Dom › Horoskopy › Wykorzystanie energii słonecznej na ziemi krótko. Streszczenie: Energia słoneczna i perspektywy jej wykorzystania

Wykorzystanie energii słonecznej na ziemi krótko. Streszczenie: Energia słoneczna i perspektywy jej wykorzystania

Słońce wykonało świetną robotę wysyłając nam swoją energię, więc doceńmy to! Ciepły promień światła na twarzy, był na powierzchni Słońca osiem minut i dziewiętnaście sekund temu

1 . Wsuche ubrania

Słońce wykonało świetną robotę wysyłając nam swoją energię, więc doceńmy to! Ciepły promień światła na twarzy był na powierzchni Słońca osiem minut i dziewiętnaście sekund temu. Używamy go przynajmniej do suszenia ubrań. Ponieważ słońce jest gigantycznym reaktorem jądrowym, powiedz znajomym: masz jądrową suszarkę do ubrań.

2 . WsRaZtoraztb ZwoYu midw

Zabierz słońce, a co może urosnąć? Z samą ziemią i światłem słonecznym możemy uprawiać pomidory, paprykę, jabłka, maliny, sałatę i nie tylko. Buduj szklarnie słoneczne, które przechowują ciepło słoneczne, dzięki czemu możesz uprawiać żywność nawet podczas mroźnych zim.

3 . HaGRmitb wodw

Siedemdziesiąt milionów chińskich gospodarstw domowych używa słońca do podgrzewania wody, dlaczego więc nie? Do zbierania ciepła słonecznego można użyć rury próżniowej lub płaskiej płyty. Przy inwestycji około 6800 USD mechanizmy te zapewnią 100% ciepłej wody latem i 40% zimą.

4 . OhorazZtoraztb wodw

Jeśli lokalne zaopatrzenie w wodę jest niebezpieczne, możesz użyć słońca do dezynfekcji wody, napełniając plastikowe butelki i pozostawiając je na słońcu przez co najmniej sześć godzin. Promienie ultrafioletowe słońca zabiją wszystkie bakterie i mikroorganizmy. Jeśli mieszkasz w pobliżu morza, możesz wykorzystać energię słoneczną do odsalania wody.

5 . Zozbuduj swójmi uhjamidotRorazhmiZtwo

Zainstaluj panele słoneczne na dachu.

6. Wpraw samochód w ruchmi

Wyobraź sobie samochód napędzany wyłącznie słońcem. Na przykład Nissan Leaf EV 16 000 kilometrów rocznie będzie zużywał 2000 kW energii elektrycznej. System fotowoltaiczny na Twoim dachu będzie generował 2200 kWh rocznie, a po opłaceniu paneli słonecznych energia jest darmowa.

7 . DjaI dorazhaina vashego doma

Projektując pasywny dom solarny, okna od strony południowej i izolacja od strony północnej tworzą masę termiczną do magazynowania ciepła słonecznego. Te kroki mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na ogrzewanie nawet o 50 procent. Maksymalizacja naturalnego światła słonecznego zmniejsza potrzebę sztucznego oświetlenia.

8. Do ogrzewania domu

9. Gotuj jedzenie

Istnieją różne rodzaje kuchenek słonecznych: niektóre wykorzystują odblaskowe okna słoneczne, inne wykorzystują dyski paraboliczne. W lecie można również wykonać własną suszarkę słoneczną do owoców i warzyw w swoim ogrodzie.

10. Energia dla świata

Każdego dnia słońce emituje tysiąc razy więcej ciepła na pustyniach świata niż my zużywamy. Technologia słoneczno-termiczna, wykorzystująca wieże paraboliczne lub słoneczne, może przekształcić tę energię w parę, a następnie w energię elektryczną. Moglibyśmy zaspokoić wszystkie światowe potrzeby energetyczne, dysponując zaledwie pięcioma procentami powierzchni Teksasu na energię słoneczną. Więc kto potrzebuje wycieków ropy i oleju?

abstrakcyjny

na temat:

„Wykorzystanie energii słonecznej”

Ukończone przez uczniów klasy 8B liceum nr 52

Łarionow Siergiej i

Marczenko Żenia.

Orsk 2000

„Najpierw chirurg, a potem kapitan kilku statków” Lemuel Gulliver, w jednej ze swoich podróży, trafił na latającą wyspę - Laputę. Wchodząc do jednego z opuszczonych domów w Lagado, stolicy Laputii, zastał tam dziwnego wychudzonego mężczyznę o zakopconej twarzy. Jego sukienka, koszula i skóra były poczerniałe od sadzy, a jego potargane włosy i broda były miejscami przypalone. Ten niepoprawny projektor spędził osiem lat nad projektem wydobywania światła słonecznego z ogórków. Zamierzał gromadzić te promienie w hermetycznie zamkniętych kolbach, aby w przypadku zimnego lub deszczowego lata ogrzać powietrze. Wyraził przekonanie, że za kolejne osiem lat będzie mógł dostarczać światło słoneczne wszędzie tam, gdzie jest to potrzebne.

Dzisiejsze łapacze promieni słonecznych w niczym nie przypominają fantazji Jonathana Swifta, chociaż robią zasadniczo to samo, co bohater Swifta – próbują złapać promienie słoneczne i znaleźć dla nich energetyczne zastosowanie.

Już najdawniejsi ludzie myśleli, że całe życie na Ziemi zostało stworzone i nierozerwalnie związane ze Słońcem. W religiach najróżniejszych ludów zamieszkujących Ziemię, jednym z najważniejszych bogów był zawsze bóg Słońca, który daje życiodajne ciepło wszystkim rzeczom.

Rzeczywiście, ilość energii docierającej na Ziemię z najbliższej nam gwiazdy jest ogromna. W ciągu zaledwie trzech dni Słońce wysyła na Ziemię tyle energii, ile zawiera we wszystkich zbadanych przez nas rezerwach paliwa! I choć tylko jedna trzecia tej energii dociera do Ziemi - pozostałe dwie trzecie odbija lub rozprasza przez atmosferę - nawet ta jej część jest ponad półtora tysiąca razy większa niż wszystkie inne źródła energii wykorzystywane przez człowieka razem wzięte! I ogólnie wszystkie źródła energii dostępne na Ziemi są generowane przez Słońce.

Ostatecznie to energii słonecznej człowiek zawdzięcza wszystkie swoje techniczne osiągnięcia. Dzięki słońcu cykl wodny zachodzi w przyrodzie, powstają strumienie wody, które obracają koła wodne. Słońce ogrzewając ziemię na różne sposoby w różnych częściach naszej planety powoduje ruch powietrza, ten sam wiatr, który wypełnia żagle statków i obraca łopaty turbin wiatrowych. Wszystkie paliwa kopalne wykorzystywane w nowoczesnej energetyce pochodzą ponownie z promieni słonecznych. To właśnie ich energia, za pomocą fotosyntezy, została przemieniona przez rośliny w zieloną masę, która w wyniku długotrwałych procesów zamieniła się w ropę, gaz i węgiel.

Czy można bezpośrednio wykorzystać energię słoneczną? Na pierwszy rzut oka nie jest to takie trudne zadanie. Kto nie próbował wypalić obrazu na drewnianej desce w słoneczny dzień zwykłą lupą! Minuta, kolejna - i na powierzchni drzewa w miejscu, w którym szkło powiększające zebrało promienie słoneczne, pojawia się czarna kropka i lekki dym. W ten sposób jeden z najbardziej ukochanych bohaterów Juliusza Verne'a, inżynier Cyrus Smith, uratował swoich przyjaciół, gdy ich ogień zgasł na tajemniczej wyspie. Inżynier wykonał soczewkę z dwóch szkieł zegarkowych, między którymi przestrzeń była wypełniona wodą. Domowa „soczewica” skupiała promienie słoneczne na garści suchego mchu i podpalała go.

Ta stosunkowo prosta metoda uzyskiwania wysokich temperatur znana jest ludziom od czasów starożytnych. W ruinach starożytnej stolicy Niniwy w Mezopotamii znaleziono prymitywne soczewki, wykonane w XII wieku p.n.e. Jedynie „czysty” ogień, otrzymywany bezpośrednio z promieni słonecznych, miał rozpalić święty ogień w starożytnej rzymskiej świątyni Westy.

Ciekawe, że starożytni inżynierowie zaproponowali także inny pomysł na skupienie promieni słonecznych - za pomocą luster. Wielki Archimedes pozostawił nam traktat „O lustrach zapalających”. Z jego imieniem związana jest poetycka legenda opowiedziana przez bizantyjskiego poetę Tsetsesa.

Podczas wojen punickich, rodzinne miasto Archimedesa, Syrakuzy, było oblegane przez rzymskie statki. Dowódca floty Marcellus nie wątpił w łatwe zwycięstwo – wszak jego armia była znacznie silniejsza od obrońców miasta. Arogancki dowódca marynarki nie wziął pod uwagę jednego – wielki inżynier wszedł do walki z Rzymianami. Wynalazł potężne maszyny bojowe, zbudował broń do rzucania, która zasypywała rzymskie statki gradem kamieni lub przebijała dno ciężką belką. Inne maszyny z dźwigiem hakowym podnosiły statki za dziób i rozbijały je o przybrzeżne skały. I pewnego razu Rzymianie ze zdumieniem zobaczyli, że miejsce żołnierzy na murze oblężonego miasta zajęły kobiety z lustrami w rękach. Na rozkaz Archimedesa wysłali promienie słoneczne do jednego statku, do jednego punktu. Niedługo później na statku wybuchł pożar. Ten sam los spotkał kilka kolejnych statków atakujących, dopóki nie uciekli w zamieszaniu poza zasięg potężnej broni.

Przez wiele stuleci ta historia była uważana za piękną fikcję. Jednak niektórzy współcześni badacze historii techniki dokonali obliczeń, z których wynika, że zwierciadła zapalające Archimedesa mogły w zasadzie istnieć.

Kolektory słoneczne

Nasi przodkowie wykorzystywali energię słoneczną do bardziej prozaicznych celów. W starożytnej Grecji i starożytnym Rzymie drapieżnie wycinano główny korpus lasów pod budowę budynków i statków. Drewno opałowe prawie nigdy nie było używane do ogrzewania. Energia słoneczna była aktywnie wykorzystywana do ogrzewania budynków mieszkalnych i szklarni. Architekci starali się budować domy w taki sposób, aby zimą padały jak najwięcej promieni słonecznych. Starożytny grecki dramaturg Ajschylos napisał, że ludy cywilizowane różnią się od barbarzyńców tym, że ich domy „wychodzą na słońce”. Pisarz rzymski Pliniusz Młodszy zwrócił uwagę, że jego dom, położony na północ od Rzymu, „zbierał i zwiększał ciepło słoneczne dzięki temu, że jego okna były umieszczone tak, aby wychwytywały promienie niskiego zimowego słońca”.

Wykopaliska starożytnego greckiego miasta Olynthus pokazały, że całe miasto i jego domy zostały zaprojektowane według jednego planu i zlokalizowane tak, aby zimą można było złapać jak najwięcej słońca, a latem wręcz przeciwnie. Pomieszczenia mieszkalne koniecznie znajdowały się z oknami na słońce, a same domy miały dwie kondygnacje: jedną na lato, drugą na zimę. Na Olynthos, a także później w starożytnym Rzymie zabroniono stawiać domów w taki sposób, aby zasłaniały domy sąsiadów przed słońcem – lekcja etyki dla dzisiejszych twórców wieżowców!

Pozorna prostota pozyskiwania ciepła poprzez wielokrotne skupianie promieni słonecznych budziła nieuzasadniony optymizm. Nieco ponad sto lat temu, w 1882 roku, rosyjski magazyn „Tekhnik” opublikował notatkę na temat wykorzystania energii słonecznej w silniku parowym: „Silnik parowy nazywa się izolatorem, którego kocioł jest ogrzewany za pomocą światła słonecznego zbierane w tym celu przez specjalnie zaaranżowane lustro odbijające. Angielski naukowiec John Tyndall użył podobnych stożkowych luster o bardzo dużej średnicy do badania ciepła promieni księżycowych. Profesor francuski A.-B. Mouchot skorzystał z pomysłu Tyndalla, stosując go do promieni słonecznych i uzyskał ciepło wystarczające do wytworzenia pary. Wynalazek, udoskonalony przez inżyniera Pifa, został przez niego doprowadzony do takiej perfekcji, że kwestię wykorzystania ciepła słonecznego można uznać za ostatecznie rozwiązaną w sensie pozytywnym.

Optymizm inżynierów budujących „izolator” okazał się nieuzasadniony. Naukowcy musieli jeszcze pokonać zbyt wiele przeszkód, aby wykorzystanie energii cieplnej słonecznej stało się rzeczywistością. Dopiero teraz, po ponad stu latach, zaczęła tworzyć się nowa dyscyplina naukowa, zajmująca się problematyką energetycznego wykorzystania energii słonecznej - energia słoneczna. I dopiero teraz możemy mówić o pierwszych prawdziwych sukcesach w tej dziedzinie.

Jaka jest trudność? Przede wszystkim oto co. Z ogromną energią pochodzącą ze słońca, na każdy metr kwadratowy powierzchni ziemi ją stanowi całkiem sporo - od 100 do 200 watów, w zależności od współrzędnych geograficznych. W godzinach nasłonecznienia moc ta sięga 400-900 W/m 2 , dlatego aby uzyskać odczuwalną moc należy najpierw zebrać ten strumień z dużej powierzchni, a następnie go skoncentrować. I oczywiście oczywisty fakt, że tę energię można otrzymać tylko w ciągu dnia, jest dużą niedogodnością. W nocy trzeba korzystać z innych źródeł energii lub w jakiś sposób gromadzić, gromadzić energię słoneczną.

Instalacja do odsalania słonecznego

Energię słoneczną można łapać na różne sposoby. Pierwszy sposób jest najbardziej bezpośredni i naturalny: wykorzystanie ciepła słonecznego do podgrzania pewnego rodzaju chłodziwa. Następnie podgrzany płyn chłodzący może być wykorzystany np. do ogrzewania lub dostarczania ciepłej wody (szczególnie wysoka temperatura wody nie jest tutaj potrzebna) lub do pozyskiwania innych rodzajów energii, przede wszystkim elektrycznej.

Pułapka na bezpośrednie wykorzystanie ciepła słonecznego jest dość prosta. Do jego produkcji potrzebujesz najpierw pudełka zamkniętego zwykłym szkłem okiennym lub podobnym przezroczystym materiałem. Szyba okienna nie blokuje promieni słonecznych, ale zatrzymuje ciepło, które ogrzewa wnętrze pudełka. Jest to w istocie efekt cieplarniany, zasada, na której budowane są wszystkie szklarnie, szklarnie, ogrody zimowe i ogrody zimowe.

„Mała” energia słoneczna jest bardzo obiecująca. Jest wiele miejsc na ziemi, gdzie słońce bezlitośnie bije z nieba, wysuszając glebę i paląc roślinność, zamieniając okolicę w pustynię. W zasadzie możliwe jest uczynienie takiej ziemi żyznej i nadającej się do zamieszkania. Trzeba „tylko” zaopatrywać ją w wodę, budować wioski z wygodnymi domami. Do tego wszystkiego potrzeba przede wszystkim dużo energii. Bardzo ważnym i ciekawym zadaniem jest pozyskiwanie tej energii z tego samego więdnącego, niszczącego słońca, zamieniającego słońce w sprzymierzeńca człowieka.

W naszym kraju taką pracą kierował Instytut Energii Słonecznej Akademii Nauk Turkmeńskiej SRR, szef stowarzyszenia badawczo-produkcyjnego „Słońce”. Jest całkiem jasne, dlaczego ta instytucja o nazwie, która zdaje się wywodzić ze stron powieści science fiction, znajduje się właśnie w Azji Środkowej – wszak w Aszchabacie w letnie popołudnie każdy kilometr kwadratowy otrzymuje strumień energii słonecznej odpowiednik mocy dużej elektrowni!

Przede wszystkim naukowcy skierowali swoje wysiłki na pozyskiwanie wody za pomocą energii słonecznej. Na pustyni jest woda i stosunkowo łatwo ją znaleźć - nie jest głęboka. Ale tej wody nie można używać - rozpuszcza się w niej zbyt wiele różnych soli, zwykle jest jeszcze bardziej gorzka niż woda morska. Aby wykorzystać podziemne wody pustyni do nawadniania, do picia, należy je odsolić. Jeśli tak się stało, możemy założyć, że sztuczna oaza jest gotowa: tutaj można żyć w normalnych warunkach, wypasać owce, uprawiać ogrody i przez cały rok - nawet zimą jest wystarczająco dużo słońca. Według obliczeń naukowców w samym Turkmenistanie można zbudować siedem tysięcy takich oaz. Cała potrzebna im energia będzie pochodzić ze słońca.

Zasada działania solarnego odwadniacza jest bardzo prosta. Jest to naczynie z wodą nasyconą solami, zamknięte przezroczystą pokrywką. Woda jest podgrzewana promieniami słonecznymi, stopniowo odparowuje, a para skrapla się na zimniejszym pokrywie. Oczyszczona woda (sole nie wyparowały!) Spływa z pokrywki do innego naczynia.

Konstrukcje tego typu znane są od dawna. Najbogatsze złoża saletry w suchych regionach Chile w ubiegłym stuleciu prawie nie zostały rozwinięte z powodu braku wody pitnej. Następnie w miejscowości Las Sali-nas zgodnie z tą zasadą wybudowano zakład odsalania wody o powierzchni 5 tys. metrów kwadratowych, który w upalny dzień produkował 20 tys. litrów świeżej wody.

Ale dopiero teraz prace nad wykorzystaniem energii słonecznej do odsalania wody rozwinęły się na szerokim froncie. Po raz pierwszy na świecie w gospodarstwie państwowym Bakharden Turkmen uruchomiono prawdziwy „solarny rurociąg wodny”, który zaopatruje ludzi w świeżą wodę i dostarcza wodę do nawadniania suchych terenów. Miliony litrów odsolonej wody pozyskiwanej z instalacji słonecznych znacznie rozszerzą granice pastwisk PGR.

Dużo energii zużywa się na zimowe ogrzewanie mieszkań i budynków przemysłowych, na całoroczne zaopatrzenie w ciepłą wodę. I tu na ratunek może przyjść słońce. Opracowano instalacje solarne zdolne do zaopatrywania gospodarstw hodowlanych w ciepłą wodę. Opracowana przez ormiańskich naukowców pułapka słoneczna jest bardzo prosta w konstrukcji. Jest to prostokątna półtorametrowa komórka, w której pod specjalną powłoką skutecznie pochłaniającą ciepło umieszczony jest falowy grzejnik z systemu rurowego. Wystarczy podłączyć taki syfon do dopływu wody i wystawić go na słońce, bo w letni dzień wypłynie z niego do trzydziestu litrów wody podgrzanej do 70-80 stopni na godzinę. Zaletą tej konstrukcji jest to, że ogniwa można budować, podobnie jak kostki, różnymi instalacjami, znacznie zwiększając wydajność podgrzewacza słonecznego. Specjaliści planują przeniesienie eksperymentalnej dzielnicy mieszkalnej Erewania na ogrzewanie słoneczne. Urządzenia do podgrzewania wody (lub powietrza), zwane kolektorami słonecznymi, produkuje nasza branża. Stworzono dziesiątki instalacji słonecznych i systemów zaopatrzenia w ciepłą wodę o wydajności do 100 ton ciepłej wody dziennie, aby zapewnić różnorodne obiekty.

Na wielu domach wybudowanych w różnych miejscach w naszym kraju montuje się grzejniki słoneczne. Jedna strona stromego dachu, zwrócona w stronę słońca, składa się z grzejników słonecznych, które dostarczają ciepło i ciepłą wodę do domu. Planuje się budowę całych osiedli składających się z takich domów.

Nie tylko w naszym kraju borykamy się z problemem wykorzystania energii słonecznej. Przede wszystkim energią słoneczną zainteresowali się naukowcy z krajów położonych w tropikach, gdzie w roku jest dużo słonecznych dni. Na przykład w Indiach opracowali cały program wykorzystania energii słonecznej. W Madrasie działa pierwsza w kraju elektrownia słoneczna. Eksperymentalne odsalanie, suszarnie zboża i pompy wodne działają w laboratoriach indyjskich naukowców. Na Uniwersytecie w Delhi wyprodukowano solarną instalację chłodniczą, która jest w stanie schłodzić produkty do 15 stopni poniżej zera. Więc słońce może nie tylko grzać, ale i chłodzić! W sąsiadującej z Indiami Birmie studenci z Instytutu Technologii w Rangunie zbudowali piec kuchenny, który wykorzystuje ciepło słoneczne do gotowania potraw.

