Proces, který generuje sluneční energii. Princip přeměny sluneční energie, jeho aplikace a perspektivy

Každým dnem se zmenšuje množství světových zásob uhlí, ropy, plynu, tedy všeho, co nám dnes slouží jako zdroj energie. A v blízké budoucnosti lidstvo dospěje do bodu, kdy prostě nezbudou žádná fosilní paliva. Všechny země proto aktivně hledají záchranu před katastrofou, která se k nám rychle blíží. A první prostředek spásy, který mě napadá, je samozřejmě sluneční energie, kterou lidé odnepaměti využívali k sušení prádla, osvětlení domácností a vaření. Vznikla tak jedna z oblastí alternativní energie – solární energie.

Zdrojem energie pro sluneční energii je energie slunečního světla, která se pomocí speciálních struktur přeměňuje na teplo nebo elektřinu. Podle odborníků za pouhý týden přijme zemský povrch ze slunce množství energie, které převyšuje energii světových zásob všech druhů paliv. A přestože tempo rozvoje této oblasti alternativní energie neustále roste, solární energie má stále nejen výhody, ale i nevýhody.

Pokud mezi hlavní výhody patří dostupnost a hlavně nevyčerpatelnost zdroje energie, pak mezi nevýhody patří:

• potřeba akumulovat energii přijatou ze slunce,
• značné náklady na použité zařízení,
• závislost na povětrnostních podmínkách a denní době,
• zvýšení teploty atmosféry nad elektrárnami atd.

Numerické charakteristiky slunečního záření

Existuje takový indikátor jako sluneční konstanta. Jeho hodnota je 1367 W. To je přesně množství energie na 1 m2. planeta Země. Ale kvůli atmosféře se na povrch Země dostane asi o 20–25 % energie méně. Proto je hodnota sluneční energie na metr čtvereční například na rovníku 1020 W. A vezmeme-li v úvahu změnu dne a noci, změnu úhlu slunce nad obzorem, toto číslo se sníží asi 3krát.

Ale odkud tato energie pochází? Vědci se poprvé začali touto problematikou zabývat již v 19. století a verze byly zcela odlišné. Dnes je na základě obrovského množství studií spolehlivě známo, že zdrojem sluneční energie je reakce přeměny 4 atomů vodíku na jádro helia. V důsledku tohoto procesu se uvolňuje značné množství energie. Například energie uvolněná při přeměně 1 g. vodík je srovnatelný s energií uvolněnou při spalování 15 tun benzínu.

Konverze solární energie

Již víme, že energie přijatá ze slunce se musí přeměnit na nějakou jinou formu. Potřeba toho vzniká kvůli skutečnosti, že lidstvo dosud nemá taková zařízení, která by mohla spotřebovávat sluneční energii v její čisté formě. Proto byly vyvinuty zdroje energie, jako jsou solární kolektory a solární panely. Pokud se první používá k výrobě tepelné energie, pak druhý vyrábí elektřinu přímo.

Existuje několik způsobů, jak přeměnit sluneční energii:

• fotovoltaika;
• tepelná vzduchová energie;
• solární tepelná energie;
• pomocí solárních balonových elektráren.

Nejrozšířenější metodou je fotovoltaika. Principem této přeměny je využití fotovoltaických solárních panelů, nebo-li solárních panelů, jak se jim také říká, pomocí kterých se sluneční energie přeměňuje na energii elektrickou. Takové panely jsou zpravidla vyrobeny z křemíku a tloušťka jejich pracovní plochy je pouze několik desetin milimetru. Mohou být umístěny kdekoli, je zde pouze jedna podmínka - přítomnost velkého množství slunečního světla. Vynikající volba pro instalaci fotografických desek na střechy obytných budov a veřejných budov.

Kromě výše diskutovaných fotografických desek se k přeměně energie slunečního záření používají tenkovrstvé panely. Vyznačují se ještě menší tloušťkou, což umožňuje jejich instalaci kdekoli, ale významnou nevýhodou takových panelů je jejich nízká účinnost. Z tohoto důvodu bude jejich instalace opodstatněná pouze u velkých ploch. Jen pro zajímavost, tenkovrstvý panel lze umístit i na pouzdro na notebook nebo na kabelku.

V tepelné energii vzduchu se sluneční energie přeměňuje na energii proudění vzduchu, která je následně posílána do turbogenerátoru. Ale v případě použití solárních balonových elektráren se uvnitř balonu vytváří vodní pára. Tohoto efektu je dosaženo zahříváním povrchu balónku, na kterém je nanesen selektivně absorbující povlak, slunečním zářením. Hlavní výhodou tohoto způsobu je dostatečný přísun páry, který stačí k pokračování provozu elektrárny za nepříznivého počasí a v noci.

Principem sluneční energie je zahřátí povrchu, který absorbuje sluneční paprsky a soustředí je pro následné využití vzniklého tepla. Nejjednodušším příkladem je topná voda, kterou lze následně využít pro domácí potřeby, například ji přivést do kanalizace nebo baterií, a přitom ušetřit plyn nebo jiné palivo. V průmyslovém měřítku se energie slunečního záření získaná touto metodou přeměňuje na elektrickou energii pomocí tepelných motorů. Výstavba takových kombinovaných elektráren může trvat i přes 20 let, tempo rozvoje solární energie však neklesá, ale naopak neustále roste.

Kde lze solární energii využít?

Sluneční energii lze využít ve zcela odlišných oblastech – od chemického průmyslu po automobilový průmysl, od vaření po vytápění. Například používání solárních panelů v automobilovém průmyslu se datuje od roku 1955. Letošní rok byl ve znamení uvedení prvního vozu, který běžel na solární baterie. Dnes takové vozy vyrábí BMW, Toyota a další významné společnosti.

V každodenním životě se solární energie využívá k vytápění místností, k osvětlení a dokonce i k vaření. Například solární pece vyrobené z fólie a lepenky z iniciativy OSN aktivně využívají uprchlíci, kteří byli nuceni opustit své domovy kvůli složité politické situaci. Složitější solární pece se používají pro tepelné zpracování a tavení kovů. Jedna z největších takových pecí se nachází v Uzbekistánu.

Mezi nejzajímavější vynálezy využití sluneční energie patří:

• Ochranné pouzdro na telefon s fotobuňkou, které je zároveň nabíječkou.
• Batoh s připojeným solárním panelem. Umožní vám nabíjet nejen telefon, ale i tablet a dokonce i fotoaparát, obecně jakoukoli elektroniku, která má USB vstup.
• Solární Bluetooth sluchátka.

A nejkreativnějším nápadem je oblečení vyrobené ze speciální tkaniny. Sako, kravata a dokonce i plavky – to vše se může stát nejen položkou vašeho šatníku, ale také nabíječkou.

Rozvoj alternativní energie v zemích SNS

Alternativní energie, včetně solární, se rozvíjí vysokým tempem nejen v USA, Evropě nebo Indii, ale také v zemích SNS včetně Ruska, Kazachstánu a především na Ukrajině. Na Krymu byla postavena například největší solární elektrárna v bývalém Sovětském svazu Perovo. Jeho stavba byla dokončena v roce 2011. Tato elektrárna se stala 3. inovativním projektem rakouské společnosti Activ Solar. Špičkový výkon Perova je asi 100 MW.

A v říjnu téhož roku spustila společnost Activ Solar další solární elektrárnu, Ochotnikovo, rovněž na Krymu. Jeho výkon byl 80 MW. Ochotnikovo také získalo status největší, ale ve střední a východní Evropě. Můžeme říci, že alternativní energetika na Ukrajině udělala obrovský krok k bezpečné a nevyčerpatelné energii.

V Kazachstánu vypadá situace trochu jinak. K rozvoji alternativní energie v této zemi dochází v podstatě pouze teoreticky. Republika má obrovský potenciál, ale ještě se plně neuskutečnil. Vláda se samozřejmě tímto problémem zabývá a dokonce byl vypracován plán rozvoje alternativní energie v Kazachstánu, ale podíl energie získané z obnovitelných zdrojů, zejména ze slunce, nebude vyšší než 1 %. v celkové energetické bilanci země. Do roku 2020 se počítá se spuštěním pouze 4 solárních elektráren, jejichž celkový výkon bude 77 MW.

Alternativní energie v Rusku se také rozvíjí značným tempem. Jak ale řekl náměstek ministra energetiky, v této oblasti se soustředí především na regiony Dálného východu. Například v Jakutsku činil celkový výkon 4 solárních elektráren provozovaných v nejvzdálenějších severských vesnicích více než 50 tisíc kWh. To umožnilo ušetřit více než 14 tun drahé motorové nafty. Dalším příkladem využití solární energie je budovaný multifunkční letecký komplex v Lipecké oblasti. Elektřinu pro svůj provoz bude vyrábět první solární elektrárna, postavená rovněž v Lipecké oblasti.

To vše nám umožňuje vyvodit následující závěr: dnes se všechny země, i ne ty nejrozvinutější, snaží co nejvíce přiblížit vytouženému cíli: využívání alternativních zdrojů energie. Spotřeba elektřiny totiž každým dnem roste a množství škodlivých emisí do životního prostředí se každým dnem zvyšuje. A mnozí již pochopili, že naše budoucnost a budoucnost naší planety závisí jen na nás.

R. Abdullina

Ukrajina spoléhá na solární energii

Lidé si již nedokážou představit život bez elektřiny a každým rokem roste potřeba energie stále více, zatímco zásoby energetických zdrojů, jako je ropa, plyn a uhlí, rychle ubývají. Lidstvo nemá jiné možnosti než využívat alternativní zdroje energie. Jedním ze způsobů výroby elektřiny je přeměna sluneční energie pomocí fotobuněk. Lidé se dozvěděli, že je možné využívat solární energii poměrně dávno, ale začali ji aktivně rozvíjet až v posledních 20 letech. V posledních letech se díky probíhajícímu výzkumu, používání nových materiálů a kreativních konstrukčních řešení podařilo výrazně zvýšit výkon solárních panelů. Mnozí věří, že v budoucnu bude lidstvo schopno opustit tradiční způsoby výroby elektřiny ve prospěch solární energie a získávat ji pomocí solárních elektráren.

Solární energie

Solární energie je jedním ze zdrojů výroby elektřiny netradičním způsobem, proto je řazena mezi alternativní zdroje energie. Solární energie využívá sluneční záření a přeměňuje ho na elektřinu nebo jiné formy energie. Solární energie není jen ekologickým zdrojem energie, protože... Při přeměně sluneční energie se neuvolňují žádné škodlivé vedlejší produkty, ale solární energie je také samoobnovujícím se zdrojem alternativní energie.

