Доклад использование энергии солнца на земле по физике: Использование энергии солнца на Земле – примеры для доклада

Доклад по физике «Использование энергии солнца на Земле»

Солнце — небесное светило, которое освещает Землю и позволяет нам видеть. Ведь свет идет по большей части именно от Солнца, благодаря чему, люди могут наблюдать за пространством своего обитания. С давних времен люди искали возможности использовать не только тепло и свет от этого светила, но и отыскать другие способы преобразования солнечной энергии.

Наиболее распространенным методом является создание солнечных электростанций, которые могут преобразовать получаемый свет и тепло и электричество. Конечно, тут существуют некоторые ограничения, которые обуславливаются переменной облачностью и другими факторами. На данный период существуют возможности запустить такие электростанции в космос, где проблемы облачности не существует, но современные технологии не могут сделать такие космические станции рентабельными.

Поэтому люди по большей части занимаются земными солнечными электростанциями, которые могут быть и промышленными и бытовыми, то есть частными. Для того чтобы обеспечить электроэнергией жилой дом, вполне достаточно установить на крыше солнечные панели в относительно небольшом количестве. Речь может идти не только о частном доме, но и о городском многоквартирном и такая практика существует в Европе, где на крышах городских домов устанавливают солнечные панели, которые обеспечивают какую-то часть энергоснабжения.

На практике использование солнечной энергии сейчас не приносит огромной выгоды, но этот вектор получения энергии является более чем актуальным. Ведь со временем люди начинают потреблять больше энергии. Больше людей пользуется электроприборами, а сами приборы становятся более затратными в смысле использования электричества.

Поэтому, если каждый будет использовать для себя солнечные панели, такой вариант будет выходом из задачи обеспечить каждого человека нужным количеством энергии. Тем не менее, культура такого самообеспечения до сих пор не является развитой. Для этого требуется дополнительное техническое и культурное развитие человечества, которое может наблюдаться в не самой близкой перспективе, хотя и не выглядит чем-то заоблачным.

способы применения и преимущества солнечных установок

Где используется солнечная энергия?

О том, чтобы использовать солнечную энергию в своих целях, человек начал задумываться сравнительно недавно, хотя на практике пользовался ей на протяжении всей своей истории. Идея об аккумулировании и практическом применении возникла в начале XX века, но технологических возможностей для этого на то время не было. Прорыв совершился в конце века, когда появились фотоэлектрические панели, способные производить электроэнергию в ощутимых количествах. Вопрос важный и заслуживает подробного рассмотрения.

Использование энергии Солнца на земле является повсеместным, хоть и неосознанным явлением. Оно настолько обыденно и привычно, что люди редко задумываются о возможностях и перспективах солнечной энергетики. Однако, специалисты в разных отраслях научной и производственной деятельности давно разрабатывают технологии, позволяющие получать бесплатную и неиссякаемую энергию.

Если несколько десятилетий назад все ограничивалось нагревом воды в емкостях для летнего душа на дачном участке, то сегодня существуют различные способы использования солнечной энергии, наиболее развитые в следующих отраслях:

• космос и авиация;
• сельское хозяйство;
• обеспечение энергией спортивных и медицинских объектов;
• освещение участков частных домов или городских улиц;
• использование в быту;
• электрификация экспедиций, передвижных исследовательских или военных пунктов и т.д.

Этот список не будет полным, если не назвать СЭС, электростанции, где используется солнечная энергия. В последние годы их немало построено в США, Испании, ЮАР и других странах. Их мощность пока еще не способна превзойти уровень ГЭС, но технологии не стоят на месте и перспективы развития весьма многообещающие. Можно с уверенностью сказать, что через пару десятков лет на вопрос: «Где используется энергия Солнца на Земле?» можно будет услышать ответ: «Везде».

Особенности применения

Свет и тепло Солнца используются с помощью различных технологических методик. Как правило, выработка электроэнергии имеет целью питание отдельных или массовых потребителей, а тепловая энергия служит для обогрева жилья, теплиц, промышленных и общественных помещений.

Использование солнечной энергии на Земле ведется по двум направлениям: пассивное и активное. Оба способа имеют свои особенности и возможности, которые следует рассмотреть внимательнее.

Пассивные системы

Пассивные системы — это различные сооружения или строения, в которых использование энергии Солнца происходит путем потребления. Например, существуют дома, построенные из специальных материалов, которые способны поглощать или перерабатывать полученную тепловую энергию. Обогрев таких зданий становится проще или в нем вовсе исчезает необходимость.

Необходимо понимать, что в виду имеются не какие-то современные и продвинутые материалы, созданные на высокотехнологическом оборудовании. Дома, образующие пассивные системы, создаются из обычной древесины, теплоизолирующих и светоизолирующих панелей. Даже обычная ориентация окон дома на южную сторону автоматически переводит дом в разряд пассивных гелиосистем.

Первым в истории зафиксированным случаем, когда использование солнечной энергии было сознательным действием, была постройка дома Плинием Младшим в Италии (100 г. Н. Э.). Слюдяные окна оказались эффективным теплоизолятором, способным удерживать тепловую энергию, полученную от Солнца.

В современном мире интерес к постройке зданий-пассивных гелиосистем то возрастает, то вновь падает. Энергетический кризис вынуждает активно искать способы получения дешевой альтернативной энергии, но при улучшениях экономической обстановки ситуация разворачивается в обратную сторону. Однако, общая обстановка демонстрирует постоянное развитие и продвижение гелиосистем в технике и быту.

Активные системы

Активные солнечные системы получают энергию и преобразуют ее тем или иным способом. В данном случае используются специально изготовленные приспособления и устройства, для которых получение, преобразование и передача энергии является основной и единственной задачей, а не дополнительной функцией, как у пассивных гелиосистем. Существуют довольно простые и более сложные конструкции, выполняющие разные задачи. По функционалу их можно разделить на фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы.

Первые занимаются выработкой электрического тока из энергии, полученной от нашего светила. Они обладают широкими возможностями и встречаются практически везде, где применяют энергию Солнца.

Вторые — коллекторы — используются только как источник тепловой энергии для отопительных систем частных домов или иных помещений относительно небольшого размера. И те, и другие устройства обладают собственными преимуществами и недостатками. Рассмотрим их подробнее.

Солнечные фотоэлементы

Фотоэлектрические элементы получают солнечную энергию и вырабатывают из нее электрический ток. Такова общая схема, на практике все несколько сложнее. Солнечные лучи, попадая на поверхность фотоэлементов, воздействуют на кремниевые пластины, в которых начинается процесс замещения электронов. Они начинают активно совершать p-n переход, т.е. появляется постоянный фототок. Остается только припаять провода к соответствующим контактам, и можно снимать постоянное напряжение определенной величины. Если собрать такие элементы в батарею, то в результате можно получать вполне существенный ток, пригодный для зарядки аккумуляторов или практического использования.

Выработка тока фотоэлементами нестабильна, зависит от внешних факторов — погоды, времени года и суток, наличия облачности. Кроме того, солнечные батареи дают постоянный ток. Для обеспечения потребителей электротоком со стандартными параметрами необходимо преобразовать полученное напряжение.

Поэтому обычный состав комплекса выглядит следующим образом:

Работа системы заключается в приеме солнечной энергии фотоэлементами и сбрасывании напряжения на аккумуляторы. Уровень заряда находится под управлением контроллера, который выполняет функции диспетчера и регулирует режим заряда и отдачи энергии. Преобразование постоянного тока в переменный выполняет инвертор, с которого питание подается на стандартные приборы потребления. Использование солнечной энергии таким способом наиболее эффективно, так как в результате получается универсальный вид, пригодный для питания большого количества установок, приборов и устройств.

Фотоэлементы, или солнечные батареи, как их называют в обиходе, бывают нескольких видов: кремниевые и пленочные.

Количество кремния в окружающей природе очень велико, чем и объясняется популярность этого типа фотоэлементов. Существуют разные виды кремниевых солнечных батарей:

1. Монокристаллические. Их КПД приближается к 20%, что для современных фотоэлементов весьма высокий показатель. Производятся из очищенного материала, монокристалла, разрезанного на тонкие пластинки. Внешне такие панели похожи на соты или ячейки черного цвета. Самые дорогие и качественные
2. Поликристаллические. При изготовлении используется срез из медленно охлажденного расплава кремния. Полученные пластинки состоят из множеств кристаллов, ориентированных в разные стороны. КПД — до 18%. Цвет ячеек синий, отличить их легко. Стоимость заметно ниже, чем у монокристаллических панелей
3. Аморфные. Представляют собой слой силана (кремневодорода), нанесенного на гибкую подложку. КПД всего 5%, но способность поглощать солнечные лучи намного выше — почти в 20 раз, поэтому аморфные панели весьма хороши для пасмурной погоды. Стоимость самая низкая из всех кремниевых видов

Пленочные батареи производятся из различных полимеров, способных демонстрировать полупроводниковый эффект. Их разрабатывают с целью снижения себестоимости производства фотоэлементов, а также для улучшения характеристик панелей. Существуют разные виды:

• на основе теллурида кадмия;
• на базе селенида меди-индия;
• на полимерной основе.

Пока пленочные образцы уступают кремниевым как по КПД, так и по остальным показателям (кроме цены), но производители не теряют бодрости и уверяют пользователей в скором изменении ситуации.

Использование фотоэлементов для производства электротока позволяет получать количество энергии, достаточное для питания любых потребителей, главное — достаточное количество панелей. В этом заключается одно из основных преимуществ солнечной энергетики — способность расширяться путем наращивания количества светоприемных элементов, а не с помощью замены всего оборудования.

