Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

3 Солнечные панели – как альтернативный источник электроэнергии

За последние годы во всем мире наблюдается все возрастающая тенденция к стремлению независимости от традиционных источников энергии (в том числе электрической) и все больше владельцев частных домов и коттеджей начинают интересоваться солнечной энергией. Люди отказываются (полностью или частично) от использования электроэнергии для различных бытовых нужд и начинают с успехом пользоваться солнечными панелями (батареями).

Солнечные батареи (далее СБ) – это генераторы электроэнергии, которая преобразовывается ими от солнечной энергии, при отсутствии каких-либо движущихся частей, вредных выбросов в атмосферу, не требующие периодического дорогостоящего обслуживания.

Солнечные батареи состоят из отдельных фотоэлементов – кремниевых пластин, преобразующих солнечную энергию в электрическую.При падении солнечного света на фотоэлемент, его материал поглощает определенную часть солнечного света -фотоны. Каждый фотон несет в себе какое-то количество энергии. Во время поглощения фотона происходит инициирование процесса освобождения электрона в солнечном элементе. В момент поглощения фотона в цепи возникает ток. Таким образом, солнечный элемент производит электроэнергию, которую можно использовать сразу либо сохранять в аккумуляторной батарее. Существует множество типов и разновидностей солнечных батарей, однако в большинстве случаев используются модели мощностью 80-240Вт. Для получения большей мощности можно соединить несколько солнечных панелей между собой.

Солнечные панели генерируют электричество даже тогда, когда нет прямого солнечного излучения. Таким образом, даже в условиях облачности, фотоэлектрическая система продолжает производить электрический ток. Но наибольшей эффективности от работы СБ можно добиться, когда их угол наклона оптимален по отношению к солнцу, и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам.

Особенностью СБ является то, что они генерируют постоянный ток. То есть напрямую к ним нельзя подключать те электроприборы, которым необходим переменный ток. поскольку они обычно работают от переменного тока. К солнечным панелям напрямую можно подключить только приборы, работающие на постоянном токе, например, светодиодные ленты с напряжением 12В.

Таким образом, сгенерированная СБ электроэнергия может использоваться как напрямую, приборами, работающими на постоянном токе в режиме «онлайн», либо преобразовываться в переменный ток с помощью специального прибора – инвертора, а также может быть запасена в аккумуляторных батареях различного типа и емкости и служить некоторого рода автономией в процессе электроснабжения различного рода объектов.

3.1 История развития технологиисолнечных панелей

Солнечные панели” (солнечные батареи) – это наборы соединенных друг с другом и заключенных в раму “солнечных ячеек”. “Солнечная ячейка” (солнечный элемент) – это небольшое полупроводниковые устройство, преобразующиее энергию света в электрическую. Это явление было открыто в 1839 году французским физиком Эдмондом Беккерелем и было названо в последствии “фотовольтаическим эффектом”. Исследованиями в этой области в 19м веке занимались многие ученые в разных странах. В 1888 году русский физик Александр Столетов сформулировал основные законы преобразования света в электрический ток и создал первую “солнечную ячейку”.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 70-х годах 19 века. Тогда ученые обнаружили явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения.

В 30-х годах прошлого века советский академик А. Ф. Иоффе высказал мысль об использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике.

Рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1%, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%.

В 1839 г. известным французским физиком Александром Эдмондом Беккерелем был открыт фотогальванический эффект. В тот период никто и не предполагал, что история готовила этому открытию.

В 1883 г. Чарльз Фритте сконструировал первый солнечный модуль на основе селена. КПД этого модуля составлял не более 1%. Но это было только начало.

Есть интересный факт: известный физик Альберт Эйнштейн получил в 1921 г. Нобелевскую премию не за свою теорию относительности, а за изучение особенностей внешнего фотоэффекта.

В 1954 г. были созданы первые “солнечные ячейки” на основе кристаллов кремния.

Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959г. они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми солнечными панелями.

В 1963 году компанией Sharp была реализована концепция солнечной панели. В 1967 солнечные панели впервые были использованы на пилотируемом космическом аппарате – “Союз-1”. Фотовольтаические технологии активно исследовались в разных странах и особенно в космических державах США и СССР. Энергетичекий кризис 1970х годов подтолкнул работы в этой области, но производство солнечных панелей еще долгое время оставалось довольно дорогим

В 1970-х гг. прошлого века солнечные батареи начали входить в повседневный быт. Сначала это были только бытовые приборы, где питание обеспечивалось фотоэлементом над жидкокристаллическим дисплеем, но очень скоро инженеры начали пытаться использовать солнечную энергию для обогрева и освещения зданий

С конца 1980х годов продолжался рост производства и продаж солнечных панелей. Из экзотической космической технологии солнечные элементы стали настолько обычными, что их стали использовать для бытовых приборов – калькуляторов, часов и т.п., а также начали строить малые и средние электростанции. В 1999 году общая мощность солнечных панелей установленных в мире достигла 1 гигаватта. За последующие десять лет последовал настоящий солнечный бум. В 2009 году общая мощность фотовольтаических электростанций мира достигла 23 гигаватт, в 2010 увеличилась всего за год почти двукратно – до 40 гигаватт. На начало 2012 года общая мощность солнечной фотовольтаической энергетики оценивается в 70 гигаватт и, как ожидается, продолжит расти.

Россия – северная страна, где возможности использования солнечной энергии естественным образом ограничены. Тем не менее стоит задуматься о том, что в соседнем Европейском Союзе в 2010 году солнечные панели обеспечили 22,5 тераватт-часов энергии, причем лидерами солнечной энергетики в ЕС являются не самые солнечные Германия, Бельгия и Чехия

3.2 Солнечные батареи

Солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием.

Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных батарей может достигать 1000 м², а максимальная генерируемая мощность — десятков кВт.

В основе действия солнечной батареи лежит принцип работы фотоэлемента, способного преобразовывать падающее на него световое излучение в электрический ток.

В обычный летний день солнечные батареи способны давать до 90 кВт/час. Среднестатистическое потребление электроэнергии семьи из 3-4 человек — около 10 кВт/час. Излишки электроэнергии аккумулируются с помощью электролизера в водород.

В темное время суток электричество вырабатывает энергоустановка с компрессорной системой, использующая ранее запасенный водород.

Хранение водорода является безопасным за счет специальных емкостей из особого сплава.

Фотоэлектрические преобразователи — это батареи, которые за счет полупроводников напрямую преобразуют солнечную энергию.

Существуют также органические солнечные батареи. Они преобразуют солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

Технология перспективная, но пока эффективность устройств слишком низкая для того, чтобы создавать на их основе автономные системы питания зданий.

В фотоэлектрических преобразователях используют в качестве полупроводников кремний и арсенид со структурой AlGaAs-GaAs.