Jak funguje solární energie

Teoreticky není těžké spočítat, kolik energie lze získat z toku sluneční energie, je již dlouho známo, že po překonání vzdálenosti od Slunce k Zemi a pádu na povrch o ploše 1 m² pod úhlem 90° nese sluneční tok na vstupu do atmosféry energetický náboj rovný 1367 W/m², to je takzvaná sluneční konstanta. To je ideální varianta za ideálních podmínek, kterých, jak víme, je prakticky nemožné dosáhnout. Po průchodu atmosférou tedy maximální tok, který lze získat, bude na rovníku a bude 1020 W/m², ale průměrná denní hodnota, kterou můžeme získat, bude 3krát nižší kvůli změně dne a noci. a změna úhlu dopadu slunečního toku. A v mírných zeměpisných šířkách je změna dne a noci doprovázena i změnou ročních období a s tím i změnou délky denních hodin, takže v mírných zeměpisných šířkách se množství přijaté energie sníží ještě 2x.

Vývoj a distribuce solární energie

Jak všichni víme, v posledních letech nabírá rozvoj solární energetiky každým rokem na obrátkách, ale zkusme vysledovat dynamiku vývoje. Ještě v roce 1985 byla globální solární kapacita pouze 0,021 GW. V roce 2005 již činily 1,656 GW. Rok 2005 je považován za přelomový ve vývoji solární energie, od tohoto roku se lidé začali aktivně zajímat o výzkum a vývoj elektrických systémů na solární energii. Další dynamika nenechá nikoho na pochybách (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Země Evropské unie a USA drží dlaň ve využívání solární energie, jen ve Spojených státech a Německu je ve výrobní a provozní sféře zaměstnáno více než 100 tisíc lidí. Také Itálie, Španělsko a samozřejmě Čína se mohou pochlubit svými úspěchy ve vývoji solární energie, která, pokud není lídrem v provozu solárních článků, tak výrobce solárních článků zvyšuje tempo výroby od roku rok od roku.

Výhody a nevýhody využití solární energie

výhody: 1) šetrnost k životnímu prostředí – neznečišťuje životní prostředí; 2) dostupnost - fotobuňky jsou k dispozici k prodeji nejen pro průmyslové použití, ale také pro vytváření soukromých mini solárních elektráren; 3) nevyčerpatelnost a samoobnovitelnost zdroje energie; 4) neustále klesající náklady na výrobu elektřiny.
nedostatky: 1) dopad povětrnostních podmínek a denní doby na produktivitu; 2) pro uchování energie je nutné energii akumulovat; 3) nižší produktivita v mírných zeměpisných šířkách v důsledku střídání ročních období; 4) výrazné ohřívání vzduchu nad solární elektrárnou; 5) potřeba pravidelně čistit povrch fotobuněk od kontaminace, což je problematické kvůli obrovským plochám, které zabírají instalace fotobuněk; 6) lze hovořit i o poměrně vysokých nákladech na zařízení, byť každým rokem náklady klesají, zatím není třeba mluvit o levné solární energii.

Perspektivy rozvoje solární energie

Rozvoji solární energetiky se dnes předpovídá velká budoucnost, každým rokem se staví nové a nové solární elektrárny, které udivují svým rozsahem i technickým řešením. Také vědecký výzkum zaměřený na zvýšení účinnosti fotobuněk neustává. Vědci spočítali, že pokud pokryjeme pevninu planety Země z 0,07 %, s účinností fotobuněk 10 %, pak bude dostatek energie na více než 100 % pokrytí všech potřeb lidstva. Dnes se již používají fotobuňky s účinností 30 %. Podle údajů z výzkumu je známo, že ambice vědců slibují dotáhnout to na 85 %.

Solární elektrárny

Solární elektrárny jsou stavby, jejichž úkolem je přeměnit toky sluneční energie na elektrickou energii. Velikosti solárních elektráren se mohou lišit, od soukromých mini elektráren s několika solárními panely až po velké, zabírající plochy přes 10 km².

Jaké typy solárních elektráren existují?

Od výstavby prvních solárních elektráren uplynulo poměrně hodně času, během kterého bylo realizováno mnoho projektů a aplikováno mnoho zajímavých konstrukčních řešení. Je obvyklé rozdělit všechny solární elektrárny do několika typů:
1. Solární elektrárny věžového typu.
2. Solární elektrárny, kde solární panely jsou fotovoltaické články.
3. Parabolické solární elektrárny.
4. Parabolické solární elektrárny.
5. Solární elektrárny solárně-vakuového typu.
6. Solární elektrárny smíšeného typu.

Solární elektrárny věžového typu

Velmi běžný typ konstrukce elektrárny. Je to vysoká věžová konstrukce na vrcholu se zásobníkem vody natřeným černě, aby lépe přitahoval odražené sluneční světlo. Kolem věže jsou do kruhu umístěna velká zrcadla o ploše přes 2 m², všechna jsou napojena na jeden řídicí systém, který hlídá změnu úhlu zrcadel tak, aby vždy odrážela sluneční světlo a nasměrovala je rovně do vodní nádrže umístěné v horní části věže. Odražené sluneční záření tedy ohřívá vodu, která tvoří páru a následně je tato pára pomocí čerpadel dodávána do turbogenerátoru, kde vzniká elektřina. Teplota ohřevu nádrže může dosáhnout 700 °C. Výška věže závisí na velikosti a výkonu solární elektrárny a zpravidla začíná od 15 m a výška největší dnes je 140 m. Tento typ solární elektrárny je velmi běžný a preferovaný v mnoha zemích pro svou vysokou účinnost 20 %.

Solární elektrárny typu fotočlánků

Fotočlánky (solární baterie) se používají k přeměně slunečního toku na elektřinu. Tento typ elektrárny se stal velmi oblíbeným díky možnosti použití solárních panelů v malých blocích, což umožňuje využití solárních panelů k zajištění elektřiny jak do soukromých domů, tak do velkých průmyslových objektů. Účinnost navíc každým rokem roste a dnes již existují fotobuňky s účinností 30 %.

Parabolické solární elektrárny

Tento typ solární elektrárny vypadá jako obrovské satelitní talíře, jejichž vnitřek je pokryt zrcadlovými deskami. Princip, kterým dochází k přeměně energie, je podobný jako u věžových stanic s malým rozdílem: parabolický tvar zrcadel určuje, že sluneční paprsky odražené od celé plochy zrcadla jsou soustředěny ve středu, kde je umístěn přijímač s kapalina, která se zahřívá, tvoří páru, která je zase hnací silou pro malé generátory.

Deskové solární elektrárny

Princip činnosti a způsob výroby elektřiny jsou shodné s věžovými a parabolickými solárními elektrárnami. Jediným rozdílem jsou konstrukční vlastnosti. Stacionární struktura, trochu jako obří kovový strom, drží kulatá plochá zrcadla, která koncentrují sluneční energii do přijímače.

Solární elektrárny solárně-vakuového typu

Jedná se o velmi neobvyklý způsob využití sluneční energie a teplotních rozdílů. Objekt elektrárny tvoří kruhový pozemek se skleněnou střechou s věží uprostřed. Věž je uvnitř dutá, na její základně je několik turbín, které se otáčejí díky proudění vzduchu vznikajícímu teplotním rozdílem. Přes prosklenou střechu slunce ohřívá zem a vzduch uvnitř místnosti a budova komunikuje potrubím s vnějším prostředím, a protože teplota vzduchu mimo místnost je mnohem nižší, vzniká průvan, který se zvyšuje se zvyšující se teplotou rozdíl. V noci tak turbíny vyrábějí více elektřiny než ve dne.

Smíšené solární elektrárny

Jde o případy, kdy solární elektrárny určitého typu využívají např. solární kolektory jako pomocné prvky pro zásobování objektů teplou vodou a teplem, nebo je možné u věžové elektrárny současně využívat sekce fotobuněk.

Solární energie se rozvíjí vysokým tempem, lidé konečně vážně uvažují o alternativních zdrojích energie, aby zabránili nevyhnutelně se blížící energetické krizi a ekologické katastrofě. Přestože jsou lídry v solární energetice stále Spojené státy americké a Evropská unie, všechny ostatní světové velmoci postupně začínají přejímat a využívat zkušenosti a technologie výroby a využití solárních elektráren. Není pochyb o tom, že dříve nebo později se sluneční energie stane hlavním zdrojem energie na Zemi.

Slunce je nevyčerpatelný, ekologický a levný zdroj energie. Jak říkají odborníci, množství sluneční energie, které během týdne dosáhne zemského povrchu, převyšuje energii všech světových zásob ropy, plynu, uhlí a uranu 1 . Podle akademika Zh.I. Alferova, „lidstvo má spolehlivý přírodní termonukleární reaktor – Slunce. Je to hvězda třídy „F-2“, velmi průměrná, kterých je v Galaxii až 150 miliard. Ale toto je naše hvězda a vysílá na Zemi obrovské síly, jejichž transformace umožňuje uspokojovat téměř jakékoli energetické potřeby lidstva po mnoho set let.“ Sluneční energie je navíc „čistá“ a nemá negativní dopad na ekologii planety 2.

Důležitým bodem je skutečnost, že surovinou pro výrobu solárních článků je jeden z nejběžnějších prvků – křemík. V zemské kůře je křemík druhým prvkem po kyslíku (29,5 % hmotnosti) 3 . Podle mnoha vědců je křemík „ropou jednadvacátého století“: za 30 let vyrobí jeden kilogram křemíku ve fotovoltaické elektrárně tolik elektřiny jako 75 tun ropy v tepelné elektrárně.

Někteří odborníci se však domnívají, že solární energii nelze označit za ekologickou, protože výroba čistého křemíku pro fotobaterie je velmi „špinavá“ a energeticky velmi náročná. Spolu s tím výstavba solárních elektráren vyžaduje přidělení rozsáhlých pozemků, které jsou rozlohou srovnatelné s nádržemi vodních elektráren. Další nevýhodou solární energie je podle odborníků vysoká volatilita. Zajištění efektivního provozu energetického systému, jehož prvky jsou solární elektrárny, je možné za předpokladu, že:
- přítomnost značných rezervních kapacit využívajících tradiční zdroje energie, které lze připojit v noci nebo v zatažených dnech;
- provádění rozsáhlých a nákladných modernizací elektrických sítí 4.

