Солнечная энергия и перспективы ее использования

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный педагогический университет имени МаксимаТанка»
Кафедра общей и теоретической физики
Курсовая работа по общей физике
Солнечная энергия и перспективы ее использования
Студентки 321 группы
физического факультета
Лешкевич Светлана Валерьевна
Научный руководитель:
Федорков Чеслав Михайлович
Минск, 2009

Содержание
 
Введение
1. Общиесведения о солнце
2. Солнце –источник энергии
2.1Исследование солнечной энергии
2.2 Потенциалсолнечной энергии
3. Использованиесолнечной энергии
3.1 Пассивноеиспользование солнечной энергии
3.2 Активноеиспользование солнечной энергии
3.2.1Солнечные коллекторы и их виды
3.2.2Солнечные системы
3.2.3Солнечные тепловые электростанции
3.3Фотоэлектрические системы
4. Солнечнаяархитектура
Заключение
Списокиспользованных источников 

Введение
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мирнашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не толькоисточник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видовэнергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца.По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим,закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.
Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую АменхотепаIII, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась системавоздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движениеспрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имяэтого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечнойэнергетикой.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мировогохозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчасвсе более насущной.

1. Общие сведения о Солнце
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар,типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
Характеристики Солнца
1. Масса MS~2*1023кг
2. RS~629тыс. км
3. V= 1,41*1027м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
4. средняя плотность1,41*103 кг/м3,
5. светимость LS=3,86*1023кВт,
6. эффективнаятемпература поверхности (фотосфера) 5780 К,
7. период вращения(синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
8. ускорениесвободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силытяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).
Строение Солнца
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоряобразным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Этаобласть называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК,происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общегорадиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы ивыделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где онараспространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов.Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечноевещество наружу. Так что если бы “печка” внутри Солнца вдруг погасла, то мыузнали бы об этом только миллионы лет спустя.

/>
Рис. 1 Строение Солнца
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречаеттакую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зонаСолнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективнаязона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простираетсяпрактически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенососновного потока энергии вновь становится лучистым.
Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистуюструктуру, называемую грануляцией. Каждое такое «зерно» размеромпочти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячеговещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темныеобласти — солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы,температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур сфотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными.Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемыйхромосферой, то есть «окрашенной сферой». Такое название хромосфераполучила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится оченьгорячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.
 

2. Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийсягазовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результатенепрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни нанашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечнойэнергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моряи океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодарясолнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечнаяэнергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу иэлектричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращаетэту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её сновападать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом,гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы ициркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного ивоздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земнойповерхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза,определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло,нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силунаходящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живымсуществам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1x1020кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работылампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слоиатмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии,излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018)кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергииотражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходитсяна волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.
 
2.1 Исследование солнечной энергии
Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо»дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в началеXX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другиезвезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелогоэлемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которыхоно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы,освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло.Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высокомдавлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называетсятермоядерной.
Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходитсяоколо 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным«топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода врезультате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого граммаводорода, участвующего в реакции, выделяется 6x1011 Дж энергии! НаЗемле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть оттемпературы 0º C до точки кипения 1000 м3 воды.

2.2 Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатнойэнергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировомкоммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013)кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом,нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди(например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какоеколичество воды используется для производства механической или электрическойэнергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергиясоставляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, тообщая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет толькоприблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей наповерхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляетпримерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствуетболее чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентомежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течениецелого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза большеэнергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной разабольше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
 

