Бесплатная техническая библиотека

Как скачивать файлы с сайта?

Добавить в закладки, оставить отзыв

	Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
	Бесплатная библиотека / Схемы радиоэлектронных и электротехнических устройств

Сколько солнечной энергии попадает на Землю?

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

Комментарии к статье

Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВтч в секунду. Киловатт-час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:

• широты
• местного климата сезона года
• угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Время и географическое положение

Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности.

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время — менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.

Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде — приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье — приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии — приблизительно 2200 кВт·ч/м2.

Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения (см. таблицу). Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.

	Южная Европа	Центральная Европа	Северная Европа	Карибский регион
Январь	2,6	1,7	0,8	5,1
Февраль	3,9	3,2	1,5	5,6
Март	4,6	3,6	2,6	6,0
Апрель	5,9	4,7	3,4	6,2
Май	6,3	5,3	4,2	6,1
Июнь	6,9	5,9	5,0	5,9
Июль	7,5	6,0	4,4	6,0
Август	6,6	5,3	4,0	6,1
Сентябрь	5,5	4,4	3,3	5,7
Октябрь	4,5	3,3	2,1	5,3
Ноябрь	3,0	2,1	1,2	5,1
Декабрь	2,7	1,7	0,8	4,8
ГОД	5,0	3,9	2,8	5,7

Влияние облаков на солнечную энергию

Количество солнечной радиации, достигающее поверхности Земли, зависит от различных атмосферных явлений и от положения Солнца как в течение дня, так и в течение года. Облака — основное атмосферное явление, определяющее количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная.

На формирование облаков оказывает влияние наличие таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться. Например, горы могут получить меньше солнечного излучения, чем прилегающие предгорья и равнины. Ветры, дующие в сторону гор, вынуждают часть воздуха подниматься и, охлаждая влагу, находящуюся в воздухе, формируют облака. Количество солнечной радиации в прибрежных районах также может отличаться от показателей, зафиксированных в областях, расположенных внутри континента.

Количество солнечной энергии, поступающей в течение дня, в значительной степени зависит от местных атмосферных явлений. В полдень при ясном небе суммарное солнечное

излучение, попадающее на горизонтальную поверхность, может достигнуть (например, в Центральной Европе) значения в 1000 Вт/м2 (при очень благоприятных погодных условиях этот показатель может быть выше), в то время, как при очень облачной погоде — ниже 100 Вт/м2 даже в полдень.

Влияние загрязнения атмосферы на солнечную энергию

Антропогенные и природные явления также могут ограничивать количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. То есть, эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное — лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное — на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

Потенциал солнечной энергии

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

Количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких странах как США, где энергопотребление огромно. Если бы только 1% территории страны был использован для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то США были бы полностью обеспечены энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально — во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным.

Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т.д. К тому же, во многих странах уже более 1% земли отведено под добычу, преобразование, производство и транспортировку энергии. И, поскольку большая часть этой энергии является не возобновляемой в масштабе существования человечества, этот вид производства энергии намного более вреден для окружающей среды, чем солнечные системы.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Рекомендуем скачать в нашей Бесплатной технической библиотеке:

сборники Новый Радиоежегодник

журналы Chip (годовые архивы)

книга Автоматическое управление намоткой. Рыбников С.И., 1972

книга Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками. Виноградова Э.Л., 1978

статья Микропроцессорный коммутатор аудиосигналов

статья Последний из могикан

справочник Зарубежные микросхемы и транзисторы. Серия D

§ 13. Неисчерпаемые ресурсы

С.89

Вспомните

1. Какие существуют виды природных ресурсов?

Ответ:

Классификация природных ресурсов:

По происхождению:

Ресурсы природных компонентов (минеральные, климатические, водные, растительные, почвенные, земельные, животного мира).

Ресурсы природно-территориальных комплексов (горнопромышленные, водохозяйственные, селитебные, лесохозяйственные).

По видам хозяйственного использования:

Ресурсы промышленного производства.

Энергетические ресурсы (горючие полезные ископаемые, гидроэнергоресурсы, биотопливо, ядерное сырье).

