К сожалению, современное человечество еще не научилось эффективно использовать огромное количество геотермальной энергии, но этот неисчерпаемый ресурс вызывает все больший интерес ученых, исследующих его потенциал.
Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы
С каждым годом традиционные источники энергии становятся все более исчерпаемыми. Запасы угля, нефти и газа стремительно истощаются, и если альтернативные источники энергии не будут найдены и разработаны, человечество может столкнуться с серьезной энергетической катастрофой. Поэтому многие развитые страны активно занимаются исследованиями, направленными на выявление и разработку новых источников энергии. В первую очередь среди них выделяется солнечная энергия. С древнейших времен люди использовали солнечное тепло для освещения, сушки пищи и одежды, и в настоящее время солнечная энергия рассматривается как один из наиболее жизнеспособных альтернативных источников энергии. На сегодняшний день существует несколько проектов, которые успешно преобразуют солнечную энергию в электричество или тепло. Сектор солнечной энергетики продолжает развиваться и эволюционировать, однако, как и в любой другой области, он сталкивается с определенными проблемами, которые мы рассмотрим в данной статье.
Солнечная энергия – это один из самых доступных возобновляемых источников энергии на Земле. Её использование положительно сказывается на экологии, поскольку для этого не требуется бурение скважин или разработка шахт. Более того, солнечное тепло представляет собой совершенно бесплатный источник энергии. Однако стоит учитывать, что расходы на приобретение и установку оборудования не могут быть игнорированы.
Ключевой проблемой является прерывистость солнечного источника: солнце светит не всегда и не везде. Поэтому для эффективного использования солнечной энергии необходимо обеспечить её хранение и использовать в сочетании с другими источниками. Основная сложность на данный момент заключается в том, что существующее оборудование часто демонстрирует низкие показатели эффективности преобразования солнечной энергии в электричество и тепло. В связи с этим все усилия направлены на улучшение этих характеристик и снижение стоимости панелей и систем.
Действительно, многие ресурсы, используемые человечеством, имеют солнечное происхождение. Например, ветер — еще один возобновляемый ресурс — формируется благодаря солнечному теплу. Процесс испарения воды, который также тесно связан с солнечной энергией, заканчивается образованием облаков, а дождь наполняет реки. Гидроэлектрическая энергия, в свою очередь, становится возможной благодаря солнечному свету, а биотопливо тоже невозможно было бы получить без солнечного излучения. Таким образом, солнце не только представляет собой первоисточник энергии, но также оказывает значительное влияние на другие энергетические отрасли.
Солнце излучает энергию в виде нескольких типов волн, только три из которых достигают поверхности Земли:
- Инфракрасные волны. Они составляют около 49% всего солнечного излучения,
- Видимый свет. Также составляет приблизительно 49%, благодаря которому мы наблюдаем освещение на Земле,
- Ультрафиолетовое излучение. Оно составляет около 2% всего солнечного спектра и невидимо для человеческого глаза.
Экскурс в историю
История использования солнечной энергии началась давно. Люди начали задумываться об использовании солнечного света в своих интересах с давних времен. Легенда гласит, что Архимед использовал специальные зеркала для концентрации солнечных лучей, чтобы сжечь вражеский флот, прибывший к его городу Сиракузы. Еще в древности, в ряде культур было принято отапливать дворцы горячей водой, нагретой солнцем, а в некоторых регионах соль добывали путем выпаривания морской воды при помощи солнечного тепла. На протяжении всей истории ученые вводили различные эксперименты, используя устройства, работающие на солнечном свете.
Первая известная модель солнечного водонагревателя была сконструирована в 17 веке. Швейцарский ученый Н. Соссюр представил устройство, представляющее собой ящик, закрытый стеклянной крышкой, в котором вода могла нагреваться до 88 градусов Цельсия. В 1774 году французский ученый А. Лавуазье провел эксперимент с использованием линзы для концентрации солнечного тепла, в результате чего линза смогла расплавить чугун за считанные секунды.
В конце 19 века, после ряда экспериментов, ученый О. Мушо придумал изолятор, фокусирующий солнечные лучи с помощью линзы, который использовался для нагрева воды в паровом котле, обеспечивая работу принтеров. В это время в США была разработана солнечная установка, которая имела мощность 15 «лошадей».
Долгое время солнечные изоляторы использовались для преобразования солнечного света в пар, который затем применялся для различных целей. Первое устройство, преобразующее солнечную энергию в электричество, появилось в 1953 году в США, обозначив начало выполнения рабочего прототипа современных солнечных батарей. Фотоэлектрическое явление в солнечных батареях было открыто в 1970-х годах.
