Активное использование солнечной энергии

Пассивное использование солнечной энергии.

Вопрос 43. Способы использования солнечной энергии.

Солнце

Количество солнечной энергии, которое достигает Земли в течение одного го-да, в 15.000 раз больше ежегодного потребления энергии в мире. Излучение Солнца невообразимо велико - 380.000.000.000.000.000.000.000.000 Вт. Ежегодное количест-во энергии, полученной от Солнца, меняется в зависимости от географического по-ложения на земном шаре. Самые солнечные места на Земле ежегодно получают до 2.500 кВт·ч/кв.м горизонтальной поверхности.

Энергия солнечного излучения экологически чистая, не способная нанести ни малейшего ущерба окружающей среде. Нет ни углекислого газа, ни загрязняющих атмосферу и землю продуктов сгорания, тем более, радиоактивных отходов.

Самая большая проблема. уловить солнечные лучи таким образом, чтобы их энергию можно было использовать для работы электрооборудования, обогрева зда-ний или освещения ваших домов по вечерам.

Превращение солнечного излучения в энергию, необходимую для этих целей, долгое время стоило дорого. Но, благодаря устойчивому увеличению потребления энергии во всем мире и ограниченному количеству ископаемого топлива, ситуация может измениться. Ученые и инженеры разрабатывают новые конструкции солнеч-ных элементов, и цена на них постоянно падает. Каждый раз, когда производство солнечных элементов удваивается, цена на них снижается на 20%.

Природа дала нам идеальный - неиссякаемый и чистый - источник энергии - Солнце, и наша задача - научиться им эффективно пользоваться. Рассмотрим два способа использования солнечной энергии - пассивный и активный.

Когда мы используем энергию Солнца для обогрева здания без применения технического оборудования, можно сказать, что мы используем солнечное тепло пас-сивно. Мы не создаем специальное оборудование для превращения солнечного тепла в энергию, которая может обогреть наши дома. Раньше людям приходилось строить дома так, чтобы окна смотрели на юг. Таким образом, окна выполняли роль солнеч-ных элементов. Мы также можем использовать солнечное тепло, устанавливая спе-циальное стекло в окнах и строя дома так, чтобы солнце обогревало их с макси-мальной эффективностью. Когда мы используем дневной свет, располагая окна пра-вильно по отношению к солнцу, мы тратим меньше энергии на отопление и обогрев.

Когда мы активно используем солнечное тепло, мы создаем систему, которая может накапливать энергию, полученную от Солнца. Мы можем использовать ее за-тем для обеспечения теплом промышленных предприятий или жилых зданий. Эта система сама может быть частью здания. В таком случае она выполняет и другие функции в дополнение к обеспечению здания теплом. Например, солнечные элемен-ты можно установить на крыше, и они будут одновременно служить кровлей здания.

Система солнечного обогрева состоит из солнцеуловителя, теплохранилища и системы распределения тепла.

Солнцеуловитель превращает солнечную энергию в тепловую. Простейший солнцеуловитель состоит из черного бака, по которому протекает теплоноситель. жидкость или воздух. Черный цвет нужен потому, что он поглощает больше всего солнечного тепла. Теплоноситель. нагретая жидкость или воздух. переносит тепло от солнцеуловителя к месту его потребления. При этом много тепла теряется. Чем выше температура теплоносителя, тем больше потери, и тогда меньше тепла остается для полезного потребления. Такая примитивная конструкция используется разве что только на дачах.

Более сложные солнцеуловители состоят из направленных на Солнце зеркал, которые отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник, через который протекает теплоноситель. Зеркала могут управляться ЭВМ, чтобы постоянно следить за Солнцем и направлять солнечные лучи на теплоприемник.

Гораздо более эффективно преобразовывать солнечную энергию в электрическую в солнечных элементах. Солнечные элементы (солнечные батареи). устройства, которые превращают солнечную энергию прямо в электрическую. Солнечные элементы производились еще в прошлом веке, хотя тогда их эффективность была не более 1-2%. Исследования ученых в 20-х. 40-х годах и особенно космические программы в 50-е годы 20 века сыграли важную роль в развитии тех систем солнечных элементов, ко-торые мы используем сегодня. Эффективность стандартной системы солнечных элементов сегодня составляет 10-15%. Основной материал, из которого делают сол-нечные элементы. кремний. Кремний. второй после кислорода химический эле-мент по количеству запасов на Земле. Его можно получать из обычного кварцевого песка.

