Protsess, mis toodab päikeseenergiat. Päikeseenergia muundamise põhimõte, selle rakendamine ja väljavaated

Iga päevaga väheneb maailma söe, nafta, gaasi, st kõige selle, mis meid täna energiaallikana teenib, varud. Ja lähitulevikus jõuab inimkond selleni, et fossiilkütuseid lihtsalt enam ei jää. Seetõttu otsivad kõik riigid aktiivselt päästmist meile kiiresti lähenevast katastroofist. Ja esimene päästevahend, mis meenub, on loomulikult päikeseenergia, mida inimesed on ammusest ajast kasutanud riiete kuivatamiseks, kodude valgustamiseks ja söögitegemiseks. Sellest sündis üks alternatiivenergia valdkondi – päikeseenergia.

Päikeseenergia energiaallikaks on päikesevalguse energia, mis muudetakse spetsiaalsete struktuuride abil soojuseks või elektriks. Ekspertide sõnul saab Maa pind vaid ühe nädalaga päikeselt energiat, mis ületab maailma igat tüüpi kütusevarude energiat. Ja kuigi selle alternatiivse energia valdkonna arengutempo kasvab pidevalt, on päikeseenergial endiselt mitte ainult eelised, vaid ka puudused.

Kui peamised eelised hõlmavad juurdepääsetavust ja mis kõige tähtsam - energiaallika ammendamatust, siis puudused hõlmavad järgmist:

• vajadus koguda päikeselt saadud energiat,
• kasutatud seadmete märkimisväärsed kulud,
• sõltuvus ilmastikutingimustest ja kellaajast,
• atmosfääri temperatuuri tõus elektrijaamade kohal jne.

Päikesekiirguse arvulised omadused

On olemas selline näitaja nagu päikesekonstant. Selle väärtus on 1367 W. See on täpselt energia hulk 1 ruutmeetri kohta. planeet Maa. Kuid atmosfääri tõttu jõuab maapinnale umbes 20-25% vähem energiat. Seetõttu on päikeseenergia väärtus ruutmeetri kohta näiteks ekvaatoril 1020 W. Ja võttes arvesse päeva ja öö muutumist, päikese nurga muutust horisondi kohal, väheneb see näitaja umbes 3 korda.

Aga kust see energia tuleb? Teadlased hakkasid seda küsimust esmakordselt uurima 19. sajandil ja versioonid olid täiesti erinevad. Tänapäeval on tohutu hulga uuringute tulemusena usaldusväärselt teada, et päikeseenergia allikaks on reaktsioon 4 vesinikuaatomi muundamisel heeliumi tuumaks. Selle protsessi tulemusena vabaneb märkimisväärne kogus energiat. Näiteks 1 g muundamisel vabanev energia. vesinik on võrreldav energiaga, mis vabaneb 15 tonni bensiini põletamisel.

Päikeseenergia muundamine

Teame juba, et päikeselt saadav energia tuleb muundada mingil muul kujul. Vajadus selle järele tekib seetõttu, et inimkonnal pole veel selliseid seadmeid, mis suudaksid päikeseenergiat puhtal kujul tarbida. Seetõttu töötati välja sellised energiaallikad nagu päikesekollektorid ja päikesepaneelid. Kui esimest kasutatakse soojusenergia tootmiseks, siis teine ​​toodab otse elektrit.

Päikeseenergia muundamiseks on mitu võimalust:

• fotogalvaanika;
• soojusõhuenergia;
• päikese soojusenergia;
• päikesepalliga elektrijaamade kasutamine.

Kõige tavalisem meetod on fotogalvaanika. Selle muundamise põhimõte on fotogalvaaniliste päikesepaneelide või päikesepaneelide kasutamine, mille kaudu päikeseenergia muudetakse elektrienergiaks. Reeglina on sellised paneelid valmistatud ränist ja nende tööpinna paksus on vaid mõni kümnendik millimeetrist. Neid saab paigutada kõikjal, on ainult üks tingimus - suure hulga päikesevalguse olemasolu. Suurepärane võimalus fotoplaatide paigaldamiseks elamute ja ühiskondlike hoonete katustele.