Рисунок 5- тонкопленочный фотогальванически элемент

Основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде. Это обычный песок (SiO2), покрывающий километры пляжей, песок, которым наполняют детские песочницы, песок, используемый при производстве бетона или стекла. Технология извлечения чистого кремния (силициума) сложна и настолько дорога, что стоимость чистого (не более одного грамма примесей на 10 кг продукта) силициума сопоставима со стоимостью обогащенного урана, необходимого для работы атомных электростанций. И хотя природные запасы кремния больше запасов урана почти в 100 000 раз, качественного чистого кремния, из-за сложности получения, производится почти в 6 раз меньше, чем уранового топлива для АЭС

Применение панелей в комплексе с др. устройствами

Фотоэлектрические панели используют как основной или дополнительный источник электрической энергии (в зависимости от региона) в комплексе с другими источниками энергии, к примеру, ветрогенераторами.

Остальные составляющие системы (аккумуляторы, контроллер заряда, инвертор и др.) устанавливают в отведенных для этого помещениях, желательно отапливаемых, но не жилых.

3.3 Виды солнечных панелей. Материалы

Наиболее эффективными и распространенными для широкого потребления являются монокристаллические кремниевые элементы. Для изготовления таких элементов кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне монокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность темно-синего или почти черного цвета. Скозь кремний проходит сетка из металлических электродов. Эффективность такого элемента составляет от 16 до 19% в стандартных условиях тестирования (прямой солнечный свет, +250С).

Срок службы таких панелей у хороших производителей составляет обычно 40-50 лет. Производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается примерно на 20%.

Рисунок 6- Монокристаллический кремний

Технология принципиально не отличается от монокристаллических элментов, но разница состоит в том, что для изготовления используется менее чистый и более дешевый кремний. Внешне это уже не однотонная поверхность, а узор из границ множества кристаллов. Эффективность такого элемента составляет от 14 до 15%. Тем не менее эти панели пользуются примерно такой же популярностью на рынке, что и монокристаллические, поскольку пропорционально эффективности снижается цена производства.

В России перспективнее все же использовать монокристаллические панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные панели.

Принципиально такой же как и предыдущие типы, отличается лишь тем, что кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям. Эта технология не смогла завоевать рынок, занимая на нем лишь около 2%. В Росси почти не встречается.

В этом типе используются не кристаллы, а тончайшие слои кремния, напыленные в вакууме на пластик, стекло или металл. Этот тип является наиболее дешевым в производстве, но обладает серьезным недостатком. Слои кремния выгорают на свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов. Снижение производительности на 20% может произойти уже через два месяца. Очень часто в России привлеченные низкой ценой люди приобретают такие панели и потом разочаровываются, поскольку уже через год-два такой элемент перестает давать энергию.

Распознать такую панель на вид можно по более блеклому сероватому или темному цвету непонятных оттенков. На данном этапе развития этой технологии, применение таких панелей в России не рекомендуется.

Этот тип тонкослойных солнечных элементов обладает потенциально большей эффективностью и в качестве проводящего компонента использует оксид олова. Эффективность составляет 8-11%. По себестоимости эти элементы не намного дешевле моно- и поли- кристаллических кремниевых и обладают проблемой использования токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает менее 5% общего рынка. Допуск таких панелей в Россию нежелателен в первую очередь из-за отечественного неумения обращаться с потенциально токсичной продукцией.

Помимо вышеперечисленных есть еще много различных солнечных элементов, не получивших большого распространения. Потенциально перспективными являются медно-галлиевые, концентрирующие, композитные и некоторые другие элементы.

Производство солнечных панелейрастет бешеными темпами, стараясь поспеть за стремительно растущим спросом. Причем одновременно растет спрос и для промышленных электростанций и для бытового потребления.

Лидером в производстве солнечных панелей является Китай. Здесь производят почти треть (29%) от общемировой продукции. При этом большая часть уходит на экспорт – в США и Европу. Примечательно, что американцы, являясь крупнейшим потребителем, производят лишь 6% от всех солнечных панелей, предпочитая инвестировать в перспективные крупные заводы в Китае.

Ненамного от Китая отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от общемировой продукции. Еще одним лидером является Тайвань – 11% рынка. Все остальные страны производят значительно меньшее количество солнечных панелей.

Солнечная энергия — огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс

Солнечная выработка электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электроэнергии из добываемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, отсутствием глобального загрязнения окружающей среды и без каких-либо угроз для нашего общественного здравоохранения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержит такое же количество энергии, какая хранится во всех запасах планеты угля, нефти и природного газа. За пределами атмосферы, солнечная энергия содержит около 1300 ватт на квадратный метр. После того, как она достигнет атмосферы, около одной трети этого света отражается обратно в космос, в то время как остальные продолжают следовать к поверхности Земли.

Усредненные по всей поверхности планеты, квадратный метр собирает 4,2 киловатт-часов энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облачности, могут получить более чем 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в среднем в течение года.

Преобразование солнечной энергии в электричество

Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.

В 2015 году почти 800 000 фотоэлектрических систем были установлены на крышах домов по всей территории Соединенных Штатов. Крупномасштабные PV проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электричество. Эти проекты часто имеют выходы в диапазоне сотен мегаватт, а это миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади земли.

Как работают панели солнечных батарей

Солнечные фотоэлектрические (PV) панели на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.

В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая (PV) ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.

Компоненты PV ячейки

Наиболее важными компонентами PV ячейки являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизирующийся кремний является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси — процесс, называемый допинг-этап.

Нижний слой из фотоэлементов обычно состоит из легированного борома, который в связке с кремнием создает положительный заряд (p), в то время как верхний слой, легированный фосфором, взаимодействуя с кремнием — отрицательный заряд (n).

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку и возвращаясь в n-слой.

беспилотные самолеты на солнечной энергии

Каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Панели затем либо используются как отдельные единицы или сгруппированы в более крупные массивы.

Переход к электрической системе с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ.

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 году -1кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 году – 1доллар, сейчас -20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, а ежегодный объем от продаваемых батарей превышает (по мощности) 40мВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% — из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16%), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). В скором времени ученые предполагают, что стоимость 1кВт-ч будет равна 10 центам, что поставит солнечную энергетику на первые места в энергетической независимости многих стран.

Перовскит «удешевит» солнечную энергию

Еще в 2013 году новость разнеслась по просторам сети: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Применение вместо кремния перовскита позволит снизить стоимость производства электроэнергии при помощи солнечных батарей. Перовскит (титанат кальция) был обнаружен в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного любителя минералов). Как компонент фотоэлемента начал использоваться в 2009 году.

Батареи покрываются инновационным недорогим фотоэлементом, основное достоинство которого в том, что он может конвертировать в энергию намного большее количество частей солнечного света. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, которая позволяет с максимальной эффективностью впитывать солнечный свет. По предварительным оценкам использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость киловатта энергии в семь раз.