Солнечные коллекторы

Эти устройства действуют по совершенно иному принципу. Они не используют высокотехнологичных материалов, получая от Солнца только тепловую энергию. Принцип действия коллекторов основан на способности солнечных лучей заметно нагревать предметы. Наиболее простая модель представляет собой плоский ящик черного цвета, накрытый прозрачной крышкой. Темная поверхность принимает солнечное тепло, нагревается, но отдавать его в окружающую атмосферу не может — мешает эффект парника, образованный прозрачной крышкой. На практике конструкции солнечных коллекторов несколько отличаются:

1. Открытые. Самые простые (если не примитивные) приемники, представляющие собой продолговатые лотки из черной пластмассы, наполненные водой. Лотки нагреваются и отдают тепло воде. Которая используется для летнего душа или подогрева воды в бассейне. Этот вид не может похвастаться ни КПД, ни долговечностью, но простота и возможность сделать открытые коллекторы самостоятельно дали определенную популярность
2. Трубчатые. Приемниками энергии являются вакуумные стеклянные трубки. Они имеют коаксиальную конструкцию (тип «труба в трубе», между ними вакуум для теплоизоляции). Соединяются в распределитель и подключаются к отопительному контуру
3. Плоские. Больше всего они напоминают вышеупомянутую модель — черный ящик с прозрачной крышкой. На поверхность днища плотно крепится трубка с водой, получающей тепловую энергию от контакта с нагретым материалом

Использовать солнечные коллекторы можно только в определенных условиях. Если стоит мороз, полезный эффект будет практически незаметен. Необходимо, чтобы температура воздуха было довольно высока, что делает использование солнечного обогрева доступным только в достаточно теплых регионах. Коллекторы используются только для обогрева помещений, поэтому их функционал и возможности заметно ниже.

Преимущества солнечных установок

• Основным преимуществом является неограниченно высокий ресурс источника — Солнца. На самом деле, поток энергии имеет определенные пределы, но на нынешнем этапе развития технологии достичь этого предела совершенно невозможно.
• Вторым преимуществом является отсутствие стоимости энергии. Она просто есть, и ей можно и нужно пользоваться.
• Кроме того, появление источника предсказуемо и может быть заранее рассчитано с точностью до секунд, что заметно отличает его от других альтернативных видов энергии.

Проблемы использования солнечной энергии

Применение солнечной энергии имеет и некоторые проблемы. Основными из них являются отсутствие Солнца в ночное время и возможность возникновения облачности, осадков и прочих неблагоприятных погодных условий. Есть и еще важная и существенная проблема — низкая эффективность оборудования, в сочетании с высокой ценой. Эта проблема считается разрешимой, многие ученые и инженеры постоянно работают над ее решением.

Перспективы развития

Энергия Солнца на Земле неиссякаема. Это дает основания прочить постоянное развитие и продвижение технологий получения и переработки солнечной энергии, появление более эффективной аппаратуры, увеличение доли солнечной энергии в общем потреблении человечества. Статистика показывает, что за последние 10 лет в этом направлении сделан гигантский скачок, поэтому будущее у гелиоэнергетики во всех смыслах слова блестящее.

Рекомендуемые товары

Солнечная энергия — сообщение доклад

Солнце – светящийся газовый шар крупных размеров с постоянным излучением энергии.

Благодаря Солнцу на Земле процветает жизнь. За счет Солнца происходит циркуляция воздуха и воды на планете, оно регулирует воздушную и водную среду.

Солнечная энергия является экологически чистым ресурсом. Излучение Солнца в среднем составляет 1,1×10²⁰ кВт•ч в секунду. Доля энергии попадающей на Землю очень мала, и составляет около 7 x 10¹⁷ кВт•ч.

Солнечная энергия очень доступна и имеет высокий потенциал в использовании. Энергия рассеивается по земле, поэтому для качественного использования нужно сначала собирать её.

Весь мир начал искать способы преобразования солнечной энергии, так как круглый год она поступает на планету в огромных количествах.

Применение солнечной энергии

Основной сферой использования солнечной энергии является системы солнечных батарей.

Батареи устанавливают на крышах зданий, в которых энергию используют для отопления и освещения, а также для всевозможных приборов, которые работают от электричества.

Энергию солнца батареи или коллекторы накапливают, затем преобразовывают в электричество, которое помогает  обслужить электрические приборы.

Еще в 1996 году  архитекторы разрабатывали проекты зданий с солнечными батареями.

В 2004 году 40% германских домов имели солнечные коллекторы, которые нагревали воду. Коллекторы устанавливали на крышах домов или на солнечных площадках земли.

Интересные факты

• Лучи Солнца добираются до Земли всего лишь за 8 минут.
• В последние года очень популярно устанавливают солнечные батареи, лидерами являются такие страны, как Япония, Германия, Испания.
• К 2020 году Китайские ученые планируют установить в космосе солнечную электростанцию.
• Солнечные батареи накапливают энергию и при пасмурной погоде.
• Существует Ассоциация Солнечной Энергетики, которую создали в Америке в 1955 году, которая и стала началом разработок батарей.

Солнце – мощный источник энергии, который в будущем может стать основным источником на поверхности Земли.

Для использования солнечной энергии нужно минимум затрат, так как единственными затратами является установка оборудования.

Вариант 2

Солнечная энергия на Земле используется в разных видах. На самом Солнце протекают достаточно трудные процессы, которые позволяют выделять энергию, необходимую для жизни на всей планете.

Благодаря этому может нагреваться атмосфера, в которой образовываются ветра, а также течения морские и океанические течения.

Солнечная энергия способствует смене времен года, которых бы не было отсутствуй Солнце или если бы сама энергия не выделялась в таких количествах.

Также солнце играет ведущую роль в круговороте воды на Земле, а также в появлении природных ископаемых. Таким образом, правильно работает отопление планеты в целом. Без энергии солнца вода не смогла бы испаряться, она бы застаивалась на планете, а процессы работали бы неправильно.

При попадании на листья растения начинается фотосинтез, который позволяет растениям правильно расти и развиваться. Именно зеленый цвет растений говорит о том, что процессы фотосинтеза протекают регулярно. Они помогают растениям вырабатывать необходимый для дыхания кислород.

Энергия Солнца позволяет человеку вырабатывать энергию и электричество. Для этого устанавливаются солнечные панели, которые позволяют поглощать энергию солнца, сохранять ее и перерабатывать.

Так, например, власти Турции разрабатывают специальные программы для установки солнечных панелей среди простого населения. Данный источник энергии является восстанавливаемым и природным, поэтому его побуждают использовать.

В будущем ученые призывают полностью перейти на природные источники энергии, так как они являются возобновляемыми. И при этом не вредят окружающей среде. Они быстро перерабатываются и способны возобновляться.

Кроме домов, солнечные панели используются в теплицах и других помещениях, где есть плоские площадки. Все они могут быть подключены к одному хранилищу энергии, где она превращается в тепло и электричество. При этом необходимо не так много солнечной энергии, чтобы отапливать целые дома или квартиры в многоэтажке.

Установка солнечных панелей и коллекторов для хранения получаемой энергии обходится не дешево, но экономия на расходуемых ресурсах быстро окупает затраченные средства.

Таким образом солнечная энергия является одним из источников природной энергии, которая способна возобновляться. Также от нее зависит множество природных процессов, которые обеспечивают жизнь на Земле.

Солнечная энергия

Интересные ответы

• Валентина Терешкова первая женщина космонавт — сообщение доклад

  Терешкова Валентина Владимировна — первая в мире женщина, покорившая космос. В 1937 году в деревушке Ярославской области родилась девочка по имени Валентина

• Охрана почвы — сообщение доклад

  Почва, верхний слой земли, очень важная составляющая в экологической системе планеты в целом и обеспечении нормального жизненного цикла всех живущих людей, животных и растений на земном шаре

• Плавание как вид спорта — сообщение доклад (2, 4, 9 класс)

  Плавание – это всемирно распространенный вид спорта, смысл которого заключается в преодолении определенной дистанции по воде за определенное время.

• Витус Беринг — сообщение доклад

  В истории географических открытий всем известно имя морского офицера, проложившего северный морской путь из Европы в Азию, Беринга Витуса.

• История праздника Рождества Христова для детей

  Для понимания сути праздника Святого Рождества Христова необходимо окунуться в историю прошлых лет, а история это берет начало более чем два тысячелетия назад. Пресвятая Богоматерь Мария, мать Иисуса

Перспективы внедрения солнечных и ветряных электростанций в России — Возобновляемые источники энергии

Попытки развить возобновляемую энергетику предпринимаются и в России. 4 октября 2019 года в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошла лекция председателя правления УК «Роснано» Анатолия Чубайса «Возобновляемая энергетика в России. Создание технологического кластера: 2007-2019-2035» [1]. На данной лекции А. Чубайс говорил о перспективах развития ВИЭ в России, он заявил: «Россия – страна с высокой инсоляцией. Россия – страна ветров. Мы обладаем просто уникальным природным потенциалом, которым нельзя не воспользоваться».

Рис. 1. Анатолий Чубайс на лекции «Возобновляемая энергетика в России. Создание технологического кластера: 2007-2019-2035» в зале Ученого совета МГТУ им. Н.Э. Баумана 4 октября 2019 года

Но ещё 44 года назад 8 октября 1975 года на сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР,  проходившей в Москве, советский учёный-физик Пётр Леонидович Капица в своём докладе отметил: «…следует считать, что практическое прямое использование солнечной энергии в больших масштабах нереально… Использование ветра, также из-за недостаточной плотности энергетического потока, оказывается экономически неоправданным» [2].

Рис. 2. Пётр Леонидович Капица

Кто же прав? Главный идеолог современной России по внедрению ВИЭ или великий физик Советского Союза? Данный вопрос сводится к вопросу перспектив внедрения в условиях нашей страны солнечных (СЭС) и ветряных (ВЭС) электростанций. Данный вопрос весьма актуален, поскольку ответ на него может являться основанием для политических решений на государственном уровне, которые могут повлечь за собой положительные или отрицательные последствия социально-экономического и экологического характера. Поэтому целью данной работы является анализ перспектив внедрения СЭС и ВЭС в России. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• 
  Оценить потенциал энергии солнечного излучения и ветра на территории России;

• 
  Определить мощностные показателей некоторых эксплуатирующихся в России СЭС и ВЭС и сравнить их с аналогичными показателями электростанций традиционной энергетики;

• 
  Выделить основные проблемы на пути внедрения СЭС и ВЭС;

• 
  Оценить целесообразность применения СЭС и ВЭС в российских условиях с учётом наблюдающихся тенденций в области мировой энергетики.

