Negli ultimi anni, gli scienziati sono stati particolarmente interessati alle fonti di energia alternative. Petrolio e gas finiranno prima o poi, quindi dobbiamo pensare a come sopravvivere in questa situazione ora. I mulini a vento sono utilizzati attivamente in Europa, qualcuno sta cercando di estrarre energia dall'oceano e parleremo di energia solare. Dopotutto, una stella che vediamo quasi ogni giorno nel cielo può aiutarci a risparmiare risorse non rinnovabili e a migliorare l'ambiente. Il valore del sole per la Terra è difficile da sopravvalutare: fornisce calore, luce e consente a tutta la vita sul pianeta di funzionare. Allora perché non trovarne un altro uso?
Un po' di storia
A metà del 19° secolo, il fisico Alexander Edmond Becquerel scoprì l'effetto fotovoltaico. E alla fine del secolo, Charles Fritts creò il primo dispositivo in grado di convertire l'energia solare in elettricità. Per questo è stato utilizzato il selenio rivestito con un sottile strato d'oro. L'effetto era debole, ma questa invenzione è spesso associata all'inizio dell'era dell'energia solare. Alcuni studiosi non sono d'accordo con questa formulazione. Chiamano il fondatore dell'era dell'energia solare lo scienziato di fama mondiale Albert Einstein. Nel 1921anno ha ricevuto il premio Nobel per aver spiegato le leggi dell'effetto fotoelettrico esterno.
Sembrerebbe che l'energia solare sia un modo promettente di sviluppo. Ma ci sono molti ostacoli affinché entri in ogni casa, principalmente economici e ambientali. Da cosa è composto il costo dei pannelli solari, quali danni possono arrecare all'ambiente e quali altri modi per generare energia, lo scopriremo di seguito.
Metodi di risparmio
Il compito più urgente associato all'addomesticamento dell'energia del sole non è solo la sua ricezione, ma anche il suo accumulo. Ed è ciò che è più difficile. Attualmente, gli scienziati hanno sviluppato solo 3 modi per domare completamente l'energia solare.
Il primo si basa sull'uso di uno specchio parabolico ed è un po' come giocare con una lente d'ingrandimento, familiare a tutti fin dall'infanzia. La luce passa attraverso l'obiettivo, accumulandosi in un punto. Se metti un pezzo di carta in questo posto, si illuminerà, perché la temperatura dei raggi solari incrociati è incredibilmente alta. Uno specchio parabolico è un disco concavo che ricorda una ciotola poco profonda. Questo specchio, a differenza di una lente d'ingrandimento, non trasmette, ma riflette la luce solare, raccogliendola in un punto, che di solito è diretta verso un tubo nero con l'acqua. Questo colore viene utilizzato perché assorbe meglio la luce. L'acqua nel tubo viene riscaldata dalla luce solare e può essere utilizzata per generare elettricità o per riscaldare piccole case.
Riscaldatore piatto
Questo metodo utilizzaun sistema completamente diverso. Il ricevitore di energia solare si presenta come una struttura multistrato. Il principio del suo funzionamento si presenta così.
Passando attraverso il vetro, i raggi colpiscono il metallo oscurato, che, come sai, assorbe meglio la luce. La radiazione solare si trasforma in energia termica e riscalda l'acqua che si trova sotto la piastra di ferro. Inoltre, tutto accade come nel primo metodo. L'acqua riscaldata può essere utilizzata sia per il riscaldamento degli ambienti che per la generazione di energia elettrica. È vero, l'efficacia di questo metodo non è abbastanza elevata da poter essere utilizzato ovunque.
Di norma, l'energia solare ottenuta in questo modo è calore. Per generare elettricità, viene utilizzato molto più spesso il terzo metodo.
Celle solari
Soprattutto abbiamo familiarità con questo modo di ottenere energia. Implica l'uso di varie batterie o pannelli solari, che si trovano sui tetti di molte case moderne. Questo metodo è più complicato di quanto descritto in precedenza, ma è molto più promettente. È lui che permette di convertire l'energia solare in energia elettrica su scala industriale.
Pannelli speciali progettati per catturare i raggi sono realizzati con cristalli di silicio arricchiti. La luce del sole, cadendo su di loro, fa uscire l'elettrone dall'orbita. Un altro si sforza subito di prendere il suo posto, si ottiene così una catena in continuo movimento, che crea una corrente. Se necessario, viene immediatamente utilizzato per fornire dispositivi o accumulato nel moduloelettricità in batterie speciali.
La popolarità di questo metodo è giustificata dal fatto che consente di ottenere più di 120 watt da un solo metro quadrato di pannelli solari. Allo stesso tempo, i pannelli hanno uno spessore relativamente piccolo, che consente loro di essere posizionati quasi ovunque.