«Главное преимущество новых фотоэлементов заключается не столько в эффективности, сколько в том, что материал чертовски дешев. Батареи на основе перовскита, в которых не используется кремний, могут сделать солнечную энергетику по-настоящему массовой».

Солнечная энергия для ЦОД

10 % всей производимой в мире электроэнергии потребляют серверные фермы. Так как энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сейчас внедряются во всех отраслях, ЦОД не остались в стороне. Негативное влияние серверных ферм на окружающую среду давно уже на устах экологов. Поэтому владельцы дата-центров стремятся к снижению негативного воздействия своих ЦОД, прибегая к передовым энергосберегающим и «зеленым» технологиям выработки электроэнергии, сюда можно отнести фрикулинг, системы локальных генерирующих мощностей на базе возобновляемых источников энергии.

Как выход — солнечная электростанция рядом с серверной фермой, в тех странах, где это позволяют климатические условия. Она идеальна для серверных ферм, которые развернуты в тропиках или субтропиках. Ведь использование солнечных панелей на крыше ЦОД, кроме того что предоставит «зеленую энергию», так еще и поможет уменьшить тепловую нагрузку на здание, так как создаваемая ими тень минимизирует количество поглощаемого крышей тепла. Гелиоэлектростанция снизит общий негативный эффект дата-центра на экологию, и повысит надежность ЦОД расположенных в регионах, где наблюдаются перебои в работе центральной электросети.

крупная электростанция на базе возобновляемых источников энергии рядом с дата-центром Apple в городе Мейден, штат Северная Каролина (США)

Switch совместно с энергетической компанией Nevada Power начала сооружение рядом с Лас-Вегасом солнечной станции Switch Station мощностью 100 МВт. В американских СМИ компанию Switch называют «возмутителям спокойствия» на рынке коммерческих ЦОД, это один из крупнейших игроков, данной отрасли. Компания занимается сооружением и поддержкой datacenter facilities – зданий и и инженерной инфраструктуры без собственно вычислительной аппаратуры, ее основная модель взаимодействия с клиентами – colocation.

крупнейшая в мире гелиотермальная электростанция Айванпа мощностью 400 МВт

В 2015 году США и Япония начали разрабатывать новый механизм электроснабжения ЦОД за счет солнечной энергии. Проект предполагает исследование новых возможностей “… использования связки генерирующих мощностей на базе солнечной энергии и систем класса HVDC (высокое напряжение постоянного тока), применяемых для распределения генерируемой солнечными батареями электроэнергии на уровне ЦОД”. Такое комбинирование HVDC и солнечных панелей даст возможность развернуть единую систему резервного электропитания на базе аккумуляторных батарей, при этом можно будет экономить на капитальных и эксплуатационных расходах.

Интересно

Немецкий архитектор Андре Броезель из компании Rawlemon создал солнечую батарею в форме движущего стеклянного шара. Он называет его генератором нового поколения, который будет ловить максимальное количество лучей, так как он оснащен системой отслеживания перемещения солнца и датчиками смены погоды, а это на 35 % эффективней в сравнении с стандартными солнечными батареями.

Японская энергетическая компания Shimizu Corporation в 2015 году обьявила о своем намерение построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в виде колец с солнечными батареями будет опоясывать Луну по примеру планеты Сатурн и передавать энергию на Землю. От такой солнечной станции Shimizu Corporation ожидает 13 тысяч тераватт энергии/ год. Еще не известна стоимость и дата начала такого космического строительства.

В институте прогрессивной архитектуры в Каталонии разработали солнечную панель, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Плюсом такой технологии является отказ от опасных токсичных материалов и тяжелых металлов в производстве солнечных панелей. Тут используются специальные бактерии в крохотных топливных ячейках, размещенных в земле под корнями растений. Бактерии нужны для выработки дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут обеспечивать жизненный цикл бактерий, а вода служить в качестве подпитки для всей системы. Такая инновационная система может работать на территориях, где солнечного света не так уж и много, если заменить растения мхом, так как он может расти в тени.

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 — это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

Путем применения термоэлектрических генераторов.

• Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

• Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

• Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

• Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
• Желание людей иметь независимый источник энергии;
• Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
• Возобновляемый источник энергии.

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

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.

Пригодна ли для обычного дома

• Для бытового использования гелиоэнергетика — перспективный вид энергетики.
• В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
• Использование теплового насоса — обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
• Гелиоколлекторы — можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

• Экологическая безопасность установок;
• Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
• Низкая себестоимость получаемой энергии;
• Доступность производства энергии;
• Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

• Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
• Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
• Низкий КПД;
• Высокая стоимость оборудования.

Перспективы

Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.

Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

1. Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
2. Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
3. Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:

• В 2009 году — «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективностиэлектроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
• Помощь государства при реализации программы Международной финансовой корпорации (IFC) по развитию возобновляемых источников энергии.
• Создание, на законодательном уровне, экономических рычагов, способствующих развитию «зеленой» энергетики, выражающихся в установлении льготных тарифов, финансовой помощи при строительстве, налоговые льготы и компенсация части кредитных затрат на строительство.

Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА – АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

1 Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Карачаевского городского округа ” Гимназия № 4 имени М.А.Хабичева “

1 муниципальное казенное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа с.Коста Хетагурова»

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете: Земля и ее атмосфера прогреваются, дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения…

Солнечная энергия может быть преобразована, например, в движущую силу и электричество.

Как известно, запасы нефти и газа небезграничные, поэтому разработки в использовании альтернативных источников энергии – основа жизнеобеспечения жителей планеты.

По разным данным, человечество успело израсходовать свыше 65% мировых запасов нефти. Ежедневно в мире расходуется нефти почти в 5 раз больше, чем удается найти ее в новых месторождениях. По самым оптимистичным прогнозам, запасов, не возобновляемых источников энергии, хватит на 30 – 70 лет! [1]

Численность населения планеты составляет свыше 7 млрд. человек. При любом подсчете ресурсов Земли она не сможет прокормить более 10-12 млрд. человек!

Вопрос об использовании энергии Солнца, как возможности экономного использования природных ресурсов для сохранения и дальнейшего развития человеческого общества и определил актуальность темы исследования.

Объект исследования – изучение разработок ученых-исследователей и расчетных данных, связанных с энергетическим ресурсом Солнца.

Предмет исследования – излучение Солнца, как перспективный и альтернативный источник энергии.

Цель исследования – рассмотреть современные достижения и перспективы использования энергии Солнца, в ходе самостоятельных экспериментов установить факторы, влияющие на величину фототока, найти способ использования солнечных модулей в домашних условиях.

Методы исследования – классификация, систематизация, описание, сравнение.

Работа включает введение, 2 главы, заключение, список использованной литературы, приложение.

В первой главе освещаются вопросы альтернативного и технического использования солнечной энергии, затронуты вопросы экологии.

