Солнечная энергия. Что мы знаем на данный момент

Солнечная энергетика (солнечная энергия) — это энергия солнца, которая преобразуется в тепловую или электрическую энергию. Простыми словами – это технологии, используемые для для превращения солнечной энергии в полезную.

Теперь об этом подробнее.

Не смотря на то, что Солнечный свет является крупнейшим источником энергии, достигающим Земли, Долгое время человечество не могло использовать солнечный свет в качестве энергии из-за отсутствия соответствующих технологий. В конце 20-ого века и в 21-ом веке, отношение к этому виду энергии начало меняться.

В действительности,  интенсивность энергии, достигающей поверхности Земли, относительно низка из-за препятствий и потерь которые существуют прежде чем солнечный свет достигает земли.

Большая часть солнечного света теряется в атмосфере Земли. Облака, которые между собой рассеивают до 50% ​​падающего света. Поэтому солнечный свет, достигающий земли, на 50% состоит из видимого света и на 40% из инфракрасного излучения, а остальная часть состоит из небольшого количества ультрафиолетового и других видов электромагнитного излучения. 

Даже учитывая эти потери солнечная энергия  в 200 000 раз превышает общую суточную мощность производства электроэнергии в мире. 

При использовании солнечная радиация может быть преобразована в электрическую энергию с помощью солнечных панелей, например, или преобразована в тепловую (тепловую) энергию, и сейчас эта технология более эффективна.

Солнечные батареи

Электричество можно получать из солнечного света с помощью солнечных батарей (также называемые фотогальваническими элементами). 

Когда солнечный свет попадает на такой элемент, генерируется небольшое электрическое напряжение, поскольку фотоэлектрический эффект возникает между металлом и полупроводником, таким как кремний, или двумя разными полупроводниками. 

Фотогальванический эффект высвобождает электроны, которые текут через внешнюю цепь, поскольку полупроводники имеют естественную разницу в электрическом потенциале (напряжении). Это обеспечивает небольшую мощность нагрузки, при этом каждый фотоэлемент вырабатывает около двух ватт энергии. Создание массивов солнечных панелей из большого количества солнечных элементов позволяет генерировать тысячи киловатт энергии. Большинство современных фотоэлектрических элементов имеют энергоэффективность около 15-22% (хотя вносятся улучшения), а это означает, что для выработки умеренного количества энергии могут потребоваться большие сборки.

Обычное использование солнечных элементов меньшего масштаба включает в себя обеспечение источника питания для карманных калькуляторов и часов, в то время как домовладельцы и предприятия используют более крупные массивы для замены или увеличения своих обычных источников электроэнергии, а солнечные электростанции могут предложить еще более высокие уровни выработки электроэнергии за счет концентрации или фокусировки. свет с выровненными зеркалами или линзами. Эта фокусировка может нагреть цель до 2000 ° C (3600 ° F) или более, запустив котел, который создает пар, который вращает турбины и приводит в действие генератор электроэнергии. Один из методов для этого — сосредоточить тепло на почерневших трубах, по которым проходит вода, чтобы нагреть ее.

Тепловая энергия

Существует несколько методов, которые используются для улавливания солнечной энергии и преобразования ее в тепловую энергию. Одним из наиболее распространенных методов является использование больших плоских коллекторов, которые обычно изготавливаются из металлических пластин, покрытых листами стекла. Эти пластины,, нагреваются, когда на них падает солнечный свет. Жидкости-носители, такие как вода, протекают мимо задней части пластины, нагреваясь, поэтому тепловую энергию можно использовать напрямую или хранить в виде другой среды. Плоские коллекторы используются для солнечного водоснабжения или отопления дома, при этом нагретая вода собирается в солнечные дни и хранится в изолированных резервуарах, чтобы ее можно было использовать ночью или в пасмурные дни. Горячая вода может быть взята непосредственно из резервуара для хранения или пропущена по трубам в полах и потолках для обогрева домов или коммерческих помещений в качестве отопления помещений. Эти жидкости-носители обычно нагревают до температуры от 66 до 93°C. Этот метод сбора имеет КПД 20-80% в зависимости от конструкции коллектора.

Преобразование тепловой энергии также может быть достигнуто с помощью солнечных прудов. Это водоемы с соленой водой, которые собирают и хранят солнечную энергию, которую можно использовать для производства таких продуктов, как химикаты, продукты питания и текстиль, а также для обогрева теплиц, бассейнов и животноводческих помещений. Солнечные пруды также можно использовать для производства электроэнергии с использованием двигателя с органическим циклом Ренкина, но их установка довольно дорога, и их использование обычно ограничивается теплыми сельскими районами.

Преимущества

Солнечная энергия имеет ряд неотъемлемых преимуществ:

• 1. Возобновляемая энергия: солнечная энергия является полностью возобновляемым источником энергии.
• Нет затрат на топливо: нет затрат на топливо, связанных с солнечной энергией, что сэкономит деньги.
• 2. Экологичность: в отличие от других источников энергии, таких как ископаемое топливо, солнечная энергия не выделяет никаких вредных природных газов или опасных побочных продуктов.

