Солнечная энергия — это полезная энергия, которая генерируется солнцем в форме электрической или тепловой энергии. Солнечная энергия улавливается различными способами, наиболее распространенным из которых является использование фотоэлектрических солнечных панелей, которые преобразуют солнечное излучение в полезное электричество. Кроме использования фотоэлектрических элементов для генерации электроэнергии, солнечная энергия используется не только для электроснабжения, но и для выработки тепловой энергии, для отопления или горячего водоснабжения. Владельцы жилой и коммерческой недвижимости могут устанавливать солнечные системы горячего водоснабжения и проектировать свои здания с учетом пассивного солнечного отопления, чтобы в полной мере использовать энергию солнца с помощью современных технологий.
Заинтересованы в получении выгоды от солнечной энергии? Солнечные батареи устанавливаются в трех основных сегментах: жилой, коммерческий и коммунальный. Солнечные батареи бытового сегмента обычно устанавливаются на крышах домов или на открытой местности (на земле) и обычно составляют от 5 до 20 киловатт (кВт), в зависимости от необходимых мощностей и размера объекта. Коммерческие объекты с использованием солнечной энергии обычно устанавливаются в большем масштабе, чем частные. Хотя отдельные установки могут сильно различаться по размеру, солнечные батареи коммерческого сегмента как правило предназначены предоставлять локальную солнечную энергию предприятиям и некоммерческим организациям. Наконец, солнечные проекты коммунального сегмента обычно представляют собой крупные установки мощностью в несколько мегаватт (МВт), которые обеспечивают солнечную энергию большому количеству потребителей коммунальных услуг.
В некоторых случаях потребители солнечной энергии не имеют возможности установить саму солнечную станцию на своей территории, тогда существует жизнеспособный вариант использования солнечной энергии, который напрямую связывает проекты по использованию солнечной энергии в коммунальном сегменте с бытовыми потребителями. Таким образом, общественные солнечные фермы, как правило, строятся на близлежащей территории, а не в собственности конкретного отдельного клиента. Такие потребители могут подписаться на общий проект в области солнечной энергии, чтобы получать многие преимущества солнечной энергии без установки солнечных станций на своей собственности.
Как работает солнечная энергия?
В 1954 году Bell Labs разработала первый кремниевый фотоэлектрический элемент. Хотя солнечная энергия ранее была преобразована в полезную энергию различными способами, только после 1954 года солнечная энергия стала жизнеспособным источником электричества для устройств питания в течение длительных периодов времени. В первых солнечных батареях превращают солнечное излучение в электричество при КПД всего 4 % , тогда как многие широко доступные модули солнечных ячеек на сегодня может преобразовывать солнечный свет в солнечную энергию при КПД более 20 % эффективности, и это значение постоянно растет.
Хотя принятие солнечной энергии поначалу было достаточно медленным, ряд государственных и федеральных стимулов и законопроектов способствовали снижению стоимости солнечных батарей настолько, чтобы они стали более широко распространенными. На данный момент солнечной энергии достаточно для того, чтобы обеспечить энергией 11 миллионов из 126 миллионов домохозяйств в стране.
Солнце как источник энергии
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце – это звезда, излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая 10,5 х 10 6 кДж/м 2 , в год захватывается Землей. Около 40 % этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. 15 % поглощается атмосферой (озоновым слоем) и превращается в тепловую энергию, или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45 % поглощаются растениями или земной поверхностью. В среднем это составляет 5 х 10 6 кДж/м 2 в год. Большая часть энергии излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу (2/3), и только небольшая часть, пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы (рис. 50).
Рис. 50. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации (по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину, 1994)
Скорость фиксации солнечной энергии определяет продуктивность сообществ. Основной показатель продуктивности – биомасса организмов, составляющих экосистему. Биомасса выражается в единицах массы или энергии живого вещества организмов, приходящихся на единицу площади или объема. Продуктивность автотрофных организмов представляет собой первичную продуктивность. Продуктивность гетеротрофных организмов составляет вторичную продуктивность. Первичная валовая продукция – продукция фотосинтеза. Это вся химическая энергия в форме произведенного органического вещества. Если из валовой продукции изъять ту часть энергии, которая тратится растениями на дыхание, то получится чистая первичная валовая продукция. Зеленые растения могут перерабатывать от 1 % до 5%, поступающей на земную поверхность энергии Солнца. Животные, питающиеся растениями для образования биомассы своего тела используют всего 1 % энергии, содержащейся в растительном материале. Экосистема океана дает половину всей продуктивности планеты, леса – третью часть, пашни – около 1/10. Оценку продуктивности экосистем всегда производят по первичной продукции. Первичная продукция во много раз больше вторичной продукции. В целом вторичная продуктивность колеблется от 1 % до 10 % в зависимости от свойств животных и особенностей поедаемости ими корма.