Nawet w Czechosłowacji, daleko na północy, działa obecnie 510 słonecznych instalacji grzewczych. Łączna powierzchnia ich dotychczasowych kolekcjonerów jest dwukrotnie większa od boiska piłkarskiego! Promienie słoneczne zapewniają ciepło przedszkolom i gospodarstwom hodowlanym, odkrytym basenom i domom jednorodzinnym.

W mieście Holguin na Kubie uruchomiono oryginalną instalację słoneczną opracowaną przez kubańskich specjalistów. Znajduje się na dachu szpitala dziecięcego i zapewnia ciepłą wodę nawet w dni, kiedy słońce zasłaniają chmury. Zdaniem ekspertów takie instalacje, które pojawiły się już w innych kubańskich miastach, pozwolą zaoszczędzić sporo paliwa.

Rozpoczęła się budowa „słonecznej wioski” w algierskiej prowincji Msila. Mieszkańcy tej dość dużej osady otrzymają całą energię słoneczną. Każdy budynek mieszkalny w tej wiosce będzie wyposażony w kolektor słoneczny. Oddzielne grupy kolektorów słonecznych będą dostarczać energię dla obiektów przemysłowych i rolniczych. Specjaliści z Narodowej Organizacji Badawczej Algieru i Uniwersytetu ONZ, którzy zaprojektowali to osiedle, są przekonani, że stanie się ono prototypem tysięcy podobnych osiedli w gorących krajach.

Prawo do nazywania się pierwszą osadą słoneczną kwestionuje algierska wioska australijskiego miasta White Cliffs, która stała się miejscem powstania pierwotnej elektrowni słonecznej. Szczególna jest tu zasada wykorzystania energii słonecznej. Naukowcy z National University of Canberra zaproponowali wykorzystanie ciepła słonecznego do rozkładu amoniaku na wodór i azot. Jeśli pozwoli się tym składnikom na rekombinację, uwolnione zostanie ciepło, które można wykorzystać do uruchomienia elektrowni w taki sam sposób, jak ciepło wytwarzane przez spalanie konwencjonalnego paliwa. Ta metoda wykorzystania energii jest szczególnie atrakcyjna, ponieważ energia może być przechowywana do wykorzystania w przyszłości w postaci azotu i wodoru, które jeszcze nie przereagowały i są używane w nocy lub w deszczowe dni.

Instalacja heliostatów w krymskiej elektrowni słonecznej

Chemiczna metoda pozyskiwania energii elektrycznej ze słońca jest ogólnie dość kusząca. Podczas korzystania z niego energia słoneczna może być przechowywana do wykorzystania w przyszłości, przechowywana jak każde inne paliwo. W jednym z ośrodków badawczych w Niemczech powstał układ doświadczalny działający zgodnie z tą zasadą. Główną jednostką tej instalacji jest lustro paraboliczne o średnicy 1 metra, które za pomocą skomplikowanych systemów śledzących jest stale skierowane na słońce. W centrum lustra skoncentrowane światło słoneczne wytwarza temperaturę 800-1000 stopni. Taka temperatura jest wystarczająca do rozkładu bezwodnika siarkowego na bezwodnik siarkowy i tlen, które przepompowywane są do specjalnych zbiorników. W razie potrzeby komponenty są podawane do reaktora regeneracji, gdzie w obecności specjalnego katalizatora powstaje z nich początkowy bezwodnik siarkowy. W takim przypadku temperatura wzrasta do 500 stopni. Ciepło można następnie wykorzystać do przekształcenia wody w parę, która zamienia turbinę w generator elektryczny.

Naukowcy z Instytutu Energetycznego im. G. M. Krzhizhanovsky'ego przeprowadzają eksperymenty na dachu swojego budynku w niezbyt słonecznej Moskwie. Paraboliczne lustro, skupiające promienie słoneczne, podgrzewa do 700 stopni gaz umieszczony w metalowym cylindrze. Gorący gaz może nie tylko zamienić wodę w parę w wymienniku ciepła, co zamieni turbogenerator. W obecności specjalnego katalizatora, po drodze, można go przekształcić w tlenek węgla i wodór, które są energetycznie znacznie bardziej opłacalnymi produktami niż oryginalne. Gdy woda jest podgrzewana, gazy te nie znikają - po prostu ochładzają się. Można je spalić i uzyskać dodatkową energię, a także gdy słońce zasłaniają chmury lub w nocy. Rozważane są projekty wykorzystania energii słonecznej do przechowywania wodoru, który ma być uniwersalnym paliwem przyszłości. W tym celu można wykorzystać energię pozyskiwaną z elektrowni słonecznych znajdujących się na pustyniach, czyli tam, gdzie na miejscu trudno jest wykorzystać energię.

Są też dość nietypowe sposoby. Samo światło słoneczne może rozbić cząsteczki wody, jeśli obecny jest odpowiedni katalizator. Jeszcze bardziej egzotyczne są już istniejące projekty produkcji wodoru na dużą skalę z wykorzystaniem bakterii! Proces przebiega według schematu fotosyntezy: światło słoneczne jest pochłaniane np. przez niebiesko-zielone glony, które dość szybko rosną. Glony te mogą służyć jako pokarm dla niektórych bakterii, które uwalniają wodór z wody podczas swojej życiowej aktywności. Badania przeprowadzone na różnych typach bakterii przez radzieckich i japońskich naukowców wykazały, że w zasadzie całą energię milionowego miasta może dostarczyć wodór uwalniany przez bakterie żywiące się sinikami na plantacji o powierzchni zaledwie 17,5 m2. kilometrów. Według obliczeń specjalistów z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zbiornik wielkości Morza Aralskiego może zapewnić energię dla prawie całego naszego kraju. Oczywiście do realizacji takich projektów jeszcze daleko. Ten dowcipny pomysł będzie wymagał rozwiązania wielu problemów naukowych i inżynierskich nawet w XXI wieku. Wykorzystywanie żywych istot zamiast ogromnych maszyn do pozyskiwania energii to pomysł, który warto złamać.

Projekty elektrowni, w której turbina będzie obracana parą uzyskaną z wody ogrzewanej promieniami słonecznymi, powstają obecnie w różnych krajach. W ZSRR na słonecznym wybrzeżu Krymu, niedaleko Kerczu, zbudowano eksperymentalną elektrownię słoneczną tego typu. Miejsce na stację nie zostało wybrane przypadkowo, bo w tej okolicy słońce świeci prawie dwa tysiące godzin w roku. Poza tym ważne jest również to, że tereny tutaj są zasolone, nie nadają się pod uprawę, a stacja zajmuje dość dużą powierzchnię.

Stacja to niezwykła i imponująca konstrukcja. Na ogromnej, ponad osiemdziesięciometrowej wieży zainstalowano solarny kocioł parowy. A wokół wieży na rozległym obszarze o promieniu ponad pół kilometra rozmieszczone są heliostaty w koncentrycznych kręgach - złożone konstrukcje, których sercem jest ogromne lustro o powierzchni ponad 25 metrów kwadratowych. Konstruktorzy stacji musieli rozwiązać bardzo trudne zadanie – wszak wszystkie heliostaty (a jest ich sporo – 1600!) musiały być ustawione tak, aby w dowolnej pozycji słońca na niebie żaden z nich nie być w cieniu, a promień słońca rzucany przez każdego z nich trafiałby dokładnie w szczyt wieży, gdzie znajduje się kocioł parowy (dlatego wieża jest tak wysoka). Każdy heliostat wyposażony jest w specjalne urządzenie do obracania lustra. Lustra muszą poruszać się w sposób ciągły podążając za słońcem – w końcu porusza się ono cały czas, co oznacza, że króliczek może się poruszać i nie spaść na ścianę kotła, a to od razu wpłynie na działanie stacji. Kolejną komplikacją pracy stacji jest fakt, że trajektorie heliostatów zmieniają się każdego dnia: Ziemia porusza się po orbicie, a Słońce każdego dnia nieznacznie zmienia swoją trasę po niebie. Dlatego sterowanie ruchem heliostatów powierzono komputerowi elektronicznemu - tylko jego bezdenna pamięć jest w stanie pomieścić wyliczone wcześniej trajektorie ruchu wszystkich luster.

Budowa elektrowni słonecznej

Pod wpływem ciepła słonecznego skoncentrowanego przez heliostaty woda w wytwornicy pary zostaje podgrzana do temperatury 250 stopni i zamienia się w parę pod wysokim ciśnieniem. Para napędza turbinę, która napędza generator elektryczny, a do systemu energetycznego Krymu wpływa nowa strużka energii zrodzona przez słońce. Produkcja energii nie ustanie, jeśli słońce zakryją chmury, a nawet w nocy. Z pomocą przyjdą akumulatory ciepła zainstalowane u podnóża wieży. Nadmiar ciepłej wody w słoneczne dni jest wysyłany do specjalnych magazynów i będzie wykorzystany, gdy nie będzie słońca.

Moc tej eksperymentalnej elektrowni jest stosunkowo
mały - tylko 5 tysięcy kilowatów. Ale pamiętajmy: taką moc miała pierwsza elektrownia jądrowa, protoplasta potężnej energetyki jądrowej. A wytwarzanie energii nie jest bynajmniej najważniejszym zadaniem pierwszej elektrowni słonecznej – dlatego nazywa się ją eksperymentalną, bo z jej pomocą naukowcy będą musieli znaleźć rozwiązania bardzo złożonych problemów eksploatacji takich stacji. A takich problemów jest wiele. Jak np. chronić lustra przed zanieczyszczeniem? W końcu osadza się na nich kurz, pozostają smugi po deszczach, a to natychmiast zmniejszy moc stacji. Okazało się nawet, że nie każda woda nadaje się do mycia luster. Musiałem wymyślić specjalną jednostkę myjącą, która monitoruje czystość heliostatów. Na stacji doświadczalnej zdają egzamin z działania urządzenia do koncentracji światła słonecznego, ich najbardziej wyrafinowanego sprzętu. Ale najdłuższa podróż zaczyna się od pierwszego kroku. Ten krok w kierunku uzyskania znacznych ilości energii elektrycznej za pomocą słońca umożliwi wykonanie eksperymentalnej elektrowni słonecznej na Krymie.

Radzieccy specjaliści przygotowują się do kolejnego kroku. Zaprojektowano największą na świecie elektrownię słoneczną o mocy 320 000 kilowatów. Miejsce na to wybrano w Uzbekistanie, na stepie Karshi, w pobliżu młodego dziewiczego miasta Talimarjan. W tej krainie słońce świeci nie mniej hojnie niż na Krymie. Zgodnie z zasadą działania stacja ta nie różni się od krymskiej, ale wszystkie jej obiekty są znacznie większe. Kocioł będzie znajdował się na wysokości dwustu metrów, a wokół wieży przez wiele hektarów będzie rozciągać się pole heliostatu. Genialne lustra (72 tys.!), posłuszne sygnałom komputerowym, skoncentrują promienie słoneczne na powierzchni kotła, przegrzana para zakręci turbinę, generator da prąd 320 tys. kilowatów - to już dużo mocy, a przedłużająca się zła pogoda, która uniemożliwia wytwarzanie energii w elektrowni słonecznej, może znacząco wpłynąć na konsumentów. Dlatego w projekcie stacji przewidziano również konwencjonalny kocioł parowy na gaz ziemny. Jeśli pochmurna pogoda będzie się utrzymywać przez dłuższy czas, do turbiny będzie dostarczana para z innego, konwencjonalnego kotła.

W innych krajach powstają elektrownie słoneczne tego samego typu. W Stanach Zjednoczonych, w słonecznej Kalifornii, zbudowano pierwszą elektrownię typu solar-1 tower o mocy 10 000 kilowatów. U podnóża Pirenejów francuscy specjaliści prowadzą badania na stacji Themis o mocy 2,5 tys. kilowatów. Stacja GAST o mocy 20 000 kilowatów została zaprojektowana przez zachodnioniemieckich naukowców.

Do tej pory energia elektryczna generowana przez promienie słoneczne jest znacznie droższa niż ta uzyskiwana tradycyjnymi metodami. Naukowcy mają nadzieję, że eksperymenty, które przeprowadzą na obiektach i stacjach doświadczalnych, pomogą rozwiązać nie tylko problemy techniczne, ale także ekonomiczne.

Według wyliczeń słońce powinno pomóc w rozwiązaniu nie tylko problemów energetycznych, ale także zadań, jakie przed specjalistami postawiła nasza atomowa, kosmiczna era. Budowanie potężnych statków kosmicznych, ogromnych instalacji nuklearnych, tworzenie maszyn elektronicznych wykonujących setki milionów operacji na sekundę, nowe
materiały - super ogniotrwałe, super mocne, ultra czyste. Bardzo trudno je zdobyć. Tradycyjne metody metalurgiczne nie nadają się do tego. Bardziej wyrafinowane technologie, takie jak topienie za pomocą wiązek elektronów lub prądów mikrofalowych, również nie są odpowiednie. Ale czyste ciepło słoneczne może być tutaj niezawodnym pomocnikiem. Niektóre heliostaty podczas testów z łatwością przebijają grubą blachę aluminiową swoim promieniem słonecznym. A jeśli umieścimy kilkadziesiąt takich heliostatów? A potem niech promienie z nich trafią we wklęsłe zwierciadło koncentratora? Promień słońca takiego lustra może stopić nie tylko aluminium, ale także prawie wszystkie znane materiały. Specjalny piec do topienia, w którym koncentrator przekaże całą zebraną energię słoneczną, będzie świecił jaśniej niż tysiąc słońc.

Piec wysokotemperaturowy o średnicy lustra 3 metry.

Słońce topi metal w tyglu

Projekty i postępy, którymi się dzieliliśmy, wykorzystują ciepło słoneczne do wytwarzania energii, która jest następnie przekształcana w energię elektryczną. Ale jeszcze bardziej kusząca jest inna droga - bezpośrednia konwersja energii słonecznej na energię elektryczną.

Po raz pierwszy wzmiankę o związku między elektrycznością a światłem można było usłyszeć w pismach wielkiego Szkota Jamesa Clerka Maxwella. Eksperymentalnie to powiązanie zostało udowodnione w eksperymentach Heinricha Hertza, który w latach 1886-1889 wykazał, że fale elektromagnetyczne zachowują się dokładnie tak samo jak fale świetlne - rozchodzą się w tej samej linii prostej, tworząc cienie. Udało mu się nawet zrobić gigantyczny pryzmat z dwóch ton asfaltu, który załamywał fale elektromagnetyczne, jak szklany pryzmat – światło.

Ale nawet dziesięć lat wcześniej Hertz nieoczekiwanie zauważył, że wyładowanie między dwiema elektrodami zachodzi znacznie łatwiej, jeśli elektrody te są oświetlone światłem ultrafioletowym.

Te eksperymenty, które nie zostały opracowane w pracach Hertza, zainteresowały Aleksandra Grigoriewicza Stoletowa, profesora fizyki na Uniwersytecie Moskiewskim. W lutym 1888 rozpoczął serię eksperymentów mających na celu zbadanie tajemniczego zjawiska. Decydujący eksperyment potwierdzający występowanie efektu fotoelektrycznego - występowania prądu elektrycznego pod wpływem światła - przeprowadzono 26 lutego. W układzie doświadczalnym Stoletova płynął prąd elektryczny, generowany przez promienie świetlne. W rzeczywistości uruchomiono pierwszą fotokomórkę, która następnie znalazła liczne zastosowania w różnych dziedzinach techniki.

Na początku XX wieku Albert Einstein stworzył teorię efektu fotoelektrycznego i wydawałoby się, że wszystkie narzędzia do opanowania tego źródła energii pojawiły się w rękach badaczy. Powstały ogniwa słoneczne na bazie selenu, potem bardziej zaawansowane – tal. Ale miały bardzo niską wydajność i były używane tylko w urządzeniach sterujących, takich jak zwykłe kołowrotki w metrze, w których wiązka światła blokuje drogę pasażerom na gapę.

Następny krok podjęto, gdy naukowcy szczegółowo zbadali właściwości fotoelektryczne półprzewodników odkrytych w latach 70. ubiegłego wieku. Okazało się, że półprzewodniki są znacznie wydajniejsze niż metale w przetwarzaniu światła słonecznego na energię elektryczną.

Akademik Abram Fedorovich Ioffe marzył o wykorzystaniu półprzewodników w energii słonecznej już w latach 30. XX wieku, kiedy B.T. Kolomiets i Yu. Wydajność czasowa - 1%! Kolejnym krokiem w tym kierunku badań było stworzenie fotokomórek krzemowych. Już pierwsze próbki miały sprawność 6%. Stosując takie elementy można by pomyśleć o praktycznym wytwarzaniu energii elektrycznej z promieni słonecznych.

Pierwsza bateria słoneczna powstała w 1953 roku. Początkowo był to tylko model demonstracyjny. Nie przewidziano wtedy jakiegoś praktycznego zastosowania - moc pierwszych paneli słonecznych była zbyt mała. Ale pojawili się w samą porę, wkrótce znaleziono dla nich odpowiedzialne zadanie. Ludzkość przygotowywała się do wejścia w kosmos. Zadanie dostarczania energii do wielu mechanizmów i przyrządów statków kosmicznych stało się jednym z priorytetów. Istniejące akumulatory, w których można by magazynować energię elektryczną, są niedopuszczalnie nieporęczne i ciężkie. Zbyt duża część ładunku statku zostałaby wydana na transport źródeł energii, które ponadto, stopniowo zużywane, wkrótce zamieniłyby się w bezużyteczny, nieporęczny balast. Najbardziej kuszące byłoby posiadanie własnej elektrowni na pokładzie statku kosmicznego, najlepiej bez paliwa. Z tego punktu widzenia bateria słoneczna okazała się bardzo wygodnym urządzeniem. Naukowcy zwrócili uwagę na to urządzenie na samym początku ery kosmicznej.

Już trzeci sowiecki sztuczny satelita Ziemi, wystrzelony na orbitę 15 maja 1958 roku, był wyposażony w baterię słoneczną. A teraz szeroko otwarte skrzydła, na których znajdują się całe elektrownie słoneczne, stały się integralną częścią projektu każdego statku kosmicznego. Na sowieckich stacjach kosmicznych „Salut” i „Mir” od wielu lat zasilają systemy podtrzymywania życia astronautów oraz liczne instrumenty naukowe zainstalowane na stacji.

Automatyczna stacja międzyplanetarna „Vega”

Na Ziemi niestety ta metoda pozyskiwania dużych ilości energii elektrycznej to kwestia przyszłości. Powodem tego jest wspomniany już przez nas mały współczynnik sprawności ogniw słonecznych. Z obliczeń wynika, że aby otrzymać duże ilości energii, panele słoneczne muszą zajmować ogromny obszar – tysiące kilometrów kwadratowych. Na przykład zapotrzebowanie Związku Radzieckiego na energię elektryczną mogłaby dziś zaspokoić tylko bateria słoneczna o powierzchni 10 000 kilometrów kwadratowych, położona na pustyniach Azji Środkowej. Obecnie produkcja tak ogromnej liczby ogniw słonecznych jest prawie niemożliwa. Ultraczyste materiały stosowane w nowoczesnych ogniwach słonecznych są niezwykle drogie. Do ich wykonania potrzebny jest najbardziej wyrafinowany sprzęt, zastosowanie specjalnych procesów technologicznych. Względy ekonomiczne i technologiczne nie pozwalają jeszcze liczyć na pozyskanie w ten sposób znacznych ilości energii elektrycznej. To zadanie pozostaje na XXI wiek.

stacja słoneczna

W ostatnim czasie radzieccy badacze – uznani liderzy światowej nauki w dziedzinie projektowania materiałów do fotokomórek półprzewodnikowych – przeprowadzili szereg prac, które pozwoliły przybliżyć czas powstania elektrowni słonecznych. W 1984 roku Nagrodę Państwową ZSRR przyznano pracy badaczy kierowanych przez akademika Zh.Alferova, któremu udało się stworzyć zupełnie nowe struktury materiałów półprzewodnikowych do fotokomórek. Sprawność paneli słonecznych wykonanych z nowych materiałów sięga już 30%, a teoretycznie może sięgać 90%! Zastosowanie takich fotokomórek pozwoli dziesiątki razy zmniejszyć powierzchnię paneli przyszłych elektrowni słonecznych. Można je zredukować setki razy bardziej, jeśli strumień słoneczny zostanie najpierw zebrany z dużego obszaru, skoncentrowany, a dopiero potem doprowadzony do baterii słonecznej. Tak więc w przyszłości XXI wieku elektrownie słoneczne z fotokomórkami mogą stać się powszechnym źródłem energii. Tak, a już dziś ma sens pozyskiwanie energii z paneli słonecznych w miejscach, w których nie ma innych źródeł energii.

