Без энергии невозможна жизнь на планете. Физический закон сохранения энергии говорит о том, энергия не может возникнуть из ничего и не исчезает бесследно. Она может быть получена из природных ресурсов, таких как уголь, природный газ или уран, и превращена в удобные для нас формы, например, в тепло или свет. В окружающем нас мире можем находить различные формы накопления энергии, но важнейшим для человека является энергия, которую дают солнечные лучи- солнечная энергия.
Солнечная энергия относится к восстанавливаемым источникам энергии, то есть восстанавливается без участия человека, естественным путем. Это один из экологически безопасных энергетических источников, который не загрязняет окружающую среду. Возможности применения солнечной энергии практически неограниченны и ученые всего мира работают над разработкой систем, которые расширяют возможности использования солнечной энергии.
Один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт энергии. Это примерно соответствует мощности работы 1 миллиона электрических ламп. Впечатляет такая цифра — Солнце дает Земле ежесекундно 80 тысяч миллиардов кВт, т.е в несколько раз больше, чем все электростанции мира. Перед современной наукой стоит задача — научиться наиболее полно и эффективно использовать энергию Солнца, как наиболее безопасную. Ученые считают, что повсеместное использование солнечной энергии— это будущее человечества.
Мировые запасы открытых месторождений угля и газа, при таких темпах их использования, как сегодня, должны истощиться в ближайшие 100 лет. Подсчитано, что в еще не разведанных месторождениях запасов горючих ископаемых хватило бы на 2-3 столетия. Но при этом наши потомки были бы лишены этих энергоносителей, а продукты их сгорания нанесли бы колоссальный ущерб окружающей среде.
Огромный потенциал имеет атомная энергия. Однако, Чернобыльская авария в апреле 1986 года показала, какие серьезные последствия может повлечь использование ядерной энергии. Общественность всего мира признала, что использование атомной энергии в мирных целях экономически оправдано, но следует соблюдать строжайшие меры безопасности при ее использовании.
Следовательно, наиболее чистый, безопасный источник энергии — Солнце!
Солнечная энергия может быть преобразована в полезную энергию посредством использования активных и пассивных солнечных энергетических систем.
Пассивные системы использования солнечной энергии.
Самый примитивный способ пассивного использования солнечной энергии — это окрашенная в темный цвет емкость для воды. Темный цвет, аккумулируясолнечную энергию, превращает ее в тепловую — вода нагревается.
Однако, есть более прогрессивные методы пассивного использования солнечной энергии. Разработаны строительные технологии, которые при проектировании зданий, учета климатических условий, подбора строительных материалов максимально используют солнечную энергию для обогрева или охлаждения, освещения зданий. При таком проектировании сама конструкция здания является коллектором, аккумулирующей солнечную энергию.
Так, в 100г н.э Плиний Младший построил небольшой дом на севере Италии. В одной из комнат окна сделаны из слюды. Оказалось, что эта комната теплее других и на ее обогрев требовалось меньше дров. В этом случае слюда являлась как изолятор, задерживающий тепло.
Современные строительные конструкции учитывают географическое положение зданий. Так, большое количество окон, выходящие на южную сторону, предусматривают в северных регионах, чтобы поступало больше солнечного света и тепла, и ограничивают количество окон с восточной и западной стороны, чтобы ограничить поступление солнечного света летом. В таких зданиях ориентация окон и расположение, тепловая нагрузка и теплоизоляция — единая конструкторская система при проектировании.
Такие здания экологически чистые, энергетически независимые и комфортные. В помещениях много естественного света, более полно ощущается связь с природой, к тому же существенно экономится электроэнергия. Тепло в таких зданиях сохраняется благодаря подобранным теплоизоляционным материалам стен, потолков, полов. Такие первое «солнечные» здания приобрели огромную популярность в Америке после Второй мировой войны. Впоследствии, из-за снижения цен на нефть, интерес к проектировке таких зданий несколько угас. Однако, сейчас, в связи с глобальным экологическим кризисом, наблюдается рост внимания к экологическим проектам с возобновляющимся энергетическим системам возросла вновь.
Активные системы использования солнечной энергии
В основе активных систем использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы. Коллектор, поглощая солнечную энергию, преобразует ее в тепло, которое через теплоноситель обогревает здания, нагревает воду, может преобразовать его в электрическую энергию и т.д. Солнечные коллекторы могут применятся во всех процессах в промышленности, сельском хозяйстве, бытовых нуждах, где используется тепло.
