Солнечная энергия- альтернативный источник энергии: виды, область применения

В современном мире, мире новейших технологий становится все меньше классических источников энергии. Запасы различных видов топлива (нефть, газ, уголь) истощаются и все подходит к тому, что когда-нибудь они закончатся.

В настоящее время существует солнечная энергия, посредством которой может вырабатываться электрическая энергия. Солнце – это звезда, внутри котором каждую секунду происходят термоядерные реакции. Результатом их с поверхности солнца выделяется огромное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу планеты Земля.

Солнечная энергия- альтернативный источник энергии

Солнечная энергия является источником тепла и света на планете, которая регулярно возобновляется и считается экологически чистой.

Солнечная энергия как альтернатива источника энергии

Варианты преобразования энергии солнца для получения разновидностей энергии, которые используются в быту и промышленности человеком, можно классифицировать на виду получаемой энергии и вариантами ее получения:

• Преобразование в электрическую энергию;
• Преобразование в тепловую энергию.

Преобразование солнечной энергии в электрическую

Данный процесс протекает с помощью использования фотоэлектрических элементов, которые в свою очередь используются для производства солнечных панелей, выступающих в качестве приемников энергии солнца в системах солнечных электрических подстанций. Принцип работы их основывается на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнца.

Панели имеют различие по структуре – поликристаллические, монокристаллические и с кремниевым напылением, по размеру и мощности.

Также преобразование может осуществляться с помощью термоэлектрических генераторов.

Термоэлектрический генератор представляет собой технологическое устройство, которое позволяет получать энергию солнца из тепловой энергии. Принцип действия основывается на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции.

Преобразование солнечной энергии в тепловую

Данный процесс протекает посредством применения коллекторов разных типов и конструкций.

Преобразование может осуществляться с помощью вакуумных коллекторов трубчатого и плоского видов. Принцип их действия следующий – под воздействием солнца происходит нагрев специальной жидкости, которая при достижении определенных показателей начинает процесс испарения, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Передав тепловую энергию пар конденсируется и процесс возобновляется.

Также преобразование может осуществляться с помощью плоских коллекторов, которые представляют каркасную конструкцию с теплоизоляцией и абсорбер с покрытием из стекла, с патрубками для входа и выхода тепловой энергии. Принцип данного коллектора заключается в том, что солнечные потоки попадают на абсорбер и нагревают его, а тепло с него переходит в теплоноситель.

Разработано еще использование гелиотермальных установок, принцип работы которых основывается на нагревании поверхности, позволяющей поглощать лучи солнца. Лучи концентрируются и с помощью устройства линз фокусируются, после чего направляются на поглощающее тепло устройства, где солнечная энергия передается на накопители или передается пользователю при помощи теплоносителя.

Расположение и виды солнечных панелей

Солнечные панели можно расположить в любом понравившемся месте. Необходимо только обратить внимание на большое количество солнечного света, которое должно беспрепятственно попадать на их поверхность. Солнечные панели прекрасно подойдут для дома. Говоря простым языком, солнечные панели – это фото-пластины, которые монтируются на крыши частных и загородных домов или многоквартирных домов.

В практике отлично показали себя тонкопленочные панели для преобразования солнечной энергии. Их отличительной чертой является толщина, которая позволяет располагать панели в любом месте. Однако, КПД тонкопленочный панелей гораздо ниже, чем у фото-пластин. Поэтому эксплуатация тонкоплёночных панелей подходит только для небольших поверхностей. К примеру, на балконе многоквартирного дома или на крышке портативного компьютера.

Разновидности солнечных панелей

Панели можно разделить на несколько видов:

• Пленочные – представляют собой каркас с натянутой на него тонких пленок. Легко монтируются в необходимых места. При пасмурной погоде эффективность производства электроэнергии у них снижается на двадцать процентов, также при монтаже занимает большое пространство, однако, стоит намного дешевле других;
• Монокристаллические – состоят из большого количества отдельных ячеек с силиконом, за счет такой конструкции панели обладают повышенную гидроизоляцию. Такие панели прекрасно используются в судоходстве, монтируются на кровле. Эффективная эксплуатация осуществляется при расположении с солнечной стороны крыши, но в случае, когда такая возможность отсутствует, можно их расположить со стороны затененного ската, только результат отдачи энергии будет нерезультативен. Панели обладают небольшим весом и габаритами, удобны при сборке и установке. От остальных разновидностей их отличает гибкость, небольшой вес, компактность, долговечность и надежность;
• Поликристаллические – характеризуются возможностью улавливать даже самый рассеянный солнечный свет и небольшой зависимостью от прямых солнечных лучей. Все это за счет кристаллов, которые находятся в ячейках и направленным в разные стороны. Такие панели широко используются в различных сферах благодаря своей надежности и эффективности по выработке электричества. Прекрасно применяются для освещения домов, административных помещений и улиц.

Солнечное излучение и его характеристики

Энергия солнца передается в пространство за счет протекающих термоядерных реакций. На планету Земля попадает энергетический поток, который равен 174*10¹⁵Вт. Основная величина, характеризующая данный вид энергии – это солнечная постоянна, то есть плотность потока излучения, попадающая на площадку, перпендикулярную этому излучению и расположенную над атмосферой. Ее численный показатель равен 1355 Вт/м².