Пищевые (трофические) цепи, пирамиды
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример, животное поедает растение. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным и таким образом может происходить перенос энергии через ряд организмов: каждый последующий питается предыдущим, поставляет ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено трофическим уровнем (tropho — питание). Первый трофический уровень занимают первичные продуценты. Это автотрофные организмы, в основном зеленые растения. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами (травоядные животные). Ими являются насекомые, рептилии, птицы, млекопитающие (грызуны и копытные – лошадь, овца, крупный рогатый скот). Они питаются первичными продуцентами. Вторичные консументы (третий трофический уровень) питаются травоядными. Это уже плотоядные животные, как и третичные консументы (четвертый трофический уровень), поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью и быть паразитами. Обычно бывает 4 -5 трофических уровней и редко больше 6.
В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне:
Растительный материал (нектар) → муха → паук → землеройка → сова;
Сок розового куста → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищная птица.
В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, последние становятся меньше по размерам на каждом следующем трофическом уровне.
Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (все организмы, питающиеся растениями), третий – хищники.
Тело погибших растений и животных еще содержат энергию и строительный материал, также как и прижизненные выделения моча, фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами — грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются в течение нескольких недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины играют грибы, они выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать различный материал. Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, многие мелкие животные: дождевые черви, мокрицы, клещи, нематоды, черви — энхитреиды (детритофаги) питаются ими, ускоряя процесс разложения. Детритофагами могут питаться более крупные организмы и тогда создается пищевая цепь другого типа, начинающаяся с детрита:
Детрит → детритофаг → хищник;
Мертвое животное → личинки падальных мух → травяная лягушка → уж.
Реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее. Животное может питаться организмами разных типов или даже из разных пищевых цепей (хищники верхних трофических уровней). Поэтому пищевые цепи переплетаются, образуя пищевую сеть.
Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.
Исследование солнечной энергии
Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.
Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×10 11 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м 3 воды.
THE SUN AS AN ENERGY SOURCE
To increase the efficiency and development of modern energy, it is necessary to introduce аlternаtive energy sources that meet cost-effective technologies and economic indicаtоrs. This article discusses the introduction of solar panels in the energy sector, their varieties, characteristics and positive factors.
Прошин А.Д. студент магистратуры 3 курс, Энергетический факультет направление «Электроэнергетика и электротехника» Ульяновский государственный технический университет
Россия, г. Ульяновск
СОЛНЦЕ, КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Аннотация: Для повышения эффективности и развития современной энергетики необходимо внедрять альтернативные источники энергии, которые отвечают рентабельным технологиям и экономическим показателям. В данной статье рассмотрено внедрение солнечных панелей в энергетику, их разновидности, характеристики и положительные факторы.
Ключевые слова: солнечная энергия, солнечные панели, фотоэлемент, фотоэлектрические системы и др.
PrоshinА.D. mаsterS student 3rd year, the faculty of energy direction «Pоwer аМ Electrical Engineering» Ulyanovsk State Technical University
THE SUN AS AN ENERGY SOURCE
Annotation: To increase the efficiency and development of modern energy, it is necessary to introduce аlternаtive energy sources that meet cost-effective technologies and economic ind^^rs. This article discusses the introduction of solar panels in the energy sector, their varieties, characteristics and positive factors.
Key words: solar energy, solar panels, photocell, phоtоvоltаic systems, etc.
Солнечная энергия является широко доступным и экологически чистым альтернативным видом энергии. На сегодняшний день этот природный ресурс используют для получения электричества, тепла, света, для коммунально-бытовых потребителей и предприятий. В ближайшее время, привычные для нас ресурсы, такие как: природный газ, уголь и нефть начнут исчезать, и в совокупности с отрицательным влиянием использования этих источников энергии касательно окружающей среды, стало необходимостью использовать возобновляемые источники энергии, которые в будущем приведут к получению энергии без вреда к окружающей среды. Энергетический потенциал солнца огромен, но получение солнечной энергии на данном этапе является проблемой из-за ограниченной эффективности солнечных панелей. Эффективность большей
«Мировая наука» №12(33) 2019 science-j.com
солнечных панелей составляет примерно 10-15%. На данный момент самый высокий достигнутый коэффициент преобразования солнечного света составляет приблизительно21,5 % [1], из этого следует, что нам предстоит еще много всего изучить и достичь в этой сфере.