Lisaks ülalpool käsitletud fotoplaatidele kasutatakse päikesekiirguse energia muundamiseks õhukese kilega paneele. Neid eristab veelgi väiksem paksus, mis võimaldab neid paigaldada kõikjale, kuid selliste paneelide oluline puudus on nende madal efektiivsus. Just sel põhjusel on nende paigaldamine õigustatud ainult suurte alade puhul. Lõbu pärast võib õhukese kilega paneeli asetada isegi sülearvuti ümbrisele või käekotile.

Soojusõhuenergias muundatakse päikeseenergia õhuvoolu energiaks, mis seejärel suunatakse turbogeneraatorisse. Kuid päikesepalliga elektrijaamade kasutamise korral tekib õhupalli sees veeaur. See efekt saavutatakse õhupalli pinna, millele on kantud selektiivselt neelav kate, kuumutamisel päikesevalguse toimel. Selle meetodi peamine eelis on piisav auruvarustus, millest piisab elektrijaama töö jätkamiseks halva ilmaga ja öösel.

Päikeseenergia põhimõte on soojendada pinda, mis neelab päikesekiiri ja fokusseerib need tekkiva soojuse hilisemaks kasutamiseks. Lihtsaim näide on küttevesi, mida saab seejärel kasutada majapidamistarbeks, näiteks kanalisatsiooni või akudesse viimiseks, säästes samal ajal gaasi või muud kütust. Tööstuslikus mastaabis muundatakse selle meetodiga saadud päikesekiirgusenergia soojusmasinate abil elektrienergiaks. Selliste kombineeritud elektrijaamade ehitamine võib kesta üle 20 aasta, kuid päikeseenergia arengutempo ei vähene, vaid vastupidi, pidevalt kasvab.

Kus saab päikeseenergiat kasutada?

Päikeseenergiat saab kasutada täiesti erinevates valdkondades – keemiatööstusest autotööstuseni, toidu valmistamisest ruumide kütmiseni. Näiteks päikesepaneelide kasutamine autotööstuses pärineb 1955. aastast. Seda aastat tähistas esimene auto, mis töötas päikesepatareidel. Tänapäeval toodavad selliseid autosid BMW, Toyota ja teised suuremad ettevõtted.

Igapäevaelus kasutatakse päikeseenergiat ruumide kütmiseks, valgustamiseks ja isegi toiduvalmistamiseks. Näiteks fooliumist ja papist valmistatud päikeseahjud kasutavad ÜRO eestvõttel aktiivselt pagulased, kes olid sunnitud keerulise poliitilise olukorra tõttu oma kodudest lahkuma. Metallide kuumtöötluseks ja sulatamiseks kasutatakse keerukamaid päikeseahjusid. Üks suurimaid selliseid ahjusid asub Usbekistanis.

Kõige huvitavamad leiutised päikeseenergia kasutamise kohta on järgmised:

• Kaitseümbris fotoelemendiga telefonile, mis on ühtlasi ka laadija.
• Seljakott, mille küljes on päikesepaneel. See võimaldab teil laadida mitte ainult telefoni, vaid ka tahvelarvutit ja isegi kaamerat, üldiselt kõiki USB-sisendiga elektroonikaseadmeid.
• Solar Bluetooth kõrvaklapid.

Ja kõige loomingulisem idee on spetsiaalsest kangast valmistatud riided. Jope, lips ja isegi ujumistrikoo – sellest kõigest võib saada mitte ainult ese teie garderoobis, vaid ka laadija.

