Сонячна енергія

Сонячна енергія, випромінювання Сонця, здатне виробляти тепло, що викликає хімічні реакції, або виробляє електрику. Загальна кількість інцидентів сонячної енергії на Землі значно перевищує поточні та очікувані енергетичні потреби світу. У разі необхідності використання цього джерела має потенціал для задоволення всіх майбутніх енергетичних потреб. У 21-му столітті сонячна енергія, як очікується, стає все більш привабливою як джерело відновлюваної енергії через її невичерпну пропозицію та її незабруднюючий характер, на відміну від викопного палива вугілля, нафти та природного газу.

Сонце є надзвичайно потужним джерелом енергії, і сонячне світло є найбільшим джерелом енергії Землі, але її інтенсивність на поверхні Землі насправді досить низька. По суті, це пов’язано з величезним радіальним поширенням радіації від далекого Сонця. Відносно незначна додаткова втрата пов’язана з атмосферою Землі та хмарами, які поглинають або розкидають до 54% сонячного світла. Сонячне світло, що досягає землі, складається з майже 50 відсотків видимого світла, 45 відсотків інфрачервоного випромінювання і меншої кількості ультрафіолетових та інших форм електромагнітного випромінювання.

 

Використання Сонячної Енергії

Потенціал для сонячної енергії величезний, оскільки близько 200 тисяч разів перевищує загальну добову електричну потужність у світі щодня у формі сонячної енергії. На жаль, хоча сама сонячна енергія є вільною, висока вартість її збору, перетворення та зберігання все ще обмежує її експлуатацію в багатьох місцях. Сонячне випромінювання може бути перетворено або в теплової енергії (тепла) або в електричну енергію, хоча перша легше виконувати.

 

Термальна енергія

Серед найбільш поширених пристроїв, що використовуються для захоплення сонячної енергії і перетворення її в теплову енергію, є плоскі колектори, які використовуються для сонячного опалення. Оскільки інтенсивність сонячного випромінювання на поверхні Землі настільки низька, ці колектори повинні бути великими за площею. Навіть у сонячних районах помірних регіонів світу, наприклад, колектор повинен мати площу близько 40 квадратних метрів (430 квадратних футів), щоб зібрати достатньо енергії для задоволення енергетичних потреб однієї людини.

Найбільш широко використовувані плоскі колектори складаються з чорного металевого листа, покритого одним або двома скляними склянками, що нагрівається сонячним світлом, що падає на нього. Це тепло потім переноситься на повітря або воду, звані рідиною-носієм, що протікає повз задньої частини пластини. Тепло можна використовувати безпосередньо, або воно може бути перенесено на інше середовище для зберігання. Плоскі колектори зазвичай використовуються для сонячних водонагрівачів і опалення будинку. Зберігання тепла для використання вночі або в похмурі дні звичайно здійснюється за допомогою ізольованих резервуарів для зберігання води, нагрітої протягом сонячних періодів. Така система може забезпечити житловий будинок гарячою водою, витягнутою з резервуара, або, коли прогріта вода проходить через труби в підлогах і стелях, вона може забезпечити опалення приміщення. Плоскі колектори зазвичай нагрівають рідини-носії до температури від 66 до 93 ° C (від 150 до 200 ° F). Ефективність таких колекторів (тобто частка отриманої енергії, яку вони перетворюють в корисну енергію) коливається від 20 до 80 відсотків, залежно від конструкції колектора.

Інший метод перетворення теплової енергії знаходиться в сонячних ставках, які є органами солоної води, призначеними для збору і зберігання сонячної енергії. Тепло, що видобувається з таких водойм, дозволяє виробляти хімікати, продукти харчування, текстиль та інші промислові продукти, а також може використовуватись для обігріву теплиць, басейнів і приміщень для тваринництва. Сонячні ставки іноді використовуються для виробництва електроенергії за допомогою органічного двигуна Ренкіна, що є відносно ефективним і економічним засобом перетворення сонячної енергії, що особливо корисно у віддалених місцях. Сонячні ставки є досить дорогими для встановлення та обслуговування і, як правило, обмежені теплими сільськими районами.

У менших масштабах енергію Сонця можна також використовувати для приготування їжі у спеціально розроблених сонячних печах. Сонячні печі зазвичай концентрують сонячне світло з широкої області на центральній точці, де судно з чорним покриттям перетворює сонячне світло в тепло. Печі, як правило, є портативними і не потребують інших витрат палива.

Генерація електроенергії

Сонячне випромінювання може бути перетворено безпосередньо в електрику сонячними елементами ( фотоелектричних елементів ). У таких камерах створюється невелика електрична напруга, коли світло вражає перехід між металом і напівпровідником (наприклад, кремнієм ) або стикуванням двох різних напівпровідників. ( Див. Фотоелектричний ефект.) Потужність, що генерується однією фотоелектричною камерою, зазвичай становить лише близько двох ват. З’єднуючи велику кількість окремих осередків, однак, як і в сонячних панелях, сотні або навіть тисячі кіловат електричної енергії можуть генеруватися в сонячній електростанції або у великому масиві побутової техніки. Енергоефективність більшості сучасних фотоелектричних батарей становить лише від 15 до 20%, і, оскільки інтенсивність сонячного випромінювання низька для початку, великі і дорогі збірки таких клітин потрібні для виробництва навіть помірних потужностей.

Невеликі фотоелектричні елементи, що працюють на сонячному світлі або штучному світлі, знайшли велике застосування в малопотужних додатках — наприклад, як джерела живлення для калькуляторів і годинників. Для забезпечення потужності для водяних насосів і систем зв’язку у віддалених районах і для супутників погоди та зв’язку використовувалися великі пристрої. Класичні кристалічні кремнієві панелі та нові технології, що використовують тонкоплівкові сонячні елементи, включаючи фотоелектричні фотоелектричні установки, можуть бути встановлені власниками будинків і підприємствами на своїх дахах, щоб замінити або збільшити звичайне електричне живлення.

Використовують концентровані сонячні електростанції концентруючи або фокусуючи колектори, щоб концентрувати сонячне світло, що надходить з широкої області, на невеликий приймач, тим самим значно збільшуючи інтенсивність світла, щоб виробляти високі температури. Масиви ретельно вирівняних дзеркал або лінз можуть сфокусувати достатню кількість сонячного світла на нагріванні цілі до температури 2000 ° C (3600 ° F) або більше. Ця теплота потім може бути використана для керування котлом, який, у свою чергу, створює пар для електростанції парогенератора. Для безпосереднього отримання пари рухомі дзеркала можуть бути розташовані таким чином, щоб концентрувати велику кількість сонячного випромінювання на чорних трубах, через які циркулює вода і таким чином нагріваються.

 

Інші програми

Сонячна енергія також використовується в малих масштабах для інших цілей, ніж описані вище. У деяких країнах, наприклад, сонячна енергія використовується для виробництва солі з морської води шляхом випаровування. Подібним чином, одиниці опресненія сонячної енергії перетворюють солону воду в питну воду шляхом перетворення енергії Сонця на тепло, прямо чи опосередковано, для керування процесом опріснення.

Сонячна технологія також з’явилася для чистого та відновлюваного виробництва водню як альтернативного джерела енергії. Імітуючи процес фотосинтезу, штучні листя є пристроями на основі кремнію, які використовують сонячну енергію для розщеплення води на водень і кисень, залишаючи практично ніяких забруднювачів. Необхідна подальша робота для підвищення ефективності та економічної ефективності цих пристроїв для промислового використання.