Використання сонячної енергії на Землі. Перспективи використання енергії Сонця на Землі

Використання сонячної енергії на Землі. Перспективи використання енергії Сонця на Землі


На сьогоднішній день проблема витрати енергії стоїть досить гостро - ресурси планети не нескінченні і за час свого існування людство неабияк спустошило те, що було дано природою. На даний момент активно проводиться видобуток вугілля і нафти, запаси яких з кожним днем стають все менше. Сила думки дозволила людству зробити неймовірний крок у майбутнє і використовувати атомну енергію, принісши разом з цим благом величезну небезпеку для всього навколишнього середовища.

Не менш гостро стоїть питання екологічне - активний видобуток ресурсів і їх подальше використання згубно позначається на стані планети, змінюючи не тільки природу ґрунтів, але навіть кліматичні умови.

Саме тому особлива увага завжди приділялася природним джерелам енергії, таким, наприклад, як вода або вітер. Нарешті, через стільки років активних досліджень і розробок людство "доросло" до використання енергії Сонця на Землі. Саме про нього і піде далі мова.

Що в цьому привабливого

Перш ніж переходити до конкретних прикладів, з 'ясуємо, чим же так сильно зацікавив цей вид видобутку енергії дослідників усього світу. Основним його надбанням можна назвати невичерпність. Незважаючи на численні гіпотези, ймовірність того, що зірка на кшталт Сонця згасне найближчим часом, вкрай мала. Значить, перед людством відкрита можливість отримувати чисту енергію абсолютно природним шляхом.

Друга безсумнівна перевага використання енергії Сонця на Землі полягає в екологічності цього варіанту. Вплив на навколишнє середовище за таких умов буде нульовим, що в свою чергу забезпечує всьому світу куди більш світле майбутнє, ніж те, яке відкривається при постійному видобутку обмежених підземних ресурсів.

Нарешті, слід приділити окрему увагу тому факту, що використання енергії Сонця становить найменшу небезпеку для самої людини.

Як насправді

Тепер перейдемо до суті. Під дещо поетичною назвою "сонячна енергія" ховається насправді перетворення радіації на електрику за допомогою спеціально розроблених технологій. Даний процес забезпечують фотоелектричні елементи, які людство надзвичайно активно використовує в своїх цілях, причому досить успішно.

Сонячна радіація

Так вже склалося історично, що існуюче "радіація" викликає у людини швидше негативні асоціації, ніж позитивні у зв 'язку з тими техногенними катастрофами, які світу вдалося пережити на своєму віку. Проте технологія використання енергії Сонця на Землі передбачає роботу саме з нею.

По суті, даний вид радіації являє собою електромагнітне випромінювання, діапазон якого знаходиться в проміжку від 2,8 до 3,0 мкм.

Такий успішно використовуваний людством сонячний спектр складається насправді з трьох видів хвиль: ультрафіолетових (приблизно 2%), приблизно 49% складають світлові хвилі і, нарешті, ще стільки ж припадає на інфрачервоне випромінювання. Сонячна енергія має невелику кількість інших складових, проте роль їх настільки незначна, що особливого впливу на життя Землі вони не мають.

Кількість сонячної енергії, що потрапляє на Землю

Тепер, коли склад використовуваного на благо людства спектру визначено, слід відзначити ще одну важливу особливість даного ресурсу. Використання сонячної енергії на Землі здається досить перспективним ще й тому, що вона доступна в досить великій кількості при практично мінімальних витратах на переробку. Загальна кількість випромінюваної зіркою енергії надзвичайно велика, проте до поверхні Землі доходить приблизно 47%, що дорівнює семистам квадрильйонам кіловат-годин. Для порівняння відзначимо, що всього один кіловат-година зможе забезпечити десятирічну роботу лампочки потужністю в сто ватт.

