Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.
Где используется солнечная энергия
Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.
Вообще же использование солнечной энергии очень востребовано в таких областях, как:
- Сельское хозяйство;
- Энергоснабжение санаториев и пансионатов;
- Космическая отрасль;
- Природоохранная деятельность и экотуризм;
- Электрификация отдаленных и сложнодоступных регионов;
- Уличное, садовое и декоративное освещение;
- Сфера ЖКХ (ГВС, придомовое освещение);
- Мобильная техника (гаджеты и зарядные модули на солнечных батареях).
Ранее энергия солнца использовалась главным образом в космической отрасли (энергоснабжение спутников, станций и т.д.) и в промышленности, но со временем альтернативную энергетику начали активно развивать и в быту. Одними из первых объектов, оснащенных солнечными установками, стали южные пансионаты и санатории, особенно расположенные в уединенных районах.
Солнечные установки и их преимущества
Успешное применение первых гелиомодулей доказало, что энергия солнечных лучей обладает массой преимуществ перед традиционными источниками. Ранее главными достоинствами гелиоустановок называли лишь экологичность и неисчерпаемость (а также бесплатность) солнечного света.
Но на самом деле список достоинств гораздо шире:
- Автономность, так как не требуется никаких внешних энергокоммуникаций;
- Стабильность подачи питания, в силу специфики солнечный ток не подвержен скачкам напряжения;
- Экономичность, так как средства тратятся только один раз, при монтаже установки;
- Солидный ресурс эксплуатации (свыше 20 лет);
- Всесезонное использование, солнечные установки эффективно работают даже в морозы и облачную погоду (с незначительным снижением КПД);
- Простота и удобство сервисного обслуживания, так как требуется только изредка очищать лицевые стороны панелей от загрязнений.
Единственным недостатком можно назвать только зависимость от солнца и тот факт, что такие установки не работают ночью. Но эта проблема решается за счет подключения специальных аккумуляторов, в которых накапливается выработанная за день энергия солнечного света.
Фотоэнергия
Фотоэнергия – это один из двух способов использования излучения солнца. Это постоянный ток, вырабатываемый под действием солнечных лучей. Происходит такое преобразование в так называемых фотоячейках, которые, по сути, представляют собой двухслойную структуру из двух полупроводников разного типа. Нижний полупроводник относится к p-типу (с недостатком электронов), верхний – к n-типу с избытком электронов.
Электроны n-проводника поглощают энергию падающих на них лучей солнца и покидают свои орбиты, причем энергетического импульса достаточно для того, чтобы они перешли в зону p-проводника. При этом образуется направленный электронный поток, называемый фототоком. Иными словами, вся структура работает как своеобразные электроды, в которых под воздействием солнца генерируется электроэнергия.
Для производства таких фотоячеек применяют кремний. Объясняется это тем, что кремний во-первых, широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует больших затрат.
Фотоячейки из кремния бывают:
- Монокристаллическими. Изготавливаются из монокристаллов и отличаются равномерной структурой с чуть более высоким КПД (примерно 20%), но при этом дороже стоят.
- Поликристаллическими. Имеют неравномерную структуру за счет использования поликристаллов и несколько более низкий КПД (15-18%), но гораздо дешевле моновариантов.
- Тонкопленочными. Изготавливаются методом напыления аморфного кремния на тонкопленочную подложку. Отличаются гибкой структурой и самой низкой себестоимостью производства, однако имеют вдвое больше габариты по сравнению с кристаллическими аналогами той же мощности.
Сферы применения каждого типа ячеек весьма обширны и определяются их эксплуатационными особенностями.
Солнечные коллекторы
Гелиоколлекторы также используются как преобразователи солнечной энергии, но принцип их действия совершенно иной. Они преобразуют падающий свет не в электрическую, а в тепловую энергию за счет нагрева жидкого теплоносителя. Применяют их либо для ГВС, либо для отопления домов. Главный элемент любого коллектора – абсорбер, он же – теплопоглотитель. Абсорбер представляет собой либо плоскую пластину, либо трубчатую вакуумированную систему, внутри которой циркулирует теплоноситель (это или простая вода, или антифриз). Причем абсорбер обязательно красится в черный цвет специальной краской для увеличения коэффициентов поглощения.
