Солнечные источники электрической энергии. Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

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

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.

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.

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.

Солнце - неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый источник энергии. Как заявляют эксперты, количество солнечной энергии, которая поступает на поверхность Земли в течение недели, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана 1 . По мнению академика Ж.И. Алферова, «человечество имеет надежный естественный термоядерный реактор - Солнце. Оно является звездой класса «Ж-2», очень средней, каких в Галактике до 150 миллиардов. Но это - наша звезда, и она посылает на Землю огромные мощности, преобразование которых позволяет удовлетворять практически любые энергетические запросы человечества на многие сотни лет». Причем, солнечная энергетика является «чистой» и не оказывает отрицательного влияния на экологию планеты 2 .

Немаловажным моментом является тот факт, что сырьем для изготовления солнечных батарей является один из самых часто встречающихся элементов - кремний. В земной коре кремний - второй элемент после кислорода (29,5% по массе) 3 . По мнению многих ученых, кремний - это «нефть двадцать первого века»: в течение 30 лет один килограмм кремния в фотоэлектрической станции вырабатывает столько электричества, сколько 75 тонн нефти на тепловой электростанции.

Однако некоторые эксперты полагают, что солнечную энергетику нельзя назвать экологически безопасной ввиду того, что производство чистого кремния для фотобатарей является весьма «грязным» и очень энергозатратным производством. Наряду с этим, строительство солнечных электростанций требует отведения обширных земель, сравнимых по площади с водохранилищами ГЭС. Еще одним недостатком солнечной энергетики, по мнению специалистов, является высокая волатильность. Обеспечение эффективной работы энергосистемы, элементами которых являюстя солнечные электростанции, возможно при условии:
- наличия значительных резервных мощностей, использующих традиционные энергоносители, которые можно подключить ночью или в пасмурные дни;
- проведения масштабной и дорогостоящей модернизации электросетей 4 .

Несмотря на указанный недостаток, солнечная энергетика продолжает свое развитие в мире. Прежде всего, ввиду того, что лучистая энергия будет дешеветь и уже через несколько лет составит весомую конкуренцию нефти и газу.

В настоящий момент в мире существуют фотоэлектрические установки , преобразующие солнечную энергию в электрическую на основе метода прямого преобразования, и термодинамические установки , в которых солнечная энергия сначала преобразуется в тепло, затем в термодинамическом цикле тепловой машины преобразуется в механическую энергию, а в генераторе преобразуется в электрическую.

Солнечные элементы как источник энергии могут применяться:
- в промышленности (авиапромышленность, автомобилестроение и т.п.),
- в сельском хозяйстве,
- в бытовой сфере,
- в строительной сфере (например, эко-дома),
- на солнечных электростанциях,
- в автономных системах видеонаблюдения,
- в автономных системах освещения,
- в космической отрасли.

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.
Ввиду расположения России (между 41 и 82 градусами северной широты) уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м 2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м 2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м 2 , а в июле - 11,41 кВт-час/м 2 в день.

Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиации южных регионов. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВТ-час/м 2 , тогда как в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) данный показатель равен 1290 кВт-час/м 2 . 5

В настоящее время Россия обладает передовыми технологиями по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Есть ряд предприятий и организаций, которые разработали и совершенствуют технологии фотоэлектрических преобразователей: как на кремниевых, так и на многопереходных структурах. Есть ряд разработок использования концентрирующих систем для солнечных электростанций.

Законодательная база в сфере поддержки развития солнечной энергетики в России находится в зачаточном состоянии. Однако первые шаги уже сделаны:
- 3 июля 2008г.: Постановление Правительства №426 «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования возобновляемых источников энергии»;
- 8 января 2009г.: Распоряжение Правительства РФ N 1-р «Об Основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.»

Были утверждены целевые показатели по увеличению к 2015 и 2020 годам доли ВИЭ в общем уровне российского энергобаланса до 2,5% и 4,5% соответственно 6 .

По разным оценкам, на данный момент в России суммарный объем введенных мощностей солнечной генерации составляет не более 5 МВт, большая часть из которых приходится на домохозяйства. Самым крупным промышленным объектом в российской солнечной энергетике является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт (для сравнения, самая крупнейшая солнечная электростанция в мире располагается в Канаде мощностью 80000 кВт).

В настоящий момент в России реализуется два проекта: строительство солнечных парков в Ставропольском крае (мощность - 12 МВТ), и в Республике Дагестан (10 МВт) 7 . Несмотря на отсутствие поддержки возобновляемой энергетики, ряд компаний реализует мелкие проекты в сфере солнечной энергетике. К примеру, «Сахаэнерго» установило маленькую станцию в Якутии мощностью 10 кВт.

Существуют маленькие установки в Москве: в Леонтьевском переулке и на Мичуринском проспекте подъезды и дворы нескольких домов освещаются с помощью солнечных модулей, что сократило расходы на освещение на 25%. На Тимирязевской улице солнечные батареи установлены на крыше одной из автобусных остановок, которые обеспечивают работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi.

Развитие солнечной энергетики в России обусловлено рядом факторов:

1) климатические условия: данный фактор влияет не только на год достижения сетевого паритета, но и на выбор той технологии солнечной установки, которая наилучшим образом подходит для конкретного региона;

2) государственная поддержка: наличие законодательно установленных экономических стимулов солнечной энергетики оказывает решающее значение на
ее развитие. Среди видов государственной поддержки, успешно применяющихся в ряде стран Европы и США, можно выделить: льготный тариф для солнечные электростанции, субсидии на строительство солнечных электростанций, различные варианты налоговых льгот, компенсация части расходов по обслуживанию кредитов на приобретение солнечных установок;

3) стоимость СФЭУ (солнечные фотоэлектрические установки): сегодня солнечные электростанции являются одной из наиболее дорогих используемых технологий производства электроэнергии. Однако по мере снижения стоимости 1 кВт*ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится конкурентоспособной. От снижения стоимости 1Вт установленной мощности СФЭУ (~3000$ в 2010 году) зависит спрос на СФЭУ. Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических затрат и снижения рентабельности производства (влияние конкуренции). Потенциал снижения стоимости 1 кВт мощности зависит от технологии и лежит в диапазоне от 5% до 15% в год;

4) экологические нормы: на рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение экологических норм (ограничений и штрафов) вследствие возможного пересмотра Киотского протокола. Совершенствование механизмов продажи квот на выбросы может дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ;

5) баланс спроса и предложения электроэнергии: реализация существующих амбициозных планов по строительству и реконструкции генерирующих и электросетевых
мощностей компаний, выделившихся из РАО «ЕЭС России» в ходе реформы отрасли, существенно увеличит предложение электроэнергии и может усилить давление на цену
на оптовом рынке. Однако выбытие старых мощностей и одновременное повышение спроса повлечет за собой увеличение цены;

6) наличие проблем с технологическим присоединением: задержки с выполнением заявок на технологическое присоединение к централизованной системе электроснабжения являются стимулом к переходу к альтернативным источникам энергии, в том числе к СФЭУ. Такие задержки определяются как объективной нехваткой мощностей, так и неэффективностью организации технологического присоединения сетевыми компаниями или недостатком финансирования технологического присоединения из тарифа;

7) инициативы местных властей: региональные и муниципальные органы управления могут реализовывать собственные программы по развитию солнечной энергетики или, более широко, возобновляемых/нетрадиционных источников энергии. Сегодня такие программы уже реализуются в Красноярском и Краснодарском краях, Республике Бурятия и др.;

8) развитие собственного производства: российское производство СФЭУ может оказать положительное влияние на развитие российского потребления солнечной энергетики. Во-первых, благодаря собственному производству усиливается общая осведомленность населения о наличии солнечных технологий и их популярность. Во-вторых, снижается стоимость СФЭУ для конечных потребителей за счет снижения промежуточных звеньев дистрибьюторской цепи и за счет снижения транспортной составляющей 8 .

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.

Общие сведения о Солнце

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

Характеристики Солнца

• Масса MS~2*1023 кг
• RS~629 тыс. км
• V= 1,41*1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
• средняя плотность 1,41*103 кг/м3,
• светимость LS=3,86*1023 кВт,
• эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,
• период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
• ускорение свободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

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.

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.

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 1,1x1020 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 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) 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.

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 0ºC до точки кипения 1000 м 3 воды.

Потенциал солнечной энергии

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

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

Солнце является одним из возобновляемых альтернативных источников энергии. На сегодняшний день альтернативные источники тепла широко используют в аграрном хозяйстве и в бытовых нуждах населения.

Использование энергии солнца на земле играет важную роль в жизни человека. При помощи своего тепла солнце, как источник энергии, нагревает всю поверхность нашей планеты. Благодаря его тепловой мощности дуют ветра, нагреваются моря, реки, озера, существует все живое на земле.

Возобновляемые источники тепла, люди начали использовать еще много лет назад, когда современных технологий еще не существовало. Солнце является самым доступным на сегодняшний день поставщиком тепловой энергии на земле.

Сферы использования солнечной энергии

С каждым годом применение энергии солнца набирает все больше популярности. Еще несколько лет назад ее применяли в целях подогрева воды для дачных домов, летних душей, а сейчас возобновляемые источники тепла применяют для выработки электричества и горячего водоснабжения жилых домов и промышленных объектов.

