Использование солнечной энергии в бытовых целях

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих зарубежных странах. Большинство установок солнечного теплоснабжения оборудовано солнечным коллектором. Только в США эксплуатируются солнечные коллекторы площадь 10 млн. м, что обеспечивает годовую экономию топлива до 1,5 млн. т.

Представляется, что прямое преобразование солнечной энергии станет краеугольным камнем энергической системы. Хотя в настоящее время фотогальванические солнечные системы малоэффективны и получаемая на них энергия в 4 раза дороже гелиотермической, но они тем не менее используются во многих отдаленных районах. Вполне вероятно, что стоимость электроэнергии, получаемой этим способом, быстро снизится. В ближайшее время могут появиться системы с КПД, приближающимся к 20%, а к концу текущего десятилетия ученые надеются довести стоимость 1 кВт. ч электроэнергии до 10 центов.

Энергия Солнца, как полагают эксперты, - квинтэссенция энергетики, поскольку фотоэлектрические установки не оказывают воздействия на природную среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт (портативные модули для средства связи и измерительных приборов) до многих мегаватт (площадь несколько миллионов квадратных метров).

Технически концентрацию солнечного излучения можно осуществить с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, световодов и др. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который падает на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце.

Национальная безопасность любого государства связана с его устойчивым развитием, основой которого является надежное энергообеспечение. Поэтому ученые всего мира работают над разными энергопроектами, изучают возможные энергетические источники, основываясь на их сравнении с нефтью, природным газом и углем, т.е. с невозобновляемыми ресурсами. Их доля в энергообеспечение населения Земли в настоящее время составляет соответственно 37,5- 38,0; 24,5 и 25,5%.

Доля же возобновляемых источников (Солнца, ветра, воды) пока незначительна. В настоящее время ежегодный прирост мировых запасов нефти за счет вновь открываемых месторождений составляет 0,8%, а ежегодный расход - 2%. Тогда нефти хватит до 2007г., а затем наступит энергетический кризис, который негативно отразится н судьбе каждого человека.

Поиски экологически чистых возобновляемых локальных источников энергии, а также новых способов ее передачи не менее актуальны. Известен важный с этой точки зрения аргумент в пользу солнечной энергетики - катастрофически увеличивающийся парниковый эффект. Международное сообщество пришло к единому мнению: главный виновник парникового эффекта - увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, что является следствием сжигания углеродного топлива.

Наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии - направлять ее на получение вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

Много бедствий в районах газоносных месторождений связано с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сероводород считается вредной примесью. Сейчас в промышленности сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клауса и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода нами были исследованы свойства алюмосиликатов. Изучено влияние солнечного излучения на пористость и адсорбционные свойства сорбентов. Адсорбент облучали на опытной гелиоустановке с различной длительностью. Установлено, что воздействие концентрированным солнечным излучением при коэффициенте концентрации лучей К=200 приводит к суммарному увеличению пор.

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождаются образованием многих загрязнителей воды и воздуха. И если верно, что любой вид человеческой деятельности неизбежно оказывает вредное воздействие на природу, то степень этого вреда различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для поддержания жизненных процессов необходимо поглощать и использовать энергию.

Перспективы солнечной энергетики. Использования солнечной энергии может быть полезно в нескольких отношениях. Во-первых, при замене ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное топливо, мы снижаем угрозу распространения атомного оружия. Наконец, солнечные источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость от бесперебойного снабжения топливам. Несомненно, некоторый ущерб окружающей среде может наноситься также добычей руды, изготовлением аккумуляторных батарей и гораздо большим количеством проводов и линий передачи, необходимых для сбора электроэнергии от многочисленных ее источников. Но в целом, если учесть все затраты на охрану среды, они окажутся очень малыми.

Обзор различных альтернативных источников энергии показывает, что на пороге широкомасштабного промышленного внедрения находятся ветротурбины и солнечные батареи. Если добавить к этому энергосбережение, есть надежда решить встающие энергетические проблемы, таким образом, строительство новых атомных и тепловых электростанций вовсе не обязательно. Что же касается отдаленного будущего, то в первую очередь следует разрабатывать системы запасания энергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми станциями.

С точки зрения окружающей среды и устойчивого развития эти альтернативные источники электричества вполне надежны.

За альтернативными источниками энергии стоит наше будущее. Необходимо объединить усилия для борьбы за чистую планету, чистый воздух, чистую воду!

