Доклад о использовании энергии Солнца на Земле: материал для краткого сообщения

Источник солнечной энергии

Чтобы найти наиболее эффективные методы преобразования солнечной энергии, ученым нужно было понять, какой вид преобразования представляет собой источник солнечной энергии. Чтобы получить ответ на этот вопрос, были проведены многочисленные эксперименты и исследования. Существуют различные гипотезы, направленные на объяснение этого явления. Но в ходе длительных исследований было экспериментально показано, что реакция, во время которой водород превращается в гелий с помощью ядер углерода, является поэтому основным источником солнечной энергии.

Цифры и данные

Преимущества использования солнечной энергии на Земле основаны на довольно серьезном факте: этот источник появится в ближайшем будущем. Доказать это утверждение несложно, если учесть следующие данные:

1. За год планета получает от Солнца примерно 3,85 * 10 24 Дж энергии.
2. За счет использования прямых потоков воздушных масс (ветра) 2,25 * 10 21 Дж.
3. Вся биомасса планеты потребляет около 3 * 10 21 Дж энергии в год. Основная его доля приходится на тропические леса Южной Америки.
4. Электроэнергия и органические источники энергии, которые человек использует для своих нужд, в среднем составляют 5 * 10 20 Дж в год.

Эти данные показывают, что развитие современной экономики и увеличение потребления энергии может быть полностью обеспечено солнечной энергией, поскольку она превышает существующие потребности на 4 порядка (в 10 000 раз). В 2002 году было подсчитано, что один солнечный час на планете может обеспечить энергией все человечество в течение 1 года. В свою очередь, достаточно всего 18 ясных дней, чтобы получить столько энергии, сколько хранится в мире в виде любого другого ресурса на данный момент.

Цифры также показывают, что вся гигантская зеленая масса планеты использует только 0,08% всей доступной электромагнитной энергии. Эти данные указывают на неисчерпаемость рассматриваемого источника и огромные возможности, которые он открывает для развития мировой экономики.

По прогнозам глобальной экологической организации Greenpeace, к 2030 году около 2/3 всего населения планеты будут использовать солнечные лучи в качестве основного источника энергии.

Прямое и рассеянное излучение

Около 30% электромагнитного излучения, которое достигает верхних слоев атмосферы планеты, рассеивается и излучается в космос. Также при прохождении через атмосферу происходит дальнейшее рассеяние света на облаках. Наконец, когда поверхность материка и океанов нагревается, они также излучают низкочастотные электромагнитные волны (инфракрасный спектр).

В среднем на земную поверхность приходится около 1000 Вт / м2 энергии. Это прямое излучение. Теоретически его можно использовать для концентрации и перенаправления для выработки полезного тепла или электроэнергии. В настоящее время львиная доля прямого излучения уходит на нагрев поверхности и ее последующее охлаждение в виде диффузного излучения электромагнитных волн.

Рассеянное излучение играет важную роль в поддержании жизни на планете. Благодаря этому нижние слои атмосферы нагреваются и поднимаются к верхним слоям за счет явления конвекции. Последующее охлаждение горячего воздуха приводит к образованию облаков, дождя и ветра.

Основные преимущества

Основные преимущества перед традиционными источниками:

1. Неисчерпаемость. Мы не говорим о обновлении, так как Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет.
2. Отсутствие каких-либо загрязнений окружающей среды. Действительно, наша планета со всем ее разнообразием живых существ обязана энергии Солнца.
3. Уменьшить вредные выбросы и замедлить процесс глобального потепления, которое во многих регионах уже напрямую ощущается в виде погодных аномалий и повышения уровня моря.
4. Возможность развития регионов, удаленных от промышленных центров. В таких местах может не быть собственных полезных ископаемых, и их доставка экономически нецелесообразна. Как правило, многие из этих регионов планеты были островными государствами, удаленными от континентов.
5. Легкость использования и преобразования. Поскольку направление преобразования солнечной энергии в электроэнергию в настоящее время активно развивается, последняя может быть использована для самых разных нужд.

