Использование энергии солнца на земле: способы применения и преимущества солнечных установок

Солнечная энергия — общие понятия и принципы

Прежде всего, стоит отметить, что ресурсом для солнечной энергетики служит энергия солнечного света (солнечная энергия). Преобразовать которую можно либо в электрическую или же в тепловую энергию. Делается это при помощи специальных установок.

Исходя из расчётов учёных, можно сделать вывод, что за неделю на поверхность земли с солнца попадает такое количество энергии, которое в несколько раз превышает количество энергии вырабатываемой различными источниками на земле.

Несомненно, солнечная энергетика, это отрасль подающие большие надежды, но всё-таки она имеет две стороны медали.

С плюсами более или мене всё ясно. Это всеобщая доступность и неисчерпаемость ресурса. То к минусам стоит отнести такие аспекты как:

• относительная зависимость от условий погоды и времени суток;
• необходимость использовать аккумуляторы при получении солнечной энергии;
• дороговизна оборудования при эксплуатации;
• перепады температур в сторону повышения на поверхности установок для сбора энергии солнечного света.

Числа и показатели для излучения энергии солнца

Разберёмся для начала в терминах и основных показателях. Прежде всего, это солнечная постоянная, значение которой равняется 1367 Вт. Как раз такая цифра в соотношении с поступившим количеством энергии попадает на один квадратный метр поверхности нашей планеты. Естественно в виду того, что лучам солнца препятствуют слои атмосферы, проникает несколько меньшее количество энергии. К примеру, в экваториальной зоне оно равняется 1020 Вт. Прибавив к этому частые смены времени дня и ночи, угол падения лучей солнца, можно увидеть, что показатели снижаются ещё как минимум в три раза.

Ни раз, задавая себе вопрос: «откуда берётся солнечная энергия?», учёные разных стран и в разное время пытались ответить на него, применяя различные гипотезы и теории. Но, уже начиная с 19 века, подобный интерес приобрёл иной характер. И на сегодняшний день обозначились более конкретные и чёткие постулаты в отношении солнечных источников энергии. Удалось установить, что в ходе процесса взаимодействия четырёх атомов водорода с последующим переходом в состоянии ядра гелия и происходит это превращение с выделением большого количества энергии.

Рассмотрим для наглядности энергию, выделяемую при формировании одного грамма водорода. Соотнести её можно с энергией полученной при сжигании пятнадцати тонн бензина. Цифры говорят сами за себя.

Преобразование солнечной энергии

Само собой после получения подобной энергии от солнца, её требуется перевести в определённое состояние. Происходит это потому, что в настоящее время технологии не способны удовлетворить потребности и нужды людей в потреблении больших количеств солнечной энергии. В виду этих факторов и были изобретены различные солнечные батареи и солнечный коллектор. Применяя первые, можно генерировать и получать электрическую энергию. Если же рассматривать коллекторы, то они предназначены для тепловой энергии.

Рассмотри наиболее востребованные способы преобразования энергии солнечного света:

• фотовольтаика;
• термовоздушная энергетика;
• гелиотермальная энергетика;
• с применением солнечных аэростатных электростанций.

Наибольшее распространение получил метод фотовольтаики. Данный метод состоит в использовании различных фотоэлектрических солнечных панелей. В простонародье получивших название солнечные батареи. При помощи них и происходит то самое преобразование солнечной в электроэнергию. Материалом, который используют при изготовлении подобных панелей, является кремний. Рабочая поверхность с толщиной не более одно милемметра.

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

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

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

Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:

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

Солнце как источник энергии Солнечной системы

Мы уже знаем, что источником солнечной энергии являются водород и гелий, но ведь и сама солнечная энергия – это источник для определенных процессов. Все земные природные процессы  осуществляются благодаря энергии, полученной от Солнца.

Без солнечных излучений был бы невозможным:

• Круговорот воды в природе. Именно благодаря воздействию Солнца испаряется вода. Именно этот процесс запускает циркуляцию влаги на Земле. Повышение и понижение температуры влияет на образование облаков и выпадение осадков.
• Фотосинтез. Процесс, благодаря которому поддерживается баланс углекислого газа и кислорода, образуются необходимые для развития и роста растений вещества также происходит с помощью солнечных лучей.
• Циркуляция атмосферы. Солнце влияет на процессы перемещения воздушных масс и теплорегуляции.

Солнечная энергия – это основа существования жизни на Земле. Но на этом ее благотворное воздействие не заканчивается. Для человечества солнечная энергия может быть полезной как альтернативный источник энергии.

