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.

Здавна люди говорили про Сонце як про могутнє і велике, піднімаючи його у своїх релігіях до одухотвореного об'єкта. Світилу поклонялися, йому звеличували хвалу, їм міряли час і завжди вважали його першоджерелом земних благ.

Необхідність у сонячній енергії

Пройшли тисячоліття. Людство вступило в нову еру свого розвитку і користується плодами технологічного прогресу, що бурхливо розвивається. Однак і до сьогодні саме Сонце є основним природним джерелом тепла, а, отже, і життям.

Як людство використовує Сонце у повсякденній своїй діяльності? Розглянемо це докладніше.

«Робота» Сонця

Небесне світило служить єдиним джерелом енергії, яка потрібна щодо фотосинтезу рослин. Сонце надає руху кругообігу води, і тільки завдяки йому на нашій планеті є всі відомі людству викопні види палива. І ще люди користуються силою цієї яскравої зірки для того, щоб забезпечити свої потреби в електричній та тепловій енергії. Без цього життя на планеті було б просто неможливим.

Основне джерело енергії

Природа мудро дбає про те, щоб людство отримувало від небесного світила його дари. Доставка до Землі сонячної енергії здійснюється шляхом передачі радіаційних хвиль на поверхню материків та вод. Причому до нас з усього спектра, що посилається, доходять тільки:

1. Ультрафіолетові хвилі. Вони невидимі для людського ока і становлять приблизно 2% у загальному спектрі.

2. Світлові хвилі. Це приблизно половина енергії Сонця, що сягає поверхні Землі. Завдяки світловим хвиль людина бачить всі фарби навколишнього світу.

3. Інфрачервоні хвилі. Вони становлять приблизно 49% спектру та нагрівають поверхню води та суші. Саме ці хвилі є найбільш затребуваними в питаннях використання енергії Сонця на Землі.

Принцип перетворення інфрачервоних хвиль

Як відбувається процес використання енергії Сонця Землі? Як і будь-яка інша подібна дія, він здійснюється за принципом прямого перетворення. Для цього потрібна лише спеціальна поверхня. Потрапляючи на неї, сонячне світло проходить процес перетворення на енергію. Для отримання тепла у цій схемі має бути задіяний колектор. Він поглинає інфрачервоні хвилі. Далі у пристрої, що використовує енергію Сонця, обов'язково присутні накопичувачі. Для нагрівання кінцевого продукту влаштовують спеціальні теплообмінники.

Ціль, яку переслідує сонячна енергетика, - отримання настільки необхідного для людства тепла і світла. Нову галузь часом називають геліоенергетикою. Адже Helios у перекладі з грецької – Сонце.

Робота комплексу

Теоретично кожен із нас може зробити розрахунок сонячної установки. Адже відомо, що, пройшовши шлях від єдиної зірки нашої галактичної системи до Землі, потік світлових променів принесе із собою енергетичний заряд 1367 Вт на квадратний метр. Це так звана сонячна постійна, яка існує на вході до атмосферних шарів. Такий варіант можливий лише за ідеальних умов, яких у природі просто не існує. Після проходження атмосфери сонячне проміння принесе на екватор 1020 Вт на квадратний метр. Але через зміну денного та нічного часу доби ми зможемо отримати втричі менше значення. Що ж до помірних широт, то тут змінюється як тривалість світлового дня, а й сезонність. Таким чином, одержання електроенергії у місцях, далеких від екватора, при розрахунку потрібно буде зменшити ще вдвічі.

Географія випромінювань небесного Світила

Де може ефективно працювати сонячна енергетика? Природні умови для розміщення установок відіграють важливу роль у цій галузі, що розвивається.
Розподіл сонячного випромінювання лежить на поверхні Землі відбувається нерівномірно. В одних регіонах промінь Сонця - довгоочікуваний і рідкісний гість, в інших він здатний пригнічувати вплив на все живе.