Именно по типу абсорберов коллекторы делят на плоские и вакуумные. У плоских теплопоглотитель выполняют в виде металлической пластины, к которой снизу припаян металлический же змеевик с теплоносителем. У вакуумных абсорбер изготавливается их нескольких соединенных между собой на концах стеклянных трубок. Трубки делают двойными, между стенками создают вакуум, а внутри помещают стержень с теплоносителем. Все стержни сообщаются между собой посредством специальных соединителей в местах стыков труб.
Абсорберы обоих типов помещают в прочный легкий корпус (обычно – из алюминия или ударопрочных пластиков) и надежно теплоизолируют от стенок. Лицевая же сторона корпуса закрывается прозрачным ударостойким стеклом с максимальной проницаемостью для фотонов. Это обеспечивает лучшее поглощение солнечной энергии.
Особенности функционирования
Принцип работы обоих типов коллекторов аналогичен. Нагреваясь в коллекторе до высоких температур, теплоноситель проходит по соединительным шлангам в теплообменный бак, который наполнен водой. Через бак он проходит по змеевидной трубке, отдавая свое тепло воде. Остывший теплоноситель выходит из бака и подается обратно в коллектор. По сути, это – своеобразный «солнечный» кипятильник», только вместо нагревательной спирали используется змеевик в баке, а вместо электросети – солнечный свет.
Конструктивные различия определяют и разницу в применении вакуумных и плоских коллекторов. Использование солнечного излучения при помощи вакуумных моделей возможно круглый год, в том числе и зимой, и в межсезонье. Плоские же варианты лучше работают в летний период. Однако они дешевле и проще вакуумных, поэтому оптимально подходят именно для сезонных целей.
Солнечная энергия в городах (экодома)
Гелиоэнергетика активно применяется не только для частных домов, но и для городских строений. Как человек использует солнечную энергию в мегаполисах, догадаться не сложно. Она также применяется для обогрева и ГВС зданий, причем нередко – целых кварталов.
В последние годы активно развиваются и воплощаются концепции экодомов, полностью работающих на альтернативных источниках энергии. В них используются комбинированные системы, обеспечивающие эффективное получение солнечной, ветровой и тепловой энергии земли. Нередко такие дома не только целиком покрывают свои энергетические нужды, но и передают излишки в городские сети. Причем совсем недавно проекты таких экозданий появились и в России.
Гелиостанции и их виды
В южных регионах с высокой инсоляцией строят не просто отдельные гелиоустановки, но целые станции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Количество солнечной энергии, производимое ими, весьма велико и многие страны с подходящим климатом уже начали постепенный перевод всей энергосистемы на такой альтернативный вариант. По принципу работу станции делят на фототермические и фотоэлектрические. Первые работают по методу коллекторов и подают в дома разогретую воду для ГВС, вторые же вырабатывают непосредственно электричество.
Существует несколько видов гелиостанций:
- Башенные. Позволяют получать сверхнагретый водяной пар, подаваемый на генераторы. В центре станции базируется башня с водным резервуаром, вокруг нее размещают гелиостаты (зеркальные), которые фокусируют лучи на резервуаре. Это достаточно эффективные станции, главный их недостаток – сложность точного позиционирования зеркал.
- Тарельчатые. Состоят из приемника гелиоэнергии и отражателя. Отражатель – тарелкообразное зеркало, концентрирующее излучение на приемнике. Такие концентраторы солнечной энергии располагаются на небольшом удалении от приемника, а их количество определяется требуемой мощностью установки.
- Параболические. Трубки с теплоносителем (обычно – маслом) помещают в фокусе длинного параболического зеркала. Разогретое масло отдает тепло воде, та вскипает и вращает генераторы.
- Аэростатные. По сути, это самые эффективные и мобильные гелиостанции на Земле. Их главный элемент – аэростат с фотоэлектрическим слоем, наполненный водяным паром. Он поднимается высоко в атмосферу (обычно выше облаков). Разогретый пар из шара по гибкому паропроводу подается на турбину, на выходе из нее конденсируется и вода насосом поднимается обратно в шар. Попав в шар, вода испаряется и цикл продолжается.
- На фотобатареях. Это уже привычные всем установки на солнечных батареях, которые используются для частных домов. Они обеспечивают получение электроэнергии и подогрев воды в нужных объемах.