Неэнергетические ресурсы (минеральные, водные, земельные, лесные, рыбные ресурсы).

Ресурсы сельскохозяйственного производства (агроклиматические, земельно-почвенные, растительные ресурсы — кормовая база, воды орошения, водопоя и содержания).

По виду исчерпаемости:

Исчерпаемые

Невозобновляемые (минеральные, земельные ресурсы);

Возобновляемые (ресурсы растительного и животного мира);

Не полностью возобновляемые — скорость восстановления ниже уровня хозяйственного потребления (пахотно пригодные почвы, спеловозрастные леса, региональные водные ресурсы);

Неисчерпаемые ресурсы (водные, климатические).

По степени заменимости:

Незаменимые;

Заменимые.

По критерию использования:

Производственные (промышленные, сельскохозяйственные);

Потенциально-перспективные;

Рекреационные (природные комплексы и их компоненты, культурно-исторические достопримечательности, экономический потенциал территории).

2. В чём заключается особенность неисчерпаемых природных ресурсов?

Ответ:

Объемы неисчерпаемых ресурсов уменьшаются медленно на протяжении длительного промежутка времени.

Как вы думаете

Существует ли страна с максимальным разнообразием неисчерпаемых природных ресурсов?

Ответ:

К неисчерпаемым природным ресурсам относят климат и гидросферу. Максимальное разнообразие неисчерпаемых природных ресурсов существует у следующих стран:

Россия, США — водные ресурсы, источники энергии: энергия солнца, ветровая энергия, геотермальные источники, приливная энергия.

С. 93

Проверим знания

1. Что называется неисчерпаемыми природными ресурсами?

Ответ:

Неисчерпаемыми природными ресурсами называются такие ресурсы, количество которых ощутимо не уменьшается в процессе даже продолжительного потребления или использования.

2. Какие источники энергии можно считать альтернативными?

Ответ:

В зависимости от источника энергии, который в результате преобразования позволяет получать человеку электрическую и тепловую энергии, используемые в повседневной жизни, альтернативная энергетика классифицируется на несколько видов, определяющих способы ее генерации и типы установок служащих для этого.

Виды альтернативной энергетики: энергия солнца, энергия ветра, сила воды, тепло земли, биотопливо.

3. Как называется отрасль энергетики, использующая энергию Солнца?

Ответ:

В Древней Греции богом Солнца был Гелиос, отсюда и название для этой молодой и перспективной отрасли энергетики — гелиоэнергетика.

4. В каких районах целесообразно размещать геотермальные электростанции?

Ответ:

Энергия внутреннего тепла Земли, или геотермальная энергия, может быть доступна прежде всего там, где подземное тепло подходит близко к поверхности Земли, то есть в вулканических районах, где много горячих источников. Таких районов на Земле много. Однако вулканические области редко совпадают с районами концентрации населения, и, следовательно, здесь мала потребность в энергии.

Наиболее доступна геотермальная энергия в Исландии, на западе США, в Новой Зеландии, на Филиппинах, в Италии, Мексике и Японии. В Исландии геотермальная энергия используется для отопления жилищ в зимнее время, для обогрева парников. Благодаря этому находящаяся около Северного полярного круга Исландия полностью обеспечивает себя овощами и фруктами.

5. Для каких районов Земли характерно размещение ветроустановок?

Ответ:

Для получения электроэнергии нужен не сильный ветер, а постоянный, ровный. Такой, например, как на границе суши и моря. Наибольший интерес к ветроэнергетике проявляют США и некоторые страны Европы: Великобритания, Германия, Франция, Италия. Прекрасные возможности для развития этого вида энергетики имеет Дания — маленькая страна, насквозь продуваемая морскими ветрами.

А теперь более сложные вопросы

1. Почему перечисленные в тексте параграфа источники энергии являются неисчерпаемыми?

Ответ:

Альтернативные источники энергии являются неисчерпаемыми, потому что обладают возможностью неограниченно восполняться, в отличие от газа, угля, торфа и нефти, которые являются исчерпаемыми источниками энергии.