Современное состояние развития устройств преобразования солнечной энергии позволяет создавать как крупные сети для мегаполисов, так и изолированные станции, удовлетворяющие потребности относительно небольших населенных пунктов, вплоть до индивидуальных домов.

Использование солнечной энергии

Чтобы получить энергию, человек фактически истощает запасы угля, нефти и газа, которые уменьшаются с каждым днем. Использование атомной энергии сопряжено с огромными рисками и представляет огромную угрозу для окружающей среды. Поэтому ученые всех стран мира работают над увеличением использования солнечной энергии на Земле.

Солнечное излучение достигает Земли всего за 480 секунд.

Экскурс в прошлое

Когда-то в древности язычники воспринимали Солнце как божество. Конечно, в то время использование солнечной энергии как таковой отсутствовало. Это было что-то волшебное. Но первые попытки использовать солнечную энергию были уже некоторое время. Если не принимать во внимание легенду о флоте, сожженном с помощью солнечной энергии, сконцентрированной в Древней Греции, настоящее использование солнечной энергии началось в 19-20 веках.

В 1839 году ученый Беккерель открыл фотоэлектрический эффект. Несколько десятилетий спустя Чарльз Фриттс разработал солнечный модуль на основе селена, покрытый золотом. Первые солнечные панели, произведенные в двадцатом веке, имели КПД не более 1%. Но в тот момент это был настоящий поворотный момент. В результате ученые открыли новые горизонты для исследований и новых открытий.

Альберт Эйнштейн также внес значительный вклад в развитие солнечной энергетики. Конечно, среди его достижений чаще всего упоминается теория относительности. Но он получил Нобелевскую премию за исследование явления внешнего фотоэлектрического эффекта. Технология производства солнечных панелей для выработки электроэнергии постоянно совершенствуется. Поэтому есть надежда, что вскоре мы увидим новые удивительные открытия в этой области.

Прорыв 20 века

Человек начал думать об использовании солнечной энергии в своих целях относительно недавно, хотя на практике он использовал ее на протяжении всей своей истории. Идея накопления и практического применения возникла в начале ХХ века, но в то время для нее не было технологической возможности. Переломный момент наступил в конце века, когда появились фотоэлектрические панели, способные производить электричество в ощутимых количествах. Вопрос важный и заслуживает подробного рассмотрения.

Использование солнечной энергии на Земле — широко распространенное, хотя и бессознательное явление. Это настолько привычно и привычно, что люди редко задумываются о возможностях и перспективах солнечной энергетики. Однако специалистами различных областей научной и производственной деятельности давно разработаны технологии, позволяющие получать бесплатную и неиссякаемую энергию.

Сколько энергии от Солнца можно получить

Солнце посылает на Землю 20 миллионов экзаджоулей (ЭДж) в год. 1 ЭДж = 1018Дж. Около 25% поступает на Землю. 70% этой энергии поглощается атмосферой, отражается и теряется. 1,54 миллиона экзаджоулей в год прибывают непосредственно на поверхность Земли. Эта величина в 5 раз превышает весь энергетический запас углеводородного топлива (уголь, нефть, газ), накопленный на Земле за миллионы лет.

Большая часть энергии на поверхности нашей планеты превращается в тепло. Тепло нагревает землю, воду и воздух. На это тратится небольшая часть поступающей энергии. Например, растения потребляют всего 0,5% поступающей солнечной энергии. Следовательно, запасы энергии, которые человечество может использовать вместо сжигания углеводородов, поистине безграничны.

Преобразование солнечной энергии

Энергия солнечного излучения преобразуется на Земле в тепловую и электрическую энергию с помощью пассивных и активных систем.

