W ostatnich latach naukowcy byli szczególnie zainteresowani alternatywnymi źródłami energii. Ropa i gaz prędzej czy później się wyczerpią, więc musimy pomyśleć o tym, jak teraz przetrwamy w tej sytuacji. Wiatraki są aktywnie wykorzystywane w Europie, ktoś próbuje wydobyć energię z oceanu, a my porozmawiamy o energii słonecznej. W końcu gwiazda, którą prawie codziennie widzimy na niebie, może nam pomóc w oszczędzaniu nieodnawialnych zasobów i poprawie stanu środowiska. Wartość słońca dla Ziemi jest trudna do przecenienia - daje ciepło, światło i umożliwia funkcjonowanie całego życia na planecie. Dlaczego więc nie znaleźć dla niego innego zastosowania?
Trochę historii
W połowie XIX wieku fizyk Alexander Edmond Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny. Pod koniec wieku Charles Fritts stworzył pierwsze urządzenie zdolne do przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną. W tym celu użyto selenu pokrytego cienką warstwą złota. Efekt był słaby, ale ten wynalazek często kojarzy się z początkiem ery energii słonecznej. Niektórzy uczeni nie zgadzają się z tym sformułowaniem. Nazywają założyciela ery energii słonecznej światowej sławy naukowcem Albertem Einsteinem. W 1921rok otrzymał Nagrodę Nobla za wyjaśnienie praw zewnętrznego efektu fotoelektrycznego.
Wydaje się, że energia słoneczna jest obiecującym sposobem rozwoju. Ale jest wiele przeszkód, aby wejść do każdego domu - głównie ekonomicznych i środowiskowych. Co składa się na koszt paneli słonecznych, jakie szkody mogą wyrządzić środowisku i jakie inne sposoby generowania energii dowiemy się poniżej.
Metody oszczędzania
Najpilniejszym zadaniem związanym z okiełznaniem energii słonecznej jest nie tylko jej odbiór, ale także gromadzenie. I to jest najtrudniejsze. Obecnie naukowcy opracowali tylko 3 sposoby na pełne okiełznanie energii słonecznej.
Pierwszy opiera się na wykorzystaniu parabolicznego lustra i przypomina trochę zabawę lupą, która jest znana wszystkim od dzieciństwa. Światło przechodzi przez soczewkę, zbierając się w jednym punkcie. Jeśli włożysz w to miejsce kartkę papieru, zaświeci się, bo temperatura przecinających się promieni słonecznych jest niesamowicie wysoka. Lustro paraboliczne to wklęsły dysk przypominający płytką miskę. Lustro to, w przeciwieństwie do szkła powiększającego, nie przepuszcza, lecz odbija światło słoneczne, zbierając je w jednym punkcie, który jest zwykle skierowany na czarną rurkę z wodą. Ten kolor jest używany, ponieważ najlepiej pochłania światło. Woda w rurze jest podgrzewana przez światło słoneczne i może być wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej lub do ogrzewania małych domów.
Płaski grzejnik
Ta metoda używazupełnie inny system. Odbiornik energii słonecznej wygląda jak konstrukcja wielowarstwowa. Zasada jego działania wygląda tak.
Przechodząc przez szkło, promienie uderzają w przyciemniony metal, który, jak wiadomo, lepiej pochłania światło. Promieniowanie słoneczne zamienia się w energię cieplną i ogrzewa wodę znajdującą się pod żelazną płytą. Co więcej, wszystko dzieje się jak w pierwszej metodzie. Podgrzana woda może być wykorzystana do ogrzewania pomieszczeń lub do wytwarzania energii elektrycznej. To prawda, że skuteczność tej metody nie jest wystarczająco wysoka, aby można ją było stosować wszędzie.
Z reguły pozyskiwana w ten sposób energia słoneczna to ciepło. Do wytwarzania energii elektrycznej znacznie częściej stosowana jest metoda trzecia.