2. Чем отличаются традиционные источники энергии от альтернативных?

Ответ:

К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.). К альтернативным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно. Альтернативные источники энергии относят к возобновимым, а традиционные — к невозобновимым природным ресурсам.

3. Какие регионы и страны имеют благоприятные условия для развития ветровой и геотермальной энергетики?

Ответ:

Для получения электроэнергии нужен не сильный ветер, а постоянный, ровный. Такой, например, как на границе суши и моря. Наибольший интерес к ветроэнергетике проявляют США и некоторые страны Европы: Великобритания, Германия, Франция, Италия. Прекрасные возможности для развития этого вида энергетики имеет Дания — маленькая страна, насквозь продуваемая морскими ветрами.

Наиболее доступна геотермальная энергия в Исландии, на западе США, в Новой Зеландии, на Филиппинах, в Италии, Мексике и Японии. В Исландии геотермальная энергия используется для отопления жилищ в зимнее время, для обогрева парников. Благодаря этому находящаяся около Северного полярного круга Исландия полностью обеспечивает себя овощами и фруктами.

4. Почему в Северной Африке существуют наилучшие условия для развития гелиоэнергетики?

Ответ:

Гелиоэнергетика — это получение энергии за счет энергии Солнца.

Вся Африка получает огромное количество тепла, благодаря большому углу падения солнечных лучей. В северной Африке расположена огромная пустыня Сахара — зона высокого атмосферного давления, где очень мало водяного пара в воздухе, а значит и полное отсутствие облаков. Поэтому солнечные лучи свободно проникают на территорию северной части материка, что создает великолепные условия для развития гелиоэнергетики.

5. Почему некоторые виды минеральных ресурсов относят к неисчерпаемым?

Ответ: Минеральные ресурсы относятся к группе исчерпаемых. Однако некоторые из них встречаются на Земле в таких количествах, что их запасы превышают все, даже самые фантастические, потребности. К сожалению, список таких ресурсов невелик. Фактически к ним причисляют только строительные материалы, к которым относятся строительный камень (гранит, базальт и др.), песок, глина.

От теории к практике

Используя тематические карты атласа и иллюстрации учебника, определите страны с наилучшими возможностями для развития геотермальной энергетики.

Ответ:

Страны с наилучшими возможностями для развития геотермальной энергетики: Исландия, Япония, Филлипины, Россия.

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?

1. За счет солнечной энергии работают специальные устройства для подогрева воды. В некоторых регионах, где столбик термометра достигает высоких отметок, лучи небесного светила помогают людям отапливать здания.

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.

Эта вычислительная техника используется практически повсеместно.

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.

По мнению некоторых исследователей, уже в ближайшем будущем человечество может отказаться от существующих ныне традиционных путей получения электроэнергии. Потребности людей полностью удовлетворит небесное светило.

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.

Если вы увидите целый ряд огромных по своему размеру спутниковых антенн, на внутренней стороне которых установлены зеркальные пластины, то знайте, что это параболические электростанции, работающие на излучении Солнца. Принцип их действия схож с такими же системами башенного типа. Они ловят пучок света и нагревают приемник с жидкостью. Далее вырабатывается пар, который и идет на производство электроэнергии.

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.

Ученые произвели интересный расчет. Если на суше планеты Земля установить фотоэлементы, которые бы расположились на семи сотых ее территории, то они, даже имея КПД 10%, обеспечили бы все человечество необходимым ему теплом и светом. И это не столь уж далекая перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются на сегодняшний день, имеют КПД, равный 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.

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.

Где используется солнечная энергия?

Использование солнечной энергии ежегодно увеличивается. Не так давно энергия солнца использовалась для нагрева воды на даче в летнем душе. А сегодня различные установки уже используются для обогрева частных домов, в градирнях. Солнечные батареи вырабатывают электричество, необходимое для обеспечения энергией небольших посёлков.

В настоящий момент можно назвать следующие сферы использования солнечной энергии:

• Авиация и космическая отрасль;
• Сельское хозяйство. Отопление и обеспечение электричеством теплиц, ангаров и прочих хозяйственных построек;
• Использование солнечной энергии в быту (отопление и электрификация жилых домов);
• Электроснабжение объектов медицины и спорта;
• Использование солнечной энергии для освещения городских объектов;
• Электрификация небольших населённых пунктов.

