных элементов за счет накопления энергии в периоды меньшего энергопотребления.
Для расчета банка АКБ нужно ответить на следующие вопросы:
- Предполагается ли система полностью автономной?
- В случае, если система не автономна, то какой максимальный возможный срок перерывов в электроснабжении.
Максимальное потребление в кВт часах умножается на количество часов без основного источника (нужно учитывать, что в момент отключения солнца может и не быть). На основе этих данных можно рассчитать емкость банка АКБ. Разрядка АКБ до 0 сокращает срок их службы, поэтому в расчете вводят коэффициент показателя максимального разряда, например, он может быть 50, 40 или 30 %. Чем меньше максимальный показатель разряда, тем большее количество АКБ потребуется.
Стоимость установки солнечной генерации
Основные составляющие оборудования системы распределяются по стоимости в следующем процентном соотношении (условно):
- Инвертор и система управления - 15-40%;
- Солнечные панели и MPPT контроллеры - 20-40%;
- Банк АКБ - 30%.
Стоимость солнечных панелей и АКБ будет идентична для систем всех производителей, существенные отличия имеются только в стоимости оборудования инвертора с системой управления и MPPT контроллера.
Разница в цене достигает более 200%, в зависимости от производителя. Это обусловлено не только «брендом», но и возможностями системы, например, удобство в управлении, возможность удаленного доступа, максимальная нагрузка и устойчивость к 2х-3х кратным перегрузкам, возможность частичного отключения нагрузки и т.д.
Каждое конечное техническое решение будет немного отличаться от других из-за того, что все люди используют разную бытовую технику в разное время суток. Идеальной комбинации оборудования, даже на заданную мощность не существует.
В качестве ориентировочной стоимости функциональной солнечной установки в загородный дом с учетом резервирования части мощности можно грубо ориентироваться на цифры 700-1800 USD/кВт в зависимости от производителя оборудования.
Сроки окупаемости установки солнечной генерации
Если хозяева условно выезжают на дачу только на выходные, и при этом в доме отсутствуют потребители, которые работают ежедневно, то, скорее всего, система будет окупаться не менее 10-15 лет, при текущих тарифах на электроэнергию.
При постоянном проживании, сроки окупаемости сократятся до 6-10 лет.
Положительная сторона медали - собственник такого дома получает стабильный источник электроснабжения и не зависит от обрывов ЛЭП или перепада мощностей. Все сидят без света, а вы - со светом, охранные системы функционируют, не нужно вручную открывать гараж и т.п.
Можно предположить, что развитие частного электротранспорта позволит сократить срок окупаемости солнечной установки для домохозяйств. Владелец такого автомобиля будет бесплатно «заправлять» его от собственной крыши .
Срок окупаемости зависит от полноты использования электроэнергии. Если сооружение использует 100% от генерации и при этом подключено к центральной сети электроснабжения, то в общем случае, отсутствует необходимость установки банка АКБ. Расчетный срок полной окупаемости такой установки составит 3-5 лет, а в жарких регионах еще меньше.
Дополнительная выгода образуется из-за того, что днем владелец НЕ ПЛАТИТ по дневному тарифу, а ночью ПЛАТИТ по ночному.
Такими быстро окупаемыми объектами могут быть любые энергозатратные производства с пустой плоской крышей, торгово-развлекательные и спортивные центры и паркинги при них, холодильные комплексы и т.п.
Удивительно, но подобные решения, позволяющие существенно снизить эксплуатационные затраты, до сих пор никак не используется владельцами объектов недвижимости.
В обозримом будущем, с развитием солнечной энергетики, все большее число владельцев зданий станут использовать чистую энергию взамен углеводородного сырья.
Подробности Опубликовано 08.07.2015 15:28Что принято называть солнечной энергией? Это энергия, производимая солнцем в виде света и тепла. Кроме того, существуют вторичные виды солнечной энергии, такие как энергия ветра и волн. Все названые виды энергии составляют большую часть возобновляемой энергии Земли.