Na przykład na pustyni Karakum do spawania konstrukcji farm wykorzystano opracowane przez turkmeńskich specjalistów urządzenie wykorzystujące energię słoneczną. Zamiast zabierać ze sobą nieporęczne butle ze sprężonym gazem, spawacze mogą użyć małej, schludnej walizki, w której mieści się panel słoneczny. Wytwarzany przez promienie słoneczne stały prąd elektryczny służy do chemicznego rozkładu wody na wodór i tlen, które są podawane do palnika spawarki gazowej. W Karakum w pobliżu studni jest woda i słońce, więc nieporęczne butle, których niełatwo przenosić przez pustynię, stały się niepotrzebne.

Na lotnisku w mieście Phoenix w amerykańskim stanie Arizona powstaje duża elektrownia słoneczna o mocy około 300 kilowatów. Energia słoneczna będzie zamieniana na energię elektryczną przez baterię słoneczną składającą się z 7200 ogniw słonecznych. W tym samym stanie działa jeden z największych systemów nawadniających na świecie, którego pompy wykorzystują energię słoneczną, zamienianą na energię elektryczną przez ogniwa fotowoltaiczne. Pompy solarne pracują również w Nigrze, Mali i Senegalu. Ogromne panele słoneczne zasilają silniki pomp, które pobierają świeżą wodę potrzebną na tych pustynnych obszarach z ogromnego podziemnego morza pod piaskami.

W Brazylii powstaje całe ekologiczne miasto, którego wszystkie potrzeby energetyczne zostaną zaspokojone ze źródeł odnawialnych. Na dachach domów tej niezwykłej osady będą znajdować się słoneczne podgrzewacze wody. Cztery turbiny wiatrowe będą zasilać generatory o mocy 20 kilowatów każda. W spokojne dni prąd będzie pochodził z budynku zlokalizowanego w centrum miasta. Jej dach i ściany to panele słoneczne. Jeśli nie będzie wiatru ani słońca, energia będzie pochodzić ze zwykłych generatorów z silnikami spalinowymi, ale także specjalnych - nie benzyna czy olej napędowy, ale jako paliwo będzie dla nich alkohol, który nie powoduje szkodliwych emisji.

Panele słoneczne stopniowo wkraczają w nasze codzienne życie. Nikogo nie dziwi pojawienie się w sklepach mikrokalkulatorów, które działają bez baterii. Źródłem zasilania dla nich jest niewielka bateria słoneczna zamontowana w pokrywie urządzenia. Zastąp inne źródła zasilania miniaturową baterią słoneczną oraz zegarami elektronicznymi, radiami i magnetofonami. Wzdłuż dróg na Saharze są słoneczne radiotelefony. Peruwiańskie miasto Tiruntam stało się właścicielem całej sieci radiotelefonicznej zasilanej panelami słonecznymi. Japońscy eksperci zaprojektowali baterię słoneczną, która swoim rozmiarem i kształtem przypomina zwykłą płytkę. Jeśli dom jest pokryty takimi dachówkami słonecznymi, energii elektrycznej będzie wystarczająco dużo, aby zaspokoić potrzeby jego mieszkańców. To prawda, że nadal nie wiadomo, jak poradzą sobie w okresach opadów śniegu, deszczu i mgły? Najwyraźniej nie da się obejść bez tradycyjnego okablowania elektrycznego.

Poza konkurencją panele słoneczne znajdują się tam, gdzie jest wiele słonecznych dni i nie ma innych źródeł energii. Na przykład sygnalizatorzy z Kazachstanu zainstalowali dwie stacje przekaźnikowe między Ałma-Atą a miastem Szewczenko na Mangyshlak, aby transmitować programy telewizyjne. Ale nie kładź linii energetycznej, aby je zasilić. Pomogły panele słoneczne, które dostarczane są w słoneczne dni, a na Mangyshlak jest ich wiele - energii wystarczy do zasilania odbiornika i nadajnika.

Dobrą osłoną do wypasu zwierząt jest cienki drut, przez który przepływa słaby prąd elektryczny. Ale pastwiska zwykle znajdują się z dala od linii energetycznych. Francuscy inżynierowie zaproponowali wyjście. Opracowali samodzielne ogrodzenie zasilane panelem słonecznym. Panel słoneczny ważący zaledwie półtora kilograma dostarcza energię do generatora elektronicznego, który wysyła impulsy prądu o wysokim napięciu do podobnego ogrodzenia, bezpiecznego, ale wystarczająco czułego dla zwierząt. Jedna taka bateria wystarczy do zbudowania ogrodzenia o długości 50 kilometrów.

Entuzjaści energii słonecznej zaproponowali wiele egzotycznych projektów pojazdów, które nie wymagają tradycyjnego paliwa. Meksykańscy projektanci opracowali samochód elektryczny zasilany panelami słonecznymi. Według ich obliczeń, na krótkich dystansach ten samochód elektryczny będzie w stanie osiągnąć prędkość do 40 kilometrów na godzinę. Światowy rekord prędkości dla samochodu solarnego – 50 kilometrów na godzinę – mają ustanowić projektanci z Niemiec.

Ale australijski inżynier Hans Tolstrup nazwał swój samochód solarny „Ciszej – będziesz kontynuować”. Jego konstrukcja jest niezwykle prosta: rurowa stalowa rama, na której zamontowane są koła i hamulce z roweru wyścigowego. Korpus maszyny wykonany jest z włókna szklanego i przypomina zwykłą wannę z małymi okienkami. Od góry cała ta konstrukcja przykryta jest płaskim dachem, na którym zamocowanych jest 720 krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Prąd z nich płynie do silnika elektrycznego o mocy 0,7 kilowata. Podróżnicy (a oprócz projektanta, inżyniera i kierowcy wyścigowego Larry'ego Perkinsa brał udział w biegu) postawili sobie zadanie przebycia Australii z Oceanu Indyjskiego na Pacyfik (to 4130 kilometrów!) w nie więcej niż 20 dni. Na początku 1983 roku niezwykła załoga wyruszyła z miasta Perth, by zakończyć w Sydney. Nie można powiedzieć, że podróż była szczególnie przyjemna. W środku australijskiego lata temperatura w kokpicie wzrosła do 50 stopni. Projektanci zaoszczędzili każdy kilogram wagi samochodu i dlatego zrezygnowali ze sprężyn, co w żaden sposób nie wpływało na komfort. Po drodze nie chcieli się po raz kolejny zatrzymywać (w końcu podróż nie miała trwać dłużej niż 20 dni), a komunikacja radiowa była niemożliwa ze względu na silny hałas silnika. Dlatego jeźdźcy musieli spisywać notatki dla grupy eskortującej i rzucać je w drogę. A jednak, pomimo trudności, solarny samochód miarowo jechał w kierunku celu, będąc w trasie 11 godzin dziennie. Średnia prędkość samochodu wynosiła 25 kilometrów na godzinę. Powoli, ale pewnie suncar pokonał najtrudniejszy odcinek drogi - Wielki Pasmo Wododziałowe i na koniec dwudziestu dni kontroli uroczyście ukończył w Sydney. Tutaj podróżnicy wlewali wodę do Oceanu Spokojnego, zabraną przez nich na początku podróży z Indian. „Energia słoneczna połączyła dwa oceany”, powiedzieli wielu obecnym dziennikarzom.

Dwa lata później w Alpach Szwajcarskich odbył się niezwykły rajd. Na starcie wystartowało 58 samochodów, których silniki wprawiała w ruch energia uzyskana z paneli słonecznych. Przez pięć dni załogi najdziwniejszych projektów musiały pokonać 368 kilometrów po górskich trasach alpejskich – od Konstancji po Jezioro Genewskie. Najlepszy wynik wykazał samochód solarny Solar Silver Arrow, zbudowany wspólnie przez zachodnioniemiecką firmę Mercedes-Benz i szwajcarską Alfa-Real. Zwycięski samochód z wyglądu przypomina przede wszystkim dużego żuka o szerokich skrzydłach. Skrzydła te zawierają 432 ogniwa słoneczne, które zasilają baterię srebrno-cynkową. Z tego akumulatora energia jest dostarczana do dwóch silników elektrycznych, które obracają koła samochodu. Ale dzieje się tak tylko przy pochmurnej pogodzie lub podczas jazdy w tunelu. Gdy świeci słońce, prąd z ogniw słonecznych przepływa bezpośrednio do silników elektrycznych. Czasami prędkość zwycięzcy sięgała 80 kilometrów na godzinę.

Japoński żeglarz Kenichi Horie był pierwszą osobą, która samodzielnie przepłynęła Pacyfik na statku napędzanym energią słoneczną. Na łodzi nie było innych źródeł energii. Słońce pomogło odważnemu nawigatorowi pokonać 6000 kilometrów z Wysp Hawajskich do Japonii.

Amerykanin L. Mauro zaprojektował i zbudował samolot z baterią 500 ogniw słonecznych na powierzchni skrzydeł. Elektryczność generowana przez ten akumulator wprawia w ruch silnik elektryczny o mocy dwóch i pół kilowata, za pomocą którego nadal można było wykonać, choć niezbyt długi, lot. Anglik Alan Friedman zaprojektował rower bez pedałów. Zasilany jest energią elektryczną z akumulatorów ładowanych przez panel słoneczny zamontowany na kierownicy. Zmagazynowana w akumulatorze „słoneczna” energia elektryczna wystarcza do przejechania około 50 kilometrów z prędkością 25 kilometrów na godzinę. Są projekty balonów słonecznych i sterowców. Wszystkie te projekty są nadal egzotyczne technicznie – gęstość energii słonecznej jest zbyt niska, wymagane powierzchnie baterii słonecznych są zbyt duże, co może zapewnić wystarczającą ilość energii do rozwiązania stałych problemów.

Dlaczego nie zbliżyć się trochę do Słońca? Przecież tam, w bliskim kosmosie, gęstość energii słonecznej jest 10-15 razy większa! Wtedy nie ma złej pogody i chmur. Pomysł stworzenia orbitalnych elektrowni słonecznych przedstawił K.E. Tsiołkowski. W 1929 roku młody inżynier, przyszły akademik V.P. Glushko, zaproponował projekt helio-rakietowego samolotu wykorzystującego duże ilości energii słonecznej. W 1948 r. Profesor GI Babat rozważał możliwość przeniesienia energii otrzymanej w kosmosie na Ziemię za pomocą wiązki promieniowania mikrofalowego. W 1960 roku inżynier N.A. Varvarov zaproponował wykorzystanie kosmicznej elektrowni słonecznej do zasilania Ziemi w energię elektryczną.

Ogromny sukces astronautyki przełożył te idee z rangi science fiction na ramy rozwoju inżynierii betonu. Na Międzynarodowym Kongresie Astronautów w 1968 roku delegaci z wielu krajów rozważali już dość poważny projekt słonecznej elektrowni kosmicznej, poparty szczegółowymi obliczeniami ekonomicznymi. Natychmiast pojawili się zagorzali zwolennicy tego pomysłu i nie mniej nieprzejednani przeciwnicy.

Większość badaczy uważa, że przyszli giganci energii kosmicznej będą bazować na bateriach słonecznych. Jeśli użyjemy ich istniejących typów, to obszar do uzyskania mocy 5 miliardów kilowatów powinien wynosić 60 kilometrów kwadratowych, a masa wraz z konstrukcjami wsporczymi powinna wynosić około 12 tysięcy ton. Jeśli liczymy na baterie słoneczne przyszłości, które są znacznie lżejsze i wydajniejsze, powierzchnia baterii może zostać dziesięciokrotnie zmniejszona, a nawet większa masa.

Możliwe jest również zbudowanie na orbicie zwykłej elektrociepłowni, w której turbina będzie obracana strumieniem gazu obojętnego, silnie nagrzanego skoncentrowanymi promieniami słonecznymi. Opracowano projekt takiej słonecznej elektrowni kosmicznej, składającej się z 16 bloków po 500 tysięcy kilowatów każdy. Wydawałoby się, że takie kolosy jak turbiny i generatory nie opłacają się wznosić na orbitę, a poza tym trzeba zbudować ogromny paraboliczny koncentrator energii słonecznej, który podgrzewa płyn roboczy turbiny. Okazało się jednak, że ciężar właściwy takiej elektrowni (czyli masa na 1 kilowat wytworzonej mocy) jest o połowę mniejszy niż w elektrowni z istniejącymi panelami słonecznymi. Tak więc elektrownia cieplna w kosmosie nie jest tak irracjonalnym pomysłem. Co prawda nie należy spodziewać się znacznego spadku ciężaru właściwego elektrowni cieplnej, a postęp w produkcji baterii słonecznych zapowiada setkikrotne zmniejszenie ich ciężaru właściwego. Jeśli tak się stanie, korzyścią będą oczywiście baterie.

Przesył energii elektrycznej z kosmosu na Ziemię może odbywać się za pomocą wiązki promieniowania mikrofalowego. Aby to zrobić, konieczne jest zbudowanie anteny nadawczej w kosmosie i anteny odbiorczej na Ziemi. Ponadto konieczne jest wystrzelenie w kosmos urządzeń, które zamieniają prąd stały generowany przez baterię słoneczną na promieniowanie mikrofalowe. Średnica anteny nadawczej powinna wynosić około kilometra, a masa wraz z przetwornikami kilka tysięcy ton. Antena odbiorcza musi być znacznie większa (w końcu wiązka energii będzie rozpraszana przez atmosferę). Jego powierzchnia powinna wynosić około 300 kilometrów kwadratowych. Ale ziemskie problemy rozwiązuje się łatwiej.

Aby zbudować kosmiczną elektrownię słoneczną, konieczne będzie stworzenie całej floty kosmicznej składającej się z setek rakiet i statków wielokrotnego użytku. W końcu na orbitę trzeba będzie umieścić tysiące ton ładunku. Ponadto potrzebna będzie niewielka eskadra kosmiczna, z której będą korzystać astronauci-instalatorzy, mechanicy i energetycy.

Pierwsze doświadczenia, które będą bardzo przydatne dla przyszłych instalatorów kosmicznych elektrowni słonecznych, zdobyli sowieccy kosmonauci.

Stacja kosmiczna Salut-7 znajdowała się na orbicie przez wiele dni, kiedy stało się jasne, że moc elektrowni słonecznej statku może nie wystarczyć do przeprowadzenia licznych eksperymentów wymyślonych przez naukowców. W projekcie Salut-7 przewidziano możliwość zainstalowania dodatkowych akumulatorów. Pozostało tylko dostarczyć moduły słoneczne na orbitę i wzmocnić je w odpowiednim miejscu, czyli przeprowadzić delikatne operacje montażowe w kosmosie. Sowieccy kosmonauci znakomicie poradzili sobie z tym najtrudniejszym zadaniem.

Dwa nowe panele słoneczne zostały dostarczone na orbitę

na pokładzie satelity Kosmos-1443 wiosną 1983 roku. Załoga Sojuz T-9 - kosmonauci V. Lyakhov i A. Alexandrov - zabrała ich na pokład Salut-7. Teraz nadszedł czas na pracę w otwartej przestrzeni.

Dodatkowe panele słoneczne zainstalowano 1 i 3 listopada 1983 r. Precyzyjną i metodyczną pracę kosmonautów w niezwykle trudnych warunkach kosmosu obejrzało miliony widzów. Skomplikowana operacja montażu została przeprowadzona znakomicie. Nowe moduły zwiększyły produkcję energii elektrycznej o ponad półtora raza.

Ale nawet to nie wystarczyło. Przedstawiciele kolejnej załogi "Salut-7" -L. Kizim i V. Solovyov (lekarz O. Atkov był z nimi w kosmosie) - 18 maja 1984 r. Na skrzydłach stacji zainstalowano dodatkowe panele słoneczne.

Dla przyszłych projektantów elektrowni kosmicznych bardzo ważne jest, aby wiedzieć, jak niezwykłe warunki panujące w kosmosie – prawie absolutna próżnia, niewiarygodne zimno w kosmosie, ostre promieniowanie słoneczne, bombardowanie przez mikrometeoryty itd. – wpływają na stan materiałów z których wykonane są panele słoneczne. Uzyskują odpowiedzi na wiele pytań, badając próbki dostarczone na Ziemię z Salut-7. Przez ponad dwa lata baterie tego statku pracowały w kosmosie, kiedy S. Sawicka, pierwsza kobieta na świecie, która dwukrotnie przebywała w kosmosie i zrobiła spacer kosmiczny, oddzieliła kawałki paneli słonecznych za pomocą uniwersalnego narzędzia. Teraz naukowcy różnych specjalności badają je, aby ustalić, jak długo mogą pracować w kosmosie bez wymiany.

Kosmiczna stacja cieplna

Trudności techniczne, które będą musieli pokonać projektanci elektrowni kosmicznych, są kolosalne, ale zasadniczo możliwe do rozwiązania. Kolejna sprawa to ekonomika takich obiektów. Niektóre szacunki są już dokonywane, chociaż kalkulacje ekonomiczne elektrowni kosmicznych można wykonać tylko w przybliżeniu. Budowa elektrowni kosmicznej będzie opłacalna tylko wtedy, gdy koszt za kilowatogodzinę wytworzonej energii będzie w przybliżeniu taki sam jak koszt energii wytworzonej na Ziemi. Według amerykańskich ekspertów, aby spełnić ten warunek, koszt elektrowni słonecznej w kosmosie nie powinien przekroczyć 8 miliardów dolarów. Taką wartość można osiągnąć, jeśli koszt jednego kilowata energii generowanej przez baterie słoneczne zmniejszy się dziesięciokrotnie (w porównaniu z dotychczasowym) i tyle samo kosztu dostarczenia ładunku na orbitę. A to są niesamowicie trudne zadania. Najwyraźniej w nadchodzących dziesięcioleciach prawdopodobnie nie będziemy w stanie korzystać z kosmicznej energii elektrycznej.

Ale na liście rezerw ludzkości to źródło energii z pewnością zostanie wymienione na jednym z pierwszych miejsc.

Ministerstwo Edukacji Republiki Białoruś

instytucja edukacyjna

„Białoruski Państwowy Uniwersytet Pedagogiczny im. Maxima Tanka”

Katedra Fizyki Ogólnej i Teoretycznej

Zajęcia z fizyki ogólnej

Energia słoneczna i perspektywy jej wykorzystania

Uczniowie 321 grup

Wydział Fizyki

Leszkiewicz Swietłana Waleriewna

Doradca naukowy:

Fiodorkow Czesław Michajłowicz

Mińsk, 2009

Wstęp

1. Ogólne informacje o słońcu

2. Słońce jest źródłem energii

2.1 Badania energii słonecznej

2.2 Potencjał energii słonecznej

3. Wykorzystanie energii słonecznej

3.1 Pasywne wykorzystanie energii słonecznej

3.2 Aktywne korzystanie z energii słonecznej

3.2.1 Kolektory słoneczne i ich rodzaje

3.2.2 Systemy słoneczne

3.2.3 Elektrociepłownie słoneczne

3.3 Systemy fotowoltaiczne

4. Architektura słoneczna

Wniosek

Lista wykorzystanych źródeł

Wstęp

Słońce odgrywa wyjątkową rolę w życiu Ziemi. Cały organiczny świat naszej planety zawdzięcza swoje istnienie Słońcu. Słońce jest nie tylko źródłem światła i ciepła, ale także pierwotnym źródłem wielu innych rodzajów energii (energia ropy naftowej, węgla, wody, wiatru).

Od momentu pojawienia się na ziemi człowiek zaczął wykorzystywać energię słoneczną. Według danych archeologicznych wiadomo, że w przypadku mieszkań preferowano miejsca ciche, zamknięte przed zimnymi wiatrami i otwarte na promienie słoneczne.

Być może pierwszy znany układ słoneczny można uznać za posąg Amenhotepa III, datowany na XV wiek p.n.e. Wewnątrz posągu znajdował się system komór powietrznych i wodnych, które pod wpływem promieni słonecznych wprawiały w ruch ukryty instrument muzyczny. W starożytnej Grecji czcili Heliosa. Imię tego boga stało się dziś podstawą wielu terminów związanych z energią słoneczną.

Problem dostarczania energii elektrycznej do wielu sektorów światowej gospodarki, stale rosnące potrzeby ludności świata stają się coraz bardziej palące.

1. Ogólne informacje o Słońcu

Słońce jest centralnym ciałem Układu Słonecznego, kulą gorącej plazmy, typowym karłem G2.

Charakterystyka Słońca

1. Masa MS ~2*1023 kg

2. RS ~629 tys. km

3. V \u003d 1,41 * 1027 m3, czyli prawie 1300 tysięcy razy więcej niż objętość Ziemi,

4. gęstość średnia 1,41*103 kg/m3,

5. jasność LS =3,86*1023 kW,

6. efektywna temperatura powierzchni (fotosfera) 5780 K,

7. Okres rotacji (synodyczny) waha się od 27 dni na równiku do 32 dni. na biegunach

8. Przyspieszenie swobodnego spadania 274 m/s2 (przy tak ogromnym przyspieszeniu ziemskim osoba ważąca 60 kg ważyłaby ponad 1,5 tony).

Struktura Słońca

W centralnej części Słońca znajduje się źródło jego energii, czyli mówiąc w przenośni „piec”, który je ogrzewa i nie pozwala ostygnąć. Ten obszar nazywa się rdzeniem (patrz rys. 1). W jądrze, gdzie temperatura dochodzi do 15 MK, uwalniana jest energia. Rdzeń ma promień nie większy niż jedna czwarta całkowitego promienia Słońca. Jednak połowa masy Słońca jest skoncentrowana w jego objętości i prawie cała energia, która wspiera blask Słońca, jest uwalniana.

Bezpośrednio wokół jądra zaczyna się strefa promienistego transferu energii, gdzie rozchodzi się ona poprzez pochłanianie i emisję porcji światła przez materię - kwanty. Przesączenie kwantu przez gęstą materię słoneczną na zewnątrz zajmuje bardzo dużo czasu. Gdyby więc „piec” wewnątrz Słońca nagle zgasł, to wiedzielibyśmy o tym dopiero miliony lat później.

Ryż. jeden Struktura Słońca

Na swojej drodze przez wewnętrzne warstwy słoneczne przepływ energii napotyka obszar, w którym przezroczystość gazu znacznie wzrasta. To jest konwekcyjna strefa Słońca. Tutaj energia nie jest już przekazywana przez promieniowanie, ale przez konwekcję. Strefa konwekcyjna zaczyna się w przybliżeniu w odległości 0,7 promienia od środka i rozciąga się prawie do najbardziej widocznej powierzchni Słońca (fotosfery), gdzie transfer głównego strumienia energii ponownie staje się promienny.

Fotosfera to promieniująca powierzchnia Słońca, która ma ziarnistą strukturę zwaną granulacją. Każde takie „ziarno” jest prawie wielkości Niemiec i jest strumieniem gorącej materii, która uniosła się na powierzchnię. W fotosferze często można zobaczyć stosunkowo niewielkie ciemne obszary - plamy słoneczne. Są o 1500˚С zimniejsze niż otaczająca je fotosfera, której temperatura sięga 5800˚С. Ze względu na różnicę temperatur w fotosferze, plamy te wydają się całkowicie czarne podczas oglądania przez teleskop. Nad fotosferą znajduje się kolejna, bardziej rozrzedzona warstwa, zwana chromosferą, czyli „kolorową sferą”. Chromosfera ma swoją nazwę ze względu na swój czerwony kolor. I wreszcie nad nim znajduje się bardzo gorąca, ale także niezwykle rozrzedzona część atmosfery słonecznej - korona.

2. Słońce jest źródłem energii

Nasze Słońce to ogromna świetlista kula gazu, w której zachodzą złożone procesy, w wyniku których energia jest stale uwalniana. Energia Słońca jest źródłem życia na naszej planecie. Słońce ogrzewa atmosferę i powierzchnię ziemi. Dzięki energii słonecznej wieją wiatry, w przyrodzie odbywa się obieg wody, nagrzewają się morza i oceany, rozwijają się rośliny, zwierzęta mają pożywienie. To dzięki promieniowaniu słonecznemu na Ziemi istnieją paliwa kopalne. Energia słoneczna może zostać zamieniona na ciepło lub zimno, siłę napędową i energię elektryczną.

Słońce odparowuje wodę z oceanów, mórz, z powierzchni ziemi. Zamienia tę wilgoć w kropelki wody, tworząc chmury i mgły, a następnie powoduje jej opadanie z powrotem na Ziemię w postaci deszczu, śniegu, rosy lub mrozu, tworząc w ten sposób gigantyczny obieg wilgoci w atmosferze.

Energia słoneczna jest źródłem ogólnej cyrkulacji atmosfery i cyrkulacji wody w oceanach. Niejako tworzy gigantyczny system ogrzewania wody i powietrza naszej planety, rozprowadzając ciepło po powierzchni ziemi.

Światło słoneczne padające na rośliny powoduje w nim proces fotosyntezy, warunkuje wzrost i rozwój roślin; padając na glebę zamienia się w ciepło, ogrzewa ją, tworzy klimat glebowy, dając tym samym witalność znajdującym się w glebie nasionom roślin, mikroorganizmom i żywym stworzeniom, które bez tego ciepła byłyby w stanie anabiozy (hibernacji ).

Słońce promieniuje ogromną ilością energii – około 1,1x1020 kWh na sekundę. Kilowatogodzina to ilość energii potrzebna do działania 100-watowej żarówki przez 10 godzin. Zewnętrzna atmosfera Ziemi przechwytuje około jednej milionowej energii emitowanej przez Słońce, czyli około 1500 biliardów (1,5 x 1018) kWh rocznie. Jednak tylko 47% całej energii, czyli około 700 biliardów (7 x 1017) kWh, dociera do powierzchni Ziemi. Pozostałe 30% energii słonecznej jest odbijane z powrotem w kosmos, około 23% wyparowuje wodę, 1% energii pochodzi z fal i prądów, a 0,01% z fotosyntezy w przyrodzie.

2.1 Badania energii słonecznej

Dlaczego Słońce świeci i nie stygnie przez miliardy lat? Jakie „paliwo” daje mu energię? Naukowcy od wieków szukają odpowiedzi na to pytanie i dopiero na początku XX wieku znaleziono właściwe rozwiązanie. Obecnie wiadomo, że podobnie jak inne gwiazdy świeci dzięki reakcjom termojądrowym zachodzącym w jego głębi.

Jeśli jądra atomów pierwiastków lekkich połączą się w jądro atomu cięższego pierwiastka, wówczas masa nowego będzie mniejsza niż całkowita masa tych, z których został utworzony. Reszta masy zamieniana jest w energię, którą unoszą cząstki uwalniane podczas reakcji. Ta energia jest prawie całkowicie zamieniana na ciepło. Taka reakcja syntezy jąder atomowych może zachodzić tylko przy bardzo wysokim ciśnieniu i temperaturach powyżej 10 milionów stopni. Dlatego nazywa się to termojądrem.

Główną substancją tworzącą Słońce jest wodór, stanowi on około 71% całkowitej masy gwiazdy. Prawie 27% należy do helu, a pozostałe 2% do cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, azot, tlen i metale. Głównym „paliwem” Słońca jest wodór. Z czterech atomów wodoru w wyniku łańcucha przemian powstaje jeden atom helu. A z każdego grama wodoru zaangażowanego w reakcję uwalniane jest 6x1011 J energii! Na Ziemi taka ilość energii wystarczyłaby do podgrzania 1000 m3 wody z temperatury 0º C do temperatury wrzenia.

2.2 Potencjał energii słonecznej

Słońce dostarcza nam 10 000 razy więcej darmowej energii niż faktycznie zużywa się na całym świecie. Sam tylko globalny rynek komercyjny kupuje i sprzedaje prawie 85 bilionów (8,5 x 1013) kWh energii rocznie. Ponieważ niemożliwe jest prześledzenie całego procesu, nie można z całą pewnością stwierdzić, ile energii zużywają ludzie niekomercyjni (np. ile drewna i nawozów jest zbierane i spalane, ile wody zużywa się do produkcji mechanicznej lub elektrycznej). energia). Niektórzy eksperci szacują, że taka niekomercyjna energia stanowi jedną piątą całej zużywanej energii. Ale nawet jeśli to prawda, to całkowita energia zużywana przez ludzkość w ciągu roku to tylko około jedna siódma tysięczna energii słonecznej, która uderza w powierzchnię Ziemi w tym samym okresie.

W krajach rozwiniętych, takich jak USA, zużycie energii wynosi około 25 bilionów (2,5 x 1013) kWh rocznie, co odpowiada ponad 260 kWh na osobę dziennie. Odpowiada to codziennemu działaniu ponad 100 żarówek o mocy 100 W przez cały dzień. Przeciętny mieszkaniec USA zużywa 33 razy więcej energii niż Hindus, 13 razy więcej niż Chińczyk, dwa i pół razy więcej niż Japończyk i dwa razy więcej niż Szwed.

3. Wykorzystanie energii słonecznej

Promieniowanie słoneczne można zamienić na użyteczną energię za pomocą tzw. aktywnych i pasywnych systemów słonecznych. Systemy pasywne uzyskuje się poprzez projektowanie budynków i dobór materiałów budowlanych w taki sposób, aby maksymalnie wykorzystać energię słoneczną. Kolektory słoneczne to aktywne systemy solarne. Obecnie opracowywane są również systemy fotowoltaiczne – są to systemy przetwarzające promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną.

Energia słoneczna jest również pośrednio przekształcana w energię użyteczną poprzez przekształcenie jej w inne formy energii, takie jak energia z biomasy, wiatru czy wody. Energia Słońca „steruje” pogodą na Ziemi. Duża część promieniowania słonecznego jest pochłaniana przez oceany i morza, w których woda się nagrzewa, paruje i opada na ziemię w postaci deszczu, „zasilając” elektrownie wodne. Wiatr wymagany przez turbiny wiatrowe powstaje w wyniku nierównomiernego ogrzewania powietrza. Inną kategorią odnawialnych źródeł energii pochodzących z energii słonecznej jest biomasa. Rośliny zielone pochłaniają światło słoneczne, w wyniku fotosyntezy powstają w nich substancje organiczne, z których można następnie uzyskać ciepło i energię elektryczną. Zatem energia wiatru, wody i biomasy jest pochodną energii słonecznej.

Energia jest siłą napędową każdej produkcji. Fakt, że człowiek dysponował dużą ilością stosunkowo taniej energii, w znacznym stopniu przyczynił się do uprzemysłowienia i rozwoju społeczeństwa.

3.1 Pasywne wykorzystanie energii słonecznej

elektrownia cieplna energii słonecznej,

W pasywnym układzie słonecznym sama konstrukcja budynku działa jako kolektor promieniowania słonecznego. Ta definicja odpowiada większości najprostszych systemów, w których ciepło jest magazynowane w budynku przez ściany, sufity lub podłogi. Istnieją również systemy, w których w konstrukcję budynku wbudowuje się specjalne elementy do akumulacji ciepła (np. skrzynki z kamieniami lub zbiorniki lub butelki z wodą). Takie systemy są również klasyfikowane jako pasywne słoneczne.

3.2 Aktywne korzystanie z energii słonecznej

Aktywne wykorzystanie energii słonecznej odbywa się za pomocą kolektorów słonecznych i systemów solarnych.

3.2.1 Kolektory słoneczne i ich rodzaje

Podstawą wielu systemów energii słonecznej jest zastosowanie kolektorów słonecznych. Kolektor pochłania energię świetlną ze słońca i zamienia ją na ciepło, które jest przekazywane do chłodziwa (cieczy lub powietrza), a następnie wykorzystywane do ogrzewania budynków, podgrzewania wody, wytwarzania energii elektrycznej, suszenia produktów rolnych czy gotowania potraw. Kolektory słoneczne można stosować w prawie wszystkich procesach wykorzystujących ciepło.

Technologia wytwarzania kolektorów słonecznych osiągnęła niemal współczesny poziom w 1908 roku, kiedy William Bailey z amerykańskiej firmy Carnegie Steel Company wynalazł kolektor z termoizolowaną obudową i miedzianymi rurkami. Ten kolektor był bardzo podobny do nowoczesnego systemu termosyfonowego. Do końca I wojny światowej Bailey sprzedał 4000 tych kolekcjonerów, a biznesmen z Florydy, który kupił od niego patent, do 1941 roku sprzedał prawie 60 000 kolekcjonerów.

Istnieją kolektory słoneczne o różnych rozmiarach i konstrukcjach w zależności od ich zastosowania. Mogą dostarczać gospodarstwom domowym gorącą wodę do prania, kąpieli i gotowania lub służyć do wstępnego podgrzewania wody w istniejących podgrzewaczach wody. Obecnie rynek oferuje wiele różnych modeli kolekcjonerów.

Zintegrowany kolektor

Najprostszym typem kolektora słonecznego jest kolektor „pojemnościowy” lub „termosifonowy”, który otrzymał tę nazwę, ponieważ kolektor jest jednocześnie zasobnikiem ciepła, w którym podgrzewana i magazynowana jest „jednorazowa” porcja wody. Kolektory takie służą do wstępnego podgrzewania wody, która jest następnie podgrzewana do żądanej temperatury w tradycyjnych instalacjach, takich jak gazowe podgrzewacze wody. W warunkach domowych podgrzana woda wpływa do zbiornika magazynowego. Zmniejsza to zużycie energii na jego późniejsze ogrzewanie. Taki kolektor jest niedrogą alternatywą dla aktywnego słonecznego systemu podgrzewania wody, bez części ruchomych (pomp), wymagającą minimalnej konserwacji, przy zerowych kosztach eksploatacji.

Kolektory płaskie

Kolektory płaskie są najczęstszym typem kolektorów słonecznych stosowanych w instalacjach ogrzewania i ogrzewania wody użytkowej. Zazwyczaj ten kolektor jest izolowanym termicznie metalowym pudełkiem ze szklaną lub plastikową pokrywą, w której umieszczona jest płyta absorbera (absorbera) w kolorze czarnym. Przeszklenie może być przezroczyste lub matowe. Kolektory płaskie zwykle wykorzystują matowe szkło o niskiej zawartości żelaza (które przepuszcza większość światła słonecznego wpadającego do kolektora). Światło słoneczne pada na płytę odbierającą ciepło, a dzięki przeszkleniu zmniejsza się utrata ciepła. Dolne i boczne ściany kolektora pokryte są materiałem termoizolacyjnym, co dodatkowo ogranicza straty ciepła.

Kolektory płaskie dzielą się na cieczowe i powietrzne. Oba typy kolektorów są przeszklone lub nie przeszklone.

Solarne kolektory próżniowe rurowe

Tradycyjne proste płaskie kolektory słoneczne zostały zaprojektowane do użytku w regionach o ciepłym słonecznym klimacie. Drastycznie tracą swoją skuteczność w niesprzyjające dni - przy zimnej, pochmurnej i wietrznej pogodzie. Ponadto kondensacja i wilgoć wywołane warunkami atmosferycznymi spowodują przedwczesne zużycie materiałów wewnętrznych, co z kolei doprowadzi do degradacji i awarii systemu. Te niedociągnięcia są eliminowane przez zastosowanie kolektorów próżniowych.

Kolektory próżniowe podgrzewają wodę użytkową tam, gdzie potrzebna jest woda o wyższej temperaturze. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez zewnętrzną szklaną rurkę, uderza w rurkę absorbera i jest przekształcane w ciepło. Jest przenoszony przez płyn przepływający przez rurkę. Kolektor składa się z kilku rzędów równoległych szklanych rurek, z których do każdego przymocowany jest absorber rurowy (zamiast płyty absorbera w kolektorach płaskich) z powłoką selektywną. Ogrzana ciecz krąży w wymienniku ciepła i oddaje ciepło do wody znajdującej się w zasobniku.

Podciśnienie w szklanej rurze stanowi najlepszą możliwą izolację termiczną dla kolektora - zmniejsza straty ciepła i chroni absorber i rurkę cieplną przed niekorzystnymi wpływami zewnętrznymi. Rezultatem jest doskonała wydajność, która przewyższa każdy inny typ kolektora słonecznego.

Kolekcjonerzy skupiający się

piece słoneczne

Są tanie i łatwe w wykonaniu. Składają się z obszernej, dobrze izolowanej skrzynki wyłożonej materiałem odblaskowym (np. folią), pokrytej szkłem i wyposażonej w zewnętrzny odbłyśnik. Czarna patelnia pełni funkcję chłonną, nagrzewa się szybciej niż zwykłe naczynia aluminiowe lub ze stali nierdzewnej. Piece solarne mogą być używane do dezynfekcji wody poprzez doprowadzenie jej do wrzenia.

Istnieją kuchenki solarne pudełkowe i lustrzane (z odbłyśnikiem).

destylatory słoneczne

Destylatory słoneczne zapewniają tanią wodę destylowaną, nawet słoną lub silnie zanieczyszczoną wodę można wykorzystać jako źródło. Opierają się na zasadzie odparowywania wody z otwartego pojemnika. Destylator słoneczny wykorzystuje energię słoneczną do przyspieszenia tego procesu. Składa się z ciemnego, izolowanego termicznie pojemnika z przeszkleniem, który jest przechylony tak, aby skroplona świeża woda spływała do specjalnego pojemnika. Mały destylator słoneczny - wielkości pieca kuchennego - może w słoneczny dzień wyprodukować do dziesięciu litrów wody destylowanej.

3.2.2 Systemy słoneczne

Solarne systemy ciepłej wody

Ciepła woda to najczęstszy rodzaj bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej. Typowa instalacja składa się z jednego lub więcej kolektorów, w których ciecz jest podgrzewana przez słońce, a także zasobnika ciepłej wody ogrzewanego nośnikiem ciepła. Nawet w regionach o stosunkowo niewielkim promieniowaniu słonecznym, takich jak Europa Północna, system słoneczny może zapewnić 50-70% zapotrzebowania na ciepłą wodę. Nie można uzyskać więcej, chyba że za pomocą regulacji sezonowej. W Europie Południowej kolektor słoneczny może zapewnić 70-90% zużywanej ciepłej wody. Ogrzewanie wody za pomocą energii słonecznej to bardzo praktyczny i ekonomiczny sposób. Podczas gdy systemy fotowoltaiczne osiągają wydajność 10-15%, termiczne systemy słoneczne wykazują wydajność 50-90%. W połączeniu z piecami opalanymi drewnem, zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową można zaspokoić prawie przez cały rok bez użycia paliw kopalnych.

Termosyfonowe systemy solarne

Systemy solarnego podgrzewania wody z naturalną cyrkulacją (konwekcją) chłodziwa, które są stosowane w ciepłych warunkach zimowych (w przypadku braku mrozu), nazywane są termosyfonem. Generalnie nie są to najbardziej wydajne systemy energii słonecznej, ale mają wiele zalet w zakresie budownictwa mieszkaniowego. Cyrkulacja termosyfonowa chłodziwa następuje z powodu zmiany gęstości wody wraz ze zmianą jej temperatury. System termosyfonowy podzielony jest na trzy główne części:

kolektor płaski (absorber);

rurociągi;

· Zasobnik ciepłej wody (kocioł).

Gdy woda w kolektorze (zwykle płaskim) jest podgrzewana, unosi się w górę i wchodzi do zbiornika; w jego miejsce zimna woda wpływa do kolektora z dna zbiornika. Dlatego konieczne jest umieszczenie kolektora poniżej zbiornika magazynowego i zaizolowanie rur łączących.

Takie instalacje są popularne na obszarach podzwrotnikowych i tropikalnych.

Solarne systemy podgrzewania wody

Najczęściej używany do podgrzewania basenów. Chociaż koszt takiej instalacji różni się w zależności od wielkości basenu i innych specyficznych warunków, jeśli systemy słoneczne są instalowane w celu zmniejszenia lub wyeliminowania zużycia paliwa lub energii elektrycznej, zwrócą się one w ciągu dwóch do czterech lat w postaci oszczędności energii. Co więcej, ogrzewanie basenu pozwala przedłużyć sezon pływacki o kilka tygodni bez dodatkowych kosztów.

W większości budynków zaaranżowanie podgrzewacza słonecznego do basenu nie jest trudne. Można go zredukować do prostego czarnego węża, którym woda jest dostarczana do basenu. W przypadku basenów zewnętrznych wystarczy zainstalować absorber. Baseny kryte wymagają instalacji standardowych kolektorów, aby zapewnić ciepłą wodę również zimą.

Sezonowe magazynowanie ciepła

Istnieją również instalacje pozwalające na wykorzystanie ciepła skumulowanego latem przez kolektory słoneczne i magazynowanego za pomocą dużych zbiorników akumulacyjnych (magazynowanie sezonowe) zimą. Problem polega na tym, że ilość płynu potrzebna do ogrzania domu jest porównywalna z objętością samego domu. Ponadto magazyn ciepła musi być bardzo dobrze izolowany. Aby konwencjonalny domowy zbiornik magazynowy mógł utrzymać większość ciepła przez pół roku, musiałby zostać owinięty warstwą izolacji o grubości 4 metrów. Dlatego korzystne jest, aby pojemność magazynowa była bardzo duża. W rezultacie zmniejsza się stosunek powierzchni do objętości.