Та кількість сонячного випромінювання, яке одержує той чи інший район, залежить від широти його знаходження. Найбільші дози енергії природного світила одержують держави, що поряд з екватором. Але це ще не все. Обсяг сонячного потоку залежить від кількості ясних днів, які змінюються під час переходу від однієї кліматичної зони до іншої. Збільшити або зменшити рівень випромінювання здатні повітряні потоки та інші особливості регіону. Переваги енергії Сонця найбільше знайомі:

Країнам північно-східної Африки та деяким південно-західним та центральним областям континенту;
- мешканцям Аравійського півострова;
- східному узбережжі Африки;
- північно-західної Австралії та деяким островам Індонезії;
- Західному узбережжі Південної Америки.

Що стосується Росії, то, як показують зроблені на її території виміри, найбільшим дозам сонячного випромінювання радіють райони, що межують з Китаєм, а також північні зони. А де в нашій країні Сонце обігріває Землю найменше? Це північно-західний регіон, до якого входить Санкт-Петербург та прилеглі до нього області.

Електростанції

Важко уявити наше життя без використання енергії Сонця на Землі. Як застосувати її? Використовувати промені світла можна вироблення електрики. Потреба у ньому зростає з кожним роком, а запаси газу, нафти та вугілля скорочуються стрімкими темпами. Саме тому останні десятиліття люди почали будувати сонячні електростанції. Адже ці установки дозволяють використовувати альтернативні джерела енергії, значно заощаджуючи природні копалини.

Сонячні електростанції працюють завдяки вбудованим у їх поверхню фотоелементам. Причому останніми роками вдалося значно підвищити ККД роботи таких систем. Сонячні установки стали випускати з нових матеріалів та з використанням креативних інженерних рішень. Це значно збільшило їхню потужність.

На думку деяких дослідників, вже в найближчому майбутньому людство може відмовитися від існуючих традиційних шляхів отримання електроенергії. Потреби людей повністю задовольнить небесне світило.

Сонячні електростанції можуть мати різні розміри. Найменші з них – приватні. У цих системах передбачено лише кілька сонячних панелей. Найбільші та складні установки займають площі, що перевищують десять квадратних кілометрів.

Усі сонячні електростанції ділять на шість типів. Серед них:

Баштові;
- Установки з фотоелементами;
- тарілчасті;
- Параболічні;
- Сонячно-вакуумні;
- Змішані.

Найпоширенішим типом електростанції є баштовий. Це найвища конструкція. Зовні вона нагадує вежу із розташованим на ній резервуаром. Місткість наповнена водою і пофарбована в чорний колір. Навколо вежі є дзеркала, площа яких перевищує 8 квадратних метрів. Вся ця система підключена до єдиного пульта керування, завдяки якому можна спрямовувати кут нахилу дзеркал таким чином, щоб вони постійно відбивали сонячне світло. Промені, спрямовані на резервуар, нагрівають воду. Система видає пар, який і прямує для вироблення електроенергії.

Під час роботи електростанцій фотоелементного типу використовуються сонячні батареї. Сьогодні такі установки стали особливо популярними. Адже сонячні батареї можуть бути встановлені невеликими блоками, що дає змогу застосовувати їх не тільки для промислових підприємств, а й для приватних будинків.

Якщо ви побачите цілу низку величезних за своїм розміром супутникових антен, на внутрішній стороні яких встановлені дзеркальні пластини, то знайте, що це параболічні електростанції, що працюють на випромінюванні Сонця. Принцип їхньої дії схожий з такими ж системами баштового типу. Вони ловлять пучок світла та нагрівають приймач з рідиною. Далі виробляється пара, яка йде на виробництво електроенергії.

Тарілчасті станції працюють так само, як і ті, які відносять до баштового та параболічного типу. Відмінності криються лише конструктивних особливостях установки. На перший погляд, вона схожа на металеве дерево величезних розмірів, листям якого є плоскі дзеркала круглої форми. У них концентрується сонячна енергія.

Незвичайний спосіб отримання тепла використаний у сонячно-вакуумній електростанції. Її конструкція є ділянка землі, накрита круглим дахом. У центрі цієї споруди височить порожня башта, на підставі якої й встановлені турбіни. Обертання лопатей такої електростанції відбувається завдяки потоку повітря, який виникає при різниці температур. Скляний дах пропускає промені Сонця. Вони нагрівають землю. Температура повітря усередині приміщення підвищується. Різниця показань стовпчиків термометрів усередині та зовні та створює повітряну тягу.