Сегодня разного рода гелиостанции (в том числе и комбинированные, объединяющие несколько типов) играют все большую роль в энерговыработке многих стран. А некоторые государства перестраивают свою энергетику таким образом, чтобы через несколько лет вообще практически полностью перейти на альтернативные системы.
Сегодня достаточно остро стоит вопрос обеспечения человечества энергоресурсами. Все знают, что ученые давно бьются над поиском альтернативных источников. Печально, что за последние годы на бытовом уровне явного прорыва в этой отрасли не произошло. Нашим людям недоступны солнечные технологии. Человечество нашло много нетрадиционных способов получения энергии: геотермальные станции, волновые и приливные электростанции, гидроэлектростанции, ветряки, водородная и космическая энергетика, биотопливо и даже гроза. Это неполный список находок человечества.
Второе место альтернативной энергетики
Второе место после ветряков, по совокупности достоинств и недостатков заняла – энергия солнца. Бесконечный источник, который всегда оставался у нас перед глазами, правда эффективно использовать его мы пока не научились. На практике кремниевые батареи способны продемонстрировать не более 22% коэффициента полезного действия. Они покажут КПД на уровне 75-80%, но применяются только как отопительные элементы. Плоские вакуумные коллекторы более требовательны к условиям использования, вакуум тяжелей удержать в такой большой системе, чувствительной к деформациям корпуса.
Хотя нас больше всего интересует использование этого источника в отоплении. Многие не против обогреть свой дом за счёт природной энергии, а не за счёт кошелька. Тут нас и ожидает самое неприятное. Стоимость столь высока, что альтернатива перестает быть заманчивой.
Поэтому, предлагаю взглянуть на эту проблему, с привычной для нашего человека стороны. А именно посмотреть, как можно погреться, не выкладывая заоблачные суммы. Сложно теперь понять, кто первый придумал использовать пиво именно так, но воздушные коллекторы из пивных банок сейчас конструируют в Америке, Европе да и вообще по всему миру. Их оснащают термостатом, микроконтроллером и дополнительным наддувом. В вашем исполнении он будет нужного размера и гораздо меньшей стоимости. Хотя, если пить пиво специально, то в последнем я не уверен.
Панели своими руками
Устройства из алюминиевых банок
Для создания первой батареи не нужно быть опытным мастером. Энергию солнца вы все равно сможете поймать. Для этого понадобится некоторое количество пивных банок, несколько квадратных метров ДСП, приблизительно столько же утеплителя и силиконовый клей.
Торцы банок аккуратно вскрывают по рантику. При желании зачищают наружную поверхность для лучшей адгезии и склеивают трубы необходимой длины. После они вклеиваются рядами в короб, размеры которого мастеру подскажет фантазия и красятся в чёрный цвет. Желательно термостойкой краской.
Все внутренние поверхности утепляются. Советуем использовать экструдированный пенополистирол, впоследствии окрашенный чёрной краской. А с утеплителем экспериментируйте. Сами трубы, в итоге должны расположиться вертикально, а верхние и нижние торцы, соединиться между собой, как регистры батареи.
Коллектор из алюминиевых банок своими руками
Вверху и внизу делают патрубки подачи, приема воздуха, которые нужно будет завести в ваше жилище. На вход поставьте маленький кулер, а на горячий выход слегка модернизированный автомобильный термостат или применить другой способ терморегуляции. Практика доказывает, что он может стать неплохим подспорьем для вашей отопительной системы. Главное – это качественная, герметичная сборка и расположение батареи. С лицевой, закройте короб стеклом, а лучше поликарбонатом. По расчётам специалистов, необходимо 15 квадратных метров коллекторов, для обогрева дома размером в 100 квадратов. Подобная чудо-альтернатива значительно уступит промышленным образцам, но всё же…
Параболо – концентрический зеркальный концентратор
В Европе их используют, ограничиваясь всего лишь перфорированной поверхностью алюминиевых сплавов.
Стоимость таких обогревателей велика из-за больших размеров и дорогих материалов. Поэтому рассматривать самодельные плоские теплообменники не стоит. Следующий вариант заинтересует загородных жителей. Отличие его радикально практически во всём. По сути, это параболо-концентрический зеркальный концентратор энергии солнца. Но главная выгода, заключается в применяемых материалах. Концентратор – это выгнутое в одной плоскости зеркало, концентрирующее лучи солнца в определённой точке. Здесь применяются три хитрости.
