Солнечная энергия

Солнечная энергия создается ядерным синтезом, который происходит на Солнце. Это необходимо для жизни на Земле, и его можно собирать для использования человеком, например, для производства электричества.

Науки о Земле, инженерия

Энциклопедический вводной словарь

Солнечная энергия – это любой вид энергии, вырабатываемой солнцем.

Солнечная энергия создается ядерным синтезом, который происходит на Солнце. Синтез происходит, когда протоны атомов водорода яростно сталкиваются в ядре Солнца и сливаются, образуя атом гелия.

Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), испускает огромное количество энергии. В своем ядре Солнце каждую секунду сжигает около 620 миллионов метрических тонн водорода. Цепная реакция PP происходит в других звездах размером с наше Солнце и обеспечивает их непрерывной энергией и теплом. Температура этих звезд составляет около 4 миллионов градусов по шкале Кельвина (около 4 миллионов градусов по Цельсию, 7 миллионов градусов по Фаренгейту).

В звездах, которые примерно в 1,3 раза больше Солнца, цикл CNO управляет созданием энергии. Цикл CNO также преобразует водород в гелий, но для этого используются углерод, азот и кислород (C, N и O). В настоящее время менее 2% солнечной энергии создается циклом CNO.

Ядерный синтез с помощью цепной реакции PP или цикла CNO высвобождает огромное количество энергии в виде волн и частиц. Солнечная энергия постоянно утекает от Солнца по всей Солнечной системе. Солнечная энергия согревает Землю, вызывает ветер и погоду, поддерживает жизнь растений и животных.

Энергия, тепло и свет от солнца уходят в виде электромагнитного излучения (ЭМИ).

Электромагнитный спектр существует в виде волн различных частот и длин волн. Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени. Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в данную единицу времени, поэтому они являются высокочастотными. Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.

Подавляющее большинство электромагнитных волн невидимы для нас. Наиболее высокочастотными волнами, излучаемыми солнцем, являются гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи). Самые вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее мощные УФ-лучи проходят через атмосферу и могут вызывать солнечные ожоги.

Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого имеют гораздо более низкую частоту. Большая часть солнечного тепла поступает в виде инфракрасной энергии.

Между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением находится видимый спектр, который содержит все цвета, которые мы видим на Земле. Красный цвет имеет самые длинные волны (наиболее близкие к инфракрасному), а фиолетовый (наиболее близкие к ультрафиолетовому) — самые короткие.

Природная солнечная энергия

Парниковый эффект
Инфракрасные, видимые и УФ-волны, достигающие Земли, участвуют в процессе нагревания планеты и обеспечения жизни — так называемого «парникового эффекта».

Около 30% солнечной энергии, достигающей Земли, отражается обратно в космос. Остальное поглощается земной атмосферой. Излучение нагревает поверхность Земли, и поверхность излучает часть энергии обратно в виде инфракрасных волн. Когда они поднимаются в атмосферу, их поглощают парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ.

Парниковые газы задерживают тепло, которое отражается обратно в атмосферу. Таким образом, они действуют как стеклянные стены теплицы. Этот парниковый эффект поддерживает температуру Земли достаточной для поддержания жизни.

Фотосинтез
Почти вся жизнь на Земле прямо или косвенно зависит от солнечной энергии для питания.

Производители напрямую зависят от солнечной энергии. Они поглощают солнечный свет и превращают его в питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом. Производители, также называемые автотрофами, включают растения, водоросли, бактерии и грибы. Автотрофы составляют основу пищевой сети.

Потребители полагаются на производителей питательных веществ. Травоядные, плотоядные, всеядные и детритоядные животные косвенно зависят от солнечной энергии. Травоядные питаются растениями и другими производителями. Плотоядные и всеядные едят как производителей, так и травоядных. Детритофаги разлагают растительные и животные вещества, потребляя их.

Ископаемое топливо
Фотосинтез также отвечает за все ископаемые виды топлива на Земле. По оценкам ученых, около 3 миллиардов лет назад в водной среде появились первые автотрофы.Солнечный свет позволял растительной жизни процветать и развиваться. После того, как автотрофы погибли, они разложились и сместились вглубь Земли, иногда на тысячи метров. Этот процесс продолжался миллионы лет.

Под сильным давлением и высокими температурами эти остатки превратились в то, что мы знаем как ископаемое топливо. Микроорганизмы превратились в нефть, природный газ и уголь.

Люди разработали процессы извлечения этих ископаемых видов топлива и использования их для получения энергии. Однако ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом. На их формирование уходят миллионы лет.

