Fuentes solares de energía eléctrica. El principio de conversión de energía solar, su aplicación y perspectivas.

Sin energía, la vida en el planeta es imposible. La ley física de la conservación de la energía dice que la energía no puede surgir de la nada y no desaparece sin dejar rastro. Puede obtenerse de recursos naturales como el carbón, el gas natural o el uranio y convertirse en formas utilizables, como el calor o la luz. En el mundo que nos rodea podemos encontrar diversas formas almacenamiento de energía, pero lo más importante para una persona es la energía que dan los rayos del sol: la energía solar.

energía solar se refiere a fuentes de energía renovables, es decir, se restaura sin intervención humana, de forma natural. Es una de las fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente que no contamina ambiente. Posibilidades de aplicación energía solar prácticamente ilimitado y los científicos de todo el mundo están trabajando para desarrollar sistemas que amplíen las posibilidades de uso energía solar.

Un metro cuadrado del Sol emite 62.900 kW de energía. Esto corresponde aproximadamente a la potencia de 1 millón de lámparas eléctricas. Tal cifra es impresionante: el Sol le da a la Tierra 80 mil billones de kW cada segundo, es decir, varias veces más que todas las centrales eléctricas del mundo. Antes ciencia moderna la tarea es aprender a usar la energía solar de la manera más completa y eficiente, como la más segura. Los científicos creen que el uso ubicuo energía solar es el futuro de la humanidad.

Las reservas mundiales de depósitos abiertos de carbón y gas, al ritmo actual de uso, deberían agotarse en los próximos 100 años. Se ha calculado que en los depósitos aún inexplorados, las reservas de minerales combustibles serían suficientes para 2-3 siglos. Pero al mismo tiempo, nuestros descendientes se verían privados de estos portadores de energía y los productos de su combustión causarían un enorme daño al medio ambiente.

La energía atómica tiene un enorme potencial. Sin embargo, el accidente de Chernóbil en abril de 1986 demostró las graves consecuencias que puede tener el uso de la energía nuclear. El público de todo el mundo ha reconocido que el uso de la energía atómica con fines pacíficos está económicamente justificado, pero se deben observar las más estrictas medidas de seguridad al utilizarla.

Por lo tanto, ¡la fuente de energía más limpia y segura es el Sol!

energía solar se puede convertir en energía útil mediante el uso de sistemas de energía solar activa y pasiva.

Sistemas pasivos de energía solar.

La forma más primitiva de uso pasivo. energía solar- está teñido color oscuro contenedor de agua. color oscuro, acumulando energía solar, lo convierte en calor - el agua se calienta.

Sin embargo, existen métodos más avanzados de uso pasivo. energía solar. Se han desarrollado tecnologías de construcción que, al diseñar edificios, teniendo en cuenta las condiciones climáticas y seleccionando los materiales de construcción, aprovechan al máximo energía solar para calefacción o refrigeración, iluminación de edificios. Con tal diseño, la estructura del edificio en sí es un colector, acumulando energía solar.

Entonces, en el año 100 dC, Plinio el Joven construyó una pequeña casa en el norte de Italia. En una de las habitaciones las ventanas son de mica. Resultó que esta habitación era más cálida que las otras y necesitaba menos leña para calentarla. En este caso, la mica actuaba como aislante que retenía el calor.

Los diseños de edificios modernos tienen en cuenta la ubicación geográfica de los edificios. Asi que, un gran número de Las ventanas orientadas al sur se proporcionan en las regiones del norte para permitir la entrada de más luz solar y calor, y limitan la cantidad de ventanas en los lados este y oeste para limitar la luz solar en el verano. En dichos edificios, la orientación y ubicación de las ventanas, la carga térmica y el aislamiento térmico son un sistema de diseño único en el diseño.

Dichos edificios son ecológicos, energéticamente independientes y cómodos. Hay mucha luz natural en las habitaciones, se siente más una conexión con la naturaleza y también se ahorra significativamente electricidad. El calor en tales edificios se retiene debido a los materiales aislantes térmicos seleccionados de paredes, techos y pisos. Estos primeros edificios "solares" ganaron una inmensa popularidad en Estados Unidos después de la Segunda Guerra Mundial. Posteriormente, debido a la caída de los precios del petróleo, el interés en el diseño de tales edificios se desvaneció un poco. Sin embargo, ahora, debido a la crisis ambiental mundial, ha habido un aumento en la atención a los proyectos ambientales con sistemas de energía renovable aumentado nuevamente.

Sistemas de Energía Solar Activa

En el corazón de los sistemas de uso activo energía solar Se utilizan colectores solares. Colector, absorbente energía solar, lo convierte en calor, que calienta los edificios a través del refrigerante, calienta el agua, puede convertirlo en energía eléctrica, etc. Los colectores solares se pueden utilizar en todos los procesos de la industria, la agricultura, las necesidades domésticas, donde se utiliza el calor.

tipos de coleccionistas

eso la forma mas simple colectores solares. Su diseño es extremadamente simple y se asemeja al efecto de un invernadero ordinario, que se encuentra en cualquier área suburbana. Haz un pequeño experimento. En un día soleado de invierno, coloque cualquier objeto en el alféizar de la ventana para que los rayos del sol caigan sobre él y, después de un tiempo, coloque la palma de la mano sobre él. Sentirás que este objeto se ha calentado. Y fuera de la ventana puede ser - ¡20! En este principio se basa el trabajo de un colector solar de aire.

El elemento principal del colector es una placa termoaislante hecha de cualquier material que conduzca bien el calor. La placa está pintada en color oscuro. Los rayos del sol atraviesan la superficie transparente, calientan la placa y luego transfieren calor a la habitación con un flujo de aire. El aire pasa por convención natural o por medio de un ventilador, lo que mejora la transferencia de calor.

Sin embargo, la desventaja de este sistema es que se requieren costos adicionales para la operación del ventilador. Estos colectores funcionan durante el día, por lo que no pueden reemplazar la fuente principal de calefacción. Sin embargo, si monta el colector en la fuente principal de calefacción o ventilación, su eficiencia aumenta de manera desproporcionada. Los colectores solares de aire también se pueden utilizar para la desalinización. agua de mar, que reduce su coste a 40 céntimos de euro el metro cúbico.