Использование первых образцов солнечных модулей подтвердило, что энергия солнца имеет существенные плюсы по сравнению с традиционными источниками. Основные преимущества гелиосистем – это практически неограниченный запас, отсутствие вреда окружающей среде, а также бесплатное использование.

Этот список плюсов стоит расширить:

• Стабильное питание, поскольку ток от гелиобатарей не имеет скачков напряжения;
• Автономная работа гелиосистем. Для них не требуется внешней инфраструктуры;
• Срок службы более 20 лет;
• Гелиосистемы практичны и просты в эксплуатации. Основные вложения делают при монтаже.

К недостаткам стоит отнести сильную зависимость эффективности работы от интенсивности лучей солнца и отсутствие выработки электроэнергии по ночам. Чтобы решить эту проблему, такие системы работают в связке с аккумуляторами.

Особенности использования солнечной энергии

Фотоэнергия излучения солнца преобразуется в фотоэлектрических элементах. Это двухслойная структура, состоящая из 2 полупроводников различного типа. Полупроводник внизу – это p-тип, а верхний − n-тип. У первого недостаток электронов, а у второго − избыток.

Электроны полупроводника n-типа поглощают солнечное излучение, в результате чего электроны в нём сходят с орбиты. Силы импульса хватает для перехода в полупроводник p-типа. В результате возникает направленный поток электроном и генерируется электричество. При производстве фотоэлементов используется кремний.

На сегодняшний день выпускаются несколько видов фотоэлементов:

• Монокристаллические. Они выпускаются из монокристаллов кремния и имеют равномерную кристаллическую структуру. Среди остальных типов выделяются самым высоким КПД (около 20 процентов) и увеличенной стоимостью;
• Поликристаллические. Структура поликристаллическая, менее равномерная. Стоят дешевле и имеют КПД от 15 до 18 процентов;
• Тонкопленочные. Эти фотоэлементы изготовлены напылением на гибкую подложку аморфного кремния. Такие фотоэлементы дешевле всего, но и КПД у них оставляет желать лучшего. Они используются при производстве гибких солнечных панелей.

Подробнее о КПД солнечных батарей можно прочитать по ссылке. Использование этих типов элементов определяется их эксплуатационными характеристиками.

Как человек использует солнечную энергию?

Можно выделить две группы систем, которые используются человеком для преобразования энергии солнца в тепловую и электрическую. Это пассивные и активные системы.

Среди примеров пассивных систем для использования энергии солнца можно назвать некоторые строения. При их возведении применялись строительные материалы, имеющие высокую величину поглощения светового излучения. Причём эти строения возводятся с учётом особенностей климата, в котором они построены. Материалы, из которых построены эти дома, используют энергию солнца для освещения и обогрева помещений в здании. В частности, это деревянные полы, светопоглощающие панели, изоляция, ориентация дома на южную сторону.

Благодаря своей конструкции, пассивные системы достигают максимально выгодного использования световой энергии. В результате, за счёт снижения расходов на коммунальные расходы такие дома себя быстро окупают. Эти строения независимы в энергетическом плане и не загрязняют окружающую среду.

Активные системы – это солнечные коллекторы, батареи и другие устройства, обеспечивающие электрификацию и отопление дома. Их часто устанавливают на крышах и фасадах зданий. Использование активных систем распространено значительно шире, чем пассивных. Ниже рассмотрим некоторые из них.