Виды коллекторов
воздушный солнечный коллектор
Это простейший вид солнечных коллекторов. Его конструкция предельно проста и напоминает эффект обычной теплицы, которая есть на любом дачном участке. Проведите небольшой эксперимент. В зимний солнечный день положите на подоконник любой предмет так, чтобы на него падали солнечные лучи и через некоторое время положите на него ладонь. Вы почувствуете, что этот предмет стал теплым. А за окном может быть — 20! Вот на этом принципе и основана работа солнечного воздушного коллектора.
Основной элемент коллектора — теплоизолированная пластина, сделанная из любого материала, который хорошо проводит тепло. Пластина окрашена в темный цвет. Солнечные лучи проходят через прозрачную поверхность, нагревают пластину, а потом потоком воздуха передают тепло в помещение. Воздух проходит благодаря естественной конвенции или при помощи вентилятора, что улучшает теплопередачу.
Однако, недостаток работы этой системы в том, что требуются дополнительные расходы на работу вентилятора. Эти коллекторы работают в течении светового дня, поэтому не могут заменить основной источник отопления. Однако, если вмонтировать коллектор в основной источник отопления или вентиляции, его КПД несоизмеримо возрастает. Солнечные воздушные коллекторы могут использоваться и для опреснения морской воды, что снижает ее себестоимость до 40 евроцентов за куб м.
Солнечные коллекторы могут быть плоскими и вакуумными.
плоский солнечный коллектор
Коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечную энергию, покрытия (стекло с пониженным содержанием металла) , трубопровода и термоизолирующего слоя. Прозрачное покрытие защищает корпус от неблагоприятных климатических условий. Внутри корпуса панель поглотителя солнечной энергии (абсорбера) соединена с теплоносителем, который циркулирует по трубам. Трубопровод может быть как в виде решетки, так и в виде серпантина. Теплоноситель движется по ним от входных до выходных патрубков, постепенно нагреваясь. Панель поглотителя изготавливается из металла, хорошо проводящему тепло (алюминий, медь).
Коллектор улавливает тепло, превращая его в тепловую энергию. Такие коллекторы можно вмонтировать в крышу или расположить на крыше здания, а можно расположить их отдельно. Это придаст дизайну участка современный вид.
вакуумный солнечный коллектор
Вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. Основным элементом коллекторов являются вакуумные трубки. Каждая из них состоит из двух стеклянных труб. Трубы изготавливают из боросиликатного стекла, причем внутренняя покрыта специальным покрытием, которое обеспечивает поглощение тепла с минимальным отражением. Из пространства между трубками выкачан воздух,. Для поддержания вакуума используется бариевый газопоглотитель. В исправном состоянии вакуумная трубка имеет серебристый цвет. Если она выглядит белой, то это значит, что вакуум исчез и трубку надо заменить.
Вакуумный коллектор состоит из комплекса вакуумных трубок (10-30) и осуществляет передачу тепла в накопительный резервуар через незамерзающую жидкость (теплоноситель). КПД вакуумных коллекторов высок:
- при облачной погоде, т.к. вакуумные трубки могут поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака
- могут работать при минусовых температурах.
Солнечные батареи.
Солнечная
батарея — это набор модулей, воспринимающих
и преобразующих солнечную энергию, в
том числе и тепловых. Но этот термин
традиционно закрепился за фитоэлектрическими
преобразователями. Поэтому, говоря
«солнечная батарея» подразумеваем
фитоэлектрическое устройство,
преобразующее солнечную энергию в
электрическую.
Солнечные батареи способны генерировать электрическую энергию постоянно или аккумулировать ее для дальнейшего использования. Впервые фотоэлектрические батареи были применены в на космических спутниках.
Достоинство солнечных батарей — максимальная простота конструкции, простой монтаж, минимальные требования к облуживанию, большой срок эксплуатации. При установке не требуют дополнительного места. Единственное условие — не затенять их в течении длительного времени и удалять пыль с рабочей поверхности. Современные солнечные батареи способны сохранять работоспособность в течении десятилетий! Трудно найти систему настолько безопасную, эффективную и с таким длительным сроком действия! Они вырабатывают энергию в течении всего светового дня, даже в пасмурную погоду.