Los colectores solares pueden ser planos y de vacío.

El colector consta de un elemento que absorbe la energía solar, un revestimiento (vidrio con contenido reducido metal), tubería y capa termoaislante. Un revestimiento transparente protege la carcasa de las condiciones climáticas adversas. Dentro de la caja, el panel del absorbedor de energía solar (absorber) está conectado al refrigerante, que circula por las tuberías. La tubería puede tener forma de celosía o de serpentina. El refrigerante se mueve a través de ellos desde la entrada hasta las tuberías de salida, calentándose gradualmente. El panel absorbente está hecho de un metal que conduce bien el calor (aluminio, cobre).

El colector capta el calor, convirtiéndolo en energía térmica. Dichos colectores pueden montarse en el techo o colocarse en el techo del edificio, o pueden colocarse por separado. Esto le dará al diseño del sitio un aspecto moderno.

Colector solar de vacío

Los colectores de vacío se pueden utilizar durante todo el año. El elemento principal de los colectores son los tubos de vacío. Cada uno de ellos consta de dos tubos de vidrio. Los tubos están hechos de vidrio de borosilicato y el interior está revestido con un revestimiento especial que proporciona absorción de calor con un mínimo de reflexión. El aire se bombea fuera del espacio entre los tubos. Se utiliza un captador de bario para mantener el vacío. En buen estado, el tubo de vacío es de color plateado. Si se ve blanco, entonces el vacío se ha ido y el tubo necesita ser reemplazado.

El colector de vacío consta de un conjunto de tubos de vacío (10-30) y transfiere calor al tanque de almacenamiento a través de un líquido anticongelante (portador de calor). La eficiencia de los colectores de vacío es alta:

- en tiempo nublado, porque los tubos de vacío pueden absorber la energía de los rayos infrarrojos que atraviesan las nubes

- Puede trabajar a temperaturas bajo cero.

Paneles solares.

Una batería solar es un conjunto de módulos que reciben y convierten la energía solar, incluida la energía térmica. Pero este término se ha asignado tradicionalmente a los convertidores fitoeléctricos. Por lo tanto, cuando decimos "batería solar" nos referimos a un dispositivo fitoeléctrico que convierte la energía solar en energía eléctrica.

Los paneles solares son capaces de generar energía eléctrica de forma continua o acumularla para su uso posterior. Por primera vez se utilizaron baterías fotovoltaicas en satélites espaciales.

La ventaja de los paneles solares es la máxima simplicidad de diseño, instalación simple, requisitos mínimos de mantenimiento y una larga vida útil. La instalación no requiere espacio adicional. La única condición es no sombrearlos durante mucho tiempo y eliminar el polvo de la superficie de trabajo. ¡Los paneles solares modernos pueden seguir funcionando durante décadas! ¡Es difícil encontrar un sistema tan seguro, efectivo y con una duración de acción tan larga! Generan energía durante todo el día, incluso en días nublados.

Los paneles solares tienen sus inconvenientes en la aplicación:

- sensibilidad a la contaminación. (Si la batería se coloca en un ángulo de 45 grados, la lluvia o la nieve la limpiarán, por lo que no se requiere mantenimiento adicional)

- sensibilidad a altas temperaturas. (Sí, cuando se calienta entre 100 y 125 grados, el panel solar puede incluso apagarse y es posible que se requiera un sistema de enfriamiento. El sistema de ventilación consumirá una pequeña fracción de la energía generada por la batería. Los diseños modernos de paneles solares brindan un sistema para la salida de aire caliente.)

- precio alto. (Teniendo en cuenta la larga vida útil de los paneles solares, no solo pagará los costos de compra, sino que también ahorrará dinero en el consumo de electricidad, ahorrará toneladas de combustibles tradicionales y será respetuoso con el medio ambiente)

El uso de sistemas de energía solar en la construcción.

En la arquitectura moderna, se planea cada vez más construir casas con fuentes de energía solar recargables incorporadas. Los paneles solares se instalan en los techos de los edificios o en soportes especiales. Estos edificios utilizan una fuente de energía silenciosa, fiable y segura: el sol. La energía solar se utiliza para la iluminación, la calefacción de espacios, la refrigeración del aire, la ventilación y la generación de electricidad.

Presentamos varios proyectos arquitectónicos innovadores utilizando sistemas solares.

El uso de los sistemas de energía solar en el mundo.

Sistemas de uso energía solar perfecto y respetuoso con el medio ambiente. Hay una gran demanda de ellos en todo el mundo. En todo el mundo, la gente está empezando a abandonar el uso de combustibles tradicionales debido al aumento de los precios del gas y el petróleo. Por ejemplo, en Alemania en 2004. El 47% de las viviendas contaba con colectores solares para calentamiento de agua.

En muchos países del mundo se han desarrollado programas gubernamentales para el desarrollo del uso de energía solar. En Alemania, este es el programa 100,000 Solar Roofs, en los Estados Unidos, un programa similar es Million Solar Roofs. En 1996 arquitectos de Alemania, Austria, Gran Bretaña, Grecia y otros países desarrollaron la Carta Europea sobre energía solar en la construcción y la arquitectura. En Asia, China lidera el camino con tecnologías modernas Los sistemas de colectores solares se están introduciendo en la construcción de edificios y el uso energía solar en la industria.

Un dato que dice mucho: una de las condiciones para entrar en la Unión Europea es el aumento de la cuota de fuentes alternativas en el sistema energético del país. En 2000 60 millones de kilómetros cuadrados de colectores solares funcionaban en el mundo, para 2010 el área había aumentado a 300 millones de kilómetros cuadrados.

Los expertos señalan que el mercado de sistemas energía solar en el territorio de Rusia, Ucrania y Bielorrusia solo se está formando. Los sistemas solares nunca se han producido a gran escala, porque las materias primas eran tan baratas que no había demanda de equipos costosos para sistemas solares ... La producción de colectores, en Rusia, por ejemplo, ha cesado casi por completo.

En relación con el aumento en el precio de los portadores de energía tradicionales, ha habido un resurgimiento del interés en el uso de sistemas solares. En varias regiones de estos países, que experimentan escasez de recursos energéticos, se están adoptando programas locales para el uso de sistemas solares, pero los sistemas solares son prácticamente desconocidos para el amplio mercado de consumo.