Тепловые коллекторы

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в тепло. Можно выделить следующие основные виды коллекторов:

Плоские. Они наиболее распространены. Их используют как для отопления, так и для горячего водоснабжения. Обычно такие коллекторы используют только в летнее время, поскольку зимой их эффективность резко падает. Об изготовлении таких солнечных коллекторов своими руками можно прочитать по ссылке;

• Вакуумные. Сфера их использования, как и у плоских. Но они используются, когда требуется горячая вода более высокой температуры. В них трубки теплообменника находятся в вакууме внутри стеклянных трубок. Внутри циркулирует теплоноситель. Как правило, такие установки делаются на производстве, а не в домашних условиях. Они функционируют круглый год, даже в российском климате;
• Воздушные. Сфера использование таких устройств – это воздушное отопление и осушительные установки. Могут использоваться при температуре на улице не ниже 5─10 градусов Цельсия;
• Интегрированные коллекторы. Наиболее простая конструкция. Это специальные баки с теплоизоляцией, где нагревается вода. В дальнейшем она используется на хозяйственные нужды.

В большинстве случаев все эти установки устанавливаются на крышах или фасадах зданий. Иногда для них выделяется площадка, где присутствует максимальное солнечное освещение.

Солнечные батареи

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в электрическую энергию. Для этого используются фотоэлектрические элементы. При попадании на них света они вырабатывают электрическую энергию. Один такой фотоэлемент имеет маленькую мощность. Поэтому их последовательно соединяют в батареи. Часто умельцы занимаются созданием таких солнечных батарей своими руками. Подробнее об этом можно прочитать по ссылке.

Солнечные батареи просты в использовании, долговечны и используют бесплатный источник энергии. При этом они не работают по ночам, имеют низкий КПД и довольно высокую стоимость. Часто такие устройства можно встретить на крышах и фасадах частных домов на юге Европы, США, в Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. Они являются дополнением к основной системе энергоснабжения дома и позволяют экономить на электричестве.

Солнечные электростанции

В тех регионах мира, где высокая солнечная инсоляция, делают не просто одиночные гелиостанции, а настоящие электростанции промышленного масштаба. Они вырабатывают электричество, объёма которого хватает для обеспечения энергией небольших населённых пунктов. Многие южные страны уже имеют большой процент использования солнечной энергии в своих национальных энергосистемах. Солнечные электростанции вырабатывают электричество или горячую воду. То есть, работают как батареи и коллекторы. К примеру, власти Калифорнии (США) собираются до 2020 года довести долю выработки электричества с гелиоэлектростанций в энергосистеме штата до 30%.

Солнечная электростанция

Электротранспорт на солнечных батареях

Постепенно идёт внедрение солнечных батарей на автомобильном транспорте. Образцы, которые целиком работают от солнечных батарей, пока ещё существуют только в виде концепт-каров. Использование их в массовом масштабе на данный момент невозможно.

В них гелиопанели устанавливаются на поверхность кузова и заряжают аккумуляторы. Те, в свою очередь, обеспечивают питание электромотора. Использование батарей в серийных моделях ограничивается тем, что их используют для питания отдельных узлов автомобиля. Подробнее читайте в статье «Солнечная энергия в автомобилестроении».

Прочие направления

Ниже приводятся ещё некоторые примеры того, как человек использует солнечную энергию. Все перечисленные предметы существуют в исполнении, работающем от гелиобатарей:

• Термометр;
• Детские игрушки;
• Фонтан;
• Power bank на солнечных батареях для зарядки различных гаджетов;
• Всевозможные светильники;
• Походные солнечные батареи;
• Радиоприёмник;
• Двигатель;
• Есть даже самолёт на солнечных батареях.

>Солнечная энергия

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

Путем применения термоэлектрических генераторов.

• Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

• Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

• Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

Солнечные электростанции работают в

• Оренбургской области:
  «Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
  «Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республике Башкортостан:
  «Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
  «Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт.
• Республике Алтай:
  «Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
  «Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республике Хакасия:
  «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
• Белгородской области:
  «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
• В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
• Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

• В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
• В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
• В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
• В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
• В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
• В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
• В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
• В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.

Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

Перспективы

Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.
Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

1. Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
2. Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
3. Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:

• В 2009 году — «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
• Помощь государства при реализации программы Международной финансовой корпорации (IFC) по развитию возобновляемых источников энергии.
• Создание, на законодательном уровне, экономических рычагов, способствующих развитию «зеленой» энергетики, выражающихся в установлении льготных тарифов, финансовой помощи при строительстве, налоговые льготы и компенсация части кредитных затрат на строительство.

Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.