Navzdory této nevýhodě se solární energie stále rozvíjí po celém světě. Především kvůli tomu, že sálavá energie zlevní a za pár let se stane významnou konkurencí ropy a plynu.

V současné době ve světě existuje fotovoltaické instalace, přeměnu sluneční energie na elektrickou energii založenou na metodě přímé přeměny, a termodynamické instalace, ve kterém je sluneční energie nejprve přeměněna na teplo, poté přeměněna na mechanickou energii v termodynamickém cyklu tepelného motoru a přeměněna na elektrickou energii v generátoru.

Solární články jako zdroj energie lze použít:
- v průmyslu (letecký průmysl, automobilový průmysl atd.),
- v zemědělství,
- v domácí sféře,
- ve stavebnictví (například ekologické domy),
- v solárních elektrárnách,
- v autonomních video monitorovacích systémech,
- v systémech autonomního osvětlení,
- ve vesmírném průmyslu.

Podle Institutu energetické strategie je teoretický potenciál solární energie v Rusku více než 2 300 miliard tun standardního paliva, ekonomický potenciál je 12,5 milionů tun ekvivalentního paliva. Potenciál sluneční energie vstupující na území Ruska do tří dnů převyšuje energii celé roční výroby elektřiny u nás.
Vzhledem k poloze Ruska (mezi 41 a 82 stupni severní šířky) se úroveň slunečního záření výrazně liší: od 810 kWh/m2 za rok v odlehlých severních oblastech až po 1400 kWh/m2 za rok v jižních oblastech. Úroveň slunečního záření je také ovlivněna velkými sezónními výkyvy: při šířce 55 stupňů je sluneční záření v lednu 1,69 kWh/m2 a v červenci - 11,41 kWh/m2 za den.

Potenciál solární energie je největší na jihozápadě (severní Kavkaz, Černé a Kaspické moře) a na jižní Sibiři a na Dálném východě.

Nejslibnější regiony z hlediska využití solární energie: Kalmykia, Stavropolské území, Rostovský kraj, Krasnodarské území, Volgogradský kraj, Astrachaňský kraj a další regiony na jihozápadě, Altaj, Primorsko, Čitská oblast, Burjatsko a další regiony na jihovýchodě . Navíc některé oblasti západní a východní Sibiře a Dálného východu překračují úroveň slunečního záření v jižních oblastech. Například v Irkutsku (52 stupňů severní šířky) dosahuje úroveň slunečního záření 1340 kWh/m2, zatímco v Republice Jakutsko-Sakha (62 stupňů severní šířky) je toto číslo 1290 kWh/m2. 5

V současné době má Rusko pokročilé technologie pro přeměnu sluneční energie na elektrickou energii. Existuje řada podniků a organizací, které vyvinuly a zdokonalují technologie fotoelektrických konvertorů: jak na křemíkových, tak na vícepřechodových strukturách. Ve využívání koncentračních systémů pro solární elektrárny došlo k řadě vývoje.

Legislativní rámec na podporu rozvoje solární energie v Rusku je v plenkách. První kroky však již byly podniknuty:
- 3. července 2008: Nařízení vlády č. 426 „O kvalifikaci výrobního zařízení provozovaného na bázi využívání obnovitelných zdrojů energie“;
- 8. ledna 2009: Nařízení vlády Ruské federace č. 1-r „O hlavních směrech státní politiky v oblasti zvyšování energetické účinnosti elektroenergetiky na základě využívání obnovitelných zdrojů energie pro období“. do roku 2020"

Byly schváleny cíle zvýšit podíl obnovitelných zdrojů energie na celkové úrovni ruské energetické bilance na 2,5 % a 4,5 % do roku 2015 a 2020 6 .

Podle různých odhadů není v současné době v Rusku celkový objem instalované solární výrobní kapacity větší než 5 MW, z čehož většina připadá na domácnosti. Největším průmyslovým zařízením v ruské solární energetice je solární elektrárna v regionu Belgorod o výkonu 100 kW, uvedená do provozu v roce 2010 (pro srovnání, největší solární elektrárna na světě se nachází v Kanadě s kapacitou 80 000 kW) .

V současné době se v Rusku realizují dva projekty: výstavba solárních parků na území Stavropol (kapacita - 12 MW) a v Republice Dagestán (10 MW) 7 . Navzdory nedostatečné podpoře obnovitelných zdrojů energie řada společností realizuje malé projekty solární energie. Například Sakhaenergo instalovalo v Jakutsku malou stanici o výkonu 10 kW.

V Moskvě jsou malé instalace: v Leontyevsky Lane a na Michurinsky Prospekt jsou vchody a nádvoří několika domů osvětleny pomocí solárních modulů, což snížilo náklady na osvětlení o 25%. Na ulici Timiryazevskaya jsou na střeše jedné ze zastávek instalovány solární panely, které zajišťují provoz referenčního a informačního dopravního systému a Wi-Fi.

Rozvoj solární energie v Rusku je způsoben řadou faktorů:

1) klimatické podmínky: tento faktor ovlivňuje nejen rok, ve kterém je dosaženo parity sítě, ale také výběr technologie solární instalace, která je pro konkrétní region nejvhodnější;

2)vládní podpora: přítomnost právně stanovených ekonomických pobídek pro solární energii je zásadní
jeho vývoj. Mezi typy státní podpory, které se úspěšně využívají v řadě zemí Evropy a USA, můžeme vyzdvihnout: zvýhodněné tarify pro solární elektrárny, dotace na výstavbu solárních elektráren, různé možnosti daňových úlev, kompenzace za část nákladů na obsluhu úvěrů na nákup solárních zařízení;

3)náklady na PVEU (solární fotovoltaické instalace): Solární elektrárny jsou dnes jednou z nejdražších používaných technologií výroby elektřiny. S klesajícími náklady na 1 kWh vyrobené elektřiny se však solární energie stává konkurenceschopnou. Poptávka po solárních elektrárnách závisí na snížení nákladů na 1W instalovaného výkonu solárních elektráren (~3000 $ v roce 2010). Snížení nákladů se dosahuje zvýšením efektivity, snížením technologických nákladů a snížením rentability výroby (vliv konkurence). Potenciál snížení nákladů na 1 kW výkonu závisí na technologii a pohybuje se od 5 % do 15 % ročně;

4) ekologické normy: Trh solární energie může být pozitivně ovlivněn zpřísněním ekologických norem (omezení a pokuty) z důvodu možné revize Kjótského protokolu. Zlepšení mechanismů pro prodej emisních kvót může poskytnout novou ekonomickou pobídku pro trh PVEM;

5) rovnováha nabídky a poptávky po elektřině: realizace stávajících ambiciózních plánů výstavby a rekonstrukce výrobních a energetických sítí
kapacita společností vyčleněných z RAO UES Ruska během průmyslové reformy výrazně zvýší dodávky elektřiny a může zvýšit tlak na ceny
na velkoobchodním trhu. Vyřazení staré kapacity a současný nárůst poptávky však povedou ke zvýšení cen;

6)přítomnost problémů s technologickým připojením: zpoždění při vyřizování žádostí o technologické napojení na systém centralizovaného zásobování energií jsou podnětem pro přechod na alternativní zdroje energie včetně PVEU. Taková zpoždění jsou dána jak objektivním nedostatkem kapacity, tak neefektivností organizace technologického připojení ze strany distribučních společností nebo nedostatkem financování technologického připojení z tarifu;

7) iniciativy místních úřadů: Regionální a obecní samosprávy mohou realizovat své vlastní programy rozvoje solární energie nebo v širším měřítku obnovitelných/netradičních zdrojů energie. Dnes se takové programy již realizují na území Krasnojarska a Krasnodaru, v Burjatské republice atd.;

8) vývoj vlastní výroby: Ruská výroba solárních elektráren může mít pozitivní dopad na vývoj ruské spotřeby solární energie. Jednak se díky vlastní výrobě zvyšuje obecné povědomí obyvatel o dostupnosti solárních technologií a jejich oblibě. Za druhé, náklady na SFEU pro koncové spotřebitele se snižují snížením mezičlánků v distribučním řetězci a snížením dopravní složky 8 .

Solární energie

Parametry slunečního záření

V první řadě je nutné posoudit potenciální energetické schopnosti slunečního záření. Zde má největší význam jeho celkový měrný výkon na zemském povrchu a rozložení tohoto výkonu v různých rozsazích záření.

Síla slunečního záření

Radiační výkon Slunce, které se nachází v zenitu, na zemském povrchu se odhaduje na přibližně 1350 W/m2. Jednoduchý výpočet ukazuje, že pro získání výkonu 10 kW je potřeba sbírat sluneční záření z plochy pouhých 7,5 m2. Ale to je za jasného odpoledne v tropickém pásmu vysoko v horách, kde je atmosféra řídká a křišťálově čistá. Jakmile se Slunce začne naklánět k obzoru, dráha jeho paprsků atmosférou se zvětšuje a podle toho rostou i ztráty na této dráze. Přítomnost prachu nebo vodní páry v atmosféře, a to i v množství, které je bez speciálních přístrojů nepostřehnutelné, dále snižuje tok energie. I ve středním pásmu v letním odpoledni však na každý metr čtvereční orientovaný kolmo na sluneční paprsky připadá tok sluneční energie o výkonu přibližně 1 kW.

Samozřejmě i lehká oblačnost dramaticky snižuje energii dopadající na povrch, zejména v infračervené (tepelné) oblasti. Nějaká energie však mraky stále proniká. Ve středním pásmu s velkou oblačností v poledne se výkon slunečního záření dopadajícího na zemský povrch odhaduje na přibližně 100 W/m2 a jen výjimečně, při obzvlášť husté oblačnosti, může klesnout pod tuto hodnotu. Je zřejmé, že v takových podmínkách je pro získání 10 kW nutné zcela, bez ztrát a odrazů, sbírat sluneční záření ne ze 7,5 m2 zemského povrchu, ale z celých sta metrů čtverečních (100 m2).

Tabulka uvádí stručné zprůměrované údaje o energii slunečního záření pro některá ruská města s přihlédnutím ke klimatickým podmínkám (četnost a intenzita oblačnosti) na jednotku vodorovného povrchu. Podrobnosti o těchto údajích, další údaje pro orientaci panelů jiné než horizontální, jakož i údaje pro ostatní regiony Ruska a země bývalého SSSR jsou uvedeny na samostatné stránce.

