Солнечные лучи приносят на землю какую энергию

Как рождается энергия Солнца?

Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.

Одна из причин этому заключается в том, что Земля расположена в потенциально обитаемой зоне вокруг Солнца (так называемой «зоне Златовласки»). Это означает, что она находится в нужном месте (не слишком далеко и не слишком близко), чтобы получать обильную энергию Солнца, в которую входит свет и тепло, необходимые для протекания химических реакций. Но как именно Солнце обеспечивает нас энергией? Какие этапы проходит энергия на пути к нам, на планету Земля?

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.

Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.

Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.

Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.

Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.

Солнце высвобождает энергию, преобразуя массу в энергию со скоростью 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 38,460 септиллионам ватт в секунду. Чтобы вам было понятнее, это эквивалентно взрывам 1 820 000 000 «царь-бомб» — самой мощной термоядерной бомбы в истории человечества.

Зона лучистого переноса

Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Температура этого слоя пониже, примерно от 7 миллионов градусов ближе к ядру до 2 миллионов градусов на границе конвективной зоны. Плотность тоже падает в сто раз с 20 г/см³ ближе к ядру до 0,2 г/см³ у верхней границы.

Конвективная зона

Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.

Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.

На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.

Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.

Фотосфера

Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.

Толщина фотосферы — сотни километров, именно в этой области Солнце становится непрозрачным для видимого света. Причина этого в уменьшении количества отрицательно заряженных ионов водорода (H-), которые с легкостью поглощают видимый свет. И наоборот, видимый свет, который мы видим, рождается в процессе реакции электронов с атомами водорода с образованием ионов H-.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.

Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).

Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.

Энергия солнца

Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов [1] .

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Отдельные лица и организации также используют её из идеологических соображений (энвайронментализм), эксплуатируя экологическую безвредность распределённой [2] солнечной энергетики. См., например, «Глобальный фонд солнечной энергии», инициированный «Зелёным крестом» Михаила Горбачёва [3] .

20 ноября 1980, Стив Птачек совершает полет на самолёте, питающемся только солнечной энергией.

Содержание

Земные условия

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения — антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов. — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства солнечной энергетики

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечной энергетики

1. Фундаментальные проблемы

• Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, это недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

• Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

2. Технические проблемы

• Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

• Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
• Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).
• Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.
• Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
• Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

3. Экологические проблемы

• Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

В последнее время начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Из-за низкого содержания кремния тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.

Типы фотоэлектрических элементов

• Монокристаллические кремниевые
• Поликристаллические кремниевые
• Тонкоплёночные

В 2006 г. тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2005 г. на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2007 г. доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %.

За период с 1999 г. по 2006 г. поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем в 2005 г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на на 16 % больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).

К 2005 году суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд $.

Ввод в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия — 57 %; Япония — 20 %; США — 7 %; остальной мир — 16 %. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004 г.): Германия — 39 %; Япония — 30 %; США — 9 %; остальной мир — 22 %.

Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. в 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26 %.

В 2006 г. десять крупнейших производителей произвели 74 % фотоэлементов, в том числе:

• Sharp Solar — 22 %;
• Q-Cells — 12 %;
• Kyocera — 9 %;
• Suntech — 8 %;
• Sanyo — 6 %;
• Mitsubishi Electric — 6 %;
• Schott Solar — 5 %;
• Motech — 5 %;
• BP Solar — 4 %;
• SunPower Corporation — 3 %.

К 2010 г. установленная мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2—3,9 ГВт, а выручка производителей составит 18,6—23,1 млрд $/год.

Когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20—30 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.)

• Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.
• Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
• Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40—50 % состоит из стоимости кремния.

Освещение зданий

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке.

Световые колодцы применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т.д.

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии.

В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

Солнечная кухня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства «солнечной кухни» составляет $3 – $7. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10%. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн. тонн СО₂. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг. дров.

Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО₂ на 1,7 млн. тонн в 2008-2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

• Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

• Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м 2 . В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг. в год (около 10,4 кг. в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%.

