Альтернативные источники энергии: солнечные батареи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативные источники энергии: солнечные батареи

солнечный энергия альтернативный коллектор

Когда мы нас спрашивают о возобновляемых источниках энергии, первым на ум приходит Солнце. Солнечный свет теплый, яркий и относительно доступный. Задача: как получить энергию из света и преобразовать в полезную для человека форму - горячую воду, пар или электричество.

Примерно с 7 века до н.э. мы знаем, что сконцентрированные через лупу солнечные лучи вызывают огонь. Греки, римляне и китайцы использовали зеркала для концентрации и отражения света, чтобы поджигать факелы для религиозных церемоний. Однако получение энергии в больших масштабах - задача намного более сложная.

Ученые и изобретатели работают над этой проблемой более 200 лет. В 1970-х цены на нефть начали расти. К тому же встал вопрос о загрязнении окружающей среды и негативном влиянии на климат выбросов, образуемых при сжигании ископаемого топлива. В течение длительного периода времени солнечные батареи были неэффективны. Их было дорого устанавливать. И лишь в начале 1980-х солнечная энергия стала использоваться широко. Медленно и тихо солнечная энергия вошла во все виды нашей будничной жизни. Солнечные элементы обеспечивают энергией все: от центральной электросети некоторых регионов до систем уличного освещения, бассейнов и калькуляторов.

Солнечная энергия - это не просто вид технологии. В действительности используются три метода, каждый из которых подходит для определенных нужд. Некоторые из этих методов основаны на концепциях, появившихся десятки лет назад, другие - на инновационных идеях. Давайте узнаем, как развивались эти технологии и что доступно нам сейчас.

Историческая справка

Ученых веками интриговала мощь солнечной энергии. Первые попытки использования энергии Солнца датируются 1800 годами. В начале 1860-х Огуст Мушо из Франции поместил железный бак с водой под стекло. Свет Солнца нагрел и вскипятил воду. Мушо обнаружил, что добавив рефлектор из отполированного металла, концентрирующий свет, заставляет воду закипать быстрее. Это увеличивало количество образуемого пара. Внеся в систему небольшие изменения, он смог получить достаточно пара, чтобы заставить работать небольшой двигатель. Это был первый шаг к созданию современного солнечного коллектора.

В конце 1870-х Уильям Адамс, британский чиновник в Индии, развил идеи Мушо. Он заменил рефлектор из полированного металла группой зеркал, стоящих вокруг бойлера полукругом. Зеркала концентрировали и фокусировали свет, заставляя воду вскипать быстрее. Конструкция Адамса до сих пор используется в энергетических башнях. Адамс также написал первую книгу о солнечной энергии, которая называлась «Солнечная энергия. Альтернативное топливо для тропических стран».

Американский изобретатель Чарльз Фриттс в начале 1880-х построил первый солнечный элемент, используя селен. Это устройство превращало менее 1% света в электричество - не особо эффективно и полезно.

В конце 1880-х Чарльз Телье из Франции построил солнечный коллектор, очень похожий на современный плоский. Он установил десять плоскостей, состоящих из двух листов железа, склепанных вместе. К плоскостям прикреплялись трубки, заполненные аммонием. Телье выбрал аммоний, так как он вскипает быстрее воды. Тепло солнца, попадающее на листы, превращало аммоний в пар. Пар вращал двигатель водяного насоса. Позже Телье закрыл это устройство в стекло и изолировал низ, чтобы увеличить его эффективность. Однако дальше этого его проект не продвинулся, изобретатель увлекся созданием холодильных систем.

Кларенс Кемп из Балтимора (шт. Мериленд) в 1891 году запатентовал первый коммерческий солнечный водонагреватель. Его нагреватель начинался с устройства, называемого горячая коробка - изолированного ящика, окашенного в черный цвет внутри и со стеклом снаружи. Зная, что металлические контейнеры нагревают содержимое, Кемп внутри конструкции поместил бак с водой. Комбинация металла, черной краски и стекла помогала удерживать температуру воды в течение дня дольше, нежели в обычной бочке.

Спустя почти 10 лет экспериментов с солнечными двигателями Обри Энеас из Бостона в 1900 году основал компанию Солар Моторз. А в 1904 году продемонстрировал свое устройство. Огромный рефлектор: 10 метров в диаметре, содержал 1788 отдельных зеркал. В бойлере было 378,5 литров воды, он производил 2,5 лошадиных силы пара. Энеас продал две таких машины. К сожалению, его солнечные моторы не могли противостоять штормам: первый был уничтожен бурей, а второй - ливнем.