La razón principal del lento desarrollo del mercado de venta y uso de sistemas solares es, en primer lugar, su alto costo inicial y, en segundo lugar, la falta de información sobre las posibilidades de los sistemas solares, tecnologías avanzadas para su uso, sobre los desarrolladores. y fabricantes de sistemas solares. Todo ello no permite evaluar correctamente la eficacia del uso de los sistemas que operan sobre energía solar.

Hay que tener en cuenta que el colector solar no es el producto final. Para obtener el producto final -calor, electricidad, agua caliente- es necesario pasar del diseño, instalación a la puesta en marcha de los sistemas solares. La poca experiencia disponible con el uso de colectores solares muestra que este trabajo no es más difícil que instalar calefacción tradicional, pero la eficiencia económica es mucho mayor.

En Bielorrusia, Rusia, Ucrania, hay muchas empresas involucradas en el diseño e instalación de equipos de calefacción, pero hoy en día los portadores de energía tradicionales tienen prioridad. Desarrollo procesos económicos, experiencia mundial en el uso de sistemas energía solar muestra que el futuro pertenece a las fuentes de energía alternativas. Para un futuro cercano, se puede señalar que los sistemas solares son una posición nueva y prácticamente desocupada en nuestro mercado.

El sol es una fuente de energía inagotable, ambientalmente segura y barata. Según los expertos, la cantidad de energía solar que llega a la superficie terrestre durante una semana supera la energía de todas las reservas mundiales de petróleo, gas, carbón y uranio 1 . Según el académico Zh.I. Alferov, “la humanidad tiene un reactor termonuclear natural confiable: el Sol. Es una estrella de la clase Zh-2, muy media, de las que hay hasta 150 mil millones en la Galaxia. Pero esta es nuestra estrella, y envía enormes poderes a la Tierra, cuya transformación nos permite satisfacer casi cualquier demanda de energía de la humanidad durante muchos cientos de años”. Además, la energía solar es "limpia" y no tiene un impacto negativo en la ecología del planeta 2 .

Un punto importante es el hecho de que la materia prima para la fabricación de células solares es uno de los elementos más comunes: el silicio. En la corteza terrestre, el silicio es el segundo elemento después del oxígeno (29,5% en masa) 3 . Según muchos científicos, el silicio es el "petróleo del siglo XXI": durante 30 años, un kilo de silicio en una planta fotovoltaica genera tanta electricidad como 75 toneladas de petróleo en una central térmica.

Sin embargo, algunos expertos creen que la energía solar no puede llamarse respetuosa con el medio ambiente debido al hecho de que la producción de silicio puro para energía fotovoltaica es una producción muy “sucia” y que consume mucha energía. Junto con esto, la construcción de plantas de energía solar requiere la asignación de vastos terrenos, comparables en superficie a los embalses hidroeléctricos. Otra desventaja de la energía solar, según los expertos, es su alta volatilidad. Garantizar el funcionamiento eficiente del sistema energético, cuyos elementos son plantas de energía solar, es posible siempre que:
- la presencia de capacidades de reserva significativas utilizando portadores de energía tradicionales que pueden conectarse por la noche o en días nublados;
- llevar a cabo una modernización a gran escala y costosa de las redes eléctricas 4 .

A pesar de esta carencia, la energía solar continúa su desarrollo en el mundo. En primer lugar, en vista de que la energía radiante se abaratará y en unos años será un competidor importante del petróleo y el gas.

En el momento actual en el mundo hay instalaciones fotovoltaicas, convertir la energía solar en energía eléctrica con base en el método de conversión directa, y instalaciones termodinamicas, en el que la energía solar se convierte primero en calor, luego en el ciclo termodinámico de un motor térmico se convierte en energía mecánica, y en el generador se convierte en energía eléctrica.

Las células solares como fuente de energía se pueden utilizar:
- en la industria (industria aeronáutica, industria del automóvil, etc.),
- en agricultura,
- en el sector doméstico,
- en la industria de la construcción (por ejemplo, casas ecológicas),
- en plantas de energía solar,
- en sistemas autónomos de videovigilancia,
- en sistemas de iluminación autónomos,
- en la industria espacial.

Según el Instituto de Estrategia Energética, el potencial teórico de la energía solar en Rusia es de más de 2300 millones de toneladas de combustible estándar, el potencial económico es de 12,5 millones de toneladas de combustible equivalente. El potencial de la energía solar que ingresa al territorio de Rusia durante tres días supera la energía de toda la producción anual de electricidad en nuestro país.
Debido a la ubicación de Rusia (entre 41 y 82 grados de latitud norte), el nivel de radiación solar varía significativamente: desde 810 kWh/m 2 por año en las remotas regiones del norte hasta 1400 kWh/m 2 por año en las regiones del sur. Las grandes fluctuaciones estacionales también influyen en el nivel de radiación solar: con un ancho de 55 grados, la radiación solar en enero es de 1,69 kWh / m 2 y en julio, de 11,41 kWh / m 2 por día.

El potencial de la energía solar es mayor en el suroeste (norte del Cáucaso, la región de los mares Negro y Caspio) y en el sur de Siberia y el Lejano Oriente.

Las regiones más prometedoras en términos del uso de la energía solar: Kalmykia, Territorio de Stavropol, Región de Rostov, Territorio de Krasnodar, Región de Volgogrado, Región de Astracán y otras regiones en el suroeste, Altai, Primorie, la región de Chita, Buryatia y otras regiones en el sureste. Además, algunas áreas de Siberia occidental y oriental y Lejano Oriente supera el nivel de radiación solar de las regiones del sur. Así, por ejemplo, en Irkutsk (52 grados de latitud norte) el nivel de radiación solar alcanza los 1340 kWh/m2, mientras que en la República de Yakutia-Sakha (62 grados de latitud norte) esta cifra es de 1290 kWh/m2. 5

Actualmente, Rusia cuenta con tecnologías avanzadas para convertir la energía solar en energía eléctrica. Hay una serie de empresas y organizaciones que han desarrollado y están mejorando la tecnología de los convertidores fotoeléctricos: tanto en estructuras de silicio como de unión múltiple. Hay una serie de desarrollos en el uso de sistemas de concentración para plantas de energía solar.

