Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

19.3: Сонячна енергія

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3852

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

    Сонячна енергія відноситься до теплової або світлової енергії від сонця. Сонячна енергія на сьогоднішній день є найбільш рясним видом відновлюваної енергії, що доставляється на поверхню Землі зі швидкістю 120 000 терават (ТВт) на годину, порівняно з глобальним використанням людиною 19,8 ТВт за весь 2019 рік. Щоб поставити це в перспективі, покриття 1,2% пустелі Сахара сонячними батареями може задовольнити потреби Землі в енергії. Звичайно, це не враховує обмежень щодо ємності зберігання та здатності розподіляти цю енергію.

    Технології використання сонячної енергії можуть бути пасивними або активними. Пасивні сонячні технології не вимагають складного обладнання і можуть бути такими ж простими, як використання природного світла з вікна або мансардного вікна для освітлення кімнати (малюнок\(\PageIndex{a}\)). Аналогічно сонячні трубки облицьовані світловідбиваючим матеріалом і можуть концентрувати світлову енергію для кращого освітлення кімнати (малюнок\(\PageIndex{a}\)). Вони вбудовуються в стелю, як звичайні світильники.

    Мансардне вікно виглядає як трохи відкрите вікно в стеліEfficiencySkylights1200.jpg
    Малюнок\(\PageIndex{a}\): Мансардні вікна і сонячні трубки (трубчасті прилади денного освітлення, TDD). Хоча мансардні вікна нагадують вікна, які встановлені в стелі, сонячні трубки використовують лінзи та світловідбиваючу підкладку для концентрації сонячного світла, забезпечуючи яскраве освітлення для темних частин будинку. Що робить мансардне вікно енергоефективним? Традиційні мансардні вікна - це мансардні вікна, які використовують ті ж технології, що і вікна, але ці технології ще більш цінні для мансардних вікон, які отримують пряме сонце влітку і більші перепади температур зовні і всередині взимку. Трубчасті прилади денного освітлення збирають сонячне світло на даху і передають його вниз на розсіювальну лінзу, встановлену у внутрішній поверхні, як правило, стелі. Природне світло від TDD може освітлювати шафи, ванні кімнати, передпокої або інші приміщення, які зазвичай не матимуть доступу до сонячного світла, зменшуючи потребу в електричному освітленні. Ліве зображення Міністерства енергетики США (суспільне надбання) та зображення праворуч від Energy Star (суспільне надбання).

    Сонячна енергія також може використовуватися як тепло, яке можна максимізувати завдяки ретельній архітектурі (малюнок\(\PageIndex{b}\)). По-перше, для будівлі потрібні вікна, що виходять на південь (або скляні двері). Оскільки сонячне світло проходить через ці ділянки, енергія накопичується в тепловій масі будівлі. Це стосується теплоуловлюючих матеріалів, таких як камінь або плитка. Будівля також спроектована таким чином, що тепло потім розподіляється по всій будівлі. Нарешті, карниз даху або подібні конструкції блокують потрапляння сонячного світла в будинок протягом літа.

    Розділ будинку, що показує зимове сонце, що входить через вікна, а також поглинання та розподілу.
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Ця конструкція будівлі використовує сонце для обігріву взимку і, таким чином, є пасивною сонячною технологією. Звис даху служить контролем, блокуючи вище літнє сонце, дозволяючи нижньому зимовому сонячному світлу проходити крізь вікно (отвір). Теплова енергія від сонця потім розподіляється в будівлі. Теплова маса (наприклад, плитка або кам'яна підлога) поглинає і пізніше виділяє теплову енергію. Зображення Міністерства енергетики США (суспільне надбання).

    Простий сонячний водонагрівач - це пасивна технологія, що складається з мережі трубок, які нагріваються сонцем (рис.\(\PageIndex{c}\)). Потім гаряча вода передається через злиття будинку. (Деякі сонячні водонагрівачі є більш складними, з використанням насосів, і, таким чином, вважаються активними сонячними технологіями.)

    Сонячний водонагрівач має циліндричний бак зверху і ряди трубок, що йдуть по діагоналі до нього.
    Малюнок\(\PageIndex{c}\): Сонячний водонагрівач. Зображення від Віджаянарасімха/Pixabay (суспільне надбання).

