С ростом населения и индустриализацией растет глобальный спрос на энергоносители.
Мировое потребление энергии удваивается каждые двенадцать лет. Значительная часть потребляемой энергии поступает из ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ. Однако считается, что основной источник энергии Солнце. Мировые запасы ископаемого топлива ограничены. Если в ближайшем будущем не будут обнаружены другие неизвестные запасы ископаемого топлива (а это представляется маловероятным), существует реальная опасность того, что существующие запасы будут исчерпаны в ближайшие несколько столетий. Было подсчитано, что при нынешних темпах потребления энергии запасы угля, нефти и природного газа, вероятно, будут исчерпаны к 2500 и 2100 годам соответственно.
Бесконтрольное использование ископаемых видов топлива может привести к экологической катастрофе. Считается, что необходимо переходить к основному источнику энергии Солнцу.
Только в последние годы растет осознание ущерба, наносимого загрязнением окружающей среды, и во многих странах принимается законодательство по борьбе с загрязнением окружающей среды.
Среди альтернативных источников энергии доминирует ядерная энергетика, основанная на расщеплении тяжелых элементов, таких как уран, уже используется многими странами. Однако во всем мире существует значительное противодействие ядерной энергетике, связанное с опасностями для здоровья. Опасность может возникнуть в результате случайной утечки радиоактивных материалов из ядерного реактора. Проблема утилизации радиоактивных отходов также является серьезным аргументом против использования ядерной энергии.
В связи с вышеуказанной ситуацией изучаются альтернативные источники энергии. Эти источники должны:
- обеспечивать достаточное количество энергии, которого хватит на несколько тысяч лет при растущем уровне энергопотребления
- не подвергать опасности окружающую среду и здоровье.
Альтернативные источники энергии
Существует множество источников энергии, отличных от невозобновляемого ископаемого топлива и ядерного деления — энергия воды и ветра, тепловая энергия океана, энергия биомассы и т.д. Все эти источники энергии в конечном счете образуются за счет солнечного излучения и его взаимодействия с атмосферой, биосферой и океанами Земли. Считается, что основной источник энергии Солнце. Можно также напрямую преобразовывать солнечное излучение в тепло или электричество.
Солнечное излучение
Энергия, излучаемая Солнцем, образуется в результате термоядерных реакций, происходящих в его недрах. Солнце излучает около 8,33 х 1024 киловатт-часа (кВт/ч) энергии в день в космос. Из-за малого телесного угла, который она образует с центром Солнца, Земля получает 4,14 х 1015 МВт-ч энергии в день. Девяносто девять процентов этой энергии распределяется в диапазоне длин волн электромагнитного спектра от 2800 А до 49 600 А (1 А (ангсрем) ~ 10-8 см).
Максимальная интенсивность излучения наблюдается на длине волны около 5600 А. Человеческий глаз наиболее чувствителен в этой области длин волн. Интенсивность падает как в инфракрасной области с длинами волн более 6000 А , так и в ультрафиолетовой области с длинами волн менее 4000 А.
Из общего количества излучения, получаемого от Солнца, почти 30% отражается обратно в космос, 47% поглощается атмосферой, водой и сушей Земли и непосредственно преобразуется для обогрева, а оставшиеся 23% — для испарения и движения ветра. Очень незначительная часть излучения используется зелеными растениями для фотосинтеза. При определенных условиях растительные вещества попадают в восстановительную атмосферу (атмосферу, обедненную кислородом), что значительно замедляет их разложение. Ископаемое топливо является результатом таких замедленных процессов разложения, а также продуктом солнечной радиации.