Ogniwa słoneczne
Przede wszystkim znamy ten sposób pozyskiwania energii. Wiąże się to z wykorzystaniem różnych baterii czy paneli słonecznych, które można spotkać na dachach wielu nowoczesnych domów. Ta metoda jest bardziej skomplikowana niż opisana wcześniej, ale jest znacznie bardziej obiecująca. To on umożliwia zamianę energii słonecznej na energię elektryczną na skalę przemysłową.
Specjalne panele zaprojektowane do przechwytywania promieni są wykonane ze wzbogaconych kryształów krzemu. Padające na nie światło słoneczne wybija elektron z orbity. Drugi natychmiast stara się zająć jego miejsce, dzięki czemu uzyskuje się ciągły ruchomy łańcuch, który wytwarza prąd. W razie potrzeby jest natychmiast wykorzystywany do dostarczenia urządzeń lub gromadzony w formieprąd w specjalnych bateriach.
Popularność tej metody jest uzasadniona tym, że pozwala ona uzyskać ponad 120 watów z zaledwie jednego metra kwadratowego paneli słonecznych. Jednocześnie panele mają stosunkowo niewielką grubość, co pozwala na umieszczenie ich niemal w dowolnym miejscu.
Rodzaje paneli silikonowych
Istnieje kilka rodzajów ogniw słonecznych. Pierwsze wykonane są z monokrystalicznego krzemu. Ich wydajność wynosi około 15%. Te panele słoneczne są najdroższe.
Sprawność elementów wykonanych z polikrystalicznego krzemu sięga 11%. Kosztują mniej, ponieważ materiał do nich uzyskuje się przy użyciu uproszczonej technologii. Trzeci typ jest najbardziej ekonomiczny i ma minimalną wydajność. Są to panele wykonane z krzemu amorficznego, czyli niekrystalicznego. Oprócz niskiej wydajności mają jeszcze jedną istotną wadę - kruchość.
Niektórzy producenci stosują panele słoneczne z obu stron, aby zwiększyć wydajność - tył i przód. Pozwala to na przechwytywanie światła w dużych ilościach i zwiększa ilość otrzymywanej energii o 15-20%.
Producenci krajowi
Energia słoneczna na Ziemi staje się coraz bardziej rozpowszechniona. Nawet w naszym kraju są zainteresowani studiowaniem tej branży. Pomimo tego, że rozwój alternatywnych źródeł energii nie jest w Rosji bardzo aktywny, osiągnięto pewien sukces. Obecnie w tworzenie paneli na energię słoneczną zajmuje się kilka organizacji - głównieinstytuty naukowe różnych dziedzin i fabryki do produkcji sprzętu elektrycznego.
- NPF "Kvark".
- Zakład Mechaniczny OJSC Kovrov.
- Ogólnorosyjski Instytut Badawczy Elektryfikacji Rolnictwa.
- Inżynieria organizacji pozarządowych.
- AO WIEDEŃ.
- OJSC "Ryazan fabryka urządzeń metalowo-ceramicznych".
- JSC Pravdinsky Pilotażowa Fabryka Źródeł Energii Pozit.
To tylko niewielka część przedsiębiorstw aktywnie zaangażowanych w rozwój alternatywnych źródeł energii w Rosji.
Wpływ na środowisko
Odrzucenie węglowych i naftowych źródeł energii wiąże się nie tylko z tym, że zasoby te prędzej czy później się wyczerpią. Faktem jest, że bardzo szkodzą środowisku - zanieczyszczają glebę, powietrze i wodę, przyczyniają się do rozwoju chorób u ludzi i obniżają odporność. Dlatego alternatywne źródła energii muszą być przyjazne dla środowiska.
Krzem, który jest używany do produkcji ogniw fotowoltaicznych, sam w sobie jest bezpieczny, ponieważ jest materiałem naturalnym. Ale po oczyszczeniu pozostają odpady. To te, które mogą szkodzić ludziom i środowisku, jeśli są używane w niewłaściwy sposób.