Фотоэлектрическая система, как правило, состоит из одного или нескольких фотоэлектрических модулей. Один такой модуль может включать от 36 до72 фотоэлектрических солнечных батарей.
Фотоэлектрические солнечные панели преобразуют электроэнергию непосредственно из солнечного света через электронный процесс, который происходит естественно в определенных материалах — полупроводниках. Солнечные панели могут широко использоваться для питания любой электроники от калькуляторов и дорожных знаков до домов и деревень.
Относительно производительности, без аккумуляторная система производит значительно больше электроэнергии, чем аккумуляторная. Во-первых, часть энергии теряется на заряд и разряд электричества аккумулятора (до 20%), остальная часть теряется в менее эффективных батарейных инверторах и контроллерах заряда.
Существуют современные технологические конструкции для надежного монтажа солнечных модулей на земле или плоской крыше. Они оснащены усиленными элементами конструкции, а также характеризуются длительным сроком службы, простой установки, сверхпрочной основой, позволяющей устанавливать фотоэлектрические модули на земле или плоской крыше для питания потребителей в жилых, офисных и промышленных зданиях.
Технология фотоэлектрических систем является одной из форм производства возобновляемой энергии, которая стремительно развивается по всему миру. Источником для производства этого вида энергии является солнечная энергия, следовательно, воздействие на окружающую среду гораздо меньше. Страны во всем мире используют фотоэлектрические системы как надежную альтернативу производства энергии.
1. FerryR., E. Mоnоiаn. А field guide to renewаЫe energy tech^togies. Detroit publishing cоmpаny cоllectiоn, 2013г.
2. Козлова M. Анализ последствия новой политики использования возобновляемых источников энергии в России на инвестициях в ветряную, солнечную энергию и малых ГЭС. Дипломная работа. Технологический университет г. Лаппеенранта,2015г.
3. Молави Д. Д. Барелл. Экономическая оценка возобновляемых источников энергии. Международный журнал инновационные исследования: наука, техника и технологии,2015г.
«Мировая наука» №12(33) 2019 science-j.com
Солнце как источник энергии
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце – это звезда, излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая 10,5 х 10 6 кДж/м 2 , в год захватывается Землей. Около 40 % этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. 15 % поглощается атмосферой (озоновым слоем) и превращается в тепловую энергию, или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45 % поглощаются растениями или земной поверхностью. В среднем это составляет 5 х 10 6 кДж/м 2 в год. Большая часть энергии излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу (2/3), и только небольшая часть, пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы (рис. 50).
Рис. 50. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации (по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину, 1994)
Скорость фиксации солнечной энергии определяет продуктивность сообществ. Основной показатель продуктивности – биомасса организмов, составляющих экосистему. Биомасса выражается в единицах массы или энергии живого вещества организмов, приходящихся на единицу площади или объема. Продуктивность автотрофных организмов представляет собой первичную продуктивность. Продуктивность гетеротрофных организмов составляет вторичную продуктивность. Первичная валовая продукция – продукция фотосинтеза. Это вся химическая энергия в форме произведенного органического вещества. Если из валовой продукции изъять ту часть энергии, которая тратится растениями на дыхание, то получится чистая первичная валовая продукция. Зеленые растения могут перерабатывать от 1 % до 5%, поступающей на земную поверхность энергии Солнца. Животные, питающиеся растениями для образования биомассы своего тела используют всего 1 % энергии, содержащейся в растительном материале. Экосистема океана дает половину всей продуктивности планеты, леса – третью часть, пашни – около 1/10. Оценку продуктивности экосистем всегда производят по первичной продукции. Первичная продукция во много раз больше вторичной продукции. В целом вторичная продуктивность колеблется от 1 % до 10 % в зависимости от свойств животных и особенностей поедаемости ими корма.
