Використання енергії Сонця — способи і переваги

Зважаючи на активізацію програм зі скорочень шкідливих викидів в атмосферу, а також постійно повторювані економічні кризи, пов’язані з цінами на традиційні енергоносії, широкого поширення починають отримувати поновлювані та екологічно чисті джерела енергії. Одним з таких джерел є сонячна енергія.

Використання енергії Сонця на Землі відоме з давніх часів, але лише в останні десятиліття воно набуло глобального масштабу.

Невичерпне джерело

Згідно з визначенням, сонячна енергія – це електромагнітне випромінювання всіх частот від зірки системи, яке досягає планети Земля. Велика його частка припадає на видимий і інфрачервоний спектри.

З давніх часів люди навчилися використовувати цю енергію, в першу чергу, як джерело тепла. Лише з першої половини XIX століття люди почали активно перетворювати сонячне світло в електрику, що стало можливим завдяки створенню спеціальних пристроїв — фотоелементів.

Цифри і дані

Вигода використання сонячної енергії на Землі базується на досить вагомому факті: за цим джерелом найближче майбутнє. Довести це твердження нескладно, якщо врахувати наступні дані:

• За один рік планета отримує від Сонця приблизно 3,85 * 10²⁴ Дж енергії.
• Завдяки використанню спрямованих потоків повітряних мас (вітру) можна отримувати 2,25*10²¹ Дж.
• Вся біомаса планети використовує близько 3*10²¹ Дж енергії щорічно. Основна її частка припадає на тропічні ліси Південної Америки.
• Електрика і органічні енергетичні джерела, які людина використовує для своїх потреб, в середньому складають 5 * 10²⁰ Дж в рік.

Ці дані показують, що розвиток сучасної економіки і збільшення енергоспоживання сповна може бути забезпечено коштом енергії Сонця, адже вона на 4 порядки (в 10000 разів) перевищує теперішні потреби.

У 2002 році було обчислено, що одна сонячна година на планеті здатна забезпечити енергією все людство на 1 рік. Своєю чергою, всього 18 ясних днів достатньо, щоб отримати стільки енергії, скільки її запасено по всьому світу у вигляді будь-яких інших ресурсах в цей час.

Цифри також демонструють, що вся гігантська зелена маса планети використовує лише 0,08% всієї доступної енергії електромагнітного випромінювання. Ці дані говорять про невичерпність розглянутого джерела і величезні можливості для розвитку глобальної економіки.

Згідно з прогнозами екологічної організації світового значення Грінпіс, до 2030 року близько 2/3 всього населення планети будуть використовувати сонячні промені в якості основного енергетичного джерела.

Пряме і розсіяне випромінювання

Близько 30% електромагнітного випромінювання, яке досягає верхніх шарів атмосфери Землі, розсіюється і випромінюється назад в космос. Далі, при проходженні товщі атмосфери відбувається подальше розсіювання світла на хмарах. Нарешті, нагріваючись, поверхня суші та океанів також випромінює електромагнітні хвилі низьких частот (інфрачервоний спектр).

Близько 1000 Вт/м² енергії в середньому “падає” на поверхню Землі. Це пряме випромінювання. Теоретично його можна використовувати для концентрації та перенаправлення для генерації корисного тепла або електроенергії. Нині левова частка прямого випромінювання йде на нагрів поверхні і подальше її охолодження у вигляді розсіяного випромінювання електромагнітних хвиль.

Розсіяне випромінювання відіграє важливу роль у підтримці життя на планеті. Завдяки йому відбувається нагрів нижніх шарів атмосфери і їх підйом у верхні шари в результаті явища конвекції. Подальше охолодження теплого повітря призводить до утворення:

• хмар;
• дощів;
• вітрів.

Основні переваги сонячної енергії

Основні переваги сонячної енергії, у порівнянні з традиційними джерелами, наступні:

• Невичерпність. Мова про відновлення не йде, оскільки Сонце буде світити ще кілька мільярдів років.
• Відсутність будь-якого забруднення навколишнього середовища.
• Скорочення шкідливих викидів і уповільнення процесу глобального потепління, який у багатьох регіонах вже відчувається у вигляді погодних аномалій і підйому рівня океану.
• Можливість розвитку регіонів, які знаходяться на великих відстанях від індустріально розвинених центрів. У таких місцях може не бути власних корисних копалин, а їх постачання є економічно недоцільною. Як правило, більшість з цих регіонів планети є острівними державами, які розташовані далеко від континентів.
• Простота використання і перетворення. Оскільки зараз активно розвивається напрямок перетворення енергії сонця в електричну, то останню можна використовувати для широкого спектра потреб.