Потужність випромінювання Сонця і використання енергії на Землі, звичайно, залежить від цілого ряду факторів: кліматичних умов, кута падіння променів на поверхню, пори року і географічного положення.

Коли і скільки

Нескладно здогадатися, що добова кількість сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі, постійно змінюється, оскільки безпосередньо залежить від положення планети по відношенню до Сонця і руху самого світила. Давно відомий той факт, що опівдні випромінювання максимально, в той час як вранці і ввечері кількість тих, хто досягає поверхні променів значно менше.

З упевненістю можна говорити про те, що використання енергії Сонця буде найбільш продуктивно в регіонах, максимально наближених до екваторіальної смуги, оскільки саме там різниця між вищими і нижчими показниками мінімальна, що говорить про максимальну кількість радіації, що досягає поверхні планети. Наприклад, на території пустельних африканських ділянок річна кількість випромінювання сягає в середньому 2200 кіловат-годин, тоді як на території Канади або, наприклад, Центральної Європи показники не перевищують 1000 кіловат-годин.

Сонячна енергетика в історії

Якщо мислити максимально широко, спроби "приручити" велике світило, що зігріває нашу планету, почалися ще в глибокій давнині в часи язичництва, коли кожна стихія була втілена окремим божеством. Однак, звичайно, тоді про використання сонячної енергії навіть мови бути не могло - у світі панувала магія.

Тема використання енергії Сонця на Землі стала активно підніматися тільки в кінці XIV - початку ХХ століття. Справжній прорив у науці був здійснений в 1839 році Олександром Едмоном Беккерелем, якому вдалося стати першовідкривачем фотогальванічного ефекту. Вивчення цієї теми значно посилилося, і вже через 44 роки Чарльз Фріттс зміг сконструювати перший в історії модуль, в основі якого був позолочений селен. Таке використання енергії Сонця на Землі давало невелику кількість вивільненої електрики - загальна кількість вироблення тоді склала не більше 1%. Проте для всього людства це стало справжнім проривом, який відкрив нові горизонти науки, про які раніше не доводилося навіть мріяти.

Вагомий внесок у розвиток сонячної енергетики зробив свого часу сам Альберт Ейнштейн. У сучасному світі ім 'я вченого частіше пов' язують з його знаменитою теорією відносності, проте насправді Нобелівської премії він був удостоєний саме за вивчення зовнішнього фотоефекту.

До наших днів технологія використання енергії Сонця на Землі переживає то стрімкі злети, то не менш стрімкі падіння, проте ця галузь знань постійно поповнюється новими фактами, і можна сподіватися, що вже в осяжному майбутньому перед нами відкриються двері в абсолютно новий світ.

Природа проти нас

Про достоїнства використання енергії Сонця на Землі ми вже говорили. Тепер звернемо увагу на недоліки даного методу, яких, на жаль, не менше.

Через пряму залежність від географічного положення, кліматичних умов і руху Сонця вироблення сонячної енергії в достатній кількості вимагає величезних територіальних витрат. Суть полягає в тому, що чим більше буде площа споживання і переробки сонячної радіації, тим більшу кількість екологічно чистої енергії ми отримаємо на виході. Розміщення таких величезних систем вимагає великої кількості вільної площі, що викликає певні труднощі.

Ще одна проблема, що стосується використання енергії Сонця на Землі, полягає в прямій залежності від часу доби, оскільки вироблення вночі буде нульовим, а в ранковий і вечірній час вкрай незначним.

Додатковим фактором ризику є сама погода - різкі зміни умов можуть вкрай негативно позначитися на роботі такого роду системи, оскільки викликають труднощі у налагодженні необхідної потужності. У певному сенсі ситуації з різкою зміною кількості поглинання і вироблення можуть бути небезпечними.

Чисто, але дорого

Використання сонячної енергії на Землі скрутне на даний момент через її дорожнечу. Фотоелементи, необхідні для здійснення основних процесів, мають досить високу вартість. Звичайно, позитивні сторони використання такого роду ресурсу роблять його окупним, однак з економічної точки зору на даний момент не доводиться говорити про повну окупність грошових витрат.