Duże słoneczne instalacje ciepłownicze stosowane są w Danii, Szwecji, Szwajcarii, Francji i USA. Moduły słoneczne są instalowane bezpośrednio na ziemi. Bez magazynowania taka solarna instalacja grzewcza może pokryć około 5% rocznego zapotrzebowania na ciepło, ponieważ instalacja nie może generować więcej niż minimalna ilość zużywanego ciepła, w tym straty w sieci ciepłowniczej (do 20% podczas przesyłu). W przypadku magazynowania ciepła w ciągu dnia w nocy, instalacja solarna może pokryć 10-12% zapotrzebowania na ciepło, łącznie ze stratami przesyłowymi, a przy sezonowym magazynowaniu ciepła do 100%. Istnieje również możliwość łączenia ciepłownictwa z indywidualnymi kolektorami słonecznymi. Sieć ciepłownicza może być wyłączona na lato, kiedy ciepła woda jest dostarczana przez słońce i nie ma zapotrzebowania na ogrzewanie.

Energia słoneczna połączona z innymi źródłami odnawialnymi.

Dobrym wynikiem jest połączenie różnych odnawialnych źródeł energii, np. ciepła słonecznego połączonego z sezonowym magazynowaniem ciepła w postaci biomasy. Lub, jeśli pozostałe zapotrzebowanie na energię jest bardzo niskie, biopaliwa płynne lub gazowe można stosować w połączeniu z wydajnymi kotłami oprócz ogrzewania słonecznego.

Ciekawym połączeniem są kotły solarne i kotły na biomasę stałą. Rozwiązuje to również problem sezonowego magazynowania energii słonecznej. Wykorzystanie biomasy latem nie jest optymalnym rozwiązaniem, gdyż sprawność kotłów przy częściowym obciążeniu jest niska, dodatkowo straty w rurach są stosunkowo duże – a w małych instalacjach spalanie drewna latem może być uciążliwe. W takich przypadkach całe 100% obciążenia cieplnego latem może być zapewnione przez ogrzewanie słoneczne. Zimą, kiedy ilość energii słonecznej jest znikoma, prawie całe ciepło generowane jest przez spalanie biomasy.

W Europie Środkowej istnieje duże doświadczenie w łączeniu ogrzewania słonecznego i spalania biomasy do produkcji ciepła. Zazwyczaj około 20-30% całkowitego obciążenia cieplnego jest pokrywane przez system słoneczny, a główny ładunek (70-80%) dostarcza biomasa. Ta kombinacja może być stosowana zarówno w pojedynczych budynkach mieszkalnych, jak i w instalacjach centralnego (osiedlowego) ogrzewania. W środkowoeuropejskich warunkach do ogrzania prywatnego domu wystarczy ok. 10 m3 biomasy (np. drewna opałowego), a instalacja solarna pozwala zaoszczędzić do 3 m3 drewna opałowego rocznie.

3.2.3 Elektrociepłownie słoneczne

Oprócz bezpośredniego wykorzystania ciepła słonecznego, w regionach o wysokim poziomie promieniowania słonecznego, może być wykorzystywane do wytwarzania pary, która obraca turbinę i generuje energię elektryczną. Produkcja słonecznej energii cieplnej na dużą skalę jest dość konkurencyjna. Przemysłowe zastosowanie tej technologii sięga lat 80-tych; od tego czasu branża rozwija się bardzo szybko. Ponad 400 megawatów elektrowni słonecznych zostało już zainstalowanych przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej w USA, dostarczając energię elektryczną 350 000 ludzi i wypierając równowartość 2,3 miliona baryłek ropy rocznie. Dziewięć elektrowni zlokalizowanych na pustyni Mojave (w amerykańskim stanie Kalifornia) ma zainstalowaną moc 354 MW i zgromadziło 100 lat doświadczenia w eksploatacji przemysłowej. Technologia ta jest na tyle zaawansowana, że według oficjalnych informacji może konkurować z tradycyjnymi technologiami wytwarzania energii w wielu częściach Stanów Zjednoczonych. W innych regionach świata wkrótce również powinny zostać uruchomione projekty wykorzystania ciepła słonecznego do wytwarzania energii elektrycznej. Indie, Egipt, Maroko i Meksyk opracowują odpowiednie programy, dotacje na ich finansowanie zapewnia Global Environment Facility (GEF). W Grecji, Hiszpanii i USA nowe projekty są opracowywane przez niezależnych producentów energii elektrycznej.

Zgodnie z metodą produkcji ciepła słoneczne elektrownie cieplne dzielą się na koncentratory słoneczne (lustra) i stawy słoneczne.

koncentratory słoneczne

Takie elektrownie koncentrują energię słoneczną za pomocą soczewek i reflektorów. Ponieważ to ciepło można magazynować, takie stacje mogą generować energię elektryczną w zależności od potrzeb, w dzień lub w nocy, przy każdej pogodzie.

Duże lustra – z ogniskową punktową lub liniową – skupiają promienie słoneczne do tego stopnia, że woda zamienia się w parę, jednocześnie uwalniając wystarczającą ilość energii do obracania turbiny. Luz Corp. zainstalował ogromne pola takich luster na kalifornijskiej pustyni. Produkują 354 MW energii elektrycznej. Systemy te mogą przekształcać energię słoneczną w energię elektryczną z wydajnością około 15%.

Istnieją następujące rodzaje koncentratorów słonecznych:

1. Solarne koncentratory paraboliczne

2. Instalacja solarna typu Dish

3. Wieże solarne z odbiornikiem centralnym.

słoneczne stawy

Ani zwierciadła skupiające, ani ogniwa słoneczne nie mogą generować energii w nocy. W tym celu energia słoneczna zgromadzona w ciągu dnia musi być magazynowana w zasobnikach ciepła. Proces ten zachodzi naturalnie w tzw. stawach słonecznych.

Stawy słoneczne mają wysokie stężenie soli w dolnych warstwach wody, niekonwekcyjną warstwę środkową wody, w której stężenie soli wzrasta wraz z głębokością, oraz warstwę konwekcyjną o niskim stężeniu soli na powierzchni. Światło słoneczne pada na powierzchnię stawu, a ciepło jest zatrzymywane w dolnych warstwach wody dzięki wysokiemu stężeniu soli. Woda o wysokim zasoleniu, ogrzewana energią słoneczną pochłoniętą przez dno stawu, nie może się podnieść ze względu na dużą gęstość. Pozostaje na dnie stawu, stopniowo się nagrzewając, aż prawie się zagotuje (podczas gdy górne warstwy wody pozostają stosunkowo zimne). Gorące dno „solanki” wykorzystywane jest w dzień lub w nocy jako źródło ciepła, dzięki czemu specjalna turbina z organicznym chłodziwem może generować energię elektryczną. Warstwa środkowa basenu solarnego pełni funkcję izolacji termicznej, zapobiegając konwekcji i utracie ciepła z dna na powierzchnię. Różnica temperatur między dnem a powierzchnią wody w stawie wystarcza do napędzania generatora. Płyn chłodzący, przepuszczany przez rury przez dolną warstwę wody, jest podawany dalej do zamkniętego systemu Rankina, w którym obraca się turbina wytwarzając energię elektryczną.

3.3 Systemy fotowoltaiczne

Urządzenia do bezpośredniej konwersji światła lub energii słonecznej na energię elektryczną nazywane są fotokomórkami (w języku angielskim Fotowoltaika, od greckich zdjęć - światło i nazwa jednostki siły elektromotorycznej - wolt). Konwersja światła słonecznego w energię elektryczną odbywa się w ogniwach fotowoltaicznych wykonanych z materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem, które pod wpływem światła słonecznego generują prąd elektryczny. Łącząc ogniwa fotowoltaiczne w moduły, a te z kolei ze sobą, można budować duże stacje fotowoltaiczne. Największą dotychczas taką stacją jest 5-megawatowa instalacja Carris Plain w amerykańskim stanie Kalifornia. Sprawność instalacji fotowoltaicznych wynosi obecnie około 10%, jednak pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne mogą osiągnąć sprawność 20% lub więcej.

Systemy fotowoltaiczne słoneczne są łatwe w obsłudze i nie mają mechanizmów ruchomych, ale same ogniwa fotowoltaiczne zawierają złożone urządzenia półprzewodnikowe podobne do tych, które są używane do produkcji układów scalonych. Ogniwa fotowoltaiczne opierają się na fizycznej zasadzie, że prąd elektryczny jest generowany przez działanie światła między dwoma stykającymi się ze sobą półprzewodnikami o różnych właściwościach elektrycznych. Połączenie takich elementów tworzy panel lub moduł fotowoltaiczny. Moduły fotowoltaiczne ze względu na swoje właściwości elektryczne generują prąd stały, a nie przemienny. Jest stosowany w wielu prostych urządzeniach zasilanych bateryjnie. Z drugiej strony prąd przemienny zmienia swój kierunek w regularnych odstępach czasu. Jest to ten rodzaj energii elektrycznej dostarczany przez wytwórców energii, wykorzystywany jest w większości nowoczesnych urządzeń i urządzeń elektronicznych. W najprostszych układach bezpośrednio wykorzystuje się prąd stały z modułów fotowoltaicznych. W tym samym miejscu, w którym potrzebny jest prąd przemienny, do systemu należy dodać falownik, który zamienia prąd stały na prąd przemienny.

W nadchodzących dziesięcioleciach znaczna część światowej populacji zapozna się z systemami fotowoltaicznymi. Dzięki nim zniknie tradycyjna potrzeba budowy dużych, drogich elektrowni i systemów dystrybucyjnych. Wraz ze spadkiem kosztów ogniw słonecznych i poprawą technologii otworzy się kilka potencjalnie ogromnych rynków ogniw słonecznych. Na przykład ogniwa słoneczne wbudowane w materiały budowlane będą przeprowadzać wentylację i oświetlenie domów. Produkty konsumenckie – od narzędzi ręcznych po samochody – skorzystają na zastosowaniu komponentów zawierających komponenty fotowoltaiczne. Przedsiębiorstwa użyteczności publicznej będą również mogły znaleźć nowe sposoby wykorzystania ogniw fotowoltaicznych w celu zaspokojenia potrzeb ludności.

Do najprostszych systemów fotowoltaicznych należą:

· pompy solarne – fotowoltaiczne jednostki pompujące są mile widzianą alternatywą dla generatorów diesla i pomp ręcznych. Pompują wodę dokładnie wtedy, kiedy jest najbardziej potrzebna – w pogodny, słoneczny dzień. Pompy solarne są łatwe w montażu i obsłudze. Małą pompę może zainstalować jedna osoba w ciągu kilku godzin i nie jest do tego potrzebne ani doświadczenie, ani specjalny sprzęt.

· Bateryjne systemy fotowoltaiczne - bateria jest ładowana przez generator słoneczny, magazynuje energię i udostępnia ją w każdej chwili. Nawet w najbardziej niesprzyjających warunkach i w odległych lokalizacjach energia fotowoltaiczna zmagazynowana w bateriach może zasilać niezbędny sprzęt. Dzięki akumulacji energii elektrycznej systemy fotowoltaiczne zapewniają niezawodne źródło energii w dzień iw nocy, przy każdej pogodzie. Zasilane bateryjnie systemy fotowoltaiczne zasilają oświetlenie, czujniki, sprzęt do nagrywania dźwięku, sprzęt AGD, telefony, telewizory i elektronarzędzia na całym świecie.

systemy fotowoltaiczne z generatorami - gdy energia elektryczna jest potrzebna w sposób ciągły lub są okresy, kiedy jest potrzebna więcej niż może wytworzyć sama matryca fotowoltaiczna, można ją skutecznie uzupełnić generatorem. W ciągu dnia moduły fotowoltaiczne zaspokajają dzienne zapotrzebowanie na energię i ładują akumulator. Gdy akumulator jest rozładowany, silnik-generator włącza się i pracuje do momentu ponownego naładowania akumulatorów. W niektórych systemach generator nadrabia brak energii, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną przekracza całkowitą pojemność akumulatorów. Silnik-generator wytwarza prąd o każdej porze dnia. Jako takie, stanowi doskonałe zapasowe źródło zasilania dla nocnych lub burzliwych dni podtrzymywania modułów fotowoltaicznych w zależności od kaprysów pogody. Z drugiej strony moduł fotowoltaiczny pracuje cicho, nie wymaga konserwacji i nie emituje zanieczyszczeń do atmosfery. Połączone wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych i generatorów może obniżyć początkowy koszt systemu. Jeśli nie ma instalacji rezerwowej, moduły fotowoltaiczne i akumulatory muszą być wystarczająco duże, aby zapewnić zasilanie w nocy.

· Systemy fotowoltaiczne podłączone do sieci – w scentralizowanym środowisku zasilania system fotowoltaiczny podłączony do sieci może zapewnić część wymaganego obciążenia, podczas gdy druga część pochodzi z sieci. W takim przypadku bateria nie jest używana. Tysiące właścicieli domów na całym świecie korzysta z takich systemów. Energia fotowoltaiczna jest albo wykorzystywana lokalnie, albo dostarczana do sieci. Gdy właściciel systemu potrzebuje więcej energii elektrycznej niż generuje – na przykład wieczorem, wówczas zwiększone zapotrzebowanie jest automatycznie zaspokajane przez sieć. Gdy system generuje więcej energii elektrycznej niż gospodarstwo domowe może zużyć, nadwyżka jest wysyłana (sprzedawana) do sieci. W ten sposób sieć użyteczności publicznej działa jako rezerwa dla systemu fotowoltaicznego, jak bateria do instalacji poza siecią.

· przemysłowe instalacje fotowoltaiczne – fotowoltaika pracuje cicho, nie zużywa paliw kopalnych oraz nie zanieczyszcza powietrza i wody. Niestety, stacje fotowoltaiczne nie są jeszcze zbyt dynamicznie włączane do arsenału sieci użyteczności publicznej, co można tłumaczyć ich cechami. Przy obecnej metodzie kalkulacji kosztów energii energia słoneczna jest nadal znacznie droższa niż produkcja tradycyjnych elektrowni. Ponadto systemy fotowoltaiczne generują energię tylko w ciągu dnia, a ich wydajność zależy od pogody.

4. Architektura słoneczna

Lokalizacja, izolacja, orientacja okien i obciążenie cieplne w pomieszczeniach muszą stanowić jeden system. Aby zmniejszyć wahania temperatury wewnętrznej, izolację należy umieścić na zewnątrz budynku. Jednak w miejscach o szybkim ogrzewaniu wewnętrznym, gdzie wymagana jest niewielka izolacja lub gdzie pojemność cieplna jest niska, izolacja powinna znajdować się od wewnątrz. Wtedy projekt budynku będzie optymalny dla każdego mikroklimatu. Warto zwrócić uwagę na fakt, że odpowiednia równowaga pomiędzy obciążeniem cieplnym lokalu a izolacją prowadzi nie tylko do oszczędności energii, ale także do oszczędności materiałów budowlanych. Pasywne budynki solarne to idealne miejsce do życia. Tutaj pełniej odczuwa się więź z naturą, w takim domu jest dużo naturalnego światła, oszczędza się energię elektryczną.

Pasywne wykorzystanie światła słonecznego zapewnia około 15% zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń w typowym budynku i jest ważnym źródłem oszczędności energii. Projektując budynek należy wziąć pod uwagę zasady pasywnego budownictwa słonecznego w celu maksymalnego wykorzystania energii słonecznej. Zasady te można stosować wszędzie i praktycznie bez dodatkowych kosztów.

Podczas projektowania budynku należy również rozważyć wykorzystanie aktywnych systemów słonecznych, takich jak kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne. To urządzenie jest zainstalowane po południowej stronie budynku. Aby zmaksymalizować ilość ciepła zimą, kolektory słoneczne w Europie i Ameryce Północnej należy montować pod kątem większym niż 50° od poziomu. Stałe panele fotowoltaiczne odbierają największą ilość promieniowania słonecznego w ciągu roku, gdy kąt nachylenia względem horyzontu jest równy szerokości geograficznej, na której znajduje się budynek. Kąt nachylenia dachu budynku i jego orientacja na południe to ważne aspekty przy projektowaniu budynku. Kolektory słoneczne do zaopatrzenia w ciepłą wodę i panele fotowoltaiczne powinny znajdować się w bliskiej odległości od miejsca poboru energii. Należy pamiętać, że bliskość łazienki i kuchni pozwala zaoszczędzić na instalacji aktywnych systemów słonecznych (w tym przypadku można zastosować jeden kolektor słoneczny na dwa pomieszczenia) oraz zminimalizować straty energii na transport. Głównym kryterium wyboru sprzętu jest jego wydajność.

Wniosek

Obecnie wykorzystywana jest tylko znikoma część energii słonecznej ze względu na fakt, że istniejące panele słoneczne mają stosunkowo niską wydajność i są bardzo drogie w produkcji. Nie należy jednak od razu rezygnować z praktycznie niewyczerpanego źródła czystej energii: zdaniem ekspertów sama energia słoneczna może pokryć wszelkie wyobrażalne potrzeby energetyczne ludzkości przez tysiące lat. Możliwe jest również kilkukrotne zwiększenie wydajności instalacji solarnych, a umieszczając je na dachach domów i obok nich zapewnimy ogrzewanie mieszkania, ogrzewanie wody oraz działanie domowych urządzeń elektrycznych nawet w umiarkowanych szerokościach geograficznych, nie wspominając o tropikach. Na potrzeby przemysłu wymagającego dużych ilości energii można wykorzystać kilometrowe nieużytki i pustynie, w całości wyłożone potężnymi instalacjami słonecznymi. Jednak energia słoneczna napotyka wiele trudności przy budowie, rozmieszczaniu i eksploatacji elektrowni słonecznych na tysiącach kilometrów kwadratowych powierzchni Ziemi. W związku z tym ogólny udział energii słonecznej był i pozostanie dość skromny, przynajmniej w przewidywalnej przyszłości.

Obecnie opracowywane są nowe projekty kosmiczne mające na celu badanie Słońca, prowadzone są obserwacje, w których biorą udział dziesiątki krajów. Dane o procesach zachodzących na Słońcu pozyskiwane są za pomocą sprzętu zainstalowanego na sztucznych satelitach Ziemi i rakietach kosmicznych, na szczytach górskich oraz w głębinach oceanów.

Dużą uwagę należy również zwrócić na fakt, że produkcja energii, która jest niezbędnym środkiem do istnienia i rozwoju ludzkości, ma wpływ na przyrodę i środowisko człowieka. Z jednej strony ciepło i elektryczność stały się tak mocno ugruntowane w życiu i działalności produkcyjnej człowieka, że człowiek nie może sobie nawet wyobrazić swojego istnienia bez nich i zużywa niewyczerpane zasoby za pewnik. Z drugiej strony ludzie coraz częściej skupiają uwagę na ekonomicznym aspekcie energii i wymagają produkcji energii przyjaznej środowisku. Wskazuje to na potrzebę rozwiązania szeregu zagadnień, w tym redystrybucji środków na potrzeby ludzkości, praktycznego wykorzystania osiągnięć gospodarki narodowej, poszukiwania i rozwoju nowych alternatywnych technologii wytwarzania ciepła i energii elektrycznej itp.

Teraz naukowcy badają naturę Słońca, odkrywają jego wpływ na Ziemię i pracują nad problemem wykorzystania prawie niewyczerpanej energii słonecznej.

Lista wykorzystanych źródeł

Literatura

1. Poszukiwanie życia w Układzie Słonecznym: Tłumaczenie z języka angielskiego. M.: Mir, 1988, s. 44-57

2. Żukow G.F. Ogólna teoria energii.//M: 1995., s. 11-25

3. Dementiev B.A. Reaktory jądrowe. M., 1984, s. 106-111

4. Elektrownie cieplne i jądrowe. Informator. Książka. 3. M., 1985, s. 69-93

5. Słownik encyklopedyczny młodego astronoma, M .: Pedagogy, 1980, s. 11-23

6. Vidyapin VI, Zhuravleva G.P. Fizyka. Teoria ogólna.//M: 2005, s. 166-174

7. Dagaev M. M. Astrofizyka.// M: 1987, s. 55-61

8. Timoshkin S.E. Energia słoneczna i baterie słoneczne. M., 1966, s. 163-194

9. Illarionov A. G. Natura energii.//M: 1975., s. 98-105

Życie współczesnego człowieka jest po prostu nie do pomyślenia bez energii. Awaria prądu wydaje się katastrofą, człowiek nie wyobraża sobie już życia bez transportu, a gotowanie np. jedzenia na ogniu, a nie na wygodnej kuchence gazowej lub elektrycznej, to już hobby.