Материал зеркала, размер отражающей поверхности и тепловой аккумулятор. Пугающее изогнутое зеркало, оказывается изготовлено из зеркальной пленки. Зеркальная пленка наклеивается на вогнутую в виде желоба поверхность. Основанием для зеркала, стоит выбрать тот же пресловутый пенополистирол.
А в качестве несущих конструкций, выступят различные материалы: от древесины до металла. Изготовляется необходимое количество зеркальных сегментов, которые крепятся на несущие каркасы.
В каком-то смысле, вся конструкция напоминает детские качели, где вместо сиденья выступают зеркала, а на оси располагается трубопровод – теплообменник. Поскольку это загородное решение, размеры здесь могут быть внушительные.
Солнечный концентратор из спутниковой тарелки
Водные солнцеуловители
Ряд подобных устройств располагается вдоль движения солнца. Зеркало фокусируется в одну линию, откуда теплоноситель и заберёт питание. Теплоносителем будет обыкновенная вода, которая бежит по тонкостенным трубам, идущим в несколько рядов. Используйте нержавеющие или обычные тонкостенные стальные трубы нужного диаметра. При таком серьёзном подходе в этой системе не обойтись, без габаритного аккумулятора тепла.
Здесь существуют готовые решения, но и полёт фантазии приветствуется. К примеру, – “бассейн” на несколько кубов, изготовленный из пенопласта и деревянных опор. Внутренняя поверхность выстилается плотной тепличной пленкой. А прочность бортов рассчитывают на удержание нескольких кубов воды. Из подобных материалов устраивают и крышу закрывающую этот мини бассейн, в форме пирамиды.
Подобная простота конструкции в купе с незамысловатыми материалами, обеспечивают высокую ремонтопригодность. И замену отслуживших свой срок деталей. Стоимость тоже будет значительно отличаться. Разместить такое хранилище тепла лучше на открытом пространстве, это обеспечит легкий доступ в случае необходимости.
Зеркало на несущий конструкции, должно иметь возможность поворота по вертикали. В этом случае концентратор следит за светилом круглый год. Трубопровод включается в общую систему отопления для экономии средства.
Солнечный вакуумный коллектор
Далее ставки начинают повышаться. Речь к сожалению идёт о цене. Стоимость их довольно высока, хотя и КПД тоже достаточно большой. Его невозможно сделать самому, потому что в производстве используется высокопрочное боросиликатное стекло с пониженным содержанием металла.
Для контроля за вакуумом используется бариевый газопоглотитель. Если герметичность не нарушена, то трубка имеет серебристый цвет, если же она побелела, значит нарушена целостность. Вакуумные коллекторы менее остальных зависят от погодных условий, поскольку тепловой канал отделен от атмосферы вакуумом. А вакуум как известно, отличный теплоизолятор. В плохую погоду они поглощают инфракрасное излучение, проходящее сквозь облака. Ещё один плюс в пользу такой технологии.
Виды вакуумных коллекторов
Их существует несколько, некоторые из них более удачной конструкции, но они дороже. Самым удачным считается коллектор с перьевой трубкой и прямоточным тепловым каналом. Принцип устройства во всех случаях приблизительно одинаков. Колба представляет собой вытянутый, тонкий термос, с вакуумом между его стенками. На внутреннее стекло наносится высокоабсорбирующее покрытие, а внутри помещается тепловая трубка с теплоносителем.
Теплоносители принципиально отличаются. В одном случае, это легко испаряющаяся жидкость, перенос тепла происходит посредством испарения и конденсации. С прямоточным каналом, теплоноситель протекает по каждой из тепловых трубок, перенося и отдавая энергию. Основной недостаток – высокая цена и сложность в ремонте. В случае ремонта некоторых вакуумных коллекторов, из гелиосистемы придётся сливать теплоноситель. Разница кпд в зависимости от производителя бывает довольно значительной и может быть даже двукратной.
С вакуумными трубками собрать систему проще, поскольку основной элемент готов. Остаётся обеспечить контакт медного поглотителя с теплоносителем всей системы, а батареи из вакуумных трубок в безопасном кожухе поместить на освещённое место. Конечно сборку и монтаж большой системы лучше доверить специалистам. Гелиосистема с такими элементами часто перегревается и закипает и за ней нужен определённый контроль. Если ваше основное отопление имеет большой литраж и перегрева не будет, вспомогательный модуль попробуйте собрать самому.