Ponadto w obszarze całkowicie wypełnionym panelami słonecznymi naturalne oświetlenie może zostać zakłócone. Doprowadzi to do zmian w istniejącym ekosystemie. Ogólnie rzecz biorąc, wpływ urządzeń zaprojektowanych do przetwarzania energii słonecznej na środowisko jest minimalny.
Gospodarka
Największe koszty produkcji paneli słonecznych są związane z wysokimi kosztami surowców. Jak już się dowiedzieliśmy, przy użyciu silikonu powstają specjalne panele. Pomimo tego, że minerał ten jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, istnieją duże problemy związane z jego wydobyciem. Faktem jest, że krzem, który stanowi ponad jedną czwartą masy skorupy ziemskiej, nie nadaje się do produkcji ogniw słonecznych. Do tych celów odpowiedni jest tylko najczystszy materiał uzyskany metodą przemysłową. Niestety uzyskanie najczystszego krzemu z piasku jest niezwykle problematyczne.
Cena tego surowca jest porównywalna z ceną uranu używanego w elektrowniach jądrowych. Dlatego koszt paneli słonecznych utrzymuje się obecnie na dość wysokim poziomie.
Nowoczesne technologie
Pierwsze próby okiełznania energii słonecznej pojawiły się dawno temu. Od tego czasu wielu naukowców aktywnie angażuje się w poszukiwania najwydajniejszego sprzętu. Powinien być nie tylko opłacalny, ale także kompaktowy. Jego wydajność powinna dążyć do maksimum.
Pierwsze kroki w kierunku idealnego urządzenia do odbierania i przetwarzania energii słonecznej poczyniono wraz z wynalezieniem baterii krzemowych. Oczywiście cena jest dość wysoka, ale panele można umieścić na dachach i ścianach domów, gdzie nikomu nie będą przeszkadzać. A wydajność takich akumulatorów jest niezaprzeczalna.
Ale najlepszym sposobem na zwiększenie popularności energii słonecznej jest obniżenie jej ceny. Niemieccy naukowcy zaproponowali już zastąpienie krzemu włóknami syntetycznymi, które można zintegrować ztkanina lub inne materiały. Wydajność takiej baterii słonecznej nie jest bardzo wysoka. Ale koszula przeplatana włóknami syntetycznymi może przynajmniej dostarczać elektryczność smartfonowi lub odtwarzaczowi. Aktywnie prowadzone są również prace w dziedzinie nanotechnologii. Jest prawdopodobne, że pozwolą słońcu stać się najpopularniejszym źródłem energii w tym stuleciu. Specjaliści Scates AS z Norwegii już stwierdzili, że nanotechnologia obniży koszt paneli słonecznych 2 razy.
Energia słoneczna dla domu
Samowystarczalne mieszkania to marzenie wielu osób: brak zależności od centralnego ogrzewania, brak problemów z płaceniem rachunków i brak szkód dla środowiska. Już teraz wiele krajów aktywnie buduje mieszkania, które zużywają wyłącznie energię uzyskaną z alternatywnych źródeł. Uderzającym przykładem jest tak zwany dom solarny.
Podczas procesu budowlanego będzie wymagał większych inwestycji niż tradycyjny. Ale po kilku latach eksploatacji wszystkie koszty się zwrócą - nie będziesz musiał płacić za ogrzewanie, ciepłą wodę i prąd. W domu solarnym cała ta komunikacja jest powiązana ze specjalnymi panelami fotowoltaicznymi umieszczonymi na dachu. Co więcej, pozyskane w ten sposób zasoby energii są nie tylko przeznaczane na bieżące potrzeby, ale również gromadzone do wykorzystania w nocy i przy pochmurnej pogodzie.
