Использование солнечной энергии
Солнце — неисчерпаемый источник энергии
Солнце — самая близкая звезда к Земле — является родоначальником практически всех горючих ископаемых пашей планеты, а также первоисточником новых и возобновляемых видов энергии.
Солнечная энергия аккумулируется растениями в процессе фотосинтеза, в результате которого содержащийся в воздухе углекислый газ и солнечный свет участвуют в образовании углеводов. Все виды горючего топлива (уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф), а также древесина, сельскохозяйственные продукты являются производными этого феноменального механизма.
Недра Солнца обладают температурой, достаточной для постоянного синтеза водорода в гелий, т. е. для термоядерной реакции, которая и является источником колоссальных энергетических потоков, выпускаемых Солнцем в виде электромагнитного излучения. Если исследовать спектр электромагнитного излучения Солнца, то окажется, что примерно 7% общей солнечной радиации приходится на ультрафиолетовое излучение (длины волн до 38 мкм), 47,3% лежит в спектре видимого света (длины волн между 38 и 78 мкм) и 45,7% приходится на спектр инфракрасного и теплового излучения (длины воли до 100 мкм). Энергетическая отдача Солнца равнозначна превращению в энергию вещества массой 4,2-106 т/с, что позволит ему быть центром нашей планетарной системы еще примерно 15 трлн лет.
Электромагнитное излучение Солнца распространяется в космическом пространстве со скоростью света (300 тыс. км/с) в виде расходящихся лучей. Земля получает лишь 0,2-10-9 излучения Солнца. Однако это количество солнечной энергии, достигающей нашей планеты за год, в 50 раз превосходит энергию, которую можно было бы извлечь из мировых разведанных запасов горючих ископаемых, и в 300 тыс. раз — ежегодное потребление энергии. Вместе с тем на поверхность Земли попадает лишь 50% этого энергетического потока, остальная часть поглощается и рассеивается атмосферой, отражается облаками и самой поверхностью (рис. 1).
Расчеты показывают, что современные мировые энергетические потребности можно было бы обеспечить за счет солнечной энергии, ежегодно получаемой площадью в 20 тыс. км2, что составляет всего 0,005% земной поверхности. Если даже принять во внимание, что КПД энергетических устройств, использующих солнечное излучение, не превышает 10%, то территория, примерно равная Белоруссии, могла бы удовлетворить мировые энергетические потребности за счет падающей на нее солнечной энергии.
Однако при оценках потенциальных возможностей солнечной энергии необходимо учитывать климатические особенности рассматриваемых территорий, загрязненность атмосферы, ее влажность, т. е. факторы, которые особенно влияют на поглощение и рассеивание солнечного излучения.
Рис. 1. Прохождение солнечных лучей через атмосферу Земли
а — отражение от поверхности Земли; б — отражение облаками; в — поглощение самой атмосферой; г — рассеивание атмосферой с достижением земной поверхности; д — доля излучения, достигающая поверхности Земли
В среднем годовое количество солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, составляет 2000— 2500 кВт-ч/м2 в зонах пустынь и 1000—1500 кВт-ч/м2 в районах высоких широт. Кроме того, интенсивность солнечной радиации зависит от времени года и уменьшается в зимнее время по сравнению с летним периодом более чем в 2 раза в районах пустынь и примерно в 10 раз в районах высоких широт. Вместе с тем необходимо отметить, что солнечная энергия распределяется на поверхности Земли гораздо равномернее, чем другие источники.
Отличительной особенностью солнечной энергии является то, что она сильно зависит от атмосферных условий, и в первую очередь от облачности. Интенсивность солнечного излучения в течение суток меняется от максимума в полдень до нуля ночью. Поэтому на энергетических системах, использующих солнечную энергию, должны устанавливаться специальные устройства, которые аккумулировали бы солнечную энергию в периоды излучения высокой интенсивности и могли бы включаться в систему в ночное время или при слишком малом солнечном излучении. По сравнению с традиционными источниками энергии солнечная энергия обладает малой плотностью. Поэтому для получения тепловых потоков, достаточных для функционирования современных энергетических систем и технологических процессов, необходимо применять солнечные концентраторы. В современных солнечных установках с концентраторами достигнуты температуры выше 3000 К, позволяющие использовать энергию Солнца для таких высокотемпературных процессов, как плавка металлов.