Сучасний стан розвитку пристроїв для перетворення сонячної енергії дозволяє створювати як великі мережі для мегаполісів, так і ізольовані станції, що забезпечують потреби відносно невеликих поселень аж до окремих будинків.

Способи використання

Ось два основних способів застосування сонячного електромагнітного випромінювання:

• пасивний;
• активний

Пасивний метод

До пасивного відноситься використання сонячного світла в побуті безпосередньо, тобто без його перетворення в інші види енергії за допомогою будь-яких пристроїв і механізмів. Цей спосіб включає різні системи проєктування будівель і споруд, водосховищ і сонячних кухонь, які дозволяють певним чином перерозподіляти енергію променів і покращувати природну вентиляцію приміщень або поглинати тепло в денний час доби і віддавати його в нічні години. Така архітектура отримала назву біокліматична архітектура.

Активне застосування

На додаток до того, де використовується сонячна енергія, слід зазначити активне її застосування. Воно підрозділяється на два типи:

• термічний;
• фотоелектричний.

Про термічний тип використання світла мало інформації, оскільки він нині займає менш як 1% від усієї розглянутої індустрії. Суть його полягає в накопиченні тепла в спеціальних пристроях, які приймають промені, але самі практично не випромінюють. Вся енергія, що надійшла в ці нагрівачі, використовується для нагріву води або пари, який згодом можна застосувати для домашніх потреб (обігрів, приготування їжі і так далі).

Деякі термопристрої дозволяють отримувати температури в кілька сотень градусів (300-500 °C). В їх дизайні застосовують сучасні матеріали із заздалегідь заданими оптико-термічними властивостями (пластмаси, скло).

Фотоелектричний спосіб використання сонячних променів, головним чином, базується на застосуванні так званих фотоелементів і панелей, з яких вони збираються. Саме цей напрямок енергетики отримав колосальний розвиток в останнє десятиліття в багатьох розвинених країнах (США, Німеччина, Великобританія, Японія, Іспанія).

Вироблення сонячної електроенергії в глобальному масштабі в період з 2006 по 2018 рік збільшилося в десятки разів і складає понад 500 ГВт.

Фотоелектричний елемент

Цей ефект являє собою ланку, створену за допомогою сучасних технологій. Вона містить активний напівпровідник (в основному кремній і його з’єднання p і n-типу), прозоре скло спеціального типу і алюмінієвий корпус для забезпечення механічної міцності елемента.

Падаючий фотон збуджує електрон, переводячи його з валентної зони через заборонену в зону провідності. Ця елементарна дія призводить до генерації пари вільних носіїв заряду електрон-дірка.

Наявність електростатичного поля всередині напівпровідника призводить до поділу генерованого заряду через p-n перехід, що створює різницю потенціалів та використовується для отримання постійного електричного струму.

Залежно від дизайну і вартості напівпровідники фотоелементів бувають трьох типів:

• монокристалічні;
• полікристалічні;
• аморфні.

Їх вартість падає зверху вниз за списком, а ККД перетворення зростає. Аморфний кремній застосовують в дешевих пристроях, наприклад, в недорогих годинниках і калькуляторах.

Найвищий ККД фотоелемента, який зараз вдалося отримати, становить 20%. У переважній же більшості випадків цей показник близько складає приблизно 15%.

Пов’язано це з тим, що велика частка сонячного світла має енергію більшу, ніж необхідно для активації роботи пристрою, тому левова її частка витрачається на теплові коливання решітки напівпровідника, а не на генерацію електрики.

Розвиток галузі в сучасному світі

Зважаючи на підвищення вимог до екологічності використовуваних джерел енергії останнім часом, сонячна індустрія стала активно набирати популярність в XXI столітті. Зараз багато електронних пристроїв та апаратів використовують сонячні промені або як основне джерело живлення, або як додаткове. Прикладом можуть служити гібридні автомобілі.

У 2015 році сонячний вид енергії зайняв третє місце серед відновлюваних джерел, після гідростанцій і вітряних млинів. Лідерами в цьому напрямку є:

• Німеччина;
• Китай;
• Японія;
• США.

Так, в червні 2014 року в Німеччині завдяки використанню сонячних батарей вдалося отримати 50% всієї електроенергії, споживаної країною протягом доби.

Таким чином, тема сонячної енергетики є актуальною у зв’язку з частими економічними кризами традиційних енергоресурсів і з урахуванням важкої екологічної ситуації в багатьох регіонах світу. Багато вчених вважають енергію Сонця найближчим майбутнім людської цивілізації.