Самодельные вакуумные трубки
Добыча на основе кремния
Классика поглощения – батареи, сделанные на основе кремния.
Делим их на три вида:
- на основе моно-элементов
- на основе поли-элементов
- аморфные они же – плёночные. К ним также относят панели на основе теллурида кадмия, на основе селенида меди-индия и полимерные.
Здесь есть свои плюсы и минусы. Плюс в том, что на выходе мы получаем электричество, применение которого очень широко. Поликристаллические панели, имеют средний коэффициент полезного действия 12-18%, дешевле в изготовлении. Монопанели напротив, дороже и имеют выше КПД – 18-22%. Аморфные панели имеют самый низкий кпд 5-6 % но демонстрируют ряд преимуществ. Оптическое поглощения в 15- 20 раз выше, чем у поли и монокристаллов. Толщина меньше 1 мкм. Имеет хорошую производительность при пасмурной погоде, высокую гибкость. Применяют полимерные батареи там, где наибольшее значение имеет эластичность и экологичность. Дополнительно к панелям потребуются системы заряда, трансформации напряжений, распределители питания. Это и инверторы, аккумуляторы, контроллеры. Кремниевые элементы, чувствительны к загрязнениям, а при высоких температурах может потребоваться система охлаждения, хотя современные конструкции предусматривают это.
Совсем недавно австралийские учёные умудрились установить рекорд в 35% эффективности, принципиально новой разработкой в этой области. Хотя французы заявляют о разработке модулей с КПД в 46%, компаниями Soitec, CEA-Leti и Институтом Фраунгофера. Но простым смертным такого долго не видать. Кроме этого есть у кремниевых батарей ещё недостатки. В Америке применение таких панелей началось в шестидесятых годах, но наши умельцы похоже ещё долго будут мастерить подобия из дешёвых аналогов с востока. Всё-таки слишком ценный способ экономить для простого человека. Хотя, очень привлекательно получить определённую автономность в электропитании.
Также есть новации в отрасли автомобилестроения, авиации, кораблестроения. Выставочные, единичные или экспериментальные экземпляры существуют, но пока что, это остаётся роскошью. Порой, из прошлого возникает хорошо забытое старое, например освещение, с помощью световых колодцев. Способ знакомый еще со времен седых пирамид.
Некоторые хотят воплотить в жизнь идею солнечных дорог. Появились прозрачные элементы и самолёт, способный облететь землю на световом парусе. Германия поставила рекорд по количеству получаемой энергии в день, а в Индии целый аэродром перешёл на питание природным ресурсом. Наверняка близок тот день, когда технологии позволят нам брать от солнца ровно столько, сколько нам нужно.
Солнце является одним из возобновляемых альтернативных источников энергии. На сегодняшний день альтернативные источники тепла широко используют в аграрном хозяйстве и в бытовых нуждах населения.
Использование энергии солнца на земле играет важную роль в жизни человека. При помощи своего тепла солнце, как источник энергии, нагревает всю поверхность нашей планеты. Благодаря его тепловой мощности дуют ветра, нагреваются моря, реки, озера, существует все живое на земле.
Возобновляемые источники тепла, люди начали использовать еще много лет назад, когда современных технологий еще не существовало. Солнце является самым доступным на сегодняшний день поставщиком тепловой энергии на земле.
Сферы использования солнечной энергии
С каждым годом применение энергии солнца набирает все больше популярности. Еще несколько лет назад ее применяли в целях подогрева воды для дачных домов, летних душей, а сейчас возобновляемые источники тепла применяют для выработки электричества и горячего водоснабжения жилых домов и промышленных объектов.
На сегодняшний день возобновляемые источники тепла используют в следующих сферах:
- в аграрном хозяйстве, в целях электрообеспечения и отопления парников, ангаров и других построек;
- для электроснабжения спортивных объектов и медицинских учреждений;
- в сфере авиационной и космической промышленности;
- в освещении улиц, парков, а также других городских объектов;
- для электрификации населенных пунктов;
- для отопления, электроснабжения и горячего водоснабжения жилых домов;
- для бытовых нужд.
