Из возможных альтернатив, которые могли дополнить или даже заменить традиционную энергетику является солнечное излучение, как естественное неисчерпаемый источник энергии. Задумайтесь, на Землю приходится 1020 Вт солнечной энергии на один квадратный метр, только 2 % которой эквивалентны энергии, полученной путем сгорания условного топлива. Поэтому, вполне возможно, что в будущем солнечная энергия может стать основным источником света и тепла на Земле. Перспективы развития данного вида энергии не знает границ.
Главное препятствие на пути к широкому распространению солнечной энергетики — зависимость от суточного ритма, сезонной изменчивости и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, нужно собирать ее с больших площадей и запасать на будущее в аккумуляторах. Пока это удается реализовать в так называемой малой энергетике, которая призвана обеспечивать светом и теплом жилые дома и небольшие предприятия.
Существует два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. Первый способ более широко используемый, а другой высокотехнологичный, но дороже.
• Наиболее широко на сегодня используется фототермический способ преобразования солнечной энергии. В данном случае теплоноситель, обычно вода, нагревается до высокой температуры и используется для отопления помещения. Солнечная батарея устанавливается на крыше дома так, чтобы солнечный свет наиболее эффективно направлено на его площадь. Поскольку энергия солнечного излучения распределяется на большую площадь (то есть, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь устройство для ее сбора — коллектор с достаточной поверхностью. Простейшее устройство такого рода — это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. Между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и др. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающей среды. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому, коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.
Сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает солнечное излучение в малом объеме около определенной геометрической точки — фокуса. Поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому подставки. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу -это позволяет собирать большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000 ºС и выше.
Стоит отметить, что существуют плоские и вакуумные коллекторы. Обычно системы с плоскими коллекторами используются сезонно — весна -осень. Зимой эффективность работы плоских коллекторов снижается за счет теплопотерь в окружающую среду. Вакуумные коллекторы эффективны и при низких температурах окружающей среды. Если для плоских коллекторов максимальная температура нагрева составляет 80–90 ºС, то в вакуумных — может превышать 100 ºС. В водогрейных солнечных установках, работающих в течение года, более широкое распространение имеют вакуумные солнечные коллекторы, хотя можно использовать и плоские коллекторы с эффективной теплоизоляцией. В любом случае следует уделить внимание теплоизоляции труб, передающих тепло.
- Фотоэлектрический способ. По мнению экспертов, будущее солнечной энергии с прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов — солнечных батарей. В фотоэлектрических преобразованиях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов.
Эффективность современных кремниевых фотоэлементов достаточно высока. Их КПД достигает 10–20 %, а чем выше КПД, тем меньше нужна площадь солнечных батарей.
Используя энергию солнца, можно ежегодно экономить традиционные источники отопления:
- до 75 % — для горячего водоснабжения в течение года;
- до 95 % — для горячего водоснабжения при сезонном использовании;
- до 50 % — только с целью отопления;
- до 80 % — с целью поочередного отопления.
Тепловые насосы сегодня является приоритетом лишь узкого круга наших соотечественников. Это объясняется высокой их себестоимости и затратами на их установку. На сегодня цены в Виннице на данные технологии колеблются от 5 тыс. до 10 тыс. Понятно, что такая разница между цифрами включает много аспектов: производитель (отечественное производство или импортируемый товар), модель, технические особенности насоса и т. д. Но перспектива удешевления тепловых насосов при условии более массового использования.
Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов. Для этой цели применяют кремниевые солнечные батареи, КПД которых доходит до 20 %. Но стоимость получения чистого кремния достаточно велика. Кремний, в котором на 10 кг продукта приходится не более 1 грамма примесей стоит столько же, сколько уран для электростанций, хотя запасы последнего в 100 000 раз меньше запасов кремния. В то же время, «хорошего» кремния в мире добывают в 6 раз меньше, чем такого же урана.
Из одной тонны песка, в котором содержится 500 кг кремния получают 50–90 кг в кремния. При этом на получение 1 кг расходуется около 250 кВт-час электроэнергии. По новой технологии, разработанной немецкой фирмой Siemens еще в 1979 г. энергозатраты падают на порядок, и выход продукта увеличивается в 10–15 раз. Стоимость получения кремния при этом падает до 10–15 $ за килограмм. Простой песок для этой технологии не подходит. Здесь нужны «особо чистые кварциты», залежи которых в значительном объеме, в основном, находятся в России.