Земля получает 174 петаватт (PW) солнечной радиации в верхних слоях атмосферы. 30% отражается обратно в космос, а остальная часть поглощается облаками, океанами и сушей. Поверхность земли, океаны и атмосфера поглощают солнечное излучение , что повышает их температуру. Теплый воздух, содержащий воду из океанов, поднимается вверх, вызывая конвекцию. Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака и вызывает дождь. Скрытая теплота конденсации воды увеличивает конвекцию, производя ветер. Энергия поглощается океанами и сушей, сохраняя поверхность при средней температуре около 14 C.
Зеленые растения преобразовывают солнечную энергию в химическую энергию посредством фотосинтеза. Производство наших продовольственных товаров полностью зависит от солнечной энергии. После своей жизни растения умирают и распадаются в Земле, так солнечная энергия обеспечивает биомассу, которая создала ископаемые виды топлива, которые мы знаем.
Способы использования солнечной энергии
Люди используют солнечную энергию в самых разных формах: для отопления и охлаждения помещений, производства питьевой воды дистилляции, дезинфекции, освещения, производства горячей воды и приготовления пищи. Способы использования солнечной энергии ограничены только человеческой изобретательностью.
Солнечные технологии бывают пассивными или активными, в зависимости от способа захвата энергии, которая затем преобразуется, и распространятся.
Активные солнечные технологии
К активным солнечным технологиям относят фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы.
Пассивные солнечные технологии
Пассивные методы включают ориентацию здание к Солнцу, чтобы получать максимальное количество дневного света и тепла, а также выбор материалов с нужными тепловыми свойствами.
Наша нынешняя зависимость от ископаемого топлива медленно заменяется альтернативными источниками энергии. Некоторые виды топлива, в конечном итоге могут стать бесполезным, но солнечная энергия никогда не устареет, не будет контролироваться иностранными державами, и не закончится. Солнце использует собственные запасы водорода, оно будет производить полезную энергию, пока не взорвется. Задачей, стоящей перед людьми, является захват этой энергии, пока что самым простым способом это сделать, остается использование ископаемого топлива.
На сегодняшний день проблема расхода энергии стоит достаточно остро - ресурсы планеты не бесконечны и за время своего существования человечество изрядно опустошило то, что было дано природой. На данный момент активно проводится добыча угля и нефти, запасы которых с каждым днем становятся все меньше. позволила человечеству сделать невероятный шаг в будущее и использовать атомную энергию, привнеся вместе с этим благом огромную опасность для всей окружающей среды.
Не менее остро стоит вопрос экологический - активная добыча ресурсов и их дальнейшее использование пагубно сказывается на состоянии планеты, изменяя не только природу почв, но даже климатические условия.
Именно поэтому особенное внимание всегда уделялось естественным источникам энергии, таким, к примеру, как вода или ветер. Наконец, спустя столько лет активных исследований и разработок человечество «доросло» до использования энергии Солнца на Земле. Именно о нем и пойдет далее речь.
Что в этом привлекательного
Прежде чем переходить к конкретным примерам, выясним, чем же так сильно заинтересовал этот вид добычи энергии исследователей всего мира. Основным его достоянием можно назвать неисчерпаемость. Несмотря на многочисленные гипотезы, вероятность того, что звезда вроде Солнца погаснет в ближайшее время, крайне мала. Значит, перед человечеством открыта возможность получать чистую энергию совершенно естественным путем.
Второе несомненное преимущество использования энергии Солнца на Земле заключается в экологичности этого варианта. Воздействие на окружающую среду при таких условиях будет нулевым, что в свою очередь обеспечивает всему миру куда более светлое будущее, нежели то, которое открывается при постоянной добыче ограниченных подземных ресурсов.
Наконец, следует уделить отдельное внимание тому факту, что Солнца представляет наименьшую опасность для самого человека.
Как на самом деле
Теперь перейдем к сути. Под несколько поэтичным названием «солнечная энергия» скрывается на самом деле преобразование радиации в электричество при помощи специально разработанных технологий. Данный процесс обеспечивают фотоэлектрические элементы, которые человечество чрезвычайно активно использует в своих целях, причем достаточно успешно.
Солнечная радиация
Так уж сложилось исторически, что существительное «радиация» вызывает у человека скорее негативные ассоциации, нежели позитивные в связи с теми техногенными катастрофами, которые миру удалось пережить на своем веку. Тем не менее технология использования энергии Солнца на Земле предусматривает работу именно с ней.