Особенности применения
Свет, который излучает солнце на земле, при помощи пассивных, а также активных систем превращается в тепловую энергию. К пассивным системам относятся здания, при строительстве которых применяют такие стройматериалы, которые наиболее эффективно поглощают энергию солнечной радиации. В свою очередь, к активным системам относятся коллекторы, преобразовывающие солнечную радиацию в энергию, а также фотоэлементы, конвертирующие ее в электричество. Рассмотрим подробнее как правильно использовать возобновляемые источники тепла.
Пассивные системы
К таким системам относят солнечные здания. Это здания, построенные с учетом всех особенностей местной климатической зоны. Для их возведения применяют такие материалы, которые дают возможность максимально использовать всю тепловую энергию для обогрева, охлаждения, освещения жилых и промышленных помещений. К ним относят следующие строительные технологии и материалы: изоляцию, деревянные полы, поглощающие свет поверхности, а также ориентацию здания на юг.
Такие солнечные системы позволяют осуществить максимальное использование солнечной энергии, к тому же они быстро окупают расходы на их возведение за счет снижения энергозатрат. Они являются экологически чистыми, а также позволяют создать энергетическую независимость. Именно из-за этого использование таких технологий очень перспективно.
Активные системы
К этой группе относят коллекторы, аккумуляторы, насосы, трубопроводы для теплоснабжения и горячего водоснабжения в быту. Первые устанавливают непосредственно на крышах домов, а остальные располагают в подвальных помещениях, чтоб использовать их для горячего водоснабжения и теплоснабжения.
Солнечные фотоэлементы
Чтоб более эффективно реализовывать всю солнечную энергию применяют такие источники энергии солнца, как фотоэлементы, или как их еще называют - солнечные элементы. На своей поверхности они имеют полупроводники, которые, при воздействии на них лучей солнца, начинают двигаться, и тем самым вырабатывают электроток. Такой принцип выработки тока не содержит никаких химических реакций, что позволяет фотоэлементам работать достаточно долго.
Такие фотоэлектрические преобразователи как источники энергии солнца легко использовать, так как они имеют небольшой вес, просты в обслуживании, а также являются очень эффективными в использовании солнечной мощности.
На сегодняшний день солнечные батареи, как источник энергии солнца на земле, используют для выработки горячего водоснабжения, отопления и для производства электричества в теплых странах, таких как Турция, Египет и страны Азии. В нашем регионе солнце источник энергии применяют для снабжения электричеством автономных систем электропитания, маломощной электроники и приводов самолетов.
Солнечные коллекторы
Использование солнечной энергии коллекторами заключается в том, что они преобразовывают радиацию в тепло. Их разделяют на следующие основные группы:
- Плоские солнечные коллекторы. Являются самыми распространенными. Их удобно использовать для бытовых отопительных нужд, а также при подогреве воды для горячего водоснабжения;
- Вакуумные коллекторы. Их используют для бытовых нужд, когда необходима вода высокой температуры. Они состоят из нескольких стеклянных трубок, проходя через которые лучи солнца нагревают их, а они, в свою очередь, отдают тепло воде;
- Воздушные солнечные коллекторы. Их используют для воздушного отопления, рекуперации воздушных масс и для осушительных установок;
- Интегрированные коллекторы. Самые простые модели. Их используют для предварительного подогрева воды, например, для газовых котлов. В быту подогретая вода собирается в специальном баке - накопители и далее используется для различных нужд.
Использование энергии солнца коллекторами осуществляется путем накапливания ее в так называемых модулях. Они устанавливаются на крыше зданий и состоят из стеклянных трубок и пластин, которые, в целях поглощения большего объема солнечного света, окрашивают в черный цвет.
Солнечные коллекторы используют для подогрева воды для горячего водоснабжения и отопления жилых домов.
Преимущества солнечных установок
- они полностью бесплатны и неисчерпаемы;
- имеют полную безопасность в использовании;
- автономны;
- экономичны, так как расход средств осуществляется только лишь на приобретение оборудования для установок;
- их использование гарантирует отсутствие скачков напряжения, а также стабильность в электроснабжении;
- долговечны;
- просты в использовании и в обслуживании.
Использование солнечной энергии при помощи таких установок с каждым годом набирает популярности. Солнечные батареи дают возможность сэкономить не малые деньги на отоплении и горячем водоснабжении, к тому же они являются экологически чистыми и не наносят урон здоровью человека.
