Солнце – бесконечный источник возобновляемого вида энергии, который может дать людям возможность отказаться от традиционных видов топлива. Получение электрической энергии из солнечного излучения значительно снижает экологический урон, который человечество наносит использованием полезных ископаемых Земли. Однако, несмотря на все достоинства использования солнечной энергии, у этого способа получения энергии также есть ряд недостатков:
- Все отражающие или поглощающие солнечное излучение поверхности нуждаются в постоянной очистке от пыли и других видов загрязнений.
- Количество получаемой энергии зависит от времени суток и погодных условий. При затемнении необходимость в электроэнергии возрастает, а преобразование солнечной энергии в этот момент не происходит, поэтому многое зависит от качества используемых на солнечных электростанциях аккумуляторов.
- Возможен сильный нагрев нижних слоёв атмосферы в местах расположения электростанций.
- Чрезмерное количество мощных солнечных электростанций теоретически может привести к изменению климата из-за изменения отражательной способности поверхности Земли.
- Солнечные электростанции занимают слишком большие площади земной поверхности. Однако при расположении фотоэлектрических элементов на высоте более 2 метров, пространство под ними можно использовать в других целях. Второй вариант экономии пространства – размещение электростанций в горах или в море.
- Высокая стоимость любых элементов для преобразования энергии солнца.
- Снижение эффективности фотоэлектрических элементов в случае сильного нагрева и необходимость создания дополнительных систем охлаждения.
- Недолговечность фотоэлектрических элементов (30-50 лет) и, как следствие, необходимость их специфической утилизации из-за содержащихся в них опасных элементов.
Но сколько бы ни было недостатков, все они со временем преодолимы. Над этим и работают учёные разных стран. В настоящий момент создано немало изобретений, способных преобразовывать солнечную энергию в другие виды энергии. Наиболее популярны следующие способы получения энергии из солнечного излучения:
1. Использование фотоэлементов (тонкоплёночных, кремниевых монокристаллических и поликристаллических). Большое внимание в настоящее время уделяется именно тонкоплёночным, так как они более экономичны и удобны, но пока ещё малоэффективны. Крупнейшие производители фотоэлементов First Solar, Suntech, Sharp, Q-Cells, Yingli, JA Solar, Kyocera, Trina Solar, SunPower, Gintech.
Фотоэлектрическими элементами можно снабдить различные транспортные средства. Большая часть существующих изобретений использует солнечную энергию для работы второстепенных приборов внутри транспорта: кондиционеров, освещения, для зарядки аккумуляторов и т. п. А вот транспортных средств, полностью работающих за счёт солнечной энергии, пока очень мало.
2. Применение паровых машин поршневого или турбинного типа — тепловых двигателей внешнего сгорания, благодаря которым энергия пара приводит к возвратно-поступательному движению поршня и, как следствие, к вращению вала. Важной особенностью паровых машин является возможность применять для превращения в механическую работу любых источников тепла. Благодаря использованию паровых машин могут работать разные виды транспорта и техники: паровоз, паровой трактор, пароход, локомобиль, паровой экскаватор, паровой самолёт, локомотивы и т. п. К паровым машинам можно отнести многие двигатели внешнего сгорания, в том числе и двигатель Стерлинга.
3. С помощью двигателя Стирлинга – вида двигателя внешнего сгорания, в котором в замкнутом объёме движется газообразное или жидкое тело и благодаря циклическому нагреву и охлаждению этого тела получается энергия. Очень эффективны насосы, работающие по принципу двигателя Стирлинга. Устройство насоса позволяет вместо рабочего поршня применять жидкость, способствующую одновременному охлаждению рабочего тела. Поэтому с применением энергии солнца такой насос может использоваться в ирригационных системах для накачки воды. В масштабах дома – для перемещения от солнечного коллектора горячей воды в трубопровод или для отопления дома. В химической промышленности благодаря своей герметичности может применяться для перекачки химических реагентов. Закреплённый в фокусе огромного зеркала в форме спутниковой антенны двигатель Стирлинга используется для преобразования энергии Солнца в электрическую. Большое количество таких параболических отражателей и дополнительного оборудования, объединённых в систему, образуют солнечную электростанцию.
4. С помощью нагрева поверхности, поглощающей лучи, и распределения полученного тепла. Этот принцип используется при создании термовоздушных (или термодинамические) электростанций, в которых энергия Солнца трансформируется в энергию воздушного потока, а лишь затем – в электрическую.
5. С помощью светопоглощающих покрытий нагревают воду и переводят её в газообразное состояние. Благодаря полученному пару начинает работать паровая турбина, производя электричество. На том же принципе основываются и гелиоаэростатные (или солнечные аэростатные) электростанции. С внешней стороны баллона аэростата, заполненного паром, внутрь, на селективное светопоглощающее покрытие, попадают солнечные лучи, что приводит к нагреву пара, а последующее распыление воды внутри баллона – к генерации пара. По гибкому паропроводу разогретый пар перенаправляется в паровую турбину. Накопленный за день пар позволяет вырабатывать энергию даже в ночные часы и в плохую погоду.
Есть и множество других способов использования солнечной энергии. Приведём несколько из них:
1. В течение дня солнечный свет можно использовать для естественного освещения помещений без окон (гаражей, складов, метро, промышленных и сельскохозяйственных построек) благодаря построению световых колодцев – труб, передающих энергию солнца практически без потерь. Солнечный колодец состоит из двух частей. Одна, верхняя, выводится на освещённую сторону фасада или крыши и содержит, в зависимости от модели, коллекторы разных типов, линзы Френеля и рефлекторы. Вторая, нижняя, часть снабжена устройствами для рассеивания света. Вся внутренняя поверхность трубы выстилается прозрачным материалом с максимальной отражающей способностью. Чем короче и ровнее колодец, тем эффективнее светопередача.
2. Применение солнечных печей. В таких печах для домашнего использования можно поддерживать температуру около 150 °С, при этом не требуется сжигать дрова, загрязнять атмосферу выбросами СО2, вдыхать дым, способный привести к заболеваниям дыхательных путей, или подвергаться воздействию электромагнитного поля, как это бывает при использовании электрической плиты или микроволновой печи. Простейший вариант такой печи можно сделать самостоятельно: согнуть картон, покрытый фольгой, сфокусировав солнечный свет на чёрной кастрюле в центре. Вариант сложнее изготавливается из металлических отражателей или зеркал. Существуют солнечные печи и промышленного масштаба, которые чаще называют термином «гелиоустановки» и используют для термической обработки материалов, когда важно не допустить появление примесей.
3. Для проведения химических реакций. Например, учёные израильского института в солнечной башне из оксида цинка под действие солнечных лучей получают чистый цинк. Швейцарская компания, применяя солнечные концентраторы, получает из воды водород.
Итак, проведение масштабных исследований в гелиоэнергетике и создание большего количества сооружений и устройств, работающих за счёт использования солнечной энергии, может уже в ближайшее время значительно улучшить экологическую ситуацию в мире.