Гелиотермальная энергетика как вид автономного питания

В настоящее время активное развитие технологий сделало возможным преобразование энергии Солнца в другие применяющиеся человеком виды. Как возобновляемый источник энергии солнечная энергия получила широкое распространение и активно используется, как в промышленных масштабах, так и локально на небольших частных участках. И с каждым годом сфер, где применение гелиотермальной энергии является обыденным делом, становится все больше.

Сегодня солнечный свет как источник энергии используется:

• В сельском хозяйстве для отопления и электроснабжения различных хозяйственных построек таких, как теплицы, ангары и прочие.
• Для обеспечения электричества в медицинских центрах и зданий спортивного назначения.
• Для снабжения электроэнергией населенных пунктов.
• Для обеспечения более дешевого освещения на улицах городов.
• Для поддержания налаженной работы всех коммуникационных систем в жилых домах.
• Для ежедневных бытовых потребностей населения.

Исходя из этого, мы видим, что солнечная энергия в действительности может стать отличным источником питания практически в каждой сфере человеческой деятельности. Поэтому продолжение исследований в данной отрасли могут изменить привычное нынешнее существование в корни.

Активные и пассивные системы преобразования солнечной энергии

На сегодняшний день благодаря различным разработкам и методам солнечная энергия как альтернативный источник энергии может быть преобразована и аккумулирована разными способами. Сейчас существуют системы активного использования гелиоэнергии, и пассивные системы. В чем их суть?

• Пассивные (подбор стройматериалов и проектировка помещений для максимального применения энергии солнечного света) по большей части направлены на использование прямой солнечной энергии. Пассивные системы – это здания, в которых проектирования происходило таким способом, чтобы как можно больше световой и тепловой энергии получать от Солнца.
• Активные (фотоэлектрические системы, солнечные электростанции и коллекторы), в свою очередь, подразумевают действительно переработку полученной солнечной энергии в другие необходимые человеку виды.

Оба вида подобных систем применяются в тех или иных случаях в зависимости от потребностей, которые они должны удовлетворять. Будь то строительство экологически чистого солнечного дома или установка коллектора на участке – это в любом случае даст свой результат и будет выгодным вложением.

Солнечная электростанция как источник энергии

Что такое солнечная электростанция? Это специально организованное инженерное сооружение, благодаря которому происходят процессы преобразования солнечной радиации для дальнейшего получения электроэнергии. Конструкции подобных станций могут быть совершенно различными в зависимости от того, какой способ переработки будет применяться.

Разновидности солнечных электростанций:

• СЭС, в основе сооружения которой находится башня.
• Станция, сооружающаяся по тарельчатому типу.
• Основанная на работе фотоэлектрических модулей.
• Станции, работающие с применением параболоцилиндрических концентраторов.
• С двигателем Стерлинга, взятым за основу работы.
• Станции аэростатного типа.
• Электростанции комбинированного типа.

Как мы видим, солнечная электростанция как источник энергии давно перестала быть частью утопических научно-фантастических романов и активно используется во всем мире для удовлетворения энергетических потребностей общества. В ее работе существуют как явные преимущества, так и недостатки. Но их правильный баланс дает возможность получать необходимый результат.

Плюсы и минусы солнечных электростанций

Достоинства:

• Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии. При этом сама по себе она общедоступная и бесплатная.
• Солнечные установки достаточно безопасны в использовании.
• Подобные электростанции являются полностью автономными.
• Они отличаются экономностью и быстрой окупаемостью. Основные затраты происходят только лишь на необходимое оборудование и в дальнейшем требуют минимальных вложений.
• Еще одна отличительная черта – это стабильность в работе. На подобных станциях практически не бывает скачков напряжения.
• Они не прихотливы в обслуживании и достаточно просты в использовании.
• Также для оборудования СЭС характерный долгий эксплуатационный период.

Недостатки:

• Как источник энергии солнечной системы очень чувствительны к климату, погодным условиям и времени суток. Подобная электростанция не будет эффективно и продуктивно работать ночью или в пасмурный день.
• Более низкая продуктивность в широтах с яркой сменой сезонов. Максимально эффективны в местности, где количество солнечных дней в году наиболее близко к 100%.
• Очень высокая и малодоступная стоимость оборудования для солнечных установок.
• Потребность в проведении периодических очисток от загрязнений панелей и поверхностей. Иначе меньшее количество радиации поглощается и падает продуктивность.
• Значительное повышение температуры воздуха в пределах электростанции.
• Потребность в использовании местности с огромной площадью.
• Дальнейшие трудности в процессе утилизации составляющих станции, в особенности фотоэлементов, после окончания срока их эксплуатации.