См. также

Источники

1. ↑Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008).
2. ↑Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт 15.12.2005
3. ↑Михаил Горбачёв. Интервью газете «The Financial Times» 17.04.2006

Ссылки

2006 г . . . . . ; В Португалии заработала одна из крупнейших в мире солнечных электростанций. . Scientific American.
• Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, Т.38, вып.8, с.937-948.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Энергия солнца» в других словарях:

Энергия Солнца — О количестве Э., излучаемой солнцем, см. статью Солнце. Здесь же указываются гипотезы, построенные для объяснения наблюдаемой неизменяемости лучеиспускания солнца, неиссякаемости Э. солнца. Метеоритная гипотеза Роберта Майера (1848) основывается… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

ЭНЕРГИЯ СОЛНЕЧНАЯ — E h, лучистая (электромагнитная) и корпускулярная энергия Солнца, падающая на поверхность Земли. Средняя интенсивность 2 кал/см2· 1 мин (солнечная константа). Является одним из фундаментальных и незаменимых экологический факторов, без… … Экологический словарь

Энергия волн — Генератор на энергии волн Skizze Энергия волн  энергия, переносимая волнами на поверхности океана. Может использоваться для совершения полезной работы  генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Энергия… … Википедия

ЭНЕРГИЯ — ЭНЕРГИЯ, одна из основных физ. категорий. Понятие Э. должно всегда рассматриваться совместно с законом сохранения и превращения Э., в к ром и выявляется вся его сущность. Часто приводимое в курсах физики определение Э. как способности производить … Большая медицинская энциклопедия

Энергия — У этого термина существуют и другие значения, см. Энергия (значения). Энергия , Размерность … Википедия

Энергия волн океана — Генератор на энергии волн Skizze Энергия волн океана  энергия, переносимая волнами на поверхности океана. Может использоваться для совершения полезной работы  генерации электроэнергии, опреснения во … Википедия

Энергия морских волн — Генератор на энергии волн Skizze Энергия волн энергия волн на поверхности океана, используемая для совершения полезной работы генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Энергия волн возобновляемый источник энергии … Википедия

Энергия ветра — Ветроэнергетика отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца.… … Википедия

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ — внутренняя энергия атомного ядра, вьщеляющаяся при ядерных превращениях. Обусловлена действием внутри атомных ядер сил притяжения между составляющими ядра нуклонами протонами и нейтронами. Силы притяжения между нуклонами действуют только на очень … Химическая энциклопедия

Первичная энергия — Первичная энергия  форма энергии в природе, которая не была подвергнута процессу искусственного преобразования. Первичная энергия может быть получена из невозобновляемых или возобновляемых источников энергии. Концепция первичной энергии… … Википедия

Как на Земле развивается использовании энергии Солнца?

Небесное светило дарит нам бесплатно огромное количество энергии. Всего за 15 минут звезда отдаёт нашей планете объём энергии, которого человечеству хватит для обеспечения электричеством на один год. Качество и эффективность солнечных батарей постоянно совершенствуются и становятся дешевле. Однако до массового использования энергии солнца пока далеко. Есть ряд проблем, из которых особенно остро стоит эффективность оборудования для преобразования солнечного излучения. В основном это касается фотоэлектрических элементов, эффективность которых лежит в интервале 12─17 процентов. Но ещё в середине прошлого столетия она составляла около 1%. Так, что прогресс постепенно идёт, хотя и не быстро. Поэтому в будущем энергия солнца должна занять достойное место в мировой энергетике. В этом материале речь пойдёт об использовании солнечной энергии в хозяйственной деятельности на Земле. Поговорим о проблемах и перспективах, а также приведём примеры оборудования.

Общая информация о поступающей от Солнца энергии

Солнце служит первоначальным источником всех энергетических процессов на Земле. Звезда отправляет в сторону нашей планеты 20 миллионов эксаджоулей за год. Поскольку Земля круглой формы на неё попадает примерно 25%. Из этой энергии примерно 70 процентов поглощается атмосферой, отражается и уходит на прочие потери. На поверхность Земли попадает 1,54 миллиона эксаджоулей в год. Эта цифра в несколько тысяч раз больше, чем энергопотребление на планете. Кроме того, эта величина в 5 раз превышает весь энергетический потенциал углеводородного топлива, накопленных на Земле за миллионы лет.

Солнце – неиссякаемый источник энергии

Растения на Земле потребляют всего лишь 0,5 процента энергии, доходящей до Земли. Поэтому, даже если человечество будет существовать только за счёт энергии солнца, они будут потреблять лишь малую её долю. Энергии Солнца на Земле вполне достаточно для энергетических потребностей цивилизации. При этом мы возьмём лишь небольшую часть энергии, и это никак не скажется на биосфере. Солнце отправляет на Землю огромное количество энергии. За несколько дней её количество превышает энергетический потенциал всех разведанных запасов топлива. Даже треть от этого количества, которое попадает на Землю, в тысячи раз превышает все традиционные источники энергии.