3. Использование солнечной энергии
Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используятак называемые активные и пассивные солнечные системы. Пассивные системыполучаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материаловтаким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца. К активнымсолнечным системам относятся солнечные коллекторы. Также в настоящее времяведутся разработки фотоэлектрических систем — это системы, которые преобразовываютсолнечную радиацию непосредственно в электричество.
Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом,трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра иливоды. Энергия Солнца «управляет» погодой на Земле. Большая долясолнечной радиации поглощается океанами и морями, вода в которых нагревается,испаряется и в виде дождей выпадает на землю, «питая»гидроэлектростанции. Ветер, необходимый ветротурбинам, образуется вследствиенеоднородного нагревания воздуха. Другая категория возобновляемых источниковэнергии, возникающих благодаря энергии Солнца — биомасса. Зеленые растенияпоглощают солнечный свет, в результате фотосинтеза в них образуютсяорганические вещества, из которых впоследствии можно получить тепловую иэлектрическую энергию. Таким образом, энергия ветра, воды и биомассы являетсяпроизводной солнечной энергии.
Энергия – это движущая сила любого производства. Тот факт, что враспоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевойэнергии, в значительной степени способствовало индустриализации и развитиюобщества.

3.1 Пассивное использование солнечной энергии
солнечная энергия тепловая электростанция
Пассивные солнечные здания — это те, проект которых разработан смаксимальным учетом местных климатических условий, и где применяютсясоответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещенияздания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительныетехнологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югуокна. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях бездополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстведополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат.Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуютсозданию энергетической независимости и энергетически сбалансированномубудущему.
В пассивной солнечной системе сама конструкция здания выполняет рольколлектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинствунаиболее простых систем, где тепло сохраняется в здании благодаря его стенам,потолкам или полам. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементыдля накопления тепла, вмонтированные в конструкцию здания (например, ящики скамнями или заполненные водой баки или бутыли). Такие системы такжеклассифицируются как пассивные солнечные.
 
3.2 Активное использование солнечной энергии
Активное использование солнечной энергии осуществляется с помощью солнечныхколлекторов и солнечных систем.
 
3.2.1 Солнечные коллекторы и их виды
В основе многих солнечных энергетических систем лежит применениесолнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца ипреобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху)и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды, производстваэлектричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи.Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах,использующих тепло.
Технология изготовления солнечных коллекторов достигла практическисовременного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли из американской«Carnegie Steel Company» изобрел коллектор с теплоизолированнымкорпусом и медными трубками. Этот коллектор весьма походил на современную термосифоннуюсистему. К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, абизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000коллекторов.
Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленныхна крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черныйцвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный илипластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечногосвета. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу,накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиацияраспределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.
Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций взависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водойдля стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться дляпредварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящеевремя рынок предлагает множество различных моделей коллекторов.
Интегрированный коллектор
Простейший вид солнечного коллектора — это «емкостной» или«термосифонный коллектор», получивший это название потому, чтоколлектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагреваетсяи хранится «одноразовая» порция воды. Такие коллекторы используютсядля предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужнойтемпературы в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условияхдомашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель.Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такойколлектор — недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательнойсистеме, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимальноготехобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами.
Плоские коллекторы
Плоские коллекторы — самый распространенный вид солнечных коллекторов,используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этотколлектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик состеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черныйцвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либоматовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее толькосвет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную частьпоступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает натепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла.Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что ещебольше сокращает тепловые потери.
Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба видаколлекторов бывают остекленными или неостекленными.
Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы
Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы дляприменения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют вэффективности в неблагоприятные дни — в холодную, облачную и ветреную погоду.Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят кпреждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, — кухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостаткиустраняются путем использования вакуумированных коллекторов.
Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там,где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозьнаружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается втепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит изнескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплентрубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) сселективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник иотдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.
Вакуум в стеклянной трубке — лучшая из возможных теплоизоляций дляколлектора — снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящуютрубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат — отличные рабочиехарактеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.
Фокусирующие коллекторы
Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхностидля концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется«теплоприемник». Достигаемая ими температура значительно выше, чем наплоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечноеизлучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду.Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большойповерхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигаетсявысокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется вфокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкойфокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальнойлинии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такиеколлекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией — близко к экватору и в пустынных районах.
Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечныеколлекторы узкого назначения — солнечные печи (для приготовления еды) исолнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную водупрактически из любого источника.
Солнечные печи
Онидешевы и просты в изготовлении. Они состоят из просторной хорошотеплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (например,фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюлячерного цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда изалюминия или нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать дляобеззараживания воды, если доводить ее до кипения.
Бываютящичные и зеркальные (с отражателем) солнечные печи.
Солнечные дистилляторы
Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причемисточником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. В их основележит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный дистилляториспользует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он изтеплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено стаким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальнуюемкость. Небольшой солнечный дистиллятор — размером с кухонную плиту — всолнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.
 