Солнечные батареи имеют свои недостатки в применении:
- чувствительность к загрязнениям. (Если расположить батарею под углом 45 градусов, то она будет очищена дождями или снегом, тем самым не потребуется дополнительного обслуживания)
- чувствительность к высокой температуре. (Да, при нагреве до 100 — 125 градусов солнечная батарея может даже отключиться и может потребоваться система охлаждения. Вентиляционная систстема при этом затратит малую долю вырабатываемой батареей энергии. В современных конструкциях солнечных батарей предусмотрена система оттока горячего воздуха.)
- высокая цена. (Принимая во внимание длительный срок службы солнечных батарей, то она не только окупит затраты на ее приобретение, но и сэкономит средства при потреблении электроэнергии, сэкономит тонны традиционных видов топлива при том экологически безопасна)
Использование солнечных энергетических систем в строительстве.
В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах. Эти здания используют тихий, надежный и безопасный источник энергии — Солнце. Солнечная энергия используется для освещения, отопления помещений, охлаждения воздуха, вентиляции, производства электроэнергии.
Представляем несколько инновационных архитектурных проектов с использованием солнечных систем.
Фасад этого здания сконструирован из стекла, железа, алюминия с встроенными аккумуляторами солнечной энергии. Производимой энергии достаточно, чтобы не только обеспечить жителей дома автономным горячим водоснабжением и электричеством, но и освещать улицу 2,5 км в течении года. |
|
Этот
дом спроектировала группа американских
студентов. Проект был представлен на
конкурс «Проектирование, строительство
домов и эксплуатация солнечных
батарей». Условия конкурса:
представить архитектурный проект
жилого дома при его экономической
эффективности, энергосбережении и
привлекательности. Авторы проекта
доказали, что их проект доступен,
привлекателен для потребителя, сочетает
превосходный дизайн и максимальную
эффективность. (перевод с сайта
www.solardecathlon.gov)Источники возобновляемой энергии[править | править исходный текст]
Прачечная самообслуживания, использующая для работы солнечную энергию
Термоядерный синтез Солнца является источником большинства видов возобновляемой энергии, за исключением геотермической энергии и энергии приливов и отливов. По расчётам астрономов, оставшаяся продолжительность жизни Солнца составляет около пяти миллиардов лет, так что по человеческим масштабам возобновляемой энергии, происходящей от Солнца, истощение не грозит.
В строго физическом смысле энергия не возобновляется, а постоянно изымается из вышеназванных источников. Из солнечной энергии, прибывающей на Землю, лишь очень небольшая часть трансформируется в другие формы энергии, а бо́льшая часть просто уходит в космос.
Использованию постоянных процессов противопоставлена добыча ископаемых энергоносителей, таких каккаменный уголь, нефть, природный газ или торф. В широком понимании они тоже являются возобновляемыми, но не по меркам человека, так как их образование требует сотен миллионов лет, а их использование проходит гораздо быстрее.
Энергия ветра[править | править исходный текст]
Основная статья: Ветроэнергетика
Это отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, тепловую и любую другую форму энергии для использования в народном хозяйстве. Преобразование происходит с помощью ветрогенератора (для получения электричества), ветряных мельниц (для получения механической энергии) и многих других видов агрегатов. Энергия ветра является следствием деятельности солнца, поэтому она относится к возобновляемым видам энергии.
Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производствадатской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.
Ветряные генераторы практически не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.
В перспективе планируется использование энергии ветра не посредством ветрогенераторов, а более нетрадиционным образом. В городе Масдар(ОАЭ) планируется строительство электростанции работающей на пьезоэффекте. Она будет представлять собой лес из полимерных стволов покрытых пьезоэлектрическими пластинами. Эти 55-метровые стволы будут изгибаться под действием ветра и генерировать ток.
Гидроэнергия[править | править исходный текст]
Основная статья: Гидроэнергетика
На этих электростанциях, в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока, первоисточником которой является Солнце, испаряющее воду, которая затем выпадает на возвышенностях в виде осадков и стекает вниз, формируя реки. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободно поточных (бесплотинных) ГЭС.
Особенности:
Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций
Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии
Возобновляемый источник энергии
Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций
Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое
Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей
Водохранилища часто занимают значительные территории
Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.
Типы ГЭС:
Плотинные
Бесплотинные
Малые
Гидроаккумулирующие
Приливные
На океанских течениях
Волновые
Осмотические
На 2010 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 76 % возобновимой и до 16 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 1015 ГВт. Лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.