Pevný panel umístěný v optimálním úhlu sklonu je schopen absorbovat 1,2 .. 1,4krát více energie ve srovnání s horizontálním, a pokud se otáčí za Sluncem, nárůst bude 1,4 .. 1,8krát. To lze vidět, rozdělené podle měsíců, pro pevné panely orientované na jih pod různými úhly sklonu a pro systémy sledující pohyb Slunce. Vlastnosti umístění solárních panelů jsou podrobněji diskutovány níže.

Přímé a difúzní sluneční záření

Existuje difúzní a přímé sluneční záření. Pro efektivní vnímání přímého slunečního záření musí být panel orientován kolmo na tok slunečního světla. Pro vnímání rozptýleného záření není orientace tak kritická, protože přichází zcela rovnoměrně z téměř celé oblohy - takto je zemský povrch osvětlen v zatažených dnech (z tohoto důvodu nemají objekty za oblačného počasí zřetelně definovaný stín a svislé povrchy, jako jsou sloupy a stěny domů, prakticky nevrhají viditelný stín).

Poměr přímého a difúzního záření silně závisí na povětrnostních podmínkách v různých ročních obdobích. Například zima v Moskvě je zatažená a v lednu podíl rozptýleného záření přesahuje 90 % celkového slunečního záření. Ale i v moskevském létě tvoří rozptýlené záření téměř polovinu veškeré sluneční energie dopadající na zemský povrch. Přitom ve slunném Baku v zimě i v létě se podíl rozptýleného záření pohybuje od 19 do 23 % celkového slunečního záření, respektive asi 4/5 slunečního záření je přímé. Poměr difúzního a celkového oslunění pro některá města je podrobněji uveden na samostatné stránce.

Rozložení energie ve slunečním spektru

Sluneční spektrum je prakticky spojité v extrémně širokém rozsahu frekvencí – od nízkofrekvenčních rádiových vln až po ultravysokofrekvenční rentgenové záření a gama záření. Samozřejmě je obtížné zachytit tak různé druhy záření stejně efektivně (možná toho lze dosáhnout pouze teoreticky pomocí „ideálního černého tělesa“). To ale není nutné – za prvé Slunce samo vyzařuje v různých frekvenčních rozsazích s různou intenzitou a za druhé, ne vše, co Slunce vyzařuje, se dostane na zemský povrch – určité části spektra jsou z velké části pohlcovány různými složkami atmosféry – především ozonová vrstva, vodní pára a oxid uhličitý.

Stačí nám tedy určit ty frekvenční rozsahy, ve kterých je na zemském povrchu pozorován největší tok sluneční energie, a využít je. Tradičně se sluneční a kosmické záření odděluje nikoli frekvencí, ale vlnovou délkou (to je způsobeno příliš velkými exponenty pro frekvence tohoto záření, což je velmi nepohodlné – viditelné světlo v Hertzech odpovídá 14. řádu). Podívejme se na závislost rozložení energie na vlnové délce pro sluneční záření.

Za oblast viditelného světla se považuje rozsah vlnových délek od 380 nm (hluboce fialová) do 760 nm (sytě červená). Vše, co má kratší vlnovou délku, má vyšší fotonovou energii a dělí se na oblasti ultrafialového, rentgenového a gama záření. Navzdory vysoké energii fotonů se v těchto rozsazích nenachází tolik fotonů, takže celkový energetický příspěvek této části spektra je velmi malý. Vše, co má delší vlnovou délku, má ve srovnání s viditelným světlem nižší fotonovou energii a dělí se na infračervenou oblast (tepelné záření) a různé části rádiového dosahu. Graf ukazuje, že v infračervené oblasti Slunce vyzařuje téměř stejné množství energie jako ve viditelné (hladiny jsou menší, ale rozsah je širší), ale v oblasti radiofrekvenčních je energie záření velmi malá.

Z energetického hlediska nám tedy stačí omezit se na frekvenční rozsahy viditelné a infračervené a také blízké ultrafialové (někde do 300 nm, kratší vlnová délka tvrdého ultrafialového záření je téměř zcela pohlcena v tzv. ozonová vrstva, zajišťující syntézu právě tohoto ozonu ze vzdušného kyslíku) . A lví podíl sluneční energie dopadající na zemský povrch je soustředěn v rozsahu vlnových délek od 300 do 1800 nm.

Omezení při využívání solární energie

Hlavní omezení spojená s využíváním solární energie jsou způsobena její nejednotností – solární instalace nefungují v noci a jsou neúčinné při zatažené obloze. To je zřejmé téměř každému.

Je tu však ještě jedna okolnost, která je zvláště relevantní pro naše spíše severní zeměpisné šířky – sezónní rozdíly v délce dne. Pokud pro tropické a rovníkové zóny trvání dne a noci mírně závisí na roční době, pak již v zeměpisné šířce Moskvy je nejkratší den téměř 2,5krát kratší než nejdelší! O cirkumpolárních oblastech ani nemluvím... Výsledkem je, že za jasného letního dne nemůže solární zařízení u Moskvy produkovat o nic méně energie než na rovníku (Slunce je níže, ale den je delší). V zimě, kdy je potřeba energie obzvlášť vysoká, se však její produkce naopak několikanásobně sníží. Kromě krátkého denního světla totiž musí paprsky nízkého zimního slunce i v poledne procházet mnohem silnější vrstvou atmosféry, a proto na této cestě ztrácejí podstatně více energie než v létě, kdy je slunce vysoko. a paprsky procházejí atmosférou téměř vertikálně (výraz „studené zimní slunce“ má nejpřímější fyzikální význam). To však neznamená, že solární instalace ve středním pásmu a dokonce i v mnohem severnějších oblastech jsou zcela zbytečné - i když v zimě jsou málo užitečné, v období dlouhých dnů, alespoň šest měsíců mezi jarní a podzimní rovnodenností , jsou docela účinné.

Obzvláště zajímavé je využití solárních instalací pro napájení stále rozšířenějších, ale velmi „žravých“ klimatizací. Čím silněji totiž slunce svítí, tím více se zahřívá a je potřeba více klimatizace. Ale v takových podmínkách jsou solární zařízení také schopna generovat více energie a tuto energii využije klimatizace „tady a teď“, není třeba ji akumulovat a skladovat! Navíc není vůbec nutné převádět energii do elektrické formy – absorpční tepelné motory využívají teplo přímo, což znamená, že místo fotovoltaických baterií můžete použít solární kolektory, které jsou nejúčinnější za jasného horkého počasí. Je pravda, že věřím, že klimatizace jsou nepostradatelné pouze v horkých oblastech bez vody a ve vlhkém tropickém podnebí, stejně jako v moderních městech, bez ohledu na jejich umístění. Kompetentně navržený a postavený venkovský dům nejen ve střední zóně, ale také na většině jihu Ruska nepotřebuje takové energeticky náročné, objemné, hlučné a rozmarné zařízení.

Bohužel v městských oblastech je individuální použití více či méně výkonných solárních zařízení s nějakým citelným praktickým přínosem možné jen ve vzácných případech zvláště šťastných okolností. Městský byt však nepovažuji za plnohodnotné bydlení, jelikož jeho běžné fungování závisí na příliš mnoha faktorech, které nejsou z čistě technických důvodů dostupné přímé kontrole obyvatel, a proto v případě výpadku min. jeden ze systémů podpory života na víceméně dlouhou dobu V moderním bytovém domě nebudou podmínky pro bydlení přijatelné (spíše by měl být byt ve výškové budově považován za jakýsi hotelový pokoj, který obyvatelé koupili k užívání na dobu neurčitou nebo pronajali od obce). Ale mimo město může být zvláštní pozornost sluneční energii více než oprávněná i na malém pozemku o rozloze 6 akrů.

Vlastnosti umístění solárních panelů

Volba optimální orientace solárních panelů je jednou z nejdůležitějších otázek praktického využití solárních instalací jakéhokoli typu. Bohužel se o tomto aspektu na různých stránkách věnovaných solární energii diskutuje velmi málo, i když jeho zanedbání může snížit účinnost panelů na nepřijatelnou úroveň.

Faktem je, že úhel dopadu paprsků na povrch velmi ovlivňuje koeficient odrazu, a tedy podíl nereceptivní sluneční energie. Například u skla se při odchylce úhlu dopadu od kolmice k jeho povrchu až o 30° koeficient odrazu prakticky nemění a je o něco menší než 5 %, tzn. více než 95 % dopadajícího záření prochází dovnitř. Dále je patrný nárůst odrazu a o 60° se podíl odraženého záření zdvojnásobí – téměř na 10 %. Při úhlu dopadu 70° se odráží asi 20% záření a při 80° - 40%. U většiny ostatních látek je závislost stupně odrazu na úhlu dopadu přibližně stejná.

Ještě důležitější je tzv. efektivní plocha panelu, tzn. průřez radiačního toku, který pokrývá. Rovná se skutečné ploše panelu vynásobené sinem úhlu mezi jeho rovinou a směrem toku (nebo, což je stejné, kosinusem úhlu mezi kolmicí k panelu a směrem průtoku). Pokud je tedy panel kolmý k proudění, jeho efektivní plocha je rovna jeho skutečné ploše, pokud se proudění odchýlilo od kolmice o 60°, je to polovina skutečné plochy, a pokud je proudění rovnoběžné s panelem, tak je to v případě, že je panel kolmý k proudění, jeho efektivní plocha je rovna jeho skutečné ploše, pokud se proudění odchýlilo od kolmice o 60°, jedná se o polovinu skutečné plochy, a pokud je proudění rovnoběžné s panelem, tak je to v případě, že je panel kolmý k proudění. jeho efektivní plocha je nulová. Výrazná odchylka toku od kolmice k panelu tedy nejen zvyšuje odraz, ale zmenšuje jeho účinnou plochu, což způsobuje velmi znatelný pokles výroby.

Pro naše účely je samozřejmě nejúčinnější konstantní orientace panelu kolmo na tok slunečních paprsků. To však bude vyžadovat změnu polohy panelu ve dvou rovinách, protože poloha Slunce na obloze závisí nejen na denní době, ale také na roční době. I když je takový systém jistě technicky možný, je velmi složitý, a tedy drahý a málo spolehlivý.