Во второй главе представлены результаты эксперимента по изучению зависимости генерируемой фотоэлементамисолнечной энергииот внешних факторов, использованиеее в технических устройствах, сделанных самостоятельно.

В заключение даются краткие выводы и перспективы использования солнечной энергии для развития цивилизации.

Глава 1. Применение энергии Солнца

1.1. Пассивное использование солнечной энергии

«Солнце … является неисчерпаемым источником

физической силы… та непрестанно заводящаяся

пружина, которая поддерживает в состоянии

движения механизм всех происходящих на Земле

(Роберт Майер, 1845г.)

Восемь минут – время, через которое солнечный свет достигнет Земли. Знаменательных восемь минут, которые стали основой жизни на единственной обитаемой планете в нашей Галактике.

Солнечный свет – это неиссякаемый источник энергии. Для понимания, на сколько велик запас солнечной энергии приведу несколько цифр: мощность солнечного излучения составляет 3,8*10 26 Вт каждую секунду, что равносильно тому, как если бы за это время сжигали 1,3*10 16 тонн угля!

Если бы Солнце светило за счет горения угля, то при массе 2*10 30 кг просуществовало, лишь 5 тысяч лет!

Не менее интересны и процессы, которые происходят на Солнце и обеспечивают такой запас энергии: на 1 млн. атомов водорода приходится 98 тыс. атомов гелия, 851кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по два атома никеля, натрия и кальция, и иных элементов.

Расчеты показывают, чтобы обеспечить мощность ежесекундного излучения 3,8*10 26 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно сгорать 630млн.т. водорода, а масса Солнца должна будет уменьшиться при этом на 4,2млн.т. и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве.

Несмотря на колоссальность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно и удельная мощность равна 1,9*10 -7 Вт/г, что в 50млрд. раз меньше удельной мощности горящей спички (10 4 Вт/г) и в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2*10 -3 Вт/г).

Наше Солнце образовалось из космической пыли около 5млрд. лет назад. Через 5-7млрд. лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения – с этого момента его дни сочтены [2].

Киловатт-час – это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Энергия, излучаемая Солнцем, ежесекундно составляет 1,1*10 20 кВт/ч. Этой энергии хватило бы, примерно, на 13*10 16 лет работы такой лампочки! Интерес человечества к использованию энергии Солнца, таким образом, совершенно очевиден.

Привлекательность использования солнечной энергии связана с возможностью преобразования ее в различные формы энергии, используя активные и пассивные солнечные системы.

1. Теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов – нагревателей, устанавливаемых неподвижно на крышах домов под определенным углом к горизонту. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре.

Экономическая выгода от использования коллекторов для нагревания воды, перед подачей в бойлер – достигает 50-70%!

Обычно солнечный коллектор представляет собой металлические пластины или трубки, окрашенные в черный цвет для наибольшего поглощения энергии солнечного излучения, фактически – это минитеплица, которая накапливает энергию под стеклянной панелью, под которую и помещают трубки или пластины. [6] (Приложение 1)

Если говорить о конструкции солнечных коллекторов, то в ней учитывают непосредственное их назначение:

● низкотемпературные коллекторы обеспечивают прогревание воды до 50 0 С и используются там, где требуется не очень горячая вода (бассейн)

●среднетемпературные коллекторы производят высоко- и средне потенциальное тепло (выше 50 0 С, обычно 60-80 0 С).

● вакуумированный трубчатый коллектор используется для нагрева воды в жилом секторе. Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей. [5]

2. Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей на кремниевой основе. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г.

3. Сооружение электростанций башенного или параболического видов.

Вообще, энергию Солнца использовали для обогрева домов с незапамятных времен. В древней Греции солнечный коллектор для прогрева воды был сконструирован в XIX веке. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды, обращенные на юг. Комната была теплее других, и для ее обогрева требовалось меньше дров. В известных римских банях в I-IV ст. н. э. специально устанавливались большие окна, выходящие на юг, для того чтобы больше солнечного тепла поступало в здание. К VI ст. солнечные комнаты в домах и общественных зданиях стали настолько обычны, что Джастиниан Коуд ввел “право на солнце”, чтобы гарантировать индивидуальный доступ к солнцу.

Из-за перебоев с электроэнергией во время второй мировой войны к концу 1947 года в Соединенных Штатах здания, пассивно использующие солнечную энергию, пользовались таким огромным спросом, что “Libbey-Owens-Ford Glass Company” издала книгу под названием “Ваш Солнечный Дом”, в которой были представлены 49 лучших проектов солнечных зданий. В середине 50-х годов ХХ века, архитектор Франк Брайдджерс разработал первое в мире пассивное солнечное здание для офисного помещения. Установленная в нем солнечная система для горячего водоснабжения работает с того времени бесперебойно. Само же здание “Брайдджерс-Пэкстон” занесено в национальный исторический регистр страны как первое в мире офисное здание, обогреваемое при помощи энергии Солнца. [4]

1.2. Активное использование солнечной энергии.

Гениальным воплощением научной мысли в техническом устройстве по праву можно считать фотоэлементы – устройства прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию.

История фотоэлементов берет начало с 1893г., когда Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. В 1953г. Джеральд Персен проводя опыты в лаборатории, случайно, установил, что кремний, покрытый определенными примесями более чувствителен к свету, нежели селен. С этого момента было положено начало освоению нового источника энергии – солнечной!

В период нефтяного кризиса (1973-74г.г.), в нескольких странах, сразу же, были запущены программы по использованию фотоэлементов, некоторые из которых до сих пор находятся в эксплуатации.

Фотоэлементы составляют основу фотоэлектрических батарей. Спектр применения, которых широк и разнообразен: от исследования космического пространства до электроснабжения жилых домов!

Ограничение связано с суточным вращением Земли, погодными условиями, загрязнением рабочей поверхности фотоэлемента.[9]

В основе работы солнечных батарей лежат физические свойства полупроводников, а производятся они из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с другими веществами. Подробное рассмотрение генерирования электроэнергии в фотоэлементах можно найти на страницах любой научно популярной литературы.

Рис. 2 Строение кремниевого фотоэлемента

Отмечу, что на современном этапе, уже решен вопрос как самой аккумуляции солнечной энергии, так и независимость используемых фотоэлементов от угловой высоты Солнца, времени года и освещенности.

Расчеты показывают, что расположение солнечных модулей под углом 45 0 на крышах зданий обеспечивает максимальное преобразование солнечной энергии в электрическую.

Просматривая различные источники, мы убедились, что преобразование солнечной энергии в электрическую – перспективное направление современной энергетики, и прежде всего потому, что Солнце, по прогнозам ученых, еще несколько миллиардов лет будет согревать нашу планету.

1.3 Альтернативные источники энергии и вопросы экологии

Энергия Солнца, разумеется, не требует никаких затрат на свое производство, но устройства, которые будут преобразовывать энергию Солнца в электрическую или накапливать ее – способны нанести вред окружающей среде.