Взаимодействие между солнечной радиацией и атмосферой Земли играет важную роль. Солнечная радиация впервые встречается с кислородом и озоновым слоем атмосферы на высоте от 18 до 30 км. Озон (03) и молекулярный кислород (02) поглощают энергичные коротковолновые фотоны солнечного излучения и распадаются на молекулярный и атомарный кислород. Затем эти частицы вступают в реакцию с другими молекулами кислорода, образуя озон. В результате таких реакций озоновый слой изменяет характер и силу проходящего через него солнечного излучения. При дальнейшем проникновении в атмосферу солнечное излучение встречается с молекулами других газов и частицами пыли.
Некоторые фотоны в излучении рассеиваются во всех направлениях. Молекулы воды сильно поглощают излучение в инфракрасной области.
Интенсивность излучения, достигающего поверхности Земли, также зависит от угла падения излучения. Чем больше этот угол, тем больше толщина атмосферы, через которую проходит излучение, прежде чем достичь Земли.
Косвенное использование основного источника энергии Солнца
Гидроэнергетика
Вода испаряется под воздействием солнечного тепла, а затем выпадает в виде дождя. Дожди питают реки, впадающие в море. Текущую воду в реках можно использовать для выработки электроэнергии или вращения водяных мельниц. Гидроэнергетика является наиболее широко используемым непрямым методом преобразования солнечной энергии в рабочую или электрическую. Во многих странах еще не в полной мере используется существующий потенциал гидроэнергетики. Однако гидроэлектрические проекты приводят к тому, что большие площади земли становятся недоступными из-за затопления и перемещения значительной части населения в районе строительства плотины. Существуют также опасения, что такие большие резервуары воды могут спровоцировать сейсмические события. По этим причинам существует определенная оппозиция таким проектам.
Энергия ветра
Солнце нагревает сушу и океаны Земли. Однако нагрев происходит неравномерно из-за угла падения солнечных лучей и облачного покрова. Различия в температуре в разных регионах приводят к разнице в давлении воздуха. Конвективные потоки воздуха создаются для выравнивания давление ветром. Можно установить ветряные мельницы, которые будут использовать кинетическую энергию этих воздушных потоков и преобразовывать ее в электричество.
Термальная энергия океана
Почти 45% солнечной энергии, достигающей поверхности земли, поглощается поверхностными слоями океана. Верхние слои океана на глубине от 0 до 100 метров значительно теплее, чем более глубокие слои. Между верхней частью океана и более глубокими слоями можно использовать тепловой двигатель для выработки энергии.
Несмотря на то, что разница температур между верхним и нижним слоями океана невелика (всего несколько градусов по Цельсию), при преобразовании температуры можно достичь эффективности до 2% по сравнению с электрической энергией.
Биомасса
Зеленые растения обладают уникальной способностью преобразовывать солнечную энергию в химическую с помощью процесса фотосинтеза. В ходе этого процесса они преобразуют углекислый газ и воду в простые сахара. В конечном итоге получается биомасса. Биомасса доступна на большей части поверхности Земли. Использование биомассы не приведет к увеличению загрязнения окружающей среды углекислым газом. Самый перспективным в краткосрочной перспективе является применение газовых турбин, работающих на биомассе, в производстве сахарного тростника и спиртовой продукции, где имеется большое количество остатков биомассы. Газовые турбины, работающие на остатках сахарного тростника, будут вырабатывать больше электроэнергии, чем требуется для производства сахарного тростника и спиртовой продукции!
С появлением ископаемого топлива и электричества биомасса как источник энергии перестала использоваться. В настоящее время возобновилось общественное взаимодействие в получении энергии из биомассы.
Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую
Солнечное отопление, прямое преобразование солнечной энергии в тепловую, используется уже более 2000 лет. Технология солнечного отопления хорошо развита, и солнечные нагревательные устройства работают с высокой эффективностью. Система солнечного отопления собирает солнечную радиацию, переносит ее в нужное место и преобразует излучение в удобную для применения форму. Основными компонентами такой системы являются коллекторы, теплоноситель, трубопроводы, насосы и органы управления.
