Солнечная энергия и перспективы ее использования

Солнечные концентраторы

Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз ирефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатыватьэлектричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду.

Большие зеркала — с точечным либо линейным фокусом — концентрируютсолнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этомдостаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма «Luz Corp.»установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию вэлектричество с КПД около 15 %.

Существуют следующие виды солнечных концентраторов:

1. Солнечныепараболические концентраторы

2. Солнечнаяустановка тарельчатого типа

3. Солнечные электростанции  башенного типа с центральным  приемником.

Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатыватьэнергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем,нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образомпроисходит в так называемых солнечных прудах.

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды,неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает сглубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности.Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слояхводы благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретаяпоглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своейвысокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почтине закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными).Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качествеисточника тепла, благодаря которому особая турбина с органическимтеплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного прудавыступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла содна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды прудадостаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель,пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутуюсистему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

3.3  Фотоэлектрические системы

Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии вэлектроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, отгреческого photos — свет и названия единицы электродвижущей силы — вольт).Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах,изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые подвоздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяяфотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строитькрупные фотоэлектрические станции. Крупнейшая такая станция на сегодняшний день- это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в американском штате Калифорния.КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 10%, однакоотдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

Солнечныефотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся механизмов,однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства,аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действияфотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникаетпод воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическимисвойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементовобразует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули,благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а непеременный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся отбатарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярныепромежутки времени. Именно этот тип электричества поставляютэнергопроизводители, он используется для большинства современных приборов иэлектронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрическихмодулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системенеобходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

В ближайшие десятилетия значительная часть мирового населенияпознакомится с фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционнаянеобходимость сооружения крупных дорогостоящих электростанций ираспределительных систем. По мере того, как стоимость фотоэлементов будетснижаться, а технология — совершенствоваться, откроется несколько потенциальноогромных рынков фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, встроенные встройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение домов.Потребительские товары — от ручного инструмента до автомобилей — выиграют вкачестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты.Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы примененияфотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.

К простейшим фотоэлектрическим системам относятся:

· солнечные насосы- фотоэлектрические насосные установки являются долгожданной альтернативойдизельным генераторам и ручным насосам. Они качают воду именно тогда, когда онаособенно нужна — в ясный солнечный день. Солнечные насосы просто устанавливатьи эксплуатировать. Небольшой насос может установить один человек за пару часов,причем ни опыт, ни специальное оборудование для этого не нужны.

· Фотоэлектрическиесистемы с аккумулятором — аккумулятор заряжается от солнечного генератора,запасает энергию и делает ее доступной в любое время. Даже в самыхнеблагоприятных условиях и в отдаленных пунктах фотоэлектрическая энергия,сохраняемая в аккумуляторах, может питать необходимое оборудование. Благодаряаккумулированию электроэнергии фотоэлектрические системы служат надежнымисточником электропитания днем и ночью, в любую погоду. Фотоэлектрическиесистемы, оснащенные аккумулятором, во всем мире питают осветительные приборы,сенсоры, звукозаписывающее оборудование, бытовые приборы, телефоны, телевизорыи электроинструменты.

· фотоэлектрическиесистемы с генераторами — когда электричество нужно непрерывно или возникаютпериоды, когда его нужно больше, чем может выработать одна только фотобатарея,ее может эффективно дополнить генератор. В дневные часы фотоэлектрическиемодули удовлетворяют дневную потребность в энергии и заряжают аккумулятор.Когда аккумулятор разряжается, двигатель-генератор включается и работает до техпор, пока батареи не подзарядятся. В некоторых системах генератор восполняетнедостаток энергии, когда потребление электричества превышает общую мощностьаккумуляторов. Двигатель-генератор вырабатывает электричество в любое времясуток. Таким образом, он представляет собой прекрасный резервный источникпитания для дублирования ночью или в ненастный день фотоэлектрических модулей,зависящих от прихотей погоды. С другой стороны, фотоэлектрический модульработает бесшумно, не требует ухода и не выбрасывает в атмосферу загрязняющиевещества. Комбинированное использование фотоэлементов и генераторов способноснизить первоначальную стоимость системы. Если резервной установки нет,фотоэлектрические модули и аккумуляторы должны быть достаточно большими, чтобыобеспечивать питание ночью.