Солнечная энергия экологически «чистая». Конечно, ядерные реакции, проходящие на Солнце, порождают радиоактивное загрязнение. Но оно находится на безопасном расстоянии от Земли. А вот сжигание углеводородов и атомные электростанции создают загрязнения на Земле. Кроме того, энергия Солнца постоянна и присутствует в избыточном количестве.

Солнечная энергия практически неиссякаема

Какие есть проблемы при использовании солнечной энергии?

Казалось бы, всё прекрасно и нужно переходить на использование энергии солнца. Оказывается, есть ряд проблем. Каких же? Основная проблема заключается в том, что поступающая энергия сильно рассеивается. На один квадратный метр попадает примерно 100─200 ватт. Точное количество зависит от расположения этого места на Земле. Кроме того, Солнце светит днём, и мощность в это время достигает 400—900 ватт на квадратный метр. А ночью энергии не поступает, а пасмурную погоду поступает значительно меньше. То есть, в какие-то моменты нужно собирать весь этот энергетический поток и накапливать. А когда солнечный свет на землю не падает, использовать накопленную энергию.

Использование солнечной энергии на Земле

Но в целом гелиосистемы являются очень перспективной сферой энергетики. Стоит ещё немного подрасти в цене энергоносителям, и они станут очень востребованы. На Земле много районов, где практически постоянно светит солнце. Это степи, пустыни. При установке там солнечных электростанций и получения электроэнергии можно обустроить эту землю и сделать её плодородной. Энергия будет расходоваться на подвод воды и нужды населения.

Экскурс в прошлое

Когда-то в глубокой древности язычники воспринимали Солнце в качестве божества. Конечно, в те времени использование солнечной энергии отсутствовало, как таковое. Это было нечто магическое. Но первые попытки использования солнечной энергии предпринимались уже довольно давно. Если не брать во внимание легенду о сожжённом с помощью концентрированной солнечной энергии флоте в Древней Греции, то настоящее использование энергии Солнца началось в XIX─XX веках. В 1839 году учёный Беккерель открыл фотогальванический эффект. Спустя несколько десятилетий Чарльз Фриттс разработал солнечный модуль, основой которого стал селен, покрытый золотом. Первые солнечные панели, которые были выпущены в XX веке имели КПД не более 1%. Но на тот момент это было настоящим прорывом. В результате для учёных открылись новые горизонты для исследований и новых открытий.

Одна из первых гелиосистем

Альберт Эйнштейн также внёс значительный вклад в развитие солнечной энергетики. Конечно, среди его достижений чаще всего упоминают теорию относительности. Но свою Нобелевскую премию он получил за изучение явления внешнего фотоэффекта. Технология производства солнечных панелей для получения электричества постоянно совершенствуется. Поэтому есть надежда, что скоро мы станем свидетелями новых потрясающих открытий в этой области.

Сферы использования солнечной энергии

Область использования энергии солнца довольно широкая и постоянно расширяется. Здесь можно упомянуть даже такую простую вещь, как летний душ баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мыться. Использование гелиосистем для частных домов ещё совсем недавно казалось фантастикой, а сегодня стали реальностью. Сейчас выпускается много солнечных коллекторов для обогрева бытовых и производственных помещений. Уже есть модели, которые способны работать при отрицательных температурах. Кроме того, полно всевозможных мобильных power bank на солнечных батареях для зарядки мобильных гаджетов, калькуляторов, часов и другой техники с питанием от фотоэлектрических панелей.

Энергия солнца на сегодняшний день используется в таких сферах народного хозяйства, как:

• Энергоснабжение частных домов, пансионатов, санаториев;
• Энергоснабжение населённых пунктов, находящихся вдали от городской инфраструктуры;
• Сельское хозяйство;
• Космонавтика;
• Экотуризм;
• Уличное освещение, декоративная подсветка на дачных участках;
• Жилищно-коммунальное хозяйство;
• Зарядные устройства.

Установки для преобразования солнечной энергии

Давайте, рассмотрим два основных типа установок, которые являются самыми распространёнными на сегодняшний день.