К пассивным системам относятся здания, при строительстве которых используются строительные материалы, эффективно поглощающие энергию солнечного излучения. В свою очередь, активные системы включают тепловые коллекторы, преобразующие солнечное излучение в энергию, а также солнечные элементы, преобразующие его в электричество.

Пассивные системы

Эти системы включают солнечные здания. Это здания, построенные с учетом всех особенностей местной климатической зоны. Для их строительства используются материалы, позволяющие максимально использовать всю тепловую энергию для отопления, охлаждения, освещения жилых и производственных помещений. К ним относятся следующие технологии и строительные материалы: изоляция, деревянные полы, светопоглощающие поверхности и ориентация здания на юг.

Эти солнечные системы позволяют максимально использовать солнечную энергию, более того, они быстро окупают затраты на их строительство за счет снижения затрат на энергию. Они экологически чистые, а также позволяют создать энергетическую независимость. Поэтому использование таких технологий очень перспективно.

Активные системы

В эту группу входят коллекторы, гидроаккумуляторы, насосы, трубопроводы для подачи тепла и горячей воды в быту. Первые устанавливаются непосредственно на крышах домов, а другие размещаются в подвалах, чтобы использовать их для горячего водоснабжения и отопления.

Примеры использования энергии Солнца на Земле

Самый простой пример использования солнечной энергии — летний душ в деревне, где вода нагревается солнцем.

Солнечная энергия сегодня используется в таких сферах жизни:

• питание частных домов, пансионатов, санаториев;
• питание населенных пунктов, удаленных от городской инфраструктуры;
• сельское хозяйство;
• космонавтика;
• экотуризм;
• уличное освещение, декоративное освещение дачных участков;
• жКХ;
• зарядные устройства (зарядные калькуляторы, часы, мобильные гаджеты).

До недавнего времени эти технологии использовались только в военной сфере и космонавтике. С помощью фотоэлементов на солнечных батареях обеспечивались энергией спутники и специальные объекты на земле.

Космический корабль на солнечной энергии

Теперь солнечная энергия начала использоваться в повседневной жизни и в промышленном производстве. Сегодня солнечные системы часто можно встретить в южных регионах. Чаще всего они используются в частном секторе, а также в малых туристических предприятиях (санатории, дома престарелых и т.д.).

Как устроена солнечная батарея

Основным элементом является полупроводник на основе кремния, способный преобразовывать световую энергию в постоянный электрический ток. Вот как работают все панели.

Полупроводник состоит из двух слоев кремния:

• чистый монокристалл с p-типом проводимости;
• тип n, загрязненный фосфорной смесью.

С тыльной стороны он защищен металлической прослойкой.

На задней панели есть клеммы для кабеля, для подключения к инвертору или аккумулятору, в зависимости от области применения.

Солнечные фотоэлементы

Для более эффективной реализации всей солнечной энергии используются такие источники солнечной энергии, как фотоэлементы или, как их еще называют, солнечные элементы. На их поверхности есть полупроводники, которые под воздействием солнечных лучей начинают двигаться и, таким образом, генерируют электрический ток. Этот принцип генерации тока не содержит химических реакций, что позволяет фотоэлементам работать долгое время.

Фотоэлектрические преобразователи, такие как источники солнечной энергии, просты в использовании, поскольку они легкие, простые в обслуживании и очень эффективны в использовании солнечной энергии.

Сегодня солнечные панели, как источник энергии солнца на Земле, используются для производства горячей воды, отопления и выработки электроэнергии в жарких странах, таких как Турция, Египет и Азия. В нашем регионе источник солнечной энергии используется для электроснабжения автономных энергосистем, маломощной электроники и приводов самолетов.