El marco legislativo en el campo de apoyar el desarrollo de la energía solar en Rusia está en su infancia. Sin embargo, ya se han dado los primeros pasos:
- 3 de julio de 2008: Decreto Gubernativo N° 426 "Sobre la calificación de una instalación generadora que opere sobre la base del uso de fuentes renovables de energía";
- 8 de enero de 2009: Decreto del Gobierno de la Federación de Rusia N 1-r "Sobre las principales direcciones de la política estatal en el ámbito del aumento de la eficiencia energética de la industria eléctrica basada en el uso de fuentes de energía renovables para el período hasta a 2020"

Se aprobaron objetivos para aumentar para 2015 y 2020 la participación de FER en el nivel general del balance energético ruso al 2,5 % y 4,5 %, respectivamente 6 .

Según diversas estimaciones, en este momento en Rusia la cantidad total de capacidad de generación solar puesta en funcionamiento no supera los 5 MW, la mayoría de los cuales recae en los hogares. La instalación industrial más grande de la industria solar rusa es una planta de energía solar de 100 kW puesta en servicio en la región de Belgorod en 2010 (a modo de comparación, la planta de energía solar más grande del mundo se encuentra en Canadá con una capacidad de 80 000 kW).

Actualmente se están implementando dos proyectos en Rusia: la construcción de parques solares en el Territorio de Stavropol (capacidad - 12 MW) y en la República de Daguestán (10 MW) 7 . A pesar de la falta de apoyo a las energías renovables, varias empresas están implementando pequeños proyectos en el campo de la energía solar. Por ejemplo, Sakhaenergo instaló una pequeña estación en Yakutia con una capacidad de 10 kW.

Hay pequeñas instalaciones en Moscú: en Leontievsky Lane y en Michurinsky Prospekt, las entradas y los patios de varias casas se iluminan con la ayuda de módulos solares, lo que redujo los costos de iluminación en un 25 %. En la calle Timiryazevskaya, se instalaron paneles solares en el techo de una de las paradas de autobús, que proporcionan un sistema de transporte de referencia e información y Wi-Fi.

El desarrollo de la energía solar en Rusia se debe a una serie de factores:

1) condiciones climáticas: este factor afecta no solo el año de alcanzar la paridad de red, sino también la elección de la tecnología de instalación solar más adecuada para una región en particular;

2)apoyo gubernamental: la presencia de incentivos económicos legalmente establecidos para la energía solar es fundamental para
su desarrollo Entre los tipos de apoyo estatal que se utilizan con éxito en varios países europeos y en los Estados Unidos, se pueden distinguir: una tarifa de alimentación para plantas de energía solar, subsidios para la construcción de plantas de energía solar, varias opciones de incentivos fiscales, compensación de parte de los costes de mantenimiento de préstamos para la compra de instalaciones solares;

3)coste de SFEU (instalaciones solares fotovoltaicas): Hoy en día, las plantas de energía solar son una de las tecnologías de generación de electricidad más costosas en uso. Sin embargo, a medida que disminuye el costo de 1 kWh de electricidad generada, la energía solar se vuelve competitiva. La demanda de SPPM depende de la disminución del costo de 1W de capacidad instalada de SPPM (~$3,000 en 2010). La reducción de costos se logra aumentando la eficiencia, reduciendo los costos tecnológicos y reduciendo la rentabilidad de la producción (el impacto de la competencia). El potencial para reducir el costo de 1 kW de energía depende de la tecnología y varía de 5% a 15% por año;

4) estándares ambientales: el mercado de la energía solar puede verse afectado positivamente por el endurecimiento de las regulaciones ambientales (restricciones y multas) debido a una posible revisión del Protocolo de Kioto. Mejorar los mecanismos de venta de derechos de emisión puede dar un nuevo impulso económico al mercado de SFE;

5) balance de demanda y oferta de electricidad: implementación de los ambiciosos planes existentes para la construcción y reconstrucción de la red eléctrica y de generación
capacidad de las empresas escindidas de RAO "UES de Rusia" en el curso de la reforma de la industria, aumentará significativamente el suministro de electricidad y puede aumentar la presión sobre el precio
en el mercado mayorista. Sin embargo, la retirada de la capacidad antigua y el aumento simultáneo de la demanda supondrán un aumento del precio;

6)presencia de problemas con la conexión tecnológica: los retrasos en el cumplimiento de las solicitudes de conexión tecnológica al sistema de suministro eléctrico centralizado son un incentivo para cambiar a fuentes de energía alternativas, incluido el SFEU. Dichos retrasos vienen determinados tanto por una falta objetiva de capacidad, como por la ineficiencia en la organización de la conexión tecnológica por parte de las empresas de la red o por la falta de financiación de la conexión tecnológica a partir de la tarifa;

7) iniciativas de los gobiernos locales: Los gobiernos regionales y municipales pueden implementar sus propios programas para el desarrollo de la energía solar o, de manera más general, fuentes de energía renovables/no tradicionales. Actualmente, dichos programas ya se están implementando en los Territorios de Krasnoyarsk y Krasnodar, la República de Buriatia, etc.;

8) desarrollo de producción propia: producción rusa SFEU puede proporcionar influencia positiva sobre el desarrollo del consumo ruso de energía solar. En primer lugar, debido a su propia producción, la conciencia general de la población sobre la disponibilidad de tecnologías solares y su popularidad está aumentando. En segundo lugar, el coste de SFEM para los usuarios finales se reduce al reducir los eslabones intermedios de la cadena de distribución y al reducir el componente de transporte 8 .

El sol juega un papel excepcional en la vida de la Tierra. Todo el mundo orgánico de nuestro planeta debe su existencia al Sol. El sol no es solo una fuente de luz y calor, sino también la fuente original de muchos otros tipos de energía (energía del petróleo, carbón, agua, viento).

Desde la aparición en la tierra, el hombre comenzó a utilizar la energía del sol. Según datos arqueológicos, se sabe que para la vivienda se daba preferencia a lugares tranquilos, cerrados a los vientos fríos y abiertos a los rayos del sol.