3.2.2 Солнечные системы
Солнечные системы горячего водоснабжения
Горячее водоснабжение — наиболее распространенный вид прямого применениясолнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов,в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячейводы, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах сотносительно небольшим количеством солнечной радиации, например в СевернойЕвропе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде.Больше получить невозможно, разве что с помощью сезонного регулирования. ВЮжной Европе солнечный коллектор может обеспечить 70-90% потребляемой горячейводы. Нагрев воды с помощью энергии Солнца — очень практичный и экономныйспособ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В сочетании сдеревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворятьпрактически круглый год без применения ископаемых видов топлива.
Термосифонные солнечные системы
Термосифонныминазываются солнечные водонагревательные системы с естественной циркуляцией(конвекцией) теплоносителя, которые используются в условиях теплой зимы (приотсутствии морозов). В целом это не самые эффективные из солнечныхэнергосистем, но они имеют много преимуществ с точки зрения строительства жилья.Термосифонная циркуляция теплоносителя происходит благодаря изменению плотностиводы с изменением ее температуры. Термосифонная система делится на три основныечасти:
· плоскийколлектор (абсорбер);
· трубопроводы;
· Бак-накопительдля горячей воды (бойлер).
Когдавода в коллекторе (обычно в плоском) нагревается, она поднимается по стояку ипоступает в бак-накопитель; на ее место в коллектор со дна бака-накопителяпоступает холодная вода. Поэтому необходимо располагать коллектор нижебака-накопителя и утеплять соединительные трубы.
Такие установки популярны в субтропических и тропических областях.
Солнечные системы подогрева воды
Чащевсего используются для обогрева бассейнов. Несмотря на то, что стоимость такойустановки меняется в зависимости от размера бассейна и других специфическихусловий, если солнечные системы устанавливаются с целью снижения или отказа отпотребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года окупаются засчет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на нескольконедель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.
В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогревательдля бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому вбассейн подается вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установитьабсорбер. Закрытые бассейны требуют установки стандартных коллекторов, чтобыобеспечить теплую воду и зимой.
Сезонное аккумулирование тепла
Есть и такие установки, которые позволяют зимой использовать тепло,накопленное летом солнечными коллекторами и сохраненное при помощи большихаккумулирующих баков (сезонное аккумулирование). Здесь проблема заключается втом, что количество жидкости, необходимое для обогрева дома, сопоставимо собъемом самого дома. Вдобавок, хранилище тепла необходимо очень хорошоизолировать. Чтобы обычный домашний бак-накопитель сохранил большую часть теплав течение полугода, его пришлось бы обернуть в слой изоляции толщиной 4 метра.Поэтому выгодно делать объем накопительной емкости очень большим. Из-за этогоснижается отношение площади поверхности к объему.
Крупные солнечные установки центрального отопления используются в Дании,Швеции, Швейцарии, Франции и США. Солнечные модули устанавливают прямо наземле. Без хранилища такая солнечная отопительная установка может покрыть около5% годовой потребности в тепле, так как установка не должна вырабатыватьбольше, чем минимальное количество потребляемого тепла, включая потери врайонной системе отопления (до 20% при передаче). Если есть хранение дневноготепла в ночное время, то солнечная отопительная установка может покрывать10-12% потребности в тепле, включая потери при передаче, а с сезонным хранениемтепла — до 100%. Существует также возможность комбинирования районногоотопления с индивидуальными солнечными коллекторами. Районную систему отопленияможно отключить на лето, когда горячее водоснабжение обеспечивается Солнцем, инет потребности в отоплении.
Солнечная энергия в сочетании с другими возобновляемымиисточниками.
Хороший результат приносит комбинирование различных возобновляемыхисточников энергии, например, тепло Солнца в сочетании с сезоннымаккумулированием тепла в виде биомассы. Либо, если оставшаяся потребность вэнергии очень низка, можно использовать жидкие или газообразные виды биотопливав сочетании с эффективными котлами в дополнение к солнечному отоплению.
Интересную комбинацию представляют собой солнечное отопление и котлы,работающие на твердой биомассе. Этим же решается и проблема сезонного хранениясолнечной энергии. Использование биомассы летом не является оптимальнымрешением, так как КПД котлов при частичной загрузке невысок, к тому жеотносительно высоки потери в трубах — а в небольших системах сжигание древесинылетом может причинять неудобство. В таких случаях все 100% тепловой нагрузкилетом может обеспечиваться за счет солнечного отопления. Зимой, когдаколичество солнечной энергии незначительно, практически все тепловырабатывается за счет сжигания биомассы.