Сонячна енергетика задіяє і електростанції змішаного типу. Про такі системи можна говорити у випадках, коли, наприклад, на вежах застосовуються додаткові фотоелементи.

Переваги та недоліки сонячної енергетики

Кожна галузь народного господарства має свої позитивні та негативні сторони. Є вони при використанні світлових потоків. Плюси сонячної енергетики полягають у наступному:

Екологічність, адже вона не забруднює довкілля;
- Доступність основних складових - фотоелементів, які реалізуються не тільки для промислового застосування, але і для створення особистих невеликих електростанцій;
- невичерпність та самовідновлюваність джерела;
- Постійно знижується собівартість.

Серед недоліків сонячної енергетики можна виділити:

Вплив часу доби та погодних умов на продуктивність електростанцій;
- необхідність в акумулюванні енергії;
- зниження продуктивності залежно від широти, на якій розташований регіон, та від пори року;
- велике нагрівання повітря, яке має місце на самій електростанції;
- потреба в періодичному чищенні від забруднення, якої потребує система сонячних батарей, що проблематично у зв'язку з величезними площами, на яких встановлені фотоелементи;
- відносно висока вартість обладнання, яка хоч і знижується з кожним роком, але поки що недоступна для масового споживача.

Перспективи розвитку

Які подальші можливості використання енергії Сонця Землі? На сьогоднішній день цьому альтернативному комплексу пророкують велике майбутнє.

Перспективи сонячної енергетики райдужні. Адже вже сьогодні у цьому напрямі йдуть величезні за своїми масштабами роботи. Щороку у різних країнах світу з'являється дедалі більше сонячних електростанцій, розміри яких вражають своїми технічними рішеннями та масштабами. Крім того, фахівці цієї галузі не припиняють проводити наукові дослідження, мета яких - багаторазове збільшення коефіцієнта корисної дії фотоелементів, що використовуються на таких установках.

Вчені зробили цікавий розрахунок. Якщо на суші планети Земля встановити фотоелементи, які розташувалися б на семи сотих її території, то вони, навіть маючи ККД 10%, забезпечили б все людство необхідним йому теплом і світлом. І це не така вже далека перспектива. Адже фотоелементи, які використовуються на сьогоднішній день, мають ККД, що дорівнює 30%. У цьому вчені сподіваються довести це значення до 85%.

Розвиток сонячної енергетики йде досить високими темпами. Люди серйозно стурбовані проблемою виснаження природних ресурсів та займаються виявленням альтернативних джерел тепла та світла. Таке рішення дозволить попередити неминучу для людства енергетичну кризу, а також екологічну катастрофу, що насувається.

Принцип перетворення сонячної енергії, її застосування та перспективи

У світі дедалі менше традиційних джерел енергії. Запаси нафти, газу, вугілля виснажуються і йде до того, що рано чи пізно вони закінчаться. Якщо до цього часу не знайти альтернативних джерел енергії, то людство чекає на катастрофу. Тому у всіх розвинених країнах ведуться дослідження з відкриття та розробки нових джерел енергії. Насамперед – це сонячна енергія. З давніх-давен ця енергію використовувалася людьми для освітлення житла, сушіння продуктів, одягу і т. п. Сонячна енергетика сьогодні є одним з найбільш перспективних джерел альтернативної енергії. В даний час вже є досить багато конструкцій, що дозволяють перетворювати енергію сонця на електричну або теплову. Галузь поступово росте та розвивається, але, як і скрізь, є свої проблеми. Про все це мова піде в справжньому матеріалі.

Енергія сонця одна із найдоступніших відновлюваних джерел Землі. Використання сонячної енергії в народному господарстві позитивно позначається на стані навколишнього середовища, оскільки для її отримання не потрібно бурити свердловини або розробляти шахти. До того ж, цей вид енергії вільний і не вартий нічого. Природно, що потрібні витрати на покупку та монтаж обладнання.

Проблема в тому, що сонце – це уривчасте джерело енергії. Так, що потрібно накопичення енергії та використання її у зв'язці з іншими енергетичними джерелами. Основна проблема на сьогоднішній день полягає в тому, що сучасне обладнання має низьку ефективність перетворення енергії сонця на електричну та теплову. Тому всі розробки спрямовані на те, щоб збільшити ККД таких систем та знизити їхню вартість.

