Солнечная энергетика-отрасль промышленности, занимающаяся использованием энергии солнечного излучения, относящейся к возобновляемым источникам энергии. С начала xxi века она развивается все более динамично. Глобальные инвестиции в солнечную энергетику составили $ 149,6 млрд в год и не прерывно растет. В 2020 году общая мощность установленных солнечных элементов составляла 586 гвт и они удовлетворяли 2,7% мирового спроса на электроэнергию. О том как эта отрасль развивается в Украине узнайте перейдя по ссылке солнечные электростанции в украине .
Зміст
Солнечная энергия
В верхние слои атмосферы земли поступает солнечное излучение с интенсивностью облучения 1366,1 вт / м2. Это означает, что общая мощность, достигающая атмосферы, составляет около 174 петаватт. Около 30% этой мощности отражается мгновенно в космос, а еще 20% поглощается атмосферой. Около 89 петаватт достигают поверхности земли, что в среднем составляет около 180 вт/м2. Эта мощность распределяется неравномерно: область, освещенная светом, падающим перпендикулярно сверху, может получать до 1000 вт/м2, в то время как области, где длится ночь, ничего не получают напрямую. После усреднения суточного и годового циклов больше всего энергии получают области у экватора, а меньше всего-циркумполярные. Суммарная энергия, которая достигает горизонтальной поверхности в течение всего года, составляет от 600 квтч / (м2*год) в скандинавских странах, более 2500 квтч/м2 / год в центральной африке[. На Украине это около 1100 квтч.
Из 89 петаватт, достигающих поверхности, около 0,1% используются растениями в процессе фотосинтеза. Энергия, хранящаяся таким образом, является источником как пищи, так и ископаемого топлива. Общая мощность, используемая людьми, составляет около 18 тераватт, или около 0,02% мощности солнечной энергии. По оценкам, все существующие на земле месторождения угля, нефти и природного газа содержат в общей сложности около 430 ед энергии, что соответствует энергии, поступающей от солнца к земле за 56 дней.
Вся энергия солнечного излучения, поглощаемая землей, в том числе та, которая каким-либо образом используется растениями и животными, преобразуется в тепло, а затем излучается в виде инфракрасного излучения в космос.
Фотоэлектрическое преобразование
Фотоэлектрический элемент-это устройство, используемое для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию за счет использования полупроводникового перехода типа p-n, в котором под действием фотонов с энергией, превышающей ширину энергетической щели полупроводника, электроны перемещаются в область n, а дырки (носители заряда) в область p.такое смещение электрических зарядов вызывает появление разности потенциалов, то есть электрического напряжения.
Впервые фотоэлектрический эффект был замечен а. К. Беккерелем в 1839 году в цепи освещенных электродов, помещенных в электролит, и наблюдения этого явления на границе двух твердых тел были сделаны 37 лет спустя В. Адамс и Р. Дэй.
В настоящее время известно много типов материалов для достижения фотоэлектрического эффекта. В промышленности чаще всего используются элементы, построенные на основе монокристаллического кремния, но также производятся элементы на основе поликристаллического кремния, аморфного кремния, полимеров, теллурида кадмия (cdte), cigs и многих других. Интенсивное развитие фотоэлектрической промышленности в последние годы влечет за собой большой интерес к исследованиям более эффективных и недорогих элементов.
Фототермическое преобразование
Фототермическое преобразование, это прямое преобразование энергии солнечного излучения в тепловую энергию. В зависимости от того, используются ли дополнительные источники энергии (например, для привода насосов) для дальнейшего распределения полученной тепловой энергии, различают пассивное и активное фототермическое преобразование. В случае пассивного преобразования возможный поток теплоносителя (например, воздуха или нагретой воды) происходит только путем конвекции. В случае активного преобразования используются насосы, питаемые от дополнительных источников энергии.
Пассивное фототермическое преобразование в основном используется в небольших установках m.in. Для пассивного отопления зданий. Особенно эффективным методом такого нагрева является стена тромба. использование разницы в плотности между нагретым воздухом и прохладным воздухом позволяет обеспечить такой тепловой поток, что холодный воздух всасывается в здание снаружи. Устройство, которое использует это явление для охлаждения и вентиляции зданий, – это солнечный дымоход. Пассивное преобразование также используется в термосифонных водонагревателях, где коллектор находится ниже резервуара для горячей воды, и при сушке сельскохозяйственных культур.
Солнечные башни
Солнечная башня – это очень высокое сооружение напоминающее дымоход, в котором энергия движения воздуха преобразуется в электричество с помощью ветряной турбины, соединенной с генератором.
Применение солнечной энергии
Поскольку затраты на получение электроэнергии от солнечного света всегда были во много раз выше, чем при использовании других источников энергии, она долгое время использовалась только там, где ее использование было очень затруднено или невозможно. Пример таких применений:
- портативные устройства, требующие небольшого количества энергии, например калькуляторы, электронные часы,
- труднодоступные места, где подводить электрическую линию было бы невыгодно, например, дома, стоящие поодиночке, камеры наблюдения, камеры контроля скорости,
- транспортные средства, в которых использование других источников энергии было бы невыгодным, например, искусственные спутники, парусные яхты, кемперы.
Промышленный масштаб
С начала xxi века различные государства начали вводить субсидии на строительство промышленных солнечных установок: мин. Германия, чехия, франция, греция, италия, испания, великобритания, словакия, сербия, болгария, китай, тайвань, индия, южная корея. Это вызвало Развитие промышленной фотоэлектрической системы. С 2000 года производство фотоэлектрических элементов в мире растет примерно на 40% в год. В 2000 году были произведены ячейки общей мощностью 277 мвт, в 2005 году-общей мощностью 1782 мвт, а в 2010 году-общей мощностью 24 047 мвт.