· фотоэлектрическиесистемы, присоединённые к сети — в условиях централизованного энергоснабжения,подключенная к сети фотоэлектрическая система может обеспечивать частьнеобходимой нагрузки, другая часть при этом поступает из сети. В этом случаеаккумулятор не используется. Тысячи домовладельцев в разных странах мираиспользуют такие системы. Энергия фотоэлементов либо используется на месте,либо подается в сеть. Когда же владельцу системы нужно больше электричества,чем она вырабатывает — например, вечером, то возросшая потребность автоматическиудовлетворяется за счет сети. Когда же система вырабатывает большеэлектричества, чем может потребить хозяйство, излишек отправляется (продается)в сеть. Таким образом, коммунальная сеть выступает в роли резерва дляфотоэлектрической системы, как аккумулятор — для автономной установки.

· промышленныефотоэлектрические установки — фотоэлектрические станции работают бесшумно, непотребляют ископаемого топлива и не загрязняют воздух и воду. К сожалению,фотоэлектрические станции пока еще не очень динамично входят в арсеналкоммунальных сетей, что можно объяснить их особенностями. При современномметоде подсчета стоимости энергии, солнечное электричество все еще значительнодороже, чем продукция традиционных электростанций. К тому же фотоэлектрическиесистемы вырабатывают энергию только в светлое время суток, и ихпроизводительность зависит от погоды.

4. Солнечная архитектура

Существует несколько основных способов пассивного использования солнечнойэнергии в архитектуре. Используя их, можно создать множество различных схем,тем самым получая разнообразные проекты зданий. Приоритетами при постройкездания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачноерасположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северномполушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (инаоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобыограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время);правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежатьнежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время, хорошоизолированная конструкция здания.

Расположение, изоляция, ориентация окон и тепловая нагрузка на помещениядолжны представлять собой единую систему. Для уменьшения колебаний внутреннейтемпературы изоляция должна быть помещена с внешней стороны здания. Однако вместах с быстрым внутренним обогревом, где требуется немного изоляции, или снизкой теплоемкостью, изоляция должна быть с внутренней стороны. Тогда дизайн зданиябудет оптимальным при любом микроклимате. Стоит отметить и тот факт, чтоправильный баланс между тепловой нагрузкой на помещения и изоляцией ведет нетолько к сбережению энергии, но также и к экономии строительных материалов.Пассивные солнечные здания — идеальное место для жизни. Здесь полнее ощущаетсясвязь с природой, в таком доме много естественного света, в нем экономитсяэлектроэнергия.

Пассивное использование солнечного света обеспечивает примерно 15%потребности обогрева помещений в стандартном здании и является важнымисточником энергосбережения. При проектировании здания необходимо учитыватьпринципы пассивного солнечного строительства для максимального использованиясолнечной энергии. Эти принципы можно применять везде и практически без дополнительныхзатрат.

Во время проектирования здания также следует учитывать применениеактивных солнечных систем, таких как солнечные коллекторы и фотоэлектрическиебатареи. Это оборудование устанавливается на южной стороне здания. Чтобымаксимизировать количество тепла в зимнее время, солнечные коллекторы в Европеи Северной Америке должны устанавливаться с углом наклона более 50° отгоризонтальной плоскости. Неподвижные фотоэлектрические батареи получают втечение года наибольшее количество солнечной радиации, когда угол наклонаотносительно уровня горизонта равняется географической широте, на которойрасположено здание. Угол наклона крыши здания и его ориентация на юг являютсяважными аспектами при разработке проекта здания. Солнечные коллекторы для горячеговодоснабжения и фотоэлектрические батареи должны быть расположены внепосредственной близости от места потребления энергии. Важно помнить, чтоблизкое расположение ванной комнаты и кухни позволяет сэкономить на установкеактивных солнечных систем (в этом случае можно использовать один солнечныйколлектор на два помещения) и минимизировать потери энергии на транспортировку.Главным критерием при выборе оборудования является его эффективность.

 
Заключение

В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергиииз-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкийкоэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следуетсразу отказываться от практически неистощимого источника чистой энергии: поутверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимыепотребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, такжеповысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов ирядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовыхэлектроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нуждпромышленности, требующих больших затрат энергии, можно использоватькилометровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Ноперед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением иэксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земнойповерхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останетсядовольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.

В настоящее время разрабатываются новые космические проекты, имеющиецелью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают участиедесятки стран. Данные о процессах, происходящих на Солнце, получают с помощьюаппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и космическихракетах, на горных вершина и в глубинах океанов.

Большое внимание нужноуделить и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством длясуществования и развития человечества, оказывает воздействие на природу иокружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственнуюдеятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, чточеловек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собойразумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше ибольше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требуетэкологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимостирешения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытиенужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений,поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла иэлектроэнергии и т.д.

Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю,работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

Список использованных источников

Литература

1. Поиски жизни вСолнечной системе: Перевод с английского. М.: Мир, 1988 г., с. 44-57

2. Жуков Г.Ф. Общаятеория энергии.//М: 1995., с. 11-25