До речі, дуже багато ресурсів на планеті є похідними від сонячної енергії.Наприклад, вітер, який є ще одним відновлюваним джерелом, не дув би без сонця. Випаровування води та накопичення її в річках також відбувається під дією сонця. А вода, як відомо, використовується в гідроенергетиці. Біопалива також не було б без сонця. Тому, крім прямого джерела енергії, сонце впливає інші сфери енергетики.

Сонце надсилає до поверхні нашої планети радіацію. З широкого спектру випромінювання поверхні Землі досягають 3 типи хвиль:

• Світлові. У спектрі випромінювання їх приблизно 49 відсотків;
• Інфрачервоні. Їхня частка також 49 відсотків. Завдяки цим хвиль наша планета нагрівається;
• Ультрафіолетові. У спектрі сонячного випромінювання їх приблизно 2 відсотки. Вони невидимі для нашого ока.

Екскурс в історію

Як розвивалася сонячна енергетика донині? Про використання сонця у своїй діяльності людина думала з давніх часів. Всім відома легенда, згідно з якою Архімед спалив флот ворога біля свого міста Сіракузи. Він використовував для цього запальні дзеркала. Кілька тисяч років тому на Близькому сході палаци правителів опалювали водою, що нагрівалася сонцем. У деяких країнах випарювані морські води на сонці отримували сіль. Вчені часто проводили досліди з нагрівальними апаратами, що працюють від сонячної енергії.

Перші моделі таких нагрівачів були випущені XVII-XVII століттях. Зокрема, дослідник М. Соссюр представив свою версію водонагрівача. Він є ящиком з дерева, накритий скляною кришкою. Вода в цьому пристрої підігрівалася до 88 градусів за Цельсієм. В 1774 А. Лавуазьє використовував лінзи для концентрації тепла від сонця. Також з'явилися лінзи, що дозволяють локально розплавити чавун за кілька секунд.

Батареї, що перетворюють енергію сонця на механічну, створили французькі вчені. Наприкінці XIX століття дослідник О. Мушо розробив інсолятор, що фокусує промені за допомогою лінзи на паровому казані. Цей котел використовувався для роботи друкарської машини. У той час вдалося створити агрегат, працюючий від сонця, потужністю 15 «коней».

Довгий час інсолятори випускалися за схемою, що використовує енергію сонця для перетворення води на пару. І перетворена енергія використовувалася для будь-якої роботи. Перший пристрій, що перетворює сонячну енергію на електричну, було створено в 1953 році в США. Воно стало прообразом сучасних сонячних батарей. Фотоелектричний ефект, на якому заснована їхня робота, було відкрито ще у 70-ті роки XIX століття.

У тридцяті роки минулого століття академік СРСР А. Ф. Іоффе запропонував використовувати напівпровідникові фотоелементи для перетворення енергії сонця. ККД батарей на той час був меншим за 1%. Пройшло багато років до того, як було розроблено фотоелементи, що мають ККД на рівні 10-15 відсотків. Потім американці збудували сонячні батареї сучасного типу.

Для більшої потужності сонячних систем низький ККД компенсується збільшеною площею фотоелементів. Але це не вихід, оскільки кремнієві напівпровідники у фотоелементах досить дорогі. У разі збільшення ККД зростає вартість матеріалів. Це головна перешкода для масового використання сонячних батарей. Але в міру виснаження ресурсів їх використання буде дедалі вигіднішим. Крім того, дослідження щодо збільшення ККД фотоелементів не припиняються.

Варто сказати, що батареї на основі напівпровідників досить довговічні та не вимагають кваліфікації для догляду за ними. Тому їх найчастіше використовують у побуті. Існують також цілі сонячні електростанції. Як правило, вони створюються в країнах із великою кількістю сонячних днів на рік. Це Ізраїль, Саудівська Аравія, південь США, Індія, Іспанія. Нині є й зовсім фантастичні проекти. Наприклад, сонячні електростанції поза атмосферою. Там сонячне світло ще не втратило енергії. Тобто випромінювання пропонується вловлювати на орбіті і потім переводити в мікрохвилі. Потім у такому вигляді енергія вирушатиме на Землю.

