Энергия. Варианты использования солнечной энергии в хозяйственной деятельности Перспективы и развитие

интересные факты истории. » 2011-09-19 » Солнечная энергия и зеркала Архимеда

Архимед
Идея использования солнечной энергии в качестве оружия первый раз пришла в голову человеку, наверно, еще в каменном веке, однако, впервые ее воплотил знаменитый Архимед. За это жители Сиракуз были ему благодарны на много больше чем за вычисление объема вытесненной жидкости и значение числа «пи» вместе взятые. Дело было так…

Царь Сиракуз Гиерон II в 215 году до нашей эры в возрасте 90 лет скончался, власть передал своему внуку Гиерониму. В ходе дворцовых интриг новый царь взял курс на отделение от Рима и заключил договор с Карфагеном. Логичным результатом такой политики была Вторая Пуническая война римлян с карфагенянами.

Марк Клавдий Марцелл, римский полководец, через несколько лет (в 212 году до н.э.) осадил Сиракузы с суши и моря. 60 тяжелых кораблей (квинкирем) на расстояние полета стрелы подошли к городским стенам, пращники (метатели) и лучники начали осыпать защитников смертоносными снарядами. Но город помогал оборонять Архимед, который пустил в ход

все, что мог придумать, – железные гигантские лапы цепляли корабли и находившиеся на них катапульты, метали огромные валуны, но самое необычное – огромным зеркалом ученый, поджигал 45 метровые римские квинкиремы!
Потеряв часть кораблей таким необычным образом. полководец Марцелл флот отвел подальше, но это не помогло, так как 75-летний Архимед соорудил еще зеркало и продолжил свою затею со смертоносными солнечными зайчиками. Правда, горожанам не стало легче: ученый сорвал штурм, но избавиться от от осады не смог. Город в конце концов пал. Сам же
Архимед был убит легионером в суете уличного боя.
Предание о зеркалах Архимеда на протяжении веков постепенно перешло в разряд легенд. Но живший в VI веке н. э. математик, архитектор и скульптор Анфимий (который построил в Константинополе знаменитый храм Софии) создал систему из двадцати четырех зеркал. Ученый пользовался неизвестными источниками,которые,возможно, содержали описания зеркала Архимеда. Подтверждение боевых качеств такого зеркала состоялось сразу же: с его помощью Анфимий спалил дом давно докучавшего ему соседа.

В Средние века применение зеркала в бою опротестовал французский философ и математик Рене Декарт, который в своей «Диоптрике» доказывал, что поджечь корабль с помощью солнечных лучей невозможно: «Поскольку Солнце – не точка, а диск,имеющий видимый угловой поперечник 32, тогда любая точка зеркала отражает конус лучей, из разных точек этого диска, имеющий угол вершины 32°. Зеркало, имеющее диаметр меньше, чем сотая часть расстояния до поджигаемого места, не может нагреть это место больше самого солнца.»

Однако спустя сорок лет положение вещей исправил Афанасий Кирхер, немецкий математик, описавший в 1674 году в своей книге «Великое искусство света и тени» опыты по отражением солнечных лучей пятью зеркалами. Он, по его словам, получил значительный, пусть и недостаточный для поджога нагрев в области «зайца».

Репутацию Архимеда как оператора боевого «лазера» окончательно восстановил французский изобретатель и натуралист Жорж Луи Бюффон. В 1747 году он построил систему, состоящую из 128 плоских зеркал. Жорж не только воспламенил таким образом просмоленную доску на расстоянии пятидесяти метров, но и смог расплавить серебро и свинец.

Иоанис Сакас, греческий инженер-механик, набрал 70 помощников в ноябре 1973 года. Расставил он их на берегу бухты с зеркалами 91 х 50 сантиметров. По команде инженера, помощники поднимали зеркала, фокусируя солнечные зайчики на лодке со смолой. Наконец, когда солнечные лучи совместились в одной точке, лодка задымилась и через несколько минут вспыхнула!

