Развитие солнечной энергетики. Использование энергии Солнца в гелиоустановках. Часть 1

Сентябрь 08, 2012 / Ольга Шейдина, Редактор

Солнце – источник всей жизни на Земле, тепла и света. Только солнечный свет давал людям тепло до тех пор, пока они не смогли сами добывать огонь, - солнечная энергетика была самой первой, освоенной человечеством. Недаром человеческое сообщество возникло впервые, как утверждают палеонтологи, в Центральной Африке, под жарким солнцем экватора. По-видимому, энергетика Солнца будет самой приемлемой и в последующие эпохи благодаря ее естественности (она дается бесплатно), экологической чистоте и неисчерпаемости.

Развитие солнечной энергетики. Использование энергии Солнца в гелиоустановках. Часть 1

Почему она до сих пор находилась в тени? Почему человек в течение тысячелетий предпочитал готовить пищу, обогревать себя путем сжигания дров, нефти и угля, создавая на быстрых реках и сильных ветрах хитроумные сооружения, добывая (в последние годы) радиоактивный опасный уран? Потому что для общества, неразвитого технически, прикованного к поверхности земли, солнечные энергетические станции были громоздкими, маломощными, зависящими от погоды – почти неконкурентными. Одни только фанаты интуитивно угадывали их неизбежный взлет в будущем.

С созданием станций на орбите, с выходом в космос и стремительным развитием электроники (полупроводников в первую очередь) ситуация сильно изменилась. Сегодня солнечная энергетика – не далекая мечта, а ежедневная реальность, которая все больше места занимает в деятельности промышленных организаций и научных институтов.

Энергия Солнца безгранична – при бескрайнем развитии наших технических возможностей. В статье мы рассмотрим преимущества и недостатки солнечной энергетики, ее перспективы развития в будущем.

Перспективы солнечной энергетики

Солнце ежесекундно излучает 88х1024 кал или 370х1012 Дж теплоты. Из этого количества на Землю в энергетическом эквиваленте попадает лишь 1,2х1012 Вт, т.е. 1018 кВт/ч, или в 10000 раз больше количества энергии, которое мир сегодня потребляет. В сравнении с этим все другие источники энергии дают пренебрежительно мало теплоты. Например, если определять потенциал Солнца по солнечной энергии, которая падает только на свободные необрабатываемые земли, то мощность в среднем за год составит около 10000 ГВт, что в 5000 раз больше мощности современных энергетических стационарных установок мира взятых вместе.

Практическую целесообразность применения энергии Солнца устанавливают на основании максимального излучения Солнца, равного 1 кВт/м2. Это максимальная плотность потока солнечного излучения, попадающего на Землю. Это излучение в пределах длин волн 0,3-2,5 мкм включает видимый спектр и называется коротковолновым. Но оно длится в летние дни всего 1-2 часа на широтах, близких к экватору. Для населенных районов в зависимости от нахождения, погоды и времени суток среднее солнечное излучение равняется 200-250 Вт/м2. Но с точки зрения производства и это значение достаточно большое. Например, средняя плотность энергии, полученной искусственным путем, обусловленной хозяйственной деятельностью, составляет всего 0,02 Вт/м2, то есть в 10000 раз меньше плотности энергии Солнца. В некоторых местах Земного шара данный показатель намного выше (в Германии в Русском районе – 20 Вт/м2, в Японии – 2 Вт/м2). Согласно расчетам, для удовлетворения энергопотребления в современном мире достаточно превратить энергию Солнца, падающую на 0,0025% поверхности Земли, в электроэнергию.

На основе этого краткого анализа можно сделать вывод, что непосредственное применение солнечной энергии может легко покрыть все потребности современного мира в электроэнергии.

Огромная часть территории России характеризуется благоприятными климатическими условиями для применения солнечной энергии. В южных областях продолжительность излучения Солнца равна от 2000 до 3000 часов в год, а годовой приход энергии Солнца на горизонтальную поверхность равен от 1280 до 1870 кВт час на 1 м. кв. В самом солнечном месяце – июле – объем энергии, который приходится на 1 метр квадратный горизонтальной поверхности, составляет от 6,4 до 7,5 кВт час в день. Значит, широкое применение солнечной энергии может здесь иметь важнейшее хозяйственное значение.

В связи с поиском путей применения экологически чистых и возобновляемых источников энергии является важной оценка гелиоресурсов страны в целом и районирование всех территорий по потенциалу солнечной радиации.

Подобные исследования базируются на климатическом обобщении метеостанций с использованием вероятностно-статистического метода; по итогам исследований в России определено всего 11 районов по интенсивности обеспечения гелиоресурсами. Барнаул находится в 4-ом районе по обеспеченности солнечной энергией, республика Алтай – в 3 и 4-ом районах.

Так можно отметить «бесплатность», огромные масштабы и возобновляемость (практически неисчерпаемость) ресурсов энергии Солнца. Но пониженная плотность солнечной радиации непосредственно у поверхности Земли (около 250 Вт/м2, в самых благоприятных районах – 1 кВт/м2) и нерегулируемый режим поступления к земной поверхности (облачность, вращение Земли) создают существенные технические трудности ее использования (требуются большие поглощающие и отражающие поверхности, аккумуляторы, системы ориентирования и т.д.).

Солнечное излучение – это поток энергии от доступного источника намного более высокой температуры (температура поверхности Солнца = 6000°К), чем у обычных источников.

Его тепловую энергию можно использовать при помощи стандартных технических устройств (паровых турбин, например) и, что более важно, методами, сформированными на базе фотофизических и фотохимических взаимодействий. Солнечные устройства, применяющие энергию излучения Солнца, могут находиться на поверхности Земли или вне атмосферы Земли.

Во время прохождения коротковолнового излучения сквозь атмосферу возможны взаимодействия следующих видов:

1. Поглощение – преобразование энергии излучения в тепловую энергию, возбуждение молекул с дальнейшим излучением света. Большой угол.

2. Рассеяние – перемена направления распространения света в зависимости от величины угла.

3. Отражение не зависит от угла, примерно около 30% интенсивности солнечного космического излучения отражается обратно в космос. Основную часть излучения отражают облака, меньшую часть – лед и снег на поверхности Земли.

Таким образом, для установки приемника энергии Солнца нужно определить, сколько энергии необходимо собрать, как будет использоваться собранная энергия. В этом случае можно определить размер приемника.

Наиболее очевидная область применения солнечной энергии – подогрев воздуха и воды. В областях с холодным климатом необходимо отапливать помещения и создавать систему горячего водоснабжения. Энергия Солнца применяется в нагревателях воздуха, воды, солнечных дистилляторах, солнечных башнях (энергетическая солнечная установка башенного типа), зерносушилках. Солнечные системы, предназначенные для выработки электроэнергии, называются СЭС (солнечные энергетические станции).

Концентрация энергии Солнца дает возможность получить температуры от 100 до 700°С, то есть достаточно высокие температуры для работы теплового двигателя с достаточным КПД. Выполнение параболических концентратов с диаметром более 30 м является трудоемким, но, тем не менее, мощность одного подобного устройства достигает 700 кВт, что позволяет получать до 200 кВт/час электроэнергии. Это достаточное количество для небольших энергосистем, но не для коммунальных стационарных сетей.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий