Становились ли вы участником обсуждений альтернативной энергии? Практически каждый человек хоть что-то, но слышал об этом. И многим даже выпадало воочию наблюдать солнечные батареи или ветровые электростанции. Сейчас развитие данной сферы энергоснабжения очень важно для дальнейшего комфортного существования человечества.
Так как основную часть традиционных ресурсов, таких как полезные ископаемые, мы практически исчерпали, приходится искать более долговечные источники. Одним из таких нетрадиционных источников энергии является солнечная энергия. Этот ресурс один из наиболее распространенных и легкодоступных, поскольку солнечный свет в том или ином количестве есть в любом уголке нашей планеты. Поэтому разработки, связанные с аккумуляцией солнечной энергией, начались достаточно давно и активно проводятся и по сей день.
Как источник энергии солнечный свет отличная альтернатива традиционным ресурсам. И при грамотном использовании вполне может вытеснить все другие энергоресурсы в будущем.
Чтобы найти наиболее эффективные методы преобразования энергии Солнца, ученым нужно было понять, какое превращение является источником солнечной энергии. Для получения ответа на данный вопрос было проведено огромное количество опытов и исследований. Существуют разные гипотезы, призванные объяснить это явление. Но экспериментальным путем в процессе долгих исследований было доказано, что реакция, во время которой с помощью ядер углерода водород превращается в гелий, выступает тем самым основным источником солнечной энергии.
Мы уже знаем, что источником солнечной энергии являются водород и гелий, но ведь и сама солнечная энергия – это источник для определенных процессов. Все земные природные процессы осуществляются благодаря энергии, полученной от Солнца.
Без солнечных излучений был бы невозможным:
Солнечная энергия – это основа существования жизни на Земле. Но на этом ее благотворное воздействие не заканчивается. Для человечества солнечная энергия может быть полезной как альтернативный источник энергии.
В настоящее время активное развитие технологий сделало возможным преобразование энергии Солнца в другие применяющиеся человеком виды. Как возобновляемый источник энергии солнечная энергия получила широкое распространение и активно используется, как в промышленных масштабах, так и локально на небольших частных участках. И с каждым годом сфер, где применение гелиотермальной энергии является обыденным делом, становится все больше.
Сегодня солнечный свет как источник энергии используется:
Исходя из этого, мы видим, что солнечная энергия в действительности может стать отличным источником питания практически в каждой сфере человеческой деятельности. Поэтому продолжение исследований в данной отрасли могут изменить привычное нынешнее существование в корни.
На сегодняшний день благодаря различным разработкам и методам солнечная энергия как альтернативный источник энергии может быть преобразована и аккумулирована разными способами. Сейчас существуют системы активного использования гелиоэнергии, и пассивные системы. В чем их суть?
Оба вида подобных систем применяются в тех или иных случаях в зависимости от потребностей, которые они должны удовлетворять. Будь то строительство экологически чистого солнечного дома или установка коллектора на участке – это в любом случае даст свой результат и будет выгодным вложением.
Что такое солнечная электростанция? Это специально организованное инженерное сооружение, благодаря которому происходят процессы преобразования солнечной радиации для дальнейшего получения электроэнергии. Конструкции подобных станций могут быть совершенно различными в зависимости от того, какой способ переработки будет применяться.
Разновидности солнечных электростанций:
Как мы видим, солнечная электростанция как источник энергии давно перестала быть частью утопических научно-фантастических романов и активно используется во всем мире для удовлетворения энергетических потребностей общества. В ее работе существуют как явные преимущества, так и недостатки. Но их правильный баланс дает возможность получать необходимый результат.
Достоинства:
Недостатки:
Как и в любой производственной сфере, в переработке и преобразовании солнечной энергии есть свои сильные и слабые стороны. Очень важно, чтобы преимущества перекрывали недостатки, в таком случае работа будет оправдана.
Сейчас большинство разработок в данной отрасли направлены на оптимизацию и улучшение функционирования и использования уже существующих методов и на разработку новых, более безопасных и продуктивных.
Чем дальше шагает в своем техническом развитии наше общество, тем больше источников энергии может потребоваться с каждым новым этапом. Но традиционных ресурсов становится все меньше, а цена на них растет. Поэтому люди начали активнее задумываться об альтернативных вариантах энергоснабжения. И тут пришли на помощь возобновляемые источники. Энергия ветра, воды или Солнца – это новый виток, позволяющий и дальше развиваться обществу, снабжая его необходимыми ресурсами.
В последние годы ученых особенно интересуют альтернативные источники энергии. Нефть и газ рано или поздно закончатся, поэтому подумать о том, как мы будем выживать в этой ситуации, приходится уже сейчас. В Европе активно используются ветряки, кто-то пытается извлечь энергию из океана, а мы поговорим о солнечной энергии. Ведь звезда, которую мы практически каждый день видим в небе, может помочь нам сберечь и улучшить экологическую обстановку. Значение солнца для Земли трудно переоценить - оно дает тепло, свет и позволяет функционировать всему живому на планете. Так почему бы не найти ему еще одно применение?
В середине 19 века физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. А к концу столетия Чарльз Фриттс создал первый прибор, способный перерабатывать солнечную энергию в электричество. Для этого использовался селен, покрытый тонким слоем золота. Эффект был слабым, но именно это изобретение зачастую связывают с началом эры солнечной энергии. Некоторые ученые не согласны с такой формулировкой. Они называют родоначальником эры солнечной энергии всемирно известного ученого Альберта Эйнштейна. В 1921 году он получил Нобелевскую премию за объяснение законов внешнего фотоэффекта.
Казалось бы, солнечная энергия - это перспективный путь развития. Но существует немало препятствий для того, чтобы она вошла в каждый дом - в основном, экономических и экологических. Из чего складывается стоимость солнечных батарей, какой вред они могут нанести окружающей среде и какие еще существуют способы получения энергии, узнаем ниже.
Самой актуальной задачей, связанной с приручением энергии солнца, является не только ее получение, но и аккумуляция. И именно это является самым сложным. В настоящее время учеными было разработано только 3 способа полноценного приручения солнечной энергии.
Первый основан на использовании параболического зеркала и немного напоминает игру с лупой, которая всем знакома с детства. Сквозь линзу свет проходит, собираясь в одной точке. Если в этом месте положить кусочек бумаги, она загорится, поскольку температура скрещенных солнечных лучей невероятно высока. Параболическое зеркало представляет собой вогнутый диск, напоминающий неглубокую чашу. Это зеркало, в отличие от лупы, не пропускает, а отражает солнечный свет, собирая его в одной точке, которая обычно направлена на черную трубу с водой. Такой цвет используют потому, что он лучше всего поглощает свет. Вода в трубе под действие солнечных лучей нагревается и может использоваться для получения электричества или для отопления небольших домов.
В этом способе используется совсем другая система. Приемник солнечной энергии выглядит как многослойная конструкция. Принцип его работы выглядит так.
Проходя через стекло, лучи попадают на затемненный металл, который, как известно, лучше поглощает свет. Солнечная радиация превращается в и нагревает воду, которая находится под железной пластиной. Далее все происходит как в первом способе. Нагретую воду можно использовали либо для отопления помещений, либо для получения электрической энергии. Правда, эффективность такого метода не настолько высока, чтобы использовать его повсеместно.
Как правило, полученная таким образом солнечная энергия - это тепло. Для получения электричества гораздо чаще используют третий способ.
Больше всего мы знакомы именно с таким способом получения энергии. Он подразумевает использование различных батарей или солнечных панелей, которые можно встретить на крышах многих современных домов. Такой способ сложнее ранее описанных, но является намного более перспективным. Именно он дает возможность солнца в электричество в промышленных масштабах.
Специальные панели, предназначенные для улавливания лучей, делают из обогащенных кристаллов кремния. Солнечный свет, попадая на них, сбивает электрон с орбиты. На его место тут же стремится другой, таким образом получается непрерывная подвижная цепочка, которая и создает ток. Он при необходимости сразу используется для обеспечения приборов или накапливается в виде электроэнергии в специальных аккумуляторах.
Популярность этого способа обоснована тем, что он позволяет получить более 120 Вт всего с одного квадратного метра солнечной батареи. При этом панели имеют сравнительно небольшую толщину, что позволяет размещать их практически везде.
Существует несколько видов солнечных батарей. Первые выполнены с использованием монокристаллического кремния. Их коэффициент полезного действия составляет примерно 15%. Такие являются наиболее дорогими.
КПД элементов, изготовленных из поликристаллического кремния, достигает 11%. Стоят они меньше, поскольку материал для них получают по упрощенной технологии. Третий тип является наиболее экономичным и отличается минимальным КПД. Это панели из аморфного кремния, то есть некристаллического. Кроме низкой эффективности, они имеют еще один существенный недостаток - недолговечность.
Некоторые производители для увеличения КПД задействуют обе стороны панели солнечной батареи - тыльную и фронтальную. Это позволяет улавливать свет в больших объемах и увеличивает количество получаемой энергии на 15-20%.
Солнечная энергия на Земле получает все большее распространение. Даже в нашей стране заинтересованы в изучении этой отрасли. Несмотря на то что в России не очень активно идет развитие альтернативной энергетики, определенных успехов удалось добиться. В настоящее время созданием панелей для получения солнечной энергии занимаются несколько организаций - в основном это научные институты различной направленности и заводы по производству электрооборудования.
Это только небольшая часть предприятий, принимающих активное участие в развитии альтернативной
Отказ от угольных и нефтяных источников энергии связан не только с тем, что эти ресурсы рано или поздно закончатся. Дело в том, что они сильно вредят окружающей среде - загрязняют почву, воздух и воду, способствуют развитию заболеваний у людей и снижению иммунитета. Именно поэтому альтернативные источники энергии должны быть безопасны с экологической точки зрения.
Кремний, который используется для производства фотоэлементов, сам по себе безопасен, поскольку является природным материалом. Но после его очистки остаются отходы. Именно они могут нанести вред человеку и окружающей среде при неправильном использовании.
Кроме того, на участке, полностью заставленном солнечными батареями, может нарушиться естественное освещение. Это приведет к изменениям в существующей экосистеме. Но в целом влияние на окружающую среду устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии, минимально.
Самые большие затраты по связаны с дороговизной сырья. Как мы уже выяснили, специальные панели создаются с использованием кремния. Несмотря на то что этот минерал широко распространен в природе, с его добычей связаны большие проблемы. Дело в том, что кремний, который составляет более четверти массы земной коры, не подходит для производства солнечных батарей. Для этих целей пригоден только чистейший материал, получаемый промышленным способом. К сожалению, из песка получить чистейший кремний крайне проблематично.
По цене данный ресурс сравним с ураном, использующимся на АЭС. Именно поэтому стоимость солнечных батарей в настоящее время остается на довольно высоком уровне.
Первые попытки приручить солнечную энергию появились достаточно давно. С тех пор многие ученые активно заняты поисками максимально эффективного оборудования. Оно должно быть не только экономически выгодным, но также компактным. Его КПД должен стремиться к максимуму.
Первые шаги к идеальному прибору для получения и преобразования солнечной энергии были сделаны с изобретением кремниевых батарей. Конечно, цена достаточно высока, но зато панели могут быть размещены на крышах и стенах домов, где они никому не будут мешать. А эффективность таких батарей неоспорима.
Но лучший способ увеличить популярность солнечной энергии - сделать ее более дешевой. Немецкие ученые уже предложили заменить кремний синтетическими волокнами, которые могут быть интегрированы в ткань или другие материалы. КПД такой солнечной батареи не очень высок. Но рубашка с вкраплением синтетических волокон сможет, по крайней мере, обеспечить электроэнергией смартфон или плеер. Активно ведутся работы и в области нанотехнологий. Вероятно, именно они позволят солнцу стать наиболее популярным источником энергии уже в этом столетии. Специалисты компании Scates AS из Норвегии уже заявили, что нанотехнологии позволят сократить стоимость солнечных панелей в 2 раза.
О жилье, которое само себя будет обеспечивать, наверняка мечтают многие: нет зависимости от централизованного отопления, сложностей с оплатой счетов и вреда для окружающей среды. Уже сейчас во многих странах активно строится жилье, потребляющее только энергию, полученную из альтернативных источников. Яркий пример - так называемый солнечный дом.
В процессе строительства он потребует больших вложений, чем традиционный. Но зато после нескольких лет эксплуатации все затраты окупятся - не придется платить за отопление, горячую воду и электричество. В солнечном доме все эти коммуникации привязаны к специальным фотоэлектрическим панелям, размещенным на крыше. Причем полученные таким образом энергетические ресурсы не только расходуются на текущие нужды, но и накапливаются для использования в ночное время и при пасмурной погоде.
В настоящее время строительство таких домов ведется не только в странах, приближенных к экватору, где добывать солнечную энергию проще всего. Их возводят также и в Канаде, Финляндии и Швеции.
Развитие технологий, позволяющих повсеместно использовать солнечную энергию, могло бы вестись более активно. Но существую определенные причины, по которым это все еще не является приоритетной задачей. Как мы уже говорили выше, при производстве панелей вырабатываются вредные для окружающей среды вещества. Кроме того, готовое оборудование содержит в своем составе галлий, мышьяк, кадмий и свинец.
Немало вопросов вызывает и необходимость утилизации фотоэлектрических панелей. Через 50 лет работы они станут непригодными для службы, и их придется каким-то образом уничтожать. Не нанесет ли это колоссальный вред природе? Стоит также учитывать, что солнечная энергия - это непостоянный ресурс, эффективность получения которого зависит от времени суток и погоды. А это является существенным недостатком.
Но и плюсы, конечно, есть. Солнечную энергию можно добывать практически в любой точке Земли, а оборудование для ее получения и преобразования может быть настолько маленьким, что поместится на тыльной стороне смартфона. Что еще немаловажно, это возобновляемый ресурс, то есть количество солнечной энергии будет оставаться неизменным еще как минимум тысячи лет.
Развитие технологий в области солнечной энергетики должно привести к снижению затрат на создание элементов. Уже сейчас появляются стеклянные панели, которые могут быть установлены на окнах. Развитие нанотехнологий позволило изобрести краску, которая будет напыляться на солнечные батареи и сможет заменить кремниевый слой. Если стоимость солнечной энергии действительно снизится в несколько раз, ее популярность также вырастет многократно.
Создание маленьких панелей для индивидуального применения позволит людям в любых условиях использовать солнечную энергию - дома, в машине или даже за городом. Благодаря их распространению снизится нагрузка на централизованные электросети, поскольку люди смогут самостоятельно зарядить мелкую электронику.
Специалисты компании Shell полагают, что к 2040 году около половины энергии в мире будет создаваться за счет возобновляемых ресурсов. Уже сейчас в Германии потребление солнечной энергии активно растет, а мощность батарей составляет более 35 Гигаватт. Япония также активно развивает эту отрасль. Две эти страны - лидеры потребления солнечной энергии в мире. Вероятно, скоро к ним присоединятся и Соединенные Штаты.
Ученые не перестают ломать голову над тем, что еще можно использовать для получения электричества или тепла. Приведем примеры наиболее перспективных альтернативных источников энергии.
Ветряки сейчас можно встретить практически в любой стране. Даже на улицах многих российских городов устанавливают фонари, которые сами обеспечивают себя электричеством за счет энергии ветра. Наверняка их себестоимость выше средней, но зато со временем они эту разницу возместят.
Достаточно давно была придумана технология, позволяющая получать энергию, используя разницу температур воды на поверхности океана и на глубине. Китай активно собирается развивать это направление. В ближайшие годы у берегов Поднебесной собираются построить крупнейшую электростанцию, работающую по этой технологии. Существуют и другие способы использования моря. Например, в Австралии планируют создать электростанцию, генерирующую энергию из силы течений.
Есть и многие другие или тепла. Но на фоне многих других вариантов солнечная энергия - это действительно перспективное направление развития науки.
Люди уже не представляют себе жизнь без электричества, и с каждым годом потребность в энергии все больше растет, в то время как запасы энергоресурсов таких нефть, газ, уголь стремительно сокращаются. У человечества не остается других вариантов, как использование альтернативных источников энергии. Одним из способов получения электроэнергии является преобразование солнечной энергии с помощью фотоэлементов. То, что можно использовать энергию солнца люди узнали относительно давно, но активно развивать начали лишь в последние 20 лет. За последние годы благодаря не прекращающимся исследованиям, использованию новейших материалов и креативных конструкторских решений удалось значительно увеличить производительность солнечных батарей. Многие полагают, что в будущем человечество сможет отказаться от традиционных способов получения электроэнергии в пользу солнечной энергии и получать ее с помощью солнечных электростанций.
Солнечная энергетика один из источников получения электроэнергии не традиционным способом, поэтому относится к альтернативным источникам энергии. Солнечная энергетика использует солнечное излучение и преобразовывает его в электричество или в другие виды энергии. Солнечная энергия является не только экологически чистым источником энергии, т.к. при преобразовании солнечной энергии не выделяется вредных побочных продуктов, но еще энергия солнца самовосстанавливающийся источник альтернативной энергии.
Теоретически рассчитать, сколько можно получить энергии от потока солнечной энергии несложно, давно известно, что пройдя расстояние от Солнца до Земли и падая на поверхность площадью 1 м² под углом 90°, солнечный поток на входе в атмосферу несет в себе энергетический заряд равный 1367 Вт/м², это так называемая солнечная постоянная. Это идеальный вариант при идеальных условиях, которых как мы знаем добиться практически не возможно. Таким образом после прохождения атмосферы максимальный поток который можно получить будет на экваторе и будет составлять 1020 Вт/м², но среднесуточное значение которое мы сможем получить будет в 3 раза меньше из-за смены дня и ночи и изменения угла падения солнечного потока. А в умеренных широтах к смене дня и ночи прибавляется еще и смена времен года, а с ним и изменение длительности светового дня, поэтому в умеренных широтах количество получаемой энергии сократится еще в 2 раза.
Как мы все знаем, в последние несколько лет развитие солнечной энергетики с каждым годом все больше набирает темпы, но давайте попробуем проследить динамику развития. В далеком 1985 году мировые мощности, использующие солнечную энергию, составляли всего лишь 0,021 ГВт. В 2005 году они уже составляли 1,656 ГВт. 2005 год считают переломным в развитии солнечной энергетике, именно с этого года люди началось активно интересоваться исследованиями и развитием электросистем работающих на солнечной энергии. Далее динамика не оставляет сомнений (2008г-15,5 ГВт, 2009-22,8 ГВт, 2010-40 ГВт, 2011-70 ГВт, 2012-108 ГВт, 2013-150 ГВт, 2014-203 ГВт). Пальму первенства в использовании солнечной энергии держат страны Евросоюза и США, в производственной и эксплуатационной сфере только в США и Германии заняты больше 100 тыс. людей в каждой. Также своими достижениями в освоении солнечной энергии могут похвастаться Италия, Испания и, конечно же, Китай, который если и не является лидером в эксплуатации солнечных элементов то, как производитель фотоэлементов из года в год наращивает темпы производства.
Достоинства:
1) экологичность-не загрязняет окружающую среду; 2) доступность-фотоэлементы доступны в продаже не только для промышленного использования, но и для создания частных мини солнечных электростанций; 3) неисчерпаемость и само восстанавливаемость источника энергии; 4) постоянно снижающаяся себестоимость производства электроэнергии.
Недостатки:
1) влияние на производительность погодных условий и времени суток; 2) для сохранения энергии необходимо аккумулировать энергию; 3) меньшая производительность в умеренных широтах из-за смены времен года; 4)значительный нагрев воздуха над солнечной электростанцией; 5) потребность периодически очищать поверхность фотоэлементов от загрязнения, а это проблематично из за огромных площадей, занимаемых под установку фотоэлементов; 6) также можно сказать об относительно высокой стоимости оборудования, хоть с каждым годом себестоимость снижается, пока говорить о дешевой солнечной энергии не приходится.
На сегодняшний день развитию солнечной энергетики пророчат большое будущее, с каждым годом все больше строятся новые солнечные электростанции, которые поражают своими масштабами и техническими решениями. Также не прекращаются научные исследования, направленные на увеличение КПД фотоэлементов. Ученые посчитали, что если покрыть сушу планеты Земля на 0,07%, с КПД фотоэлементов в 10%, то энергии хватит более чем на 100% обеспечения всех потребностей человечества. На сегодняшний день уже используются фотоэлементы с КПД в 30%. По исследовательским данным известно, что амбиции ученых обещают довести его до 85%.
Солнечные электростанции это сооружения задачей, которых является преобразовывать потоки солнечной энергии в электрическую энергию. Размеры солнечных электростанций могут быть различными, начиная от частных мини электростанций с несколькими солнечными панелями и заканчивая огромными, занимающими площади свыше 10 км².
Со времени постройки первых солнечных электростанций прошло довольно много времени, за которое было осуществлено множество проектов и применено немало интересных конструкционных решений. Принято делить все солнечные электростанции на несколько типов:
1. Солнечные электростанции башенного типа.
2. Солнечные электростанции, где солнечные батарей представляют собой фотоэлементы.
3. Тарельчатые солнечные электростанции.
4. Параболические солнечные электростанции.
5. Солнечные электростанции солнечно-вакуумного типа.
6. Солнечные электростанции смешанного типа.
Очень распространенный тип конструкции электростанции. Представляет собой высокую башенную конструкцию на вершине, которой расположен резервуар, с водой выкрашенный в черный цвет для лучшего притягивания отраженного солнечного света. Вокруг башни по кругу расположены большие зеркала площадью свыше 2 м², они все подключены к единой системе управления, которая следит за изменением угла наклона зеркал, что бы они всегда отражали солнечный свет и направляли его прямиком на резервуар с водой расположенный на верхушке башни. Таким образом, отраженный солнечный свет нагревает воду, которая образует пар, а затем этот пар с помощью насосов подается на турбогенератор где и происходит выработка электроэнергии. Температура нагрева бака может достигать 700 °C. Высота башни зависит от размеров и мощности солнечной электростанции и, как правило, начинается от 15 м, а высота самой большой на сегодняшний день составляет 140 м. Такой тип солнечных электростанций очень распространен и предпочитается многими странами за свой высокий КПД в 20%.
Используют для преобразования солнечного потока в электричество фотоэлементы (солнечные батареи). Данный тип электростанций стал очень популярным благодаря возможности использования солнечных батарей небольшими блоками, что позволяет применять солнечные батареи для обеспечения электричеством, как частных домов, так и крупных промышленных объектов. Тем более что КПД с каждым годом растет и на сегодняшний день уже существуют фотоэлементы с КПД 30%.
Данный тип солнечной электростанции имеет вид огромных спутниковых антенн, внутренняя сторона которых покрыта зеркальными пластинами. Принцип, по которому происходит преобразование энергии, похож с башенными станциями с небольшим отличием, параболическая форма зеркал обусловливает, что солнечные лучи, отражаясь от всей поверхности зеркала, концентрируются в центре, где расположен приемник с жидкостью, которая нагревается, образуя пар, который в свою очередь и является движущей силой для небольших генераторов.
Принцип работы и способ получения электроэнергии идентичен солнечным электростанциям башенного и параболического типа. Отличие составляет лишь конструктивные особенности. На стационарной конструкции немного похожей на гигантское металлическое дерево, на котором развешены круглые плоские зеркала, которые концентрируют солнечную энергию на приемнике.
Это очень необычный способ использования энергии солнца и разности температур. Конструкция электростанции состоит из покрытого стеклянной крышей участка земли круглой формы с башней в центре. Башня внутри полая, в ее основании расположены несколько турбин, которые вращаются благодаря возникающему из-за разности температур потоку воздуха. Через стеклянную крышу солнце нагревает землю и воздух внутри помещения, а с внешней средой здание сообщается трубой и так как вне помещения температура воздух значительно ниже, то создается воздушная тяга, которая увеличивается с ростом разницы температур. Таким образом, ночью турбины вырабатывают электроэнергии больше чем днем.
Это когда на солнечных электростанциях определенного типа в качестве вспомогательных элементов используют, например солнечные коллекторы для обеспечения объектов горячей водой и теплом или возможно использование одновременно на электростанции башенного типа участков фотоэлементов.
Солнечная энергетика развивается высокими темпами, люди, наконец, то всерьез задумались об альтернативных источниках энергии, что бы предупредить неизбежно надвигающийся энергетический кризис и экологическую катастрофу. Хоть лидерами в солнечной энергетике по-прежнему остаются США и Евросоюз, но все остальные мировые державы постепенно начинают перенимать и использовать опыт и технологии производства и использования солнечных электростанций. Можно не сомневаться, что рано или поздно солнечная энергия станет основным источником энергии на Земле.
Солнце - неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый источник энергии. Как заявляют эксперты, количество солнечной энергии, которая поступает на поверхность Земли в течение недели, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана 1 . По мнению академика Ж.И. Алферова, «человечество имеет надежный естественный термоядерный реактор - Солнце. Оно является звездой класса «Ж-2», очень средней, каких в Галактике до 150 миллиардов. Но это - наша звезда, и она посылает на Землю огромные мощности, преобразование которых позволяет удовлетворять практически любые энергетические запросы человечества на многие сотни лет». Причем, солнечная энергетика является «чистой» и не оказывает отрицательного влияния на экологию планеты 2 .
Немаловажным моментом является тот факт, что сырьем для изготовления солнечных батарей является один из самых часто встречающихся элементов - кремний. В земной коре кремний - второй элемент после кислорода (29,5% по массе) 3 . По мнению многих ученых, кремний - это «нефть двадцать первого века»: в течение 30 лет один килограмм кремния в фотоэлектрической станции вырабатывает столько электричества, сколько 75 тонн нефти на тепловой электростанции.
Однако некоторые эксперты полагают, что солнечную энергетику нельзя назвать экологически безопасной ввиду того, что производство чистого кремния для фотобатарей является весьма «грязным» и очень энергозатратным производством. Наряду с этим, строительство солнечных электростанций требует отведения обширных земель, сравнимых по площади с водохранилищами ГЭС. Еще одним недостатком солнечной энергетики, по мнению специалистов, является высокая волатильность. Обеспечение эффективной работы энергосистемы, элементами которых являюстя солнечные электростанции, возможно при условии:
- наличия значительных резервных мощностей, использующих традиционные энергоносители, которые можно подключить ночью или в пасмурные дни;
- проведения масштабной и дорогостоящей модернизации электросетей 4 .
Несмотря на указанный недостаток, солнечная энергетика продолжает свое развитие в мире. Прежде всего, ввиду того, что лучистая энергия будет дешеветь и уже через несколько лет составит весомую конкуренцию нефти и газу.
В настоящий момент в мире существуют фотоэлектрические установки , преобразующие солнечную энергию в электрическую на основе метода прямого преобразования, и термодинамические установки , в которых солнечная энергия сначала преобразуется в тепло, затем в термодинамическом цикле тепловой машины преобразуется в механическую энергию, а в генераторе преобразуется в электрическую.
Солнечные элементы как источник энергии могут применяться:
- в промышленности (авиапромышленность, автомобилестроение и т.п.),
- в сельском хозяйстве,
- в бытовой сфере,
- в строительной сфере (например, эко-дома),
- на солнечных электростанциях,
- в автономных системах видеонаблюдения,
- в автономных системах освещения,
- в космической отрасли.
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.
Ввиду расположения России (между 41 и 82 градусами северной широты) 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.
Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.
Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиации южных регионов. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВТ-час/м 2 , тогда как в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) данный показатель равен 1290 кВт-час/м 2 . 5
В настоящее время Россия обладает передовыми технологиями по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Есть ряд предприятий и организаций, которые разработали и совершенствуют технологии фотоэлектрических преобразователей: как на кремниевых, так и на многопереходных структурах. Есть ряд разработок использования концентрирующих систем для солнечных электростанций.
Законодательная база в сфере поддержки развития солнечной энергетики в России находится в зачаточном состоянии. Однако первые шаги уже сделаны:
- 3 июля 2008г.: Постановление Правительства №426 «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования возобновляемых источников энергии»;
- 8 января 2009г.: Распоряжение Правительства РФ N 1-р «Об Основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.»
Были утверждены целевые показатели по увеличению к 2015 и 2020 годам доли ВИЭ в общем уровне российского энергобаланса до 2,5% и 4,5% соответственно 6 .
По разным оценкам, на данный момент в России суммарный объем введенных мощностей солнечной генерации составляет не более 5 МВт, большая часть из которых приходится на домохозяйства. Самым крупным промышленным объектом в российской солнечной энергетике является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт (для сравнения, самая крупнейшая солнечная электростанция в мире располагается в Канаде мощностью 80000 кВт).
В настоящий момент в России реализуется два проекта: строительство солнечных парков в Ставропольском крае (мощность - 12 МВТ), и в Республике Дагестан (10 МВт) 7 . Несмотря на отсутствие поддержки возобновляемой энергетики, ряд компаний реализует мелкие проекты в сфере солнечной энергетике. К примеру, «Сахаэнерго» установило маленькую станцию в Якутии мощностью 10 кВт.
Существуют маленькие установки в Москве: в Леонтьевском переулке и на Мичуринском проспекте подъезды и дворы нескольких домов освещаются с помощью солнечных модулей, что сократило расходы на освещение на 25%. На Тимирязевской улице солнечные батареи установлены на крыше одной из автобусных остановок, которые обеспечивают работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi.
Развитие солнечной энергетики в России обусловлено рядом факторов:
1) климатические условия: данный фактор влияет не только на год достижения сетевого паритета, но и на выбор той технологии солнечной установки, которая наилучшим образом подходит для конкретного региона;
2) государственная поддержка:
наличие законодательно установленных экономических стимулов солнечной энергетики оказывает решающее значение на
ее развитие. Среди видов государственной поддержки, успешно применяющихся в ряде стран Европы и США, можно выделить: льготный тариф для солнечные электростанции, субсидии на строительство солнечных электростанций, различные варианты налоговых льгот, компенсация части расходов по обслуживанию кредитов на приобретение солнечных установок;
3) стоимость СФЭУ (солнечные фотоэлектрические установки): сегодня солнечные электростанции являются одной из наиболее дорогих используемых технологий производства электроэнергии. Однако по мере снижения стоимости 1 кВт*ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится конкурентоспособной. От снижения стоимости 1Вт установленной мощности СФЭУ (~3000$ в 2010 году) зависит спрос на СФЭУ. Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических затрат и снижения рентабельности производства (влияние конкуренции). Потенциал снижения стоимости 1 кВт мощности зависит от технологии и лежит в диапазоне от 5% до 15% в год;
4) экологические нормы: на рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение экологических норм (ограничений и штрафов) вследствие возможного пересмотра Киотского протокола. Совершенствование механизмов продажи квот на выбросы может дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ;
5) баланс спроса и предложения электроэнергии:
реализация существующих амбициозных планов по строительству и реконструкции генерирующих и электросетевых
мощностей компаний, выделившихся из РАО «ЕЭС России» в ходе реформы отрасли, существенно увеличит предложение электроэнергии и может усилить давление на цену
на оптовом рынке. Однако выбытие старых мощностей и одновременное повышение спроса повлечет за собой увеличение цены;
6) наличие проблем с технологическим присоединением: задержки с выполнением заявок на технологическое присоединение к централизованной системе электроснабжения являются стимулом к переходу к альтернативным источникам энергии, в том числе к СФЭУ. Такие задержки определяются как объективной нехваткой мощностей, так и неэффективностью организации технологического присоединения сетевыми компаниями или недостатком финансирования технологического присоединения из тарифа;
7) инициативы местных властей: региональные и муниципальные органы управления могут реализовывать собственные программы по развитию солнечной энергетики или, более широко, возобновляемых/нетрадиционных источников энергии. Сегодня такие программы уже реализуются в Красноярском и Краснодарском краях, Республике Бурятия и др.;
8) развитие собственного производства: российское производство СФЭУ может оказать положительное влияние на развитие российского потребления солнечной энергетики. Во-первых, благодаря собственному производству усиливается общая осведомленность населения о наличии солнечных технологий и их популярность. Во-вторых, снижается стоимость СФЭУ для конечных потребителей за счет снижения промежуточных звеньев дистрибьюторской цепи и за счет снижения транспортной составляющей 8 .
6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
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. С древних времён эта энергию использовалась людьми для освещения жилища, сушки продуктов, одежды и т. п. Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца в электрическую или тепловую. Отрасль постепенно растёт и развивается, но, как и везде, есть свои проблемы. Обо всём этом речь пойдёт в настоящем материале.
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.
Кстати, очень много ресурсов на планете представляют собой производные от солнечной энергии.
К примеру, ветер, который является ещё одним возобновляемым источников, не дул бы без солнца. Испарение воды и накопление её в реках также происходит под действием солнца. А вода, как известно, используется гидроэнергетике. Биотоплива также не было бы без солнца. Поэтому, помимо прямого источника энергии, солнце влияет на другие сферы энергетики.
Солнце отправляет к поверхности нашей планеты радиацию. Из широкого спектра излучения поверхности Земли достигают 3 типа волн:
Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.
Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.
Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».
Долгое время инсоляторы выпускались по схеме, использующей энергию солнца для превращения воды в пар. И преобразованная энергия использовалась для совершения какой-либо работы. Первое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую, было создано в 1953 году в США. Оно стало прообразом современных солнечных батарей. Фотоэлектрический эффект, на котором основана их работа, был открыт ещё в 70-е годы XIX столетия.
В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.
Для получения большей мощности солнечных систем низкий КПД компенсируется увеличенной площадью фотоэлементов. Но это не выход, поскольку кремниевые полупроводники в фотоэлементах довольно дорогие. При увеличении КПД возрастает стоимость материалов. Это является главным препятствием для массового использования солнечных батарей. Но по мере истощения ресурсов их использование будет всё более выгодным. Кроме того, исследования по увеличению КПД фотоэлементов не прекращаются.
Стоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними. Поэтому их чаще всего используют в быту. Есть также целые солнечные электростанции. Как правило, они создаются в странах с большим числом солнечных дней в году. Это Израиль, Саудовская Аравия, юг США, Индия, Испания. Сейчас есть и совсем фантастические проекты. Например, солнечные электростанции вне атмосферы. Там солнечный свет ещё не потерял энергию. То есть, излучение предлагается улавливать на орбите и затем переводить в микроволны. Затем в таком виде энергия будет отправляться на Землю.
Прежде всего, стоит сказать о том, в чём можно выразить и оценить солнечную энергию.
Специалисты используют для оценки такую величину, как солнечная постоянная. Она равна 1367 ватт. Именно столько энергии солнца приходится на квадратный метр планеты. В атмосфере теряется примерно четверть. Максимальное значение на экваторе – 1020 ватт на квадратный метр. С учётом дня и ночи, изменения угла падения лучей, эту величину следует уменьшить ещё в три раза.
Версии об источниках солнечной энергии высказывались самые разные. На данный момент специалисты утверждают, что энергии высвобождается в результате превращения четырёх атомов H2 в ядро He. Процесс протекает с выделением существенного количества энергии. Для сравнения представьте, что энергия превращения 1 грамма H2 сопоставима с той, что выделяется при сжигании 15 тонн углеводородов.
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.
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 . Их преимуществом является малая толщина, а недостатком – сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.
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.