Тим не менш, як показує тенденція, ціна на фотоелементи поступово падає, так що з часом дана проблема може бути повністю вирішена.

Незручність процесу

Використання Сонця як джерела енергії становить ускладнення ще й тому, що даний спосіб обробки ресурсів досить трудомісток і незручний. Споживання і переробка радіації безпосередньо залежать від чистоти пластин, яку забезпечити досить проблематично. Крім того, вкрай негативно на процесі позначається і нагрівання елементів, яке можна запобігти тільки використанням найпотужніших систем охолодження, що вимагає додаткових матеріальних витрат, причому чималих.

Крім того, пластини, що використовуються в геліоколекторах, після 30 років активної роботи поступово приходять в непридатність, а про вартість фотоелементів говорилося раніше.

Екологічне питання

Раніше говорилося, що використання такого роду ресурсу зможе позбавити людство від досить серйозних проблем з навколишнім середовищем в майбутньому. Джерело ресурсів і кінцевий продукт дійсно екологічно максимально чисті.

Проте використання енергії Сонця, принцип роботи геліоколекторів полягає в застосуванні спеціальних пластин з фотоелементами, для виготовлення яких потрібна маса отруйних речовин: свинцю, миш 'яку або калію. Саме їх використання шкоди навколишньому середовищу не приносить, однак, враховуючи обмежений термін їх експлуатації, з часом утилізація пластин може стати серйозною проблемою.

Для обмеження негативного впливу на екологію виробники поступово переходять на тонкоплівкові пластини, які мають нижчу вартість і менш згубно позначаються на навколишньому середовищі.

Способи перетворення радіації в енергію

Фільми і книги про майбутнє людства дають нам майже завжди приблизно однакову картину даного процесу, яка, по суті, може істотно відрізнятися від дійсності. Існує декілька способів перетворення.

Найпоширенішим можна назвати вже описане раніше задіяння фотоелементів.

Як альтернативу людство активно використовує геліотермальну енергетику, засновану на нагріванні спеціальних поверхонь, який дозволяє при належному напрямку отриманої температури нагрівати воду. Якщо спростити даний процес максимально, його можна порівняти з баками, які використовуються для літнього душа в будинках приватного сектора.

Ще одним способом застосування випромінювання для вироблення енергії є "сонячний парус", який може діяти тільки в безповітряному просторі. Така система перетворює радіацію на кінетичну енергію.

Проблема відсутності вироблення в нічний час доби частково вирішується сонячними аеростатними електростанціями, робота яких триває завдяки акумуляції енергії, що виділяється, і тривалості процесу остигання.

Ми і сонячна енергія

Ресурси енергії сонця і вітру на Землі використовуються досить активно, хоча ми часто і не помічаємо цього. Раніше вже згадувалося простонародне нагрівання води в літньому душі. По суті, найчастіше сонячна енергія використовується саме для цих цілей. Проте є маса інших прикладів: майже в кожному магазині освітлювальної техніки можна знайти накопичувальні лампочки, які можуть працювати без електричного струму навіть вночі завдяки енергії, акумульованій за день.

Установки на основі фотоелементів активно використовуються на всіляких насосних станціях і вентиляційних системах.

Вчора, сьогодні, завтра

Один з найважливіших ресурсів для людства - сонячна енергія, і перспективи її використання надзвичайно великі. Дана галузь активно фінансується, розширюється і вдосконалюється. Зараз сонячна енергетика максимально розвинена в США, де деякі регіони використовують її як повноцінне альтернативне джерело живлення. Так само електростанції такого типу працюють у пустелі Мохаве. Інші ж країни давно взяли курс на даний вид отримання електроенергії, що незабаром, можливо, вирішить проблему забруднення навколишнього середовища.