Потенциал энергии солнечного излучения в России

На рис. 3 приведена карта распределения по территории России среднегодовой энергетической освещённости оптимально ориентированной неподвижной поверхности, взятая из [3]. В легенде карты приведены две шкалы с размерностями кВт·ч/(м²·день) и Вт/м². Вторая шкала демонстрирует значения максимальной средней мощности, которую можно было бы получать с одного квадратного метра оптимально ориентированной неподвижной рабочей поверхности солнечной установки, если бы её КПД был равен 100%. Однако КПД эксплуатируемых солнечных установок находится в диапазоне 10-20%, поэтому максимальная полезная мощность, которую можно получить как минимум в 5 раз меньше, чем потенциально возможная.

Рис. 3. Среднегодовая энергетическая освещённость оптимально ориентированной поверхности

Как видно из рис. 3 наибольшим солнечным потенциалом обладают Приморье и юг Иркутской области, где среднегодовая суточная энергетическая освещённость оптимально ориентированной поверхности может достигать 208 Вт/м²
(при среднегодовой суточной инсоляции 5 кВт·ч/м²
[3]). По этому значению оценим максимальную среднегодовую удельную электрическую мощность, которую может иметь солнечная электростанция (СЭС) в России. Под удельной среднегодовой электрической мощностью понимается полезная электрическая мощность, вырабатываемая электростанцией, приходящаяся на один квадратный метр земной поверхности, затеняемой солнечными панелями.

Будем считать, что электростанция состоит из рядов неподвижных фотоэлектрических панелей, наклонённых под оптимальным углом к поверхности земли, примерно равным широте местности φ. Чтобы электростанция работала наиболее эффективно, панели не должны затенять друг друга, поэтому расстояние между рядами панелей будет определяться минимальным углом падения солнечных лучей на данной широте, который в северном полушарии Земли достигается в день зимнего солнцестояния, около 22-го декабря, а в южном — в день летнего солнцестояния, около 22-го июня. На рис. 4 представлена схема освещения Солнцем рядов фотоэлектрических панелей в день зимнего солнцестояния в северном полушарии в истинный полдень, то есть когда Солнце находится в верхней кульминации.

Рис. 4. Схема освещения Солнцем рядов панелей солнечной электростанции в день зимнего солнцестояния в истинный полдень

Если среднегодовая энергетическая освещённость панелей равна E, а КПД электростанции равен η, то её удельную мощность можно определить по формуле, следующей из геометрических расчётов: ρ = E·η·cos(φ + ε)/cos ε, где ε ≈ 23.5° — угол наклона небесного экватора к плоскости эклиптики. У четырёхкаскадных солнечных элементов, изготовленных в Германии (Fraunhofer ISE/Soitec), при использовании концентрирования солнечного излучения в 500 раз, КПД достигает 46% [4]. На данном этапе развития солнечной энергетики это максимальное значение КПД, достигнутое на практике. Пренебрегая потерями в электросетях, преобразователях и накопителях электроэнергии, примем η = 0.46. Тогда для широты 50° максимально возможная удельная мощность солнечной электростанции в России составит 30 Вт/м². Для следящих поверхностей в наиболее солнечных районах России энергетическая освещённость может достигать 292 Вт/м²
(при среднегодовой суточной инсоляции 7 кВт·ч/м²
[5]), поэтому при использовании следящих солнечных панелей потенциальная удельная мощность электростанции составит 42 Вт/м². Но стоит заметить, что пока по экономическим соображениям на практике применяются гораздо менее эффективные солнечные элементы, а также предпочтение отдаётся стационарным солнечным панелям. Кроме того часть энергии теряется в сетях и различных устройствах (аккумуляторах, инверторах, распределителях и т.п.), поэтому реальные значения удельной мощности будут значительно меньше потенциально возможного уровня. При этом различные открытые информационные источники содержат заведомо несправедливую для России информацию, например, в [6] указано, что СЭС имеют удельную мощность 50–100 Вт/м².

Потенциал энергии ветра в России

Теперь рассмотрим потенциал ветров на территории нашей страны. На рис. 5 изображена карта распределения среднегодовой скорости ветра на территории России.

Рис. 5. Карта распределения среднегодовой скорости ветра на территории России [7]   

Опыт показывает, что для промышленного применения ветряных электростанций (ВЭС) требуется среднегодовая скорость ветра от 6.95 м/с [8], а для обеспечения самоокупаемости ВЭС требуется среднегодовая скорость ветра от 5 м/с [9]. Как видно из рис. 5, на большей части территории России применение ВЭС нецелесообразно. Наиболее благоприятными для промышленного применения ВЭС являются территории, примыкающие к побережьям северных и восточных морей России, а также Чёрного и Азовского морей. Наибольший интерес ветряная энергетика может представлять для прибрежных территорий от Карского до Охотского моря, вне зоны централизованного энергоснабжения.

Сравнение солнечных и ветряных электростанций с электростанциями традиционной энергетики

Теперь сравним мощностные показатели действующих в России СЭС и ВЭС с аналогичными показателями электростанций традиционной энергетики, а именно тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидроэлектростанций (ГЭС). Особый интерес представляет такой показатель, как среднегодовая удельная электрическая мощность электростанции

где:

N_уст
— установленная электрическая мощность электростанции, МВт;

КИУМ — коэффициент использования установленной мощности, %;

S — площадь территории электростанции, км².

Среднегодовая удельная электрическая мощность характеризует эффективность использования территорий для производства электроэнергии, поскольку показывает, сколько среднегодовой вырабатываемой электростанцией мощности приходится на единицу площади её территории. По нему можно оценить сколько территории будет отчуждено при строительстве новой электростанции определённого типа.

В табл. 1 приведены значения среднегодовой удельной мощности некоторых российских электростанций, рассчитанные по данным открытых источников [10–23]. Площади территорий электростанций рассчитаны с помощью ресурса Google Earth [24]. Для заполнения табл. 1 в основном использованы данные за 2018 год.

Таблица 1

Как видно из результатов расчётов, представленных в табл. 1, среднегодовая удельная мощность СЭС и ВЭС на 2-3 порядка ниже, чем у электростанций традиционной энергетики. При этом следует учитывать, что среднегодовая мощность, вырабатываемая СЭС и ВЭС, главным образом определяется погодными условиями, в то время как мощность, вырабатываемая традиционными электростанциями, определяется потребностями в электроэнергии и длительностью техобслуживания, которая регламентируется, поэтому потребители, запитанные от электростанций традиционной энергетики более энергонезависимы, чем потребители, использующие «зелёную» энергию.

Если сделать отступление в сторону традиционной энергетики, стоит заметить, что наибольшими удельными мощностями обладают современные ТЭС, имеющие в составе оборудования газотурбинные установки. Традиционные ТЭЦ с паротурбинными установками (Приуфимская ТЭЦ, Камчатская ТЭЦ-2) заметно уступают по удельной мощности газотурбинным ТЭС (Талаховская ТЭС, Новокузнецкая ГТЭС) и парогазовым ТЭС (ТЭС Международная, Сочинская ТЭС). Можно сделать вывод, что среди применяемых в современной энергетике электростанций парогазовые ТЭС обладают наибольшей удельной мощностью, обходя по данному показателю в том числе атомные и гидроэлектростанции.

Проблемы внедрения солнечных и ветряных электростанций для промышленного производства электроэнергии в России

Как показали вышеприведённые результаты расчётов, Пётр Леонидович Капица был прав, говоря ещё в 1975 году об экономической нецелесообразности использования энергии солнечного излучения и ветра из-за низкой плотности энергетического потока. Действительно, СЭС и ВЭС сильно уступают традиционным электростанциям по среднегодовой удельной электрической мощности, поэтому в регионах с высоким сельскохозяйственным потенциалом, применение таких электростанций недопустимо.

Кроме низкой удельной мощности для солнечных и ветряных электростанций характерны другие не менее значимые проблемы, такие как проблемы аккумулирования энергии и утилизации отходов возобновляемой энергетики. Из-за нестабильности мощности СЭС и ВЭС требуют применения либо накопителей электроэнергии — аккумуляторов, либо дополнительных традиционных энергоустановок, например, дизельных электростанций. И в том, и в другом случае ставится под сомнение «чистота» данных способов получения электроэнергии. Здесь следует заметить, что нестабильность мощности СЭС и ВЭС приводит к снижению срока службы как аккумуляторов, так и дизельных электростанций, что требует их ускоренной замены, дополнительных ремонтных работ и соответственно увеличения объёмов производства и утилизации. В связи с вышеописанными обстоятельствами промышленное применение СЭС и ВЭС может быть оправдано только при создании мощных и эффективных накопителей энергии, что отмечено [25].

В конечном итоге перечисленные ранее трудности вытекают в проблему высокой стоимости электроэнергии, вырабатываемой на СЭС и ВЭС. В табл. 2 представлена себестоимость электроэнергии различных типов электростанций согласно прогнозу РусГидро [26].