2. СОЛНЦЕМОБИЛЬ СЕГОДНЯ.

Пятьдесят лет назад, 31 августа 1955 года, в Чикаго на выставке достижений концерна General Motors впервые был показан прототип транспортного средства на солнечных батареях. Модель автомобильчика длиной чуть более фута с дюжиной селеновых фотоэлементов на крыше и одним миниатюрным электромоторчиком тихонько ползала вокруг павильона. Рядом с ней гордо ходил ее создатель, американский инженер Уильям Кобб. Тогда его исследования финансировались, и он искренне верил, что через пару десятилетий, скажем, по дорогам солнечной Калифорнии будут вовсю колесить бесшумные и экологически чистые солнцемобили. Тем более что КПД солнечных батарей постоянно рос, разрабатывались все более совершенные фотоэлементы. Однако вскоре исследования свернули и про электромобили на энергии нашего светила забыли на три с лишним десятилетия.

Вспомнили про них экологи: в конце 80-х - начале 90-х годов ХХ века ими были построены первые шоу-кары, использующие солнечную энергию. К тому времени КПД фотоэлементов вырос до 15 процентов, и ездили такие машинки довольно шустро, развивая скорость до сотни километров в час. Тут же нашлись энтузиасты этого дела, ведь если появляется возможность на чем-то посоревноваться, гонщики тут же находятся - солнцемобили начали строить по всему миру. А потом в гонку включились университеты, исследовательские центры и автоконцерны, ведь это прекрасная реклама. К тому же на таких авто можно отрабатывать различные высокие технологии, например, испытывать высокоэкономичные электродвигатели, компактные, легкие и емкие аккумуляторы и, наконец, те же самые солнечные батареи. Кстати, в последней сфере недавно произошел настоящий прорыв - исследовательская компания Spectrolab, входящая в состав корпорации Boeing, разработала фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток 36% солнечной энергии.

Солнцемобили в большинстве своем машины уникальные. В их конструкции используются оригинальные технические решения и новейшие материалы. Отсюда и очень высокая цена. Например, двухместный солнцемобиль "Мечта" обошелся японской автомобильной компании "Хонда" в 2 миллиона долларов. Но деньги были потрачены не напрасно. Трассу трансавстралийского ралли 1996 года протяженностью 3000 км он прошел со средней скоростью почти
90 км/ч , а на прямом скоростном участке достиг 135 км/ч . Рекорд "Мечты" до сих пор никем не побит. Солнцемобиль - это электромобиль, снабжен-ный фото-электрическими преобразователями (сол-нечными батареями) достаточно большой мощности, в которых энергия света преобразуется в электрический ток, питающий тяговый двигатель и заряжающий аккумуляторы.

Конструирование солнцемобилей и испытание их в гонках постепенно
оформились в новый технический вид спорта - " брейнспорт ". По сути дела - это состязания интеллектов создателей солнцемобилей . На них отрабатываются параметры транспортных средств будущего. Чтобы солнцемобиль с максимальной мощностью солнечных батарей и электромотора всего 1,5-2 кВт мог соперничать с автомобилем, необходимо использовать самые легкие и прочные конструкционные материалы, высокоэффективные системы электропривода, последние достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук
Специалисты полагают, что солнечный транспорт станет всерьез конкурировать с автомобильным, когда эффективность доступных по цене солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) составит 40-50%. Пока же их КПД всего 10-12%. Чтобы солнцемобили с мощностью солнечных батарей 1,5-2 кВт "догнали" автомобили с двигателями в 100 раз мощнее, необходимо использовать легкие и прочные конструкционные материалы, эффективные системы электропривода, достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук.

Конструкции транспортных средств будущего и
отрабатываются на ралли солнцемобилей. У солнцемобилей достигнут минимальный для наземных экипажей коэффициент
аэродинамического сопротивления (0,1). Опыт концерна " General Motors " при разработке рекордного солнцемобиля  " Sunracer " ("Солнечный гонщик") серийное производство которого началось в 1996 г . Его скорость достигает 130 км/ч , до 100 км/ч он разгоняется за 9 с и на обычных свинцово-кислотных аккумуляторах проходит 100 км. Специально для солнцемобилей сконструированы легкие бесколлекторные двигатели постоянного тока с магнитами из редкоземельных металлов и КПД до
98%, а также эффективные микропроцессорные системы управления. В 1993г на трех солнцемобилях - лидерах трансавстралийских гонок впервые
низкооборотные двигатели встроили непосредственно в ступицы ведущих колес.

