Энергия Солнца 

 

      Человечество издавна использует энергию Солнца: для сушки одежды, приготовления пищи, освещения жилища. Солнце – неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Здесь следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). А зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше, но, даже, несмотря на это, количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем.

На данный момент солнечную энергию используют в основном двумя методами - в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций. Использование термосистем в основном идёт по двум направлениям: для горячего водоснабжения и отопления. Установки и системы солнечного теплоснабжения делятся на пассивные и активные.

В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций при использовании дополнительных устройств или без них. Во многих странах для зданий характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время были разработаны усовершенствования этой "системы". Стена, обращенная на юг, окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается остекленная поверхность, а между ними остается воздух, который нагревается и циркулирует вдоль стены, создавая эффект теплой воздушной прослойки.

Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств, преобразующих солнечную энергию в тепло. Солнечные коллекторы могут быть двух типов: тепловая труба и определённым образом смонтированный теплопровод, внутри которого циркулирует вода, нагреваемая солнечным излучением, которое улавливает наружная поверхность устройства. Что же касается тепловой трубы, то принцип работы тут простой (Рис.1).

Рис. 1 Принцип работы тепловой трубы.

Обычная тепловая труба из неорганического стекла состоит из стеклянной вакуумированной колбы, в которую вставлена медная трубка. Медная трубка герметично запаяна с расширением в верхней части. Внутри неё находиться специальная легкокипящая жидкость. При нагревании устройства Солнцем жидкость закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть – наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-300°С. Там она конденсируется, отдавая тепло воде, которая течет по теплопроводу (Рис. 2), а конденсат стекает по стенкам трубки вниз и процесс повторяется.

Рис.2 Тепловые трубы, собранные в коллектор.

Тепловые трубки с использованием неорганических теплоносителей демонстрируют эффективность теплопередачи в 30 000 раз большую, чем у серебра.

Другой способ аккумулирования и использования солнечной энергии - фотоэлектрический. Метод прямого преобразования солнечного излучения в электричество является удобным для потребителя и считается наиболее экологически чистым по сравнению с другими способами получения электричества, которые используют органическое топливо, ядерное сырьё или гидроресурсы.

Основой солнечного фотоэлемента является пластина полупроводника с p-n переходом, она может быть изготовлена из селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Работа такого элемента основана на явлении фотоэффекта, открытом еще в позапрошлом столетии Г.Герцем. Теорию фотоэффекта создал А.Ейнштейн в 1905 году, за что был награждён Нобелевской премией. В двух словах суть эффекта заключается в том, что энергия квантов солнечного света переходит в энергию потока электронов в материале.

Возникает вопрос: какую же электрическую мощность можно получить от солнечного элемента? Это определяется как условиями освещения, так и характеристиками самого солнечного элемента. Монокристаллический кремниевый солнечный элемент размером 100х100 мм2 и толщиной 280 мкм (Рис. 3), при КПД 14.5% в условиях стандартного освещения мощностью 100 мВт/см2, может подать на внешнюю нагрузку напряжение 0.49В и ток 3А, то есть выделить 1.45Вт мощности. Объединяя такие фотомодули, можно создавать электростанции разной мощности, от нескольких ватт до нескольких мегаватт (Рис.4).

Рис. 3 Фотомодуль.	Рис.4 Батарея фотомодулей.

          Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии, такие как электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками (Рис.5), а также с системами на ископаемом топливе.

Рис.5 Солнечная Труба преобразует солнечное излучение (прямое и рассеянное) в электричество, новым способом комбинируя три общеизвестных принципа: парниковый эффект, вытяжную трубу и ветрогенератор. Горячий воздух образуется под большой стеклянной крышей вследствие нагрева солнцем. Воздух движется к трубе, расположенной в середине крыши, и вытягивается в нее. При этом поток воздуха вращает расположенные в основании трубы турбины.

          Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из наиболее быстро развивающихся в мире направлением использования возобновляемых источников энергии. Согласно обзору рынка компании Solarbuzz, мировой объем производства фотоэлементов в 2008 г. достиг 6,85 ГВт (почти двукратный рост по сравнению с 3,44 ГВт, произведенными в 2007 г.). Китай и Тайвань, увеличив свою долю в мировом производстве фотоэлементов с 35% до 44%, подтвердили свое лидерство в этом секторе, оставив далеко позади Германию и Японию. В то же время, ведущим производителем фотоэлементов остается немецкая компания Q-Cells, на третьем — по-прежнему, Suntech (Китай), а вот на второе месте в 2008 г. вышла компания First Solar (США), использующая тонкопленочные технологии. Всего же производство тонкопленочных фотоэлементов выросло на 123% до 0,89ГВт. Кроме того, по сравнению с другими видами производства электроэнергии за счет возобновляемых источников, солнечная фотоэнергетика обладает наибольшим потенциалом долгосрочного роста. Согласно прогнозу Европейской ассоциации фотовольтаики (EPIA), к 2030 г. солнечные батареи будут производить до 2646 ТВт электроэнергии, удовлетворяя от 8.9 до 13.8% мировых потребностей. Годовой объем рынка фотовольтаики достигнет €454 млрд.