Аналогичный опыт профессора и студенты Массачусетского технологического института провели 30 сентября 2005 года. Дело пошло не так гладко. У студентов не получалось навести 129 квадратных зеркал в одну точку. Потом небо затянули облака, и эксперимент пришлось отложить.
Вторая попытка прошла с успехом – профессора обошлись без растяп-студентов. С помощью зеркала, которое давало мишень в виде крестообразного «зайчика» на макет римского корабля по очереди в одно место было наведено все 129 зеркал, предварительно прикрытых тканью (свет одного зеркала мешал наводить другое). Когда сфокусировали, ученые cкинули покрывала. Прошло несколько минут, и макет из красного дуба задымился, а потом вспыхнуло пламя на месте фокусировки. Полюбовавшись на все это дело и затушив огонь, было обнаружено, что их огромный солнечный «заяц» прожег насквозь доску 2,54 сантиметра толщиной.

Выходит, что Архимед действительно мог использовать систему зеркал для поджога римских кораблей.

Сегодня подобие изобретения грека применяется в мирных целях – сигнальное зеркало (гелиограф) входит в аварийно-спасательные комплекты путешественников, военных и спортсменов.Такая вспышка, излучаемая гелиографом в солнечный безоблачный день, обнаруживается с летящего на высоте нескольких километром самолета,а в некоторых случаях видна даже до сорока километров! Таким сигнальным зеркалом сигналы можно подавать и ночью в полнолуние, и даже в туманной дымке.

Еще такая энергия солнца используется в солнечных электростанциях , когда система зеркал отражает свет на резервуар с водой. Вода закипает, и пар под давлением передает энергию турбинам.

Но колоссальная энергия Солнца не дает военным покоя. Расчеты показывают, что температура в фокусе светового потока может достигать не одну тысячу градусов! Не трудно представить, что сотворит одно такое зеркало, размещенное на орбите Земли. Лучи Солнца проплавят не только стенку бункера или танковую броню, но даже крышки межконтинентальных ракетных шахт. А группа таких зеркал без труда может выжечь целый город.
Безусловно, такое оружие не является абсолютным: туман или густой дым ослабит их действие, да и победителям спекшаяся и выжженая от жара земля не нужна. Однако, в качестве гигантских нагревателей или прожекторов такие проекты, возможно, имеют реальное будущее.

2 года назад

Жизнь современного человека просто немыслима без энергии. Отключение электроэнергии представляется катастрофой, человек уже не мыслит жизнь без транспорта, а приготовление, к примеру, пищи на костре, а не на удобной газовой или электрической плите - это уже из разряда хобби.

До сих пор мы используем для выработки энергии органическое топливо (нефть, газ, уголь). Но их запасы на нашей планете ограничены, и не сегодня-завтра наступит день, когда они иссякнут. Что же делать? Ответ уже есть - искать другие источники энергии, нетрадиционные, альтернативные, запас которых просто неисчерпаем.

К таким альтернативным источникам энергии относятся солнце и ветер.

Использование солнечной энергии

Солнце - мощнейший поставщик энергии. Что-то мы используем в силу наших физиологических особенностей. Но миллионы, миллиарды киловатт уходят впустую и исчезают с наступлением темноты. Каждую секунду Солнце дарит Земле 80 тысяч миллиардов киловатт. Это в несколько раз больше, чем вырабатывают все электростанции мира.

Только представьте, какие выгоды принесет человечеству использование солнечной энергии:

. Бесконечность по времени . Ученые предсказывают, что Солнце не погаснет еще в течение нескольких миллиардов лет. А это значит, что хватит и на наш век и для наших дальних потомков.

. География . На нашей планете нет мест, где не светило бы солнце. Где-то ярче, где-то тусклее, но Солнце есть везде. А значит не нужно будет окутывать Землю бесконечной паутиной проводов, пытаясь доставить электроэнергию в отдаленные уголки планеты.

. Количество . Энергии солнца хватит на всех. Даже если кто-то начнет безразмерно запасать такую энергию впрок, это ничего не изменит. Хватит и чтобы батарейки зарядить, и на пляже позагорать.