Obecnie budowa takich domów odbywa się nie tylko w krajach położonych blisko równika, gdzie najłatwiej pozyskać energię słoneczną. Są również wznoszone wKanada, Finlandia i Szwecja.
Wady i zalety
Rozwój technologii, które umożliwiają wykorzystanie energii słonecznej na całym świecie, mógłby być bardziej aktywny. Ale są pewne powody, dla których nadal nie jest to priorytetem. Jak wspomnieliśmy powyżej, podczas produkcji paneli powstają substancje szkodliwe dla środowiska. Ponadto gotowy sprzęt zawiera gal, arsen, kadm i ołów.
Konieczność recyklingu paneli fotowoltaicznych również rodzi wiele pytań. Po 50 latach eksploatacji staną się bezużyteczne i trzeba je będzie jakoś zniszczyć. Czy wyrządzi ogromną szkodę naturze? Warto również wziąć pod uwagę, że energia słoneczna jest zasobem kapryśnym, którego wydajność zależy od pory dnia i pogody. I to jest poważna wada.
Ale oczywiście są plusy. Energia słoneczna może być wydobywana niemal w każdym miejscu na Ziemi, a sprzęt do jej wytwarzania i przetwarzania może być na tyle mały, że mieści się z tyłu smartfona. Co ważniejsze, jest to zasób odnawialny, co oznacza, że ilość energii słonecznej pozostanie niezmieniona przez co najmniej kolejny tysiąc lat.
Perspektywy
Rozwój technologii w dziedzinie energetyki słonecznej powinien prowadzić do obniżenia kosztów wytwarzania elementów. Pojawiają się już szklane panele, które można zamontować na oknach. Rozwój nanotechnologii umożliwił wynalezienie farby, która będzie natryskiwana na panele słoneczne i może zastąpić warstwę krzemu. Jeśli koszt energii słonecznej rzeczywiście spadnie kilkukrotnie, jej popularność również wzrośnie wielokrotnie.
Stworzenie niewielkich paneli do indywidualnego użytku pozwoli ludziom korzystać z energii słonecznej w każdym środowisku - w domu, w samochodzie, a nawet poza miastem. Dzięki ich dystrybucji zmniejszy się obciążenie scentralizowanej sieci energetycznej, ponieważ ludzie będą mogli sami ładować małą elektronikę.
Eksperci Shell uważają, że do 2040 r. około połowa światowej energii będzie generowana ze źródeł odnawialnych. Już teraz w Niemczech aktywnie rośnie zużycie energii słonecznej, a moc baterii wynosi ponad 35 gigawatów. Japonia również aktywnie rozwija tę branżę. Te dwa kraje są liderami zużycia energii słonecznej na świecie. Stany Zjednoczone prawdopodobnie wkrótce do nich dołączą.
Inne alternatywne źródła energii
Naukowcy nie przestają zastanawiać się, co jeszcze można wykorzystać do wytwarzania elektryczności lub ciepła. Oto przykłady najbardziej obiecujących alternatywnych źródeł energii.
Wiatraki można teraz znaleźć w prawie każdym kraju. Nawet na ulicach wielu rosyjskich miast instalowane są latarnie, które zaopatrują się w prąd z energii wiatru. Z pewnością ich koszt jest wyższy niż przeciętny, ale z czasem nadrobią tę różnicę.
Dość dawno temu wynaleziono technologię, która pozwala pozyskiwać energię za pomocąróżnica temperatur wody na powierzchni oceanu i na głębokości. Chiny będą aktywnie rozwijać ten kierunek. W najbliższych latach u wybrzeży Państwa Środka zbudują największą elektrownię działającą w oparciu o tę technologię. Istnieją inne sposoby korzystania z morza. Na przykład w Australii planują stworzyć elektrownię, która wytwarza energię z siły prądów.
Istnieje wiele innych sposobów wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła. Ale na tle wielu innych opcji energia słoneczna jest naprawdę obiecującym kierunkiem rozwoju nauki.