Pamatujme však, že při úhlech dopadu do 30° je koeficient odrazu na rozhraní vzduch-sklo minimální a prakticky se nemění a v průběhu roku se úhel maximálního výstupu Slunce nad obzorem vychyluje. od průměrné polohy nejvýše o ±23°. Efektivní plocha panelu při odklonu od kolmice o 23° také zůstává poměrně velká – minimálně 92 % jeho skutečné plochy. Můžete se tedy zaměřit na průměrnou roční výšku maximálního východu Slunce a prakticky bez ztráty účinnosti se omezit na rotaci pouze v jedné rovině – kolem polární osy Země rychlostí 1 otáčky za den . Úhel sklonu osy takové rotace vzhledem k horizontále se rovná zeměpisné šířce místa. Například pro Moskvu, která se nachází v zeměpisné šířce 56°, by měla být osa takové rotace nakloněna na sever o 56° vzhledem k povrchu (nebo, což je totéž, odkloněna od svislice o 34°). Takové otáčení je mnohem jednodušší na organizaci, nicméně velký panel vyžaduje hodně místa, aby se mohl plynule otáčet. Kromě toho je nutné buď zorganizovat posuvné připojení, které vám umožní odebrat veškerou energii, kterou přijímá z neustále se otáčejícího panelu, nebo se omezit na flexibilní komunikaci s pevným připojením, ale zajistit automatický návrat panelu zpět v noci - v opačném případě se nelze vyhnout zkroucení a přerušení komunikace odvádějící energii. Obě řešení dramaticky zvyšují složitost a snižují spolehlivost systému. S rostoucí silou panelů (a tedy jejich velikostí a hmotností) se technické problémy stávají exponenciálně složitějšími.

V souvislosti se vším výše uvedeným se téměř vždy panely jednotlivých solárních instalací montují nehybně, což zajišťuje relativní levnost a nejvyšší spolehlivost instalace. Zde je však zvláště důležitý výběr úhlu umístění panelu. Zvažme tento problém na příkladu Moskvy.

Podívejme se na schémata slunečního záření pro různé úhly instalace panelů. Otáčení panelu po Slunci je samozřejmě mimo soutěž (oranžová čára). I v dlouhých letních dnech však její účinnost převyšuje účinnost pevných horizontálních (modrá) a nakloněných v optimálním úhlu (červená) panelů jen o cca 30 %. Ale v těchto dnech je dostatek tepla a světla! Ale v období s největší energetickou náročností od října do února je výhoda otočného panelu oproti pevnému panelu minimální a téměř nepostřehnutelná. Je pravda, že v této době nedělá společnost šikmému panelu horizontální, ale vertikální panel (zelená čára). A to není překvapivé - nízké paprsky zimního slunce kloužou po horizontálním panelu, ale jsou dobře vnímány vertikálním panelem, který je k nim téměř kolmý. Vertikální panel je proto v únoru, listopadu a prosinci účinnější než i šikmý a téměř se neliší od otočného. V březnu a říjnu jsou dny delší a otočný panel již začíná sebevědomě (i když ne příliš) překonávat jakékoli pevné možnosti, ale účinnost nakloněných a vertikálních panelů je téměř stejná. A jen v období dlouhých dnů od dubna do srpna je horizontální panel v přijaté energii před vertikálním panelem a přibližuje se šikmému a v červnu ho dokonce mírně překračuje. Letní ztráta vertikálního panelu je přirozená - koneckonců, řekněme, den letní rovnodennosti trvá v Moskvě déle než 17 hodin a na přední (pracovní) polokouli vertikálního panelu může Slunce zůstat déle než 12 hodin, zbývajících 5 hodin (téměř třetina denního světla!) je za ní. Vezmeme-li v úvahu, že při úhlech dopadu větších než 60° začne rychle narůstat podíl světla odraženého od povrchu panelu a jeho účinná plocha se zmenší na polovinu i více, pak doba efektivního vnímání sluneční záření u takového panelu nepřesáhne 8 hodin – tedy méně než 50 % celkové délky dne. Právě to vysvětluje skutečnost, že produktivita vertikálních panelů se stabilizuje po celou dobu dlouhých dnů - od března do září. A konečně leden stojí poněkud stranou - v tomto měsíci je výkon panelů všech zaměření téměř stejný. Faktem je, že tento měsíc je v Moskvě velmi zataženo a více než 90 % veškeré sluneční energie pochází z rozptýleného záření a pro takové záření není orientace panelu příliš důležitá (hlavní je nesměřovat jej na přízemní). Pár slunečných dnů, které se v lednu ještě vyskytují, však snižuje produkci horizontálního panelu o 20 % oproti zbytku.

Jaký úhel sklonu zvolit? Vše záleží na tom, kdy přesně solární energii potřebujete. Pokud jej chcete používat pouze v teplém období (řekněme na venkově), měli byste zvolit takzvaný „optimální“ úhel sklonu kolmo na průměrnou polohu Slunce v období mezi jarní a podzimní rovnodenností. . Je přibližně o 10° .. 15° méně než zeměpisná šířka a pro Moskvu je to 40° .. 45°. Pokud potřebujete energii po celý rok, pak byste měli „vyždímat“ maximum v zimních měsících s nedostatkem energie, což znamená, že se musíte zaměřit na průměrnou polohu Slunce mezi podzimní a jarní rovnodenností a umístit panely blíže k vertikální - 5° .. 15° více než zeměpisná šířka (pro Moskvu to bude 60° .. 70°). Pokud z architektonických nebo designových důvodů není možné takový úhel dodržet a musíte volit mezi úhlem sklonu 40° a méně nebo vertikální instalací, upřednostněte svislou polohu. „Nedostatek“ energie v dlouhých letních dnech přitom není tak kritický – v tomto období je dostatek přirozeného tepla a světla a potřeba výroby energie obvykle není tak velká jako v zimě a mimo ni. -sezóna. Sklon panelu by měl být samozřejmě orientován na jih, i když odchylka od tohoto směru o 10° .. 15° na východ nebo západ se mění jen málo a je tedy zcela přijatelná.

Horizontální umístění solárních panelů po celém Rusku je neúčinné a zcela neopodstatněné. Kromě příliš velkého poklesu výroby energie v období podzim-zima se na vodorovných panelech intenzivně hromadí prach a v zimě také sníh a lze je odtud odstranit pouze pomocí speciálně organizovaného čištění (obvykle ručně). Pokud sklon panelu přesáhne 60°, pak se sníh na jeho povrchu moc nezdržuje a většinou sám rychle spadne a tenká vrstva prachu se snadno smyje deštěm.

Vzhledem k tomu, že ceny solárních zařízení v poslední době klesají, může být výhodné místo jednoho pole solárních panelů orientovaných na jih použít dva s vyšším celkovým výkonem, orientované na přilehlé (jihovýchod a jihozápad) a dokonce i protilehlé (východ). a západ) světové strany. To zajistí rovnoměrnější produkci ve slunečných dnech a zvýšenou produkci v zatažených dnech, zatímco zbytek zařízení zůstane navržen pro stejný, relativně nízký výkon, a proto bude kompaktnější a levnější.

A poslední věc. Sklo, jehož povrch není hladký, ale má speciální reliéf, je schopno mnohem efektivněji vnímat boční světlo a přenášet ho na pracovní prvky solárního panelu. Nejoptimálnější se zdá být zvlněný reliéf s orientací výstupků a prohlubní od severu k jihu (u vertikálních panelů - shora dolů) - druh lineární čočky. Vlnité sklo může zvýšit výrobu pevného panelu o 5 % i více.

Tradiční typy instalací solární energie

Čas od času se objevují zprávy o výstavbě další solární elektrárny (SPP) nebo odsolovacího zařízení. Termální solární kolektory a fotovoltaické solární panely se používají po celém světě, od Afriky po Skandinávii. Tyto způsoby využití sluneční energie se vyvíjejí desítky let, věnuje se jim mnoho stránek na internetu. Proto je zde budu posuzovat velmi obecně. Jeden důležitý bod však na internetu prakticky není pokryt – tím je volba konkrétních parametrů při vytváření individuálního systému solárního napájení. Přitom tato otázka není tak jednoduchá, jak se na první pohled zdá. Příklad výběru parametrů pro solární systém je uveden na samostatné stránce.

Solární panely

Obecně lze „solární baterii“ chápat jako jakoukoli sadu identických modulů, které vnímají sluneční záření a jsou sloučeny do jednoho zařízení, včetně čistě tepelných, ale tradičně se tento termín přiřazuje speciálně panelům fotoelektrických konvertorů. Pojem „solární baterie“ proto téměř vždy označuje fotovoltaické zařízení, které přímo přeměňuje sluneční záření na elektrický proud. Tato technologie se aktivně rozvíjí od poloviny 20. století. Obrovskou pobídkou pro jeho rozvoj byl průzkum vesmíru, kde solární baterie mohou v současnosti konkurovat pouze malým jaderným zdrojům, pokud jde o vyrobenou energii a provozní dobu. Během této doby se účinnost konverze solárních baterií zvýšila z jednoho nebo dvou procent na 17 % nebo více u sériově vyráběných, relativně levných modelů a přes 42 % u prototypů. Výrazně se zvýšila životnost a provozní spolehlivost.

Výhody solárních panelů

Hlavní výhodou solárních panelů je jejich extrémní konstrukční jednoduchost a naprostá absence pohyblivých částí. Výsledkem je nízká měrná hmotnost a nenáročnost spojená s vysokou spolehlivostí, stejně jako co nejjednodušší montáž a minimální nároky na údržbu při provozu (většinou stačí nečistoty z pracovní plochy jen odstranit při jejich hromadění). Představují ploché prvky malé tloušťky a jsou docela úspěšně umístěny na svahu střechy směrem ke slunci nebo na stěnu domu, prakticky bez potřeby dalšího prostoru nebo výstavby samostatných objemných konstrukcí. Jedinou podmínkou je, aby je co nejdéle nic nezakrývalo.

Další důležitou výhodou je, že energie je generována okamžitě ve formě elektřiny - v té nejuniverzálnější a nejpohodlnější formě doposud.