Do tej pory do wytwarzania energii wykorzystujemy paliwa kopalne (ropa, gaz, węgiel). Ale ich rezerwy na naszej planecie są ograniczone i nie dziś ani jutro nie nadejdzie dzień, w którym się skończą. Co robić? Odpowiedź już tam jest - szukać innych źródeł energii, nietradycyjnych, alternatywnych, których podaż jest po prostu niewyczerpana.

Te alternatywne źródła energii obejmują słońce i wiatr.

Wykorzystanie energii słonecznej

Słońce- najpotężniejszy dostawca energii. Używamy czegoś ze względu na nasze cechy fizjologiczne. Ale miliony, miliardy kilowatów marnują się i znikają po zmroku. W każdej sekundzie Słońce daje Ziemi 80 000 miliardów kilowatów. To kilka razy więcej, niż generują wszystkie elektrownie na świecie.

Wyobraź sobie, jakie korzyści przyniesie ludzkości wykorzystanie energii słonecznej:

. Nieskończoność w czasie. Naukowcy przewidują, że Słońce nie zgaśnie jeszcze przez kilka miliardów lat. A to oznacza, że wystarczy naszemu stuleciu i naszym odległym potomkom.

. Geografia. Nie ma na naszej planecie miejsca, w którym nie świeciłoby słońce. Gdzieś jaśniej, gdzieś ciemniej, ale Słońce jest wszędzie. Oznacza to, że nie będzie potrzeby otaczania Ziemi niekończącą się siecią przewodów, próbujących dostarczać energię elektryczną do odległych zakątków planety.

. Ilość. Energii słonecznej wystarczy dla wszystkich. Nawet jeśli ktoś zacznie bezgranicznie magazynować taką energię na przyszłość, to niczego to nie zmieni. Wystarczy naładować baterie i opalać się na plaży.

. Korzysci ekonomiczne. Nie będzie już konieczne wydawanie pieniędzy na zakup drewna opałowego, węgla, benzyny. Wolne światło słoneczne będzie odpowiedzialne za działanie wodociągu i samochodu, klimatyzatora i telewizora, lodówki i komputera.

. Przyjazny dla środowiska. Całkowite wylesianie stanie się przeszłością, nie będzie potrzeby podgrzewania pieców, budowania kolejnego „Czarnobyla” i „Fukushimy”, spalania oleju opałowego i ropy naftowej. Po co tyle wysiłku wkładać w niszczenie natury, kiedy na niebie jest piękne i niewyczerpane źródło energii – Słońce.

Na szczęście to nie są marzenia. Naukowcy szacują, że do 2020 roku 15% energii elektrycznej w Europie będzie pochodzić ze światła słonecznego. A to dopiero początek.

Gdzie jest wykorzystywana energia słoneczna?

. Panele słoneczne. Baterie zainstalowane na dachu domu już nikogo nie zaskakują. Absorbując energię słoneczną, przekształcają ją w energię elektryczną. Na przykład w Kalifornii każdy nowy projekt domu wymaga użycia paneli słonecznych. A w Holandii miasto Herhugovard nazywane jest „miastem słońca”, ponieważ tutaj wszystkie domy są wyposażone w panele słoneczne.

. Transport.

Już teraz wszystkie statki kosmiczne podczas autonomicznego lotu zaopatrują się w energię elektryczną z energii słonecznej.

Pojazdy zasilane energią słoneczną. Pierwszy model takiego samochodu został zaprezentowany w 1955 roku. A już w 2006 roku francuska firma Venturi uruchomiła seryjną produkcję samochodów „słonecznych”. Jego cechy są nadal skromne: tylko 110 kilometrów autonomicznej jazdy i prędkość nie większa niż 120 km/h. Ale prawie wszyscy światowi liderzy w branży motoryzacyjnej opracowują własne wersje samochodów przyjaznych dla środowiska.

. Elektrownie słoneczne.

. Gadżety. Już teraz dostępne są ładowarki do wielu urządzeń, które działają na słońcu.

Rodzaje energii słonecznej (elektrownie słoneczne)

Obecnie opracowano kilka rodzajów elektrowni słonecznych (SPP):

. Wieża. Zasada działania jest prosta. Ogromne lustro (heliostat) obraca się za słońcem i kieruje promienie słoneczne do wypełnionego wodą radiatora. Co więcej, wszystko dzieje się jak w konwencjonalnej elektrociepłowni: woda wrze, zamienia się w parę. Para obraca turbinę napędzającą generator. Ten ostatni wytwarza energię elektryczną.

. Konik. Zasada działania jest podobna do wieży. Różnica tkwi w samym projekcie. Po pierwsze, nie używa się jednego lustra, ale kilka okrągłych, podobnych do ogromnych talerzy. Lusterka są montowane promieniście wokół odbiornika.

Każda płytowa elektrownia słoneczna może mieć jednocześnie kilka podobnych modułów.

. fotowoltaiczna(przy użyciu baterii fotograficznych).

. SES z parabolicznym koncentratorem rynnowym. Ogromne lustro w kształcie walca, w którym w ognisku paraboli zamontowana jest rurka z chłodziwem (najczęściej stosowany jest olej). Olej jest podgrzewany do żądanej temperatury i oddaje ciepło wodzie.

. Próżnia słoneczna. Działka pokryta jest szklanym dachem. Powietrze i gleba pod nim nagrzewają się bardziej. Specjalna turbina doprowadza ciepłe powietrze do wieży odbiorczej, w pobliżu której zainstalowany jest generator elektryczny. Energia elektryczna jest wytwarzana przez różnice temperatur.

Wykorzystanie energii wiatru

Innym rodzajem alternatywnego i odnawialnego źródła energii jest wiatr. Im silniejszy wiatr, tym więcej generuje energii kinetycznej. A energię kinetyczną zawsze można zamienić na energię mechaniczną lub elektryczną.

Energia mechaniczna pozyskiwana z wiatru jest wykorzystywana od dawna. Na przykład podczas mielenia ziarna (słynne wiatraki) lub pompowania wody.

Wykorzystywana jest również energia wiatru:

Turbiny wiatrowe wytwarzające energię elektryczną. Łopatki ładują akumulator, z którego prąd dostarczany jest do przetworników. Tutaj prąd stały jest zamieniany na prąd przemienny.

Transport. Istnieje już samochód napędzany energią wiatru. Specjalna instalacja wiatrowa (latawiec) umożliwia ruch statków wodnych.

Rodzaje energetyki wiatrowej (farmy wiatrowe)

. Grunt- najczęstszy typ. Takie farmy wiatrowe są instalowane na wzgórzach lub pagórkach.

. Offshore. Zbudowane są na płytkiej wodzie, w znacznej odległości od wybrzeża. Energia elektryczna jest doprowadzana na ląd za pomocą kabli podwodnych.

. nadbrzeżny- zainstalowany w pewnej odległości od morza lub oceanu. Przybrzeżne farmy wiatrowe wykorzystują siłę wiatru.

. Ruchomy. Pierwsza pływająca turbina wiatrowa została zainstalowana w 2008 roku u wybrzeży Włoch. Generatory są instalowane na specjalnych platformach.

. Gwałtowne farmy wiatrowe umieszczone na wysokości na specjalnych poduszkach wykonanych z materiałów niepalnych i wypełnione helem. Energia elektryczna jest dostarczana do gruntu za pomocą lin.

Perspektywy i rozwój

Najpoważniejsze długoterminowe plany wykorzystania energii słonecznej mają Chiny, które do 2020 roku planują stać się światowym liderem w tej dziedzinie. Kraje EWG opracowują koncepcję, która umożliwi pozyskiwanie do 20% energii elektrycznej z alternatywnych źródeł. Departament Energii USA podaje mniejszą liczbę - do 2035 r. do 14%. W Rosji jest SES. Jeden z najpotężniejszych jest zainstalowany w Kisłowodzku.

Jeśli chodzi o wykorzystanie energii wiatrowej, oto kilka liczb. Europejskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej opublikowało dane pokazujące, że turbiny wiatrowe dostarczają energię elektryczną do wielu krajów na całym świecie. Tak więc w Danii 20% zużytej energii elektrycznej pochodzi z takich instalacji, w Portugalii i Hiszpanii - 11%, w Irlandii - 9%, w Niemczech - 7%.

Obecnie farmy wiatrowe są instalowane w ponad 50 krajach świata, a ich moc rośnie z roku na rok.

Strona główna > Abstrakt

Miejska placówka oświatowa „Liceum nr 43”

STOSOWANIE
ENERGIA SŁONECZNA

Zakończony: uczeń klasy 8A Nikulin Aleksiej W kratę: Vlaskina Maria Nikołajewna

Sarańsk, 2008

WPROWADZANIE

Energia Słońca jest źródłem życia na naszej planecie. Słońce ogrzewa atmosferę i powierzchnię ziemi. Dzięki energii słonecznej wieją wiatry, w przyrodzie odbywa się obieg wody, nagrzewają się morza i oceany, rozwijają się rośliny, zwierzęta mają pożywienie. To dzięki promieniowaniu słonecznemu na Ziemi istnieją paliwa kopalne. Energia słoneczna może zostać zamieniona na ciepło lub zimno, siłę napędową i energię elektryczną.

ILE ENERGII SŁONECZNEJ DOSTAJE DO ZIEMI?

Słońce promieniuje ogromną ilością energii – około 1,1x1020 kWh na sekundę. Kilowatogodzina to ilość energii potrzebna do działania 100-watowej żarówki przez 10 godzin. Zewnętrzna atmosfera Ziemi przechwytuje około jednej milionowej energii emitowanej przez Słońce, czyli około 1500 biliardów (1,5 x 1018) kWh rocznie. Jednak dzięki odbiciu, rozproszeniu i absorpcji przez gazy i aerozole atmosferyczne tylko 47% całej energii, czyli około 700 biliardów (7 x 1017) kWh, dociera do powierzchni Ziemi.

KORZYSTANIE Z ENERGII SŁONECZNEJ

W większości części świata ilość energii słonecznej, która dociera do dachów i ścian budynków, znacznie przekracza roczne zużycie energii przez mieszkańców tych budynków. Korzystanie ze światła słonecznego i ciepła to czysty, prosty i naturalny sposób na uzyskanie wszystkich potrzebnych nam form energii. Kolektory słoneczne mogą ogrzewać domy i budynki komercyjne i/lub dostarczać im ciepłą wodę. Światło słoneczne skoncentrowane przez lustra paraboliczne (odbłyśniki) służy do generowania ciepła (o temperaturach dochodzących do kilku tysięcy stopni Celsjusza). Może służyć do ogrzewania lub wytwarzania energii elektrycznej. Ponadto istnieje inny sposób wytwarzania energii za pomocą Słońca - technologia fotowoltaiczna. Ogniwa fotowoltaiczne to urządzenia, które zamieniają promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną.Promieniowanie słoneczne można zamienić na energię użytkową za pomocą tak zwanych aktywnych i pasywnych systemów słonecznych. Aktywne systemy słoneczne obejmują kolektory słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne. Systemy pasywne uzyskuje się poprzez projektowanie budynków i dobór materiałów budowlanych w taki sposób, aby maksymalnie wykorzystać energię słoneczną.Energia słoneczna zamieniana jest na energię użyteczną i pośrednio przekształcając się w inne formy energii, takie jak biomasa, energia wiatru czy wody. Energia Słońca „steruje” pogodą na Ziemi. Duża część promieniowania słonecznego jest pochłaniana przez oceany i morza, w których woda się nagrzewa, paruje i opada na ziemię w postaci deszczu, „zasilając” elektrownie wodne. Wiatr wymagany przez turbiny wiatrowe powstaje w wyniku nierównomiernego ogrzewania powietrza. Inną kategorią odnawialnych źródeł energii pochodzących z energii słonecznej jest biomasa. Rośliny zielone pochłaniają światło słoneczne, w wyniku fotosyntezy powstają w nich substancje organiczne, z których można następnie uzyskać ciepło i energię elektryczną. Zatem energia wiatru, wody i biomasy jest pochodną energii słonecznej.

PASYWNA ENERGIA SŁONECZNA

Budynki pasywne to takie, które w jak największym stopniu uwzględniają lokalne warunki klimatyczne, a do ogrzewania, chłodzenia i oświetlania budynku przy użyciu energii słonecznej stosuje się odpowiednie technologie i materiały. Obejmują one tradycyjne techniki budowlane i materiały, takie jak izolacja, lite podłogi i okna wychodzące na południe. Takie pomieszczenia mieszkalne można w niektórych przypadkach zbudować bez dodatkowych kosztów. W innych przypadkach dodatkowe koszty poniesione podczas budowy mogą zostać zrekompensowane niższymi kosztami energii. Pasywne budynki solarne są przyjazne dla środowiska, przyczyniają się do tworzenia niezależności energetycznej i zrównoważonej energetycznie przyszłości.W pasywnym systemie solarnym sama konstrukcja budynku działa jako kolektor promieniowania słonecznego. Ta definicja odpowiada większości najprostszych systemów, w których ciepło jest magazynowane w budynku przez ściany, sufity lub podłogi. Istnieją również systemy, w których w konstrukcję budynku wbudowuje się specjalne elementy do akumulacji ciepła (np. skrzynki z kamieniami lub zbiorniki lub butelki z wodą). Takie systemy są również klasyfikowane jako pasywne słoneczne. Pasywne budynki solarne to idealne miejsce do życia. Tutaj pełniej odczuwa się więź z naturą, w takim domu jest dużo naturalnego światła, oszczędza się energię elektryczną.

FABUŁA

Historycznie na projekt budynku miały wpływ lokalne warunki klimatyczne i dostępność materiałów budowlanych. Później ludzkość oddzieliła się od natury, podążając ścieżką dominacji i kontroli nad nią. Ta ścieżka prowadziła do tego samego typu budynków na prawie każdym obszarze. W 100 r. n.e. mi. historyk Pliniusz Młodszy zbudował letni dom w północnych Włoszech, którego jedno z pomieszczeń miało okna wykonane z cienkiej miki. Pomieszczenie było cieplejsze niż inne i potrzebowało mniej drewna do jego ogrzania. W słynnych rzymskich łaźniach w I-IV art. n. mi. Specjalnie zainstalowano duże okna wychodzące na południe, aby więcej ciepła słonecznego mogło dostać się do budynku. Przez VI art. solary w domach i budynkach użyteczności publicznej stały się tak powszechne, że Kodeks Justyniana wprowadził „prawo do słońca”, aby zagwarantować indywidualny dostęp do słońca. W XIX wieku dużą popularnością cieszyły się szklarnie, w których modne było przechadzać się w cieniu bujnej roślinności.W związku z przerwami w dostawie prądu w czasie II wojny światowej, pod koniec 1947 roku w Stanach Zjednoczonych pojawiły się budynki wykorzystujące pasywną energię słoneczną. tak ogromne zapotrzebowanie, że Libbey-Owens-Ford Glass Company opublikowało książkę zatytułowaną „Your Solar Home” zawierającą 49 najlepszych projektów budynków wykorzystujących energię słoneczną. W połowie lat pięćdziesiątych architekt Frank Bridgers zaprojektował pierwszy na świecie budynek biurowy wykorzystujący energię słoneczną. Zainstalowany w nim system solarny do ciepłej wody od tego czasu działa bez zarzutu. Sam budynek Bridgers Paxton Building jest wpisany do krajowego rejestru zabytków jako pierwszy na świecie budynek biurowy ogrzewany energią słoneczną.Niskie ceny ropy naftowej po II wojnie światowej odwróciły uwagę opinii publicznej od budynków wykorzystujących energię słoneczną i kwestii efektywności energetycznej. Od połowy lat 90. rynek zmienia swoje nastawienie do ekologii i wykorzystania energii odnawialnej, aw budownictwie pojawiły się trendy, które charakteryzują się połączeniem przyszłego projektu budowlanego z otaczającą naturą.

PASYWNE SYSTEMY SŁONECZNE

Istnieje kilka głównych sposobów na pasywne wykorzystanie energii słonecznej w architekturze. Za ich pomocą możesz tworzyć wiele różnych schematów, uzyskując w ten sposób różnorodne projekty budowlane. Priorytety przy budowie budynku z pasywnym wykorzystaniem energii słonecznej to: dobra lokalizacja domu; duża liczba okien skierowanych na południe (na półkuli północnej), aby wpuścić więcej światła słonecznego zimą (i odwrotnie, niewielka liczba okien skierowanych na wschód lub zachód, aby ograniczyć niepożądane światło słoneczne latem); prawidłowe obliczenie obciążenia cieplnego wnętrza w celu uniknięcia niepożądanych wahań temperatury i utrzymania ciepła w nocy, dobrze izolowana konstrukcja budynku Lokalizacja, izolacja, orientacja okien i obciążenie cieplne pomieszczeń muszą stanowić jeden system. Aby zmniejszyć wahania temperatury wewnętrznej, izolację należy umieścić na zewnątrz budynku. Jednak w miejscach o szybkim ogrzewaniu wewnętrznym, gdzie wymagana jest niewielka izolacja lub gdzie pojemność cieplna jest niska, izolacja powinna znajdować się od wewnątrz. Wtedy projekt budynku będzie optymalny dla każdego mikroklimatu. Warto zwrócić uwagę na fakt, że odpowiednia równowaga pomiędzy obciążeniem cieplnym lokalu a izolacją prowadzi nie tylko do oszczędności energii, ale także do oszczędności materiałów budowlanych.

ARCHITEKTURA SOLARNA I AKTYWNY SOLAR
SYSTEMY

Podczas projektowania budynku należy również rozważyć wykorzystanie aktywnych systemów słonecznych (patrz poniżej), takich jak kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne. To urządzenie jest zainstalowane po południowej stronie budynku. Aby zmaksymalizować ilość ciepła zimą, kolektory słoneczne w Europie i Ameryce Północnej należy montować pod kątem większym niż 50° od poziomu. Stałe panele fotowoltaiczne odbierają największą ilość promieniowania słonecznego w ciągu roku, gdy kąt nachylenia względem horyzontu jest równy szerokości geograficznej, na której znajduje się budynek. Kąt nachylenia dachu budynku i jego orientacja na południe to ważne aspekty przy projektowaniu budynku. Kolektory słoneczne do zaopatrzenia w ciepłą wodę i panele fotowoltaiczne powinny znajdować się w bliskiej odległości od miejsca poboru energii. Należy pamiętać, że bliskość łazienki i kuchni pozwala zaoszczędzić na instalacji aktywnych systemów słonecznych (w tym przypadku można zastosować jeden kolektor słoneczny na dwa pomieszczenia) oraz zminimalizować straty energii na transport. Głównym kryterium wyboru sprzętu jest jego wydajność.

STRESZCZENIE

KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

Od czasów starożytnych człowiek wykorzystywał energię słoneczną do podgrzewania wody. Podstawą wielu systemów energii słonecznej jest zastosowanie kolektorów słonecznych. Kolektor pochłania energię świetlną ze słońca i zamienia ją na ciepło, które jest przekazywane do chłodziwa (cieczy lub powietrza), a następnie wykorzystywane do ogrzewania budynków, podgrzewania wody, wytwarzania energii elektrycznej, suszenia produktów rolnych czy gotowania potraw. Kolektory słoneczne mogą być stosowane w prawie wszystkich procesach wykorzystujących ciepło.Dla typowego budynku mieszkalnego lub mieszkania w Europie i Ameryce Północnej ogrzewanie wody jest drugim najbardziej energochłonnym procesem domowym. W przypadku wielu domów jest to nawet najbardziej energochłonne. Wykorzystanie energii słonecznej może obniżyć koszty ogrzewania wody użytkowej o 70%. Kolektor podgrzewa wodę, która jest następnie podawana do tradycyjnej kolumny lub kotła, gdzie woda jest podgrzewana do żądanej temperatury. Powoduje to znaczne oszczędności kosztów. Taki system jest łatwy w instalacji i prawie nie wymaga konserwacji.Dziś słoneczne systemy podgrzewania wody są stosowane w domach prywatnych, budynkach mieszkalnych, szkołach, myjniach samochodowych, szpitalach, restauracjach, rolnictwie i przemyśle. Wszystkie te zakłady mają coś wspólnego: korzystają z ciepłej wody. Właściciele domów i liderzy biznesu przekonali się już, że słoneczne systemy podgrzewania wody są opłacalne i są w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę w dowolnym regionie świata.