Использование солнечной энергии

Солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, и многие технологии могут собирать ее непосредственно для использования в домах, на предприятиях, в школах и больницах. Некоторые технологии солнечной энергии включают фотоэлектрические элементы и панели, концентрированную солнечную энергию и солнечную архитектуру.

Существуют различные способы улавливания солнечного излучения и преобразования его в полезную энергию. Методы используют либо активную солнечную энергию, либо пассивную солнечную энергию.

В активных солнечных технологиях используются электрические или механические устройства для активного преобразования солнечной энергии в другую форму энергии, чаще всего в тепловую или электрическую. Пассивные солнечные технологии не используют никаких внешних устройств. Вместо этого они используют местный климат для обогрева зданий зимой и отражения тепла летом.

Фотовольтаика

Фотогальваника — это форма активной солнечной технологии, открытая в 1839 году 19-летним французским физиком Александром-Эдмоном Беккерелем. Беккерель обнаружил, что когда он помещал хлорид серебра в кислый раствор и подвергал его воздействию солнечного света, прикрепленные к нему платиновые электроды генерировали электрический ток. Этот процесс выработки электроэнергии непосредственно из солнечного излучения называется фотогальваническим эффектом или фотогальваникой.

Сегодня фотоэлектричество, вероятно, является наиболее известным способом использования солнечной энергии. Фотоэлектрические массивы обычно включают в себя солнечные панели, набор из десятков или даже сотен солнечных элементов.

Каждый солнечный элемент содержит полупроводник, обычно изготовленный из кремния. Когда полупроводник поглощает солнечный свет, он выбивает электроны. Электрическое поле направляет эти свободные электроны в электрический ток, текущий в одном направлении. Металлические контакты в верхней и нижней части солнечного элемента направляют этот ток на внешний объект. Внешний объект может быть как маленьким, как калькулятор на солнечной энергии, так и большим, как электростанция.

Фотогальваника впервые широко использовалась на космических кораблях. Многие спутники, включая Международную космическую станцию, имеют широкие отражающие «крылья» из солнечных панелей. У МКС есть два крыла солнечных батарей (SAW), каждое из которых использует около 33 000 солнечных элементов. Эти фотоэлементы обеспечивают МКС всей электроэнергией, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе месяцами и проводить научные и инженерные эксперименты.

Фотоэлектрические электростанции строятся по всему миру. Крупнейшие станции находятся в США, Индии и Китае. Эти электростанции вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, которая используется для снабжения домов, предприятий, школ и больниц.

Фотоэлектрические технологии также могут быть установлены в меньших масштабах. Солнечные панели и элементы могут быть закреплены на крышах или наружных стенах зданий, обеспечивая электричеством структуру. Их можно размещать вдоль дорог на легкие магистрали. Солнечные батареи достаточно малы, чтобы питать даже более мелкие устройства, такие как калькуляторы, паркоматы, прессовщики мусора и водяные насосы.

Концентрированная солнечная энергия

Другой тип активной солнечной технологии — это концентрированная солнечная энергия или концентрированная солнечная энергия (CSP). Технология CSP использует линзы и зеркала для фокусировки (концентрации) солнечного света с большой площади на гораздо меньшую. Эта интенсивная область излучения нагревает жидкость, которая, в свою очередь, вырабатывает электричество или подпитывает другой процесс.

Солнечные печи являются примером концентрированной солнечной энергии.Существует множество различных типов солнечных печей, включая башни солнечной энергии, параболические желоба и отражатели Френеля. Они используют один и тот же общий метод для захвата и преобразования энергии.

Башни солнечной энергии используют гелиостаты, плоские зеркала, которые поворачиваются, чтобы следовать по дуге солнца в небе. Зеркала расположены вокруг центральной «коллекторной башни» и отражают солнечный свет в виде концентрированного луча света, который падает на фокус башни.

В предыдущих конструкциях башен солнечной энергии концентрированный солнечный свет нагревал емкость с водой, которая производила пар, приводивший в действие турбину. В последнее время в некоторых солнечных электростанциях используется жидкий натрий, который имеет более высокую теплоемкость и сохраняет тепло в течение более длительного периода времени. Это означает, что жидкость не только достигает температуры от 773 до 1273 К (от 500 до 1000 ° C или от 932 до 1832 ° F), но и может продолжать кипятить воду и генерировать энергию, даже когда солнце не светит.