. Экономическая выгода . Уже не нужно будет тратиться на покупку дров, угля, бензина. Бесплатный солнечный свет будет отвечать за работу водоснабжения и автомобиля, кондиционера и телевизора, холодильника и компьютера.

. Экологически выгодно . Уйдет в прошлое тотальная вырубка лесов, не нужно будет топить печи, строить очередные "чернобыли" и "фукусимы", жечь мазут и нефть. Зачем прикладывать столько сил к уничтожению природы, когда в небе есть прекрасный и неиссякаемый источник энергии - Солнце.

К счастью, это не мечты. По оценкам ученых, уже к 2020 году 15% электроэнергии в Европе будет обеспечиваться за счет солнечного света. И это только начало.

Где используют солнечную энергию

. Солнечные батареи . Батареи, установленные на крыше дома, уже никого не удивляют. Поглощая энергию солнца, они преобразуют ее в электрическую. В Калифорнии, например, любой проект нового дома подразумевает обязательное использование солнечной батареи. А в Голландии город Херхюговард называют "городом Солнца", потому что здесь все дома оснащены солнечными батареями.

. Транспорт .

Уже сейчас все космические корабли во время автономного полета обеспечивают себя электричеством за счет энергии солнца.

Автомобили на солнечных батареях. Первая модель такого автомобиля была представлена еще в 1955 году. А уже в 2006 году французская компания Venturi наладила серийный выпуск "солнечных" автомобилей. Характеристики его пока скромны: всего 110 километров автономного хода и скорость не выше 120 км/ч. Но практически все мировые лидеры автомобильной промышленности разрабатывают свои версии экологически чистых авто.

. Солнечные электростанции .

. Гаджеты . Уже сейчас есть зарядки для многих устройств, которые работают от солнца.

Виды солнечной энергии (солнечные электростанции)

В настоящее время разработано несколько видов солнечных электростанций (СЭС):

. Башенные . Принцип работы прост. Огромное зеркало (гелиостат) поворачивается вслед за солнцем и направляет солнечные лучи на теплоприемник, заполненный водой. Далее все происходит как в обычной ТЭЦ: вода закипает, превращается в пар. Пар крутит турбину, которая задействует генератор. Последний и вырабатывает электричество.

. Тарельчатые . Принцип работы схож с башенными. Отличие заключается в самой конструкции. Во-первых, используется не одно зеркало, а несколько круглых, похожих на огромные тарелки. Зеркала устанавливают радиально, вокруг приемника.

Каждая тарельчатая СЭС может иметь сразу несколько подобных модулей.

. Фотовольтаические (использующие фотобатареи).

. СЭС с параболоцилиндрическим концентратором . Огромное зеркало в форме цилиндра, где в фокусе параболы установлена трубка с теплоносителем (чаще всего используют масло). Масло разогревается до нужной температуры и отдает тепло воде.

. Солнечно-вакуумные . Участок земли закрывают стеклянной крышей. Воздух и почва под ней нагреваются сильнее. Специальная турбина гонит теплый воздух к приемной башне, возле которой установлен электрогенератор. Электричество вырабатывается за счет разницы температур.

Использование энергии ветра

Еще один вид альтернативного и возобновляемого источника энергии - ветер. Чем сильнее ветер, тем большее количество кинетической энергии он вырабатывает. А кинетическую всегда можно преобразовать в механическую или электрическую энергию.

Механическую энергию, получаемую за счет ветра, используют уже давно. Например, при помоле зерна (знаменитые ветряные мельницы) или перекачивания воды.

Энергию ветра используют также:

В ветряных установках, которые вырабатывают электричество. Лопасти заряжают аккумулятор, от которого ток подается в преобразователи. Здесь постоянный ток преобразуется в переменный.

Транспорт. Уже сейчас есть автомобиль, который едет за счет энергии ветра. Специальная ветровая установка (кайт) позволяет двигаться и водным судам.

Виды ветряной энергии (ветряные электростанции)

. Наземные - самый распространенный вид. Такие ВЭС устанавливают на холмах или возвышенностях.

. Шельфовые . Их строят на мелководье, в значительном удалении от берегов. Электричество поступает на сушу по подводным кабелям.

. Прибрежные - устанавливают на некотором удалении от моря или океана. Прибрежные ВЭС используют силу бризов.

. Плавающие . Первый плавающий ветрогенератор был установлен в 2008 году недалеко от берегов Италии. Генераторы устанавливают на специальных платформах.

. Парящие ВЭС размещают на высоте на специальных подушках, выполненных из невоспламеняемых материалов и наполненных гелием. Электричество на землю подается по канатам.

Перспективы и развитие

Самые серьезные перспективные планы по использованию энергии солнца ставит перед собой Китай, который к 2020 году планирует стать мировым лидером в этой области. Страны ЕЭС разрабатывают концепцию, которая позволит получать до 20% электроэнергии из альтернативных источников. Американское Министерство энергетики называет меньшую цифру - к 2035 году до 14%. Есть СЭС и в России. Одна из самых мощных установлена в Кисловодске.

Что касается использования энергии ветра, то приведем некоторые цифры. Европейская Ассоциация ветровой энергетики опубликовала данные, которые показывают, что ветроэнергетические установки обеспечивают электричеством многие страны мира. Так, в Дании, за счет таких установок получают 20% потребляемой электроэнергии, в Португалии и Испании - 11%, в Ирландии - 9%, в Германии - 7%.

В настоящее время ВЭС установлены более чем в 50 странах мира, а их мощность растет из года в год.

Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду. Однако больше всего людей привлекали опыты с зеркалами и увеличительными стеклами.

Настоящий "солнечный бум" начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами.

Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит - за минуту.

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены опять-таки во Франции.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали настоящую солнечную батарею - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. В 30-х годах глава физиков нашей страны академик А. Ф. Иоффе высказал мысль об использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии.

После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика. Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Так же росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб - капля в море.

Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство - долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах с большим количеством солнечных дней - южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих - давно уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности.

Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

Большинство солнечных отопительных систем представляет собой солнечные коллекторы разных конструкций, где для приема и передачи тепла применяются жидкости - вода или масло. Как правило, эти системы состоят из трубчатого радиатора, наполненного жидкостью. Радиатор изготовлен из материалов темного цвета или находится под темной пластинкой. Вся система покрыта сверху стеклом. Солнечное излучение, проникая сквозь стекло, нагревает жидкость, поступающую далее в специальную теплоизолирующую емкость. С другой стороны в радиатор закачивается холодная вода, чтобы, нагревшись, повторить тот же путь. Разумеется, такая система не даст высоких температур, однако уловить даже долю даровой энергии, тоже какая-то экономия.

Гораздо эффективнее действует вакуумный коллектор - он может подогреть жидкость до 300°С. Такая температура достигается за счет того, что вся система работает в вакууме, то есть, в безвоздушном пространстве. Нет воздуха - значит некому красть тепло из обогревателя.

Имеется множество типов обогревателей, работающих по принципу фокусировки солнечных лучей в небольшом пространстве. В них достигаются самые высокие температуры. Системы зеркал или увеличительных стекол концентрируют солнечное излучение на уже знакомом нам трубчатом радиаторе, заполненном жидкостью. Последняя очень быстро нагревается и поступает в общую отопительную систему здания. Центральные энергетические станции, работающие на солнечной энергии, имеют, обычно, несколько тысяч зеркал-отражателей, для того чтобы улавливать солнечную энергию с большой площади. Все отражатели направляют солнечные лучи на верхушки центральной башни, куда непрерывно поступает холодная вода через систему трубопроводов. Под воздействием излучения вода очень быстро закипает превращаясь в пар, который под давлением вращает лопасти турбин. Электростанции такого типа успешно действуют в США, Японии и некоторых странах Европы.

Большое количество научных экспериментов и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, способная создавать гигантские температуры на небольшой площади. Самая известная "солнечная печь" действует во французском местечке Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть температуры в 3300°С. С ее помощью в Одило создают материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии.

Энергия солнца представляет собой поток фотонов и имеет огромное значение для всего живого на нашей планете. Солнце обеспечивает существование жизни на Земле, влияя на основополагающие процессы в биосфере. Благодаря солнцу нагреваются моря, реки, поверхность планеты, дует ветер и так далее. Человек уже давно стал использовать свет от солнца в своей хозяйственной деятельности. Но альтернативная энергетика оформилась в качестве самостоятельной отрасли не так давно. Между тем солнечная энергия играет всё более важную роль в хозяйственной деятельности. Как источник тепла солнце используется давно, а в последнее время появляется большое количество устройств и систем для этого. Сегодня мы поговорим о том, как человек использует солнечную энергию.

Использование солнечной энергии ежегодно увеличивается. Не так давно энергия солнца использовалась для нагрева воды на даче в летнем душе. А сегодня различные установки уже используются для обогрева частных домов, в градирнях. Солнечные батареи вырабатывают электричество, необходимое для обеспечения энергией небольших посёлков.

В настоящий момент можно назвать следующие сферы использования солнечной энергии:

• Авиация и космическая отрасль;
• Сельское хозяйство. Отопление и обеспечение электричеством теплиц, ангаров и прочих хозяйственных построек;
• Использование в быту (отопление и электрификация жилых домов);
• Электроснабжение объектов медицины и спорта;
• Использование солнечной энергии для освещения городских объектов;
• Электрификация небольших населённых пунктов.

Использование первых образцов солнечных модулей подтвердило, что энергия солнца имеет существенные плюсы по сравнению с традиционными источниками. Основные преимущества гелиосистем – это практически неограниченный запас, отсутствие вреда окружающей среде, а также бесплатное использование.

Этот список плюсов стоит расширить:

• Стабильное питание, поскольку ток от гелиобатарей не имеет скачков напряжения;
• Автономная работа гелиосистем. Для них не требуется внешней инфраструктуры;
• Срок службы более 20 лет;
• Гелиосистемы практичны и просты в эксплуатации. Основные вложения делают при монтаже.

К недостаткам стоит отнести сильную зависимость эффективности работы от интенсивности лучей солнца и отсутствие выработки электроэнергии по ночам. Чтобы решить эту проблему, такие системы работают в связке с аккумуляторами.

Особенности использования солнечной энергии

Фотоэнергия излучения солнца преобразуется в фотоэлектрических элементах. Это двухслойная структура, состоящая из 2 полупроводников различного типа. Полупроводник внизу – это p-тип, а верхний? n-тип. У первого недостаток электронов, а у второго? избыток.

Электроны полупроводника n-типа поглощают солнечное излучение, в результате чего электроны в нём сходят с орбиты. Силы импульса хватает для перехода в полупроводник p-типа. В результате возникает направленный поток электроном и генерируется электричество. При производстве фотоэлементов используется кремний.

На сегодняшний день выпускаются несколько видов фотоэлементов:

• Монокристаллические. Они выпускаются из монокристаллов кремния и имеют равномерную кристаллическую структуру. Среди остальных типов выделяются самым высоким КПД (около 20 процентов) и увеличенной стоимостью;
• Поликристаллические. Структура поликристаллическая, менее равномерная. Стоят дешевле и имеют КПД от 15 до 18 процентов;
• Тонкопленочные. Эти фотоэлементы изготовлены напылением на гибкую подложку аморфного кремния. Такие фотоэлементы дешевле всего, но и КПД у них оставляет желать лучшего. Они используются при производстве .

Прочие направления

Ниже приводятся ещё некоторые примеры того, как человек использует солнечную энергию. Все перечисленные предметы существуют в исполнении, работающем от гелиобатарей:

• Термометр;
• Детские игрушки;
• Фонтан;
• для зарядки различных гаджетов;
• Всевозможные светильники;
• Походные солнечные батареи;
• Радиоприёмник;
• Двигатель;
• Есть даже самолёт на солнечных батареях.

Так, что перспективы использования солнечной энергии есть, и отрасль продолжает развиваться.
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения оставляйте в комментариях.