1. Модули, генерирующие световую энергию в электрическую, располагаются на поверхности Земли. Поверхностный слой – основа сельскохозяйственной деятельности, и выделение участков под такие модули способно нанести урон сельскому хозяйству. Также придется сократить парковую зону, места отдыха…

2. Производство самих солнечных батарей относят к очень токсичному производству, а значит предположение о том, что выбросов вредных веществ в атмосферу Земли можно будет исключить – ошибочное.

3. Любое оборудование способно прийти в негодность и спустя 20 лет придется решать вопрос его утилизации.

4. Смена дня и ночи требует использовать накопители солнечной энергии – аккумуляторы. Утилизация отработанных аккумуляторов, их возможное накопление на свалках – приведет к существенному загрязнению природы.

По мнению академика П.Л.Капица, «применение фотопреобразователей с высоким КПД может привести к понижению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и соответственно прекратят работу фотоприемники. Если ограничить КПД пятнадцатью процентами (уровень лучших современных преобразователей), то туман не будет появляться, но тогда под солнечные станции придется отчуждать еще более гигантские территории. Можно думать, что климат на этих территориях станет прохладнее». [16]

Как видим, использование солнечных батарей не решает возникающих и уже существующих экологических проблем.

Но нельзя не принять и тот факт, что применение солнечных батарей в небольших масштабах позволяет, все же, экономить запасы топлива.

Глава II . Влияние внешних факторов на величину фототока и приведение в действие электрических приборов от накопленной солнечной энергии – самостоятельные исследования.

«По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал – 12,5 млн. т.у.т.

Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране.

Наша страна расположена между 41 и 82 градусами северной широты и уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м 2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м 2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м 2 , а в июле – 11,41 кВт-час/м 2 в день.» [12]

Целью самостоятельных исследований являлось определение факторов, от которых зависит величина фототока и возможность ответить на вопрос: «следует ли отказаться от традиционных источников энергии в пользу солнечной радиации?».

В качестве источника излучения рассматривался естественный свет.

Экспериментальное оборудование включало фотоэлемент, прибор для измерения фототока, светонепроницаемая бумага, линейка. Эксперименты проводились с лабораторным оборудованием в кабинете физики намеренно в пасмурный день.

Эксперимент 1. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.

Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию Солнца в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.

Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. Эксперимент проводился в два этапа. В первом случае, свет проходил через оконное стекло, а во второй раз – через оконное стекло с москитной сеткой. Сетка моделировала ситуацию «помехи» (пыль). В обоих случаях замерялась величина фототока.

Вывод. Величина фототока будет уменьшаться при увеличении загрязнения поверхности солнечной батареи.

Оконное стекло без москитной сетки

Оконное стекло с москитной сетки

Эксперимент 2. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.

Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.

Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. На фотоэлемент не попадали прямые лучи света. Для увеличения освещенности использовали лист белой бумаги. Проходящий, через оконное стекло, свет отражался от листа бумаги и попадал на фотоэлемент. В ходе эксперимента лист смещали на 5см.

Вывод. Величина фототока уменьшается при увеличении расстояния от источника отраженного света до фотоэлемента.

Энергия солнца – альтернативный источник энергии, мощный и вечный!

Согласно научным выводам, земля перехватывает много солнечной энергии, что составляет 173 триллиона тераватт. Это буквально на десять тысяч больше энергии, чем население всего мира . Это подтверждает тот факт, что солнце является самым изобильным источником энергии на всем земном шаре и что оно может стать одним из самых надежных источников энергии.

Традиционно энергетические потребности в мире удовлетворяются ископаемыми видами топлива, такими как нефть, природный газ и уголь. Однако эти источники энергии имеют два основных отрицательных воздействия:

Они играют большую роль в глобальном потеплении и загрязнении кислотными дождями , что отрицательно сказывается на многих животных, растениях и людях в окружающей среде .

Немногие страны имеют полный доступ к энергоресурсам на ископаемом топливе, что может привести к глобальной политической и экономической нестабильности.

Лучшей альтернативой является солнечная энергия, которая является возобновляемым ресурсом, то есть она не станет недоступной. Он обеспечивает неограниченное, постоянное снабжение через время. Солнечная энергия также является зеленым источником энергии, поскольку она не выделяет загрязняющие вещества в процессе производства энергии.

Итак, что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия – это энергия, вырабатываемая солнцем в виде тепла и света. Это один из самых возобновляемых и доступных источников энергии на планете Земля. Тот факт, что он доступен в большом количестве и свободен и никому не принадлежит, делает его одним из самых важных из нетрадиционных источников энергии. Солнечная энергия использовалась людьми с древних времен, используя простые увеличительные стекла, чтобы сконцентрировать свет солнца в лучах настолько жарко, что они могли бы загореться.

В основном, солнечная энергия может быть использована для преобразования ее в тепловую энергию или может быть преобразована в электричество. Солнечная энергия – это энергия, запряженная солнцем. Он используется двумя основными способами:

• Через производство электроэнергии

Этот метод использует солнечные фотоэлектрические (PV) устройства или солнечные элементы, которые преобразуют энергию солнца в электричество. Фотоэлектрические устройства производят электричество прямо от солнечного света через электронный процесс, который естественно встречается в конкретных типах материалов, известных как полупроводники.

Электроны, содержащиеся в этих материалах, пропускаются солнечными лучами, что стимулируется движением по электронной цепи, передачей мощности в сетку или прямым питанием электрических устройств. Эта форма энергии может использоваться для питания солнечных часов, калькуляторов или сигналов трафика. Они часто используются в местах, которые не подключены к электрической сети.

Солнечные коллекторы

Солнечный тепловой коллектор использует тепло, поглощая солнечные лучи. Этот метод использует энергию солнца для нагрева воды (солнечные панели горячей воды) для домашнего использования, такие как водонагреватели, гидромассажные ванны и бассейны. На концентрированных солнечных электростанциях используются более сложные сборщики для производства электроэнергии путем нагрева жидкости для включения турбины, подключенной к генератору. Простые сборщики обычно используются в коммерческих и жилых зданиях для обогрева помещений.

Солнечная энергия, превращенная в электричество, может быть мгновенно использована для питания огней или многих других устройств. Более того, он может храниться в батареях для будущего использования. Солнечные элементы обычно генерируют электричество постоянного тока (DC). Однако его можно преобразовать в переменный ток (переменный ток) с помощью устройства, известного как инвертор. Солнечная энергия, преобразованная в тепловую энергию с целью нагрева воды, может быть использована мгновенно или храниться в виде горячей воды в резервуарах, которые будут использоваться позже.