Солнечные элементы широко используются в бытовых приборах. Вы навер-няка видели, а может быть и сами пользуетесь калькулятором с встроенным солнеч-ным элементом.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Почти всю энергию – 5,6⋅103 ZJ в год – Земля получает в виде солнечного излучения, плотность которого на верхней границе земной атмосферы на площади, перпендикулярной лучам Солнца, равна 1,37 kW/m2. Так как часть этого излучения от атмосферы отражается, а часть поглощается, то плотность его на земной поверхности составляет около 1 kW/m2, а спектр излучения содержит полосы селективного поглощения Солнце, диаметр которого 1,4⋅106 km и масса 1,99⋅1010 kg, состоит на 71 % из водорода, на 27 % из гелия и на 2 % из других химических элементов. В ядре Солнца при плотности вещества 150 Mg/m3 и температуре 1,5⋅107 К происходит термоядерное превращение водорода в гелий, при котором освобождается тепловая мощность 3,86⋅1026 W, испускаемая Солнцем (эффективная температура поверхности которого составляет 5785 К) в мировое пространство, в основном, в виде оптического (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного) излучения. На Землю из этого излучения выпадает 1,75⋅1017 W, или 0,45 миллиардной части. За

4,5 миллиарда лет существования Солнца израсходована приблизительно половина

первоначального водорода. Рассчитано, что через 1,6 миллиарда лет, считая с настоящего

времени, Солнце будет на 15 % ярче, и средняя температура Земли повысится до 60 или 70 оС,

вследствие чего начнутся процессы, несовместимые с жизнью на Земле. Через 7,5 миллиарда лет диаметр Солнца увеличится в 250 раз, а Земля будет обращена к Солнцу только одной стороной. На освещенной стороне температура будет доходить до 400 оС, а на неосвещенной снизится до –170 оС. Наконец, по мере дальнейшего расширения Солнца, Земля будет им поглощена

В природе некоторая часть энергии солнечного излучения преобразуется в

тепло, в энергию ветра и воды, в химическую энергию биомассы. Первые опыты искусственного преобразования солнечной энергии в относительно высокотемпературное тепло (путем концентрации излучения) были проведены только в 18-ом веке, а в конце 19-го века появились первые опытные солнечные паросиловые установки. Прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию стало возможным после разработки фотоэлементов с достаточно высоким кпд в 1950-е годы.

Широкомасштабное энергетическое использование солнечного излучения – как

одна из возможностей получения энергии без вредного воздействия на

окружающую среду – началось в 1990-е годы и в настоящее время развивается

весьма быстрыми темпами.Первый опыт по использованию солнечного излучения для получения более высокой температуры провел в 1767 г. профессор естествознания Женевского университета Орас Бенедикт де Соссюр, использовав обращенный к солнцу застекленный ящик с черным дном; дно ящика нагревалось во время опыта до 110 оС. Началом современного энергетического использования солнечного излучения может считаться основание в 1954 г. в Фениксе Ассоциации по прикладной солнечной энергии и проведение там же со 2 по 5 ноября 1955 г. первого всемирного симпозиума по солнечной энергетике, в котором участвовали представители научных учреждений 30 государств.

Для преобразования солнечного излучения в электроэнергию

Применяются:

_ солнечные тепловые (обычно паротурбинные) электростанции, в которых

солнечное излучение после его концентрации используется для получения

водяного пара или нагрева высокотемпературного теплоносителя;

_ батареи фотоэлементов.

Кроме прямого солнечного излучения в некоторых случаях (например, в случае

фотоэлементов) может использоваться и рассеянное излучение неба, в том

числе и при облачной погоде. В любом случае приходится считаться с годовым

колебанием интенсивности солнечного излучения, особенно в регионах умеренного и северного климата.

Мировое потребление коммерческих видов энергии может достигнуть в 2010 году 15 Gtce/a. Так как до поверхности материков доходит 14,4 % солнечного излучения, получаемого Землей, или 0,81⋅1015 GJ/a, то это равносильно 28⋅103 Gtce/a. Если считать, что преобразование солнечного излучения в коммерческую энергию возможно с кпд

20 %, то можно сделать вывод, что для удовлетворения всей мировой

потребности в коммерческих видах энергии достаточно в принципе

использовать только 0,27 % солнечной энергии, падающей на материки.

Дата добавления: 2015-06-27