Перетворення сонячної енергії

Насамперед, варто сказати про те, в чому можна висловити та оцінити сонячну енергію.

Як можна оцінити величину сонячної енергії?

Фахівці використовують з оцінки таку величину, як сонячна стала. Вона дорівнює 1367 Вт. Саме стільки енергії сонця посідає квадратний метр планети. В атмосфері губиться приблизно чверть. Максимальне значення на екваторі – 1020 Вт на квадратний метр. З урахуванням дня та ночі, зміни кута падіння променів, цю величину слід зменшити ще втричі.

Версії про джерела сонячної енергії висловлювалися найрізноманітніші. На даний момент фахівці стверджують, що енергії вивільняється внаслідок перетворення чотирьох атомів H2 на ядро ​​He. Процес протікає із виділенням суттєвої кількості енергії. Для порівняння уявіть, що енергія перетворення 1 г H2 можна порівняти з тією, що виділяється при спалюванні 15 тонн вуглеводнів.

Способи перетворення

Оскільки наука нині немає пристроїв, що працюють на енергії сонця в чистому вигляді, її потрібно перетворити на інший тип. Для цього були створені такі пристрої, як сонячні батареї та колектор. Батареї перетворять сонячну енергію на електричну. А колектор виробляє теплову енергію. Є також моделі, що поєднують ці два види. Вони називаються гібридними.

Основні способи перетворення енергії сонця представлені нижче:

• фотоелектричний;
• геліотермальний;
• термоповітряний;
• сонячні аеростатні електростанції.

Перший спосіб найпоширеніший. Тут використовують фотоелектричні панелі, які під впливом сонця виробляють електричну енергію. Найчастіше їх роблять із кремнію. Товщина таких панелей становить десяті частки міліметра. Такі панелі об'єднуються у фотоелектричні модулі (батареї) та встановлюються на сонці. Найчастіше їх ставлять на дахах будинків. В принципі ніщо не заважає розмістити їх на землі. Потрібно тільки щоб навколо них не було великих предметів, інших будівель і дерев, які можуть відкидати тінь.

Крім фотоелементів, для отримання електричної енергії застосовуються тонкоплівкові або . Їхньою перевагою є мала товщина, а недоліком – знижений ККД. Такі моделі часто використовують у портативних зарядках для різних гаджетів.

Термоповітряний спосіб перетворення передбачає отримання енергії потоку повітря. Цей потік прямує на турбогенератор. В аеростатних електростанціях під дією сонячної енергії в аеростатному балоні генерується водяна пара. Поверхня аеростату покривається спеціальним покриттям, що поглинає сонячні промені. Такі електростанції здатні працювати в похмуру погоду та в темний час доби завдяки запасу пари в аеростаті.

Геліотремальна енергетика заснована на нагріванні поверхні енергоносія у спеціальному колекторі. Наприклад, це може бути нагрівання води для системи опалення будинку. Як теплоносій може використовуватися не лише вода, а й повітря. Він може нагріватися в колекторі та подаватися в систему вентиляції будинку.

Всі ці системи коштують досить дорого, але їхнє освоєння та вдосконалення поступово триває.

Переваги та недоліки сонячної енергії

Переваги

• Безкоштовно. Одна з головних переваг енергії сонця – відсутність плати за неї. Сонячні панелі робляться із застосуванням кремнію, запасів якого досить багато;
• Немає побічної дії. Процес перетворення енергії відбувається без шуму, шкідливих викидів та відходів, впливу на довкілля. Цього не можна сказати про теплову, гідро та атомну енергетику. Усі традиційні джерела тією чи іншою мірою завдають шкоди ОС;
• Безпека та надійність. Устаткування довговічне (служить до 30 років). Після 20-25 років використання фотоелементи видають до 80 відсотків від свого номіналу;
• Рециркуляція. Сонячні панелі повністю переробляються і можуть бути використані у виробництві;
• Простота обслуговування. Обладнання досить просто розгортається та працює в автономному режимі;
• Добре адаптовані для використання у приватних будинках;
• Естетика. Можна встановити на даху чи фасаді будівлі не на шкоду зовнішньому вигляду;
• Добре інтегруються як допоміжні системи енергопостачання.