Quizás el primer sistema solar conocido pueda considerarse la estatua de Amenhotep III, que data del siglo XV a. Dentro de la estatua había un sistema de cámaras de aire y agua, que bajo los rayos del sol ponían en movimiento un instrumento musical oculto. A Antigua Grecia adoraba a Helios. El nombre de este dios hoy formó la base de muchos términos relacionados con la energía solar.

El problema de proporcionar energía eléctrica a muchos sectores de la economía mundial, las necesidades en constante crecimiento de la población mundial se está volviendo cada vez más urgente.

Información general sobre el Sol

El Sol es el cuerpo central del Sistema Solar, una bola de plasma caliente, una típica estrella enana G2.

Características del Sol

• Masa MS~2*1023 kg
• RS~629 mil km
• V \u003d 1.41 * 1027 m3, que es casi 1300 mil veces mayor que el volumen de la Tierra,
• densidad media 1,41*103 kg/m3,
• luminosidad LS=3,86*1023 kW,
• temperatura superficial efectiva (fotosfera) 5780 K,
• el período de rotación (sinódico) varía de 27 días en el ecuador a 32 días. en los polos
• aceleración caida libre 274 m/s2 (con una aceleración de la gravedad tan grande, una persona de 60 kg pesaría más de 1,5 toneladas).

En la parte central del Sol hay una fuente de su energía, o dicho en sentido figurado, esa "estufa" que lo calienta y no deja que se enfríe. Esta área se llama el núcleo (ver Fig. 1). En el núcleo, donde la temperatura alcanza los 15 MK, se libera energía. El núcleo tiene un radio de no más de una cuarta parte del radio total del Sol. Sin embargo, la mitad de la masa solar se concentra en su volumen y se libera casi toda la energía que sustenta el resplandor del Sol.

Inmediatamente alrededor del núcleo comienza una zona de transferencia de energía radiante, donde se propaga a través de la absorción y emisión de porciones de luz por parte de la materia - cuantos. Se necesita mucho tiempo para que un cuanto se filtre a través de la densa materia solar hacia el exterior. Entonces, si la estufa dentro del Sol se apagara repentinamente, lo sabríamos solo millones de años después.

En su camino a través de las capas solares internas, el flujo de energía encuentra una región donde la opacidad del gas aumenta considerablemente. Esta es la zona convectiva del Sol. Aquí, la energía ya no se transfiere por radiación, sino por convección. La zona convectiva comienza aproximadamente a una distancia de 0,7 radios del centro y se extiende casi hasta la superficie más visible del Sol (fotosfera), donde la transferencia del flujo de energía principal vuelve a ser radiante.

La fotosfera es la superficie radiante del Sol, que tiene una estructura granular llamada granulación. Cada grano tiene casi el tamaño de Alemania y es una corriente de materia caliente que ha subido a la superficie. En la fotosfera, a menudo se pueden ver áreas oscuras relativamente pequeñas: manchas solares. Son 1500˚С más fríos que la fotosfera que los rodea, cuya temperatura alcanza los 5800˚С. Debido a la diferencia de temperatura con la fotosfera, estos puntos aparecen completamente negros cuando se ven a través de un telescopio. Por encima de la fotosfera se encuentra la siguiente capa, más enrarecida, llamada cromosfera, es decir, la esfera coloreada. La cromosfera obtuvo su nombre debido a su color rojo. Y, finalmente, encima hay una parte muy caliente, pero también extremadamente enrarecida, de la atmósfera solar: la corona.

El sol es una fuente de energía.

Nuestro Sol es una enorme bola luminosa de gas, dentro de la cual tienen lugar procesos complejos y, como resultado, se libera energía continuamente. La energía del Sol es la fuente de vida en nuestro planeta. El sol calienta la atmósfera y la superficie de la tierra. Gracias a la energía solar, los vientos soplan, el ciclo del agua se realiza en la naturaleza, los mares y océanos se calientan, las plantas se desarrollan, los animales tienen alimento. Es gracias a la radiación solar que los combustibles fósiles existen en la Tierra. La energía solar se puede convertir en calor o frío, fuerza motriz y electricidad.

El sol evapora agua de los océanos, mares, de la superficie terrestre. Convierte esta humedad en gotitas de agua, formando nubes y nieblas, y luego hace que vuelva a caer a la Tierra en forma de lluvia, nieve, rocío o escarcha, creando así un gigantesco ciclo de humedad en la atmósfera.

La energía solar es la fuente de la circulación general de la atmósfera y de la circulación del agua en los océanos. Es, por así decirlo, crea un gigantesco sistema de calentamiento de agua y aire de nuestro planeta, redistribuyendo el calor sobre la superficie de la tierra.

La luz del sol, que cae sobre las plantas, provoca el proceso de fotosíntesis en ella, determina el crecimiento y desarrollo de las plantas; al caer sobre el suelo, se convierte en calor, lo calienta, forma el clima del suelo, dando así vitalidad a las semillas de plantas, microorganismos y seres vivos del suelo, que sin este calor estarían en estado de anabiosis (hibernación).

El sol irradia una gran cantidad de energía, aproximadamente 1,1x1020 kWh por segundo. Un kilovatio hora es la cantidad de energía necesaria para hacer funcionar una bombilla incandescente de 100 vatios durante 10 horas. La atmósfera exterior de la Tierra intercepta aproximadamente una millonésima parte de la energía emitida por el Sol, o aproximadamente 1500 cuatrillones (1,5 x 1018) kWh al año. Sin embargo, solo el 47% de toda la energía, o aproximadamente 700 cuatrillones (7 x 1017) kWh, llega a la superficie de la Tierra. El 30 % restante de la energía solar se refleja de vuelta al espacio, aproximadamente el 23 % evapora el agua, el 1 % de la energía proviene de las olas y las corrientes y el 0,01 % de la formación de la fotosíntesis en la naturaleza.

Investigación de energía solar

¿Por qué el Sol brilla y no se enfría durante miles de millones de años? ¿Qué "combustible" le da energía? Los científicos han estado buscando respuestas a esta pregunta durante siglos, y solo a principios del siglo XX se encontró la solución correcta. Ahora se sabe que, como otras estrellas, brilla debido a las reacciones termonucleares que ocurren en sus profundidades.

