Сонячна енергія результат. Принцип перетворення сонячної енергії, її застосування та перспективи. Плюси та мінуси сонячних електростанцій

Сонячна енергетика - напрямок, що активно розвивається в енергопостачанні приватних і громадських будівель. Які плюси та мінуси такого природного джерела енергії, як сонячне випромінювання?

Переваги сонячної енергії

1. Відновлюваність

Говорячи про сонячну енергію, в першу чергу, необхідно згадати, що це - поновлюване джерело енергії, на відміну від видів палива - вугілля, нафти, газу, які не відновлюються. За даними NASAще близько 6.5 млрд. років жителям Землі нема про що турбуватися - приблизно стільки Сонце зігріватиме нашу планету своїми променями доти, доки не вибухне.

2. Рядність

Потенціал сонячної енергії величезний - поверхня Землі опромінюється 120 тис. тераватами сонячного світла, а це у 20 тис. разів перевищує загальносвітову потребу в ній.

3. Постійність

Крім того, солярна енергія невичерпна і постійна - її не можна перевитратити в процесі задоволення потреб людства в енергоносіях, тож її вистачить надміру і майбутніх поколінь.

4. Доступність

Крім інших переваг сонячної енергії, вона доступна в кожній точці світу - не тільки в екваторіальній зоні Землі, а й у північних широтах. Скажімо, Німеччина на даний момент займає перше місце у світі з використання енергії сонця і має максимальний її потенціал.

5. Екологічна чистота

У світлі останніх тенденцій у боротьбі екологічну чистоту Землі, сонячна енергетика - це найперспективніша галузь, яка частково замінює енергію, одержувану від невідновлюваних паливних ресурсів і тим самим, виступає важливим кроком шляху захисту клімату від глобального потепления. Виробництво, транспортування, монтаж та використання сонячних електростанцій практично не супроводжується шкідливими викидами в атмосферу. Навіть якщо вони й присутні незначною мірою, то в порівнянні з традиційними джерелами енергії - це майже нульовий вплив на навколишнє середовище.

Є одна причина, через яку Земля є єдиним місцем у Сонячній системі, де існує і процвітає життя. Звичайно, вчені підозрюють, що під крижаною поверхнею Європи або Енцеладу мікробна або навіть водна форма життя, також її можуть знайти і . Але до певного часу Земля залишається єдиним місцем, яке має всі необхідні умови для існування життя.

Одна з причин цього полягає в тому, що Земля розташована в зоні навколо Сонця (так званої «зоні Золотовласки»), що потенційно живе. Це означає, що вона знаходиться в потрібному місці (не надто далеко і не дуже близько), щоб отримувати велику енергію Сонця, в яку входить світло та тепло, необхідні для протікання хімічних реакцій. Але як саме Сонце забезпечує нас енергією? Які етапи проходить енергія на шляху до нас, планети Земля?

Відповідь починається з того, що Сонце, як і всі зірки, може виробляти енергію, оскільки є по суті масивним термоядерним реактором. Вчені вважають, що воно почалося з величезної хмари газу та частинок (тобто туманності), яке колапсувало під силою власної тяжкості – це так звана теорія туманності. У цьому процесі народилася не тільки велика куля світла в центрі нашої Сонячної системи, а й водень, зібраний у цьому центрі, почав синтезуватися з утворенням сонячної енергії.

Технічно відомий як ядерний синтез, цей процес вивільняє величезну кількість енергії у вигляді тепла та світла. Але на шляху із центру Сонця до планети Земля ця енергія проходить через низку важливих етапів. Зрештою все зводиться до верств Сонця, і роль кожного з них відіграє важливу роль у процесі забезпечення нашої планети найважливішою для життя енергією.