Как и в любой производственной сфере, в переработке и преобразовании солнечной энергии есть свои сильные и слабые стороны. Очень важно, чтобы преимущества перекрывали недостатки, в таком случае работа будет оправдана.

Сейчас большинство разработок в данной отрасли направлены на оптимизацию и улучшение функционирования и использования уже существующих методов и на разработку новых, более безопасных и продуктивных.

Солнечная энергия – энергия будущего

Чем дальше шагает в своем техническом развитии наше общество, тем больше источников энергии может потребоваться с каждым новым этапом. Но традиционных ресурсов становится все меньше, а цена на них растет. Поэтому люди начали активнее задумываться об альтернативных вариантах энергоснабжения. И тут пришли на помощь возобновляемые источники. Энергия ветра, воды или Солнца – это новый виток, позволяющий и дальше развиваться обществу, снабжая его необходимыми ресурсами.

Активные системы

Активные солнечные системы получают энергию и преобразуют ее тем или иным способом. В данном случае используются специально изготовленные приспособления и устройства, для которых получение, преобразование и передача энергии является основной и единственной задачей, а не дополнительной функцией, как у пассивных гелиосистем. Существуют довольно простые и более сложные конструкции, выполняющие разные задачи. По функционалу их можно разделить на фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы.

Первые занимаются выработкой электрического тока из энергии, полученной от нашего светила. Они обладают широкими возможностями и встречаются практически везде, где применяют энергию Солнца.

Вторые — коллекторы — используются только как источник тепловой энергии для отопительных систем частных домов или иных помещений относительно небольшого размера. И те, и другие устройства обладают собственными преимуществами и недостатками.

Солнечные фотоэлементы

Фотоэлектрические элементы получают солнечную энергию и вырабатывают из нее электрический ток. Такова общая схема, на практике все несколько сложнее. Солнечные лучи, попадая на поверхность фотоэлементов, воздействуют на кремниевые пластины, в которых начинается процесс замещения электронов. Они начинают активно совершать p-n переход, т.е. появляется постоянный фототок. Остается только припаять провода к соответствующим контактам, и можно снимать постоянное напряжение определенной величины. Если собрать такие элементы в батарею, то в результате можно получать вполне существенный ток, пригодный для зарядки аккумуляторов или практического использования.

Выработка тока фотоэлементами нестабильна, зависит от внешних факторов — погоды, времени года и суток, наличия облачности. Кроме того, солнечные батареи дают постоянный ток. Для обеспечения потребителей электротоком со стандартными параметрами необходимо преобразовать полученное напряжение.

Поэтому обычный состав комплекса выглядит следующим образом:

• солнечные батареи;
• аккумуляторные батареи;
• инвертор-преобразователь;
• контроллер заряда.

Работа системы заключается в приеме солнечной энергии фотоэлементами и сбрасывании напряжения на аккумуляторы. Уровень заряда находится под управлением контроллера, который выполняет функции диспетчера и регулирует режим заряда и отдачи энергии. Преобразование постоянного тока в переменный выполняет инвертор, с которого питание подается на стандартные приборы потребления. Использование солнечной энергии таким способом наиболее эффективно, так как в результате получается универсальный вид, пригодный для питания большого количества установок, приборов и устройств.

Фотоэлементы, или солнечные батареи, как их называют в обиходе, бывают нескольких видов: кремниевые и пленочные.

Количество кремния в окружающей природе очень велико, чем и объясняется популярность этого типа фотоэлементов. Существуют разные виды кремниевых солнечных батарей:

1. Монокристаллические. Их КПД приближается к 20%, что для современных фотоэлементов весьма высокий показатель. Производятся из очищенного материала, монокристалла, разрезанного на тонкие пластинки. Внешне такие панели похожи на соты или ячейки черного цвета. Самые дорогие и качественные
2. Поликристаллические. При изготовлении используется срез из медленно охлажденного расплава кремния. Полученные пластинки состоят из множеств кристаллов, ориентированных в разные стороны. КПД — до 18%. Цвет ячеек синий, отличить их легко. Стоимость заметно ниже, чем у монокристаллических панелей
3. Аморфные. Представляют собой слой силана (кремневодорода), нанесенного на гибкую подложку. КПД всего 5%, но способность поглощать солнечные лучи намного выше — почти в 20 раз, поэтому аморфные панели весьма хороши для пасмурной погоды. Стоимость самая низкая из всех кремниевых видов

Пленочные батареи производятся из различных полимеров, способных демонстрировать полупроводниковый эффект. Их разрабатывают с целью снижения себестоимости производства фотоэлементов, а также для улучшения характеристик панелей. Существуют разные виды:

• на основе теллурида кадмия;
• на базе селенида меди-индия;
• на полимерной основе.

Пока пленочные образцы уступают кремниевым как по КПД, так и по остальным показателям (кроме цены), но производители не теряют бодрости и уверяют пользователей в скором изменении ситуации.

Использование фотоэлементов для производства электротока позволяет получать количество энергии, достаточное для питания любых потребителей, главное — достаточное количество панелей. В этом заключается одно из основных преимуществ солнечной энергетики — способность расширяться путем наращивания количества светоприемных элементов, а не с помощью замены всего оборудования.

Солнечные коллекторы

Эти устройства действуют по совершенно иному принципу. Они не используют высокотехнологичных материалов, получая от Солнца только тепловую энергию. Принцип действия коллекторов основан на способности солнечных лучей заметно нагревать предметы. Наиболее простая модель представляет собой плоский ящик черного цвета, накрытый прозрачной крышкой. Темная поверхность принимает солнечное тепло, нагревается, но отдавать его в окружающую атмосферу не может — мешает эффект парника, образованный прозрачной крышкой. На практике конструкции солнечных коллекторов несколько отличаются:

1. Открытые. Самые простые (если не примитивные) приемники, представляющие собой продолговатые лотки из черной пластмассы, наполненные водой. Лотки нагреваются и отдают тепло воде. Которая используется для летнего душа или подогрева воды в бассейне. Этот вид не может похвастаться ни КПД, ни долговечностью, но простота и возможность сделать открытые коллекторы самостоятельно дали определенную популярность
2. Трубчатые. Приемниками энергии являются вакуумные стеклянные трубки. Они имеют коаксиальную конструкцию (тип «труба в трубе», между ними вакуум для теплоизоляции). Соединяются в распределитель и подключаются к отопительному контуру
3. Плоские. Больше всего они напоминают вышеупомянутую модель — черный ящик с прозрачной крышкой. На поверхность днища плотно крепится трубка с водой, получающей тепловую энергию от контакта с нагретым материалом

Использовать солнечные коллекторы можно только в определенных условиях. Если стоит мороз, полезный эффект будет практически незаметен. Необходимо, чтобы температура воздуха было довольно высока, что делает использование солнечного обогрева доступным только в достаточно теплых регионах. Коллекторы используются только для обогрева помещений, поэтому их функционал и возможности заметно ниже.

Преимущества солнечных установок

• Основным преимуществом является неограниченно высокий ресурс источника — Солнца. На самом деле, поток энергии имеет определенные пределы, но на нынешнем этапе развития технологии достичь этого предела совершенно невозможно.
• Вторым преимуществом является отсутствие стоимости энергии. Она просто есть, и ей можно и нужно пользоваться.
• Кроме того, появление источника предсказуемо и может быть заранее рассчитано с точностью до секунд, что заметно отличает его от других альтернативных видов энергии.

Проблемы использования солнечной энергии

Применение солнечной энергии имеет и некоторые проблемы. Основными из них являются отсутствие Солнца в ночное время и возможность возникновения облачности, осадков и прочих неблагоприятных погодных условий. Есть и еще важная и существенная проблема — низкая эффективность оборудования, в сочетании с высокой ценой. Эта проблема считается разрешимой, многие ученые и инженеры постоянно работают над ее решением.

Перспективы развития

Энергия Солнца на Земле неиссякаема. Это дает основания прочить постоянное развитие и продвижение технологий получения и переработки солнечной энергии, появление более эффективной аппаратуры, увеличение доли солнечной энергии в общем потреблении человечества. Статистика показывает, что за последние 10 лет в этом направлении сделан гигантский скачок, поэтому будущее у гелиоэнергетики во всех смыслах слова блестящее.

Пригодна ли для обычного дома

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

Сферы применения солнечной энергии

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

Энергоснабжение частного дома

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

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

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

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

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

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

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

 

Портативные источники энергии

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

• Солнечная батарея для ноутбука;
• Аккумулятор на солнечных батареях для телефона;
• Солнечная батарея для зарядки автомобильного аккумулятора.

Концентраторы

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

Транспорт

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