Энергия солнца

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергия солнца: является одним из самых доступных возобновляемых источников на Земле. Использование солнечной энергии в народном хозяйстве положительно сказывается на состоянии окружающей среды, поскольку для её получения не требуется бурить скважины или разрабатывать шахты. К тому же, этот вид энергии свободный и не стоит ничего. Естественно, что требуются затраты на покупку и монтаж оборудования. Проблема в том, что солнце - это прерывистый источник энергии. Так, что требуется накопление энергии и использование её в связке с другими энергетическими источниками. Основная проблема на сегодняшний день заключается в том, что современное оборудование имеет низкую эффективность преобразования энергии солнца в электрическую и тепловую. Поэтому все разработки направлены на то, чтобы увеличить КПД таких систем и снизить их стоимость. В мире всё меньше традиционных источников энергии. Запасы нефти, газа, угля истощаются и всё идёт к тому, что рано или поздно они закончатся. Если к этому времени не найти альтернативных источников энергии, то человечество ждёт катастрофа. Поэтому во всех развитых странах ведутся исследования по открытию и разработке новых источников энергии. В первую очередь - это солнечная энергия.

Способы преобразования. Поскольку наука на сегодняшний день не имеет устройств, работающих на энергии солнца в чистом виде, её требуется преобразовать в другой тип. Для этого были созданы такие устройства, как солнечные батареи и коллектор. Батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. А коллектор вырабатывает тепловую энергию. Есть также модели, совмещающие эти два вида. Они называются гибридными.

Основные способы преобразования энергии солнца представлены ниже:

фотоэлектрический;

гелиотермальный;

термовоздушный;

солнечные аэростатные электростанции.

Первый способ самый распространённый. Здесь используются фотоэлектрические панели, которые под воздействием солнца вырабатывают электрическую энергию. В большинстве случаев их делают из кремния. Толщина таких панелей составляет десятые доли миллиметра. Такие панели объединяются в фотоэлектрические модули (батареи) и устанавливаются на солнце. Чаще всего их ставят на крышах домов. В принципе, ничто не мешает разместить их на земле. Нужно, только чтобы вокруг них не было крупных предметов, других зданий и деревьев, которые могут отбрасывать тень.

Кроме фотоэлементов, для получения электрической энергии применяются тонкопленочные или гибкие солнечные панели. Их преимуществом является малая толщина, а недостатком - сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.

Гибкая солнечная панель

Сырье из которого делают солнечные батареи

Кремний (основной ресурс для производства большинства типов солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры.

В большинстве случаев это вещество встречается в виде окиси - SiO2, а вот добыть чистый кремний из этого соединения сложно, даже проблематично.

Здесь имеют место стоимостные факторы, особенности технологий. Интересно отметить, что себестоимость чистого «солнечного» кремния равна себестоимости урана для АЭС, вот только запасов кремния на нашей планете в 100 тысяч раз больше.

По причине дороговизны кремния, отражающейся на розничной цене солнечных элементов, исследовательские центры на протяжении многих лет работают над поиском достойной альтернативы.

К примеру, можно использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света генерировать электрический ток.

Термовоздушный способ преобразования подразумевает получение энергию потока воздуха. Этот поток направляется на турбогенератор. В аэростатных электростанциях под действием солнечной энергии в аэростатном баллоне генерируется водяной пар. Поверхность аэростата покрывается специальным покрытием, поглощающим солнечные лучи. Такие электростанции способны работать в пасмурную погоду и в тёмное время суток благодаря запасу пара в аэростате.

Гелиотремальная энергетика основана на нагреве поверхности энергоносителя в специальном коллекторе. Например, это может быть нагрев воды для системы отопления дома. В качестве теплоносителя может использоваться не только вода, но и воздух. Он может нагреваться в коллекторе и подаваться в систему вентиляции дома. Все эти системы стоят достаточно дорого, но их освоение и совершенствование постепенно продолжается.

Преимущества и недостатки солнечной энергии

Преимущества

Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца - это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;

Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике. Все традиционные источники в той или иной мере наносят вред ОС;

Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное (служит до 30 лет). После 20-25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;

Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;

Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;

Хорошо адаптированы для использования в частных домах;

Эстетика. Можно установить на крыше или фасаде здания не в ущерб внешнему виду;

Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения. Вернуться к содержанию

Недостатки

Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;

Требуется аккумулировать преобразованную энергию;

Первоначальные вложения высокие. Особенно это ощутимо для обычных людей при покупке оборудования для частного дома;

Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;

Для размещения требуется большая площадь;

Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку.

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

Здесь энергия солнца преобразуется в тепловую. Наверное, у многих на дачном участке есть душ с металлическим баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мытья нагретой водой. Это простейший вариант такого коллектора.

Но современные системы работают значительно эффективнее. В них есть поглощающий элемент, который передаёт тепловую энергию теплоносителю. Есть варианты с водой и воздухом в качестве теплоносителя.