FABUŁA

Ludzie ogrzewali wodę za pomocą Słońca od czasów starożytnych, zanim paliwa kopalne przejęły prym w światowej energii. Zasady ogrzewania słonecznego znane są od tysięcy lat. Powierzchnia pomalowana na czarno nagrzewa się mocno na słońcu, podczas gdy powierzchnie jasne nagrzewają się mniej, białe mniej niż wszystkie inne. Ta właściwość jest wykorzystywana w kolektorach słonecznych - najbardziej znanych urządzeniach bezpośrednio wykorzystujących energię słońca. Kolektory zostały opracowane około dwieście lat temu. Najsłynniejszy z nich, płaski kolektor, został wykonany w 1767 roku przez szwajcarskiego naukowca Horace de Saussure. Był później używany do gotowania przez Sir Johna Herschela podczas jego wyprawy do Afryki Południowej w latach 30. XIX w. obudowa i miedziane rury. Kolektor ten był bardzo podobny do nowoczesnego systemu termosyfonowego (patrz niżej). Do końca I wojny światowej Bailey sprzedał 4000 tych kolekcjonerów, a biznesmen z Florydy, który kupił od niego patent, do 1941 roku sprzedał prawie 60 000 kolekcjonerów. Reglamentacja miedzi wprowadzona w USA podczas II wojny światowej doprowadziła do gwałtownego spadku rynku grzejników słonecznych.Przed światowym kryzysem naftowym w 1973 r. urządzenia te pozostawały w zapomnieniu. Kryzys rozbudził jednak nowe zainteresowanie alternatywnymi źródłami energii. W rezultacie wzrosło również zapotrzebowanie na energię słoneczną. Wiele krajów jest żywo zainteresowanych rozwojem tego obszaru. Efektywność solarnych systemów grzewczych stale wzrasta od lat 70., dzięki zastosowaniu do osłony kolektorów szkła hartowanego o niskiej zawartości żelaza (przepuszcza więcej energii słonecznej niż zwykłe szkło), lepszej izolacyjności termicznej oraz trwałej selektywnej powłoce.

RODZAJE KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

Typowy kolektor słoneczny magazynuje energię słoneczną w modułach z rur i metalowych płyt zamontowanych na dachu budynku, pomalowanych na czarno dla maksymalnej absorpcji promieniowania. Są zamknięte w szkle lub plastiku i nachylone na południe, aby uchwycić maksimum światła słonecznego. Tak więc kolektor jest miniaturową szklarnią, która akumuluje ciepło pod szklaną taflą. Ponieważ promieniowanie słoneczne jest rozłożone na powierzchni, kolektor musi mieć dużą powierzchnię.W zależności od zastosowania dostępne są kolektory słoneczne o różnych rozmiarach i konstrukcjach. Mogą dostarczać gospodarstwom domowym gorącą wodę do prania, kąpieli i gotowania lub służyć do wstępnego podgrzewania wody w istniejących podgrzewaczach wody. Obecnie rynek oferuje wiele różnych modeli kolekcjonerów. Można je podzielić na kilka kategorii. Na przykład rozróżnia się kilka typów kolektorów ze względu na temperaturę, jaką dają: Kolektory niskotemperaturowe wytwarzają ciepło niskiej jakości, poniżej 50 stopni Celsjusza. Służą do podgrzewania wody w basenach oraz w innych przypadkach, gdy nie jest wymagana zbyt ciepła woda.Kolektory średniotemperaturowe wytwarzają wysokie i średnie potencjalne ciepło (powyżej 50 C, zwykle 60-80 C). Najczęściej są to przeszklone kolektory płaskie, w których wymiana ciepła odbywa się za pomocą cieczy lub koncentratory, w których ciepło jest skoncentrowane. Przedstawicielem tych ostatnich jest próżniowy kolektor rurowy, który jest często wykorzystywany do podgrzewania wody w sektorze mieszkaniowym.Kolektory wysokotemperaturowe są płytami parabolicznymi i są wykorzystywane głównie przez przedsiębiorstwa energetyczne do produkcji energii elektrycznej dla sieci elektroenergetycznych.

ZASADA DZIAŁANIA

Powietrzne kolektory słoneczne można podzielić na grupy ze względu na sposób cyrkulacji powietrza. W najprostszych z nich powietrze przechodzi przez kolektor pod absorberem. Ten typ kolektora nadaje się tylko do wzrostu temperatury o 3-5 oC ze względu na duże straty ciepła na powierzchni kolektora przez konwekcję i promieniowanie. Straty te można znacznie zmniejszyć pokrywając absorber przezroczystym materiałem o niskim przewodnictwie podczerwieni. W takim kolektorze przepływ powietrza następuje albo pod absorberem, albo pomiędzy absorberem a przezroczystą pokrywą. Dzięki przezroczystej osłonie promieniowanie cieplne z absorbera jest nieznacznie zmniejszone, ale dzięki ograniczeniu konwekcyjnych strat ciepła można osiągnąć wzrost temperatury o 20-50 °C, w zależności od ilości promieniowania słonecznego i intensywności przepływ powietrza. Dalszą redukcję strat ciepła można osiągnąć, przepuszczając strumień powietrza zarówno nad, jak i pod absorberem, ponieważ podwaja to powierzchnię wymiany ciepła. Strata ciepła spowodowana promieniowaniem jest zatem zmniejszona dzięki obniżonej temperaturze absorbera. Jednocześnie jednak zmniejsza się również chłonność absorbera z powodu gromadzenia się kurzu, jeśli przepływ powietrza przechodzi z obu stron absorbera.Niektóre kolektory słoneczne mogą obniżyć koszty poprzez wyeliminowanie przeszklenia, metalowej skrzynki i izolacja. Taki kolektor wykonany jest z czarnej blachy perforowanej, która pozwala na uzyskanie dobrego transferu ciepła. Słońce ogrzewa metal, a wentylator wciąga ogrzane powietrze przez otwory w metalu. Takie kolektory o różnych rozmiarach są używane w domach prywatnych. Typowy kolektor o wymiarach 2,4 na 0,8 metra może ogrzać 0,002 m3 powietrza zewnętrznego na sekundę. W słoneczny zimowy dzień powietrze w kolektorze nagrzewa się o 28°C w porównaniu z powietrzem na zewnątrz. Poprawia to jakość powietrza wewnątrz domu, ponieważ kolektor bezpośrednio ogrzewa świeże powietrze napływające z zewnątrz. Kolektory te osiągnęły bardzo wysoką sprawność – w niektórych zastosowaniach przemysłowych przekracza ona 70%. Ponadto nie wymagają szklenia, izolacji i są tanie w produkcji.

PIASTY

Kolektory skupiające (koncentratory) wykorzystują powierzchnie lustrzane do skupienia energii słonecznej na absorberze, zwanym również „radiatorem”. Osiągają temperatury znacznie wyższe niż kolektory płaskie, ale mogą skupiać jedynie bezpośrednie promieniowanie słoneczne, co skutkuje słabą wydajnością przy mglistej lub pochmurnej pogodzie. Powierzchnia lustra skupia światło słoneczne odbite od dużej powierzchni na mniejszej powierzchni absorbera, dzięki czemu uzyskuje się wysoką temperaturę. W niektórych modelach promieniowanie słoneczne jest skoncentrowane w punkcie ogniskowym, podczas gdy w innych promienie słoneczne są skoncentrowane wzdłuż cienkiej linii ogniskowej. Odbiornik znajduje się w ognisku lub wzdłuż linii ogniskowej. Płyn przenoszący ciepło przechodzi przez odbiornik i pochłania ciepło. Takie koncentratory kolektorów najlepiej sprawdzają się w regionach o dużym nasłonecznieniu - w pobliżu równika i na obszarach pustynnych.Koncentratory działają najlepiej, gdy są skierowane bezpośrednio do Słońca. W tym celu wykorzystywane są urządzenia śledzące, które w ciągu dnia zwracają „twarz” kolektora do Słońca. Trackery jednoosiowe obracają się ze wschodu na zachód; dwuosiowy - ze wschodu na zachód i z północy na południe (śledząc ruch Słońca po niebie w ciągu roku). Huby są używane głównie w instalacjach przemysłowych, ponieważ są drogie, a urządzenia śledzące wymagają stałej konserwacji. Niektóre domowe systemy zasilania energią słoneczną wykorzystują koncentratory paraboliczne. Jednostki te służą do zaopatrzenia w ciepłą wodę, ogrzewania i oczyszczania wody. W systemach domowych stosuje się głównie jednoosiowe urządzenia śledzące - są tańsze i prostsze niż dwuosiowe. Więcej informacji na temat koncentratorów można znaleźć w rozdziale poświęconym elektrowniom słonecznym.

PIECE SŁONECZNE I DESTYLATORY

Istnieją inne niedrogie, proste technologicznie kolektory słoneczne o wąskim przeznaczeniu - piece słoneczne (do gotowania) i destylatory słoneczne, które pozwalają tanio pozyskać wodę destylowaną z niemal każdego źródła.Piekarniki słoneczne są tanie i łatwe w produkcji. Składają się z obszernej, dobrze izolowanej skrzynki wyłożonej materiałem odbijającym światło (np. folią), przykrytej szkłem i wyposażonej w zewnętrzny odbłyśnik. Czarna patelnia pełni funkcję chłonną, nagrzewa się szybciej niż zwykłe naczynia aluminiowe lub ze stali nierdzewnej. Do dezynfekcji wody można wykorzystać piece solarne, doprowadzając ją do wrzenia.Destylatory solarne zapewniają tanią wodę destylowaną, a jako źródło można wykorzystać nawet słoną lub silnie zanieczyszczoną wodę. Opierają się na zasadzie odparowywania wody z otwartego pojemnika. Destylator słoneczny wykorzystuje energię słoneczną do przyspieszenia tego procesu. Składa się z ciemnego, izolowanego termicznie pojemnika z przeszkleniem, który jest przechylony tak, aby skroplona świeża woda spływała do specjalnego pojemnika. Mały destylator słoneczny wielkości kuchennego pieca może w słoneczny dzień wyprodukować do dziesięciu litrów wody destylowanej.

PRZYKŁADY ENERGII SŁONECZNEJ

Energia słoneczna jest wykorzystywana w następujących przypadkach:

dostarczanie ciepłej wody do budynków mieszkalnych, budynków użyteczności publicznej i przedsiębiorstw przemysłowych; ogrzewanie basenu; ogrzewania pomieszczeń; suszenie produktów rolnych itp.; chłodnictwo i klimatyzacja; oczyszczanie wody; gotowanie żywności. Stosowane technologie są w pełni rozwinięte, a dwie pierwsze są również opłacalne ekonomicznie w sprzyjających warunkach. Zobacz poniżej osobny artykuł o kolektorach-koncentratorach, które są przydatne do wytwarzania energii elektrycznej, szczególnie w regionach o dużym nasłonecznieniu (patrz rozdział „Elektrownie słoneczne”).

SŁONECZNE SYSTEMY CIEPŁEJ WODY

Obecnie kilka milionów domów i firm korzysta z solarnych systemów podgrzewania wody. Jest to ekonomiczny i niezawodny rodzaj zaopatrzenia w ciepłą wodę. Ciepła woda użytkowa lub ogrzewanie słoneczne to naturalny i łatwy sposób oszczędzania energii i paliw kopalnych. Dobrze zaprojektowany i prawidłowo zainstalowany system solarny może zwiększyć wartość domu ze względu na jego estetyczny wygląd. W nowych budynkach takie systemy są uwzględnione w ogólnym planie budowy, dzięki czemu są prawie niewidoczne z zewnątrz, podczas gdy często trudno jest dostosować system do starego budynku.Kolektor słoneczny pozwala właścicielowi zaoszczędzić pieniądze bez posiadania szkodliwy wpływ na środowisko. Zastosowanie jednego kolektora słonecznego może zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o jedną do dwóch ton rocznie. Przejście na energię słoneczną zapobiega również emisji innych zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek siarki, tlenek węgla i podtlenek azotu.Ciepła woda jest najczęstszą formą bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej. Typowa instalacja składa się z jednego lub więcej kolektorów, w których ciecz jest podgrzewana przez słońce, a także zasobnika ciepłej wody ogrzewanego nośnikiem ciepła. Nawet w regionach o stosunkowo niewielkim promieniowaniu słonecznym, takich jak Europa Północna, system słoneczny może zapewnić 50-70% zapotrzebowania na ciepłą wodę. Więcej nie można uzyskać, chyba że poprzez dostosowanie sezonowe (patrz rozdział poniżej). W Europie Południowej kolektor słoneczny może zapewnić 70-90% zużywanej ciepłej wody. Ogrzewanie wody energią słoneczną to bardzo praktyczny i ekonomiczny sposób. Podczas gdy systemy fotowoltaiczne osiągają wydajność 10-15%, termiczne systemy słoneczne wykazują wydajność 50-90%. W połączeniu z piecami opalanymi drewnem, zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową można zaspokoić prawie przez cały rok bez użycia paliw kopalnych.

CZY KOLEKTOR SŁONECZNY MOŻE KONKURENOWAĆ?
Z ZWYKŁYMI GRZEJNIKAMI?

Koszt kompletnego systemu ciepłej wody i ogrzewania różni się znacznie w zależności od kraju: w Europie i Stanach Zjednoczonych wynosi od 2000 do 4000 USD. Zależy to w szczególności od wymagań dotyczących ciepłej wody przyjętych w danym kraju oraz klimatu. Początkowa inwestycja w taki system jest zazwyczaj wyższa niż wymagana do zainstalowania podgrzewacza elektrycznego lub gazowego, ale w połączeniu, całkowity koszt eksploatacji słonecznych podgrzewaczy wody jest zazwyczaj niższy niż w przypadku konwencjonalnych systemów grzewczych. Należy zauważyć, że główny okres zwrotu środków zainwestowanych w system słoneczny zależy od cen kopalnych nośników energii, które zastępuje. W krajach Unii Europejskiej okres zwrotu zwykle wynosi mniej niż 10 lat. Przewidywana żywotność solarnych systemów grzewczych to 20-30 lat Ważną cechą instalacji solarnej jest jej zwrot energii - czas potrzebny do wytworzenia przez instalację solarną takiej ilości energii, jaka byłaby zużyta na jej produkcję. W Europie Północnej, która otrzymuje mniej energii słonecznej niż w innych zamieszkałych częściach świata, instalacja solarna do podgrzewania ciepłej wody płaci za wydaną na nią energię w ciągu 3-4 lat.

OGRZEWANIE POMIESZCZEŃ ENERGIĄ SŁONECZNĄ

Powyżej mówiliśmy tylko o podgrzewaniu wody energią słoneczną. Aktywny solarny system grzewczy może nie tylko dostarczać ciepłą wodę, ale także dogrzewać za pośrednictwem sieci ciepłowniczej. Aby zapewnić wydajność takiego systemu, temperatura centralnego ogrzewania musi być minimalna (najlepiej około 50°C), konieczne jest również akumulowanie ciepła do ogrzewania. Dobrym rozwiązaniem jest połączenie systemu solarnego z ogrzewaniem podłogowym, w którym podłoga pełni rolę akumulatora ciepła.Systemy solarne do ogrzewania pomieszczeń są mniej opłacalne niż podgrzewacze wody zarówno z ekonomicznego, jak i energetycznego punktu widzenia, ponieważ ogrzewanie jest rzadko potrzebne latem. Ale jeśli latem trzeba ogrzewać pomieszczenia (na przykład na obszarach górskich), instalacje grzewcze stają się opłacalne. Na przykład w Europie Środkowej około 20% całkowitego obciążenia cieplnego tradycyjnego domu i około 50% domu niskoenergetycznego może być zasilane przez nowoczesny aktywny system słoneczny z magazynowaniem ciepła. Pozostałe ciepło musi zapewnić dodatkowa elektrownia. W celu zwiększenia udziału energii pozyskiwanej ze Słońca konieczne jest zwiększenie pojemności akumulatora ciepła.W Szwajcarii instalacje solarne przeznaczone są do domów prywatnych z dobrze izolowanymi zbiornikami magazynowymi o pojemności 5-30 m 3 (tzw. systemy Jenny), ale są drogie, a przechowywanie ciepłej wody często niepraktyczne. Składnik solarny systemu Jenny przekracza 50%, a nawet osiąga 100%.Jeżeli opisany powyżej system był w całości obsługiwany przez instalację solarnego podgrzewania wody, wówczas powierzchnia kolektora 25m 3 i zasobnik o pojemności 85 m 3 z izolacją termiczną o grubości 100 cm Zwiększenie pojemności cieplnej baterii prowadzi do znacznej poprawy praktycznych możliwości magazynowania.Chociaż technicznie możliwe jest ogrzewanie domów jednorodzinnych energią słoneczną opłacalne dzisiaj jest inwestowanie w izolację termiczną w celu zmniejszenia zapotrzebowania na ogrzewanie.

PRZEMYSŁOWE WYKORZYSTANIE CIEPŁA SŁONECZNEGO

Nie tylko gospodarstwa domowe, ale także firmy wykorzystują słoneczne podgrzewacze wody do wstępnego podgrzania wody przed użyciem innych metod, aby doprowadzić ją do wrzenia lub odparowania. Mniejsza ekspozycja na zmienne ceny energii to kolejny czynnik, który sprawia, że systemy słoneczne są atrakcyjną inwestycją. Zazwyczaj instalacja słonecznego podgrzewacza wody skutkuje szybką i znaczną oszczędnością energii. W zależności od wymaganej ilości ciepłej wody i lokalnego klimatu firma może zaoszczędzić 40-80% kosztów energii elektrycznej i innych źródeł energii. Na przykład dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę w 24-piętrowym biurowcu Kuk Jay w Seulu w Korei Południowej jest zaspokajane w ponad 85% dzięki słonecznemu systemowi podgrzewania wody. System działa od 1984 roku. Okazała się na tyle skuteczna, że przekroczyła planowane wielkości i zapewnia dodatkowo od 10 do 20% rocznego zapotrzebowania na ciepło.Istnieje kilka różnych typów solarnych systemów podgrzewania wody. Jednak ilość ciepłej wody normalnie wymagana przez firmę może być zapewniona tylko przez aktywny system. Aktywny system składa się zazwyczaj z kolektorów słonecznych zamontowanych na południowym połaci dachu (na półkuli północnej) oraz zbiornika magazynowego zainstalowanego w pobliżu kolektora słonecznego. Gdy na panel trafi wystarczająca ilość promieniowania słonecznego, specjalny regulator uruchamia pompę, która zaczyna tłoczyć ciecz - wodę lub płyn niezamarzający - przez panel słoneczny. Płyn odbiera ciepło z kolektora i przekazuje je do zbiornika wody, gdzie jest magazynowane do czasu użycia. Jeśli instalacja solarna nie podgrzała wody do żądanej temperatury, można zastosować dodatkowe źródło energii. Rodzaj i wielkość systemu określa się w taki sam sposób, jak wielkość kolektora słonecznego dla budynku mieszkalnego (patrz wyżej). Konserwacja przemysłowych systemów solarnych zależy od rodzaju i wielkości systemu, jednak ze względu na swoją prostotę wymaga minimalnej konserwacji.W przypadku wielu rodzajów działalności komercyjnej i przemysłowej największą zaletą kolektora słonecznego jest oszczędność paliwa i energii. Nie możemy jednak zapominać o znaczących korzyściach dla środowiska. Emisja do powietrza zanieczyszczeń takich jak gaz siarkowy, tlenek węgla i podtlenek azotu zmniejsza się, gdy właściciel firmy decyduje się na korzystanie z czystszego źródła energii – Słońca.

CHŁODZENIE SŁONECZNE

Globalne zapotrzebowanie na energię do klimatyzacji i chłodnictwa rośnie. Wynika to nie tylko z rosnącej potrzeby komfortu w krajach rozwiniętych, ale także z potrzeby przechowywania żywności i artykułów medycznych w regionach o ciepłym klimacie, zwłaszcza w krajach trzeciego świata.Istnieją trzy główne metody aktywnego chłodzenia. Przede wszystkim zastosowanie sprężarek elektrycznych, które są dziś standardowym urządzeniem chłodzącym w Europie. Po drugie zastosowanie klimatyzatorów absorpcyjnych napędzanych energią cieplną. Oba typy są używane do klimatyzacji, tj. woda chłodząca do 5 °C i zamrażająca poniżej 0 °C. Istnieje trzecia możliwość klimatyzacji - chłodzenie wyparne. Wszystkie systemy mogą być zasilane energią słoneczną, ich dodatkowym atutem jest zastosowanie absolutnie bezpiecznych płynów roboczych: czystej wody, soli fizjologicznej czy amoniaku. Możliwe zastosowania tej technologii to nie tylko klimatyzacja, ale także chłodnictwo do przechowywania żywności itp.