Bohužel nic netrvá věčně – účinnost fotovoltaických konvertorů se během jejich životnosti snižuje. Polovodičové wafery, které obvykle tvoří solární články, časem degradují a ztrácejí své vlastnosti, v důsledku čehož se již tak nepříliš vysoká účinnost solárních článků ještě snižuje. Dlouhodobé vystavení vysokým teplotám tento proces urychluje. Nejprve jsem to zaznamenal jako nevýhodu fotovoltaických baterií, zejména proto, že „mrtvé“ fotovoltaické články nelze obnovit. Je však nepravděpodobné, že jakýkoli mechanický elektrický generátor bude schopen prokázat alespoň 1% účinnost po pouhých 10 letech nepřetržitého provozu - s největší pravděpodobností bude vyžadovat vážné opravy mnohem dříve kvůli mechanickému opotřebení, pokud ne ložisek, pak kartáčů - a moderní fotokonvertory jsou schopny udržet svou účinnost po celá desetiletí. Podle optimistických odhadů se za 25 let účinnost solární baterie sníží pouze o 10 %, což znamená, že pokud nezasáhnou další faktory, pak i po 100 letech zůstanou téměř 2/3 původní účinnosti. U masově komerčních fotovoltaických článků na bázi poly- a monokrystalického křemíku však poctiví výrobci a prodejci uvádějí trochu jiná čísla stárnutí - po 20 letech je třeba počítat se ztrátou účinnosti až 20 % (potom teoreticky po 40 letech bude účinnost 2/3 původní, poloviční za 60 let a po 100 letech zůstane o něco méně než 1/3 původní produktivity). Obecně platí, že běžná životnost moderních fotokonvertorů je minimálně 25...30 let, takže degradace není tak kritická a mnohem důležitější je z nich prach včas setřít...

Pokud jsou baterie instalovány tak, že se prakticky nevyskytuje přirozený prach nebo je rychle smyt přírodními dešti, budou schopny fungovat bez jakékoli údržby po mnoho let. Další velkou výhodou je možnost provozu po tak dlouhou dobu v bezúdržbovém režimu.

A konečně, solární panely jsou schopny produkovat energii od svítání do soumraku, a to i za oblačného počasí, kdy se solární tepelné kolektory jen nepatrně liší od okolní teploty. Samozřejmě ve srovnání s jasným slunečným dnem jejich produktivita mnohonásobně klesá, ale něco je lepší než vůbec nic! V tomto ohledu je zvláště zajímavý vývoj baterií s maximální přeměnou energie v těch oblastech, kde mraky pohlcují sluneční záření nejméně. Při výběru solárních fotokonvertorů byste navíc měli věnovat pozornost závislosti napětí, které produkují na osvětlení - měla by být co nejmenší (při poklesu osvětlení by měl nejprve klesnout proud, nikoli napětí, protože jinak by získat alespoň nějaký užitečný efekt v Zatažené dny budete muset použít drahé přídavné zařízení, které násilně zvýší napětí na minimum dostatečné k nabití baterií a provozu střídačů).

Nevýhody solárních panelů

Solární panely mají samozřejmě mnoho nevýhod. Kromě závislosti na počasí a denní době lze zaznamenat následující.

Nízká účinnost. Stejný solární kolektor je při správné volbě tvaru a materiálu povrchu schopen absorbovat téměř veškeré sluneční záření, které na něj dopadá, v téměř celém spektru frekvencí, které nesou znatelnou energii – od dalekého infračerveného až po ultrafialové oblasti. Solární baterie přeměňují energii selektivně - pro pracovní buzení atomů jsou potřeba určité energie fotonů (frekvence záření), proto je v některých frekvenčních pásmech přeměna velmi efektivní, zatímco jiné frekvenční rozsahy jsou pro ně zbytečné. Energie jimi zachycených fotonů se navíc kvantově využívá - její „přebytek“, překračující požadovanou úroveň, jde na zahřívání materiálu fotokonvertoru, což je v tomto případě škodlivé. To je do značné míry to, co vysvětluje jejich nízkou účinnost.
Mimochodem, pokud zvolíte špatný ochranný potahový materiál, můžete výrazně snížit účinnost baterie. Situaci zhoršuje skutečnost, že běžné sklo docela dobře absorbuje vysokoenergetickou ultrafialovou část rozsahu a pro některé typy fotočlánků je tento konkrétní rozsah velmi relevantní - energie infračervených fotonů je pro ně příliš nízká.

Citlivost na vysokou teplotu. Se stoupajícími teplotami se účinnost solárních článků, stejně jako téměř všech ostatních polovodičových zařízení, snižuje. Při teplotách nad 100..125°C mohou dočasně ztratit funkčnost a ještě větší zahřívání hrozí jejich nevratným poškozením. Navíc zvýšené teploty urychlují degradaci fotobuněk. Proto je nutné přijmout veškerá opatření ke snížení zahřívání, které je nevyhnutelné pod spalujícími přímými slunečními paprsky. Výrobci obvykle omezují rozsah jmenovitých provozních teplot fotobuněk na +70°..+90°C (to znamená zahřívání samotných prvků a okolní teplota by samozřejmě měla být mnohem nižší).
Situaci dále komplikuje to, že citlivý povrch spíše křehkých fotobuněk je často pokryt ochranným sklem nebo průhledným plastem. Pokud mezi ochranným krytem a povrchem fotobuňky zůstane vzduchová mezera, vytvoří se jakýsi „skleník“, který zhoršuje přehřívání. Je pravda, že zvětšením vzdálenosti mezi ochranným sklem a povrchem fotobuňky a propojením této dutiny s atmosférou nahoře a dole je možné zorganizovat konvekční proudění vzduchu, které přirozeně ochlazuje fotobuňky. Při ostrém slunci a vysokých venkovních teplotách to však nemusí stačit, navíc tato metoda přispívá k urychlenému prášení pracovní plochy fotobuněk. Proto i nepříliš velká solární baterie může vyžadovat speciální chladicí systém. Spravedlivě je třeba říci, že takové systémy se většinou snadno automatizují a pohon ventilátoru nebo čerpadla spotřebuje jen malý zlomek vyrobené energie. Při absenci silného slunce se moc netopí a není potřeba vůbec žádné chlazení, takže energie ušetřená na pohon chladicí soustavy může být využita pro jiné účely. Je třeba poznamenat, že u moderních panelů vyrobených v továrně ochranný povlak obvykle těsně přiléhá k povrchu fotobuněk a odvádí teplo ven, ale v domácích provedeních může mechanický kontakt s ochranným sklem fotobuňku poškodit.

Citlivost na nerovnoměrnost osvětlení. Zpravidla se pro získání napětí na výstupu baterie, které je více či méně vhodné pro použití (12, 24 nebo více voltů), fotobuňky zapojují do sériových obvodů. Proud v každém takovém řetězci, a tedy i jeho výkon, je dán nejslabším článkem – fotobuňkou s nejhoršími charakteristikami nebo s nejnižším osvětlením. Pokud je tedy alespoň jeden prvek řetězce ve stínu, výrazně to snižuje výkon celého řetězce - ztráty jsou neúměrné stínění (navíc při absenci ochranných diod takový prvek začne rozptylovat energie generovaná zbývajícími prvky!). Neúměrnému snížení výkonu se lze vyhnout pouze zapojením všech fotobuněk paralelně, ale pak bude mít výstup baterie příliš velký proud při příliš nízkém napětí - obvykle u jednotlivých fotočlánků je to pouze 0,5 .. 0,7 V, v závislosti na jejich typu a velikost nákladu.

Citlivost na znečištění. I sotva znatelná vrstva nečistot na povrchu solárních článků nebo ochranného skla dokáže pohltit značnou část slunečního záření a výrazně snížit produkci energie. V prašném městě to bude vyžadovat časté čištění povrchu solárních panelů, zejména těch instalovaných vodorovně nebo pod mírným úhlem. Stejný postup je samozřejmě nutný po každém sněžení a po prachové bouři... Ovšem daleko od měst, průmyslových zón, frekventovaných silnic a jiných silných zdrojů prachu pod úhlem 45° a více je déšť docela schopný smývá přirozený prach z povrchu panelů a „automaticky“ je udržuje v celkem čistém stavu. A sníh na takovém svahu, který je navíc obrácený na jih, se většinou dlouho neudrží ani ve velmi mrazivých dnech. Takže daleko od zdrojů znečištění atmosféry mohou solární panely úspěšně fungovat roky bez jakékoli údržby, jen kdyby na obloze bylo slunce!

A konečně poslední, ale nejdůležitější překážkou pro široké přijetí fotovoltaických solárních panelů je jejich poměrně vysoká cena. Cena solárních bateriových prvků je v současné době minimálně 1 $/W (1 kW - 1 000 $), a to pro nízkoúčinné úpravy bez zohlednění nákladů na montáž a instalaci panelů, jakož i bez zohlednění cena baterií, regulátorů nabíjení a invertorů (konvertorů generovaného stejnosměrného proudu nn).proud na domácí nebo průmyslový standard). Ve většině případů by pro minimální odhad skutečných nákladů měly být tyto údaje vynásobeny 3-5krát při vlastní montáži z jednotlivých solárních článků a 6-10krát při nákupu hotových sad zařízení (plus náklady na instalaci).

Baterie mají ze všech prvků napájecího systému využívajícího fotovoltaické baterie nejkratší životnost, ale výrobci moderních bezúdržbových baterií tvrdí, že v tzv. vyrovnávacím režimu budou fungovat zhruba 10 let (resp. tradičních 1000 cyklů silného nabíjení a vybíjení - pokud počítáte jeden cyklus za den, pak v tomto režimu vydrží 3 roky). Podotýkám, že náklady na baterie jsou obvykle pouze 10-20% z celkových nákladů na celý systém a náklady na měniče a regulátory nabíjení (oba jsou složité elektronické produkty, a proto existuje určitá pravděpodobnost jejich selhání) jsou dokonce méně. S přihlédnutím k dlouhé životnosti a schopnosti pracovat po dlouhou dobu bez jakékoli údržby se tedy fotokonvertory mohou vyplatit více než jednou za život, a to nejen v odlehlých oblastech, ale také v obydlených oblastech - pokud je elektřina tarify budou nadále růst současným tempem!

Solární termální kolektory

Označení „solární kolektory“ se přiřazuje zařízením, která využívají přímý ohřev solárním teplem, a to jak jednoduché, tak stohovatelné (modulární). Nejjednodušším příkladem termálního solárního kolektoru je černá nádrž na vodu na střeše výše zmíněné venkovské sprchy (mimochodem účinnost ohřevu vody v letní sprše lze výrazně zvýšit vybudováním miniskleníku kolem nádrže , alespoň z plastové fólie; je žádoucí, aby mezi fólií a stěnami nádrže na horní a boční straně byla mezera 4-5 cm).