Пищевые (трофические) цепи, пирамиды
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример, животное поедает растение. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным и таким образом может происходить перенос энергии через ряд организмов: каждый последующий питается предыдущим, поставляет ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено трофическим уровнем (tropho — питание). Первый трофический уровень занимают первичные продуценты. Это автотрофные организмы, в основном зеленые растения. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами (травоядные животные). Ими являются насекомые, рептилии, птицы, млекопитающие (грызуны и копытные – лошадь, овца, крупный рогатый скот). Они питаются первичными продуцентами. Вторичные консументы (третий трофический уровень) питаются травоядными. Это уже плотоядные животные, как и третичные консументы (четвертый трофический уровень), поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью и быть паразитами. Обычно бывает 4 -5 трофических уровней и редко больше 6.
В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне:
Растительный материал (нектар) → муха → паук → землеройка → сова;
Сок розового куста → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищная птица.
В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, последние становятся меньше по размерам на каждом следующем трофическом уровне.
Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (все организмы, питающиеся растениями), третий – хищники.
Тело погибших растений и животных еще содержат энергию и строительный материал, также как и прижизненные выделения моча, фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами — грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются в течение нескольких недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины играют грибы, они выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать различный материал. Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, многие мелкие животные: дождевые черви, мокрицы, клещи, нематоды, черви — энхитреиды (детритофаги) питаются ими, ускоряя процесс разложения. Детритофагами могут питаться более крупные организмы и тогда создается пищевая цепь другого типа, начинающаяся с детрита:
Детрит → детритофаг → хищник;
Мертвое животное → личинки падальных мух → травяная лягушка → уж.
Реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее. Животное может питаться организмами разных типов или даже из разных пищевых цепей (хищники верхних трофических уровней). Поэтому пищевые цепи переплетаются, образуя пищевую сеть.
Использование солнечной энергии, солнечная энергетика — история развития, плюсы и минусы
Одна из самых важных вещей на планете Земля, которую мы используем для выполнения какой-либо деятельности, движения или развития является энергия.
Вся биосфера на многие миллионы лет надежно работает на солнечной энергии, которая улавливается растениями и запасается в виде органических соединений. Затем они используются в качестве «источника энергии» в виде пищу и животных, в том числе человека.
А вот с цивилизацией сложнее. Она получает большую часть своей энергии из ископаемого топлива, т.е. из тех запасов, которые были созданы здесь за миллионы лет растениями и которые теперь принадлежат нам. Цивилизация расходует ископаемое топливо со скоростью, в несколько раз превышающей скорость их создания.
Для нашей цивилизации важнейшей энергией является электрическая энергия, которую легко распространять, а также использовать. Ее можно легко преобразовать во все другие формы энергии.
Однако большая часть электрической энергии по-прежнему производится на тепловых электростанциях, которые имеют относительно низкую эффективность и в основном используют ископаемое топливо или уран в качестве источников энергии.
Удивительно, что солнечный свет так легко и повсеместно доступен падая на Землю, но до последнего времени мы почти не использовали его как источник энергии.
В XXI веке мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, в том числе и солнце.
Сейчас солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.
Энергия солнца
По оценкам ученых, Солнце образовалось около 4,57 миллиарда лет назад, когда разрушилось молекулярное облако водорода. Позже, около 1 миллиарда лет назад, на Земле начала формироваться жизнь.
Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.
Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.
Сегодня считается, что каждый час на земную поверхность попадает достаточно энергии от Солнца, чтобы обеспечить потребности человечества в энергии на целый год.
С экологической точки зрения использование солнечной энергии также очень выгодно, так как она не производит никаких отходов, а при ее использовании воздух не загрязняется вредными выбросами.
С усилением индустриализации и повышением уровня жизни в густонаселенных странах, таких как Китай и Индия, глобальный спрос на энергию на душу населения растет.
Кроме того, растущее признание вклада выбросов парниковых газов не только в глобальное потепление, но и в общую деградацию окружающей среды сделало поиск альтернативных источников энергии более приоритетным, чем когда-либо прежде.
История развития
Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелем.
Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.
Эти открытия по существу ознаменовало начало антропогенного — в отличие от природного — использования солнечного излучения.
В 1888 году в США было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения».
Хотя экспериментально наблюдалось намного раньше, фундаментальное понимание этого явления не было сформировано до начала двадцатого века, когда Альберт Эйнштейн опубликовал статью о фотоэлектрическом эффекте и его теория квантования света (фотонов) в 1905 году, работа, которая позже принесла ему Нобелевскую премию в 1921 году.
Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.
