Энергия солнца — перспективы использования

Развитие альтернативной энергетики идет по пути использования возобновляемых ресурсов.

Основной источник тепла и света на планете – солнечная энергия. Развиваются активные технологии ее использования, создаются электрические и тепловые преобразователи. За использованием излучения Солнца будущее, тепловой и световой потоки в ближайшие миллионы лет не иссякнут. Люди учатся использовать ресурс солнца на протяжении многих веков. Созданы кровельные материалы, автодорожный и ж/д транспорт на солнечных батареях, мощные тепловые и электрические станции. Объем выработки электричества от солнца с каждым годом растет.

Что такое солнечная энергия

Ежедневно на планету направляется мощный поток электромагнитного излучения, его принято называть солнечной энергией. Это инфракрасные тепловые волны, ультрафиолетовые, световой поток и радиоволны. По оценкам ученых, объем радиации составляет 174 петаватт (PW), на 1 м2 воды и суши приходится 1367 Вт в сутки (постоянная Солнца).

Но не весь поток достигает земли, на экваторе зафиксировано максимальное излучение в 1020 В/м. Частично энергия солнца отражается слоями атмосферы, в зависимости от угла наклона лучей и величины светового дня теряется до 40%, землей поглощается не более 35% потока. Нагреваясь, планета производит тепло. Возникает сила ветра, волн, это вторичные альтернативные источники энергии. Растения путем фотосинтеза преобразуют излучение в химическую энергию. Благодаря Солнцу существует всё живое на земле.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

В масштабе мировой экономики аккумулирование 0,5% поступающей на землю солнечной энергии, и ее использование в системе энергетического комплекса перекроет потребность всех возможных потребителей на перспективу. Сейчас в общем объеме производства энергоресурсов путем переработки излучения солнца получают не более 1 %, это 177 МВт. Переход к альтернативной энергетике благотворно сказывается на состоянии окружающей среды. Нет необходимости разрабатывать месторождения углеводородов, перекрывать речные потоки, искусственно изменять природный ландшафт. Энергия солнца безопасна, снижаются риски техногенных аварий. Солнечная энергия считается наиболее перспективным ресурсом из всех альтернативных источников.

 

Страны-лидеры по переработке солнечного излучения в электроток

Позиция в рейтинге Страна Годовой объем выработки (мВт)
10 Южная Корея 2398
9 Бельгия 3156
8 Австралия 4130
7 Испания 5376
6 Франция 5678
5 США 18317
4 Италия 18622
3 Япония 23409
2 Китай 28330
1 Германия 38250

 

Экскурс в историю

Сначала люди научились использовать тепловую составляющую энергетического потока. Об этом свидетельствует несколько фактов:

  • Архимед, используя зеркала, сжег вражеский флот;
  • дворцы Востока отапливались нагретой на солнце водой;
  • в XVII веке был официально представлен первый солнечный водонагреватель, тепловую энергию солнца стали чаще использовать для отопления домов;
  • позже Лавуазье с помощью системы линз расплавил чугун;
  • в XIX веке Мишо изобрел инсолятор для паровой машины в 15 лошадиных сил.

Первая страница в историю создания солнечных батарей вписана в 1839 году. С.Беккель презентовал конструкцию с 1% КПД.В 1873-м У.Смит проводил опыты с селеном, изучал его полупроводниковые свойства, способность генерировать электроны. Прорывом стало изобретение в 1880 году подобие фотопанели. Ч. Фриттс основывался на работах Смита. Полупроводниковые свойства кремния стали использоваться позже. Инженеры Bell Laboratories (США) разработали первые модели на основе кремния в 1954-м. В дальнейшем технологии батарей непрерывно совершенствовались. Через 4 года ими оснастили космический спутник. КПД первой солнечной батареи не превышал 6%, к 2017 году достигал 26%. С 1980-го года батареи стали использовать в калькуляторах и других бытовых приборах.

В 1212 году была сдана в эксплуатацию башенная солнечная электростанция, в мире стали активно создаваться различные преобразователи.

Сферы применения солнечной энергии

Для выработки электротока в промышленных объемах применяются различные способы преобразования энергии солнца:

  1. Наибольшую популярность завоевывают полупроводниковые панели, из них комплектуются модули различной мощности.
  2. Аэростатные станции позволяют поднимать панели на высоту до 20 метров, снижаются потери от облачности.
  1. На параболических СЭС турбогенераторного типа теплоноситель (масло) нагревается в концентраторах: трубках, которые размещаются в фокусной зоне зеркала параболической формы.
  1. В СЭС башенного типа ток вырабатывается преобразованием воды в пар, он вращает турбины. Свет концентрируется системой регулируемых зеркал (гелиостатов).
  2. Принцип станций тарельчатого типа тоже парогенераторный, отражатели имеют вогнутую форму, их диаметр достигает 2 метров, они монтируются в модули.
  3. Станции с двигателями Стирлинга: водород или гелий разогреваются в концентраторах, приводят в движение поршни, вырабатывающие переменный ток.
  4. Солнечно-вакуумные станции основаны на действии воздушного потока, создаваемого из-за разности температур. На поверхности земли монтируется стеклянный купол, электрогенератор располагается у его основания.

 

Панели используются для создания мини-станций, вырабатывающих 12 или 24 вольт. Бесплатная энергия для дачных и загородных домов вырабатывается фотоэлементами, установленными на крышах или специальных щитах. Для личных целей семей из 3–5 человек в индивидуальных домах устанавливаются коллекторы для нагрева воды. Они используются в системах отопления домов.

Кремниевые и другие виды батарей используются в походах, на дачах как портативные источники. Их монтируют:

  • в одежду (жилеты, куртки);
  • на сумки и походные рюкзаки;
  • в корпуса самолетов;
  • на крыши машин, поездов.

Проблемы развития солнечной энергетики

Основные проблемами, отпугивающими инвесторов для вложения средств в промышленное производство электроэнергии:

  • высокая стоимость оборудования;
  • длительный срок окупаемости затрат;
  • зависимость от климатических факторов;
  • низкая КПД существующих установок.

Строительство СЭС во многих странах ведется только по государственным программам. Современные панели имеют низкий КПД, поэтому для размещения блоков большой мощности нужны огромные площади. В Китае стали создавать наводные системы на месте горных разработок. Использование других водных пространств затруднено из-за разрушительной силы волн. В Израиле и Германии делаются попытки использования дорожного полотна для размещения фотоэлементов, но массового распространения такие технологии не пока получили. Во многих регионах России строить СЭС нецелесообразно из-за низкой освещенности, она зависит от географического местоположения, климата, количества ясных дней в году.

Перспективы

Оптимальными местами для строительства СЭС являются экваториальные регионы. В развитых странах разрабатываются долгосрочные программы «100 000 солнечных крыш». По инициативе Германии создана Европейская хартия, пропагандирующая преимущества использования энергии солнца, в архитектурных проектах выделяются площади для размещения солнечных батарей, тепловых коллекторов на крышах зданий. Совершенствуются гелиотермальные установки.

По такому же пути развиваются Китай, Корея, Испания.

Саудовская Аравия готова к реализации масштабного проекта создания самой мощной в мире СЭС. О перспективе использования солнечной энергии задумались в России. В 2020 году запланирован пуск крупной СЭС. Развивается производство панелей для частных домов, представлена модель электромобиля, работающего от энергии солнца.

Ссылка на основную публикацию