Применение солнечной энергии как альтернативного источника

Что такое солнечная энергия

Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

Как можно оценить величину солнечной энергии

Специалисты используют для оценки такую величину, как солнечная постоянная. Она равна 1367 ватт. Именно столько энергии солнца приходится на квадратный метр планеты. В атмосфере теряется примерно четверть. Максимальное значение на экваторе – 1020 ватт на квадратный метр. С учётом дня и ночи, изменения угла падения лучей, эту величину следует уменьшить ещё в три раза.

Распределение солнечного излучения на карте планеты

Версии об источниках солнечной энергии высказывались самые разные. На данный момент специалисты утверждают, что энергии высвобождается в результате превращения четырёх атомов H2 в ядро He. Процесс протекает с выделением существенного количества энергии. Для сравнения представьте, что энергия превращения 1 грамма H2 сопоставима с той, что выделяется при сжигании 15 тонн углеводородов.

Развитие солнечной энергетики в разных странах и её перспективы

Альтернативные виды энергетики, к которым относится солнечная, быстрее всего развивается в технологически развитых странах. Это США, Испания, Саудовская Аравия, Израиль и другие страны, где большое количество солнечных дней в году. Солнечная энергетика также развивается в России и странах СНГ. Правда, темпы у нас значительно медленнее из-за климатических условий и меньших доходов населения.

В России наблюдается постепенное развитие и уклон делается на развитие солнечной энергетики в регионах Дальнего Востока. Солнечные электростанции строятся в удалённых населённых пунктах Якутии. Это позволяет экономить на завозимом топливе. Строятся электростанции и в южной части страны. Например, в Липецкой области.

Все эти данные позволяют сделать вывод о том, что многие страны мира пытаются максимально внедрить у себя использование солнечной энергии. Это актуально потому, что энергопотребление постоянно растёт, а ресурсы ограничены. К тому же, традиционная сфера энергетики сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому альтернативная энергетика – это будущее. И энергия солнца является одним из ключевых её направлений.

Экскурс в историю

Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.

Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.

Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».

Инсолятор О. Мушо

В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.

Фотоэлемент для солнечной батареи

Стоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними. Поэтому их чаще всего используют в быту. Есть также целые солнечные электростанции. Как правило, они создаются в странах с большим числом солнечных дней в году. Это Израиль, Саудовская Аравия, юг США, Индия, Испания. Сейчас есть и совсем фантастические проекты. Например, солнечные электростанции вне атмосферы. Там солнечный свет ещё не потерял энергию. То есть, излучение предлагается улавливать на орбите и затем переводить в микроволны. Затем в таком виде энергия будет отправляться на Землю.

Виды панелей

В настоящее время распространены разные виды солнечных батарей. В их числе:

1. Поли- и монокристаллические.
2. Аморфные.

Для монокристаллических панелей характерна невысокая продуктивность, однако они стоят относительно недорого, поэтому очень популярны. Если необходимо оборудовать дополнительную систему электропитания для альтернативной подачи тока при отключении основной, то покупка такого варианта вполне оправдана.

Поликристаллы находятся на промежуточной позиции по этим двум параметрам. Такие панели можно использовать для обеспечения централизованной подачи электроэнергии в тех местах, где доступа к стационарной системе по каким-либо причинам нет.

Что касается аморфных панелей, то они демонстрируют максимальную продуктивность работы, но это существенно повышает стоимость оборудования. В устройствах этого типа присутствует аморфный кремний. Стоит отметить, что приобрести их пока нереально, поскольку технология находится на стадии экспериментального применения.

Что такое нетрадиционные источники энергии

Перспективной задачей в энергетическом комплексе 21 века является использование и внедрение возобновляемых источников энергии. Это позволит снизить нагрузку на экологическую систему планеты. Применение традиционных источников негативно влияет на экологию и приводит к исчерпанию земных недр. К ним относятся:

1. Невозобновляемые:

• уголь;
• природный газ;
• нефть;
• уран.

2. Возобновляемые:

• древесина;
• гидроэнергетика.

Альтернативная энергетика – система новых способов и методов получения, передачи и применения энергии, которые используются слабо, однако являются выигрышными для окружающей среды. 

Альтернативные источники энергии (АИЭ) – вещества и процессы, которые существуют в природной среде и дают возможность получать необходимую энергию.

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте

При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Подсоединение гелиоконтура. При подключении труб рекомендуется организовать петлю. «Термопетля» сокращает теплопотери, препятствуя выходу разогретой жидкости.

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. При недостатке солнечной активности обратный клапан не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Развитие солнечной энергетики

Как уже отмечалась, цифры отражающие сегодня характеристики развития солнечной энергетики стабильно растут. Солнечная панель давно перестала быть термином узкого круга технических специалистов и сегодня о солнечной энергетике не только говорят, но и получают прибыль от реализованных проектов.

В сентябре 2008 года было завершено строительство солнечной электростанции расположенной в Испанском муниципалитете Ольмедилья-де-Аларкон. Пиковая мощность электростанции Olmedilla достигает 60 МВт.

Солнечная станция Olmedilla

В Германии эксплуатируется солнечная станция Waldpolenz, которая находится в Саксонии, в районе городов Брандис и Бенневиц. Пиковая мощность этой станции составляет 40 МВт, благодаря чему она входит в число крупнейших солнечных электростанций мира.

Солнечная станция Waldpolenz

Неожиданно для многих, хорошими новостями начала радовать и Украина. Согласно данным ЕБРР, Украина уже в ближайшее время может занять место лидера среди экологически чистых экономик Европы, особенно в отношении рынка солнечной энергии, который является одним из наиболее перспективных рынков возобновляемых источников энергии.

