Преобразование солнечной энергии

Колоссальным запасом энергии обладает Солнце. Земля получает лишь небольшую часть этой энергии – около 2×10¹⁴ кВт. Этого количества достаточно для обеспечения многообразных форм жизни и биосферных процессов на нашей планете. За трое суток Земля получает от Солнца такое же количество энергии, которое можно было бы получить при сжигании всех природных запасов угля, нефти, газа и древесины.

Одно из перспективных направлений гелиоэнергетики связано с разработкой фотоэлементов, непосредственно преобразующих энергию солнечного света в электроэнергию. В основе работы фотоэлементов лежит явление фотоэффекта (раздел 2.7.5). Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, которые уже в течение многих лет работают на космических станциях. КПД этих батарей составляет около10% и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до 22%. На ярком солнечном свете 1 м² современных солнечных батарей обеспечивает мощность 100 – 200 Вт. Это открывает широкие возможности таких батарей как источников энергии для бытовых и производственных нужд. Однако себестоимость этих установок относительно высока.

В настоящее время разрабатываются высокоэффективные энергоустановки с преобразователями на основе монокристаллического кремния и арсенида галлия с концентраторами солнечного излучения и системой слежения за Солнцем. Гелиоэнергетические программы разрабатываются более чем в 70 странах. В Швейцарии работает самая крупная гелиоэлектростанция (площадь солнечных батарей 4500 м², мощность 500 кВт). Появились транспортные средства – гелиовелосипеды, моторные лодки, яхты.

Потенциальные ресурсы энергии Солнца огромны, однако вряд ли эти огромные ресурсы когда-либо удастся реализовать в полной мере. Одним из наиболее серьезных препятствий является низкая плотность потока солнечного излучения даже в оптимальных природных условиях (в южных широтах при безоблачном небе). Поэтому коллекторы солнечного излучения нужно размещать на больших площадях, что требует значительных материальных затрат. Гелиоэнергетика относится к наиболее материалоемким и трудоемким видам производства энергии. Солнечная электроэнергия пока обходится намного дороже электроэнергии, производимой другими способами. Для гелиоустановок на 1 кВт электроэнергии сумма капиталовложений примерно в 1000 раз больше, чем на гидроэлектростанции. Одной из важных задач является разработка более эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую.

Эффективное использование солнечной энергии может начаться после воспроизведения природного процесса – фотосинтеза. В процессе фотосинтеза из энергетически бедных соединений – диоксида углерода и воды образуются богатые энергией органические вещества. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже производится фотохимическая диссоциация воды. При этом образуется водород – превосходный энергоноситель, обладающий самой высокой энергоемкостью из всех известных нерадиоактивных веществ.

Более подробно альтернативные источники энергии рассматриваются на семинарах и в курсовых работах студентов.