В Центральной Европе накоплен большой опыт комбинирования солнечного отопленияи сжигания биомассы для производства тепла. Обычно около 20-30% общей тепловойнагрузки покрывает солнечная система, а главная нагрузка (70-80%)обеспечивается биомассой. Это сочетание может применяться и в индивидуальныхжилых домах, и в системах центрального (районного) отопления. В условияхЦентральной Европы около 10 м3 биомассы (например, дров) достаточнодля отопления частного дома, причем солнечная установка помогает сэкономить до3 м3 дров в год.
/> 
3.2.3 Солнечные тепловые электростанции
В дополнение к прямому использованию солнечного тепла, в регионах свысоким уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара,который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечнойтепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно.Промышленное применение этой технологии берет свое начало в 1980-х; с тех порэта отрасль быстро развивалась. В настоящее время энергокомпаниями США ужеустановлено более 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которыеобеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 млн.баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (вамериканском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной мощности и накопили100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является настолькоразвитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционнымиэлектрогенерирующими технологиями во многих районах США. В других регионах миратакже скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла длявыработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатываютсоответствующие программы, гранты для их финансирования предоставляетГлобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и СШАновые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.
По способу производства тепла солнечные тепловые электростанцииподразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.
Солнечные концентраторы
Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз ирефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатыватьэлектричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду.
Большие зеркала — с точечным либо линейным фокусом — концентрируютсолнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этомдостаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма «Luz Corp.»установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию вэлектричество с КПД около 15 %.
Существуют следующие виды солнечных концентраторов:
1. Солнечныепараболические концентраторы
2. Солнечнаяустановка тарельчатого типа
3. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.
Солнечные пруды
Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатыватьэнергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем,нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образомпроисходит в так называемых солнечных прудах.
Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды,неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает сглубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности.Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слояхводы благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретаяпоглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своейвысокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почтине закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными).Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качествеисточника тепла, благодаря которому особая турбина с органическимтеплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного прудавыступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла содна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды прудадостаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель,пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутуюсистему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.
3.3  Фотоэлектрические системы
Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии вэлектроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, отгреческого photos — свет и названия единицы электродвижущей силы — вольт).Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах,изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые подвоздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяяфотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строитькрупные фотоэлектрические станции. Крупнейшая такая станция на сегодняшний день- это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в американском штате Калифорния.КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 10%, однакоотдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.
Солнечныефотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся механизмов,однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства,аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действияфотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникаетпод воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическимисвойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементовобразует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули,благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а непеременный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся отбатарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярныепромежутки времени. Именно этот тип электричества поставляютэнергопроизводители, он используется для большинства современных приборов иэлектронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрическихмодулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системенеобходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.
В ближайшие десятилетия значительная часть мирового населенияпознакомится с фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционнаянеобходимость сооружения крупных дорогостоящих электростанций ираспределительных систем. По мере того, как стоимость фотоэлементов будетснижаться, а технология — совершенствоваться, откроется несколько потенциальноогромных рынков фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, встроенные встройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение домов.Потребительские товары — от ручного инструмента до автомобилей — выиграют вкачестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты.Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы примененияфотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.
К простейшим фотоэлектрическим системам относятся:
· солнечные насосы- фотоэлектрические насосные установки являются долгожданной альтернативойдизельным генераторам и ручным насосам. Они качают воду именно тогда, когда онаособенно нужна — в ясный солнечный день. Солнечные насосы просто устанавливатьи эксплуатировать. Небольшой насос может установить один человек за пару часов,причем ни опыт, ни специальное оборудование для этого не нужны.
· Фотоэлектрическиесистемы с аккумулятором — аккумулятор заряжается от солнечного генератора,запасает энергию и делает ее доступной в любое время. Даже в самыхнеблагоприятных условиях и в отдаленных пунктах фотоэлектрическая энергия,сохраняемая в аккумуляторах, может питать необходимое оборудование. Благодаряаккумулированию электроэнергии фотоэлектрические системы служат надежнымисточником электропитания днем и ночью, в любую погоду. Фотоэлектрическиесистемы, оснащенные аккумулятором, во всем мире питают осветительные приборы,сенсоры, звукозаписывающее оборудование, бытовые приборы, телефоны, телевизорыи электроинструменты.
· фотоэлектрическиесистемы с генераторами — когда электричество нужно непрерывно или возникаютпериоды, когда его нужно больше, чем может выработать одна только фотобатарея,ее может эффективно дополнить генератор. В дневные часы фотоэлектрическиемодули удовлетворяют дневную потребность в энергии и заряжают аккумулятор.Когда аккумулятор разряжается, двигатель-генератор включается и работает до техпор, пока батареи не подзарядятся. В некоторых системах генератор восполняетнедостаток энергии, когда потребление электричества превышает общую мощностьаккумуляторов. Двигатель-генератор вырабатывает электричество в любое времясуток. Таким образом, он представляет собой прекрасный резервный источникпитания для дублирования ночью или в ненастный день фотоэлектрических модулей,зависящих от прихотей погоды. С другой стороны, фотоэлектрический модульработает бесшумно, не требует ухода и не выбрасывает в атмосферу загрязняющиевещества. Комбинированное использование фотоэлементов и генераторов способноснизить первоначальную стоимость системы. Если резервной установки нет,фотоэлектрические модули и аккумуляторы должны быть достаточно большими, чтобыобеспечивать питание ночью.
· фотоэлектрическиесистемы, присоединённые к сети — в условиях централизованного энергоснабжения,подключенная к сети фотоэлектрическая система может обеспечивать частьнеобходимой нагрузки, другая часть при этом поступает из сети. В этом случаеаккумулятор не используется. Тысячи домовладельцев в разных странах мираиспользуют такие системы. Энергия фотоэлементов либо используется на месте,либо подается в сеть. Когда же владельцу системы нужно больше электричества,чем она вырабатывает — например, вечером, то возросшая потребность автоматическиудовлетворяется за счет сети. Когда же система вырабатывает большеэлектричества, чем может потребить хозяйство, излишек отправляется (продается)в сеть. Таким образом, коммунальная сеть выступает в роли резерва дляфотоэлектрической системы, как аккумулятор — для автономной установки.
· промышленныефотоэлектрические установки — фотоэлектрические станции работают бесшумно, непотребляют ископаемого топлива и не загрязняют воздух и воду. К сожалению,фотоэлектрические станции пока еще не очень динамично входят в арсеналкоммунальных сетей, что можно объяснить их особенностями. При современномметоде подсчета стоимости энергии, солнечное электричество все еще значительнодороже, чем продукция традиционных электростанций. К тому же фотоэлектрическиесистемы вырабатывают энергию только в светлое время суток, и ихпроизводительность зависит от погоды.
 