Солнечные панели

Коллекторы чаще всего работают в составе систем горячего водоснабжения частных домов. Нагретый в них теплоноситель попадает в накопитель (бойлер), где нагревает воду. Схема практически такая же, как у электрического бойлера. Только электричество в этом случае не расходуется.

Компактные системы с коллектором могут обеспечить бесплатный нагрев воды в доме для семьи на 3-5 человек. Речь идёт об осенне-зимнем периоде. Зимой эффективность подобных систем значительно снижается. Параллельно с установкой таких систем проводятся работы по улучшению изоляции. Если зимы в вашем регионе не суровые, то коллектор вполне может использоваться и зимой.

Виды солнечных электро-станций.

Интерес к преобразователям энергии Солнца в электричество закономерен. Солнечное излучение - дешевый и возобновляемый источник энергии. За неделю на Землю попадает такое количество солнечной энергии, которую мы не смогли бы израсходовать за всю свою жизнь. Для сбора подобной энергии нужны гелиосистемы, разновидностей который несколько, и каждую мы сейчас постараемся рассмотреть.

В первую очередь СЭС башенного типа: Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового и видимого излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая воду в резервуар от турбогенератора, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.

Гелиостат -- зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача -- это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %)и высокие мощности.

Дальше идет СЭС, использующая фотоэлектрические модули: СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением городов.

СЭС тарельчатого типа: Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приёмник расположен примерно в области концентрации отраженного солнечного света. Отражатель состоит из зеркал в форме, напоминающей тарелки (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал -- нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы: Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе. Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболоцилиндрическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

Аэростатные СЭС: Аэростатные солнечные станции бывают 2 типов: первый -- солнечные элементы располагаются на поверхности аэростата. При этом КПД не превышает КПД солнечных батарей и составляет около 15 % (в пределе может достигать 40 %). В конструкции второго типа в качестве рефлектора используется параболическая, вогнутая давлением газа, металлизированная пленка, которая служит для концентрации солнечной энергии. Стоимость квадратного метра которой мала в сравнении с солнечными батареями и любыми отражающими поверхностями. Располагаясь на высоте более 20 км аэростат не боится затенения при облачной погоде, а двигаясь с воздушными потоками не испытывает ветровых нагрузок. Верхняя часть выполнена из прозрачной пленки с армировкой, посредине парабола пленочного концентратора из армированной металлизированной пленки, а в фокусе -- термопреобразователь, охлаждаемый легким газом-водород, для системы с разложением воды, либо гелий в случае наличия системы дистанционной передачи энергии- например радио- или свч-излучением. Ориентировка шара на солнце осуществляется за счет перекачки балластной жидкости(вода для водородного цикла), точная ориентировка -- гироскопами. При необходимости в одном дирижабле может находится несколько плавающих шаровидных модулей. солнечный энергия комбинированный батарея

Комбинированные СЭС: Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Солнечно-вакуумные электростанции: Используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого путём использования разности температур воздуха в приземном слое воздуха, нагреваемого солнечными лучами в закрытом прозрачными стеклами участке, и на некоторой высоте. Состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли и высокой башни, у основания которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с высотой башни. Путём использования энергии нагретой почвы способны работать почти круглосуточно, что является их серьёзным преимуществом.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга: Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25 %. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Перспективы развития солнечной энергетики

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.

Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу, 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.

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. Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

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.

Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей и не цены. 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 пока что невозможно с ее помощью 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.

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.

Нужно иметь в виду, что цена киловатта солнечной энергии уменьшается вдвое каждые 2,5 года и уменьшилась в 100 раз с 1977 года, причем не видно каких-либо причин для изменения этого тренда в будущем.

Расчеты показывают, что 1% имеющихся в мире пустынь могут обеспечить выработку всей энергии, какую сейчас использует мир, а 25% мировых пустынь могут поставлять в 25 раз больше энергии, чем мы сейчас используем.

Солнечная энергия - будущее Земли

А теперь внимание: если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. 3емные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент. Все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физикотехническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах.

В Нью-Йорке солнечную энергию используют даже мусорщики. Здесь в двух районах уже полтора года действуют интеллектуальные солнечные контейнеры для мусора - BigBelly. Используя энергию света, преобразованную в электричество кремниевыми фотоэлементами они утрамбовывают содержимое.

Сфокусированный СВЧ-луч может передавать собранную солнечными батареями энергию на Землю, а может снабжать ею космические корабли. В отличие от солнечного света этот СВЧ-луч при «пробое» атмосферы потеряет не более 2% энергии. Недавно задумку воскресил Дэвид Крисвелл.

Вблизи голландского городка Херхюговарда создан экспериментальный район "Город солнца". Крыши домов здесь покрыты солнечными панелями. Дом на снимке вырабатывает до 25 кВт. Общую мощность "Города солнца" планируется довести до 5 МВт. Такие дома становятся автономными от системы.

Источников энергии на Земле существует много, но, судя по тому, как стремительно растут цены на энергоресурсы, их все равно не хватает. Многие специалисты полагают, что уже к 2020 году топлива потребуется в три с половиной раза больше, чем сегодня. Где же брать энергию?

Размещено на Allbest.ru