11. Возобновляемые источники энергии

11.1. Солнечная энергия

Солнечная энергия - это кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах солнца.

В естественных условиях хлорофиллом поглощается и используется для фотосинтеза органических веществ менее 1% солнечной энергии. За счет из разложения удовлетворяется энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Для того чтобы ее использовать необходимо ее концентрировать и запасать с минимальными затратами.

Солнечную энергию можно использовать непосредственно - прямое использование. А также при использовании круговорота воды, циркуляции воздуха и органических веществ - непрямое использование.

11.2. Прямое использование солнечной энергии

Непосредственно солнечная энергия используется для отопления и получения горячей воды и выработки электроэнергии.

Солнечные лучи, падая на любую черную поверхность поглощаются ей и нагревают ее. Этот принцип используется в солнечном коллекторе. Все они состоят из черной поверхности, над которой имеется окно из стекла или прозрачной пластмассы. Солнечный свет поглощается черной поверхностью и нагревает воду или воздух, проходящий по трубам над черной поверхностью или внутри нее. Находящееся сверху стекло пропускает свет, но не выпускает образовавшееся тепло (рис.14.1.).

Рис.11.1. Солнечный коллектор

Активные системы сравнительно дороги из-за наличия большого количества оборудования (насосы, вентиляторы, клапаны, водо- и воздухопроводные трубы) (рис.11.2).Однако, с их помощью можно использовать накопившееся тепло для обогрева помещений и горячего водоснабжения.

Рис. 11.2. Активная солнечная нагревательная система с тепловым аккумулятором

Пассивные системы дешевы и практически не требуют ухода. Если на южной стороне есть окна, то они действуют как солнечный коллектор. Зимой солнечный свет, проходя через окна, нагревают помещение, ночью, задергивая плотные портьеры или опуская жалюзи, задерживают тепло. Чтобы избежать летом перегрева снаружи укрепляют козырек, защищающий окна от падающих лучей. Таким образом, грамотно построенные дома могут отапливаться практически бесплатно. Полностью такая система не может обогреть помещение, но сэкономит до 20 % топлива. В США более миллиона домов хотя бы частично используют солнечную энергию.

По использованию солнечной энергии на первом месте стоит Кипр, где 90 % коттеджей и большинство отелей имеют солнечные нагреватели воды. В Израиле солнечная энергия обеспечивает 65 % горячего водоснабжения жилищ.

11.3. Преобразование солнечной энергии в электрическую

Для получения электроэнергии применяют либо фотоэлектрические преобразователи, либо получение пара, приводящего в движение турбину.

Фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи, рис. 11.3) изготовляют из материалов, в которых падающая энергия индуцирует электрический ток.

Рис. 11.3. Фотоэлектрический преобразователь

Фотопреобразователь состоит из двух очень тонких слоев. В состав нижнего входят атомы с одним электроном на внешней оболочке, который легко отдается. В верхнем, наоборот, содержатся вещества, у которых на внешней оболочке не хватает одного электрона и они готовы его захватить извне. При падении света электроны нижнего слоя переходят в верхний. В результате между слоями образуется разность потенциалов: нижний слой приобретает положительный заряд, а верхний - отрицательный. Чтобы замкнуть цепь нужно соединить слои проводом, тогда лишние электроны из верхнего слоя вернутся в нижний, а если присоединить двигатель, то будет производиться полезная работа. КПД солнечных батарей составляет 10-20 %. Мощность такого элемента диаметром 5 см соответствует мощности батарейки, но если соединить фотопреобразователи можно получить любое количество энергии. Срок службы таких батарей около 20 лет. Когда требуется небольшое количество энергии, например в карманных калькуляторах, телефонах, на маяках, океанических буях, телевизорах, оросительных системах фотопреобразователи широко используются. Отсутствие солнечного света ночью не столь серьезная проблема, т.к. 70% солнечной энергии потребляется днем. Ночью можно обеспечивать электроэнергией за счет традиционных источников. Солнечные батареи можно размещать на крышах зданий.

Энергобашни. Установленные на площади в несколько гектаров зеркала фокусируют солнечный свет на котле, находящемся на вершине башни (рис. 11.4). Высокая температура превращает воду в пар, приводящий в движение обычный турбогенератор. По своей рентабельности они могут конкурировать с атомными электростанциями.

Рис. 11.4. Энергобашня

Солнечные пруды (11.5). Искусственный водоем снизу заполняют рассолом (очень соленой водой), а сверху пресной. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он не смешивается с верхним слоем. Солнечные лучи проходят через пресную воду и поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло, как в парниках. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Горячий рассол соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения или использоваться для производства электроэнергии. К недостаткам всех перечисленных установок относится то, что для них нужны большие площади недалеко от потребителя, иначе потери при передаче электроэнергии будут велики.

Рис. 11.5. Солнечный пруд