Si los núcleos de los átomos de los elementos ligeros se fusionan en el núcleo de un átomo de un elemento más pesado, entonces la masa del nuevo será menor que la masa total de aquellos a partir de los cuales se formó. El resto de la masa se convierte en energía, que es arrastrada por las partículas liberadas durante la reacción. Esta energía se convierte casi por completo en calor. Tal reacción de síntesis de núcleos atómicos solo puede ocurrir a muy alta presión y temperaturas superiores a 10 millones de grados. Por eso se llama termonuclear.

La principal sustancia que compone el Sol es el hidrógeno, representa alrededor del 71% de la masa total de la estrella. Casi el 27% pertenece al helio y el 2% restante a elementos más pesados ​​como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y los metales. El principal "combustible" del Sol es el hidrógeno. A partir de cuatro átomos de hidrógeno, como resultado de una cadena de transformaciones, se forma un átomo de helio. ¡Y de cada gramo de hidrógeno involucrado en la reacción, se liberan 6x10 11 J de energía! En la Tierra, esta cantidad de energía sería suficiente para calentar 1000 m 3 de agua desde una temperatura de 0ºC hasta el punto de ebullición.

El potencial de la energía solar

El sol nos proporciona 10.000 veces más energía gratuita de la que realmente se utiliza en todo el mundo. El mercado comercial mundial por sí solo compra y vende algo menos de 85 billones (8,5 x 10 13) kWh de energía al año. Dado que es imposible seguir todo el proceso, no es posible decir con certeza cuánta energía no comercial consumen las personas (por ejemplo, cuánta madera y fertilizantes se recolectan y queman, cuánta agua se usa para producir energía mecánica o eléctrica). energía). Algunos expertos estiman que dicha energía no comercial representa una quinta parte de toda la energía utilizada. Pero incluso si esto es cierto, entonces la energía total consumida por la humanidad durante el año es solo aproximadamente una siete milésima parte de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra en el mismo período.

En países desarrollados, como EE. UU., el consumo de energía es de aproximadamente 25 billones (2,5 x 10 13) kWh por año, lo que corresponde a más de 260 kWh por persona por día. Esto es el equivalente a hacer funcionar más de 100 bombillas incandescentes de 100 W al día durante un día completo. El ciudadano estadounidense medio consume 33 veces más energía que un indio, 13 veces más que un chino, dos veces y media más que un japonés y el doble que un sueco.

El sol es una de las fuentes renovables de energía alternativa. Hasta la fecha, las fuentes de calor alternativas son ampliamente utilizadas en la agricultura y en las necesidades domésticas de la población.

El uso de la energía solar en la tierra juega un papel importante en la vida humana. Con la ayuda de su calor, el sol, como fuente de energía, calienta toda la superficie de nuestro planeta. Gracias a su poder térmico soplan los vientos, se calientan los mares, ríos, lagos, existe toda la vida en la tierra.

Fuentes de calor renovables, las personas comenzaron a usar hace muchos años, cuando aún no existían las tecnologías modernas. El sol es la fuente de energía térmica más asequible en la tierra hoy en día.

Áreas de uso de la energía solar

Cada año, el uso de la energía solar está ganando más y más popularidad. Hace unos años se utilizaba para calentar agua en casas de campo, duchas de verano y ahora se utilizan fuentes de calor renovables para generar electricidad y suministro de agua caliente a edificios residenciales e instalaciones industriales.

Hasta la fecha, las fuentes de calor renovables se utilizan en las siguientes áreas:

• en el sector agrícola, para el suministro eléctrico y calefacción de invernaderos, hangares y otros edificios;
• para el suministro eléctrico de instalaciones deportivas e instituciones médicas;
• en el campo de la industria aeronáutica y espacial;
• en la iluminación de calles, parques y también otros objetos de la ciudad;
• para la electrificación de asentamientos;
• para calefacción, suministro de energía y suministro de agua caliente de edificios residenciales;
• para las necesidades del hogar.

Características de la aplicación

La luz que emite el sol sobre la tierra se convierte en energía térmica mediante sistemas tanto pasivos como activos. Los sistemas pasivos incluyen edificios, cuya construcción utiliza materiales de construcción que absorben de manera más efectiva la energía de la radiación solar. A su vez, los sistemas activos incluyen colectores que convierten la radiación solar en energía, así como fotocélulas que la convierten en electricidad. Echemos un vistazo más de cerca a cómo usar adecuadamente las fuentes de calor renovables.

Sistemas pasivos

Dichos sistemas incluyen edificios solares. Estos son edificios construidos teniendo en cuenta todas las características de la zona climática local. Para su construcción se utilizan materiales que permiten maximizar el aprovechamiento de toda la energía térmica para calefacción, refrigeración, iluminación de locales residenciales e industriales. Estos incluyen las siguientes tecnologías y materiales de construcción: aislamiento, pisos de madera, superficies que absorben la luz y la orientación del edificio hacia el sur.

Dichos sistemas solares permiten el uso máximo de la energía solar, además, pagan rápidamente sus costos de construcción al reducir los costos de energía. Son respetuosos con el medio ambiente y también le permiten crear independencia energética. Es por esto que el uso de tales tecnologías es muy prometedor.

Sistemas activos

Este grupo incluye colectores, acumuladores, bombas, tuberías para suministro de calor y suministro de agua caliente en la vida cotidiana. Los primeros se instalan directamente en los tejados de las casas, mientras que el resto se ubican en el sótano para ser utilizados como suministro de agua caliente y calefacción.

células solares

Para implementar de manera más efectiva toda la energía solar, se utilizan fuentes de energía solar como las celdas fotovoltaicas, o como también se les llama, celdas solares. En su superficie, tienen semiconductores que, cuando se exponen a los rayos del sol, comienzan a moverse y, por lo tanto, generan una corriente eléctrica. Este principio de generación actual no contiene ninguna reacción química, lo que permite que las fotocélulas funcionen durante mucho tiempo.

Tales convertidores fotovoltaicos como fuentes de energía solar son fáciles de usar, ya que son livianos, fáciles de mantener y también son muy eficientes en el uso de la energía solar.