Солнечную энергию можно широко классифицировать как активную или пассивную солнечную энергию в зависимости от того, как они захватываются и используются. В активной солнечной энергии специальное солнечное отопительное оборудование используется для преобразования солнечной энергии в тепловую энергию, тогда как в пассивной солнечной энергии механического оборудования нет. Активная солнечная энергия включает использование механического оборудования, такого как фотогальванические элементы, солнечные тепловые коллекторы или насосы и вентиляторы для улавливания солнечной энергии .

Пассивные солнечные технологии превращают солнечную энергию в тепловую энергию без использования активных механических систем. Это главным образом практика использования окон, стен, деревьев, размещения зданий и других простых методов для захвата или отклонения солнца для использования. Пассивное солнечное отопление – отличный способ сохранить энергию и максимизировать ее использование. Примером пассивного солнечного нагрева является то, что происходит с вашим автомобилем в жаркий летний день.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии: виды и особенности гелиосистем

В последнее десятилетие солнечная энергия как альтернативный источник энергии используется все чаще для отопления и обеспечения зданий горячей водой. Основная причина – стремление заменить традиционное топливо доступными, экологически чистыми и восполняемыми энергоресурсами.

Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит в гелиосистемах – конструкция и принцип действия модуля определяет специфику его применения. В этом материале мы рассмотрим разновидности солнечных коллекторов и принципы их функционирования, а также расскажем о популярных моделях солнечных модулей.

Целесообразность использования гелиосистемы

Гелиосистема – комплекс для преобразования солнечной лучевой энергии в тепловую, которая в последствии передается в теплообменник для нагрева теплоносителя системы отопления или водоснабжения.

Эффективность гелиотермической установки зависит от солнечной инсоляции – количество энергии, поступающей в течение одного светового дня на 1 кв.м поверхности, расположенной под углом 90° относительно направленности солнечных лучей. Измерительная величина показателя – кВт*ч/кв.м, значение параметра меняется в зависимости от сезона.

У солнечной энергетики, применяемой в быту, огромные перспективы. Источник для ее получения неисчерпаем. Ресурс сам возобновляется и абсолютно ничего не стоит

По типу аккумулирования и переработки солнечной энергии приборы делятся на две группы. К первой относятся батареи, вырабатывающие электроэнергию, ко второй – коллекторы, передающие потребителю тепло

Как солнечные батареи, так и коллекторы устанавливают на открытых не затененных площадках, освещенных солнцем максимальный период в сутках. Потому их чаще всего располагают на крышах

Для работы мини гелиоэлектростанции кроме батарей, число которых подбирают исходя из требующейся мощности, потребуется котроллер, обычный или гибридный инвертор и аккумуляторы, объем которых рассчитывается минимум на день эксплуатации

Для получения тепловой энергии, поставляемой солнечным коллектором, не нужна сложная техническая аппаратура. Нагретая в трубках прибора вода сразу поступает в отопительный контур или в накопитель горячей воды

Солнечные коллекторы по типу теплоносителя делятся на водяные и воздушные. Водяные поставляют горячую воду в систему отопления и в смесители, воздушные передают нагретый воздух воздушным системам отопления

Практичный и полезный в загородном хозяйстве солнечный коллектор можно сделать своими руками. В летний период он обеспечит бассейн теплой водой, подогреет ее для санитарных и гигиенических целей, для полива культурных растений

Недостатком обеих систем считается невозможность долго хранить полученную от солнца энергию. Если в случае с батареями ее можно сутки держать в аккумуляторе, то с коллекторами использовать нужно немедленно. Какое-то время сохранить тепло поможет изолированный накопительный бак

Средний уровень солнечной инсоляции для региона умеренно-континентального климата – 1000-1200 кВт*ч/кв.м (в год). Количество солнца – определяющий параметр для расчета производительности гелиосистемы.

Использование альтернативного энергетического источника позволяет отапливать дом, получать горячую воду без традиционных энергозатрат – исключительно посредством солнечного излучения

Монтаж системы гелиотеплоснабжения – дорогое мероприятие. Чтобы капитальные расходы оправдали себя, необходим точный расчет системы и соблюдение технологии установки.

Пример. Усредненная величина солнечной инсоляции для Тулы в середине лета – 4,67 кВ/кв.м*день при условии установки панели системы под углом 50°. Производительность гелиоколлектора площадью 5 кв.м рассчитывается следующим образом: 4,67*4=18,68 кВт теплоэнергии за день. Этого объема хватит для подогрева 500 л воды с температуры от 17 °С до 45 °С.

Как показывает практика, при использовании гелиоустановки, собственники коттеджа в летний период могут полностью перейти с электрического или газового обогрева воды на солнечный метод

Говоря о целесообразности внедрения новых технологий, важно учесть технические особенности конкретного гелиоколлектора. Одни начинают работать при 80 Вт/кв.м солнечной энергии, а другим достаточно – 20 Вт/ кв.м.

Даже в южном климате, применение коллекторной системы исключительно для отопления не окупится. Если установка будет задействована исключительно зимой при дефиците солнца, то стоимость оборудования не покроется и за 15-20 лет.

Чтобы максимально эффективно использовать гелиокомплекс, его необходимо включить в систему горячего водоснабжения. Даже зимой гелиолектор позволит «урезать» счета за энергоносители на подогрев воды до 40-50%.

По оценкам экспертов, при бытовом использовании гелиосистема окупается приблизительно за 5 лет. При росте цен на электроэнергию и газ срок окупаемости комплекса сократится

Кроме экономической выгоды «солнечный обогрев» имеет дополнительные плюсы:

1. Экологичность. Сокращается выброс углекислого газа. За год 1 кв.м гелиоколлектора предотвращает поступление в атмосферу 350-730 кг отработки.
2. Эстетичность. Пространство компактной ванны или кухни удается избавить от громоздких бойлеров или газовых колонок.
3. Долговечность. Производители уверяют, что при соблюдении технологии монтажа, комплекс прослужит порядка 25-30 лет. Многие компании предоставляют гарантию до 3-х лет.

Аргументы против использования энергии солнца: ярко выраженная сезонность, зависимость от погоды и высокие первоначальные инвестиции.

Общее устройство и принцип действия

Рассмотрим вариант гелиосистемы с коллектором в качестве основного рабочего элемента системы. Внешний вид агрегата напоминает металлический ящик, лицевая сторона которого изготовлена из закаленного стекла. Внутри короба размещен рабочий орган – змеевик с абсорбером.

Теплопоглощающий блок обеспечивает нагрев теплоносителя – циркулирующая жидкость, передает сгенерированное тепло в контур водоснабжения.

Основные узлы гелиосистемы: 1 – коллекторное поле, 2 – воздухоотводчик, 3 – распределительная станция, 4 – резервуар сброса избыточного давления, 5 – контролер, 6 – бак-водонагреватель, 7,8 – тэн и теплообменник, 9 – клапан термосмесительный, 10 – расход горячей воды, 11 – поступление холодной воды, 12 – слив, Т1/Т2 – температурные датчики

Гелиоколлектор обязательно работает в тандеме с аккумулирующим баком. Поскольку теплоноситель нагревается до температуры 90-130°С, его нельзя подавать непосредственно в краны горячего водоснабжения или отопительные радиаторы. Теплоноситель поступает в теплообменник бойлера. Накопительный бак часто дополняется электрическим нагревателем.