Параболические желоба и отражатели Френеля также используют CSP, но их зеркала имеют другую форму. Параболические зеркала изогнуты, по форме напоминают седло. В отражателях Френеля используются плоские тонкие полоски зеркала, которые улавливают солнечный свет и направляют его на трубку с жидкостью. Рефлекторы Френеля имеют большую площадь поверхности, чем параболические желоба, и могут концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по сравнению с ее нормальной интенсивностью.

Концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Крупнейший объект в мире — это серия заводов в пустыне Мохаве в Калифорнии. Эта система генерации солнечной энергии (SEGS) ежегодно вырабатывает более 650 гигаватт-часов электроэнергии. Другие крупные и эффективные заводы были разработаны в Испании и Индии.

Концентрированная солнечная энергия также может использоваться в меньших масштабах. Например, он может генерировать тепло для солнечных плит. Жители деревень по всему миру используют солнечные плиты для кипячения воды для санитарии и приготовления пищи.

Солнечные плиты имеют много преимуществ по сравнению с дровяными печами: они не пожароопасны, не дымят, не требуют топлива и сокращают потери среды обитания в лесах, где деревья используются для топлива. Солнечные плиты также позволяют сельским жителям тратить время на образование, бизнес, здоровье или семью в то время, которое раньше использовалось для сбора дров. Солнечные плиты используются в таких разных регионах, как Чад, Израиль, Индия и Перу.

Солнечная архитектура

В течение дня солнечная энергия является частью процесса тепловой конвекции или перемещения тепла из более теплого пространства в более прохладное. Когда солнце восходит, оно начинает нагревать предметы и материю на Земле. В течение дня эти материалы поглощают тепло солнечного излучения. Ночью, когда солнце садится и атмосфера охлаждается, материалы отдают свое тепло обратно в атмосферу.

Методы пассивной солнечной энергии используют этот естественный процесс нагрева и охлаждения.

Дома и другие здания используют пассивную солнечную энергию для эффективного и недорогого распределения тепла. Примером этого является расчет «тепловой массы» здания. Тепловая масса здания – это масса материала, нагретого в течение дня. Примерами тепловой массы здания являются дерево, металл, бетон, глина, камень или глина. Ночью тепловая масса отдает свое тепло обратно в помещение. Эффективные системы вентиляции — коридоры, окна и воздуховоды — распределяют нагретый воздух и поддерживают умеренную, постоянную температуру в помещении.

Пассивные солнечные технологии часто используются при проектировании зданий. Например, на этапе планирования строительства инженер или архитектор может совместить здание с дневным движением солнца, чтобы получить желаемое количество солнечного света. Этот метод учитывает широту, высоту и типичную облачность конкретной области. Кроме того, здания могут быть построены или модернизированы, чтобы иметь теплоизоляцию, тепловую массу или дополнительное затенение.

Другими примерами пассивной солнечной архитектуры являются прохладные крыши, излучающие барьеры и зеленые крыши. Прохладные крыши окрашены в белый цвет и отражают солнечное излучение, а не поглощают его. Белая поверхность уменьшает количество тепла, достигающего внутренней части здания, что, в свою очередь, снижает количество энергии, необходимой для охлаждения здания.

Излучающие барьеры работают аналогично прохладным крышам. Они обеспечивают изоляцию материалами с высокой отражающей способностью, такими как алюминиевая фольга. Фольга отражает, а не поглощает тепло и может снизить затраты на охлаждение до 10%. В дополнение к крышам и чердакам, излучающие барьеры также могут быть установлены под полами.

Зеленые крыши – это крыши, полностью покрытые растительностью. Им требуется почва и орошение для поддержки растений, а также водостойкий слой под ними. Зеленые крыши не только уменьшают количество поглощаемого или теряемого тепла, но и обеспечивают растительность. Благодаря фотосинтезу растения на зеленых крышах поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Они отфильтровывают загрязняющие вещества из дождевой воды и воздуха и компенсируют некоторые последствия использования энергии в этом пространстве.

Зеленые крыши были традицией в Скандинавии на протяжении веков и недавно стали популярными в Австралии, Западной Европе, Канаде и Соединенных Штатах. Например, Ford Motor Company покрыла растительностью 42 000 квадратных метров (450 000 квадратных футов) крыш своего сборочного завода в Дирборне, штат Мичиган. Помимо сокращения выбросов парниковых газов, крыши уменьшают ливневые стоки, поглощая несколько сантиметров осадков.