Американский предприниматель Франк Шуман в 1912 году построил первую солнечную электростанцию, питающую поливальный насос в египетской пустыне близ Каира. Его компания Сан Пауэр создала ряды параболических коллекторов, фокусировавших энергию Солнца на закрытую стеклом и наполненую водой трубку. В системе, удивительно похожей на современную, вода в трубках превращалась в пар, который питал насос. Станция Шумана оказалась успешной во время испытаний, но перед тем ее запуском началась Первая мировая война. Станция была уничтожена во время боев на севере Африки.

После Первой мировой войны интерес к солнечной энергии пропал. Ископаемое топливо было легкодоступным и недорогим. Коммерческое развитие солнечных технологий было приостановлено. Однако исследования в этой области продолжались. Системы, используемые или разрабатываемые сейчас, базируются на принципах пионеров солнечной энергии.

Концентрирующие солнечные коллекторы

В концентрирующих коллекторах для получения и фокусировки света и преобразования его в электричество используются зеркала. Концентрированный свет нагревает воду или другую жидкость, превращая ее в пар. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электричество. Объемы энергии, производимой солнечными коллекторами, варьируются. Небольшие системы могут обеспечить целую деревню. Крупные системы предоставляют электричество в основную электросеть региона.

Существует три вида солнечных коллекторов. На крупных электростанциях для фокусировки света и превращения его в энергию используются длинные параболические модули. Модули устанавливаются с севера на юг, в соответствии с движением Солнца. Центр трубки наполнен теплопроводящей жидкостью, чаще всего маслом. Рефлекторы концентрируют солнечный цвет на трубке. Нагретая жидкость передает тепло воде, превращая ее в пар. Это обеспечивает питание парогенератора. Параллельные ряды коллекторов формируют поле. На некоторых станциях существуют системы хранения, чтобы сохранить тепло и использовать его ночью. Крупные системы генерируют до 80 мегаватт электричества. Этого вполне достаточно, чтобы подключиться к основной сети электроснабжения!

В компактных тарелкообразных системах используется группа зеркал, поставленных в форме тарелки. Тарелка движется вслед за Солнцем, собирая и конценрируя энергию. Зеркала фокусируют энергию на ресивере. Ресивер, расположенный в фокальной точке тарелки, имеет теплопроводящую среду - трубки, заполненные водородом или гелием, или жидкостью, превращающейся при нагревании в газ и впоследствии конденсирующейся, передающей тепло небольшому двигателю - чаще всего это двигатель Стирлинга. Двигатель, также смонтированный в фокусе, создает механическую энергию, вращающую генератор, который вырабатывает электричество. Тарелкообразная система работает с КПД 30% и является самым эффективным солнечным коллектором.

Высокая солнечная башня окружена зеркалами, двигающимися вместе с Солнцем, и фокусирующими свет на ресивере вверху башни. Зеркала, которые называют гелиостатами, расположены по кругу. Внутри ресивера находится теплопроводящая жидкость, которая образует пар для вращения генератора. В системах первого поколения теплопроводящей жидкостью был пар. Сейчас его заменяет расплавленная поваренная соль, она лучше проводит тепло и хранит его для последующего использования. Солнечные башни могут производить от 50 до 200 мегаватт электричества. Использование солнечных башен исследуется в Южной Африке, а также в других странах мира.

Фотогальванические солнечные системы

В фотогальванических солнечных системах для получения электричества из света используются полупроводники - те же, что и в компьютерных чипах. В центре фотосистемы - фотогальванический элемент. Элемент состоит из двух полупроводниковых пластинок, содержащих вещества, необходимые для создания электрического поля. Когда Солнце попадает на поверхность элемента, электрическое поле двигает электроны в определенном направлении. Это создает ток. Каждый элемент дает 1-2 ватта. Однако элементы можно соединить вместе в модуль, модули можно объединить в группы. В группе может быть один или более модулей, в зависимости от необходимого количества электроэнергии. КПД фотогальванических систем - 10%, с помощью имеющихся данных по повышению эффективности его можно увеличить до 20%.