Tipi di pannelli in silicone
Ci sono diversi tipi di celle solari. I primi sono realizzati con silicio monocristallino. La loro efficienza è di circa il 15%. Questi pannelli solari sono i più costosi.
L'efficienza degli elementi in silicio policristallino raggiunge l'11%. Costano meno, poiché il materiale per loro è ottenuto utilizzando una tecnologia semplificata. Il terzo tipo è il più economico e ha un'efficienza minima. Si tratta di pannelli realizzati in silicio amorfo, cioè non cristallino. Oltre alla bassa efficienza, presentano un altro inconveniente significativo: la fragilità.
Alcuni produttori utilizzano entrambi i lati del pannello solare per aumentare l'efficienza, sul retro e sul davanti. Ciò ti consente di catturare la luce in grandi volumi e aumenta la quantità di energia ricevuta del 15-20%.
Produttori nazionali
L'energia solare sulla Terra sta diventando sempre più diffusa. Anche nel nostro paese, sono interessati a studiare questo settore. Nonostante il fatto che lo sviluppo delle energie alternative non sia molto attivo in Russia, è stato raggiunto un certo successo. Attualmente, diverse organizzazioni sono impegnate nella creazione di pannelli per l'energia solare, principalmenteistituti scientifici di vari settori e stabilimenti per la produzione di materiale elettrico.
- NPF "Kvark".
- Impianto meccanico OJSC Kovrov.
- Istituto di ricerca tutto russo per l'elettrificazione dell'agricoltura.
- Ingegneria delle ONG.
- AO VIEN.
- OJSC "Impianto di Ryazan di dispositivi metallo-ceramici".
- Impianto pilota JSC Pravdinsky di fonti di alimentazione Pozit.
Questa è solo una piccola parte delle imprese attivamente coinvolte nello sviluppo di energie alternative in Russia.
Impatto ambientale
Il rifiuto delle fonti energetiche di carbone e petrolio è connesso non solo al fatto che queste risorse prima o poi si esauriranno. Il fatto è che danneggiano gravemente l'ambiente: inquinano il suolo, l'aria e l'acqua, contribuiscono allo sviluppo di malattie nelle persone e riducono l'immunità. Ecco perché le fonti energetiche alternative devono essere rispettose dell'ambiente.
Il silicio, utilizzato per realizzare celle fotovoltaiche, è di per sé sicuro in quanto è un materiale naturale. Ma dopo averlo pulito, i rifiuti rimangono. Sono quelli che possono danneggiare l'uomo e l'ambiente se usati in modo improprio.
Inoltre, in un'area completamente piena di pannelli solari, l'illuminazione naturale potrebbe essere interrotta. Ciò porterà a cambiamenti nell'ecosistema esistente. Ma in generale, l'impatto ambientale dei dispositivi progettati per convertire l'energia solare è minimo.
Economia
I maggiori costi per la produzione di pannelli solari sono associati all' alto costo delle materie prime. Come abbiamo già scoperto, utilizzando il silicio vengono creati pannelli speciali. Nonostante questo minerale sia ampiamente distribuito in natura, ci sono grossi problemi associati alla sua estrazione. Il fatto è che il silicio, che costituisce più di un quarto della massa della crosta terrestre, non è adatto alla produzione di celle solari. Per questi scopi è adatto solo il materiale più puro ottenuto con metodo industriale. Sfortunatamente, ottenere il silicio più puro dalla sabbia è estremamente problematico.
Il prezzo di questa risorsa è paragonabile all'uranio utilizzato nelle centrali nucleari. Ecco perché il costo dei pannelli solari attualmente rimane a un livello abbastanza alto.
Tecnologie moderne
I primi tentativi di domare l'energia solare sono apparsi molto tempo fa. Da allora, molti scienziati sono stati attivamente impegnati nella ricerca dell'attrezzatura più efficiente. Dovrebbe essere non solo conveniente, ma anche compatto. La sua efficienza dovrebbe tendere al massimo.
I primi passi verso un dispositivo ideale per ricevere e convertire l'energia solare sono stati fatti con l'invenzione delle batterie al silicio. Certo, il prezzo è piuttosto alto, ma i pannelli possono essere posizionati sui tetti e sulle pareti delle case, dove non daranno fastidio a nessuno. E l'efficienza di tali batterie è innegabile.
Ma il modo migliore per aumentare la popolarità dell'energia solare è renderla più economica. Scienziati tedeschi hanno già proposto di sostituire il silicio con fibre sintetiche che possono essere integratetessuto o altri materiali. L'efficienza di una tale batteria solare non è molto elevata. Ma una maglia intervallata da fibre sintetiche può almeno fornire elettricità a uno smartphone o un giocatore. Il lavoro viene svolto attivamente anche nel campo delle nanotecnologie. È probabile che consentiranno al sole di diventare la fonte di energia più popolare in questo secolo. Gli specialisti di Scates AS dalla Norvegia hanno già affermato che la nanotecnologia ridurrà il costo dei pannelli solari di 2 volte.