1. Солнце нагревает поверхность коллектора.
2. Тепловое излучение передается поглощающему элементу (абсорберу), в котором содержится рабочая жидкость.
3. Циркулирующий по трубкам змеевика теплоноситель разогревается.
4. Насосное оборудование, блок управления и контроля обеспечивают отвод теплоносителя по трубопроводу к змеевику накопительного бака.
5. Осуществляется передача тепла воде в бойлере.
6. Охлажденный теплоноситель поступает обратно в коллектор и цикл повторяется.

Нагретая вода от водонагревателя подается в контур отопления или к водозаборным точкам.

При обустройстве отопительной системы или круглогодичного горячего водоснабжения, система комплектуется источником дополнительного подогрева (котел, электрический ТЭН). Это необходимое условие для поддержания заданной температуры

Солнечные батареи в обустройстве частных домов чаще всего используют в качестве резервного источника электроэнергии:

Солнечные батареи, работающие на фотоэлементах, снабжают частные домохозяйства электроэнергией. Чаще всего их используют в качестве резервного источника

Чем больше площадь гелиостанции, тем больше энергии она может поставить потребителю. Кроме занятой площади мощность системы зависит еще и от погодных условий – это ее слабая сторона

Энергия, вырабатываемая солнечными батареями, может использоваться для подогрева воды и теплоносителя. Она способна обслужить низкотемпературные обогревающие контуры: теплый плинтус или теплый пол

При использовании устройств автоматизации процесса пользователь получает возможность не участвовать в управлении оборудованием. Аккумуляция заряда, расход и переход на централизованное питание производится по заданному хозяевами алгоритму

Разновидности солнечных коллекторов

Независимо от назначения, гелиосистема комплектуется плоским или сферическими трубчатым гелиоколлектором. Каждый из вариантов имеет ряд отличительных особенностей в плане технических характеристик и эффективности эксплуатации.

Вакуумный – для холодного и умеренного климата

Конструктивно вакуумный гелиоколлектор напоминает термос – узкие трубки с теплоносителем размещены в колбах большего диаметра. Между сосудами образуется вакуумная прослойка, отвечающая за теплоизоляцию (сохранность тепла – до 95%). Трубчатая форма наиболее оптимальна для удержания вакуума и «оккупации» солнечных лучей.

Базовые элементы трубчатой гелиотермической установки: опорная рама, корпус теплообменника, вакуумные стеклянные трубки, обработанные высокоселективным покрытием для интенсивного «поглощения» солнечной энергии

Внутренняя (тепловая) трубка наполнена солевым раствором с низкой температурой кипения (24-25 °С). При нагревании жидкость выпаривается – испарения поднимаются вверх колбы и нагревают теплоноситель, циркулирующий в корпусе коллектора.

В процессе конденсации капли воды стекают в наконечник трубки и процесс повторяется.

Благодаря наличию вакуумной прослойки жидкость внутри тепловой колбы способна закипать и испаряться при минусовой уличной температуре (до -35 °С).

Характеристики солнечных модулей зависят от таких критериев:

• конструкция трубки – перьевая, коаксиальная;
• устройство теплового канала – «Heat pipe», прямоточная циркуляция.

Перьевая колба — стеклянная трубка, в которой заключен пластинчатый абсорбер и тепловой канал. Вакуумная прослойка проходит через всю длину теплового канала.

Коаксиальная трубка – двойная колба с вакуумной «вставкой» между стенками двух резервуаров. Передача тепла осуществляется от внутренней поверхности трубки. Наконечник термотрубки оснащен индикатором вакуума.

Эффективность перьевых трубок (1) выше по сравнению с коаксиальными моделями (2). Однако первые дороже и сложнее в установке. Кроме того, в случае поломки, перьевую колбу придется менять целиком

Канал «Heat pipe» — наиболее распространенный вариант передачи тепла в гелиоколлекторах.

Механизм действия основан на размещении в герметичных металлических трубках легкоиспаряющейся жидкости.

Популярность «Heat pipe» обусловлена доступной стоимостью, неприхотливостью обслуживания и ремонтопригодностью. В силу сложности теплообменного процесса максимальный уровень КПД – 65%

Прямоточный канал – через стеклянную колбу проходят параллельные, соединенные в U-образную дугу металлические трубки

Теплоноситель, протекая через канал, нагревается и подается к корпусу коллектора.

Варианты конструкций вакуумного гелиоколлектора: 1 – модификация с нагревательной центральной трубкой «Heat pipe», 2 – гелиоустановка с прямоточной циркуляцией теплоносителя

Коаксиальные и перьевые трубки могут по-разному комбинироваться с тепловыми каналами.

Вариант 1. Коаксиальная колба с «Heat pipe» — наиболее популярное решение. В коллекторе происходит многократная передача тепла от стенок стеклянной трубки к внутренней колбе, а затем к теплоносителю. Степень оптического КПД достигает 65%.

Схема устройства коаксиальной трубки «Heat pipe»: 1 –оболочка из стекла, 2 – селективное покрытие, 3 – металлическое оребрение, 4 – вакуум, 5 – тепловая колба с легкозакипающим веществом, 6 – внутренняя трубка из стекла

Вариант 2. Коаксиальная колба с прямоточной циркуляцией известна как, U-образный коллектор. Благодаря конструкции уменьшаются теплопотери – тепловая энергия от алюминия передается трубкам с циркулирующим теплоносителем.

Наряду с высоким КПД (до 75%) модель имеет недостатки:

• сложность монтажа – колбы являются единым целым с двухтрубным корпусом коллектора (mainfold) и устанавливаются целиком;
• исключена замена одиночных трубок.

Кроме того, U-образный агрегат требователен к теплоносителю и дороже «Heat pipe» моделей.

Устройство U-образного гелиоколлектора: 1 – стеклянный «цилиндр», 2 – поглощающее покрытие, 3 – алюминиевый «чехол», 4 – колба с теплоносителем, 5 – вакуум, 6 – внутренняя трубка из стекла

Вариант 3. Перьевая трубка с принципом действия «Heat pipe». Отличительные особенности коллектора:

• высокие оптические характеристики – КПД около 77%;
• плоский абсорбер напрямую передает энергию тепла трубке с теплоносителем;
• за счет использования одного слоя стекла снижено отражение солнечного излучения;

Возможна замена поврежденного элемента без слива теплоносителя из гелиосистемы.

Вариант 4. Перьевая колба прямоточного действия – наиболее эффективный инструмент использования солнечной энергии, как альтернативного источника энергии для нагрева воды или отопления жилья. Высокопроизводительный коллектор работает с КПД – 80%. Недостаток системы – трудность ремонта.