По сути, данный вид радиации представляет собой электромагнитное излучение, диапазон которого находится в промежутке от 2,8 до 3,0 мкм.
Столь успешно используемый человечеством солнечный спектр состоит на самом деле из трех видов волн: ультрафиолетовых (примерно 2%), примерно 49% составляют световые волны и, наконец, еще столько же приходится на Солнечная энергия имеет небольшое количество других составляющих, однако роль их столь незначительна, что особого воздействия на жизнь Земли они не имеют.
Количество солнечной энергии, попадающей на Землю
Теперь, когда состав используемого на благо человечества спектра определен, следует отметить еще одну важную особенность данного ресурса. Использование солнечной энергии на Земле кажется весьма перспективным еще и потому, что она доступна в довольно большом количестве при практически минимальных затратах на переработку. Общее количество излучаемой звездой энергии чрезвычайно велико, однако до поверхности Земли доходит примерно 47%, что равно семистам квадриллионам киловатт-часов. Для сравнения отметим, что всего один киловатт-час сможет обеспечить десятилетнюю работу лампочки мощностью в сто ватт.
Мощность излучения Солнца и использование энергии на Земле, конечно, зависит от целого ряда факторов: климатических условий, угла падения лучей на поверхность, времени года и географического положения.
Когда и сколько
Несложно догадаться, что суточное количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, постоянно меняется, поскольку напрямую зависит от положения планеты по отношению к Солнцу и движения самого светила. Давно известен тот факт, что в полдень излучение максимально, в то время как утром и вечером количество достигающих поверхности лучей значительно меньше.
С уверенностью можно говорить о том, что использование энергии Солнца будет наиболее продуктивно в регионах, максимально приближенных к экваториальной полосе, поскольку именно там разница между высшими и низшими показателями минимальна, что говорит о максимальном количестве радиации, достигающей поверхности планеты. К примеру, на территории пустынных африканских участков годовое количество излучения достигает в среднем 2200 киловатт-часов, в то время как на территории Канады или, к примеру, Центральной Европы показатели не превышают 1000 киловатт-часов.
Солнечная энергетика в истории
Если мыслить максимально широко, попытки «приручить» великое светило, согревающее нашу планету, начались еще в глубокой древности во времена язычества, когда каждая стихия была воплощена отдельным божеством. Однако, конечно, тогда об использовании солнечной энергии даже речи быть не могло - в мире царила магия.
Тема использования энергии Солнца на Земле стала активно подниматься только в конце XIV - начале ХХ века. Настоящий прорыв в науке был совершен в 1839 году Александром Эдмоном Беккерелем, которому удалось стать первооткрывателем фотогальванического эффекта. Изучение данной темы значительно усилилось, и уже через 44 года Чарльз Фриттс смог сконструировать первый в истории модуль, в основе которого был позолоченный селен. Такое использование энергии Солнца на Земле давало небольшое количество высвобождаемого электричества - общее количество выработки тогда составило не более 1%. Тем не менее для всего человечества это стало настоящим прорывом, открывшим новые горизонты науки, о которых ранее не приходилось даже мечтать.
Весомый вклад в развитие солнечной энергетики внес в свое время сам Альберт Эйнштейн. В современном мире имя ученого чаще связывают с его знаменитой теорией относительности, однако на самом деле Нобелевской премии он был удостоен именно за изучение
До наших дней технология использования энергии Солнца на Земле переживает то стремительные взлеты, то не менее стремительные падения, однако эта отрасль знаний постоянно пополняется новыми фактами, и можно надеяться, что уже в обозримом будущем перед нами откроется дверь в совершенно новый мир.
Природа против нас
О достоинствах использования энергии Солнца на Земле мы уже говорили. Теперь обратим внимание на недостатки данного метода, которых, к сожалению, не меньше.
Из-за прямой зависимости от географического положения, климатических условий и движения Солнца выработка солнечной энергии в достаточном количестве требует огромных территориальных затрат. Суть заключается в том, что чем больше будет площадь потребления и переработки солнечной радиации, тем большее количество экологически чистой энергии мы получим на выходе. Размещение же таких огромных систем требует большого количества свободной площади, что вызывает определенные затруднения.
Еще одна проблема, касающаяся использования энергии Солнца на Земле, заключается в прямой зависимости от времени суток, поскольку выработка ночью будет нулевой, а в утреннее и вечернее время крайне незначительной.