Недостатки

Несмотря на неотъемлемые преимущества, есть и некоторые недостатки, связанные с солнечной энергией:

1. Надежность: сбор солнечной энергии весьма сильно зависит от погоды и количества часов солнечного света. Это означает, что есть страны, в которых этот источник энергии будет мало эффективным.

2. Стоимость: с каждым годом  затраты на получение солнечной энергии снижаются. Но это все еще весьма и весьма дорогостоящий способ получения энергии.

Примеры, которые используются сейчас.

• Солнечная энергия уже нашла множество применений, основанных на выработке тепловой или электрической энергии или даже на более пассивном использовании света и тепла.
• Применение тепловой энергии

Тепловая энергия имеет множество применений, включая нагрев воды, охлаждение или обогрев зданий, выработку технологического тепла, приготовление пищи, очистку воды и технологии расплавленных солей.

1. Водяное отопление

Солнечный свет можно использовать для нагрева воды. Солнечные системы горячего водоснабжения широко используются в Китае, и такие страны, как Израиль и Кипр, лидируют в мире по потреблению воды на душу населения.

2. Охлаждение, обогрев и вентиляция

Солнечная энергия может быть использована или для отопления. Солнечное отопление делится на активное и пассивное,  в зависимости от того, используются ли активные элементы, такие как концентрирующая солнечная оптика или слежение за солнцем. 

3. Технологическое тепло

Технологии концентрации солнечного света, такие как параболические тарелки, желоба и отражатели, используются для обеспечения технологического тепла для ряда промышленных и коммерческих приложений. Это включает в себя отопление, кондиционирование воздуха, вентиляцию и производство электроэнергии.

4. Очистка воды

Солнечная энергия использовалась для дистилляции, по крайней мере, с 16- го века, чтобы сделать солоноватую или соленую воду пригодной для питья. Наряду с опреснением солнечный свет используется для обеззараживания воды. Солнечная дезинфекция воды (SODIS) ежедневно используется более чем двумя миллионами человек в развивающихся странах для приготовления питьевой воды. Процесс включает в себя воздействие солнечных лучей на полиэтилентерефталатные (ПЭТ) бутылки с водой в течение нескольких часов. Использование солнечного света для испарения воды из неглубоких водоемов также является традиционным методом получения соли из морской воды и может использоваться для концентрирования соляных растворов или удаления растворенных твердых веществ из сточных вод.

Примеры производства электроэнергии

Солнце можно использовать для выработки электроэнергии с использованием фотогальваники (PV) и концентрированной солнечной энергии. Фотогальванические элементы, широко известные как солнечные элементы, превращают свет в электрический ток, в то время как концентрированная солнечная энергия включает в себя использование зеркал, линз и систем слежения за солнцем, чтобы сфокусировать солнечный свет в небольшой луч.

1. Фотовольтаика 

Первоначально использовавшиеся для малых и средних устройств, таких как калькуляторы и обеспечение электроэнергией дома, солнечные фотоэлектрические системы с годами выросли в масштабах с развитием коммерческих солнечных электростанций и солнечных ферм. Использование солнечной энергии растет с каждым годом.

Этот рост будет продолжаться, поскольку страны ищут чистые, незагрязняющие источники энергии для обеспечения нашего будущего. В фотоэлектрических системах используются солнечные модули, состоящие из большого количества солнечных элементов, каждый из которых вырабатывает небольшое количество электроэнергии. Солнечные установки могут быть на земле, на крышах, стенах или даже плавать на водоемах. Их можно зафиксировать на месте или использовать солнечный трекер, чтобы следить за движением Солнца по небу. Солнечные батареи располагаются лицом на юг в северном полушарии и лицом на север в южном полушарии.

2. Концентрированная солнечная энергия

Концентрированная солнечная энергия (CSP) включает в себя использование линз или зеркал для фокусировки солнечного света в небольшой луч и системы слежения за движением Солнца. Тепло этого луча затем используется в качестве источника тепла для нагрева жидкости для выработки электроэнергии (как в случае с обычной электростанцией, где вода нагревается для создания пара, который вращает турбины, приводящие в действие генератор электроэнергии). Технологии концентрации солнечного света включают отражатели Френеля, параболические желоба, тарелки Стирлинга и башни солнечной энергии. Конструкции CSP часто необходимо защищать от погодных явлений, таких как пыльные бури, которые могут повредить тонкие зеркальные стеклянные поверхности, используемые на некоторых солнечных электростанциях. Это можно сделать, установив металлические решетки, которые обеспечивают определенный уровень защиты, позволяя солнечному свету попадать на зеркала.

Пассивное использование солнечной энергии

Наряду с активным использованием солнечной энергии для выработки электроэнергии или в качестве источника тепловой энергии солнечный свет также используется пассивно для целого ряда приложений.