О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.
Эффективность солнечных батарей в России
Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.
В с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).
Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.
Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:
Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.
В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.
Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.
Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.
Для того чтобы солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится специальное противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В этом случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, возвращается вновь.
КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – ИК. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.
Гигантскими темпами развивает производство кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего стоимость одного ватта снижается. В Китае она составляет примерно 0,5 долларов за Ватт.
Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:
Монокристаллические
Поликристаллические
КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего лишь на 1 %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сегодня обеспечивают наиболее дешевую стоимость 1 Ватта генерируемой электроэнергии.
Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности. Есть основания полагать, что в дальнейшем деградациях солнечных батарей замедляется.
Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.
Круглые солнечные элементы на крышах
Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.
Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.
Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами.
Использование аккумуляторов
Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.
Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.
Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.
Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.
Энергия солнца - какова сегодня ее цена?
Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.
Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.
Делаем выводы
Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.
Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.
Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.
Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.
Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.
Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!
Солнце освещает и обогревает нашу планету, иначе на ней была бы невозможна жизнь не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце – основной (хоть и не единственный) двигатель процессов, происходящих на Земле. Земля получает от Солнца не только тепло и свет. Разные виды энергии солнечного света и потоки частиц постоянно влияют на ее жизнь.
Солнце отправляет на Землю различные электромагнитные волны: от многокилометровых до гамма-лучей. К границам Земли долетают заряженные частицы различных энергий – высоких (космические солнечные лучи), низких и средних (выбросы от вспышек, потоки солнечного ветра). Солнце, наконец, испускает сильный поток элементарных частиц – нейтрино. Но воздействие последних на жизненные процессы на нашей планете ничтожно мало: земной шар для этих частиц является прозрачным, и они сквозь него свободно пролетают.
Только малейшая часть заряженных частиц из межзвездного пространства оказывается в атмосфере Земли (все остальные задерживает или отклоняет геомагнитное поле). Но этой энергии солнечного света достаточно, чтобы вызывать полярные сияния и возмущения в магнитном поле планеты.
Электромагнитное излучение в земной атмосфере подвергается строгому отбору. Она прозрачна только для ближних инфракрасного и ультрафиолетового излучений, видимого света и радиоволн в относительно низком диапазоне (от метровых до сантиметровых). Остальная часть излучения отражается атмосферой или поглощается ей, нагревая ее верхние слои и ионизуя их.
Поглощение жестких ультрафиолетовых и рентгеновских лучей начинается на высотах 300-350 км; здесь же отражаются самые длинные радиоволны, поступающие из космоса. Рентгеновские кванты, образующиеся от хромосферных вспышек при сильных всплесках рентгеновского солнечного излучения, могут проникать до высот 80-100 кмот поверхности Земли, они ионизируют атмосферу и приводят к нарушению связи на коротких волнах.
Длинноволновое (мягкое) излучение ультрафиолета может проникать еще глубже, его поглощение происходит на высоте 30-35 км. Ультрафиолетовые кванты здесь разбивают на атомы молекулы кислорода (О2) с дальнейшим преобразованием озона (О3). Так появляется «озонный экран», непрозрачный для ультрафиолета, который предохраняет жизнь на Земле от губительных лучей. Часть самого длинноволнового ультрафиолетового излучения, которая не поглотилась, достигает до земной поверхности. Именно этот вид энергии солнечного света вызывает у людей загар, а в некоторых случаях даже ожоги кожи, если человек долго находится на солнце.
В видимом диапазоне излучение слабо поглощается. Но атмосфера его рассеивает даже, если нет облаков, и часть его возвращается в межзвездное пространство. Облака, состоящие из твердых частиц и капелек воды, в значительной мере усиливают отражение солнечного излучения. В итоге до поверхности планеты доходит примерно половина энергии солнечного света , падающей на границу земной атмосферы.
Количество энергии Солнца, имеющееся на поверхности площадью 1 м2, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на границе атмосферы Земли, называется солнечной постоянной. С Земли ее очень сложно измерять, поэтому значения, которые были найдены до начала современных космических исследований, были только приблизительными. Небольшие колебания (если они существовали реально) заведомо «исчезали» в неточности измерений. Только осуществление специальной космической программы по вычислению солнечной постоянной дало возможность найти ее достоверное значение. По последним данным, оно равняется 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%. В процессе измерений не было зафиксировано колебаний, превышающих 0,2%.