Гелиосистема для получения электрической энергии

Наиболее распространённые системы для преобразования энергии солнца в электричество. Стоят такие системы немало, но после того, как они окупятся, их использование даёт хорошую экономию в расходах на электроэнергию. Частный дом реально обеспечить электропитанием от автономной солнечной электростанции с несколькими фотоэлектрическими панелями. Срок окупаемости установки в российском климате составляет 5 лет, а срок службы солнечных батарей до 30 лет. Можете прочитать подробнее о том, что представляют собой солнечные электростанции.

Гелиосистема для частного дома

; ; ; ;
• Соединительные провода, крепёж.

Главным минусом таких солнечных систем остаётся низкий КПД. Он лежит в пределах 12─15 процентов. В облачную погоду и того меньше. Но уже разработаны фотоэлектрические панели, которые работают в сумерках и облачную погоду, выдавая необходимый ток. И для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне хватает. В основном солнечные батареи собирают с расчётом на выработку напряжения 12 и 24 вольта. Они объединяются последовательно и параллельно для достижения необходимой мощности. Электроэнергия накапливается в аккумуляторах, а затем подаётся в сеть через инвертор.

Солнечные коллекторы

Солнечные батареи для отопления дома или коллекторы излучение солнца в тепловую энергию. По типу теплоносителя различают воздушные и жидкостные коллекторы. В воздушных циркулирует воздух и они являются гораздо менее эффективными, чем жидкостные. Они способны работать на обогрев помещения только до 5─10 градусов тепла на улице. Воздушные солнечные коллекторы часто применяются для отопления хозяйственных построек и сушки овощей.

В жидкостных коллекторах в роли теплоносителя используется вода или антифриз. Они имеют гораздо большую эффективность, чем воздушные. Самыми распространёнными видами таких коллекторов являются плоские и вакуумные.

Плоские имеют простую конструкцию и наиболее распространены. Их часто изготавливают самостоятельно в домашних условиях. Они могут быть использованы, как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещения. Основным элементом в них является абсорбер, который накапливает тепловую энергию и отдаёт её теплоносителю. Такие установки довольно эффективны, но в зимний период на территории России их использовать проблематично.

Примеры использования энергии Солнца на Земле. Солнечные электростанции. Солнечная энергетика

Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.

Необходимость в солнечной энергии

Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.

Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.

«Работа» Солнца

Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.

Основной источник энергии

Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:

1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.

2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.

3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.

Принцип преобразования инфракрасных волн

Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.

При получении электрической энергии используются специальные фотоэлементы. Они принимают лучи света на свою поверхность. Далее солнечные установки производят из них электричество.

Практическое применение

Существуют многочисленные примеры использования энергии Солнца на Земле. Потребность человека в электроэнергии удовлетворяется благодаря применению новейших технологий. Где же используется этот природный источник?

2. Энергия Солнца находит свое применение в дымоходах и пассивных системах вентиляции, где происходит конвекция нагретого световыми волнами воздуха.

3. При помощи Солнца человек научился опреснять морскую воду. Испарителем при этом выступает небесное светило. Опресненная вода идет на нужды промышленности, сельского хозяйства, находит свое применение в быту.

4. Солнечная энергия помогает людям сушить и пастеризовать пищу.

5. Используется этот источник и в космосе. Благодаря энергии Солнца обеспечивается работоспособность спутников и межпланетных станций.

6. Самые простые и маломощные источники электрического тока, действие которых основано на использовании энергии солнечных лучей, – современные калькуляторы.

Новое направление энергетического комплекса

На сегодняшний день человечество внедряет в практику и успешно развивает устройства, позволяющие ему добывать свет и тепло без использования угля, нефти и газа. В народном хозяйстве многих государств возникла новая подотрасль – солнечная энергетика. Это одно из направлений нетрадиционной энергетики. В ее основе лежит принцип непосредственного использования излучения Солнца.

Цель, которую преследует солнечная энергетика, – получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого – Солнце.

Работа комплекса

Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.

География излучений небесного Светила

Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца – долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.

То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:

— странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
— жителям Аравийского полуострова;
— восточному побережью Африки;
— северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
— западному побережью Южной Америки.

Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.

Электростанции

Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.

Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.

Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них – частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.

Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:

— башенные;
— установки с фотоэлементами;
— тарельчатые;
— параболические;
— солнечно-вакуумные;
— смешанные.

Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.

При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.

Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.

Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.

Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.

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.

Перспективы развития

Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.

Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых – многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.

Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.