Зеленые крыши и прохладные крыши также могут противодействовать эффекту «городского острова тепла». В оживленных городах температура может быть постоянно выше, чем в прилегающих районах. Этому способствуют многие факторы: города построены из таких материалов, как асфальт и бетон, которые поглощают тепло; высокие здания блокируют ветер и его охлаждающие эффекты; и большое количество отработанного тепла генерируется промышленностью, дорожным движением и большим населением.Использование доступного пространства на крыше для посадки деревьев или отражение тепла белыми крышами может частично смягчить локальное повышение температуры в городских районах.

Солнечная энергия и люди

Поскольку солнечный свет светит только около половины дня в большинстве частей мира, технологии солнечной энергетики должны включать методы хранения энергии в темное время суток.

В системах с термальной массой для хранения энергии в виде тепла используется парафин или различные формы соли. Фотогальванические системы могут отправлять избыточную электроэнергию в местную энергосистему или хранить энергию в перезаряжаемых батареях.

Есть много плюсов и минусов использования солнечной энергии.

Преимущества
Основным преимуществом использования солнечной энергии является то, что это возобновляемый ресурс. У нас будет постоянный, безграничный запас солнечного света еще 5 миллиардов лет. За один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы удовлетворить потребности в электричестве каждого человека на Земле в течение года.

Солнечная энергия чистая. После того, как оборудование солнечной технологии построено и установлено, солнечной энергии не нужно топливо для работы. Он также не выделяет парниковых газов или токсичных материалов. Использование солнечной энергии может значительно уменьшить воздействие, которое мы оказываем на окружающую среду.

Есть места, где солнечная энергия полезна. Дома и здания в районах с большим количеством солнечного света и низкой облачностью имеют возможность использовать обильную солнечную энергию.

Солнечные плиты представляют собой прекрасную альтернативу приготовлению пищи в дровяных печах, на которые до сих пор полагаются 2 миллиарда человек. Солнечные плиты обеспечивают более чистый и безопасный способ дезинфекции воды и приготовления пищи.

Солнечная энергия дополняет другие возобновляемые источники энергии, такие как ветер или гидроэлектроэнергия.

Дома или предприятия, которые устанавливают успешные солнечные панели, могут фактически производить избыточную электроэнергию. Эти домовладельцы или владельцы бизнеса могут продавать энергию обратно поставщику электроэнергии, сокращая или даже устраняя счета за электроэнергию.

Недостатки
Основным сдерживающим фактором использования солнечной энергии является необходимое оборудование. Солнечное технологическое оборудование стоит дорого. Покупка и установка оборудования может стоить десятки тысяч долларов для отдельных домов. Хотя правительство часто предлагает сниженные налоги для людей и предприятий, использующих солнечную энергию, а технология может сократить счета за электроэнергию, первоначальная стоимость слишком велика для многих, чтобы ее учитывать.

Солнечное энергетическое оборудование также тяжелое. Чтобы модернизировать или установить солнечные панели на крыше здания, крыша должна быть прочной, большой и ориентированной на путь солнца.

Как активные, так и пассивные солнечные технологии зависят от факторов, которые мы не можем контролировать, таких как климат и облачный покров. Необходимо изучить местные районы, чтобы определить, будет ли солнечная энергия эффективной в этом районе.

Солнечный свет должен быть обильным и постоянным, чтобы солнечная энергия была эффективным выбором. В большинстве мест на Земле непостоянство солнечного света затрудняет его использование в качестве единственного источника энергии.

Агуа Кальенте
Солнечный проект Agua Caliente в Юме, штат Аризона, представляет собой крупнейший в мире массив фотоэлектрических панелей. Агуа-Кальенте имеет более 5 миллионов фотоэлектрических модулей и производит более 600 гигаватт-часов электроэнергии.

Зеленый Чикаго
Миллениум-парк в Чикаго, штат Иллинойс, имеет одну из самых обширных зеленых крыш в мире почти 100 000 квадратных метров (более миллиона квадратных футов). Растительность на уровне земли занимает 24,5 акра подземной парковки и включает в себя сады, места для пикников и концертную площадку под открытым небом.

Солнечное десятиборье
Солнечное десятиборье — это международное мероприятие, проводимое два раза в год Министерством энергетики США. Команды соревнуются в том, чтобы спроектировать, построить и эксплуатировать самый привлекательный, эффективный и энергоэффективный дом на солнечной энергии. Победителем конкурса 2011 года стала команда из Университета штата Мэриленд, а следующее Солнечное десятиборье пройдет в 2013 году.