Ядро Сонця - це область, яка тягнеться від центру до 20-25% радіусу світила. Саме тут, в ядрі, виробляється енергія, що породжується перетворенням атомів водню (H) молекули гелію (He). Це можливо завдяки величезному тиску та високій температурі, властивим ядру, які, за оцінками, еквівалентні 250 мільярдам атмосфер (25,33 трильйона кПа) та 15,7 мільйонам градусів за Цельсієм відповідно.

Кінцевим результатом є злиття чотирьох протонів (молекул водню) в одну альфа-частинку - два протони і два нейтрони, пов'язані між собою в частинку, ідентичну ядру гелію. У цьому процесі вивільняється два позитрони, а також два нейтрино (що змінює два протони на нейтрони) та енергія.

Ядро - єдина частина Сонця, яка виробляє значну кількість тепла у процесі синтезу. Власне, 99% енергії, виробленої Сонцем, міститься близько 24% радіусу Сонця. До 30% радіусу синтез майже повністю припиняється. Залишок Сонця підігрівається енергією, яка передається з ядра через послідовні шари, зрештою досягаючи сонячної фотосфери і витікаючи в космос у вигляді сонячного світла або кінетичної енергії частинок.

Сонце вивільняє енергію, перетворюючи масу на енергію зі швидкістю 4,26 мільйона метричних тонн на секунду, що еквівалентно 38,460 септилліонам ват на секунду. Щоб вам було зрозуміліше, це еквівалентно вибухам 1820000000 «цар-бомб» - найпотужнішої термоядерної бомби в історії людства.

Зона променистого перенесення

Ця зона знаходиться відразу після ядра і тягнеться на 0,7 сонячного радіусу. У цьому прошарку немає теплової конвекції, але сонячна матерія дуже гаряча і досить щільна, щоб теплове випромінювання запросто передавало інтенсивне тепло з ядра назовні. В основному вона включає іони водню та гелію, що випускають фотони, які проходять коротку відстань і поглинаються іншими іонами.

Конвективна зона

Це зовнішній шар Сонця, частку якого припадає все, що виходить за рамки 70% внутрішнього радіусу Сонця (і йде приблизно на 200 000 кілометрів нижче поверхні). Тут температура нижча, ніж у радіаційній зоні, і важкі атоми не повністю іонізовані. В результаті радіаційне перенесення тепла проходить менш ефективно і щільність плазми досить низька, щоб дозволити з'являтися конвективним потокам.

Через це теплові осередки, що піднімаються, переносять більшу частину тепла назовні до фотосфери Сонця. Після того, як ці осередки піднімаються трохи нижче фотосферичної поверхні, їхній матеріал охолоджується, а щільність збільшується. Це призводить до того, що вони опускаються до основи зони конвективної знову - де забирають ще тепло і продовжують конвективний цикл.

На поверхні Сонця температура падає приблизно до 5700 градусів за Цельсієм. Турбулентна конвекція цього шару Сонця також викликає ефект, який виробляє магнітні північний та південний полюси по всій поверхні Сонця.

Саме в цьому шарі також з'являються сонячні плями, які здаються темними порівняно з навколишньою областю. Ці плями відповідають концентраціям потоків магнітного поля, які здійснюють конвекцію та призводять до падіння температури на поверхні порівняно з навколишнім матеріалом.

Фотосфера

Нарешті є фотосфера, видима поверхня Сонця. Саме тут сонячне світло та тепло, випромінювані та підняті на поверхню, поширюються у космос. Температури у цьому шарі варіюються між 4500 та 6000 градусами. Оскільки верхня частина фотосфери холодніша за нижню, Сонце здається яскравіше в центрі і темніше з боків: це явище відоме як затемнення лімба.

Енергія, що випускається фотосферою, поширюється у космосі та досягає атмосфери Землі та інших планет Сонячної системи. Тут, Землі, верхній шар атмосфери (озоновий шар) фільтрує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, але пропускає частину поверхню. Потім ця енергія поглинається повітрям та земною корою, зігріває нашу планету та забезпечує організми джерелом енергії.