Hasta la fecha, los paneles solares, como fuente de energía solar en la tierra, se utilizan para generar agua caliente, calefacción y electricidad en países cálidos como Turquía, Egipto y países asiáticos. En nuestra región, el sol se utiliza como fuente de energía para suministrar electricidad a sistemas autónomos de suministro de energía, electrónica de bajo consumo y propulsores de aeronaves.

Colectores solares

El aprovechamiento de la energía solar por parte de los colectores es que convierten la radiación en calor. Se dividen en los siguientes grupos principales:

• Colectores solares planos. Son los más comunes. Son convenientes de usar para las necesidades de calefacción doméstica, así como para calentar agua para el suministro de agua caliente;
• colectores de vacío. Se utilizan para las necesidades del hogar cuando se necesita agua. alta temperatura. Consisten en varios tubos de vidrio, a través de los cuales los rayos del sol los calientan y estos, a su vez, dan calor al agua;
• Colectores solares de aire. Se utilizan para calentamiento de aire, recuperación de masa de aire y para plantas de secado;
• Colectores integrados. Los modelos más simples. Se utilizan para precalentar agua, por ejemplo, para calderas de gas. En la vida cotidiana, el agua calentada se recolecta en un tanque especial: unidades y luego se usa para diversas necesidades.

El aprovechamiento de la energía solar por parte de los captadores se realiza acumulándola en los denominados módulos. Se instalan en el techo de los edificios y consisten en tubos y placas de vidrio que se pintan de negro para absorber más luz solar.

Los colectores solares se utilizan para calentar agua para el suministro de agua caliente y calefacción de edificios residenciales.

Ventajas de las instalaciones solares.

• son completamente gratuitos e inagotables;
• tener total seguridad en el uso;
• autónomo;
• económico, ya que los fondos se gastan solo en la compra de equipos para instalaciones;
• su uso garantiza la ausencia de sobretensiones, así como la estabilidad en el suministro eléctrico;
• durable;
• facil de usar y mantener.

El uso de energía solar con la ayuda de tales instalaciones está ganando popularidad cada año. Las baterías solares permiten ahorrar mucho dinero en calefacción y suministro de agua caliente, además, son respetuosas con el medio ambiente y no dañan la salud humana.

El principio de conversión de energía solar, su aplicación y perspectivas.

Hay menos fuentes de energía tradicionales en el mundo. Las reservas de petróleo, gas, carbón se agotan y todo apunta a que tarde o temprano se acabarán. Si en ese momento no se encuentran fuentes de energía alternativas, entonces una catástrofe le espera a la humanidad. Por ello, en todos los países desarrollados se está investigando para descubrir y desarrollar nuevas fuentes de energía. La primera es la energía solar. Desde la antigüedad, esta energía ha sido utilizada por las personas para iluminar sus hogares, secar alimentos, ropa, etc. Hoy en día, la energía solar es una de las fuentes de energía alternativa más prometedoras. Actualmente, ya existen bastantes diseños que permiten convertir la energía del sol en energía eléctrica o térmica. La industria está creciendo y desarrollándose gradualmente, pero, como en todas partes, hay problemas. Todo esto será discutido en este artículo.

La energía solar es una de las fuentes renovables más asequibles de la Tierra. El uso de la energía solar en la economía nacional tiene un efecto positivo en el estado del medio ambiente, ya que no requiere perforar pozos ni desarrollar minas para obtenerla. Además, este tipo de energía es gratuita y no cuesta nada. Naturalmente, se requieren los costos para la compra e instalación de equipos.

El problema es que el sol es una fuente intermitente de energía. Entonces, lo que se requiere es la acumulación de energía y su uso en conjunto con otras fuentes de energía. El principal problema hoy en día es que los equipos modernos tienen una baja eficiencia para convertir la energía solar en energía eléctrica y térmica. Por lo tanto, todos los desarrollos están destinados a aumentar la eficiencia de dichos sistemas y reducir su costo.

Por cierto, muchos recursos del planeta se derivan de la energía solar. Por ejemplo, el viento, que es otra fuente renovable, no soplaría sin el sol. La evaporación del agua y su acumulación en los ríos también se produce bajo la acción del sol. Y el agua, como saben, es utilizada por la energía hidroeléctrica. Los biocombustibles tampoco existirían sin el sol. Por lo tanto, además de una fuente directa de energía, el sol afecta otras áreas de energía.

El sol envía radiación a la superficie de nuestro planeta. Del amplio espectro de radiación procedente de la superficie terrestre, llegan 3 tipos de ondas:

• Luz. En el espectro de emisión, son aproximadamente el 49 por ciento;
• infrarrojo. Su participación es también del 49 por ciento. Gracias a estas ondas, nuestro planeta se está calentando;
• Ultravioleta. En el espectro de la radiación solar, son aproximadamente el 2 por ciento. Son invisibles a nuestros ojos.

Excursión a la historia

¿Cómo ha evolucionado la energía solar hasta nuestros días? El hombre ha pensado en el uso del sol en sus actividades desde la antigüedad. Todo el mundo conoce la leyenda según la cual Arquímedes quemó la flota enemiga cerca de su ciudad de Siracusa. Usó espejos incendiarios para esto. Hace varios miles de años, en el Medio Oriente, los palacios de los gobernantes se calentaban con agua, que calentaba el sol. En algunos países, evaporamos el agua de mar al sol para obtener sal. Los científicos a menudo realizaban experimentos con dispositivos de calefacción alimentados por energía solar.

Los primeros modelos de tales calentadores se produjeron en los siglos XVII-XVII. En particular, el investigador N. Saussure presentó su versión del calentador de agua. Es una caja de madera con tapa de cristal. El agua en este dispositivo se calentó a 88 grados centígrados. En 1774, A. Lavoisier usó lentes para concentrar el calor del sol. Y también han aparecido lentes que permiten fundir localmente el hierro fundido en pocos segundos.

Científicos franceses crearon baterías que convierten la energía del sol en energía mecánica. A finales del siglo XIX, el investigador O. Musho desarrolló un aislador que enfocaba rayos en una caldera de vapor usando una lente. Esta caldera se utilizó para hacer funcionar la imprenta. En los Estados Unidos en ese momento, era posible crear una unidad impulsada por el sol con una capacidad de 15 "caballos".