Moderní sběratelé se však takové nádrži jen málo podobají. Jsou to obvykle ploché konstrukce z tenkých černěných trubek uspořádaných do mřížkového nebo hadího vzoru. Trubky lze namontovat na černěnou teplovodivou podkladovou desku, která zachycuje sluneční teplo vstupující do prostorů mezi nimi – to umožňuje zkrácení celkové délky trubek bez ztráty účinnosti. Pro snížení tepelných ztrát a zvýšení zahřívání lze vršek kolektoru pokrýt skleněnou tabulí nebo průhledným komůrkovým polykarbonátem a na zadní straně teplorozvádějící desky zabraňuje zbytečným tepelným ztrátám vrstva tepelné izolace - druh „skleníku“. Trubicí prochází ohřátá voda nebo jiné chladivo, které lze shromažďovat v tepelně izolovaném zásobníku. Chladivo se pohybuje působením čerpadla nebo gravitace v důsledku rozdílu v hustotách chladiva před a za tepelným kolektorem. V druhém případě vyžaduje více či méně účinná cirkulace pečlivý výběr sklonů a úseků potrubí a umístění samotného kolektoru co nejníže. Obvykle se ale kolektor umisťuje na stejná místa jako solární baterie – na prosluněnou stěnu nebo na prosluněný sklon střechy, i když je třeba někde umístit přídavnou akumulační nádrž. Bez takové nádrže nemusí při intenzivní rekuperaci tepla (řekněme, když potřebujete napustit vanu nebo se osprchovat) kapacita kolektoru stačit a po krátké době poteče z kohoutku mírně ohřátá voda.

Ochranné sklo samozřejmě poněkud snižuje účinnost kolektoru, absorbuje a odráží několik procent sluneční energie, i když paprsky dopadají kolmo. Když paprsky dopadnou na sklo pod mírným úhlem k povrchu, může se koeficient odrazu přiblížit 100 %. Proto při nepřítomnosti větru a potřebě pouze mírného zahřívání vzhledem k okolnímu vzduchu (řekněme o 5–10 stupňů pro zalévání zahrady) mohou být „otevřené“ konstrukce účinnější než „prosklené“. Jakmile je ale potřeba teplotní rozdíl několika desítek stupňů nebo se zvedne i nepříliš silný vítr, tepelná ztráta otevřených konstrukcí se rapidně zvyšuje a ochranná skla se všemi svými nedostatky se stávají nutností.

Důležitá poznámka - je nutné počítat s tím, že za horkého slunečného dne, pokud se neanalyzuje, může dojít k přehřátí vody nad bod varu, proto je nutné při konstrukci kolektoru přijmout vhodná opatření (zajistit pojistku ventil). U otevřených kolektorů bez ochranného skla takové přehřívání obvykle nehrozí.

V poslední době se začaly hojně používat solární kolektory na bázi tzv. heatpipe (nezaměňovat s „heat pipes“ používanými pro odvod tepla v počítačových chladicích systémech!). Na rozdíl od konstrukce diskutované výše je zde každá zahřátá kovová trubice, kterou chladivo cirkuluje, zapájena uvnitř skleněné trubice a vzduch je čerpán z prostoru mezi nimi. Ukázalo se, že jde o analog termosky, kde se díky vakuové tepelné izolaci sníží tepelné ztráty 20krát nebo více. Díky tomu se podle výrobců při mrazu -35°C mimo sklo ohřeje voda ve vnitřní kovové trubici se speciálním povlakem, který pohlcuje co nejširší spektrum slunečního záření, na +50.. +70°C (rozdíl více než 100°C). Účinná absorpce v kombinaci s vynikající tepelnou izolací umožňuje ohřát chladicí kapalinu i při zatažené obloze, i když topný výkon je samozřejmě několikanásobně menší než při ostrém slunci. Klíčovým bodem je zde zajištění zachování vakua v mezeře mezi trubkami, tedy vakuové těsnosti spoje skla a kovu, ve velmi širokém teplotním rozsahu až 150 °C po celou dobu životnosti. mnoha let. Z tohoto důvodu se při výrobě takových kolektorů nelze obejít bez pečlivé koordinace koeficientů tepelné roztažnosti skla a kovu a high-tech výrobních procesů, což znamená, že v řemeslných podmínkách je nepravděpodobné, že by bylo možné vyrobit plnohodnotná vakuová tepelná trubice. Jednodušší konstrukce kolektorů však lze bez problémů vyrobit samostatně, i když jejich účinnost je samozřejmě o něco menší, zejména v zimě.

Kromě kapalných solárních kolektorů popsaných výše existují další zajímavé typy struktur: vzduch (chladivo je vzduch a nebojí se zamrznutí), „solární jezírka“ atd. Bohužel většina výzkumu a vývoje solárních kolektorů se věnuje speciálně tekutým modelům, proto se alternativní typy prakticky sériově nevyrábějí a není o nich mnoho informací.

Výhody solárních kolektorů

Nejdůležitější výhodou solárních kolektorů je jednoduchost a relativně nízké náklady na výrobu jejich poměrně efektivních variant v kombinaci s nenáročností na provoz. Minimum potřebným k výrobě kolektoru vlastníma rukama je pár metrů tenké trubky (nejlépe tenkostěnné mědi - lze ji ohýbat s minimálním poloměrem) a trochu černé barvy, alespoň bitumenového laku. Trubku ohneme jako hada, natřeme černou barvou, postavíme na slunné místo, napojíme na vodovod a nyní je ten nejjednodušší solární kolektor hotový! Cívku lze přitom snadno přizpůsobit téměř libovolné konfiguraci a maximálně využít veškerý prostor určený pro kolektor. Nejúčinnějším domácím černěním, které je zároveň velmi odolné vůči vysokým teplotám a přímému slunečnímu záření, je tenká vrstva sazí. Saze se ale snadno vymažou a smývají, takže takové zčernání si určitě vyžádá ochranné sklo a speciální opatření, aby se případná kondenzace nedostala na povrch pokrytý sazemi.

Další důležitou výhodou kolektorů je, že na rozdíl od solárních panelů jsou schopny zachytit a přeměnit až 90 % slunečního záření, které na ně dopadá, na teplo a v těch nejúspěšnějších případech i více. Nejen za jasného počasí, ale i za mírné oblačnosti tedy účinnost kolektorů převyšuje účinnost fotovoltaických baterií. Konečně na rozdíl od fotovoltaických baterií nerovnoměrné osvětlení povrchu nezpůsobuje neúměrné snížení účinnosti kolektoru - důležitý je pouze celkový (integrovaný) tok záření.

Nevýhody solárních kolektorů

Solární kolektory jsou ale citlivější na počasí než solární panely. I za jasného slunečního svitu může čerstvý vítr mnohonásobně snížit účinnost vytápění otevřeného výměníku tepla. Ochranné sklo samozřejmě prudce snižuje tepelné ztráty větrem, ale v případě husté oblačnosti je také bezmocné. V zataženém, větrném počasí není z kolektoru prakticky žádné využití, ale solární baterie vyrábí alespoň nějakou energii.

Z dalších nevýhod solárních kolektorů vyzdvihnu především jejich sezónnost. Krátké jarní nebo podzimní noční mrazíky stačí k tomu, aby vzniklý led v trubkách ohřívače vytvořil nebezpečí jejich prasknutí. To lze samozřejmě eliminovat vyhříváním „skleníku“ spirálou s cizím zdrojem tepla za chladných nocí, ale v tomto případě může být celková energetická účinnost kolektoru snadno negativní! Další možnost - dvouokruhový rozdělovač s nemrznoucí kapalinou ve vnějším okruhu - nebude vyžadovat spotřebu energie na vytápění, ale bude mnohem komplikovanější než jednookruhové varianty s přímým ohřevem vody, a to jak ve výrobě, tak během provozu. Vzduchové konstrukce v zásadě zamrznout nemohou, ale je tu další problém – nízká měrná tepelná kapacita vzduchu.

A přesto je možná hlavní nevýhodou solárního kolektoru to, že je to právě topné zařízení, a přestože průmyslově vyráběné vzorky dokážou při absenci tepelné analýzy ohřát chladicí kapalinu na 190..200 °C, obvykle dosahovanou teplotu zřídka překročí 60..80 °C. Proto je velmi obtížné využít odebrané teplo k získání značného množství mechanické práce nebo elektrické energie. Vždyť i pro provoz parovodní turbíny s nejnižší teplotou (např. té, kterou kdysi popsal V.A. Zysin) je nutné přehřát vodu minimálně na 110°C! A energie přímo ve formě tepla, jak známo, se dlouho neskladuje a při teplotách pod 100°C je většinou využitelná pouze pro zásobování teplou vodou a vytápění domu. S ohledem na nízkou cenu a jednoduchost výroby to však může být zcela dostatečný důvod pro pořízení vlastního solárního kolektoru.

Abychom byli spravedliví, je třeba poznamenat, že „normální“ pracovní cyklus tepelného motoru může být organizován při teplotách pod 100 ° C - buď pokud se bod varu sníží snížením tlaku v odpařovací části odčerpáním páry odtud. , nebo pomocí kapaliny, jejíž bod varu leží mezi teplotou ohřevu solárního kolektoru a teplotou okolního vzduchu (optimálně - 50..60°C). Pravda, pamatuji si pouze jednu neexotickou a relativně bezpečnou tekutinu, která tyto podmínky víceméně splňuje - etylalkohol, který za normálních podmínek vře při 78°C. Je zřejmé, že v tomto případě bude nutné zorganizovat uzavřený cyklus a vyřešit mnoho souvisejících problémů. V některých situacích může být slibné použití motorů s externím ohřevem (Stirlingovy motory). Zajímavé v tomto ohledu může být i použití slitin s efektem tvarové paměti, které jsou popsány na těchto stránkách v článku I.V.Nigela - k provozu jim stačí teplotní rozdíl 25-30°C.

Koncentrace solární energie

Zvyšování účinnosti solárního kolektoru zahrnuje především trvalé zvyšování teploty ohřívané vody nad bod varu. To se obvykle provádí soustředěním sluneční energie na kolektor pomocí zrcadel. Na tomto principu stojí většina solárních elektráren, rozdíly jsou pouze v počtu, konfiguraci a umístění zrcadel a kolektoru a také ve způsobech ovládání zrcadel. V důsledku toho je v ostřícím bodě docela dobře možné dosáhnout teploty ani ne stovky, ale tisíce stupňů - při takové teplotě již může dojít k přímému tepelnému rozkladu vody na vodík a kyslík (vznikající vodík lze spálit v noci a za oblačných dnů)!