Сонце знаходиться у центрі біологічних та хімічних процесів на Землі. Без нього життєвий цикл рослин та тварин закінчився б, циркадні ритми всіх земних істот були б зірвані, і життя на Землі перестало б існувати. Важливість Сонця була визнана ще в доісторичні часи, і багато культур розглядали його як божество (і часто поміщали його як головне божество у свої пантеони).

Однак лише в останні кілька століть ми почали розуміти процеси, які живлять Сонце. Завдяки постійним дослідженням фізиків, астрономів та біологів ми тепер можемо зрозуміти, як Сонце виробляє енергію і як вона проходить через нашу Сонячну систему. Вивчення відомого Всесвіту з його різноманітністю зіркових систем та екзопланет також допомагає нам провести аналогію з іншими типами зірок.

Сонце відіграє виняткову роль життя Землі. Весь органічний світ нашої планети завдячує Сонцю своїм існуванням. Сонце – це джерело світла і тепла, а й початкове джерело багатьох інших видів енергії (енергії нафти, вугілля, води, вітру).

З моменту появи на землі людина почала використовувати енергію сонця. За археологічними даними відомо, що для житла перевагу віддавали тихим, закритим від холодних вітрів і відкритим сонячним променям місцям.

Мабуть, першою відомою геліосистемою можна вважати статую Аменхотепа III, що відноситься до XV століття до н. Усередині статуї розташовувалась система повітряних і водяних камер, які під сонячним промінням надавали руху схований музичний інструмент. У Стародавню Грецію поклонялися Геліосу. Ім'я цього бога сьогодні лягло в основу багатьох термінів, пов'язаних із сонячною енергетикою.

Проблема забезпечення електричною енергією багатьох галузей світового господарства, постійно зростаючих потреб населення Землі стає все більш насущною.

Загальні відомості про Сонце

Сонце – центральне тіло Сонячної системи, розпечена плазмова куля, типова зірка-карлик спектрального класу G2.

Характеристики Сонця

• Маса MS~2*1023 кг
• RS~629 тис. км
• V= 1,41*1027 м3, що майже 1300 тис. разів перевищує обсяг Землі,
• середня щільність 1,41*103 кг/м3,
• світність LS=3,86*1023 кВт,
• ефективна температура поверхні (фотосфера) 5780 К,
• період обертання (синодичний) змінюється від 27 діб на екваторі до 32 діб. біля полюсів,
• прискорення вільного падіння 274 м/с2 (при такому величезному прискоренні сили тяжіння людина масою 60 кг важила б понад 1,5 т).

У центральній частині Сонця знаходиться джерело його енергії, або, говорячи образною мовою, та "піч", яка нагріває його і не дає йому охолонути. Ця область називається ядром (див. рис.1). У ядрі, де температура сягає 15 МК, відбувається виділення енергії. Ядро має радіус трохи більше чверті загального радіусу Сонця. Однак у його обсязі зосереджена половина сонячної маси та виділяється практично вся енергія, яка підтримує свічення Сонця.

Відразу навколо ядра починається зона променистої передачі енергії, де поширюється через поглинання і випромінювання речовиною порцій світла – квантів. Кванту потрібно дуже багато часу, щоб проникнути через щільну сонячну речовину назовні. Так що якби грубка всередині Сонця раптом згасла, то ми дізналися б про це тільки через мільйони років.

На своєму шляху через внутрішні сонячні шари потік енергії зустрічає область, де непрозорість газу сильно зростає. Це конвективна зона Сонця. Тут енергія передається не випромінюванням, а конвекцією. Конвективна зона починається приблизно на відстані 0,7 радіусу від центру і простягається практично до видимої поверхні Сонця (фотосфери), де перенесення основного потоку енергії знову стає променистим.