1. Архитектура и градостроительство

Городское планирование и архитектура учитывали солнечный свет с тех пор, как древнегреческая и китайская цивилизации строили свои здания лицом на юг, чтобы обеспечить лучший свет и тепло. Пассивная солнечная архитектура работает с учетом площади поверхности и объема конструкции, ее ориентации, тепловой массы и тени. Когда эти факторы сочетаются наилучшим образом, они могут создавать хорошо освещенные помещения с комфортным температурным диапазоном. Современная солнечная архитектура использует эти пассивные методы наряду с компьютерным моделированием, насосами, вентиляторами, солнечным освещением, солнечным отоплением и технологиями солнечной вентиляции. Городские районы с высокими температурами из-за материалов с высоким уровнем поглощения солнечных лучей, таких как асфальт, можно охладить, посадив деревья и побелив здания и дороги.

2. Сельское хозяйство и садоводство

Оптимизация солнечной энергии была важной частью сельского хозяйства и садоводства на протяжении тысячелетий. Это повлияло на циклы посадки, ориентацию рядов растений, использование различной высоты рядов и смешивание сортов растений для улучшения воздействия солнечного света и повышения урожайности. Другие методы включают использование стенок плодов в качестве тепловых масс для ускорения созревания за счет сохранения тепла растений. Эти фруктовые стены широко использовались в Англии и Франции в период регионального похолодания в Северной Атлантике, известного как «Малый ледниковый период» (1303-1860). Теплицы использовались для преобразования солнечного света в тепло и позволяли выращивать культуры, не подходящие для местного климата, а также для круглогодичного производства со времен Римской империи, когда примитивные теплицы использовались для выращивания огурцов в течение всего года для императора Тиберия.века , где они использовались для хранения экзотических растений, привезенных со всего мира.

Солнечная энергия и транспорт

Солнечная энергия исследовалась для использования на транспорте на протяжении десятилетий, в том числе проводившегося два раза в год World Solar Challenge по разработке и гонке автомобиля на солнечной энергии на расстояние 1877 миль между Дарвином и Аделаидой в центральной Австралии. Солнечные панели также используются для обеспечения вспомогательной энергии для таких приложений, как кондиционирование воздуха, что снижает расход топлива.

Первая лодка на солнечных батареях была построена в Англии в 1975 году, и с тех пор благодаря развитию технологий лодки на солнечных батареях успешно пересекали Тихий и Атлантический океаны.

Солнечная энергия также использовалась для пилотируемых и беспилотных полетов. В ходе пилотируемого полета на солнечной энергии в 1981 году был пересечен Ла-Манш, 21-этапный полет из Калифорнии в Северную Каролину в США в 1990 году и кругосветное плавание в 2016 году. Однако полеты на солнечной энергии, как правило, сосредоточены на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА).

Солнечные воздушные шары — это черные воздушные шары, наполненные обычным воздухом, который расширяется при нагревании солнечным светом, создавая восходящую плавучесть. Хотя некоторые воздушные шары на солнечных батареях достаточно велики для полета человека, отношение площади поверхности к весу полезной нагрузки означает, что большинство воздушных шаров на солнечных батареях используются для небольших целей, например, на рынке игрушек.

Производство топлива на солнечной энергии

Солнечная энергия может использоваться для запуска химических реакций, компенсируя использование источников ископаемого топлива для создания хранимого и переносимого топлива. Эти методы могут быть термохимическими или фотохимическими и могут производить различные виды топлива.

Термохимические процессы и использование фотоэлектрических элементов были исследованы для производства водорода, который можно использовать в качестве топлива. Этого можно достичь, используя концентраторы для расщепления воды на кислород и водород при высоких температурах, используя тепло солнечных концентраторов для преобразования пара или просто используя чистое электричество из солнечной энергии для расщепления воды на водород и кислород. 

Может ли солнечная энергия питать мир?

Хотя солнечная энергия, вероятно, станет лишь частью более крупной группы методов производства экологически чистой энергии в будущем, у нее есть потенциал для удовлетворения всех мировых потребностей в энергии. Исследование показало, что для производства 17,3 тераватт электроэнергии, потребляемой миром в 2015 году, потребуются солнечные панели, установленные на площади 335 на 335 километров (43 000 квадратных миль). Это эквивалентно всего 1,2% площади пустыни Сахара, которая идеально подходит для выработки солнечной энергии, поскольку получает более 12 часов солнечного света в день. Конечно, по мере роста потребления энергии будет расти и спрос на электроэнергию. По оценкам, к 2030 году мировое потребление энергии вырастет до 715 эксаджоулей. Однако этот рост можно легко компенсировать за счет большего количества солнечных установок. По прогнозам, такой проект будет стоить $5 трлн.

Выводы

На протяжении всей своей истории люди использовали природную силу Солнца для оптимизации роста сельскохозяйственных культур, очистки воды и обеспечения света и тепла. Энергия, достигающая поверхности Земли каждый день, примерно в 200 000 раз превышает объем ежедневной выработки электроэнергии в мире.

Использование солнечной энергии для выработки электроэнергии и солнечной тепловой энергии для целого ряда различных областей обеспечивает возобновляемые и чистые источники энергии, которые потенциально может обеспечить достаточно энергии для всего мира.

По мере совершенствования технологии и эффективности солнечных технологий и снижения стоимости, солнечная энергия будет становиться все более важной частью мирового баланса экологически чистой энергии.