Durante mucho tiempo, los aisladores se produjeron de acuerdo con un esquema que utiliza la energía del sol para convertir el agua en vapor. Y la energía convertida se usó para hacer algún trabajo. El primer dispositivo que convierte la energía solar en energía eléctrica fue creado en 1953 en los Estados Unidos. Se convirtió en el prototipo de los paneles solares modernos. El efecto fotoeléctrico en el que se basa su trabajo fue descubierto allá por los años 70 del siglo XIX.

En los años treinta del siglo pasado, el académico de la URSS A.F. Ioffe propuso el uso de fotocélulas semiconductoras para convertir la energía solar. La eficiencia de la batería en ese momento era inferior al 1%. Pasaron muchos años antes de que se desarrollaran las células solares con una eficiencia del 10 al 15 por ciento. Luego, los estadounidenses construyeron paneles solares de tipo moderno.

Para obtener más energía de los sistemas solares, la baja eficiencia se compensa con una mayor área de fotocélulas. Pero esta no es una opción, ya que los semiconductores de silicio en las células fotovoltaicas son bastante caros. Con un aumento en la eficiencia, aumenta el costo de los materiales. Este es el principal obstáculo para el uso masivo de paneles solares. Pero a medida que se agoten los recursos, su uso será cada vez más rentable. Además, la investigación para aumentar la eficiencia de las células solares no se detiene.

Vale la pena decir que las baterías basadas en semiconductores son bastante duraderas y no requieren calificaciones para cuidarlas. Por lo tanto, se utilizan con mayor frecuencia en la vida cotidiana. También hay plantas enteras de energía solar. Por regla general, se crean en países con una gran cantidad de días soleados al año. esto es israel Arabia Saudita, Sur de EE. UU., India, España. Ahora hay proyectos absolutamente fantásticos. Por ejemplo, plantas de energía solar fuera de la atmósfera. Ahí luz de sol no ha perdido energía todavía. Es decir, se propone que la radiación sea capturada en órbita y luego convertida en microondas. Entonces, de esta forma, la energía será enviada a la Tierra.

Conversión de energía solar

En primer lugar, vale la pena decir cómo se puede expresar y evaluar la energía solar.

¿Cómo se puede estimar la cantidad de energía solar?

Los expertos utilizan para evaluar un valor como la constante solar. Es igual a 1367 vatios. Esta es la cantidad de energía solar por metro cuadrado del planeta. Alrededor de una cuarta parte se pierde en la atmósfera. El valor máximo en el ecuador es de 1020 vatios por metro cuadrado. Teniendo en cuenta el día y la noche, los cambios en el ángulo de incidencia de los rayos, este valor debe reducirse otras tres veces.

Las versiones sobre las fuentes de energía solar eran muy diferentes. Por el momento, los expertos aseguran que la energía se libera como resultado de la transformación de cuatro átomos de H2 en un núcleo de He. El proceso continúa con la liberación de una cantidad significativa de energía. A modo de comparación, imagine que la energía de conversión de 1 gramo de H2 es comparable a la que se libera al quemar 15 toneladas de hidrocarburos.

Métodos de conversión

Dado que la ciencia actual no tiene dispositivos que funcionen con la energía del sol en su forma pura, debe convertirse a otro tipo. Para ello se crearon dispositivos como paneles solares y un colector. Las baterías convierten la energía solar en energía eléctrica. Y el colector genera energía térmica. También hay modelos que combinan estos dos tipos. Se llaman híbridos.

• fotoeléctrico;
• solar térmica;
• aire caliente;
• Plantas de energía solar con globos.

La primera forma es la más común. Utiliza paneles fotovoltaicos que generan electricidad bajo la influencia del sol. En la mayoría de los casos, están hechos de silicona. El grosor de tales paneles es décimas de milímetro. Dichos paneles se combinan en módulos fotovoltaicos (baterías) y se instalan al sol. La mayoría de las veces se colocan en los techos de las casas. En principio, nada impide que se coloquen en el suelo. Solo es necesario que no haya objetos grandes a su alrededor, otros edificios y árboles que puedan proyectar sombra.

Además de las fotocélulas, las de película fina o se utilizan para generar energía eléctrica. Su ventaja es un espesor pequeño, y la desventaja es una eficiencia reducida. Dichos modelos a menudo se usan en cargadores portátiles para varios dispositivos.

El método de conversión de aire caliente consiste en obtener la energía de un flujo de aire. Este flujo se dirige al turbogenerador. En las centrales eléctricas de globos, bajo la influencia de la energía solar, se genera vapor de agua en un globo aerostático. La superficie del globo está cubierta con una capa especial que absorbe los rayos del sol. Tales plantas de energía pueden operar en tiempo nublado y de noche debido al suministro de vapor en el globo.

La energía solar se basa en calentar la superficie del portador de energía en un colector especial. Por ejemplo, podría calentar agua para un sistema de calefacción doméstico. No solo se puede usar agua, sino también aire como portador de calor. Puede calentarse en el colector y alimentarse al sistema de ventilación de la casa.

Todos estos sistemas son bastante caros, pero su desarrollo y mejora continúa gradualmente.

Ventajas y desventajas de la energía solar.

Ventajas

• Está libre. Una de las principales ventajas de la energía solar es que no se cobra por ella. Los paneles solares están hechos de silicio, que es bastante abundante;
• No efectos secundarios. El proceso de conversión de energía se lleva a cabo sin ruido, emisiones nocivas y residuos, impacto ambiental. Esto no se puede decir de la energía térmica, hidráulica y nuclear. Todas las fuentes tradicionales dañan el sistema operativo de una forma u otra;
• Seguridad y fiabilidad. El equipo es duradero (sirve hasta 30 años). Después de 20 a 25 años de uso, las celdas solares entregan hasta el 80 por ciento de su valor nominal;
• Reciclaje. Los paneles solares son completamente reciclables y se pueden reutilizar en la producción;
• Facilidad de mantenimiento. El equipo es bastante simple de implementar y trabajar fuera de línea;
• Bien adaptado para uso en casas particulares;
• Estética. Se puede instalar en el techo o fachada del edificio sin comprometer la apariencia;
• Bien integrados como sistemas auxiliares de suministro de energía.