Приготовление пищи
Преимущество солнечных плит в том, что они сохраняют чистоту окружающей среды. Существует два типа солнечных плит. В первом случае солнечное излучение не концентрируется. Во втором случае солнечное излучение, собранное на большой площади, концентрируется в небольшом объеме. Температура, достигаемая во втором случае, намного выше, чем в первом. Первый тип солнечных плит состоит из теплоизолированного корпуса с прозрачной крышкой, пропускающей солнечное излучение. Внутренняя поверхность корпуса окрашена в матово-черный цвет. Солнечное излучение поглощается и преобразуется в тепло. Крышка плиты не позволяет теплу выходить наружу. Можно достичь температуры до 140 градусов с помощью плиты соответствующей конструкции. Во втором типе плит используется линза или отражатель для концентрации солнечного излучения.
Опреснение воды
Для преобразования солоноватой воды в пригодную для питья воду можно использовать технологию пластинчатых коллекторов. Тепло, выделяемое солнечным излучением, испаряет воду. Испаренная вода, не содержащая соли, конденсируется на более холодной поверхности и собирается.
Прямое преобразование солнечной энергии в электричество
Преимущество фотоэлектрической генерации в том, что она не загрязняет окружающую среду. Системы просты и не требуют особого обслуживания.
За последние годы наблюдается рост исследований в области фотоэлементов, главным образом для повышения эффективности преобразования, снижения себестоимости производства, предотвращения деградации окружающей среды. Фотоэлектрический или солнечный элемент — это полупроводниковое устройство с p-n переходом. Переход образуется между полупроводником p (или дырочного) типа и полупроводником n (или электронного) типа. Области p и n они образуются в основном полупроводниковом материале, таком как кремний , путем легирования подходящими элементами в определенных концентрациях. В таком устройстве имеется избыток отрицательно заряженных атомов-акцепторов на стороне p и положительно заряженных атомов-доноров на стороне n. Это создает область объемного заряда вблизи соединения.
Этот объемный заряд создает встроенное электрическое поле в месте соединения. Когда фотоны света поглощаются вблизи поверхности они создают электронно-дырочные пары вблизи места соединения.
Если солнечный элемент находится в разомкнутом состоянии, то на нем накапливается напряжение. Если цепь замкнута путем подключения сопротивления нагрузки к в солнечном элементе ток протекает через сопротивление нагрузки, обеспечивая питание.
Из-за небольшой мощности, вырабатываемой каждым отдельным солнечным элементом, необходимо последовательно соединять их и параллельные схемы. Этот комплекс называется фотоэлектрическим модулем. Затем эти модули соединяются последовательно и параллельно друг другу, чтобы удовлетворить электрические требования конкретной нагрузки. Полученная электроэнергия может быть использована для подачи питания на внешнюю нагрузку.
Преимущество фотоэлектрической системы заключается в том, что ее размеры не ограничены. Ее можно использовать на месте потребления энергии, подбирая ее размеры и распределение в соответствии с характером потребления энергии.
Солнечные батареи могут устанавливаться на крышах зданий и не требуют дополнительной площади.
Основным недостатком наземной фотоэлектрической генерации является перебои, вызванные неблагоприятными погодными условиями и сменой дня и ночи. Этой проблемы невозможно избежать нигде в мире. земля. Однако
на орбите в космосе можно разместить электрическую фотоэлектрическую электростанцию, которая будет свободна от таких помех. Энергия может передаваться с космической электростанции на землю по микроволновой линии связи. Преимущество такого подхода заключается в том, что можно использовать всю мощность солнечной радиации над атмосферой в течение всех 24 часов в сутки.
Поскольку спрос на энергию меняется днем и ночью и время от времени, в то время как выработка энергии обычно происходит с постоянной скоростью, существует необходимость в разработке эффективных систем хранения энергии. Эти системы будут накапливать избыточную энергию, вырабатываемую, когда выработка превышает спрос, и высвобождать ее при необходимости.