Таблица 2 Себестоимость электроэнергии, генерируемой на различных электростанциях (прогноз РусГидро на 2020 год)

Из табл. 2 видно, что в нетрадиционной энергетике наибольшую стоимость имеет электроэнергия, выработанная на СЭС, она примерно в три раза дороже электроэнергии, генерируемой на традиционных газовых и угольных электростанциях. Себестоимость электроэнергии наземных ВЭС более чем в два раза ниже, чем у СЭС, однако она также превышает стоимость электроэнергии газовых и угольных ТЭС. Что интересно, при расчёте себестоимости электроэнергии дизельных электростанций (ДЭС) учитывались только затраты на топливо (было принято, что в изолированных от централизованной электросети зонах электроэнергия вырабатывается на уже имеющихся дизельных установках) [26], но тем не менее из-за высокой стоимости дизельного топлива себестоимость электроэнергии ДЭС даже выше, чем у СЭС. Поэтому в комбинации с дизельными установками себестоимость электроэнергии СЭС и ВЭС будет в несколько раз выше, чем у традиционной энергетики. Наиболее дешёвую электроэнергию можно получить на угольных ТЭС, что объясняется низкой стоимостью угля, но следует помнить, что это самые «грязные» электростанции с точки зрения количества вредных выбросов в атмосферу. В плане влияния на атмосферу среди ТЭС наиболее «чистыми» можно считать газовые электростанции, влияние которых при современных технологиях сводится лишь к выбросу в окружающую среду большого количества углекислого газа. С одной точки зрения выбросы CO₂
способствуют развитию «парникового эффекта», который приводит к «глобальному потеплению», но в последнее время данная теория ставится под сомнение, а «глобальное потепление» объясняется протеканием естественных природных процессов, на которые человечество не в состоянии повлиять. Также следует подчеркнуть, что Россия является мировым лидером по запасам природного газа, поэтому в ближайшие десятилетия столкнуться с недостатком данного топлива в нашей стране вряд ли придётся. Следовательно, наиболее актуальными в наших условиях являются газовые ТЭС, а с учетом результатов расчётов, представленных в табл. 1 предпочтение должно отдаваться в пользу парогазовых электростанций. Но, к сожалению, являясь лидером по запасам природного газа, Россия заметно отстаёт от ЕС и США в области газотурбостроения, о чём свидетельствует тот факт, что на современных парогазовых станциях устанавливаются импортные газовые турбины, например на Международной и Сочинской ТЭС установлены газовые турбины производства немецкой фирмы Siemens.

Перспективы развития солнечной и ветряной энергетики в России

Прежде чем говорить о перспективах развития солнечной и ветряной энергетики в России стоит посмотреть на прогноз Международного энергетического агентства (МЭА), представленный в докладе АО «РОСНАНО» на втором международном форуме по энергоэффективности и энергосбережению ENES в 2013 году [27] (рис. 6).

Рис. 6. Прогноз МЭА мирового производства электроэнергии для сценария на основе сокращения удельных выбросов СО₂   

В данном докладе вопрос вызывают абсолютные цифры прогноза мирового производства электроэнергии, поскольку даже не были указаны размерности, но суть не в этом. Если рассмотреть вертикальную шкалу графика, представленного на рис. 6, в относительных единицах, то можно определить, что в 2018 году суммарная выработка электроэнергии с помощью ВИЭ должна была достичь примерно 10%. А потребление нефти и угля для производства электроэнергии должно было снизиться. Но в действительности наблюдается другая картина. На рис. 7 представлен график мирового энергопотребления до 2018 года, опубликованный в статистическом обзоре мировой энергетики нефтяной компании British Petroleum (BP) [28]. Согласно данным BP мировое потребление энергии, полученной с помощью ВИЭ, составило примерно 3,6%, что почти в три раза меньше прогнозного значения МЭА. В то же время потребление газа и нефти возросло, а потребление угля почти не изменилось. Глядя на текущие тенденции потребления энергоресурсов, трудно сказать, что в ближайшие годы генерация электроэнергии с помощью ВИЭ, в том числе на СЭС и ВЭС, составит серьёзную конкуренцию традиционной энергетике, даже несмотря на пока стабильный рост её доли в мировом энергопотреблении.

Рис. 7. График мирового энергопотребления в млн. тонн нефтяного эквивалента [28]   

В 2017 году Руководитель Инвестиционного дивизиона ВИЭ АО «РОСНАНО» Алишер Каланов в американском журнале Forbes пишет об опасности технологического отставания России от развитых стран в области возобновляемой энергетики и о необходимости скорейшего развития данной отрасли [29]. Каланов пишет, что Россия «должна быть интегрирована в глобальную цепочку добавленной стоимости в отрасли ВИЭ», но он упускает из вида тот нюанс, что добавленная стоимость, полученная при эксплуатации ВИЭ пойдёт главным образом в виде прибыли инициаторам данных проектов, а капитальные и эксплуатационные затраты лягут на плечи россиян. Независимо от схем финансирования проектов затраты на их реализацию оплачиваются рядовыми гражданами. Если проекты финансирует государство, то проекты оплачивают налогоплательщики, если при этом не происходит повышение налогов — граждане ограничиваются в получении других общественных благ. В случае если государство не участвует в реализации проектов по внедрению СЭС и ВЭС, то их в конечном итоге оплачивают потребители, покупая электроэнергию по более высоким ценам. То есть развитие возобновляемой энергетики в России в промышленных масштабах невыгодно россиянам. Прежде чем осуществлять инвестирование нетрадиционной энергетики, необходимо вспомнить, что в экономике нашей стране существует ряд других «отсталых» отраслей, вложения в которые, в отличие от вложений в нетрадиционную энергетику, действительно повысят уровень жизни россиян и усилят геополитический статус России. На данный момент в России слабо развито станкостроение, имеет высокий потенциал, но находится в кризисе гражданское авиастроение, сильно отстаёт от развитых стран наша электроника, и, как было отмечено ранее, в области энергетического газотурбостроения Россия также отстаёт. Развитие данных отраслей, на мой взгляд, является более важным, чем развитие нетрадиционной энергетики, поскольку эти отрасли в значительной степени определяют экономическую независимость России. Кроме того до сих пор наша страна не обладает полным набором технологий в области строительства СЭС и ВЭС, особенно ВЭС, о чём свидетельствует, к примеру, строительство японскими компаниями в арктическом пос. Тикси, по заказу РуГидро для апробации технологий, ВЭС мощностью 900 кВт [30]. Данная электростанция была введена в эксплуатацию в 2018 году. Строительство на территории России ВЭС и СЭС с применением иностранных технологий ставит нашу страну в зависимость от стран — производителей данных технологий. Поэтому единственный целесообразный путь развития ветровой и солнечной энергетики в России — это в первую очередь разработка отечественных технологий в этой области, а уже во вторую очередь — производство электростанций, но не для массового промышленного применения их в России, а на экспорт, а также для обеспечения доступными СЭС и ВЭС изолированных от централизованной электросети потребителей, расположенных в местах, где данные электростанции являются достойной альтернативой.

Выводы

Исходя из вышеизложенного можно заключить, что промышленное применение солнечных и ветряных электростанций на территории России в текущих условиях нецелесообразно по ряду причин:

• 
  СЭС и ВЭС обеспечивают весьма низкую среднегодовую удельную электрическую мощность — на 2-3 порядка ниже, чем у традиционных электростанций.

• 
  Себестоимость солнечной и ветровой электроэнергии в несколько раз выше себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на традиционных электростанциях, поэтому строительство СЭС и ВЭС в зоне централизованного энергоснабжения следует рассматривать как нерациональное вложение денежных средств.

• 
  Россия не обладает полным набором собственных отработанных технологий для производства солнечных и ветряных электростанций, поэтому при строительстве на её территории СЭС и ВЭС широко применяются иностранные технологии, что дополнительно ставит в зависимость российскую энергетику от других стран.

Тем не менее, результаты проведённого анализа не ставят крест на развитии солнечной и ветровой энергетики в России, однако приводят к следующим выводам:

Во-первых, развитие солнечной и ветровой энергетики в России должно в первую очередь сводиться к разработке отечественных технологий, которые затем можно применять в местах, где применение СЭС и ВЭС действительно оправдано.

Во-вторых, СЭС в России могут быть востребованы лишь в отдельных частных случаях, поскольку наиболее благоприятные для их применения территории находятся в зоне централизованного энергоснабжения.

В-третьих, ВЭС могут быть востребованы для отдельных потребителей, расположенных вдоль побережий северных и восточных морей нашей страны в энергетически изолированных зонах.

И, в-четвертых, если создавать в России целую отрасль в области ВИЭ, к чему стремятся руководители АО «РОСНАНО», то её продукция должна быть ориентирована на экспорт, иначе её развитие будут оплачивать россияне. Если возможности конкурировать с другими странами, развитыми в области ВИЭ, на уровне технологий нет, то не следует тратить государственные средства на организацию производств в этой области. Эти средства следует направить на действительно важные направления, такие как развитие станкостроения и гражданского авиастроения, создание отечественных технологий в области электроники. Также в настоящее время следует развивать отечественное энергетическое газотурбостроение, поскольку наиболее дешёвой, надёжной и в тоже время достаточно «чистой» в ближайшие десятилетия в России будет являться электроэнергия, генерируемая на парогазовых ТЭЦ, где применяются газо- и паротурбинные установки, а в качестве топлива используется природный газ. Также не стоит забывать про атомную энергетику, в которой Россия является мировым лидером, обладая уникальными технологиями, проверенными на практике.

Отдельно следует подумать о возможности снижения энергопотребления, вероятно, путём развития у людей более бережного отношения к энергетическим ресурсам, а также путём создания и совершенствования энергосберегающих технологий.