Фотосфера – це випромінююча поверхня Сонця, яка має зернисту структуру, яка називається грануляцією. Кожне таке зерно розміром майже з Німеччину і являє собою потік гарячої речовини, що піднявся на поверхню. На фотосфері часто можна побачити відносно невеликі темні області – сонячні плями. Вони на 1500?С холодніше навколишньої фотосфери, температура якої досягає 5800?С. Через різницю температур з фотосферою ці плями і здаються при спостереженні в телескоп чорними. Над фотосферою розташований наступний, більш розряджений шар, який називається хромосферою, тобто пофарбованою сферою. Таку назву хромосфера набула завдяки своєму червоному кольору. І, зрештою, над нею знаходиться дуже гаряча, але й надзвичайно розріджена частина сонячної атмосфери – корона.

Сонце – джерело енергії

Наше Сонце – це величезна газова куля, що світиться, всередині якої протікають складні процеси і в результаті безперервно виділяється енергія. Енергія Сонця є джерелом життя на планеті. Сонце нагріває атмосферу та поверхню Землі. Завдяки сонячній енергії дмуть вітри, здійснюється кругообіг води в природі, нагріваються моря та океани, розвиваються рослини, тварини мають корм. Саме завдяки сонячному випромінюванню Землі існують викопні види палива. Сонячна енергія може бути перетворена на теплоту або холод, рушійну силу та електрику.

Сонце випаровує воду з океанів, морів, із земної поверхні. Воно перетворює цю вологу на водяні краплі, утворюючи хмари та тумани, а потім змушує її знову падати на Землю у вигляді дощу, снігу, роси чи інею, створюючи таким чином гігантський кругообіг вологи в атмосфері.

Сонячна енергія є джерелом загальної циркуляції атмосфери та циркуляції води в океанах. Вона створює гігантську систему водяного і повітряного опалення нашої планети, перерозподіляючи тепло по земній поверхні.

Сонячне світло, потрапляючи на рослини, викликає у нього процес фотосинтезу, визначає зростання та розвиток рослин; потрапляючи на ґрунт, він перетворюється на тепло, нагріває її, формує ґрунтовий клімат, даючи тим самим життєву силу насіння рослин, що розвивається, мікроорганізмам і живим істотам, що населяють її, які без цього тепла перебували б у стані анабіозу (спячки).

Сонце випромінює дуже багато енергії - приблизно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Кіловатт·година - це кількість енергії, необхідна для роботи лампочки розжарювання потужністю 100 Вт протягом 10 годин. Зовнішні шари атмосфери Землі перехоплюють приблизно одну мільйонну частину енергії, що випромінюється Сонцем, або приблизно 1500 квадрильйонів (1,5 x 1018) кВт·год. Однак лише 47% усієї енергії, або приблизно 700 квадрильйонів (7 x 1017) кВт·год, досягає поверхні Землі. Решта 30% сонячної енергії відбивається назад у космос, приблизно 23% випаровують воду, 1% енергії посідає хвилі і течії і 0,01% - процес утворення фотосинтезу у природі.

Дослідження сонячної енергії

Чому Сонце світить і не остигає вже мільярди років? Яке паливо дає йому енергію? Відповіді це питання вчені шукали століттями, і лише на початку ХХ століття було знайдено правильне рішення. Тепер відомо, що, як і інші зірки, світить завдяки термоядерним реакціям, що протікають у його надрах.

Якщо ядра атомів легких елементів зіллються в ядро ​​атома важчого елемента, то маса нового виявиться меншою, ніж сумарна маса тих, з яких воно утворилося. Залишок маси перетворюється на енергію, яку забирають частинки, що звільнилися в ході реакції. Ця енергія майже повністю перетворюється на тепло. Така реакція синтезу атомних ядер може відбуватися лише за дуже високому тиску та температурі понад 10 млн. градусів. Тому вона і називається термоядерною.