Проходя через атмосферу, солнечное излучение ослабевает, частично пронизывает атмосферу прямыми лучами и достигает поверхности Земли в виде прямого и рассеянного излучения. на поверхности Земли солнечная постоянная равна 1000Вт/м².

Солнечное излучение, которое достигло поверхности Земли, неоднородное по составу и его можно разделить на следующие диапазоны – ультрафиолетовый, видимое излучение и инфракрасный диапазон. Каждый из них вносит свою долю излучения – 7%, 47% и 46% соответственно.

Плюсы и минусы солнечной энергии

Преимущества данной энергии являются:

• Бесплатно – одним из главных преимуществ солнечной энергии – это отсутствие платы. Солнечные панели выпускаются с применением кремния, запасы которого не скоро еще кончатся;
• Нет побочного действия – процесс преобразования происходит с минимальным уровнем шума, вредных воздействий на человека, животный мир и окружающую среду, выбросов и отходов. Данные преимущества нельзя отнести к тепловой, гидро- и атомной энергетике. Все классические источники по некоторым параметрам наносят вред окружающему миру;
• Безопасность и надежность – оборудования для выработки солнечной энергии долговечно и служит около 30 лет. После 20 – 25 лет эксплуатации фотоэлементы выдают только лишь 80%энергии от номинального значения;
• Рециркуляция – солнечные панели полностью перерабатываются и могут повторно использоваться в промышленности;
• Простота в обслуживании – оборудовании довольно легко разворачивается и используется в автономном режиме;
• Отлично адаптированы для эксплуатации в частных домах;
• Эстетика – можно монтировать на крышах или фасадах строений. Они не нанесут урон экстерьеру;
• Прекрасно подходят для создания вспомогательных систем энергоснабжения.

Ни что на свете не обходится без недостатков, у солнечной энергии они следующие:

• От времени суток и погодных условий зависит эффективность. Нецелесообразно применять солнечную энергию в высоких широтах;
• Необходимо накапливать преобразованную энергию;
• Высокие вложения – в особенности это ощущается для простых людей при приобретении оборудования для частного дома;
• Систематически необходимо выполнять чистку панелей от загрязнения;
• Для размещения солнечных панелей нужна большая площадь;
• Некоторые фотоэлементы обладают мышьяком, Pb, Cd, что усложняет их переработку.

Область применения солнечной энергии

Солнечная энергия широко применяет в промышленности и повседневной жизни. Однако самыми распространенными вариантами ее использования являются:

Энергосбережение частного дома – КПД таких систем на данный момент не превышает 10 – 15%. Напряжение 12В или 14В, однако для частного или загородного дома этого вполне достаточно. Стоит отметить, что современные солнечные панели вырабатывают электроэнергию даже в сумерки и пасмурную погоду. Зарядки аккумуляторов достаточно для освещения площади в темное время суток. Помимо этого, панели подключаются в качестве вспомогательного источника и при надобности их заменяют основная система энергосбережения;

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения – происходит преобразование солнечной энергии в тепловую энергию. У большинства дачников на участке есть душ, который оснащен металлическим резервуаром наверху. Резервуар нагревается путем воздействия на него солнечных лучей, после чего можно принимать горячий душ. Это самый простой вариант коллектора. Современные системы оснащаются высокой эффективностью. В них встроен поглощающий элемент, который передает тепловую энергию теплоносителям.

Существуют конструкции с водой и воздухом в качестве теплоносителя. Коллекторы, как правило, используются в составе систем горячего водоснабжения. Нагретый теплоноситель попадает в бойлер и в дальнейшем прогревает в нем воду. Схема почти такая же, как и у электрического нагревателя.

Миниатюрные системы с коллекторами могут осуществлять бесплатный нагрев воды для семьи, состоящей из пяти человек. Вместе с монтажом такой системы осуществляется работа по улучшению качества теплоизоляции. Если в зимнее время морозы не суровые, то контроллеры можно эксплуатировать и в зимнее время;

Портативные источники энергии – данный вид используется для выработки электроэнергии при отсутствии электрических систем. Такие мобильные аккумуляторы с возможностью зарядки от солнечных панелей востребованы среди туристов, садоводов и прочее;

Концентраторы – экзотическое устройства, которое широко используются у туристов в составе походных кухонь. Они фокусируют свет параболическим зеркалом на резервуаре с теплоносителем;

Транспорт – пока не самая популярная сфера применения, однако на данный момент проводятся гоночные соревнования в Австралии на карах, которые работают от солнечной энергии. В последнее время конструкторы наращивают скорость автомобилей до 80 км/ч. Также в настоящее время проходят испытания самолета, который работает на солнечном аккумуляторе с облетом планеты.

Развитие солнечной энергетики и ее перспектива

Солнечная энергетика развивается в таких странах как Соединенные Штаты Америки, Испания, Саудовская Аравия, Израиль, России и Странах СНГ. Стоит отметить, что темпы развития в России намного медленнее за счет климатический условий и меньших доходах населения.

В России наблюдается регулярное развитие солнечной промышленности и делается акцент на развитие энергетики в странах Дальнего Востока. Солнечные подстанции возводятся в удаленных регионах Якутии, что дает возможность сэкономить на экспортируемом топливе. Также появляются такие подстанции в Липецкой области.