Использование энергии Солнца на Земле* (сверх программы)

Все с детства знают, что Солнце является важнейшим источником света и тепла для нашей планеты. Без солнечной энергии, не было бы жизни на Земле. И люди, и животные, и растения — все нуждаются в солнечной энергии.

Люди часто используют солнечное тепло, чтобы высушить белье или нагреть воду. Мы воспринимаем солнечный свет и тепло как должное и редко задумываемся о том, сколько энергии передаётся нам от Солнца. Заметив это, люди задумались, а можно ли как-то использовать солнечную энергию в своих целях. Оказалось, что можно, и весьма успешно. Существуют солнечные батареи, о которых мы упоминали в уроке об излучении.

Эти батареи способны улавливать солнечную энергию и преобразовывать её в электрическую. Это особенно полезно на космических станциях и кораблях. Солнечные батареи устанавливаются прямо на корпус корабля или станции, таким образом, получая энергию от Солнца. После это энергия преобразуется в электрическую и используется, например, для освещения. Солнечные батареи обычно имеют размеры порядка 10—50 м².

Чтобы детально рассмотреть вопросы, связанные с использованием солнечной энергии, вам нужно еще многое изучить. Поэтому, сегодняшний урок можно считать ознакомительным. Итак, давайте познакомимся с некоторыми общеизвестными фактами. Существует так называемая солнечная постоянная — это интенсивность солнечного излучения. Интенсивность определяется мощностью излучаемой энергии на 1м²:

Солнечная постоянная равна

То есть, за 1 с, через площадь в 1 м² проходит 1367 Дж солнечной энергии. Но, до нас доходит не вся эта энергия из-за того, что у Земли есть атмосфера. Часть энергии поглощается частицами, находящимися в атмосфере, а часть — отражается и уходит обратно в космическое пространство. Поэтому, максимальный поток солнечной энергии, который доходит до поверхности Земли — это 102 Вт/м². Но, этой интенсивности поток достигает на экваторе, на уровне моря. В действительности же, интенсивность излучения в тех или иных областях Земли будет зависеть от погоды, от времени суток и от некоторых других факторов. Так что, средняя интенсивность примерно втрое меньше максимальной и составляет 34 Вт/м². От этого значения мы и будем отталкиваться.

Исходя из этого, мы можем вывести формулу, по которой можно подсчитать солнечную энергию, которую может собрать солнечная батарея. Если мы умножим интенсивность излучения на площадь батареи, то мы получим мощность: P = I₀S.

Чтобы найти энергию, нужно мощность умножить на время излучения: E = Pt.

Тогда получим, что энергия равна: E = I₀St.

Итак, если мы установим батарею 5 на 8 метров, то за 8 часов батарея получит:

Для сравнения при сгорании литра бензина выделяется менее 33 МДж. Предположим, что при преобразовании солнечной энергии в электрическую теряется 90% энергии. То есть, коэффициент полезного действия составляет всего 10%:

Даже при этом, энергии, полученной от солнца за световой день, хватит на работу трёх стоваттных лампочек в течение почти четырёх часов. Конечно, вы можете сказать, что литр бензина стоит значительно дешевле, чем изготовление солнечной батареи, да и работа трёх лампочек — это не очень-то впечатляющий показатель. Но, ведь, мы сейчас рассмотрели использование только одной батареи. Давайте посчитаем, сколько мы можем получить энергии, если поставим солнечные батареи на крышу дома. Площадь такой крыши составляет порядка 200 м². В летний период световой день длится порядка 12 часов. Вот и считайте:

Даже, если мы опять предположим только 10% эффективности солнечных батарей, этой энергии хватит на то чтобы постирать белье в стиральной машине, посмотреть фильм по телевизору и обеспечить работу компьютера более чем на сутки:

Можно привести много примеров, но мы приведём только один. За июль 2013 года Германия, будучи далеко не самой солнечной страной, произвела более 5 ТВт-часов, используя солнечную энергию. Такое количество электроэнергии потребляет целый район многоквартирных домов за 10 лет.

А теперь, давайте рассмотрим, какие есть недостатки и  достоинства использования солнечной энергии. Конечно, очевидное и важнейшее достоинство солнечной энергии — это то, что для нас Солнце является неисчерпаемым источником. Что бы ни случилось, Солнце светит каждый день, и каждый день мы можем получать энергию, причем совершенно бесплатно. Конечно, солнечные батареи тоже не вечны: за ними нужен уход и их периодически приходится менять. Но факт остаётся фактом: мы получаем энергию от неисчерпаемого источника. Второе очень важное достоинство этого источника — это общедоступность. Ведь Солнце светит везде и всюду, поэтому, любой человек может использовать эту энергии. В отличие от нефти, газа, каменного угля и других ископаемых, солнечную энергию добывать не нужно. Ну и, конечно, нельзя не упомянуть о том, что использование солнечной энергии никак не загрязняет окружающую среду. Сегодня проблема экологии стоит довольно остро, поэтому именно сегодня нам стоит задуматься о природных источниках энергии, таких, как энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов. Но, в использовании солнечной энергии есть определённые сложности. Во-первых, такой источник всегда зависит от погоды и от времени суток. Во-вторых, сама солнечная батарея — довольно дорогая конструкция из-за применения редких элементов, таких, как, например индий или теллур.

При повсеместном внедрении солнечных батарей существует риск изменения альбедо. Альбедо — это характеристика отражательной способности поверхности. Если поставить слишком много батарей, то Земля в целом станет отражать больше лучей. Это может привести, например, к усилению парникового эффекта и, как следствие, к глобальному потеплению. Или же, это каким-то образом может сказаться на растениях. Эффект предугадать трудно, но у нас есть достаточно примеров того, как опасно вмешиваться в природные процессы.

Тем не менее, если с умом использовать солнечные батареи, то можно с успехом получать большое количество энергии от неисчерпаемого и общедоступного источника. Использование альтернативных источников энергии рано или поздно придется внедрить, поскольку на данный момент, человечество живет за счет использования ресурсов планеты, которые, увы, не вечны.