Основна речовина, що становить Сонце, - водень, на її частку припадає близько 71% усієї маси світила. Майже 27% належить гелію, а решта 2% - більш важким елементам, таким як вуглець, азот, кисень та метали. Головним «паливом» Сонця є водень. З чотирьох атомів водню внаслідок ланцюжка перетворень утворюється один атом гелію. А з кожного грама водню, що бере участь у реакції, виділяється 6x10 11 Дж енергії! На Землі такої кількості енергії вистачило б, щоб нагріти від температури 0ºC до точки кипіння 1000 м 3 води.

Потенціал сонячної енергії

Сонце забезпечує нас у 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, ніж фактично використовується у всьому світі. Тільки на світовому комерційному ринку купується та продається трохи менше 85 трильйонів (8,5 x 10 13 ) кВт·год енергії на рік. Оскільки неможливо простежити за всім процесом загалом, не можна з упевненістю сказати, скільки некомерційної енергії споживають люди (наприклад, скільки деревини та добрива збирається та спалюється, яка кількість води використовується для виробництва механічної чи електричної енергії). Деякі експерти вважають, що така некомерційна енергія становить одну п'яту частину всієї енергії, що використовується. Але навіть якщо це так, то загальна енергія, споживана людством протягом року, становить приблизно одну семитисячну частину сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі в той же період.

У розвинених країнах, наприклад, США, споживання енергії становить приблизно 25 трильйонів (2.5 x 10 13 ) кВт·год на рік, що відповідає більш ніж 260 кВт·ч на людину на день. Цей показник є еквівалентом щоденної роботи понад ста лампочок розжарювання потужністю 100 Вт протягом цілого дня. Середньостатистичний громадянин США споживає в 33 рази більше енергії, ніж мешканець Індії, в 13 разів більше, ніж китаєць, у два з половиною рази більше ніж японець і вдвічі більше ніж швед.

Сонце одна із відновлюваних альтернативних джерел енергії. На сьогоднішній день альтернативні джерела тепла широко використовують в аграрному господарстві та побутових потребах населення.

Використання енергії сонця землі грає важливу роль у житті людини. За допомогою свого тепла сонце як джерело енергії нагріває всю поверхню нашої планети. Завдяки його тепловій потужності дмуть вітри, нагріваються моря, річки, озера, існує все живе на землі.

Відновлювані джерела тепла люди почали використовувати ще багато років тому, коли сучасних технологій ще не існувало. Сонце є найдоступнішим на сьогоднішній день постачальником теплової енергії на землі.

Сфери використання сонячної енергії

З кожним роком застосування енергії сонця набирає все більшої популярності. Ще кілька років тому її застосовували з метою підігріву води для дачних будинків, літніх душів, а зараз відновлювані джерела тепла застосовують для вироблення електрики та гарячого водопостачання житлових будинків та промислових об'єктів.

На сьогоднішній день відновлювані джерела тепла використовують у таких сферах:

• в аграрному господарстві, з метою електрозабезпечення та опалення парників, ангарів та інших будівель;
• для електропостачання спортивних об'єктів та медичних установ;
• у сфері авіаційної та космічної промисловості;
• у висвітленні вулиць, парків, а також інших міських об'єктів;
• для електрифікації населених пунктів;
• для опалення, електропостачання та гарячого водопостачання житлових будинків;
• для побутових потреб.

Особливості застосування

Світло, що випромінює сонце на землі, за допомогою пасивних, а також активних систем перетворюється на теплову енергію. До пасивних систем належать будинки, при будівництві яких застосовують такі будматеріали, які найбільш ефективно поглинають енергію сонячної радіації. У свою чергу, до активних систем належать колектори, що перетворюють сонячну радіацію на енергію, а також фотоелементи, що конвертують її в електрику. Розглянемо докладніше як правильно використовувати поновлювані джерела тепла.

