XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Солнце, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива.

Если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. 3емные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент.

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 10¹³) кВт·ч энергии в год. Общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот, же период.

Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом, трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра или воды. Энергия Солнца "управляет" погодой на Земле.

Ежесекундно солнце излучает 88·1024 кал. или 370·1012 ГДж теплоты. Из этого количества теплоты на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·1012 Вт, т.е. за год 1018 квт·ч, или в 10000 раз больше той энергии, которая сегодня потребляется в мире. По сравнению с ним все остальные источники энергии дают теплоты пренебрежимо мало. Если, к примеру, потенциал Солнца определять по солнечной энергии, падающей только на свободные необрабатываемые земли, то среднегодовая мощность составит около 10000 Гвт, что примерно в 5000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергетических установок мира. Практическую целесообразность использования солнечной энергии устанавливают исходя из максимального солнечного излучения, равного 1квт\м² . Это так называемая наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю. Это излучение в диапазоне длин волн 0,3 -2,5 мкм, называется коротковолновым и включает видимый спектр. Однако оно длится всего 1-2 часа в летние дни на близких к экватору широтах. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды среднее солнечное излучение составляет 200-250 вт\м² . Но и это очень много с точки зрения производственной деятельности. К примеру, средняя плотность искусственной энергии, обусловленной хозяйственной деятельностью равна всего 0,02 вт\м² , т.е. в 10000 раз меньше средней плотности солнечной энергии. В отдельных местах Земного шара этот показатель значительно выше (в Японии - 2 вт\м² , в Русском районе в Германии - 20 вт\м² ). Расчеты показали, что для удовлетворения современного энергопотребления достаточно превратить солнечную энергию, падающую на 0,0025% поверхности Земли, в электрическую. [1]

Первые опыты использования солнечной энергии в технике относятся к 17 веку. В частности, в 1600 году во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце 17 века ведущий французский химик А. Лаувазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 ?C и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 на 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1855 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

В 1890 г. профессор В. К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 ?C. На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают солнечное излучение на теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее ещё в 1878 г. Прототип мощной гелиостанции с параболоцилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце 19 века. Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовашая солнечная силовая установка мощностью в 40 кВт была разрушена в первую мировую войну.

Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов - фотоэлектрических, реализующих фотовольватический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера. Практическое применение нашел лишь первый метод фотопреобразования вследствие его значительно более высокой энергетической эффективности. Решающим фактором для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p-n переходом, имевших КПД около 6 %. Впервые кремниевые солнечные батареи для энергетических целей были применены не на Земле, а в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, оснащенные такими батареями, - советский «Спутник -3» и американский «Авангард - 1».

В начале 1960-х гг. были созданы и первые солнечные фотоэлементы с p-n переходом на основе арсенида галлия. Эти фотоэлементы уступали по эффективности кремниевым, но были способны работать даже при незначительном нагреве.

Первое практическое применение усовершенствованных солнечных батарей на основе арсенида галлия для энергетических целей было связано с обеспечением электроснабжения советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венеры, а также самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», исследовавших поверхность Луны (1970 и 1972 годы).

Новая страница в истории солнечной энергетики открылась с созданием солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs-GaAs. Поскольку такие гетерофотоэлементы оказались к тому же и более радиационно-стойкими, они быстро нашли применение в космической технике, несмотря на значительно более высокую стоимость по сравнению с кремниевыми фотоэлементами (советская станция «Мир»).

Широкое развертывание индустрии по производству приборов полупроводниковой электроники обусловили исключительно важное значение кремниевых фотоэлементов в становлении нарождающейся солнечной энергетики. До середины 1980-х гг. совершенствование солнечных элементов на основе как кремния, так и арсенида галлия осуществлялось на базе относительно простых структур и простых технологий. А с середины 1980-х гг. были предложены структуры фотоэлементов, позволяющие снизить в них как оптические, так и рекомбинационные потери. В результате был достигнут резкий скачок в эффективности фотоэлектрического преобразования в кремниевых фотоэлементах. Позже появились различные типы механически состыкованных двухкаскадных солнечных элементов, более эффективные, чем фотоэлементы с одним p-n переходом. Сейчас в стадии практического использования находятся трехкаскадные фотоэлементы, но опыт их использования позволяет надеяться на достижение высоких значений КПД в структурах с четырьмя, пятью, а может быть и более каскадами.

С начала 1990-х гг. в практике создания солнечных концентрационных систем возникло новое направление, базирующееся на концепции малоразмерных модулей.

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м 2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 ?С, воздух и другие газы - до 1000 ?С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 ?С, жидкометаллические теплоносители - до 800 ?С.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. В Калифорнии в 1994г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов.

Рис.1 Солнечные батареи

Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию.

Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей).

Американские эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например, в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск), выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

Список литературы:

Факты о солнце: http://100facts.ru/fakty-o-solnce.html (дата обращения 26.11.2019) Текст: электронный

2. История развития солнечной энергетики: https://www.c-o- k.ru/articles/istoriya-razvitiya-solnechnoy-fotoelektricheskoy-energetiki-v-rossii (дата обращения 27.11.2019) Текст: электронный

3. Г.Аристов. «Со́лнце» Го́сударственное изд́ательство те́хнико-те́оретической ли́тературы, Мо́сква-Ле́нинград, 1950 г, http://dislyget.ru/index.php?id=6864&r=item/view (дата обращения 27.11.2019) Текст: электронный