Идея мотор-колеса , сама по себе не новая, в солнцемобилях позволила
отказаться от трансмиссии и довести КПД привода до 96-97%. В 1996 г . в
трансавстралийском ралли участвовало уже 12 таких конструкций, а компания " Honda ", вдохновленная успехом своей "Мечты", приступила к серийному выпуску электровелосипедов с мотор-колесом . Известные производители шин - "Michelin ", " Bridgestone ", " Dunlop " - разрабатывают новые материалы и протекторы для  покрышек солнцемобилей . Уже созданы шины, которые при хорошем сцеплении с дорогой обладают самым низким коэффициентом сопротивления качению - всего 0,007. Фирма " Michelin " производит подобные энергосберегающие шины и для серийных автомобилей
Солнечные батареи небольшой мощности на обычных автомобилях
кондиционируют воздух в салонах и подзаряжают пусковые аккумуляторы на стоянках, питают радио- и телеаппаратуру.

Проехать три тысячи километров и не потратить ни грамма бензина, солярки или иного энергоносителя - такое сегодня можно увидеть только на гонках электромобилей, осна-щенных солнечными батареями. Совсем недавно подобное мероприятие - World Solar Challenge - завершилось в Австралии, 22 автомобиля из десяти стран боролись за звание самой быстрой машины, не потребляющей топлива. Победила команда гонщиков Nuon Solar из Голландии: чемпионам соревнований 2001 и 2003 годов удалось достичь рекордной средней скорости 102,75 км/ч - они прошли от Дарвина до Аделаиды за 29 часов 11 минут. Их автомобиль Nuna 3 изготовлен на основе новейших космических технологий и теоретически способен разогнаться до 170 километров в час, используя в качестве топлива только солнечный свет. Но появятся ли такие авто когда-нибудь на дорогах? Скорее всего нет, однако отдельные их элементы уже сегодня внедряются в производство.

На ежегодном автошоу в Детройте некоторые посетители ходили вокруг построенного силами студентов Мичиганского университета автомобиля Momentum (в австралийской гонке он занял третье место), пытаясь с ходу определить, где зад, где перед. При высоте менее метра, с тремя колесами, более похожими на велосипедные - их ширина всего 65 миллиметров, Momentum несет на себе более 3000 солнечных батарей. Мощностью в два киловатта и весом 290 кг вместе с водителем, солнцемобиль способен развивать скорость до 105 км/ч.

Стоит такое чудо техники немало: тот же Momentum обошелся в 1,8 миллиона долларов. Понятно, что подобное транспортное средство никогда не окупится, даже если литр бензина будет стоить сотню долларов. К тому же главная награда на гонках - слава и почет. А можно ли сделать солнцемобиль дешевым? В прошлом году в жаркой Венесуэле государственная автопроизводящая компания Bauxita CVG-Bauxilum обнародовала проект автомобиля на солнечных батареях стоимостью всего в шесть тысяч евро, причем в двух вариантах - легковом и микрогрузовичка. Однако пока что никаких иных новостей на этот счет из Каракаса не приходило...

Однако существует гелиотранспорт, который, весьма вероятно, станет
популярным и доступным в самое ближайшее время. Речь идет о маломерных судах, лодках, катерах, катамаранах, яхтах и других водных транспортных средствах, приводимых в движение солнечной энергией. Именно на воде задолго до появления электромобиля было испытано первое транспортное средство с электрическим приводом. В 1833 году лодка с двумя электромоторами и 27 гальваническими батареями поднялась по Неве на несколько километров. Принадлежала она работавшему в Петербурге немецкому инженеру Морицу Якоби. Но из-за низкой энергоемкости батарей эксперименты пришлось прекратить. В начале ХХ века появились маломерные суда с двигателями внутреннего сгорания. Энергоемкость углеводородного топлива была значительно выше той,
что могли дать гальванические батареи. Лодки и катера с мощными
бензиновыми моторами очень быстро получили самое широкое распространение. А электромоторные суда и их сухопутные "братья" - электромобили – из-за ограниченного ресурса аккумуляторных батарей и сложности их зарядки до недавнего времени оставались исключительной редкостью.