Ми живемо у світі майбутнього, хоч не у всіх регіонах це помітно. У будь-якому разі можливість розвитку нових джерел енергії сьогодні всерйоз обговорюється у прогресивних колах. Одним із найперспективніших напрямків виступає сонячна енергетика.

На даний момент близько 1% електроенергії на Землі утворюється внаслідок переробки сонячного випромінювання. То чому ми досі не відмовилися від інших «шкідливих» способів і чи відмовимося взагалі? Пропонуємо ознайомитися з нашою статтею та спробувати самостійно відповісти на це запитання.

Як сонячна енергія перетворюється на електрику

Почнемо з найважливішого – яким чином сонячні промені переробляються на електроенергію.

Сам процес має назву Сонячна генерація . Найбільш ефективні шляхи його забезпечення такі:

• фотовольтарика;
• геліотермальна енергетика;
• сонячні аеростатні електростанції.

Розглянемо кожен із них.

Фотовольтарика

У цьому випадку електричний струм з'являється внаслідок фотовольтаричного ефекту. Принцип такий: сонячне світло потрапляє на фотоелемент, електрони поглинають енергію фотонів (часток світла) і починають рухатися. У результаті ми отримуємо електричну напругу.

Саме такий процес відбувається у сонячних панелях, основу яких складають елементи, що перетворюють сонячне випромінювання на електрику.

Сама конструкція фотовольтаричних панелей досить гнучка і може мати різні розміри. Тому у використанні вони дуже практичні. До того ж панелі мають високі експлуатаційні властивості: стійкі до дії опадів та перепадів температур.

А ось як влаштований окремий модуль сонячної панелі:

Про застосування сонячних батарей як зарядних пристроїв, джерел живлення в приватних будинках, для облагородження міст і в медичних цілях можна почитати в .

Сучасні сонячні панелі та електростанції

З недавніх прикладів можна відзначити сонячні панелі компанії SistineSolar. Вони можуть мати будь-який відтінок та текстуру на відміну від традиційних темно-синіх панелей. А це означає, що ними можна «оформити» дах будинку так, як Вам заманеться.

Інше рішення запропонували розробники Tesla. Вони випустили у продаж не просто панелі, а повноцінний покрівельний матеріал, що переробляє сонячну енергію. містить вбудовані сонячні модулі і може мати найрізноманітніше виконання. При цьому сам матеріал набагато міцніший за звичайну покрівельну черепицю, у Solar Roof навіть гарантія нескінченна.

Як приклад повноцінної СЕС можна навести нещодавно збудовану в Європі станцію з двосторонніми панелями. Останні збирають як пряме сонячне випромінювання, і відбиває. Це дозволяє підвищити ефективність сонячної генерації на 30%. Ця станція має виробляти на рік близько 400 МВт*год.

Інтерес викликає і найбільша плавуча СЕС у Китаї. Її потужність складає 40 МВт. Подібні рішення мають 3 важливі переваги:

• немає потреби займати великі наземні території, що є актуальним для Китаю;
• у водоймах зменшується випаровування води;
• самі фотоелементи менше нагріваються та працюють ефективніше.

До речі, ця плавуча СЕС була побудована на місці покинутого вугледобувного підприємства.

Технологія, заснована на фотовольтаричному ефекті, є найперспективнішою на сьогодні, і, за оцінками експертів, сонячні панелі вже в найближчі 30-40 років зможуть виробляти близько 20% світової потреби електроенергії.

Геліотермальна енергетика

Тут підхід трохи інший, т.к. Сонячне випромінювання використовується для нагрівання посудини з рідиною. Завдяки цьому вона перетворюється на пару, яка обертає турбіну, що призводить до вироблення електрики.

За таким же принципом працюють теплові електростанції, тільки рідина нагрівається у вигляді спалювання вугілля.

Найбільш наочний приклад використання цієї технології – це станція Іванпа Солару пустелі Мохаві. Вона є найбільшою у світі сонячною геліотермальною електростанцією.

Працює вона з 2014 року та не використовує жодного палива для виробництва електрики – лише екологічно чиста сонячна енергія.