Пасивні системи

До таких систем відносять сонячні будинки. Це будівлі, збудовані з урахуванням усіх особливостей місцевої кліматичної зони. Для їх будівництва застосовують такі матеріали, які дають можливість максимально використовувати всю теплову енергію для обігріву, охолодження, освітлення житлових і промислових приміщень. До них відносять такі будівельні технології та матеріали: ізоляцію, дерев'яні підлоги, що поглинають світло поверхні, а також орієнтацію будівлі на південь.

Такі сонячні системи дозволяють здійснити максимальне використання сонячної енергії, до того ж швидко окупають витрати на їх зведення за рахунок зниження енерговитрат. Вони є екологічно чистими і дозволяють створити енергетичну незалежність. Саме через це використання таких технологій є дуже перспективним.

Активні системи

До цієї групи відносять колектори, акумулятори, насоси, трубопроводи для теплопостачання та гарячого водопостачання у побуті. Перші встановлюють безпосередньо на дахах будинків, а інші розташовують у підвальних приміщеннях, щоб використовувати їх для гарячого водопостачання та теплопостачання.

Сонячні фотоелементи

Щоб найефективніше реалізовувати всю сонячну енергію використовують такі джерела енергії сонця, як фотоелементи, чи як ще називають - сонячні елементи. На своїй поверхні вони мають напівпровідники, які при впливі на них променів сонця починають рухатися, і тим самим виробляють електрострум. Такий принцип вироблення струму не містить жодних хімічних реакцій, що дозволяє фотоелементам працювати досить довго.

Такі фотоелектричні перетворювачі, як джерела енергії сонця, легко використовувати, оскільки вони мають невелику вагу, прості в обслуговуванні, а також є дуже ефективними у використанні сонячної потужності.

На сьогоднішній день сонячні батареї як джерело енергії сонця на землі використовують для вироблення гарячого водопостачання, опалення та для виробництва електрики в теплих країнах, таких як Туреччина, Єгипет та країни Азії. У нашому регіоні сонце джерело енергії застосовують для постачання електрики автономних систем електроживлення, малопотужної електроніки та приводів літаків.

Сонячні колектори

Використання сонячної енергії колекторами полягає в тому, що вони перетворюють радіацію на тепло. Їх поділяють такі основні групи:

• Плоскі сонячні колектори. Є найпоширенішими. Їх зручно використовувати для побутових опалювальних потреб, а також під час підігріву води для гарячого водопостачання;
• Вакуумні колектори. Їх використовують для побутових потреб, коли потрібна вода високої температури. Вони складаються з кількох скляних трубок, проходячи через які промені сонця нагрівають їх, а вони, своєю чергою, віддають тепло воді;
• Повітряні сонячні колектори. Їх використовують для повітряного опалення, рекуперації повітряних мас та для осушувальних установок;
• Інтегровані колектори. Найпростіші моделі. Їх використовують для попереднього підігріву води, наприклад для газових котлів. У побуті підігріта вода збирається у спеціальному баку – накопичувачі і далі використовується для різних потреб.

Використання енергії сонця колекторами здійснюється шляхом накопичення їх у про модулях. Вони встановлюються на даху будівель і складаються зі скляних трубок і пластин, які з метою поглинання більшого об'єму сонячного світла забарвлюють у чорний колір.

Сонячні колектори використовують для підігріву води для гарячого водопостачання та опалення житлових будинків.

Переваги сонячних установок

• вони повністю безкоштовні та невичерпні;
• мають повну безпеку використання;
• автономні;
• економічні, оскільки витрата коштів здійснюється лише з придбання устаткування установок;
• їх використання гарантує відсутність стрибків напруги, а також стабільність електропостачання;
• довговічні;
• прості у використанні та в обслуговуванні.

Використання сонячної енергії за допомогою таких установок з кожним роком набирає популярності. Сонячні батареї дають можливість заощадити не малі гроші на опаленні та гарячому водопостачанні, до того ж вони є екологічно чистими і не завдають шкоди здоров'ю людини.