Energia solare per la casa
Le abitazioni autosufficienti sono il sogno di molti: nessuna dipendenza dal riscaldamento centralizzato, nessun problema con il pagamento delle bollette e nessun danno per l'ambiente. Già molti paesi stanno attivamente costruendo alloggi che consumano solo energia ottenuta da fonti alternative. Un esempio lampante è la cosiddetta casa solare.
Durante il processo di costruzione, richiederà più investimenti rispetto a quello tradizionale. Ma dopo diversi anni di funzionamento, tutti i costi verranno ripagati: non dovrai pagare per riscaldamento, acqua calda ed elettricità. In una casa solare, tutte queste comunicazioni sono legate a speciali pannelli fotovoltaici posti sul tetto. Inoltre, le risorse energetiche così ottenute non vengono solo spese per il fabbisogno attuale, ma anche accumulate per essere utilizzate di notte e con tempo nuvoloso.
Attualmente, la costruzione di tali case viene effettuata non solo nei paesi vicini all'equatore, dove è più facile ottenere l'energia solare. Vengono anche erettiCanada, Finlandia e Svezia.
Pro e contro
Lo sviluppo di tecnologie che consentano l'uso dell'energia solare ovunque potrebbe essere più attivo. Ma ci sono alcune ragioni per cui questa non è ancora una priorità. Come dicevamo sopra, durante la produzione dei pannelli si producono sostanze nocive per l'ambiente. Inoltre, l'attrezzatura finita contiene gallio, arsenico, cadmio e piombo.
Anche la necessità di riciclare i pannelli fotovoltaici solleva molte domande. Dopo 50 anni di attività, diventeranno inutilizzabili e dovranno essere in qualche modo distrutti. Provocherà enormi danni alla natura? Vale anche la pena considerare che l'energia solare è una risorsa volubile, la cui efficienza dipende dall'ora del giorno e dalle condizioni meteorologiche. E questo è uno svantaggio significativo.
Ma, ovviamente, ci sono dei vantaggi. L'energia solare può essere estratta quasi ovunque sulla Terra e l'attrezzatura per produrla e convertirla può essere abbastanza piccola da stare sul retro di uno smartphone. Ancora più importante, è una risorsa rinnovabile, ovvero la quantità di energia solare rimarrà invariata per almeno altri mille anni.
Prospettive
Lo sviluppo delle tecnologie nel campo dell'energia solare dovrebbe portare ad una riduzione del costo di creazione degli elementi. Stanno già comparendo dei pannelli di vetro che possono essere installati su Windows. Lo sviluppo della nanotecnologia ha permesso di inventare una vernice che verrà spruzzata sui pannelli solari e potrà sostituire lo strato di silicio. Se il costo dell'energia solare diminuisce davvero di molte volte, anche la sua popolarità aumenterà molte volte.
La creazione di piccoli pannelli per uso individuale consentirà alle persone di utilizzare l'energia solare in qualsiasi ambiente: a casa, in macchina o anche fuori città. Grazie alla loro distribuzione, il carico sulla rete elettrica centralizzata diminuirà, poiché le persone potranno caricare da sole i piccoli dispositivi elettronici.
Gli esperti di Shell ritengono che entro il 2040 circa la metà dell'energia mondiale sarà generata da risorse rinnovabili. Già ora in Germania, il consumo di energia solare è in crescita e la potenza della batteria supera i 35 Gigawatt. Anche il Giappone sta sviluppando attivamente questo settore. Questi due paesi sono i leader nel consumo di energia solare nel mondo. È probabile che gli Stati Uniti si uniscano a loro presto.
Altre fonti di energia alternative
Gli scienziati non smettono di interrogarsi su cos' altro può essere usato per generare elettricità o calore. Ecco alcuni esempi delle fonti di energia alternative più promettenti.
I mulini a vento ora possono essere trovati in quasi tutti i paesi. Anche nelle strade di molte città russe sono installate lanterne che si autoalimentano con l'energia eolica. Sicuramente il loro costo è superiore alla media, ma col tempo compenseranno questa differenza.
Molto tempo fa, è stata inventata una tecnologia che ti permette di ottenere energia utilizzandodifferenza di temperatura dell'acqua sulla superficie dell'oceano e in profondità. La Cina svilupperà attivamente questa direzione. Nei prossimi anni, al largo delle coste del Regno di Mezzo, costruiranno la più grande centrale elettrica che opera con questa tecnologia. Ci sono altri modi per usare il mare. Ad esempio, in Australia hanno in programma di creare una centrale elettrica che generi energia dalla forza delle correnti.
Ci sono molti altri modi per generare elettricità o calore. Ma sullo sfondo di molte altre opzioni, l'energia solare è davvero una direzione promettente nello sviluppo della scienza.