Котел з водою розташований у вежах, які Ви можете бачити в центрі конструкції. Навколо розташоване поле із дзеркал, що спрямовують сонячні промені на вершину вежі. У цьому комп'ютер постійно повертає ці дзеркала залежно від розташування сонця.

Сонячне світло концентрується на вежі

Під впливом концентрованої сонячної енергії вода у вежі нагрівається і стає парою. Так виникає тиск, і пара починає обертати турбіну, внаслідок чого виділяється електрика. Потужність цієї станції – 392 мегават, що цілком можна порівняти із середньою ТЕЦ у Москві.

Цікаво, що такі станції можуть працювати і вночі. Це можливо завдяки приміщенню частини розігрітої пари в сховищі та поступовому його використанні для обертання турбіни.

Сонячні аеростатні електростанції

Це оригінальне рішення хоч і не набуло широкого застосування, але все ж таки має місце бути.

Сама установка складається з 4 основних частин:

• Аеростат – розташовується у небі, збираючи сонячне випромінювання. Всередину кулі надходить вода, яка швидко нагрівається, стаючи парою.
• Паропровод – по ньому пара під тиском спускається до турбіни, змушуючи її обертатися.
• Турбіна - під впливом потоку пари вона обертається, виробляючи електричну енергію.
• Конденсатор і насос - пара, що пройшла через турбіну, конденсується у воду і піднімається в аеростат за допомогою насоса, де знову розігрівається до пароподібного стану.

У чому переваги сонячної енергетики

• Сонце даватиме нам свою енергію ще кілька мільярдів років. При цьому людям не потрібно витрачати кошти та ресурси для її видобутку.
• Генерація сонячної енергії – повністю екологічний процес, який не має ризиків для природи.
• Автономність процесу. Збір сонячного світла та вироблення електроенергії відбувається з мінімальною участю людини. Єдине, що потрібно робити, це стежити за чистотою робочих поверхонь чи дзеркал.
• Сонячні панелі, що виробили свій ресурс, можуть бути перероблені і знову використані у виробництві.

Проблеми розвитку сонячної енергетики

Незважаючи на реалізацію ідей щодо підтримки роботи сонячних електростанцій у нічний час, ніхто не застрахований від капризів природи. Затягнуте хмарами небо протягом кількох днів значно знижує вироблення електрики, адже населенню та підприємствам необхідна його безперебійна подача.

Будівництво сонячної електростанції – задоволення не з дешевих. Це зумовлено необхідністю застосовувати рідкісні елементи у їх конструкції. Не всі країни готові витрачати бюджети на менш потужні електростанції, коли є робітники ТЕС та АЕС.

Для розміщення таких установок потрібні великі площі, причому в місцях, де сонячне випромінювання має достатній рівень.

Як розвинена сонячна енергетика у Росії

На жаль, у нашій країні поки що на всю палю вугілля, газ і нафту, і напевно Росія буде серед останніх, хто повністю перейде на альтернативну енергетику.

На сьогоднішній день сонячна генерація складає всього 0,03% енергобалансу РФ. Для порівняння у тій же Німеччині цей показник становить понад 20%. Приватні підприємці не зацікавлені у вкладенні коштів у сонячну енергетику через довгу окупність і не таку високу рентабельність, адже газ у нас обходиться набагато дешевше.

У економічно розвинених Московській та Ленінградській областях сонячна активність на низькому рівні. Там будівництво сонячних електростанцій просто недоцільне. А ось південні регіони досить перспективні.

Варіанти використання сонячної енергії у господарській діяльності

Енергія сонця є потік фотонів і має величезне значення для всього живого на нашій планеті. Сонце забезпечує існування життя Землі, впливаючи на основні процеси в біосфері. Завдяки сонцю нагріваються моря, річки, поверхня планети, дме вітер тощо. Людина вже давно почала використовувати світло від сонця у своїй господарській діяльності. Але альтернативна енергетика оформилася як самостійна галузь нещодавно. Тим часом сонячна енергія відіграє важливу роль у господарській діяльності. Як джерело тепла сонце використовується давно, а останнім часом з'являється велика кількість пристроїв та систем для цього. Сьогодні ми поговоримо про те, як людина використовує сонячну енергію.