Развитию наземной солнечной энергетики предшествовала большая работа ученых (в том числе ленинградско-петербургской научной школы – физтеховцев Бориса Коломийца и Юрия Маслаковца) в области солнечных батарей космического назначения. Они создали в Ленинградском физикотехническом институте серноталлиевые фотоэлементы, КПД которых равнялся 1% — настоящий рекорд для того времени.
Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».
Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.
По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации.
В 1954 году Bell Laboratories (Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон) производили кремниевые фотоэлектрические элементы, способный генерировать достаточно энергии от солнца для работы повседневного электрического оборудования. Они уже имели приемлемый КПД 6%, но были слишком дороги в производстве.
В 1957 году началось использование фотогальванических элементов в качестве источника энергии на искусственных спутниках Земли (первый спутник с фотогальваническими элементами был запущен 17 марта 1958 г.).
Фотоэлектрические элементы начали использоваться на Земле в 1970-х годах для питания навигационных огней на маяках.
Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.
В 1980-х годах были построены первые пробные солнечные фотоэлектрические электростанции. В 1981 году над каналом Ла-Манш пролетел первый самолет на солнечных батареях.
Сеть товаров для дома Home Depot начала продавать бытовые солнечные электростанции в трех магазинах в Сан-Диего, Калифорния (США), в 1991 году, а год спустя расширила продажи до 61 магазина по всей стране.
В 1999 году солнечные батареи достигли мощности 1 гигаватт по всему миру, а в 2004-2005 гг. произошел рост фотоэлектрического рынка на 42%.
Принцип действия солнечных электростанций:
Но, конечно, для старта солнечной энергетики – даже без учета экономической составляющей – требовалась существенно большая эффективность. И ее удалось в какой-то степени добиться. КПД современных кремниевых полупроводниковых генераторов равен уже 15-24% (смотрите — Эффективность солнечных элементов и модулей), благодаря чему (а также падению их в цене) сегодня наблюдается устойчивый спрос.
Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.
Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км 2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.
В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.
Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.
Концентрированная солнечная технология является одной из сегодняшних возможностей для производства электроэнергии от солнца. Одним из популярных решений промышленных солнечных электростанций такого типа являются тепловые солнечные электростанции башенного типа.
Главное преимущество этой технологии, что он позволяет с помощью щелочных солей накапливать солнечное тепло в тепловом накопителе и впоследствии производить из него электроэнергию даже в ночное время.
Щелочные соли заряжаются в течение дня из так называемого ресивера, в котором концентрируются солнечные лучи. Жидкие соли проходят через ресивер и нагреваются в нем. Впоследствии пар производится путем передачи тепла от соли, которая вращает турбину, производящую электрическую энергию.
В основном в таких солнечных электростанциях хранится тепловая энергия, которая при необходимости преобразуется в электрическую с помощью паровой турбины. Эта технология может в будущем заменить ископаемые источники энергии, такие как уголь или газ.
Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.
Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.
Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.
Фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт за год производит порядка 2 млн. кВт . ч. Тем самым предотвращается эмиссия углекислого газа по сравнению с топливной электростанцией в следующих объемах: на газе около 11 тыс. тонн, на нефтепродуктах 1,1-1,5 тыс. тонн, на угле 1,7-2,3 тыс. тонн.
К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.
К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.
Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.
Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.
Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.
Использование
Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.
Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:
- отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;
- конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;
- масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.
Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.
В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.
Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.
Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.
И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Солнечные батареи и фото гальваника
Для преобразования солнечной энергии в электричество мы используем фотоэлектрические солнечные батареи. Это солнечные коллекторные панели, которые имеют неотражающее покрытие с полупроводниками, которые поглощают солнечный свет.
Полупроводник — это вещество, которое может проводить электричество в одних условиях, но не в других. Одним из примеров полупроводника является кремний.
Когда атомы полупроводника поглощают солнечную энергию, отрицательно заряженные электроны могут быть отделены от остальной части атома. Электроны производят электрический ток, который можно собирать и использовать для многих применений.
Немного про Victron Energy
Компания Victron Energy была основана в 1975 году. За последние сорок с лишним лет компания выросла из небольшой фирмы, расположенной в одной комнате, в международную технологическую компанию, предлагающую сегодня рынку почти 1000 различных продуктов, которые продаются более чем в 60-ти странах мира.
Сегодня Victron Energy BV — компания, работающая по всему земному шару. Помимо главного голландского офиса, у компании есть офисы продаж в Европе, Африке, Северной и Южной Америках, а так же в Австралии. Т.е. география продаж оборудования – весь мир, от полюсов до тропиков!