4. Солнечная архитектура
Существует несколько основных способов пассивного использования солнечнойэнергии в архитектуре. Используя их, можно создать множество различных схем,тем самым получая разнообразные проекты зданий. Приоритетами при постройкездания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачноерасположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северномполушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (инаоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобыограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время);правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежатьнежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время, хорошоизолированная конструкция здания.
Расположение, изоляция, ориентация окон и тепловая нагрузка на помещениядолжны представлять собой единую систему. Для уменьшения колебаний внутреннейтемпературы изоляция должна быть помещена с внешней стороны здания. Однако вместах с быстрым внутренним обогревом, где требуется немного изоляции, или снизкой теплоемкостью, изоляция должна быть с внутренней стороны. Тогда дизайн зданиябудет оптимальным при любом микроклимате. Стоит отметить и тот факт, чтоправильный баланс между тепловой нагрузкой на помещения и изоляцией ведет нетолько к сбережению энергии, но также и к экономии строительных материалов.Пассивные солнечные здания — идеальное место для жизни. Здесь полнее ощущаетсясвязь с природой, в таком доме много естественного света, в нем экономитсяэлектроэнергия.
Пассивное использование солнечного света обеспечивает примерно 15%потребности обогрева помещений в стандартном здании и является важнымисточником энергосбережения. При проектировании здания необходимо учитыватьпринципы пассивного солнечного строительства для максимального использованиясолнечной энергии. Эти принципы можно применять везде и практически без дополнительныхзатрат.
Во время проектирования здания также следует учитывать применениеактивных солнечных систем, таких как солнечные коллекторы и фотоэлектрическиебатареи. Это оборудование устанавливается на южной стороне здания. Чтобымаксимизировать количество тепла в зимнее время, солнечные коллекторы в Европеи Северной Америке должны устанавливаться с углом наклона более 50° отгоризонтальной плоскости. Неподвижные фотоэлектрические батареи получают втечение года наибольшее количество солнечной радиации, когда угол наклонаотносительно уровня горизонта равняется географической широте, на которойрасположено здание. Угол наклона крыши здания и его ориентация на юг являютсяважными аспектами при разработке проекта здания. Солнечные коллекторы для горячеговодоснабжения и фотоэлектрические батареи должны быть расположены внепосредственной близости от места потребления энергии. Важно помнить, чтоблизкое расположение ванной комнаты и кухни позволяет сэкономить на установкеактивных солнечных систем (в этом случае можно использовать один солнечныйколлектор на два помещения) и минимизировать потери энергии на транспортировку.Главным критерием при выборе оборудования является его эффективность.
Заключение
В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергиииз-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкийкоэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следуетсразу отказываться от практически неистощимого источника чистой энергии: поутверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимыепотребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, такжеповысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов ирядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовыхэлектроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нуждпромышленности, требующих больших затрат энергии, можно использоватькилометровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Ноперед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением иэксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земнойповерхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останетсядовольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.
В настоящее время разрабатываются новые космические проекты, имеющиецелью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают участиедесятки стран. Данные о процессах, происходящих на Солнце, получают с помощьюаппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и космическихракетах, на горных вершина и в глубинах океанов.
Большое внимание нужноуделить и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством длясуществования и развития человечества, оказывает воздействие на природу иокружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственнуюдеятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, чточеловек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собойразумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше ибольше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требуетэкологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимостирешения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытиенужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений,поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла иэлектроэнергии и т.д.
Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю,работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

Список использованных источников
 
Литература
1. Поиски жизни вСолнечной системе: Перевод с английского. М.: Мир, 1988 г., с. 44-57
2. Жуков Г.Ф. Общаятеория энергии.//М: 1995., с. 11-25
3. ДементьевБ.А. Ядерные энергетические реакторы. М., 1984, с. 106-111
4. Тепловыеи атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 1985, с. 69-93
5. Энциклопедическийсловарь юного астронома, М.: Педагогика,1980 г., с. 11-23
6. Видяпин В.И.,Журавлева Г.П. Физика. Общая теория.//М: 2005, с. 166-174
7. Дагаев М. М.Астрофизика.//М:1987, с. 55-61
8. ТимошкинС. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1966, с. 163-194
9. Илларионов А. Г.Природа энергетики.//М: 1975., с. 98-105
Web-sites
1. http://www.stroyca.ru
2. http://www.astro.alfaspace.net
3. http://www.solbat.narod.ru/1.htm
4. http://www.sunenergy.4hs.ru
5. http://solar-battery.narod.ru