WYSUSZENIE

Kolektor słoneczny ogrzewający powietrze może służyć jako tanie źródło ciepła do suszenia upraw takich jak zboża, owoce czy warzywa. Ponieważ kolektory słoneczne o wysokiej sprawności podgrzewają powietrze w pomieszczeniu o 5-10 °C (a skomplikowane urządzenia - nawet więcej), można je wykorzystać do klimatyzacji w magazynach, zmniejszając ogromne straty plonów w krajach rozwijających się. Brak odpowiednich warunków przechowywania prowadzi do znacznych strat żywności. Chociaż nie jest możliwe dokładne oszacowanie rozmiarów strat upraw w tych krajach, niektóre źródła podają je na około 50-60%. Aby uniknąć takich strat, hodowcy zazwyczaj sprzedają plony zaraz po zbiorach po niskich cenach. Zmniejszenie strat poprzez suszenie świeżych owoców byłoby bardzo korzystne zarówno dla producentów, jak i konsumentów. W niektórych krajach rozwijających się suszenie na świeżym powietrzu jest szeroko stosowane do przechowywania żywności. Aby to zrobić, produkt kładzie się na ziemi, kamieniach, na poboczach dróg lub na dachach. Zaletą tej metody jest jej prostota i niski koszt. Jednak jakość produktu końcowego jest niska z powodu długiego czasu schnięcia, zanieczyszczenia, inwazji owadów i psucia się z powodu przegrzania. Ponadto osiągnięcie dostatecznie niskiej zawartości wilgoci jest trudne i często powoduje psucie się produktu podczas przechowywania. Wprowadzenie suszarek słonecznych pomoże poprawić jakość suszonych produktów i zmniejszyć straty.

PIECE SŁONECZNE

Pomyślne wykorzystanie pieców słonecznych (kuchenek) odnotowano w Europie i Indiach już w XVIII wieku. Kuchenki i piekarniki na energię słoneczną pochłaniają energię słoneczną, zamieniając ją w ciepło, które jest magazynowane w zamkniętej przestrzeni. Pochłonięte ciepło wykorzystywane jest do gotowania, smażenia i pieczenia. Temperatura w piekarniku solarnym może sięgać 200 st. C. Piece solarne występują w wielu kształtach i rozmiarach. Oto kilka przykładów: piekarnik, piekarnik koncentratora, reflektor, parownik słoneczny itp. Przy całej różnorodności modeli wszystkie piekarniki wychwytują ciepło i utrzymują je w izolowanej termicznie komorze. W większości modeli światło słoneczne bezpośrednio wpływa na żywność.

BOX PIEKARNIK SŁONECZNY

Pudełkowe piece solarne składają się z dobrze izolowanej skrzynki, pomalowanej od wewnątrz na czarno, w której umieszczane są czarne garnki z jedzeniem. Skrzynka przykryta jest dwuwarstwowym „okienkiem”, które przepuszcza promieniowanie słoneczne do wnętrza skrzynki i zatrzymuje ciepło w środku. Dodatkowo przymocowana jest do niego pokrywa z lusterkiem od wewnątrz, która po złożeniu zwiększa promieniowanie padające, a po zamknięciu poprawia izolacyjność cieplną pieca.Główne zalety boxowych pieców solarnych:

Używaj zarówno bezpośredniego, jak i rozproszonego promieniowania słonecznego. Mogą podgrzewać kilka patelni jednocześnie. Są lekkie, przenośne i łatwe w obsłudze. Nie muszą podążać za Słońcem. Umiarkowane temperatury sprawiają, że mieszanie nie jest konieczne. Jedzenie pozostaje ciepłe przez cały dzień. Są łatwe w produkcji i naprawie przy użyciu lokalnych materiałów. Są stosunkowo niedrogie (w porównaniu do innych typów piekarników solarnych). Oczywiście mają też pewne wady:

Z ich pomocą możesz gotować tylko w ciągu dnia. Ze względu na umiarkowane temperatury gotowanie zajmuje dużo czasu. Szklana pokrywa prowadzi do znacznych strat ciepła. Takie piekarniki „nie wiedzą, jak” smażyć. Ze względu na swoje zalety, pudełkowe piece solarne są najpopularniejszym typem piekarników solarnych. Są różnego rodzaju: produkcja przemysłowa, rzemieślnicza i domowa; kształtem może przypominać płaską walizkę lub szerokie niskie pudełko. Istnieją również piece stacjonarne wykonane z gliny, z pokrywą poziomą (w regionach tropikalnych i subtropikalnych) lub pochyloną (w klimacie umiarkowanym). Dla pięcioosobowej rodziny zalecane są modele standardowe o powierzchni apertury (obszarze wejścia) około 0,25 m2. W sprzedaży również większe wersje pieców - 1 m2 lub więcej.

PIEKARNIKI Z LUSTRZANEM (Z ODBLASKIEM)

Najprostszym piekarnikiem lustrzanym jest odbłyśnik paraboliczny i stojak na patelnie umieszczony w centrum piekarnika. Jeśli piec jest wystawiony na działanie słońca, to światło słoneczne odbija się od wszystkich reflektorów do punktu centralnego (ogniska), ogrzewając patelnię. Odbłyśnik może być paraboloidą wykonaną na przykład z blachy stalowej lub folii odblaskowej. Powierzchnia odbijająca jest zwykle wykonana z polerowanego aluminium, lustrzanego metalu lub tworzywa sztucznego, ale może również składać się z wielu małych płaskich lusterek przymocowanych do wewnętrznej powierzchni paraboloidy. W zależności od pożądanej ogniskowej odbłyśnik może mieć postać głębokiej miski, w której patelnia z jedzeniem jest całkowicie zanurzona (krótka ogniskowa, naczynia są chronione przed wiatrem) lub płytkiej płytki, jeśli patelnia jest zamontowana na punkt ogniskowy w pewnej odległości od reflektora Wszystkie piece - reflektory wykorzystują wyłącznie bezpośrednie promieniowanie słoneczne, dlatego muszą stale obracać się za słońcem. Komplikuje to ich obsługę, uzależniając użytkownika od pogody i urządzenia sterującego Zalety piekarników lustrzanych: Możliwość osiągania wysokich temperatur, a co za tym idzie szybkie gotowanie. Stosunkowo niedrogie modele. Niektóre z nich można również wykorzystać do pieczenia.Wymienionym zaletom towarzyszą pewne wady: W zależności od ogniskowej piekarnik musi obracać się za słońcem mniej więcej co 15 minut. Wykorzystywane jest tylko bezpośrednie promieniowanie, a rozproszone światło słoneczne jest tracone. Nawet przy niewielkim zachmurzeniu możliwe są duże straty ciepła. Obsługa takiego pieca wymaga pewnych umiejętności i zrozumienia zasad jego działania. Promieniowanie odbite przez reflektor jest bardzo jasne, oślepia oczy i może spowodować oparzenia w przypadku kontaktu z ogniskiem. Gotowanie jest ograniczone do godzin dziennych. Kucharz musi pracować w gorącym słońcu (z wyjątkiem piekarników o stałej ogniskowej). Wydajność pieca zależy w dużej mierze od zmieniającej się siły i kierunku wiatru. Potrawa gotowana w ciągu dnia stygnie do wieczora, a trudność w obsłudze tych piekarników w połączeniu z koniecznością stania na słońcu jest głównym powodem ich małej popularności. Ale w Chinach, gdzie gotowanie tradycyjnie wymaga dużej ilości ciepła i energii, są one szeroko rozpowszechnione.

DESTYLACJA SŁONECZNA

Na całym świecie wielu ludzi doświadcza niedoborów czystej wody. Z 2,4 miliarda ludzi w krajach rozwijających się mniej niż 500 milionów ma dostęp do czystej wody pitnej, nie mówiąc już o wodzie destylowanej. Destylacja słoneczna może pomóc rozwiązać ten problem. Destylator słoneczny to proste urządzenie, które zamienia słoną lub zanieczyszczoną wodę w czystą wodę destylowaną. Zasada destylacji słonecznej jest znana od dawna. W IV wieku pne Arystoteles zaproponował metodę odparowywania wody morskiej do produkcji wody pitnej. Jednak destylator słoneczny został zbudowany dopiero w 1874 roku, kiedy J. Harding i S. Wilson zbudowali go w Chile, aby zapewnić czystą wodę społeczności górniczej. Destylator o powierzchni 4700 m2 produkował 24 000 litrów wody dziennie. Obecnie tak wysokowydajne instalacje dostępne są w Australii, Grecji, Hiszpanii, Tunezji oraz na wyspie St. Vincent na Karaibach. Mniejsze jednostki są w powszechnym użyciu w innych krajach.Praktycznie każde wybrzeże morskie i obszary pustynne można zasiedlić wykorzystując energię słoneczną do podnoszenia i oczyszczania wody. Wszystkie etapy tego procesu – praca pompy, uzdatnianie i dostarczanie wody do destylatora – realizowane są z wykorzystaniem energii słonecznej.

JAKOŚĆ WODY

Woda pozyskiwana z takiej rośliny jest wysokiej jakości. Zwykle pokazuje najlepszy wynik, gdy testuje się ilość substancji rozpuszczonych w wodzie. Jest również nasycony powietrzem, ponieważ skrapla się w destylatorze w obecności powietrza. Woda może początkowo smakować dziwnie, ponieważ brakuje w niej minerałów, do których większość z nas jest przyzwyczajona. Testy pokazują, że destylacja wyeliminowała wszystkie bakterie, a zawartość pestycydów, nawozów i rozpuszczalników obniżyła się o 75-99,5%. Wszystko to ma ogromne znaczenie w krajach, w których ludzie nadal umierają na cholerę i inne choroby zakaźne.

SŁONECZNE ELEKTROWNIE TERMICZNE

Oprócz bezpośredniego wykorzystania ciepła słonecznego, w regionach o wysokim poziomie promieniowania słonecznego, może być wykorzystywane do wytwarzania pary, która obraca turbinę i generuje energię elektryczną. Produkcja słonecznej energii cieplnej na dużą skalę jest dość konkurencyjna. Przemysłowe zastosowanie tej technologii sięga lat 80-tych; od tego czasu branża rozwija się bardzo szybko. Ponad 400 megawatów elektrowni słonecznych zostało już zainstalowanych przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej w USA, dostarczając energię elektryczną 350 000 ludzi i wypierając równowartość 2,3 miliona baryłek ropy rocznie. Dziewięć elektrowni zlokalizowanych na pustyni Mojave (w amerykańskim stanie Kalifornia) ma zainstalowaną moc 354 MW i zgromadziło 100 lat doświadczenia w eksploatacji przemysłowej. Technologia ta jest na tyle zaawansowana, że według oficjalnych informacji może konkurować z tradycyjnymi technologiami wytwarzania energii w wielu częściach Stanów Zjednoczonych. W innych regionach świata wkrótce również powinny zostać uruchomione projekty wykorzystania ciepła słonecznego do wytwarzania energii elektrycznej. Indie, Egipt, Maroko i Meksyk opracowują odpowiednie programy, dotacje na ich finansowanie zapewnia Global Environment Facility (GEF). W Grecji, Hiszpanii i USA nowe projekty rozwijane są przez niezależnych producentów energii elektrycznej, zgodnie z metodą produkcji ciepła słoneczne elektrownie cieplne dzielą się na solarne koncentratory (lustra) i solarne stawy.

KONCENTRATORY SŁONECZNE

Takie elektrownie koncentrują energię słoneczną za pomocą soczewek i reflektorów. Ponieważ ciepło to może być magazynowane, takie stacje mogą generować energię elektryczną w zależności od potrzeb, w dzień lub w nocy, przy każdej pogodzie.Duże lustra - z ogniskiem punktowym lub liniowym - skupiają promienie słoneczne do tego stopnia, że woda zamienia się w parę, emitując wystarczającą ilość energii obracać turbinę. Luz Corp. zainstalował ogromne pola takich luster na kalifornijskiej pustyni. Produkują 354 MW energii elektrycznej. Systemy te mogą przetwarzać energię słoneczną na energię elektryczną z wydajnością około 15%.Technologie wytwarzania słonecznej energii cieplnej w oparciu o koncentrację światła słonecznego są na różnych etapach rozwoju. Koncentratory paraboliczne są już dziś wykorzystywane na skalę przemysłową: na pustyni Mojave (Kalifornia) moc instalacji wynosi 354 MW. Wieże solarne są w fazie projektów demonstracyjnych. W Barstow (USA) testowany jest projekt pilotażowy o nazwie „Solar Two” o mocy 10 MW. Systemy dyskowe przechodzą etap projektów demonstracyjnych. Kilka projektów jest w fazie rozwoju. W Golden (USA) działa prototypowa stacja o mocy 25 kilowatów. Elektrociepłownie słoneczne posiadają szereg cech, które czynią je wysoce atrakcyjną technologią na rozwijającym się globalnym rynku energii odnawialnej.Elektrownie słoneczne przeszły długą drogę w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. Ciągłe prace rozwojowe powinny uczynić te systemy bardziej konkurencyjnymi w stosunku do paliw kopalnych, zwiększyć ich niezawodność i stanowić poważną alternatywę w obliczu stale rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną Stawy słoneczne Ani zwierciadła skupiające, ani fotowoltaika słoneczna (patrz poniżej) nie mogą generować energii w nocy . W tym celu energia słoneczna zgromadzona w ciągu dnia musi być magazynowana w zasobnikach ciepła. Proces ten zachodzi naturalnie w tzw. stężenie na powierzchni. Światło słoneczne pada na powierzchnię stawu, a ciepło jest zatrzymywane w dolnych warstwach wody dzięki wysokiemu stężeniu soli. Woda o wysokim zasoleniu, ogrzewana energią słoneczną pochłoniętą przez dno stawu, nie może się podnieść ze względu na dużą gęstość. Pozostaje na dnie stawu, stopniowo się nagrzewając, aż prawie się zagotuje (podczas gdy górne warstwy wody pozostają stosunkowo zimne). Gorące dno „solanki” wykorzystywane jest w dzień lub w nocy jako źródło ciepła, dzięki czemu specjalna turbina z organicznym chłodziwem może generować energię elektryczną. Warstwa środkowa basenu solarnego pełni funkcję izolacji termicznej, zapobiegając konwekcji i utracie ciepła z dna na powierzchnię. Różnica temperatur między dnem a powierzchnią wody w stawie wystarcza do napędzania generatora. Płyn chłodzący, przepuszczany przez rury przez dolną warstwę wody, jest podawany dalej do zamkniętego systemu Rankina, w którym turbina obraca się, wytwarzając energię elektryczną.1. Wysokie stężenie soli2. Warstwa środkowa.3. Niskie stężenie soli4. Zimna woda „w” i ciepła woda „na zewnątrz”

Ogniwa fotoelektryczne

MODUŁY SŁONECZNE

Moduł słoneczny to bateria połączonych ze sobą ogniw słonecznych zamknięta pod szklaną pokrywą. Im intensywniejsze światło padające na fotokomórki i im większa ich powierzchnia, tym więcej energii elektrycznej jest generowana i tym większa siła prądu. Moduły są klasyfikowane według mocy szczytowej w watach (Wp). Wat to jednostka miary mocy. Jeden wat szczytowy to charakterystyka techniczna, która wskazuje wartość mocy instalacji w określonych warunkach, tj. gdy na element pada promieniowanie słoneczne o wartości 1 kW/m2 o temperaturze 25 °C. Intensywność tę osiąga się w dobrych warunkach pogodowych i przy zenicie Słońca. Do wytworzenia jednej mocy szczytowej potrzebne jest jedno ogniwo 10 x 10 cm. Większe moduły, 1 m x 40 cm, wytwarzają około 40-50 Wp. Jednak oświetlenie słoneczne rzadko osiąga 1 kW/m2. Ponadto na słońcu moduł nagrzewa się znacznie powyżej temperatury nominalnej. Oba te czynniki zmniejszają wydajność modułu. W typowych warunkach średnia wydajność wynosi około 6 Wh dziennie i 2000 Wh rocznie na Wp. 5 Wh to ilość energii zużywanej przez żarówkę o mocy 50 W w ciągu 6 minut (50 W x 0,1 h = 5 W h) lub przenośne radio w ciągu godziny (5 W x 1 h = 5 W h).

PRZEMYSŁOWE INSTALACJE FOTOELEKTRYCZNE

Od kilku lat małe systemy fotowoltaiczne są wykorzystywane w publicznym zaopatrzeniu w energię elektryczną, gaz i wodę, co świadczy o ich opłacalności. Większość z nich ma moc do 1 kW i zawiera baterie do magazynowania energii. Pełnią różne funkcje, od zasilania lamp sygnalizacyjnych na słupach energetycznych, przez alarmowanie samolotów, po monitorowanie jakości powietrza. Wykazały się niezawodnością i trwałością w przemyśle użyteczności publicznej i przygotowują grunt pod przyszłe wprowadzenie mocniejszych systemów.

WNIOSEK

Na środkowym pasie system solarny pozwala częściowo zaspokoić potrzeby ogrzewania. Doświadczenie eksploatacyjne pokazuje, że sezonowe oszczędności paliwa dzięki wykorzystaniu energii słonecznej sięgają 60% Mogą pracować w nieskończoność, a stały spadek kosztu wata słonecznego pozwoli elektrowniom słonecznym konkurować z innymi autonomicznymi źródłami energii, takimi jak elektrownie dieslowskie.

WYKAZ UŻYWANEJ LITERATURY

1. Lavrus V.S. Źródła energii / Seria "Information Edition", wydanie 3 "Science and Technology", 1997

Popularne w kategorii:

Zrób to sam bałwan na nowy rok

czytać

Jak zrobić walentynkę własnymi rękami na wszystkie możliwe sposoby!

czytać

Choinki wykonujemy z improwizowanych środków

czytać

Miejsca, w których możesz się dobrze bawić świętując urodziny Jak możesz...

czytać

Miejsca, w których można dobrze się bawić świętując dzień...

czytać

Wiersze dla siostry Cytaty o starszej siostrze z sensem

czytać

Krótkie cytaty o miłości ze znaczeniem

czytać

Książeczka czekowa pragnień dla ukochanej osoby...

czytać

Piękne animowane kartki Wszystkiego najlepszego...

czytać

Najpiękniejsze życzenia na dzień dobry C...

czytać

Wesołych walentynek, piękna...

czytać

Szczęśliwego Nowego Roku

czytać

Wykorzystanie energii słonecznej na ziemi krótko. Streszczenie: Energia słoneczna i perspektywy jej wykorzystania

abstrakcyjny

Wniosek

Wykorzystanie energii słonecznej

Gdzie jest wykorzystywana energia słoneczna?

Rodzaje energii słonecznej (elektrownie słoneczne)

Wykorzystanie energii wiatru

Rodzaje energetyki wiatrowej (farmy wiatrowe)

Perspektywy i rozwój

WPROWADZANIE

ILE ENERGII SŁONECZNEJ DOSTAJE DO ZIEMI?

KORZYSTANIE Z ENERGII SŁONECZNEJ

PASYWNA ENERGIA SŁONECZNA

FABUŁA

PASYWNE SYSTEMY SŁONECZNE

ARCHITEKTURA SOLARNA I AKTYWNY SOLAR SYSTEMY

STRESZCZENIE

KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

FABUŁA

RODZAJE KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

ZASADA DZIAŁANIA

PIASTY

PIECE SŁONECZNE I DESTYLATORY

PRZYKŁADY ENERGII SŁONECZNEJ

SŁONECZNE SYSTEMY CIEPŁEJ WODY

CZY KOLEKTOR SŁONECZNY MOŻE KONKURENOWAĆ? Z ZWYKŁYMI GRZEJNIKAMI?

OGRZEWANIE POMIESZCZEŃ ENERGIĄ SŁONECZNĄ

PRZEMYSŁOWE WYKORZYSTANIE CIEPŁA SŁONECZNEGO

CHŁODZENIE SŁONECZNE

WYSUSZENIE

PIECE SŁONECZNE

BOX PIEKARNIK SŁONECZNY

PIEKARNIKI Z LUSTRZANEM (Z ODBLASKIEM)

DESTYLACJA SŁONECZNA

JAKOŚĆ WODY

SŁONECZNE ELEKTROWNIE TERMICZNE

KONCENTRATORY SŁONECZNE

Ogniwa fotoelektryczne

MODUŁY SŁONECZNE

PRZEMYSŁOWE INSTALACJE FOTOELEKTRYCZNE

WNIOSEK

WYKAZ UŻYWANEJ LITERATURY

ARCHITEKTURA SOLARNA I AKTYWNY SOLAR
SYSTEMY

CZY KOLEKTOR SŁONECZNY MOŻE KONKURENOWAĆ?
Z ZWYKŁYMI GRZEJNIKAMI?