    Активні сонячні технології більш складні. Наприклад, сонячні батареї використовують світлову енергію для вироблення електроенергії (рис.\(\PageIndex{d}\)). Це відбувається в блоках сонячної панелі, які називаються фотоелектричними елементами (фотоелектричні елементи; малюнок\(\PageIndex{e}\)). Кожен фотоелектричний елемент складається з двох шарів напівпровідників, речовин, які проводять електрику лише за певних обставин. (На відміну від цього, проводить завжди електрику, а ізолятори - ні.) Один напівпровідник має зайві електрони, але інший має додаткові простори для електронів. Коли світло світить на фотоелектричному елементі, це змушує електрони переміщатися між напівпровідниковими шарами через провідник, який їх з'єднує (наприклад, металеві дроти або пластини). Цей рух призводить до електричного струму.

    Сонячні установки на даху - це темні плоскі панелі з меншими осередками всередині них. На задньому плані видно міський пейзаж.
    Малюнок\(\PageIndex{d}\): Сонячна установка на даху на Дуглас-Холл в Університеті штату Іллінойс в Чикаго не впливає на земельні ресурси, виробляючи електроенергію з нульовими викидами. Джерело: Управління сталого розвитку, UIC
    Фотоелектричний елемент показує скло, два напівпровідникові шари і рух електронів.
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): Схема фотоелектричного елемента, що складається з двох шарів напівпровідників. Верхній (n-тип) напівпровідник має додаткові електрони, а нижній (р-тип) напівпровідник має додаткові плями (отвори) для електронів. Місце з'єднання розділяє ці два шари. Світло звільняє електрони і дозволяє їм рухатися по дроту від n-типу для заповнення «електронних дірок» в напівпровіднику p-типу. Рух електронів по проводу призводить до електричного струму. Зображення Адміністрації енергетичної інформації США (публічне надбання).

    Це відео пояснює, як фотоелектричні елементи в сонячних батареях виробляють електроенергію.

    Іншим прикладом активної сонячної технології є сонячна теплова технологія. Це передбачає використання серії дзеркал для концентрації сонячної енергії, в кінцевому підсумку генеруючи пар. Звідти пар обертає турбіну і живить генератор (рис.\(\PageIndex{f}\)).

    Дзеркала відбивають сонячне світло в трубки з рідиною. Це нагріває контур води, який генерує пар, живлячи генератор.
    Малюнок\(\PageIndex{f}\): У сонячній тепловій технології (1) дзеркала або відбивачі концентрують сонячні промені для нагрівання особливого виду рідини, яка поглинає тепло. (2) Тепло від цієї рідини кипить воду для створення пари, що сприяє теплообмінник. (3) Пар обертає турбіну, яка підключена до генератора, яка створює електрику. (4) Пара охолоджується і конденсується назад до води, яка переробляється, повторно нагрівається і знову перетворюється на пару. Зображення та підпис (модифіковані) з EPA (публічне надбання).

    Сонячна енергія не тільки рясна, але використання сонячних батарей для електроенергії не створює забруднення повітря або сприяє зміні клімату. (Виробництво сонячних панелей може спричинити деяке забруднення, включаючи викиди парникових газів, але це мінімально порівняно з викопним паливом.) Як і вітрова енергія, розширення сонячної енергії може створити робочі місця та стимулювати економіку. Також, як вітер, сонячне світло є переривчастим, а зберігання сонячної енергії обмежується ємністю акумулятора. Деякі місця не отримують постійно прямих сонячних променів і погано підходять для сонячних батарей. Хоча сонячна енергія історично була найдорожчою формою відновлюваної енергії, нові технології знизили її вартість.

    Розміщення сонячних панелей визначає, яким чином їх вплив на навколишнє середовище. Сонячні батареї часто 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. Крім того, сонячні електростанції можуть конкурувати за сільськогосподарські площі.

    Іншими недоліками сонячної енергії є споживання води (для деяких цілей) і утворення небезпечних відходів. Великі мережі дзеркал і лінз, які концентрують сонячну енергію для вироблення електроенергії в теплових сонячних системах або для опалення, можливо, доведеться регулярно очищати водою. Вода також потрібна для охолодження турбіни-генератора. Використання води з підземних свердловин може вплинути на екосистему в деяких посушливих місцях. Виробництво фотоелектричних елементів створює деякі небезпечні відходи від хімічних речовин і розчинників, що використовуються в обробці. Деякі сонячні теплові системи використовують потенційно небезпечні рідини (для передачі тепла), які потребують належного поводження та утилізації. Однак атомна енергія перевищує сонячну енергію у споживанні води та утворенні небезпечних відходів.

    Атрибуція

    Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел: