Солнце генерирует энергию в результате ядерных реакций, происходящих в его плотном горячем ядре. Оно производит массивные 382,8 триллиона триллионов (3,828 x 10 26) ватт электромагнитного излучения, в основном в виде видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света. По мере удаления от Солнца интенсивность, то есть мощность на единицу площади, падает пропорционально квадрату расстояния.
Какое количество энергии мы получаем от Солнца на Землю
Солнечная постоянная – это средняя интенсивность солнечного излучения на расстоянии 1 астрономической единицы (среднее расстояние Земли от Солнца). Его значение составляет 1361 ватт на квадратный метр (Вт/м 2). На самом деле выход Солнца переменный и колеблется на 0,1% вокруг этого значения.
Полная энергия, попадающая на Землю за один час (в ватт-часах), равна
солнечная постоянная x площадь поверхности диска размером с Землю
1 361 Вт/м 2 х 1,2748 х 10 14 м 2 = 1,73 х 10 17 ватт-часов. Это часто выражается как 173 000 тераватт-часов (ТВтч), где 1 тераватт равен 1 триллиону (1 000 000 000 000) ватт.
Общая энергия, потребленная человечеством в 2017 году, немного меньше этого показателя и составляет 160 000 ТВтч. Эта цифра включает не только энергию, используемую для выработки электроэнергии, но и энергию, используемую:
- непосредственно для отопления (например, путем сжигания дров, угля, нефти или газа),
- для транспорта (в основном бензин, дизельное и авиационное топливо)
- энергии, используемой в промышленных процессах.
Общее количество электроэнергии, потребленной в 2017 году, составило около 22 000 ТВтч.
Возможности солнечной энергетики
Есть два разных способа получения электричества из солнечного света. Один из способов — сконцентрировать солнечную энергию с помощью зеркал на небольшой площади и использовать выработанное тепло для производства пара, чтобы вращать турбину, вырабатывающую электричество. Другой способ — использовать массивы фотоэлектрических элементов (более известных как солнечные панели) для выработки электроэнергии непосредственно из солнечного света.
Большая часть солнечной электроэнергии вырабатывается с помощью солнечных батарей. Большая часть этого на солнечных фермах, таких как солнечная ферма Topaz в Калифорнии. Она занимает площадь 19 км 2 и производит около 1,25 ТВтч электроэнергии в год. Поскольку цены на солнечные панели продолжают падать, а их эффективность увеличивается, количество вырабатываемой таким образом электроэнергии будет продолжать расти.
Рост солнечной энергетики
Одним из преимуществ солнечной энергии перед другими формами зеленой энергии является то, что она обладает почти неограниченным потенциалом из-за огромного количества энергии, поступающей на Землю от Солнца. Если бы проблемы распределения и хранения могли быть преодолены, то было бы необходимо покрыть лишь небольшую часть земной поверхности солнечными панелями, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии.
Чтобы рассчитать размер этой области, первое, что нам нужно рассмотреть, это количество солнечной радиации, которая фактически достигает поверхности Земли. Хотя солнечная постоянная составляет 1361 Вт/м 2, это интенсивность излучения, попадающего в верхнюю часть земной атмосферы. Даже в безоблачный день не все это излучение достигает земли; часть отражается обратно в космос, а часть поглощается атмосферой.
В ясный день, если Солнце находится прямо над головой, интенсивность излучения, падающего на землю непосредственно от Солнца, составляет около 1050 Вт/м 2, кроме того, еще 70 Вт/м 2 исходит от ярко-синего неба, давая в сумме 1120 Вт/м 2. (Если облачно, эта цифра будет ниже.)
На самом деле Солнце может находиться прямо над головой только в тропиках. Когда Солнце находится ниже в небе, интенсивность солнечного излучения уменьшается, потому что его лучи распространяются на большую площадь и потому что они должны пройти через большее количество атмосферы, прежде чем достигнуть земли. Ночью, когда Солнце находится за горизонтом, солнечная интенсивность явно равна нулю.
Ось времени использует солнечное время, т.е. Солнце восходит в 06:00, достигает своего максимума в 12:00 и заходит в 18:00. Предполагается, что день безоблачный. Если мы усредним весь 24-часовой цикл, количество солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли (известное как солнечное излучение) в ясный день на экваторе в день равноденствия, составит приблизительно 340 Вт/м 2.
Самые эффективные солнечные панели на рынке преобразуют около 22% солнечного излучения в электрическую энергию. Это означает, что в среднем за весь 24-часовой цикл солнечная электроэнергия, которая может быть произведена, составляет 73 Вт/м 2, что составляет примерно 5% солнечной постоянной.
В более высоких широтах Солнце находится ниже в небе, и поэтому количество солнечной электроэнергии, которое может быть выработано, меньше. Количество солнечной энергии уменьшается из-за облачного покрова. Например, на облачном северо-западе Ленинградской области усредненная за год солнечная радиация составляет всего 72 Вт/м 2 , что составляет примерно одну пятую ее значения на экваторе.
Если усреднить за 12 месяцев и по всем местам на поверхности Земли, то средняя солнечная радиация составит 170 Вт/м 2. Это означает, что нам нужно будет покрыть 586 000 квадратных километров поверхности Земли солнечными панелями, чтобы обеспечить все мировые потребности в энергии, что примерно на 15% больше площади Испании.
Однако основная проблема заключается в том, что страны, которые могли бы генерировать наибольшее количество солнечной энергии (особенно в Африке), на самом деле имеют скромное потребление энергии, а многие густонаселенные страны, особенно в Северной Европе, имеют высокое потребление энергии и получают относительно мало солнечного света.
Например, в Великобритании, которая имеет небольшую площадь, получает сравнительно мало солнечного света по сравнению со средним мировым показателем и является густонаселенной с высоким потреблением энергии, нам нужно было бы покрыть около 5,2% ее поверхности солнечными панелями. (На самом деле этот расчет является чрезмерным упрощением, поскольку он игнорирует большую разницу между количеством радиации в летние и зимние месяцы.) Чтобы это работало, избыточная энергия, вырабатываемая в солнечные месяцы, должна быть эффективно сохранена для использования в теплое время года зимние месяцы, что было бы огромным плюсом!
Солнечная энергия малого масштаба
На данный момент солнечная энергетика не самый крупный возобновляемый источник электроэнергии. В 2020 году за счет возобновляемых источников энергии было выработано 5 877 ТВтч. Из них подавляющее большинство (4023 ТВтч) было выработано гидроэлектроэнергией, а затем 960 ТВтч за счет ветра; солнечная энергия обеспечила 333 ТВтч, а остальные 561 ТВтч за счет всех других возобновляемых источников энергии вместе взятых.
Одним из явных преимуществ солнечной энергии является то, что ее можно генерировать в небольших масштабах. Одна панель площадью четыре квадратных метра, прикрепленная к перезаряжаемой батарее, сможет генерировать и хранить достаточно солнечной энергии для освещения и приготовления пищи для семьи в Африке. Солнечные панели не имеют движущихся частей и после покупки должны работать десятилетиями. Именно эта способность генерировать электричество в небольших масштабах может революционизировать жизнь некоторых из самых бедных людей в мире.
Для небольших солнечных установок обычно увеличивают среднюю интенсивность солнечного света, наклоняя панель в сторону Солнца. Например, небольшие массивы солнечных панелей часто наклонены на юг. Очевидно, что это трудно сделать для очень больших массивов солнечных панелей, установленных на солнечных фермах.
