5.2: Сонячна енергія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28794

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Сонячна енергія є кінцевим джерелом енергії, що рухає життя на землі та багато людської діяльності. Хоча лише одна мільярдна частина енергії, яка залишає сонце (рис.\(\PageIndex{1}\)), насправді досягає земної поверхні, цього більш ніж достатньо для задоволення світових енергетичних потреб. Фактично всі інші джерела енергії, відновлювані та невідновлювані, є фактично збереженими формами сонячної енергії. Процес безпосереднього перетворення сонячної енергії в теплову або електрику вважається відновлюваним джерелом енергії. Сонячна енергія являє собою по суті необмежений запас енергії, оскільки сонце буде довго пережити людську цивілізацію на землі. Труднощі полягають у використанні енергії. Сонячна енергія століттями використовується для обігріву будинків та води, а сучасні технології (фотоелектричні елементи) забезпечили спосіб виробляти електроенергію від сонячного світла. Існує дві основні форми колекторів сонячної енергії - пасивні і активні.

Знімок екрана (55) .png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): а) Марс спостерігач на орбіті Марса показує сонячну панель. (Зображення: Вікісховище www.jpl.nasa.gov/images/space... t1-browse.jpg,). б) Сонце сфотографовано на 304 ангстремах Асамблеєю атмосферних зображень (AIA 304) обсерваторії сонячної динаміки НАСА (SDO). Це помилкове кольорове зображення Сонця, яке спостерігається в екстремальній ультрафіолетовій області спектра. sdo.gsfc.nasa.gov/assets/img/... _4096_0304.jpg, NASA/SDO (AIA)

5.2.1: Пасивна та активна сонячна енергія

Пасивна сонячна енергія використовує стратегії опалення та охолодження, які використовувалися історично, такі як природна вентиляція, сонячне посилення тепла, сонячне затінення та ефективна ізоляція. Пасивний сонячний обігрів простору відбувається, коли сонце світить крізь вікна будівлі і зігріває інтер'єр (рис.\(\PageIndex{2}\)). Будівельні конструкції, що оптимізують пасивне сонячне опалення, зазвичай мають вікна, що виходять на південь, які дозволяють сонцю світити на сонячні теплопоглинаючі стіни або підлоги взимку. Сонячна енергія нагріває будівлю природним випромінюванням та конвекцією, а тепло затримується, поглинається та зберігається матеріалами з високою тепловою масою (зазвичай цеглою або бетоном) всередині будинку. Тепло виділяється вночі, коли потрібно прогріти будівлю, оскільки воно втрачає тепло прохолодніше на відкритому повітрі. Віконні звиси або відтінки блокують потрапляння сонця у вікна протягом літа, щоб зберегти будівлю прохолодою.

Активні сонячні енергетичні системи вимагають введення деякої енергії для перекачування теплопоглинаючого рідинного середовища через колектор для зберігання та розподілу енергії. Вентилятори або насоси циркулюють повітря або теплопоглинаючі рідини через колектори, а потім передають нагріту рідину безпосередньо в приміщення або в систему зберігання тепла. Сонячні колектори бувають або концентруючими, або неконцентруючими. У неконцентрованих колекторах площа поверхні, яка перехоплює сонячне випромінювання, така ж, як і площа, що поглинає випромінювання. Плоскі колектори є найпоширенішим типом неконцентрованих колекторів і використовуються, коли температура нижче 200° F достатня. Колектори поглинають і передають тепло рідині (воді або повітрю), яка потім циркулює для забезпечення опалення будівлі. У концентруючих колекторах площа поверхні, що перехоплює сонячне випромінювання, більше, іноді в сотні разів, ніж площа поглинача. Колектор фокусує або концентрує сонячну енергію на поглинач. Колектор зазвичай переміщається так, що він підтримує високий ступінь концентрації на абсорбері.

Знімок екрана (56) .png — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Пасивна сонячна будівля поблизу Крестона, штат Колорадо (зображення з Wiki Commons)

Фотоелектричні (PV) клітини

Сонячні фотоелектричні (PV) пристрої, або сонячні елементи, змінюють сонячне світло безпосередньо на електрику. PV використовує напівпровідникові матеріали, такі як кремній, для виробництва електроенергії від сонячного світла: коли світло потрапляє на клітини, матеріал виробляє вільні електрони, які мігрують через комірку, створюючи електричний струм. Маленькі фотоелектричні елементи можуть живити калькулятори, годинники та інші невеликі електронні пристрої. Розміщення багатьох сонячних елементів у фотоелектричних панелів та розташування декількох фотоелектричних панелей у фотоелектричних масивах можуть виробляти електроенергію для всього будинку (Рисунок\(\PageIndex{3}\) а). Деякі фотоелектричні електростанції мають великі масиви, які охоплюють багато акрів для виробництва електроенергії для тисяч будинків.

Сотні тисяч будинків і будівель по всьому світу мають фотоелектричні системи на своїх дахах. Також було побудовано багато багатомегаватних фотоелектричних електростанцій. Покриття 4% пустельних районів світу фотоелектрикою може забезпечити еквівалент всієї світової електроенергії. Сама пустеля Гобі може забезпечити майже весь загальний попит на електроенергію у світі.

Сонячні теплові електростанції

Сонячні теплові електростанції, як на малюнку\(\PageIndex{3}\) b, використовують концентруючі системи сонячних колекторів для збору та концентрації сонячного світла для отримання високотемпературного тепла, необхідного для виробництва електроенергії. Всі сонячні теплові енергетичні системи мають колектори сонячної енергії з двома основними компонентами: відбивачами (дзеркалами), які захоплюють і фокусують сонячне світло на приймачі. У більшості типів систем теплоносій нагрівається і циркулює в ресивері і використовується для отримання пари. Пара перетворюється в механічну енергію в турбіні, яка живить генератор для виробництва електроенергії. Сонячні теплові енергетичні системи мають системи стеження, які тримають сонячне світло зосереджено на приймачі протягом дня, коли сонце змінює положення на небі.

Знімок екрана (57) .png — Малюнок\(\PageIndex{3}\): а) Сонячні установки на даху на Дуглас-Холлі в Університеті штату Іллінойс в Чикаго не впливають на земельні ресурси, виробляючи електроенергію з нульовими викидами. Джерело: Управління сталого розвитку. b) Сонячна електростанція Solucar PS10 в Андалусії, Іспанія, є сонячною тепловою електростанцією, яка виробляє електроенергію комерційно. (Фото: Афлоресм Солюкар PS10 CC BY 2.0)

5.2.3: Вплив сонячної енергії на навколишнє середовище

Сонячна енергія має мінімальний вплив на навколишнє середовище, в залежності від того, де вона розміщена. У 2009 році один відсоток відновлюваної енергії, виробленої в Сполучених Штатах, припадав на сонячну енергію (1646 МВт) з восьми відсотків загальної генерації електроенергії з відновлюваних джерел. Виробництво фотоелектричних (PV) елементів створює деякі небезпечні відходи від хімічних речовин і розчинників, що використовуються в обробці. Часто сонячні батареї розміщують на дахах будівель або над паркінгами або інтегрують в будівництво іншими способами. Однак великі системи можуть бути розміщені на суші і особливо в пустель, де ці тендітні екосистеми можуть бути пошкоджені, якщо не буде доглянуто. Деякі сонячні теплові системи використовують потенційно небезпечні рідини (для передачі тепла), які потребують належного поводження та утилізації. Концентровані сонячні системи, можливо, доведеться регулярно очищати водою, яка також потрібна для охолодження турбогенератора. Використання води з підземних свердловин може вплинути на екосистему в деяких посушливих місцях.