Efektivní provoz takové instalace je bohužel nemožný bez složitého řídicího systému pro soustředění zrcadel, která musí sledovat neustále se měnící polohu Slunce na obloze. V opačném případě během několika minut opustí ostřící bod kolektor, který je v takových systémech často velmi malý, a ohřev pracovní tekutiny se zastaví. I použití paraboloidních zrcadel problém řeší jen částečně - pokud nebudou periodicky rotována za Sluncem, tak po pár hodinách už nespadne do jejich misky nebo bude osvětlovat pouze její okraj - to bude málo platné.

Nejjednodušší způsob, jak doma koncentrovat sluneční energii, je umístit zrcadlo vodorovně poblíž kolektoru tak, aby slunce dopadalo na kolektor většinu dne. Zajímavou možností je použít jako zrcadlo povrch speciálně vytvořené nádrže v blízkosti domu, zejména pokud se nejedná o běžnou nádrž, ale o „solární jezírko“ (i když to není snadné a účinnost odrazu bude být mnohem menší než u běžného zrcadla). Dobrého výsledku lze dosáhnout vytvořením systému vertikálních koncentračních zrcadel (tento úkol je obvykle mnohem obtížnější, ale v některých případech může být oprávněné jednoduše nainstalovat velké zrcadlo na sousední stěnu, pokud svírá s kolektorem vnitřní úhel - vše závisí na konfiguraci a umístění budovy a kolektoru).

Přesměrování slunečního záření pomocí zrcadel může také zvýšit výkon fotovoltaické baterie. Zároveň se ale zvyšuje jeho zahřívání, a to může poškodit baterii. Proto se v tomto případě musíte omezit na relativně malý zisk (o několik desítek procent, ale ne vícenásobně) a je třeba pečlivě hlídat teplotu baterie, zejména v horkých jasných dnech! Právě kvůli nebezpečí přehřátí někteří výrobci fotovoltaických baterií přímo zakazují provoz svých výrobků při zvýšeném osvětlení vytvořeném pomocí přídavných reflektorů.

Přeměna sluneční energie na mechanickou energii

Tradiční typy solárních instalací nevytvářejí přímo mechanickou práci. K tomu musí být na fotokonvertorech připojen elektromotor k solární baterii a při použití tepelného solárního kolektoru musí být na vstup páry přiváděna přehřátá pára (a pro přehřátí to bez koncentračních zrcadel pravděpodobně nepůjde). turbíny nebo do válců parního stroje. Kolektory s relativně malým teplem mohou přeměnit teplo na mechanický pohyb exotičtějšími způsoby, jako je použití aktuátorů ze slitiny s tvarovou pamětí.

Existují však také instalace, které zahrnují přeměnu slunečního tepla na mechanickou práci, která je přímo začleněna do jejich návrhu. Jejich velikost a výkon se navíc velmi liší - jde o projekt obrovské solární věže vysoké stovky metrů a skromného solárního čerpadla, které by patřilo na chatu.

Žijeme ve světě budoucnosti, i když to není patrné ve všech regionech. V progresivních kruzích se dnes každopádně vážně diskutuje o možnosti rozvoje nových zdrojů energie. Jednou z nejperspektivnějších oblastí je solární energie.

V současnosti se asi 1 % elektřiny na Zemi získává zpracováním slunečního záření. Proč jsme se tedy ještě nevzdali jiných „škodlivých“ metod a vzdáme se vůbec? Zveme vás k přečtení našeho článku a pokuste se sami odpovědět na tuto otázku.

Jak se sluneční energie přeměňuje na elektřinu

Začněme tím nejdůležitějším – jak se sluneční paprsky zpracovávají na elektřinu.

Samotný proces se nazývá "Solární generace" . Nejúčinnější způsoby, jak to zajistit, jsou následující:

• fotovoltaika;
• solární tepelná energie;
• solární balonové elektrárny.

Podívejme se na každou z nich.

Fotovoltaika

V tomto případě se elektrický proud objeví v důsledku fotovoltaický efekt. Princip je tento: sluneční světlo dopadne na fotočlánek, elektrony pohltí energii fotonů (světelných částic) a začnou se pohybovat. V důsledku toho získáme elektrické napětí.

Přesně k tomuto procesu dochází u solárních panelů, které jsou založeny na prvcích přeměňujících sluneční záření na elektřinu.

Samotný design fotovoltaických panelů je poměrně flexibilní a může mít různé velikosti. Jejich použití je proto velmi praktické. Kromě toho mají panely vysoké výkonové vlastnosti: jsou odolné vůči srážkám a změnám teploty.

A tady je návod, jak to funguje samostatný modul solárního panelu:

Můžete si přečíst o využití solárních panelů jako nabíječek, zdrojů energie pro soukromé domy, pro městské úpravy a pro lékařské účely.

Moderní solární panely a elektrárny

Mezi nedávné příklady patří solární panely společnosti SistineSolar. Na rozdíl od tradičních tmavě modrých panelů mohou mít jakýkoli odstín a texturu. To znamená, že je lze použít k „ozdobení“ střechy domu dle libosti.

Další řešení navrhli vývojáři Tesly. Na trh uvedli nejen panely, ale plnohodnotný střešní materiál, který zpracovává sluneční energii. obsahuje vestavěné solární moduly a může mít také širokou škálu provedení. Samotný materiál je přitom mnohem pevnější než běžné střešní tašky, Solar Roof má dokonce nekonečnou záruku.

Příkladem plnohodnotné solární elektrárny je nedávno postavená stanice v Evropě s oboustrannými panely. Ty druhé shromažďují jak přímé sluneční záření, tak i odrazivé záření. To umožňuje zvýšit účinnost solární výroby o 30 %. Tato stanice by měla vyrobit zhruba 400 MWh ročně.

Zajímavostí je také největší plovoucí solární elektrárna v Číně. Jeho výkon je 40 MW. Taková řešení mají 3 důležité výhody:

• není potřeba zabírat velké pevniny, což je pro Čínu důležité;
• v nádržích se odpařování vody snižuje;
• Samotné fotobuňky se méně zahřívají a pracují efektivněji.

Mimochodem, tato plovoucí solární elektrárna byla postavena na místě opuštěného uhelného těžebního podniku.

Technologie založená na fotovoltaickém efektu je dnes nejslibnější a podle odborníků budou solární panely v příštích 30–40 letech schopny vyprodukovat asi 20 % světové poptávky po elektřině.

Solární tepelná energie

Zde je přístup trochu jiný, protože... sluneční záření se používá k ohřevu nádoby obsahující kapalinu. Díky tomu se mění v páru, která roztáčí turbínu, čímž vzniká elektřina.

Tepelné elektrárny fungují na stejném principu, pouze kapalina se ohřívá spalováním uhlí.

Nejviditelnějším příkladem použití této technologie je Solární stanice Ivanpah v Mohavské poušti. Je to největší solární tepelná elektrárna na světě.

Funguje od roku 2014 a k výrobě elektřiny nepoužívá žádné palivo – pouze ekologickou solární energii.

Vodní kotel je umístěn ve věžích, které můžete vidět ve středu stavby. Kolem je pole zrcadel, které směrují sluneční paprsky na vrchol věže. Počítač přitom tato zrcadla neustále otáčí v závislosti na poloze slunce.

Vlivem koncentrované sluneční energie se voda ve věži zahřívá a mění se v páru. Tím se vytvoří tlak a pára začne otáčet turbínou, což má za následek uvolnění elektřiny. Výkon této stanice je 392 megawattů, což lze snadno srovnat s průměrnou tepelnou elektrárnou v Moskvě.

Zajímavé je, že takové stanice mohou fungovat i v noci. To je možné tak, že část ohřáté páry umístíte do zásobníku a postupně ji využijete k otáčení turbíny.

Solární balonové elektrárny

Toto originální řešení, ač málo používané, má stále své místo.

Samotná instalace se skládá ze 4 hlavních částí:

• Aerostat – umístěný na obloze, shromažďuje sluneční záření. Voda vstupuje do koule a rychle se zahřívá, stává se párou.
• Parní potrubí - přes něj pára pod tlakem klesá k turbíně a způsobuje její otáčení.
• Turbína - pod vlivem proudu páry se otáčí a generuje elektrickou energii.
• Kondenzátor a čerpadlo - pára, která prošla turbínou, se zkondenzuje na vodu a pomocí čerpadla stoupá do balónu, kde se opět zahřeje do parního stavu.

Jaké jsou výhody solární energie

• Slunce nám bude dávat svou energii ještě několik miliard let. Lidé přitom nepotřebují utrácet peníze a prostředky na její těžbu.
• Výroba solární energie je zcela ekologický proces bez rizika pro přírodu.
• Autonomie procesu. Sklizeň slunečního světla a výroba elektřiny probíhá s minimálním zásahem člověka. Jediné, co musíte udělat, je udržovat své pracovní plochy nebo zrcadla čisté.
• Vybité solární panely lze recyklovat a znovu použít ve výrobě.

Problémy rozvoje solární energie

I přes realizaci nápadů na zachování provozu solárních elektráren v noci není nikdo imunní vůči rozmarům přírody. Zatažená obloha na několik dní výrazně snižuje výrobu elektřiny, ale obyvatelstvo a podniky potřebují nepřetržité dodávky.

Stavba solární elektrárny není levnou záležitostí. To je způsobeno nutností použití vzácných prvků v jejich designu. Ne všechny země jsou připraveny plýtvat rozpočty na méně výkonné elektrárny, když fungují tepelné elektrárny a jaderné elektrárny.

Pro umístění takových instalací jsou zapotřebí velké plochy a v místech, kde má sluneční záření dostatečnou úroveň.

Jak se vyvíjí solární energie v Rusku?

Naše země bohužel stále topí uhlím, plynem a ropou na plné obrátky a Rusko bude jistě mezi posledními, kteří zcela přejdou na alternativní energii.

K datu solární výroba tvoří pouze 0,03 % energetické bilance Ruské federace. Pro srovnání, v Německu je toto číslo více než 20 %. Soukromí podnikatelé nemají zájem investovat do solární energie z důvodu dlouhé doby návratnosti a ne tak vysoké ziskovosti, protože plyn je u nás mnohem levnější.

V ekonomicky vyspělých oblastech Moskvy a Leningradu je sluneční aktivita na nízké úrovni. Tam stavět solární elektrárny prostě není praktické. Ale jižní oblasti jsou docela slibné.