Литература

1. Анатолий Чубайс выступил с лекцией о возобновляемой энергетике в России // Официальный сайт МГТУ им. Н.Э. Баумана. URL: http://bmstu.ru/master/news/?newsid=6410 (дата обращения: 18.10.2019)
2. П.Л. Капица. Энергия и физика. Доклад на научной сессии, посвященной 250- летию Академии наук СССР, Москва, 8 октября 1975 г. // Вестник АН СССР. 1976. № 1. С. 34-43.
3. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. №1. С. 15-23.
4. Марончук И.И., Саникович Д.Д., Мирончук В.И. Солнечные элементы: современное состояние и перспективы развития // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2019. №2. С. 105–123.
5. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. Москва, ОИВТРАН: 2010. С. 81.
6. Карабанов C., Кухмистров Ю. Фотоэлектрические системы. Перспективы. Состав. Параметры // Ваш Солнечный Дом. URL: https://www.solarhome.ru/biblio/bibliosun/kuchmistr.htm (дата обращения: 24.12.2019).
7. Национальный атлас России: В 4-х т. Т. 2. Природа. Экология. М.: Роскартография, 2007. 495 с.
8. Чепенко В.Л. Промышленные ветроэнергетические станции: современное состояние и перспективы использования // Энергобезопасность и энергосбережение. 2009. №6. С. 17–22.
9. Шевченко М.В. Современные ВЭС и особенности их конструкции // Вестник КамчатГТУ. 2006. №5. С. 59–64.
10. Каталог электростанций России // energybase.ru. URL: https://energybase.ru/powerplant (дата обращения: 24.12.2019).
11. АО «Интер РАО – Электрогенерация» подвело итоги производственной деятельности за 2018 год // «Интер РАО». URL: http://iraogeneration.ru/press/news/detail.php?ID=19785 (дата обращения: 26.12.2019).
12. «СО ЕЭС». Отчет о функционировании ЕЭС России в 2018 году.
13. ГТЭС «НОВОКУЗНЕЦКАЯ» // ООО «Сибирская генерирующая компания». URL: https://www.sibgenco.ru/about/company/generation/gtes-novokuznetskaya/ (дата обращения: 28.12.2019).
14. ТЭС Международная. Энциклопедия теплоснабжения // РосТепло.ру. URL: https://www.rosteplo.ru/w/%D0%A2%D0%AD%D0%A1_%D0%9C%D0%B5%D0%B6 %D0%B4%D1%83%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0% B0%D1%8F (дата обращения: 28.12.2019).
15. Лисицына Я. Солнце по проводам: как устроена крупнейшая в мире солнечная электростанция // Газета «Энергетика и промышленность России». 2012. № 18 (206). URL: https://www.eprussia.ru/epr/206/14345.htm (дата обращения: 28.12.2019).
16. Выработка солнечных электростанций под управлением группы компаний «Хевел» превысила 278 миллионов кВт*ч. Новости компании // Hevel. URL: https://www.hevelsolar.com/about/news/vyrabotka-solnechnykh-elektrostantsiy-podupravleniem-gruppy-ko… (дата обращения: 28.12.2019).
17. В нынешнем году в якутской глубинке введут в строй четыре солнечные электростанции // Первый республиканский информационно-аналитический портал «SakhaNews». URL: http://www.1sn.ru/144269.html (дата обращения: 28.12.2019).
18. Ульяновская ВЭС-1 «Фортум» показывает высокие результаты // Fortum. URL: https://www.fortum.ru/media/2018/04/ulyanovskaya-ves-1-fortum-pokazyvaet-vysokierezultaty (дата обращения: 28.12.2019).
19. Электроснабжение // Крым в деталях. URL: https://web.archive.org/web/20140407061706/http://www.krimspec.org/infrastructura/ele ctrosnab/70-2012-01-23-22-28-24.html (дата обращения: 28.12.2019).
20. Билибинская АЭС досрочно выполнила годовой план по выработке электроэнергии // Neftegaz.ru. URL: https://neftegaz.ru/news/nuclear/513509- bilibinskaya-aes-dosrochno-vypolnila-godovoy-plan-po-vyrabotke-elektroenergii/ (дата обращения: 28.12.2019).
21. НОВОВОРОНЕЖСКАЯ АЭС // АО «Концерн Росэнергоатом». URL: http://rosenergoatom.ru/stations_projects/sayt-novovoronezhskoy-aes/ (дата обращения: 28.12.2019).
22. Нововоронежская АЭС на 124,76 % выполнила план июля по выработке электроэнергии // Atomic-Energy.ru. URL: http://www.atomicenergy.ru/news/2019/08/06/96696 (дата обращения: 28.12.2019).
23. Белоярская АЭС до конца 2019 года выработает более 9,7 млрд. кВтч электроэнергии // АО «Концерн Росэнергоатом». URL: https://www.rosenergoatom.ru/stations_projects/sayt-beloyarskoy-aes/presstsentr/novosti/33848/ (дата обращения: 28.12.2019).
24. Google Earth. URL: https://earth.google.com/web/@45.45882135,33.49464133,71.20607179a,237127.74208 244d,35y,2.02458154h,0t,0r (дата обращения: 24.12.2019).
25. Сокут Л.Д., Муровская А.С. Перспективы развития систем электроснабжения за счет подключения ветровых и солнечных электростанций с накопителями энергии в общую энергосистему // Строительство и техногенная безопасность. 2017. №7 (59). С. 113–121.
26. РусГидро. Рост использования возобновляемых источников энергии — доминирующая тенденция развития электроэнергетики в мире. Чистая энергия. Санкт-Петербург, 2011.
27. РОСНАНО. Российская возобновляемая энергетика: Национальный стартап-2013 // Второй международный форум по энергоэффективности и энергосбережению ENES 2013.
28. BP Statistical Review of World Energy 2019.
29. Каланов А.Б. Возобновляемая энергетика в России: стоять на месте или сделать первый шаг // Forbes. 2017. URL: https://www.forbes.ru/biznes/342905- vozobnovlyaemaya-energetika-v-rossii-stoyat-na-meste-ili-sdelat-pervyy-shag (дата обращения: 19.12.2019).
30. Игнатьева А., Бахтина О. РусГидро с японцами ввела в эксплуатацию уникальную ветряную электростанцию в арктическом пос // Neftegaz.RU. URL: https://neftegaz.ru/news/Alternative-energy/197230-rusgidro-s-yapontsami-vvela-vekspluatatsiyu-unika… (дата обращения: 28.12.2019).

1.2.5. Роль Солнца, воды и ветра в развитии жизни на Земле

1.2.5. Роль Солнца, воды и ветра в развитии жизни на Земле

Природные механизмы нашей планеты, в основе которых лежат энергетические процессы, миллиарды лет непрерывно действовали, создавая Землю и жизнь на Земле.

Вещество и энергия – вот две основы жизни. Живое вещество Земли как подвижно-равновесная система непрерывно обновляется за счет поступления энергии.

Развитая жизнь является могучим фактором, преобразующим биосферу, учение о которой как активной оболочке Земли соз

дано академиком В.И. Вернадским. Биосфера включает наружные слои Земли (часть коры) начиная с глубины 3 км под ее поверхностью, почти всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы. Из общей массы живого вещества на Земле, составляющего более 2420 млрд. т, основная часть сосредоточена в зеленых растениях (более 99%).

Памятник В.И. Вернадскому в г. Кременчуге

Вся биосфера, жизнь существует благодаря солнечной энергии, которая также имеет первостепенное значение в биохимических процессах, происходящих на Земле.

Ископаемые природные ресурсы, таящие законсервированные запасы энергии в виде залежей угля, торфа, нефти и др., – результат жизнедеятельности организмов, так же, как почва, – результат их взаимодействия с горными породами.

Эти невозобновляемые источники энергии – ценнейшее наследство, которое досталось человечеству благодаря работе Солнца, воды и ветра, жизнедеятельности организмов за многие миллионы лет.

Солнце, ветер и вода, за счет энергии которых происходят экзогенные процессы, меняющие облик Земли, являются также теми возобновляемыми источниками энергии, которые человек использовал с древних времен.

Работа Солнца, воды и ветра способствовала развитию жизни на Земле задолго до появления на ней человека и благами этой работы человечество пользуется повседневно и поныне.

С момента появления на Земле людей ими пройден великий путь к современной цивилизации. Окинем взглядом этот путь, акцентируя внимание в первую очередь на том, как человек стал не только homo sapiens – «человеком разумным», – но и homo forsabilis – «человеком могущественным», как овладевал энергией, какими законами руководствовался, как создавал мир энергетической техники.

Век за веком, тысячелетие за тысячелетием человек проникал в тайны природы, постигал одну загадку за другой. Долог и труден был этот путь. Несчетное количество поколений сменилось, пока человек научился добывать огонь, использовать энергию воды и ветра.

Наблюдательность, память и разум многих поколений – вот основной закон совершенствования наших предков.

В последующих разделах читатель сможет найти подробные сведения о познании природы человеком, об использовании энергии Солнца, воды и ветра в древние и средние века и в новое время, проследить за историей создания и развития механизмов для преобразования возобновляемой энергии.

Вспомним Павла Антокольского:

В твоей упряжке четверной
Земля, Огонь, Вода и Воздух
Несутся в молниях и звездах
Дорогу вытянув струной.

дэлхийн физикийн нарны энергийг ашиглах лекц 8-р анги

8 ангид физикийн дэлхийн тайланд нарны энергийг ашиглах

Принцип преобразования солнечной энергии в электричество

Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ — солнечные батареи).

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м². А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м². Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему — фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект.
Фотоэффект — это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙ν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10^-34 Дж∙с, ν — частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.




2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.




3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: h∙ν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон — поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v² и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).

Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде «бутерброда»: он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.

Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком — электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на «свою» половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.

Так же Вы можете ознакомиться с теорией преобразования энергии Ветра в электрическую энергию используя ветрогенераторы.

Специальный отчет по солнечной науке | NSF

Солнце — ближайшая к нам звезда. Каждую секунду он пропускает 5 миллионов тонн водорода, и это происходит уже около 5 миллиардов лет. Это яростное сжигание топлива будет продолжаться еще около 4,5 миллиардов лет. Вся эта энергия излучается в космос во всех направлениях, и крошечная фракция, попадающая на Землю, делает возможной жизнь. NSF поддерживает солнечную астрономию и гелиофизику с 1950-х годов. Его новейшая флагманская обсерватория Daniel K.Солнечный телескоп Иноуэ позволяет увидеть Солнце более детально, чем когда-либо прежде. В 2020 году он произвел свои первые изображения, на которых были показаны ячеистые структуры в сотни километров в поперечнике, а также мельчайшие детали, которые когда-либо видели на поверхности Солнца.