Солнечные коллекторы

Использование солнечной энергии коллекторами заключается в преобразовании излучения в тепло. Они делятся на следующие основные группы:

1. Плоские солнечные коллекторы. Они самые распространенные. Их удобно использовать для нужд отопления дома, а также для нагрева воды для горячего водоснабжения;
2. Вакуумные коллекторы. Их используют для бытовых нужд, когда требуется вода высокой температуры. Они состоят из нескольких стеклянных трубок, проходя через которые солнечные лучи нагревают их и, в свою очередь, передают тепло воде;
3. Солнечные коллекторы воздуха. Применяются в системах воздушного отопления, рекуперации воздушной массы и сушки;
4. Интегрированные коллекторы. Самые простые модели. Они используются для подогрева воды, например, в газовых котлах. В быту нагретая вода собирается в специальный резервуар — гидроаккумулятор и затем используется для различных нужд.

Использование солнечной энергии коллекторами происходит за счет ее хранения в так называемых модулях. Они устанавливаются на крышах зданий и состоят из труб и листов стекла, окрашенных в черный цвет, чтобы поглощать больше солнечного света. Солнечные коллекторы используются для нагрева воды для горячего водоснабжения и отопления жилых домов.

Солнечные электростанции

В тех регионах мира, где солнечная инсоляция высока, строятся не только одиночные солнечные электростанции, но и реальные электростанции в промышленных масштабах. Они вырабатывают электроэнергию, объема которой достаточно для энергоснабжения небольших населенных пунктов.

Многие южные страны уже имеют большой процент солнечной энергии в своих национальных энергосистемах. Солнечные электростанции вырабатывают электричество или горячую воду. То есть они функционируют как аккумуляторы и коллекторы.

Источник энергии

Что такое солнечная электростанция? Это специально организованное инженерное сооружение, благодаря которому происходят процессы преобразования солнечного излучения для выработки электроэнергии. Конструкции таких станций могут быть совершенно разными в зависимости от используемого метода обработки.

Как видим, солнечная электростанция как источник энергии давно перестала быть частью утопических фантастических романов и активно используется во всем мире для удовлетворения энергетических потребностей общества. В его работе есть как явные преимущества, так и недостатки. Но их правильный баланс позволяет добиться желаемого результата.

Принцип работы

Солнечная электростанция (СЭС) — это объект, преобразующий солнечную энергию в электрическую. Варианты переоборудования зависят от типа силовой установки. В принципе, есть два способа подвести электроэнергию в СЭС:

• преобразование солнечной энергии в тепло, а затем в электричество;
• преобразовывать солнечную энергию напрямую в электричество.

Второй метод более перспективен, но для расширения его использования необходимо повысить эффективность фотоэлементов. Сейчас в большинстве случаев КПД составляет 10-15%. Теперь рассмотрим основные типы солнечных электростанций.

Разнообразие СЭС

Все существующие типы солнечных электростанций делятся на:

• дискообразный;

• фотопанели;

• башня;

• надувные шарики;

• комбинированный;

• цилиндрический параболический концентратор;

• вакуумные солнечные электростанции;

• тип башни;

Последние два варианта — солнечные тепловые электростанции. Концентрированная солнечная энергия преобразуется в пар, который вращает турбину, вырабатывающую ток.

Столь богатое разнообразие видов СЭС — яркое подтверждение того, что этот вид энергии пользуется большим спросом. Поэтому, несмотря на плюсы и минусы солнечных электростанций, крупные энергетические компании вкладывают значительные средства в строительство таких станций.

Плюсы и минусы солнечных электростанций

Преимущества:

• Солнечная энергия — это возобновляемый источник энергии. Сама по себе она общедоступна и бесплатна.
• Солнечные системы вполне безопасны в использовании.
• Такие электростанции полностью автономны.
• Они отличаются экономичностью и быстрой окупаемостью. Основные затраты возникают только на необходимое оборудование и также требуют минимальных вложений.
• Еще одна отличительная черта — стабильность в работе. Скачки напряжения на таких станциях практически отсутствуют.
• Они не требуют чрезмерного ухода и довольно просты в использовании.
• Кроме того, оборудование СЭС отличается длительным сроком эксплуатации.