Фотоэлемент появился в 1953 году. Спустя пять лет исследований и разработок на спутниках стали использовать защищенные от радиации силиконовые фотоэлементы. Американский спутник Вангард 1, запущенный 17 марта 1958 года, работал на фотоэлементах. Фотоэлементы обеспечивают большую часть электричества в космосе. На земле они используются в калькуляторах, уличных столбах и дорожных знаках. Фотоэлементы могут быть любого размера, в зависимости от того, сколько нужно электричества. В разработке находятся крыши, покрытые фотоэлементами, использующимися для традиционного электроснабжения. Многие фотосистемы работают в комплексе с аккумуляторами, чтобы гарантировать сохранность энергии ночью или в пасмурную погоду.

Термальные солнечные системы

Термальные солнечные системы нагревают воду в бассейнах, домах и офисах. Существует два вида коллекторов: плоские и трубчатые.

Плоские коллекторы больше подходят для небольших нужд, таких как нагрев воды или комнаты. Устройство состоит из изолированной металлической коробки, содержащей окрашенную в темный цвет медную или аллюминиевую теплопоглощающую пластину. Темный цвет на пластине образуется специальным покрытием, поглощающим и удерживающим тепло лучше, чем простой металл или обычная черная краска. Короб покрыт стеклом или пластиком. Солнечный свет попадает на плоский коллектор и нагревает полглощающую пластину.

Среда, находящаяся между стеклом и поглощающей пластиной, зависит от того, является ли коллектор жидкостным или воздушным. В жидкостных коллекторах, используемых для нагрева воды, на абсорбирующей пластине установлен змеевик. В трубках находится вода, нагреваемая пластиной. Нагретую воду затем можно использовать в доме или в бассейне. Плоские коллекторы, используемые для уличных бассейнов, обычно выпускаются без стекла, чтобы снизить их стоимость. Дело в том, что температура воды в бассейне должна быть немного теплее окружающего воздуха; в закрытых бассейнах и спа используются более дорогие, остекленные коллекторы. В водушных коллекторах над абсорбирующей пластиной установлены слои металлических листов или сеток, нагревающих воздух. Они используются для отопления домов и обычно менее эффективны в сравнении с жидкостными коллекторами. Плоские коллекторы нагревают жидкость или воздух до температуры ниже 82,2°C. Эти коллекторы устанавливаются в панели, таким образом, размер системы зависит от количества воды, необходимой для бассейна, дома или офисного здания.

Трубчатые коллекторы нагревают до температуры от 77° to 177°C. Это означает, что они дают больше энергии, чем обычный плоский. Трубчатые системы состят из параллельных рядов стеклянных трубок. Каждая трубка имеет внутри еще одну. Внутренняя трубка - абсорбирующая, она делается из металла с теплопоглощающим покрытием. Солнечный свет превращается в тепло, которое передается непосредственно воде или жидкости, используемой для нагрева воды. Трубчатые коллекторы также используются для получения энергии, необходимой для работы охлаждающих систем промышленного или коммерческого назначения.

Уникальное свойство трубчатой системы в том, что пространство между трубками заполнено вакуумом. Вакуум обеспечивает изоляцию, удерживая тепло внутри трубки в течение длительного времени. Это означает, что трубки теряют минимальное количество тепла. Этот вид систем может быть использован в регионах с прохладным климатом и в облачную погоду.

Как и в случае с фотогальваническими системами, запасным источником энергии в термальных солнечных системах является нефть или газ - с их помощью поддерживается необходимая температура воды.

Проблемы

Длительное время большой проблемой солнечных систем была их стоимость, это актуальный вопрос и сейчас. Солнечное оборудование стоит значительно дороже традиционных систем. При этом инвестиции окупятся лишь через много лет. К примеру, трубчатая система стоит почти в два раза дороже плоского коллектора. К тому же, срок эксплатации системы - около 20 лет. В США каждый штат может создать программу поощрений людей, устанавливающих солнечные нагреватели.

Гибридные солнечные системы освещения все еще находятся в разработке. В соответствии с этой технологии коллекторы устанавливаются на крышу, чтобы передавать энергию по оптоволоконным кабелям, которые подключены к специальным светильникам в помещениях. Приборы дают свет. В облачные дни система подключается к электричеству. Это позволяет экономить электричество, особенно в моменты повышенного энергопотребления.

Размещено на Allbest.ru