Флагманская солнечная обсерватория NSF

Данные солнечного телескопа Иноуэ позволят ученым понять, как и почему магнитные поля, генерируемые внутри Солнца, искажаются и запутываются, вызывая солнечные извержения, которые могут негативно повлиять на наш технологически зависимый современный образ жизни.Прочитайте больше.

Space Weather

NSF спонсирует исследования по отслеживанию развития солнечных пятен, вспышек и выбросов корональной массы, чтобы лучше понять, как и когда эти явления влияют на магнитное поле Солнца, которое, в свою очередь, может нанести ущерб электросетям и спутникам Земли. и другие системы связи. Прочитайте больше.

Солнечная энергия: использование солнечной энергии

Солнечные панели и солнечные элементы становятся все более распространенными.Но недостатки солнечной энергетики остаются. Материаловеды, инженеры, физики, математики и компьютерщики, финансируемые NSF, — все они играют определенную роль в продвижении этой технологии, чтобы солнечная энергия могла процветать и наиболее эффективно дополнять другие источники энергии в будущем. Прочитайте больше.

Plasma Physics

Одна из самых больших загадок Солнца заключается в том, почему его корона (верхний уровень солнечной атмосферы) горячее, чем его поверхность.Дело не только в понимании солнца. Корона состоит из плазмы, и многие считают, что ответ связан с физикой плазмы. Неудивительно, что исследователи, финансируемые NSF, изучают эту проблему и многие другие проблемы физики плазмы, которые окружают наше Солнце. Прочитайте больше.

Подписи к изображениям и кредиты >>

Любые мнения, выводы, заключения или рекомендации, представленные в этом материале, принадлежат только грантополучателю / исследователю, автору или сотруднику агентства; и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.

1. Солнечная и космическая физика: вехи и научные вызовы | От Солнца к Земле — и дальше: десятилетняя стратегия исследований в области солнечной и космической физики

, где антропогенное влияние на глобальный климат отличается от фона естественной изменчивости (см. Врезку «Солнце и климат»). В-третьих, о чем свидетельствует восторженный прием, оказанный зрителями документальному фильму SolarMax , ² , посвященному солнечной и космической физике, так же как и их сестринской дисциплине, астрономии, оказывает сильное влияние на интерес и воображение людей. общественные.Таким образом, физика Солнца и физика космоса, наряду с астрономией, особенно хорошо подходят для того, чтобы внести свой вклад в укрепление научного образования и развитие научно грамотной общественности и технически подготовленных кадров.

ОБЛАСТЬ СОЛНЕЧНОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Область солнечной и космической физики — это область нашей галактики, известная как гелиосфера (рис. 1.1). Гелиосфера — это полость, образованная солнечным ветром в теплой плазме межзвездной среды, ионизированной сверхзвуковой атмосферой Солнца.Внутри этой пузырьковой полости, погруженные в поток солнечного ветра, находятся девять планет Солнечной системы, астероиды, кометы и ледяные транснептуновые объекты пояса Койпера. В его центре находится Солнце, обычная звезда главной последовательности, возраст которой 4,5 миллиарда лет достиг середины своей звездной жизни. Границы гелиосферы еще не исследованы, потому что они дальше, чем самый далекий зонд дальнего космоса «Вояджер-1», который в мае 2002 года находился примерно в 86 астрономических единицах (а.е.) — более 12.5 миллиардов километров — от Солнца. ³

Размер и структура гелиосферы определяются относительным давлением солнечного ветра и межзвездной среды и будут меняться по мере изменения этого давления. На данном этапе истории Солнечной системы большинство изменений в размерах гелиосферы, вероятно, является результатом изменений давления тарана солнечного ветра в течение 11-летнего солнечного цикла и, вероятно, будут сравнительно незначительными (несколько процентов).Однако есть основания полагать, что размер гелиосферы может резко меняться при достаточно больших изменениях плотности локальной межзвездной среды. Недавнее компьютерное моделирование показывает, что столкновение с межзвездным облаком, плотность нейтрального водорода которого в 50 раз больше плотности нынешнего галактического окружения гелиосферы, может уменьшить размер гелиосферы на целых 80 процентов, вызывая изменения во внутренней солнечной системе, которые могут повлиять на Землю. космическая среда и климат. ⁴

Ветер, который надувает гелиосферу, солнечный ветер, дует непрерывно. Он возникает в солнечной короне с градусом в несколько миллионов градусов и ускоряется до сверхзвуковых скоростей около Солнца. Как и его корональный источник, солнечный

Солнечная энергия: лучший источник энергии

Солнце — высший источник энергии

Каждое утро встает солнце, неся свет и тепло на землю, а каждый вечер оно заходит.

Это кажется настолько обыденным, что мы редко задумываемся об этом ярком объекте в небе.

Но без него нас бы не было!

Глубоко в ядре нашей местной звезды (да, Солнце — это звезда — БОЛЬШАЯ звезда!) Атомы водорода вступают в реакцию ядерного синтеза.

Они производят огромное количество энергии, которая течет во всех направлениях со скоростью света (это ошеломляющая скорость более 186 000 миль за секунд ).

Всего за восемь минут эта энергия перемещается до Земли на 93 миллиона миль.

Мы используем много разных форм энергии здесь, на Земле, но вот в чем дело: почти все они происходят от Солнца, а не только от света и тепловой (тепловой) энергии! Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, но может изменить свою форму. Вот что происходит с солнечной энергией — она ​​принимает множество различных форм:

• Растения преобразуют световую энергию солнца в химическую энергию (пища) в процессе фотосинтеза.Животные едят растения и используют одну и ту же химическую энергию для всей своей деятельности.
• Тепловая энергия солнца вызывает изменение погодных условий, в результате чего возникает ветер. Затем ветряные турбины преобразуют энергию ветра в электрическую энергию единиц.
• Гидроэлектроэнергия — это электрическая энергия, производимая движущейся водой, и вода течет, потому что тепловая энергия солнца вызывает испарение, которое поддерживает движение воды в круговороте воды.
• В настоящее время большая часть человеческой деятельности использует энергию ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ.Эти источники энергии создаются в течение очень долгих периодов времени из разложившегося и окаменевшего живого вещества (животных и растений), а энергия в этом живом веществе изначально поступала от Солнца посредством фотосинтеза.

Солнце посылает на Землю больше энергии за за час , чем нужно всей планете за год.

Представьте, если бы мы могли напрямую улавливать эту энергию и преобразовывать ее в форму, которая могла бы приводить в действие наши машины, города и дома!

Многие ученые по всему миру исследуют, как мы можем улучшить использование солнечной энергии.

Один из способов — использовать солнечные тепловые панели для сбора тепловой энергии для нагрева воздуха и воды.

Другой способ — использовать фотоэлектрические элементы , также называемые солнечными элементами, для преобразования солнечного света непосредственно в электричество («фотоэлектрические» по сути означает «световое электричество»).

В фотоэлементах

используется такой материал, как кремний, для поглощения энергии солнечного света. Энергия солнечного света заставляет часть электронов оторваться от атомов кремния в ячейке.

Из-за того, как устроен солнечный элемент, эти свободные электроны перемещаются к одной стороне элемента, создавая отрицательный заряд и оставляя положительный заряд на другой стороне.

Когда элемент подключен к цепи с проводами, электроны будут течь по проводам от отрицательной стороны к положительной, как батарея — этот поток электронов является электричеством, и он питает нагрузку (лампочку, мотор и т. д.) вы подключаетесь к его пути

фотоэлементов сегодня все еще способны улавливать лишь небольшую часть солнечной энергии. Им требуются огромные акры открытого пространства, чтобы собирать достаточно света для производства энергии в больших масштабах.

Необходимо проделать еще большую научную работу, чтобы сделать их более эффективными и занимать меньше места.

Несмотря на проблемы, солнечные панели используются для питания многих вещей, таких как знаки аварийной службы, школьные огни проезда и многое другое. Многие люди также могут обеспечивать электроэнергией свои дома, устанавливая солнечные панели на крыше, и это станет только легче, поскольку технологии будут продолжать развиваться.

Проектов солнечной энергии:

Солнечная энергия | Пособие для студентов по глобальному изменению климата

Почему днем ​​ярче и теплее ночи? Ответ прост: солнечная энергия.Солнечная энергия — это просто свет и тепло, исходящие от солнца.

Люди могут использовать солнечную энергию несколькими способами:

• Фотоэлектрические элементы, , преобразующие солнечный свет в электричество.
• Солнечная тепловая технология, , где солнечное тепло используется для производства горячей воды или пара.
• Пассивное солнечное отопление, , которое может быть таким простым, как позволить солнцу светить через окна для обогрева внутри здания.

Фотоэлектрические элементы

У вас есть солнечный калькулятор или часы? Эти элементы питаются от фотоэлементов. Фотоэлектрический элемент поглощает свет и преобразует его непосредственно в электричество. Группа фотоэлектрических элементов известна как солнечная панель.

Возможно, вы видели солнечные батареи на домах, на электронных дорожных знаках или на парковках для питания света. Люди, у которых дома есть солнечные батареи, покупают меньше электроэнергии у коммунальных предприятий, потому что они производят электричество самостоятельно.Если у вас достаточно солнечных панелей, вы даже сможете производить больше энергии, чем вам нужно. В некоторых штатах это означает, что вы можете включить счетчик электроэнергии задом наперед и отдать дополнительную электроэнергию остальной части сообщества. Электроэнергетическая компания платит вам !

Как это работает

Солнечная тепловая техника

Другой способ использования солнечной энергии — это сбор солнечного тепла.Солнечные тепловые электростанции используют тепло солнца для создания пара, который затем можно использовать для производства электроэнергии. В меньшем масштабе солнечные панели, использующие тепловую энергию, можно использовать для нагрева воды в домах, других зданиях и бассейнах.

Как это работает

1. Зеркала или отражатели концентрируют солнечные лучи для нагрева особого вида жидкости.
2. Тепло от этой жидкости приводит к кипению воды и образованию пара.
3. Пар вращает турбину, подключенную к генератору, который вырабатывает электричество.
4. Пар охлаждается и снова конденсируется в воду, которая повторно используется, повторно нагревается и снова превращается в пар.