Такие батареи можно устанавливать на спутниках, автомобилях, крыльях самолета, встроить их элементы в часы, калькулятор, ноутбук. Срок их службы составляет 30 лет. За это время элемент, на изготовление которого ушел 1 кг в кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько ее может быть получено при использовании 100 т нефти на ТЭС или 1 кг обогащенного урана на АЭС.
При втором методе устанавливаются на территории в несколько тысяч квадратных метров зеркала- гелиостаты, которые возвращаясь вслед за солнцем направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемником (водой). Вода нагревается, превращается в пар, который крутит турбину, а последняя вращает генератор тока.
Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на емкости с водой для дальнейшего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
Преимущества солнечной энергетики — Общедоступность и неисчерпаемость источника.
Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования значительно большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8–2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота.
Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и морского и для высотного базирования.
Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местностях среднее количество солнечных дней в году может очень сильно отличаться.
Технические проблемы. Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может быстро и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешенная проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, или использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.
Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.
Высокая цена солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990–2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).
Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.
Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.
Экологические проблемы. Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30–50 лет), и массовое их применение поставит в ближайшее время сложный вопрос их утилизации.
В последнее время начинает активно развиваться производство тонкопленочных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Благодаря низкому содержанию кремния тонкопленочные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкопленочных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.
Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы изготавливаются из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и полученной на нем энергии.
Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечные лучи с помощью зеркал и линз и, как правило, используются для производства электроэнергии.
Солнечная энергия для обогрева, охлаждения, вентиляции и технологических нужд может быть использована для покрытия части расходов на энергию. Тепловая масса материалов сохраняет солнечную энергию в течение дня, и освобождает эту энергию когда становится холоднее. Всего в тепловой массы относятся каменные материалы, бетон и вода. При размещении тепловых масс следует рассмотреть ряд факторов, таких как климат, уровень дневного света, теней и других условий. В условиях правильно подключения тепловые массы могут пассивно поддерживать комфортную температуру при сокращении потребления. Тепловая энергия массы почвы также может быть использована для сохранения тепла между сезонами и позволяет использовать солнечную тепловую энергию для отопления помещений в зимнее время.
Солнечная тепловая энергия в качестве активного солнечного отопления. Типичная конструкция бытовой солнечной системы отопления состоит из солнечной панели (или солнечного коллектора) с теплообменной жидкостью, проходящего через него, транспортируя собранную тепловую энергию для полезного применения, как правило, к горячей воде цистерны или домашних радиаторов. Солнечные панели расположен в месте с хорошим уровнем освещения в течение дня, чаще всего на крыше здания. Насос толкает теплообменной жидкости (часто только очищенную воду) с помощью панели управления. Тепло таким образом собирается и передается на сберегательные контейнера.
Также возможно использовать пассивное солнечное отопление, не нуждаясь электрического или механического оборудования, и может рассчитывать на дизайн и структура дома для сбора, хранения и распределения тепла по зданию. Некоторые пассивные системы используют незначительное количество обычной энергии для управления заслонками, ставнями, ночными изоляционными и другими устройствами, повышающими уровень сбора, хранения, использования и снижения нежелательного теплообмена солнечной энергии.
Принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе. При поглощении фотона в области, прилегающей к pn переходу, создается пара носителей заряда: электрон и дырка. Одна из этих частиц является неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает через переход. В результате созданные благодаря поглощению энергии фотона заряды разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. Как следствие нарушается равновесие плотности зарядов. При подключении элемента к внешней нагрузке в цепи протекает ток.
Потери в солнечном элементе
Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связанные с:
- Отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;
- Прохождением части излучения через фотоэлемент без поглощения в нем;
- Рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решетки избыточной энергии фотонов;
- Рекомбинацией фотопара, образовавшейся на поверхностях и в объеме фотоэлемента;
- Внутренним сопротивлением преобразователя,
- Некоторыми другими физическими процессами.
Солнечные элементы служат для электроснабжения в отдаленных районах Земли или на орбитальных станциях, где невозможно использовать электросеть, а также для питания калькуляторов, радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.
Литература:
1. Решения для производства и экономии энергии // URL: http://alteco.in.ua/products
2. Возобновляемые источники энергии в Украине // URL: http://rencentre.com/obzor-rinka
3. Солнечные батареи для производства электроенергии // URL: http://solar.crimea.ua/texinfo/fep