Дополнительным фактором риска является сама погода - резкие смены условий могут крайне негативно сказаться на работе такого рода системы, поскольку вызывают затруднения в отладке необходимой мощности. В некотором смысле ситуации с резкой сменой количества поглощения и выработки могут быть опасными.
Чисто, но дорого
Использование солнечной энергии на Земле затруднительно на данный момент из-за ее дороговизны. Фотоэлементы, необходимые для осуществления основных процессов, имеют достаточно высокую стоимость. Конечно, положительные стороны использования такого рода ресурса делают его окупаемым, однако с экономической точки зрения на данный момент не приходится говорить о полной окупаемости денежных затрат.
Тем не менее, как показывает тенденция, цена на фотоэлементы постепенно падает, так что со временем данная проблема может быть полностью решена.
Неудобство процесса
Использование Солнца как источника энергии представляет затруднение еще и потому, что данный способ обработки ресурсов довольно трудоемок и неудобен. Потребление и переработка радиации напрямую зависят от чистоты пластин, которую обеспечить довольно проблематично. Кроме того, крайне негативно на процессе сказывается и нагревание элементов, которое можно предотвратить только использованием мощнейших систем охлаждения, что требует дополнительных материальных затрат, причем немалых.
Кроме того, пластины, используемые в гелиоколлекторах, после 30 лет активной работы постепенно приходят в негодность, а о стоимости фотоэлементов говорилось ранее.
Экологический вопрос
Ранее говорилось, что использование такого рода ресурса сможет избавить человечество от достаточно серьезных проблем с окружающей средой в будущем. Источник ресурсов и конечный продукт действительно экологически максимально чисты.
Тем не менее использование энергии Солнца, принцип работы гелиоколлекторов заключается в применении специальных пластин с фотоэлементами, для изготовления которых требуется масса ядовитых веществ: свинца, мышьяка или калия. Само их использование вреда окружающей среде не приносит, однако, учитывая ограниченный срок их эксплуатации, со временем утилизация пластин может стать серьезной проблемой.
Для ограничения негативного воздействия на экологию производители постепенно переходят на тонкопленочные пластины, которые имеют более низкую стоимость и менее пагубно сказываются на окружающей среде.
Способы преобразования радиации в энергию
Фильмы и книги о будущем человечества дают нам почти всегда примерно одинаковую картину данного процесса, которая, по сути, может существенно отличаться от действительности. Существует несколько способов преобразования.
Самым распространенным можно назвать уже описанное ранее задействование фотоэлементов.
В качестве альтернативы человечество активно использует гелиотермальную энергетику, основанную на нагреве специальных поверхностей, который позволяет при должном направлении полученной температуры нагревать воду. Если упростить данный процесс максимально, его можно сравнить с баками, которые используются для летнего душа в домах частного сектора.
Еще одним способом применения излучения для выработки энергии является «солнечный парус», который может действовать только в Такого рода система преобразует радиацию в
Проблема отсутствия выработки в ночное время суток частично решается солнечными аэростатными электростанциями, работа которых продолжается благодаря аккумуляции выделяемой энергии и длительности процесса остывания.
Мы и солнечная энергия
Ресурсы энергии солнца и ветра на Земле используются довольно активно, хотя мы часто и не замечаем этого. Ранее уже упоминалось простонародное нагревание воды в летнем душе. По сути, чаще всего солнечная энергия используется именно для этих целей. Тем не менее есть масса других примеров: почти в каждом магазине осветительной техники можно найти накопительные лампочки, которые могут работать без электрического тока даже ночью благодаря энергии, аккумулированной за день.
Установки на основе фотоэлементов активно используются на всевозможных насосных станциях и вентиляционных системах.
Вчера, сегодня, завтра
Один из важнейших ресурсов для человечества - солнечная энергия, и перспективы ее использования чрезвычайно велики. Данная отрасль активно финансируется, расширяется и совершенствуется. Сейчас солнечная энергетика максимально развита в США, где некоторые регионы используют ее как полноценный альтернативный источник питания. Так же электростанции такого типа работают в Другие же страны давно взяли курс на данный вид получения электроэнергии, что в скором времени, возможно, решит проблему загрязнения окружающей среды.
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.