Посмотрите видео, чтобы узнать больше о том, как работают эти системы.

Пассивное солнечное отопление

Вы когда-нибудь замечали, как солнечный свет, проникающий через окно, может сделать ваш дом теплее даже в холодный день? Если да, то вы видели в действии пассивное солнечное отопление! Люди могут проектировать или реконструировать здания, чтобы зимой использовать тепло от солнца.Хорошо, если большие окна выходят на юг (сторона, которая получает больше всего солнечного света повсюду к северу от экватора) и не затенены другими зданиями или деревьями. Хороший дизайн часто включает в себя свесы, подвижные навесы или жалюзи, которые блокируют солнце летом, когда людям нужно охладить свои дома, а не обогревать их.

Интересные факты

• Школьные автобусы на солнечных батареях. Город в Висконсине использует солнечные батареи для зарядки гибридных электрических школьных автобусов.
• Карты Google для солнечных батарей. Если вы живете в Сан-Франциско или Бостоне, вы можете увидеть солнечные батареи в вашем районе на карте.
• Как это круто? В 2010 году Китай представил первый кондиционер на солнечной энергии. В случае массового производства эти устройства могут помочь снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов в Китае и других странах.
• Solar входит в высшую лигу. Тайваньский национальный стадион рекламируется как крупнейший спортивный стадион в мире. Его прозвали «летающим драконом» из-за его серебристо-синего навеса, который изгибается хвостом и содержит около 9000 солнечных батарей. Когда стадион не используется, он снабжает энергией дома и предприятия.

Начало страницы

Солнечная энергия

Солнечная энергия (также известная как солнечное излучение или инсоляция) — это энергия солнца.

Эта энергия в форме тепла и света поддерживает все живое на Земле, управляет климатом и погодой Земли и в основном отвечает за класс ресурсов, известных как возобновляемые источники энергии.

Солнечная энергия также широко описывает технологии, использующие солнечный свет.

Приложения разнообразны и существуют тысячелетия назад.

Греки, коренные американцы и китайцы согревали свои здания, ориентируя их на солнце.

В Европе фермеры использовали продуманную ориентацию поля и тепловую массу для увеличения урожайности во время малого ледникового периода.

Современные солнечные технологии продолжают использовать солнце для нагрева воды, дневного света и даже полета.

Солнечная энергия обычно описывает технологии, которые преобразуют солнечный свет в электричество, а в некоторых случаях — в тепловую или механическую энергию.

В 1866 году французский инженер Огюст Мушу успешно привел в действие паровой двигатель солнечным светом.

Это первый известный пример механического устройства, работающего от солнечной энергии.

В течение следующих 50 лет такие изобретатели, как Джон Эрикссон, Чарльз Теллиер и Франк Шуман, разработали устройства на солнечных батареях для орошения, охлаждения и передвижения.

Потомком этих ранних разработок являются концентрирующие солнечные электростанции.

Современная эра солнечной энергии наступила в 1954 году, когда исследователи из Bell Laboratories разработали фотоэлектрический элемент, способный эффективно преобразовывать свет в электричество.

Этот прорыв ознаменовал фундаментальное изменение в способах производства электроэнергии.

С тех пор эффективность солнечных элементов повысилась с 6% до 15%, а экспериментальные элементы достигли эффективности более 40%.

С другой стороны, цены упали с 300 долларов за ватт до менее чем 3 долларов за ватт.

Использование солнечной энергии и солнечной энергии простирается от традиционных технологий, обеспечивающих питание, тепло и свет, до уникальной современной электроэнергии.

Разнообразие форм и долгая история солнечной энергии проявляются в самых разных областях применения.

Многие технологии используют солнечную энергию.

Некоторые классификации солнечных технологий бывают активными, пассивными, прямыми и косвенными.

Активные солнечные системы используют электрические и механические компоненты, такие как механизмы слежения, насосы и вентиляторы, для преобразования солнечного света в полезные продукты, такие как отопление, освещение или электричество.

Пассивные солнечные системы используют немеханические методы управления, преобразования и распределения солнечного света в полезные продукты, такие как обогрев, освещение, охлаждение или вентиляция.

Эти методы включают выбор материалов с благоприятными тепловыми свойствами, проектирование пространств с естественной циркуляцией воздуха и привязку положения здания к солнцу.

Прямой солнечный свет обычно относится к технологиям или эффектам, которые включают однократное преобразование солнечного света, которое приводит к пригодной для использования форме энергии.

Непрямое солнечное излучение обычно относится к технологиям или эффектам, которые включают множественные преобразования солнечного света, в результате которых получается пригодная для использования форма энергии.

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это устройство, преобразующее свет в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта.

До недавнего времени их использование было ограничено из-за высокой стоимости производства.

Одним из наиболее эффективных способов применения является устройство с очень низким энергопотреблением, например, калькуляторы с ЖК-дисплеями.

Другое использование было в удаленных приложениях, таких как придорожные аварийные телефоны, дистанционное зондирование, катодная защита трубопроводов и ограниченные приложения домашнего электроснабжения «вне сети».

Третье применение — питание орбитальных спутников и космических аппаратов.

Чтобы воспользоваться входящим электромагнитным излучением солнца, к каждому дому или зданию можно прикрепить солнечные батареи.

Панели должны быть установлены перпендикулярно солнечной дуге для максимального удобства использования.

Самый простой способ использовать это электричество — подключить солнечные панели к сетевому инвертору.

Однако эти солнечные панели могут также использоваться для зарядки аккумуляторов или других устройств хранения энергии.

Солнечные панели производят больше энергии в летние месяцы, потому что они получают больше солнечного света.

Общая пиковая мощность установленных фотоэлектрических модулей составляет около 6000 МВт на конец 2006 года.

По прогнозам, в 2007 году установленная фотоэлектрическая система увеличится до более чем 9000 МВт.

Снижение производственных затрат (падение на 3-5% в год в последние годы) расширяет диапазон рентабельных применений.

Важность солнечной энергии

Обещание солнечной энергии

Всю жизнь на Земле поддерживает солнце. Этот удивительный ресурс излучает энергию и обеспечивает нас теплом и светом, превращая водород в гелий в его ядре.Мы называем это солнечным излучением. Только около половины этой солнечной радиации достигает поверхности Земли. Остальное либо поглощается, либо отражается облаками и атмосферой. Тем не менее, мы получаем достаточно энергии от солнца, чтобы удовлетворить потребности всего человечества в энергии — в миллионы раз. Солнечная энергия — энергия солнца — является огромным, неисчерпаемым и чистым ресурсом.

Солнечный свет или солнечная энергия может использоваться непосредственно для отопления и освещения домов и предприятий, для выработки электроэнергии, а также для нагрева воды, солнечного охлаждения и множества других коммерческих и промышленных целей.Наиболее важным, учитывая растущую озабоченность по поводу изменения климата, является тот факт, что производство солнечной электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электричеству из ископаемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, без загрязнения, вызываемого глобальным потеплением, без рисков скачков цен на электроэнергию и без угроз. нашему общественному здоровью.

Солнечный ресурс огромен. По данным Министерства энергетики США, количества солнечного света, падающего на поверхность Земли за полтора часа, достаточно, чтобы обеспечить потребление энергии во всем мире на целый год.Всего 18 солнечных дней на Земле содержат столько же энергии, сколько хранится во всех запасах угля, нефти и природного газа на планете.

И когда система использует солнечные ресурсы и преобразует их в полезную энергию, топливо становится бесплатным.

Рост солнечной энергии

С 2008 года количество установок в США выросло в 17 раз с 1,2 гигаватт (ГВт) до примерно 30 ГВт на сегодняшний день, что достаточно для выработки энергии, эквивалентной 5.7 миллионов средних американских домов. С 2010 года средняя стоимость солнечных фотоэлектрических панелей упала более чем на 60%, а стоимость солнечной электрической системы упала примерно на 50%. Солнечная электроэнергия в настоящее время считается экономически конкурентоспособной с традиционными источниками энергии в нескольких штатах, включая Калифорнию, Гавайи, Техас и Миннесоту.

Основы солнечной энергетики

Итак, каковы основы систем солнечной энергии? Прежде всего, системы солнечной энергии различаются в зависимости от области применения и размера.Жилые системы можно найти на крышах по всей территории Соединенных Штатов, и предприятия начинают устанавливать солнечные панели, чтобы компенсировать свои затраты на электроэнергию. Коммунальные предприятия также строят большие солнечные электростанции, чтобы обеспечить более чистой энергией всех потребителей, подключенных к сети.

Независимо от специфики данной установки, существует два основных типа технологий солнечной энергии — фотоэлектрическая (PV) и концентрирующая солнечная энергия (CSP). Большинство людей знакомы с фотоэлектрической технологией из-за солнечных панелей, которые они видят все больше и больше на крышах зданий или на тех, которые размещены на Международной космической станции.Когда солнце освещает одну из этих солнечных панелей, фотоны солнечного света поглощаются ячейками панели, что создает электрическое поле через слои и заставляет электричество течь. Фотоэлектрические установки могут быть установлены на земле, на крыше или на стене. Они могут быть установлены в постоянной ориентации для увеличения производительности и стоимости, или они могут быть установлены на трекерах, которые следуют за солнцем по небу. Фотоэлектрические панели на крыше делают солнечную энергию жизнеспособной практически во всех частях Соединенных Штатов.В солнечном месте, таком как Лос-Анджелес или Феникс, жилая система мощностью пять киловатт производит в среднем от 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно потреблению электроэнергии типичным домом в США.

Вторая технология — это концентрация солнечной энергии (также называемая концентрированной солнечной тепловой энергией и CSP ). Он используется в основном на очень больших электростанциях и не подходит для использования в жилых помещениях. В этой технологии используются зеркала для отражения и концентрации солнечного света на приемниках, которые собирают солнечную энергию и преобразуют ее в тепло.Тепло используется для привода теплового двигателя, обычно паровой турбины, который подключен к генератору электроэнергии, который затем используется для производства электроэнергии.