В 1930-х годах советский физик А. Ф. Иоффе предложил использовать солнечные полупроводниковые элементы для преобразования солнечного света в электричество. На тот момент эффективность таких батарей составляла менее 1%. Спустя годы, лишь в 1954 году были созданы солнечные фотоэлектрические элементы, обладающие эффективностью в 10-15%. Позже их усовершенствовали американские ученые, разработав современные солнечные панели.
Низкая эффективность солнечных батарей часто компенсируется увеличением площади солнечного элемента. Это позволяет получать больше энергии, чем у традиционных систем. Однако заметный показатель заключен в том, что кремниевые полупроводники по-прежнему остаются весьма дорогими. При увеличении эффективности устройств повышаются также и затраты на их производство, что становится серьезным препятствием для широкомасштабного использования солнечной энергии. Тем не менее, с учетом исчерпания традиционных ресурсов, использование солнечных батарей становится все более экономически оправданным. Исследования по улучшению свойств фотоэлектрических элементов продолжаются, хотя проявляют меньшую интенсивность.
Солнечные элементы, используемые в панелях, обладают высокой долговечностью и не требуют регулярного технического обслуживания. Именно по этой причине они стали популярными в домашнем использовании. Крупномасштабные солнечные электростанции также начинают появляться, особенно в странах, отличающихся большим числом солнечных дней, таких как Израиль, Саудовская Аравия, южные штаты США, Индия и Испания. В сегодняшние дни запускаются несколько проектов в области солнечной энергетики, например, солнечные электростанции, расположенные на орбите, где солнечный свет не теряет своей силы. Это дает возможность собирать вещества с солнца и преобразовывать их в микроволны, которые затем направляются на Землю.
Преобразование солнечной энергии
Начнем с обсуждения методов представления и оценки солнечной энергии и её значимости.
Как можно оценить солнечную энергию?
Для оценки солнечной энергии эксперты используют понятие солнечной постоянной, которая составляет 1 367 ватт (Вт). Это количество энергии, которое в среднем падает на квадратный метр поверхности Земли. К сожалению, около 25% этой энергии теряется в атмосфере. На экваторе солнечная постоянная достигает максимума, равного 1 020 ваттам на квадратный метр поверхности. Учитывая влияние суток, наличие ночи и угла падения солнечных лучей, это значение необходимо уменьшить еще примерно в три раза, что дает результат около 340 ватт на квадратный метр.
Распределение солнечной радиации на карте планеты показывает, как солнечные лучи достигают различных регионов мира с разной интенсивностью. Все же существует и другая сторона солнечной энергии: изменения, происходящие в рамках ядерного синтеза на солнце. Энергия высвобождается в процессе преобразования четырех атомов водорода в ядра гелия. Этот процесс сопровождается освобождением колоссальных количеств энергии, сравнимых с теми, которые выделяются при сжигании 15 тонн углеводородного топлива.
Методы преобразования
Поскольку наука не располагает средствами для непосредственного извлечения солнечной энергии, она должна быть преобразована в более доступные ее формы. Для достижения этой цели созданы такие устройства, как солнечные панели и солнечные батареи. Солнечные батареи, в частности, предназначены для преобразования солнечной энергии в электричество, в то время как коллекторы используются для получения тепла. Существуют модели, которые способны объединять оба процесса, они известны как гибридные солнечные панели.
Гибридные солнечные панели способны вырабатывать как электрическую, так и тепловую энергию, что делает их универсальным решением.
- Производство солнечной энергии — это первая технология, которая активно используется сегодня и основана на применении фотоэлектрических панелей, работающих под воздействием солнечных лучей. Обычно они изготавливаются из кремния, обладающего высокой проводимостью.
- Солнечное тепло — здесь используются коллекторы, которые поглощают солнечную энергию для нагрева воздуха или жидкости, что может затем быть использовано для отопления или в других нуждах.
- Тепловой воздух — особый метод, где теплый воздух работает на вращение турбогенератора для производства электроэнергии.
- Электростанции с солнечными шарами — это технологии, использующие солнечные лучи для нагрева специального газа или жидкости, который затем используется для генерации электроэнергии.
Метод, которым солнечная энергия преобразуется в электричество, является самым распространенным. Он может быть основан на использовании фотоэлектрических панелей, которые модулируются в батареи и устанавливаются на крыше дома или на открытых площадках. Есть требования по размещению этих панелей, так как их эффективность может снижаться из-за наличия объектов, которые отбрасывают тень.