Використання сонячної енергії щорічно зростає. Нещодавно енергія сонця використовувалася для нагрівання води на дачі в літньому душі. А сьогодні різні установки вже використовуються для обігріву приватних будинків у градирнях. Сонячні батареї виробляють електрику, необхідну забезпечення енергією невеликих селищ.

На даний момент можна назвати такі сфери використання сонячної енергії:

• Авіація та космічна галузь;
• Сільське господарство. Опалення та забезпечення електрикою теплиць, ангарів та інших господарських будівель;
• Використання в побуті (опалення та електрифікація житлових будинків);
• Електропостачання об'єктів медицини та спорту;
• використання сонячної енергії для освітлення міських об'єктів;
• Електрифікація невеликих населених пунктів.

Використання перших зразків сонячних модулів підтвердило, що енергія сонця має суттєві плюси, порівняно з традиційними джерелами. Основні переваги геліосистем - це практично необмежений запас, відсутність шкоди навколишньому середовищу, а також безкоштовне використання.

Цей список плюсів варто розширити:

• Стабільне харчування, оскільки струм від геліобатарів немає стрибків напруги;
• Автономна робота геліосистем. Для них не потрібна зовнішня інфраструктура;
• Термін служби понад 20 років;
• Геліосистеми практичні та прості в експлуатації. Основні вкладення роблять під час монтажу.

До недоліків варто віднести сильну залежність ефективності роботи від інтенсивності променів сонця та відсутність вироблення електроенергії ночами. Щоб вирішити цю проблему, такі системи працюють у зв'язку з акумуляторами.

Особливості використання сонячної енергії

Фотоенергія випромінювання сонця перетворюється на фотоелектричних елементах. Це двошарова структура, що складається з двох напівпровідників різного типу. Напівпровідник унизу – це p-тип, а верхній – n-тип. У першого брак електронів, а у другого – надлишок.

Електрони напівпровідника n-типу поглинають сонячне випромінювання, у результаті електрони у ньому сходять із орбіти. Сили імпульсу вистачає переходу в напівпровідник p-типа. В результаті виникає спрямований потік електроном та генерується електрика. При виробництві фотоелементів використовують кремній.

На сьогоднішній день випускаються кілька видів фотоелементів:

• Монокристалічні. Вони випускаються з монокристалів кремнію та мають рівномірну кристалічну структуру. Серед інших типів виділяються найвищим ККД (близько 20 відсотків) та збільшеною вартістю;
• Полікристалічні. Структура полікристалічна, менш рівномірна. Коштують дешевше та мають ККД від 15 до 18 відсотків;
• Тонкоплівкові. Ці фотоелементи виготовлені напиленням на гнучку підкладку аморфного кремнію. Такі фотоелементи найдешевші, але й ККД у них залишає бажати кращого. Вони використовуються при виробництві.

Теплові колектори

Ці пристрої використовують випромінювання сонця для перетворення його на тепло. Можна виділити такі основні види колекторів:

Плоскі. Вони найпоширеніші. Їх використовують як для опалення, так гарячого водопостачання. Зазвичай такі колектори використовують лише влітку, оскільки взимку їхня ефективність різко падає. Про виготовлення таких можна прочитати за посиланням;

• Вакуумні. Сфера їхнього використання, як і в плоских. Але вони використовуються, коли потрібна гаряча вода вищої температури. Вони трубки теплообмінника перебувають у вакуумі всередині скляних трубок. Усередині циркулює теплоносій. Як правило, такі установки виготовляються на виробництві, а не в домашніх умовах. Вони функціонують цілий рік, навіть у російському кліматі;
• Повітряні. Сфера використання таких пристроїв – це повітряне опалення та осушувальні установки. Можуть використовуватись при температурі на вулиці не нижче 5-10 градусів Цельсія;
• Інтегровані колектори. Найбільш проста конструкція. Це спеціальні баки із теплоізоляцією, де нагрівається вода. Надалі вона використовується на господарські потреби.

Найчастіше всі ці установки встановлюються на дахах або фасадах будівель. Іноді для них виділяється майданчик, де є максимальне сонячне освітлення.