Схемы устройства перьевых солнечных коллекторов: 1 – гелиосистема с «Heat pipe» каналом, 2 – двухтрубный корпус гелиоколектора с прямоточным движением теплоносителя

Независимо от исполнения трубчатым коллекторам присущи следующие достоинства:

• работоспособность при низкой температуре;
• низкие тепловые потери;
• длительность функционирования в течение суток;
• способность разогревать теплоноситель до высоких температур;
• невысокая парусность;
• простота установки.

Основной недостаток вакуумных моделей – невозможность самоочищения от снежного покрова. Вакуумная прослойка не пропускает тепло наружу, поэтому слой снега не тает и перекрывает доступ солнца к коллекторному полю. Дополнительные минусы: высокая цена и необходимость соблюдения рабочего угла наклона колб не меньше 20°.

Коллекторные солнечные приборы, нагревающие воздушный теплоноситель, можно использовать в подготовке горячей воды, если они снабжены накопительным баком:

Чтобы нагревать воду для ГВС воздушным коллектором, вокруг коллекторной трубы устраивают объемный бак

Вдоль центральной оси вакуумной стеклянной трубки располагается медная трубка, которую оборачивают алюминиевым теплопроводным кожухом. Стеклянную трубку с перечисленными компонентами закрывают силиконовой заглушкой и подключают к коллектору с баком

Накопительный бак действует по принципу косвенного нагрева – содержащаяся в баке вода нагревается курсирующим по системе теплым воздухом. С контуром ГВС бак с нагретой водой связан отдельной линией

Для того чтобы управлять работой гелиосистемы, увеличивать или снижать интенсивность в зависимости от погодных условий, оборудование дополняют температурными датчиками и термостатом

Солнце — альтернативный источник энергии

Маркин, Н. Д. Солнце — альтернативный источник энергии / Н. Д. Маркин, М. Н. Куликова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2017. — № 4 (13). — С. 39-41. — URL: https://moluch.ru/young/archive/13/1028/ (дата обращения: 22.02.2023).

В статье рассматривается альтернативный источник энергии — энергия солнца. Его значимость и возможности применения на практике.

Ключевые слова: альтернативный источник энергии, солнечные батареи, дети солнечный трекер

Если во всем видеть только плюсы, батарейку правильно не подключишь.

В современном мире очень актуальна тема развития альтернативных источников энергии. Это связано, с одной стороны, с тем, что наука идет вперед семимильными шагами, с другой стороны, люди практически исчерпали углеводородные энергетические ресурсы, которые необходимы для бесперебойной работы техники, транспорта, освещения и обогрева. Потребность человечества в энергии ежегодно растет.

Одним из перспективных источников энергии — является неиссякаемая энергия солнца. Солнце — самый главный источник тепла и света, роста растений на нашей планете. Благодаря Солнцу появились все традиционные источники энергии — нефть, уголь, торф.

К сожалению, ископаемое топливо заканчивается, поэтому решение энергетической проблемы, состоит в поисках возобновляемых источников энергии, которые могли бы заменить энергоресурсы, используемые сейчас.

Основными преобразователями солнечной энергии являются батареи, представляющие собой несколько объединённых фотоэлементов и преобразующие солнечную энергию в электрический ток. Солнечные батареи применяют в местах, удаленных от населенных пунктов, в космической сфере, в машиностроении и кораблестроении, то есть там, где нет возможности воспользоваться другими источниками энергии.

Первая солнечная батарея принадлежит Антуану — Сезару Беккерелю (1839). Почти через сорок лет Чарльз Фриттс изобрел первый солнечный элемент, опираясь на опыт Уилоуби Смита, обнаружившего в 1873 году чувствительность селена к свету. В 1954 году специалисты компании Bell Laboratories (США) заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Созданные солнечные батареи — были всего лишь технологической игрушкой стоимостью 250 долларов, с КПД около 6 %. Потенциал солнечных батарей первоначально был оценен только в космической отрасли и, в 1958 году, в США был запушен первый спутник с солнечными батареями — Vanguard 1. Через несколько месяцев в СССР был запущен Спутник-3 также работающий на солнечных батареях.

К началу 2017 года, благодаря применению солнечных трекеров, КПД солнечных батарей составляет более 26 %. Применение фотоэлементов стало повсеместным.

1954 год. Солнечная батарея компании Bell Laboratories

На уроках физики в школе и на дополнительных занятиях, я подробно изучил принципы работы солнечных трекеров, а также преимущества (возобновляемость, обильность, доступность, экологичность, экономичность) и недостатки солнечной энергии (непостоянство солнечного света, применение дорогостоящих и редких компонентов при создании солнечных батарей, их ограниченный срок службы).

Свои теоретические знания я решил испытать, приняв участие в технической олимпиаде научного творчества «Роботландия-2017», организатором которой был Волжский политехнический институт (филиал) ВолгГТУ.

Целью олимпиадной работы стала разработка и создание эффективного зарядного устройства с максимальным КПД, работающего от солнечной энергии и аккумулирующего её. Движение солнца по азимуту снижает КПД фиксированной солнечной батареи, поэтому возникла необходимость разработать устройство, которое могло бы поворачиваться вслед за траекторией солнца — солнечный трекер.

Солнечный трекер — система, предназначенная для слежения за перемещением солнца, чтобы получить максимальный КПД от солнечных батарей. Механизм трекера основан на фоторезисторах: когда на один из резисторов попадает меньше света, устройство поворачивается.

На этапе разработки мною были изучены интернет-ресурсы и начерчен эскиз механической части.

Узел выгрузки-загрузки кассет от старого магнитофона и подъемный механизм игрушечной пожарной машины «послужили» основными компонентами поворотного механизма горизонтального и вертикального движения. Для создания механизма управления разработана электронная схема и размещена на двух платах управления, ответственных за анализ яркости солнечного света и углов поворота солнечной батареи. Корпус трекера сделан из старого медицинского прибора и вместил в себя: механизм и плату управления горизонтальным поворотом, аккумуляторы для накопления энергии, и USB-выход для зарядки сотового телефона. К корпусу прикреплена мачта, на которой расположены: солнечная панель с фоторезисторами, блок и плата вертикального наклона, контроллер заряда аккумулятора и выключатель.

Собранный солнечный трекер имеет следующие технические характеристики: напряжение заряда -5,5В, сила тока -1 А, емкость аккумулятора — 200 мА.

В результате тестовых испытаний в летний период установлено, что созданное зарядное устройство обладает высоким КПД, действительно работает от солнечной энергии, преобразует и аккумулирует её.

Основные термины (генерируются автоматически): солнечная энергия, батарея, солнечный трекер, альтернативный источник энергии, максимальный КПД, солнечная батарея, солнечный свет, электрический ток, США, плат управления.