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

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

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

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

Що в цьому привабливого

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

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

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

Як насправді

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

Сонячна радіація

Так уже склалося історично, що іменник «радіація» викликає у людини скоріше негативні асоціації, ніж позитивні в зв`язку з тими техногенними катастрофами, які миру вдалося пережити на своєму віку. Проте технологія використання енергії Сонця на Землі передбачає роботу саме з нею.

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

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

Кількість сонячної енергії, що потрапляє на Землю

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

Потужність випромінювання Сонця і використання енергії на Землі, звичайно, залежить від цілого ряду чинників: кліматичні умови, кута падіння променів на поверхню, пори року та географічного положення.

Коли і скільки

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

З впевненістю можна говорити, що використання енергії Сонця буде найбільше продуктивно у регіонах, що максимально наближених до екваторіальної смуги, оскільки саме там різниця між вищими і нижчими показниками мінімальна, що свідчить про максимальній кількості радіації, що досягає поверхні планети. Приміром, на території пустельних африканських ділянок річна кількість випромінювання досягає в середньому 2200 кіловат-годин, у той час як на території Канади або, приміром, Центральної Європи показники не перевищують 1000 кіловат-годин.

Сонячна енергетика в історії

Якщо мислити максимально широко, спроби «приручити» велике світило, зігріваючий нашу планету, почалися ще в глибоку давнину за часів язичництва, коли кожна стихія була втілена окремим божеством. Однак, звичайно, тоді про використання сонячної енергії навіть мови бути не могло - у світі панувала магія.

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

Вагомий внесок у розвиток сонячної енергетики вніс у свій час сам Альберт Ейнштейн. У сучасному світі ім`я вченого частіше пов`язують з його знаменитою теорією відносності, однак насправді Нобелівської премії він був удостоєний саме за вивчення зовнішнього фотоефекту.

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

Природа проти нас

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

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

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

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

Чисто, але дорого

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

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

Незручність процесу

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

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

Екологічне питання

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

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

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

Способи перетворення радіації в енергію

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

Найпоширенішим можна назвати вже описане раніше задіяння фотоелементів.

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

Ще одним способом застосування випромінювання для вироблення енергії є «сонячне вітрило», який може діяти тільки в безповітряному просторі. Такого роду система перетворює радіацію в кінетичну енергію.

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

Ми і сонячна енергія

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

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

Вчора, сьогодні, завтра

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