Помимо традиционных солнечных батарей, существуют также гибкие и тонкопленочные солнечные панели. Их основное преимущество в меньшем весе и значительно облегченной конструкции, в то же время, недостатком является снижение общей производительности в сравнении с традиционными моделями, поэтому часто такие устройства используются в портативных зарядных устройствах.
Метод преобразования тепла с использованием воздушного потока зависит от уникальных конструкций, которые обеспечивают нагрев воздуха с последующим запуском турбогенератора, активирующего генерацию электричества. Это может происходить даже в условиях отсутствия солнечного света, благодаря тому, что этот поток воздуха переходит в водяной пар, который затем управляет процессом генерации.
Технологии солнечной энергетики в настоящее время представляют собой один из наиболее перспективных секторов: эксперты прогнозируют, что в течение следующих 30–40 лет солнечные батареи смогут произвести около 20% всей электроэнергии в мире.
Обоснованность применения альтернативных источников.
Сегодня солнечные коллекторы становятся не только жизнеспособным источником энергии, производящим электричество, но и отвечают растущим потребностям человечества в энергетике в целом.
На протяжении многих лет солнечные установки продолжают успешно использоваться на космической орбите. Основная причина их использования связана не только с экономической целесообразностью, но и с невозможностью применения традиционных источников энергии в условиях, присущих косmisкого пространства.
По мере истощения запасов традиционных ископаемых ресурсов, таких как уголь и нефть, мир постепенно движется к новой реальности, в которой привычные источники энергии могут исчезнуть. Именно в этот момент человечество должно будет разрабатывать и внедрять не просто прототипы, а полностью функционирующие и готовые к эксплуатации установки, обеспечивающие выработку электроэнергии на масштабах целых стран, а не только отдельных домохозяйств или городов.
Растущее давление связанное с повышением цен на традиционные источники энергии ощущается все острее. Солнечные панели становятся более доступными и простыми для приобретения, в связи с чем наблюдается настоящий бум в их использовании. Эти солнечные решения устанавливаются в жилых районах и индивидуальных домах, что объясняется их полной автономностью и легкостью в эксплуатации.
Лидеры в производстве легких мегаватт.
Многие владельцы частных домов предпочитают однократные вложения в солнечные водонагреватели, отказавшись от постоянных затрат на растущие тарифы на энергоресурсы. Некоторые страны демонстрируют активное стремление к так называемому энергетическому суверенитету, ориентируясь на активное использование возобновляемых источников энергии. Например, в Южной Корее всего за один 2008 год было продано и введено в эксплуатацию солнечных панелей общей мощностью чуть менее 300 мегаватт. В Японии же эта цифра приближается к 3 000 мегаватт, и в ближайшем будущем эта мощность может достичь 9 000 мегаватт.
Современные лидеры использования солнечных батарей — это Германия и Италия, где Германия на протяжении нескольких лет опережает Японию в этом рейтинге. Соединенные Штаты Америки хоть и отстают полностью, но все же демонстрируют впечатляющий темп роста и внедрения технологий солнечной энергии.
Постоянное инженерное усовершенствование конструкций и функционала солнечных панелей приблизило мировые сообщества к отметке в 32 000 мегаватт производства электроэнергии из возобновляемых ресурсов. При этом прогнозы специалистов по мировой энергетике указывают на то, что к 2020 году общее количество энергии, вырабатываемой солнечными батареями, может достичь примерно 320 000 мегаватт.
Немного истории.
Солнечные панели работают на основе фотоэлектрического эффекта, который был впервые продемонстрирован в 1939 году. Создание первых реально работающих солнечных батарей заняло несколько десятилетий, что не позволило им быстро внедриться в практику.
Изначально солнечные панели применялись на небольших участках земли, часто в ситуациях, когда стандартные источники энергии недоступны из-за удаленности или географических условий. Автономные солнечные массивы нередко используются в космической промышленности, где ни один другой источник энергии не может предоставлять надежное энергоснабжение в течение продолжительных периодов.
Первые прототипы солнечных панелей имели крайне низкие показатели эффективности и не вызывали уверенности в своем успешном будущем. Однако всего через несколько лет их популярность начала возрастать, и сейчас эффективность устройств на основе монокристаллических и поликристаллических технологий увеличилась на 20% и более, что свидетельствует о высоком прогрессе.
Монокристаллические и поликристаллические солнечные панели остаются наиболее распространенными на рынке, обладая схожими характеристиками. В результате развития технологий проникают новые сплавы и материалы, такие как аморфный кремний и кадмия теллурид, которые обещают повысить общую эффективность солнечных батарей.