Наше будущее явно зависит от нашей способности использовать солнечные и другие возобновляемые источники энергии. Расширяющиеся технологии, налоговые льготы и адаптация коммунальных предприятий к потребителям солнечной энергии — все это обнадеживающие события в области солнечной энергии. Однако наиболее важно помнить, что в среднем по всей поверхности планеты на квадратный метр приходится 4.2 киловатт-часа энергии солнца каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год.

Край солнечного света | Управление научной миссии

Солнечная энергия — изобильный источник энергии для космических кораблей, перемещающихся по внутренней части Солнечной системы. Но как далеко от нашей звезды может работать фотовольтаика?

Послушайте эту историю с помощью потокового аудио, загружаемого файла или обратитесь за помощью.

8 января 2002 г .: Попробуйте следующее: закройте на мгновение глаза и представьте, залитая солнцем и сияющая Международная космическая станция (МКС) вращается вокруг нашей планеты.

Как это выглядело? В вашем воображении, вероятно, преобладают широкие красивые крылья — потрясающие солнечные батареи станции.

Не случайно солнечные панели преобладают над профилем станции. На МКС (как и на Земле внизу) солнечная энергия в конечном итоге приводит в действие все, что происходит.Наше Солнце, звезда по имени Сол, излучает огромную мощность: постоянная мощность 4 x 10 ²³ киловатт (кВт), что представляет собой 4 с 23 нулями! Фотогальваническим элементам, которые преобразуют солнечный свет в электричество, нужно перехватить лишь крошечную часть этого количества, чтобы обеспечить станцию ​​энергией.

Выше : Международная космическая станция в декабре 2001 г. Фото: экипаж STS-108.

Но не все космические корабли задерживаются возле Земли, где много солнечного света. Многие зонды НАСА выходят далеко за пределы орбиты нашей планеты.И по мере того как они это делают, Солнце становится все более далеким и тусклым. Где-то там солнечная энергия перестает быть полезным источником энергии для космических кораблей. Но где?

Вот что хотят знать создатели космических кораблей НАСА: где край солнечного света?

Солнечные элементы космической станции, разработанные несколько десятилетий назад, преобразуют 14% энергии Солнца, попадающей на них, в электричество, а современные многодиапазонные элементы, которые преобразуют свет в нескольких частях спектра в электрическую энергию, достигают эффективности около 30%.Такие устройства достаточно хорошо работают в ярко освещенной внутренней части Солнечной системы, но потребуются более эффективные элементы и более крупные массивы, поскольку космические корабли путешествуют в места, где мало солнечных фотонов. Например, во внешних границах Солнечной системы важна способность преобразовывать даже отдельные фотоны в электричество.

«Интенсивность солнечного света уменьшается с увеличением расстояния в 1/ r ² , где r — это расстояние от Солнца», — объясняет Джефф Лэндис, ученый из Исследовательского центра Гленна НАСА.«Это означает, что солнечная батарея площадью 1 квадратный метр, производящая 400 Вт на расстоянии 1 а.е., должна иметь размер 25 квадратных метров на Юпитере и почти 2000 квадратных метров на Плутоне, чтобы обеспечить такую ​​же мощность». (Примечание: астрономическая единица или «а.е.» — это среднее расстояние между Землей и Солнцем. 1 а.е. равняется 150 миллионам километров.)

Слева : Солнце, если смотреть с далекого Плутона, — это просто еще одна звезда в ночном небе, хотя и самая яркая. Космический художник (и космический физик) Дэн Дурда нарисовал этот вид с 9-й планеты.

Лэндис и его коллеги из отделения фотогальваники и космической среды Гленна изучают новые способы использования энергии Солнца, включая более эффективные солнечные элементы, лазерное излучение для удаленных космических кораблей и солнечные энергетические системы для Луны и Марса. «Использование солнечной энергии — сложная область исследования», — говорит Ландис. «Для поиска решений необходимо сбалансировать такие факторы, как расстояние, вес, энергию различных световых диапазонов и фактические доступные нам материалы.«

«Используя современные технологии, — говорит он, -« край »солнечного света, который мы можем использовать, находится примерно в четырех астрономических единицах от Солнца, где солнечный свет примерно в одну шестнадцатую ярче, чем у Земли». Это за пределами орбиты Марса (1,5 а.е.), но ближе к Солнцу, чем Юпитер (5,2 а.е.).

«С помощью технологий завтрашнего дня мы надеемся продвинуть это преимущество дальше в солнечную систему», — говорит он. «В будущих солнечных коллекторах, например, могут использоваться усовершенствованные тонкие пленки — почти как Saran Wrap — и очень легкие солнечные элементы, которые можно раскатать до акра и более.Вместо космического корабля с солнечной батареей у вас будет солнечная батарея с космическим кораблем ».

Такие широкие паруса также могут стать мишенью для быстро движущейся космической пыли, поэтому они должны быть изготовлены из устойчивых к проколам или самоуплотняющихся материалов. Очередной вызов для строителей космических кораблей!

Выше : концепция солнечного паруса из рассказа Science @ NASA 1999 года «Парус к звездам».

На сегодняшний день расстояние от Солнца до любого космического корабля на солнечной энергии равно 2.35 AU — рекорд, установленный в октябре прошлого года зондом NASA Stardust. Stardust будет продлевать свой собственный рекорд каждый день до апреля 2002 года, когда он достигнет максимального расстояния от Солнца 2,72 а.е. на пути к комете Wild 2. Солнечные батареи Stardust на самом деле производят больше энергии, чем ожидалось, возможно, потому что работают ее фотоэлектрические элементы. эффективнее в холодном глубоком космосе, чем в земных лабораториях. Никто не уверен; это неизведанная территория.

Вверху : (слева) Художественное впечатление от Stardust при встрече с кометой Wild 2 в 2004 году.На этой иллюстрации видны солнечные панели корабля. (справа) Орбита космического корабля, любезно предоставлено веб-сайтом JPL «Where is Stardust Right Now?».

Не так далеко от Солнца, как Stardust, экспериментальный космический корабль НАСА Deep Space 1 недавно испытал «солнечный концентратор» — 720 линз, которые фокусируют солнечный свет на 3600 солнечных элементов. Deep Space 1 был первым зондом на солнечной энергии, который полностью полагался на многополосные ячейки с тройным переходом. Небольшая, но инновационная система генерировала 2500 Вт: этого достаточно для питания трех микроволновых печей и более чем достаточно для питания ионного двигателя корабля.

Такие достижения в конечном итоге вытеснят солнечную энергию в глубокий космос — возможно, вообще за пределы Солнечной системы.

«В долгосрочной перспективе солнечным батареям не придется полагаться на Солнце», — сказал Ландис. «Мы изучаем концепцию использования лазеров для излучения фотонов на солнечные батареи. Если вы сделаете достаточно мощный лазер и сможете направить луч, на самом деле не будет никакого края солнечного света — с достаточно большой линзой мы могли бы направить свет на космический зонд на полпути к альфа-Центавру! »

Справа : концепция этого художника показывает наземную станцию, передающую мощность на далекий космический корабль.[подробнее]

Излучение света на цели на Земле, на орбите, на Луне, на Марсе и других планетах — или на далекие космические корабли — это тема научной фантастики. Это прямо в переулке Джеффа Лэндиса. Он также является отмеченным наградами писателем-фантастом «Хьюго и Небула»! Как ученый, он и его соратники из НАСА каждый день стремятся дотянуться до края солнечного света, очень быстро просматривая вымысел и, несомненно, превращаясь в факты.

Веб-ссылки

Отдел Power and Propulsion Office в Исследовательском центре NASA Glenn Research Center (GRC) управляет разработкой энергетических технологий для удовлетворения потребностей всех предприятий NASA.

Многопереходные солнечные элементы используют больше солнечной энергии, чем старые однопереходные модели. (DOE)

Солнечная энергия на Марсе — Марсоходы и посадочные аппараты (GRC) на Красной планете также могут использовать солнечную энергию.

Солнечная энергия на Луне — (GRC) статья Джеффа Лэндиса.

Джеффри А. Лэндис — научный сотрудник и член Отделения фотоэлектрической энергии и космической среды, Исследовательский центр Джона Гленна НАСА

Справа : Саморазвертывающаяся фотоэлектрическая батарея на Луне.Художественная концепция Леса Боссинаса, Исследовательский центр Льюиса НАСА.

Электроэнергия МКС — (Science @ NASA) Электроэнергия — самый важный ресурс космических станций.

Как работают фотоэлектрические элементы? — (Science @ NASA) Deep Space 1 использовал солнечные концентраторы , чтобы максимально использовать свои фотоэлектрические батареи.

Зонд НАСА Stardust — это на пути к комете Уайлд 2. Это самый далекий космический корабль, работающий от Солнца.

Отчеты о статусе звездной пыли :

• 5 октября 2001 г. — Звездная пыль устанавливает рекорд расстояния по солнечной энергии.
• 2 ноября 2001 г. — Космический корабль еще не использует батарею.
• 16 ноября 2001 г. — Солнечные батареи вырабатывают больше, чем ожидалось.

Thermo photovoltaics — Преобразование электромагнитного излучения от тепловых (несолнечных) источников в электричество известно как термофотоэлектрическое производство энергии.

Новая звезда в небе — (Science @ NASA) Солнечные крылья помогают сделать МКС одним из самых ярких объектов в ночном небе

Powering the Future — (GRC) информационный бюллетень по энергосистемам МКС

Что такое астрономическая единица?

Присоединяйтесь к нашему растущему списку подписчиков — подпишитесь на нашу экспресс-доставку новостей , и вы будете получать сообщение по электронной почте каждый раз, когда мы публикуем новую историю !!!

Подробнее

Заголовки

КОНЕЦ
.