На Земле энергия солнечного света поглощается океаном и сушей. Земная поверхность в нагретом состоянии в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области.
Для данного излучения кислород и азот атмосферы являются прозрачными. Зато оно жадно поглощается углекислым газом и водяным паром. Благодаря этим небольшим составляющим воздушная оболочка может удерживать тепло. В этом и состоит парниковый эффект атмосферы. Между поступлением энергии солнца на Землю и потерями ее на планете существует равновесие: сколько энергии поступает, столько ее и расходуется. Иначе температура поверхности Земли вместе с атмосферой или бы постоянно повышалась, или понижалась.
Всего за три дня Солнце отправляет столько энергии на Землю, сколько ее содержится во всех существующих запасах ископаемых топлив, а за одну секунду – 170 млрд. Дж. Основная часть данной энергии рассеивается и поглощается атмосферой, особенно облаками, и лишь ее треть достигает поверхности планеты. Вся энергия, которую Солнце испускает, превышает ту ее часть, которую Земля получает, в 5 млрд. раз. Но даже такая малая величина в 1600 раз превышает энергию, которую могут дать другие источники взятые вместе. Энергия солнечного света, падающая на поверхность одного озера, приравнивается к мощности достаточно крупной электростанции.
Солнечная энергия – самый грандиозный, недорогой, но и, наверное, менее используемый человечеством источник энергии.
В последние годы резко повысился интерес к использованию энергии солнечного света. Возможности энергетики, основанные на применении непосредственного излучения Солнца, невероятно велики.
Использование 0,0125% солнечной энергии могло бы покрыть все сегодняшние потребности энергетики мира, а 0,5% могли бы покрыть потребности на перспективу. Но практически может быть использована только очень малая часть данной энергии. Одна из основных причин такой ситуации – слабая плотность энергии Солнца. Мощность, снимаемая с 1 м2 поверхности освещенной солнцем в среднем составляет 160 В. Чтобы сгенерировать 100 тыс. кВт нужно снять энергию с площади в 1,6 км2. Ни один из методов преобразования энергии, известных в настоящее время, не обеспечивает экономическую эффективность такой трансформации.
Солнечная энергетика является материалоемким видом производства энергии. Получение энергии солнечного света в крупных масштабах влечет за собой огромное увеличение потребностей в трудовых ресурсах и материалах для добычи сырья, получения материалов, изготовления коллекторов, гелиостатов, иной аппаратуры, их перевозки. Электрическая энергия, рожденная лучами Солнца, пока еще обходится намного дороже, чем энергия, получаемая обычными методами. Ученые надеются, что опыты и эксперименты, которые проводятся в настоящее время на станциях и опытных установках, помогут решить существующие экономические и технические проблемы.
Не смотря ни на что, станции, преобразующие солнечную энергию, возводятся, и они работают.
При помощи гелиоустановок энергия солнечного света преобразуется в электрическую или тепловую энергию, удобную для практического использования. В южных областях нашей страны существует множество солнечных систем и установок. С их помощью осуществляется горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха в общественных и жилых помещениях, отопление животноводческих теплиц и ферм, сушка сельскохозяйственной продукции, подъем и опреснение минерализованной воды, термообработка строительных конструкций.
В нашей стране с начала 50-х годов космические летательные аппараты в качестве главного источника энергопитания используют , преобразующие энергию солнечной радиации непосредственно в электроэнергию. Они являются незаменимым источником электричества в ракетах, спутниках и межпланетных автоматических станциях.
Освоение пространства космоса дает возможность разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для обеспечения энергией Земли. В отличие от земных станций, эти станции будут не только получать максимально плотный поток теплового излучения Солнца, но и не зависеть от смены дня и ночи, погодных условий. Ведь в космосе Солнце светит с постоянной интенсивностью.
Продолжается исследование возможностей более широкого применения гелиоустановок: «солнечные» крыши на домах для тепло- и энергоснабжения, установка "солнечных" крыш на автомобилях позволит подзаряжать аккумуляторы, «солнечные» фермы в сельской местности и т.д.
Энергетики и ученые продолжают искать новые более дешевые возможности применения энергии солнечного света. Появляются новые идеи и проекты.