Солнечные электростанции работают в

• Оренбургской области:
  «Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
  «Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республике Башкортостан:
  «Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
  «Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт.
• Республике Алтай:
  «Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
  «Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республике Хакасия:
  «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
• Белгородской области:
  «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
• В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
• Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

• В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
• В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
• В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
• В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
• В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
• В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
• В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
• В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.

Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

Передача солнечной энергии на Землю

Солнечная энергия со спутника передается на Землю с помощью микроволнового передатчика через космос и атмосферу и принимается на земле антенной, называемой ректенной. Ректенна –нелинейная антенна предназначенная для преобразования энергии поля падающей на неё волны.

Лазерная передача

Последние разработки предлагают использовать лазер с помощью недавно разработанных твердотельных лазеров, позволяющих эффективно передавать энергию. В течение нескольких лет может быть достигнут диапазон от 10% до 20% эффективности, но дальнейшие эксперименты все еще требуют учета возможных опасностей, которые это может вызвать для глаз.

СВЧ

По сравнению с лазерной передачей СВЧ-передача более развита, имеет более высокую эффективность до 85%. СВЧ лучи значительно ниже летальных уровней концентрации даже при длительном воздействии. Так микроволновая печь СВЧ с частотой 2.45 ГГц микроволновой волны с определенной защитой совершенно безвредна. Электрический ток, генерируемый фотоэлектрическими элементами, пропускается через магнетрон, который преобразует электрический ток в электромагнитные волны. Эта электромагнитная волна проходит через волновод, который формирует характеристики электромагнитной волны. Эффективность беспроводной передачи энергии зависит от многих параметров.

Важная информация о технологии

Если детально рассматривать солнечную батарею, принцип работы понять несложно. Отдельные участки фотопластины меняют проводимость на отдельных участках под воздействием ультрафиолетового излучения.

В результате происходит преобразование солнечной энергии в электрическую, которую можно сразу использовать для электроприборов, или же накапливать на съёмных автономных носителях.

Чтобы более подробно понять такой процесс, нужно оценить несколько важных аспектов:

1. Солнечная батарея — это специальная система фотоэлектрических преобразователей, которые образуют общую конструкцию и соединены в определенной последовательности.
2. В структуре фотопреобразователей находится два слоя, которые могут отличаться типом проводимости.
3. Для изготовления этих преобразователей используют кремниевые пластины.
4. Также к кремнию добавляется фосфор в слое n -типа, что вызывает появление избытка электронов с отрицательно заряженным показателем.
5. Слой р-типа изготовляют из кремния и бора, что приводит к образованию так называемых «дыр».
6. В конечном итоге оба слоя располагаются между электродами с разным зарядом.

https://youtube.com/watch?v=ZF2aqJ7MhoI

Где используется солнечная энергия?

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.

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 гибких солнечных панелей.

КПД солнечных батарей

Во что преобразовывают и как добывают солнечную энергию

Солнечная энергетика относится к разряду альтернативной. Она динамично развивается, предлагая новые методы получения энергии от Солнца. На сегодняшний день известны такие способы получения солнечной энергии и ее дальнейшего преобразования:

• фотовольтаика или фотоэлектрический метод — сбор энергии с помощью фотоэлементов;
• термовоздушный — когда энергия Солнца преобразуется в воздушную и направляется на турбогенератор;
• гелиотермальный способ — нагревание лучами поверхности, накапливающей тепловую энергию;
• «солнечный парус» — одноименное устройство, работающее в безвоздушном пространстве, преобразовывает солнечные лучи в кинетическую энергию;
• аэростатный метод — солнечное излучение нагревает баллон, где за счет тепла генерируется пар, который и служит для выработки резервной электроэнергии.

Получение энергии от Солнца может быть прямым (через фотоэлементы) или косвенным (с помощью концентрации солнечной энергии как в случае с гелиотермальным способом). Главные преимущества солнечной энергетики — отсутствие вредных выбросов и снижение затрат на оплату электричества. Это стимулирует все большее количество людей и предприятий прибегать к солнечной энергетике как к альтернативе. Активнее всего альтернативная энергетика используется в таких странах, как Германия, Япония и Китай.

Солнечные батареи, устройство и применение

Совсем недавно мысль о бесплатном получении электричества казалась фантастикой. Но современные технологии постоянно совершенствуются и альтернативная энергетика также развивается. Многие начинают пользоваться новыми разработками, находясь вдали от электромагистралей, обретая полную автономность, и не теряя при этом городского комфорта. Одним из таких источников электроэнергии являются солнечные батареи.
Область применения таких батарей в основном предполагается для энергообеспечения загородных коттеджей, домов и дачных небольших поселков, которые находятся вдали от электролиний. То есть в местах, где требуются дополнительные источники электроэнергии.

Что представляет собой батарея, работающая от солнечных лучей – это многочисленные проводники и фотоэлементы, соединенные в одну систему, которые преобразуют энергию, полученную от лучей солнца в электроток. Эффективность данной системы достигает в среднем сорок процентов, но для этого требуются подходящие погодные условия.

Устанавливать солнечные системы имеет смысл только в тех районах, где солнечная погода составляет большинство дней в году. Также стоит учесть географическое положение дома. Но в основном при благоприятных условиях батарей существенно снижают потребление электричества из общей сети.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• температуры воздуха и самой батареи;
• правильности подбора сопротивления нагрузки;
• угла падения солнечных лучей;
• наличия/отсутствия антибликового покрытия;
• мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Как вам статья?