На сегодняшний день возобновляемые источники тепла используют в следующих сферах:

• в аграрном хозяйстве, в целях электрообеспечения и отопления парников, ангаров и других построек;
• для электроснабжения спортивных объектов и медицинских учреждений;
• в сфере авиационной и космической промышленности;
• в освещении улиц, парков, а также других городских объектов;
• для электрификации населенных пунктов;
• для отопления, электроснабжения и горячего водоснабжения жилых домов;
• для бытовых нужд.

Особенности применения

Свет, который излучает солнце на земле, при помощи пассивных, а также активных систем превращается в тепловую энергию. К пассивным системам относятся здания, при строительстве которых применяют такие стройматериалы, которые наиболее эффективно поглощают энергию солнечной радиации. В свою очередь, к активным системам относятся коллекторы, преобразовывающие солнечную радиацию в энергию, а также фотоэлементы, конвертирующие ее в электричество. Рассмотрим подробнее как правильно использовать возобновляемые источники тепла.

Пассивные системы

К таким системам относят солнечные здания. Это здания, построенные с учетом всех особенностей местной климатической зоны. Для их возведения применяют такие материалы, которые дают возможность максимально использовать всю тепловую энергию для обогрева, охлаждения, освещения жилых и промышленных помещений. К ним относят следующие строительные технологии и материалы: изоляцию, деревянные полы, поглощающие свет поверхности, а также ориентацию здания на юг.

Такие солнечные системы позволяют осуществить максимальное использование солнечной энергии, к тому же они быстро окупают расходы на их возведение за счет снижения энергозатрат. Они являются экологически чистыми, а также позволяют создать энергетическую независимость. Именно из-за этого использование таких технологий очень перспективно.

Активные системы

К этой группе относят коллекторы, аккумуляторы, насосы, трубопроводы для теплоснабжения и горячего водоснабжения в быту. Первые устанавливают непосредственно на крышах домов, а остальные располагают в подвальных помещениях, чтоб использовать их для горячего водоснабжения и теплоснабжения.

Солнечные фотоэлементы

Чтоб более эффективно реализовывать всю солнечную энергию применяют такие источники энергии солнца, как фотоэлементы, или как их еще называют - солнечные элементы. На своей поверхности они имеют полупроводники, которые, при воздействии на них лучей солнца, начинают двигаться, и тем самым вырабатывают электроток. Такой принцип выработки тока не содержит никаких химических реакций, что позволяет фотоэлементам работать достаточно долго.

Такие фотоэлектрические преобразователи как источники энергии солнца легко использовать, так как они имеют небольшой вес, просты в обслуживании, а также являются очень эффективными в использовании солнечной мощности.

На сегодняшний день солнечные батареи, как источник энергии солнца на земле, используют для выработки горячего водоснабжения, отопления и для производства электричества в теплых странах, таких как Турция, Египет и страны Азии. В нашем регионе солнце источник энергии применяют для снабжения электричеством автономных систем электропитания, маломощной электроники и приводов самолетов.

Солнечные коллекторы

Использование солнечной энергии коллекторами заключается в том, что они преобразовывают радиацию в тепло. Их разделяют на следующие основные группы:

• Плоские солнечные коллекторы. Являются самыми распространенными. Их удобно использовать для бытовых отопительных нужд, а также при подогреве воды для горячего водоснабжения;
• Вакуумные коллекторы. Их используют для бытовых нужд, когда необходима вода высокой температуры. Они состоят из нескольких стеклянных трубок, проходя через которые лучи солнца нагревают их, а они, в свою очередь, отдают тепло воде;
• Воздушные солнечные коллекторы. Их используют для воздушного отопления, рекуперации воздушных масс и для осушительных установок;
• Интегрированные коллекторы. Самые простые модели. Их используют для предварительного подогрева воды, например, для газовых котлов. В быту подогретая вода собирается в специальном баке - накопители и далее используется для различных нужд.

Использование энергии солнца коллекторами осуществляется путем накапливания ее в так называемых модулях. Они устанавливаются на крыше зданий и состоят из стеклянных трубок и пластин, которые, в целях поглощения большего объема солнечного света, окрашивают в черный цвет.

Солнечные коллекторы используют для подогрева воды для горячего водоснабжения и отопления жилых домов.

Преимущества солнечных установок

• они полностью бесплатны и неисчерпаемы;
• имеют полную безопасность в использовании;
• автономны;
• экономичны, так как расход средств осуществляется только лишь на приобретение оборудования для установок;
• их использование гарантирует отсутствие скачков напряжения, а также стабильность в электроснабжении;
• долговечны;
• просты в использовании и в обслуживании.

Использование солнечной энергии при помощи таких установок с каждым годом набирает популярности. Солнечные батареи дают возможность сэкономить не малые деньги на отоплении и горячем водоснабжении, к тому же они являются экологически чистыми и не наносят урон здоровью человека.

Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

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.

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.

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.

Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».

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.

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.

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.

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.

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.

• 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 . Их преимуществом является малая толщина, а недостатком – сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.

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.

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.