Возобновляемые источники энергии - Солнечная энергия

1. Возобновляемые источники энергии.
1.1. Солнечная энергия.
На Солнце энергия вырабатывается в результате термоядерных реакций, и часть её излучается в космическое пространство. Менее одного процента этой энергии в виде коротковолнового излучения попадает на Землю, но этого достаточно для обеспечения всех энергетических нужд.
Диаметр Солнца составляет 1392 тыс. км, а его масса равна 2х1030 кг. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий, и ежесекундно 4 млрд кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины, в основном это ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная части спектра.
Количество лучистой энергии, поступающей на площадку в 1 м², расположенную на границе атмосферы и перпендикулярную солнечным лучам, называется солнечной постоянной; эта постоянная равна 1353 Вт/м².
При прохождении через атмосферу солнечное излучение ослабляется в результате процессов поглощения и рассеивания. Поглощение обусловлено присутствием в атмосфере водяных паров, озона, пыли и так называемых парниковых газов (диоксид углерода, метан, оксиды азота и т. д.).
Потоки солнечной энергии по поверхности Земли распределяются неравномерно - на севере меньше, а на юге больше.
Количество поступающей на поверхность Земли энергии зависит от времени суток, сезона, облачности и удаленности от экватора. Часть излучения отражается облаками и земной поверхностью в открытый космос.
Нас не удивляет, что мы все время пользуемся накопленной в толще Земли солнечной энергией. Ведь уголь и нефть образовались из органических останков (деревья, животные), которые в незапамятные времена поглощали солнечную энергию. Все растения и сейчас потребляют солнечную энергию (этот процесс называется фотосинтез).
Человечество всегда использовало для практических нужд солнечную энергию или непосредственно (сушка одежды и продуктов), или косвенно (выращивание различных растений).
Этот вид энергии будет существовать всегда, поэтому он неиссякаем и вечен.

Потенциал.

Ежедневно на поверхность Земли с лучами Солнца поступает в 200 тыс. раз больше энергии, чем её вырабатывают все электростанции в мире. Пока есть единственное ограничение её использования - относительно высокая стоимость.
Возможно (и не только теоретически) в будущем применять спутники Земли для этой цели.

На спутниках могут быть размещены постоянно освещаемые Солнцем фотоэлектрические панели, вырабатываемая энергия в виде микромоля может передаваться на Землю, а на приемных станциях она будет преобразована опять в электроэнергию.
США получают солнечной энергии примерно в 5000 раз больше, чем вырабатывается в стране электроэнергии. В Калифорнии в среднем на 1 м² горизонтальной  земной поверхности поступает ежегодно 2500 кВт-ч солнечной энергии. Для большей части европейской территории России эта величина составляет  примерно 830-1100 кВт-ч, для Украины - 1050-1450 кВт-ч, Великобритании -1000 кВт-ч.
За сутки на широте 55° на 20 м² горизонтальной поверхности в среднем за год поступает энергии 50-60 кВт-ч, а этого количества достаточно для отопления одноэтажного жилого дома площадью 60 м².
Годовое поступление солнечной энергии на горизонтальную поверхность при ясном вебе (т. е. возможный приход) на севере Иркутской области составляет 4200 МДж/м² и увеличивается до 5150 МДк/м² к югу. На берегу Байкала годовое поступление возрастает до 5280 МДж/м², а в высокогорных районах Восточного Саяна достигает 5620 МДж/м². Увеличение облачности в отдельные месяцы года снижает поступление прямой солнечной радиации в среднем на 60 % от возможной.
В Ростовской области при ясном солнце на 1 м² поверхности Земли, перпендикулярной к солнечным лучам, падает поток энергии мощностью около 1 кВт. За год же в области на 1 м² поступает энергии порядка 1320 кВт-ч.
Системы, использующие солнечную энергию, обычно характеризуются высокими начальными капитальными затратами и низков стоимостью обслуживания.
Очень важно то, что использование солнечной энергии не приводит к загрязнению окружающей среды и не повреждает земную поверхность. К сожалению, многие районы, где наиболее велика потребность в энергия, не очень солнечны, следовательно, при прочих равных условиях использование солнечной энергии наиболее эффективно в приближенных к экватору районах Земли. Однако уж сейчас этот вид энергии можно эффективно применять даже в таких относительно прохладных странах, как, например, Великобритания.
Главная проблема - что делать, когда не светит солнце (когда темно и холодно) и мы наиболее сильно нуждаемся в энергии

Солнечная энергия сегодня

Существуют несколько возможных путей практического использования солнечной энергии. Среди самых популярных из них сегодня отмечают два: использование пассивных солнечных систем для обогрева зданий и небольшие отдельно стоящие солнечные электростанции.
Менее популярны, но более эффективны следующие пути: солнечные водонагреватели, солнечные насосы в удаленных от электрических сетей районах и системы электрообеспечения для удаленных радиорелейных станций. И, конечно, системы генерации энергии на космических спутниках.

Солнечная энергия завтра

В числе областей применения солнечной энергии в недалеком будущем прежде всего отметим фотоэлектрические системы и солнечные электростанции, передающие энергию в электрические сети.
Фотоэлементы одинаково надежно работают при низких температурах, ярком солнце и не очень пасмурной погоде, во многих случаях необязательны системы слежения за солнцем. Единственное, что требуется для их обслуживания, - периодически удалять пыль с поверхности.

Сложности использования солнечной энергии.

Во многих случаях потребителю требуются постоянные по мощности источники энергии. Иногда ему нужна энергия в конкретный промежуток времени. В этом-то и состоят сложности, так как падающий на конкретную поверхность Земли поток солнечной энергии меняется во времени и зависит от многих факторов:

1. вращение Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите;
2. колебания земной оси;
3. переменная облачность;
4. загрязнение атмосферы и пыль.

Сложности связаны также с техникой превращения лучистой энергии в другие формы энергии. В среднем на 1 м² плоской земной поверхности ежедневно поступает примерно 5 кВт ч энергии. Выходит, что в час на 1 м² поступает около 0,2 кВт-ч энергии, а это очень небольшое количество. Отметим для сравнения, что обычная электрическая плита мощностью 500 Вт создает плотность теплового потока около 25 кВт/м².
Очевидно, что солнечные энергетические системы должны занимать большие площади по сравнению с обычными источниками энергии (электростанциями на обычных видах топлива).
Есть ещё одна сложность, связанная с экономикой. Создание солнечной энергетики требует использования новых материалов и систем, поэтому им трудно соревноваться с традиционными (относительно дешевыми). Но, несмотря на эти сложности, солнечная энергетика интенсивна развивается.