Недостатки:

• Как источник энергии солнечные системы очень чувствительны к климату, погодным условиям и времени суток. Такая силовая установка не будет работать эффективно и продуктивно ночью или в пасмурный день.
• Снижение урожайности в широтах с ярким временем года. Наиболее эффективны они там, где количество солнечных дней в году приближается к 100%.
• Очень высокая и недоступная стоимость оборудования солнечных электростанций.
• Необходимость периодической очистки панелей и поверхностей от загрязнений. В противном случае поглощается меньше излучения и снижается производительность.
• Значительное повышение температуры воздуха внутри растения.
• Необходимость использования земельного участка с огромной площадью.
• Дальнейшие трудности в процессе утилизации компонентов системы, в частности фотоэлементов, после окончания их срока службы.

Как и в любой производственной сфере, обработка и преобразование солнечной энергии имеет свои сильные и слабые стороны. Очень важно, чтобы достоинства совпадали с недостатками, и в этом случае работа будет оправдана.

Большинство разработок в отрасли сегодня нацелены на оптимизацию и улучшение функционирования и использования существующих методов, а также на разработку новых, более безопасных и более производительных.

Проблемы при использовании солнечной энергии

Казалось бы, все нормально и нужно переходить на использование солнечной энергии. Оказывается, есть ряд проблем. Который? Основная проблема заключается в том, что поступающая энергия сильно рассеивается. Один квадратный метр дает около 100-200 ватт. Точная сумма зависит от местоположения этого места на Земле. К тому же днем ​​светит солнышко, а мощность в это время достигает 400-900 Вт на квадратный метр. А ночью не подается энергия и тем более обеспечивается пасмурная погода. То есть в какой-то момент вам нужно собрать весь этот энергетический поток и аккумулировать его. И когда солнечный свет не падает на землю, он использует накопленную энергию.

Они по-разному собирают солнечную энергию. Считается естественным собирать тепло для нагрева теплоносителя, а затем использовать его в системе отопления дома или в системе горячего водоснабжения. Также распространенным способом преобразования солнечной энергии является выработка электроэнергии. Все эти установки производятся как на заводе, так и самостоятельно своими руками.

Некоторые мастера делают печи в обычном окне квартиры или дома. Получается дополнительный обогрев помещения. А также общие коллекторы и солнечные системы для выработки электроэнергии в частных домах. Однако использование тепловых коллекторов ограничено климатическими условиями. А солнечные батареи для преобразования солнечной энергии в электричество по-прежнему имеют низкую эффективность.

Но в целом солнечные системы — очень многообещающая область энергетики. Стоит еще немного поднять цену на энергоресурсы, и они станут востребованными. На Земле много регионов, где солнце светит почти постоянно. Это степи, пустыни. Установив там солнечные электростанции и вырабатывая электричество, можно обустроить эту землю и сделать ее плодородной. Энергия будет потрачена на водоснабжение и нужды населения.

Перспективы развития солнечной энергетики

Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? Сегодня этому альтернативному комплексу предвидится большое будущее.

Перспективы солнечной энергии радужные. Собственно, в этом направлении уже ведутся масштабные работы. С каждым годом в разных странах мира появляется все больше солнечных электростанций, габариты которых поражают как техническими решениями, так и габаритами. Кроме того, специалисты этого сектора не прекращают проводить научные исследования, цель которых — многократно увеличить эффективность фотоэлементов, используемых в таких установках.

Ученые сделали интересный расчет. Если бы фотоэлементы были установлены на суше планеты Земля, которая располагалась бы на семисотых ее территории, то даже с эффективностью в 10% они обеспечивали бы все человечество необходимым теплом и светом. И это не очень отдаленная перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются сегодня, имеют КПД 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.

Развитие солнечной энергетики идет довольно быстрыми темпами. Люди серьезно обеспокоены истощением природных ресурсов и ищут альтернативные источники тепла и света. Такое решение поможет предотвратить неизбежный энергетический кризис для человечества, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.