Alternatiivse energia arendamine SRÜ riikides

Alternatiivne energia, sealhulgas päikeseenergia, areneb suure kiirusega mitte ainult USA-s, Euroopas või Indias, vaid ka SRÜ riikides, sealhulgas Venemaal, Kasahstanis ja eriti Ukrainas. Näiteks ehitati Krimmi endise Nõukogude Liidu suurim päikeseelektrijaam Perovo. Selle ehitus viidi lõpule 2011. aastal. Sellest elektrijaamast sai Austria ettevõtte Activ Solar 3. uuenduslik projekt. Perovo tippvõimsus on umbes 100 MW.

Ja sama aasta oktoobris käivitas Activ Solar teise päikeseelektrijaama, Ohhotnikovo, samuti Krimmis. Selle võimsus oli 80 MW. Okhotnikovo sai ka suurima staatuse, kuid Kesk- ja Ida-Euroopas. Võime öelda, et alternatiivenergia on Ukrainas astunud tohutu sammu turvalise ja ammendamatu energia suunas.

Kasahstanis tundub olukord veidi teistsugune. Põhimõtteliselt toimub alternatiivenergia areng selles riigis ainult teoreetiliselt. Vabariigil on tohutu potentsiaal, kuid see pole veel täielikult realiseerunud. Loomulikult tegeleb valitsus selle küsimusega ja isegi alternatiivenergia arendamiseks Kasahstanis on välja töötatud plaan, kuid taastuvatest allikatest, eriti päikesest saadava energia osakaal ei ületa 1%. riigi üldises energiabilansis. Aastaks 2020 on plaanis käivitada vaid 4 päikeseelektrijaama, mille koguvõimsus on 77 MW.

Ka alternatiivenergia areneb Venemaal märkimisväärses tempos. Kuid nagu energeetika aseminister ütles, keskendutakse selles valdkonnas peamiselt Kaug-Ida piirkondadele. Näiteks Jakuutias oli 4 kõige kaugemates põhjapoolsetes külades töötava päikeseelektrijaama koguvõimsus üle 50 tuhande kWh. See võimaldas säästa rohkem kui 14 tonni kallist diislikütust. Teine näide päikeseenergia kasutamisest on Lipetski oblastis ehitatav multifunktsionaalne lennukompleks. Selle tööks vajalikku elektrit toodab esimene päikeseelektrijaam, mis on samuti ehitatud Lipetski oblastisse.

Kõik see võimaldab teha järgmise järelduse: tänapäeval püüavad kõik riigid, isegi mitte kõige arenenumad, jõuda võimalikult lähedale hinnalisele eesmärgile: alternatiivsete energiaallikate kasutamisele. Kasvab ju elektritarbimine iga päevaga ja iga päevaga suureneb kahjulike heitmete hulk keskkonda. Ja paljud juba mõistavad, et meie tulevik ja meie planeedi tulevik sõltub ainult meist endist.

R. Abdullina

Ukraina toetub päikeseenergiale

Inimesed ei kujuta enam ettegi elu ilma elektrita ja iga aastaga kasvab vajadus energia järele aina enam, samal ajal kui energiaressursside nagu nafta, gaas ja kivisüsi varud vähenevad kiiresti. Inimkonnal pole muud võimalust kui kasutada alternatiivseid energiaallikaid. Üks võimalus elektri tootmiseks on päikeseenergia muundamine fotoelementide abil. Inimesed said teada, et päikeseenergiat on võimalik kasutada suhteliselt ammu, kuid hakkasid seda aktiivselt arendama alles viimase 20 aasta jooksul. Viimastel aastatel on tänu jätkuvatele uuringutele, uute materjalide kasutamisele ja loomingulistele disainilahendustele õnnestunud päikesepaneelide jõudlust oluliselt tõsta. Paljud usuvad, et tulevikus suudab inimkond loobuda traditsioonilistest elektritootmismeetoditest päikeseenergia kasuks ja hankida seda päikeseelektrijaamade abil.

Päikeseenergia

Päikeseenergia on üks mittetraditsioonilisel viisil elektritootmise allikatest, seetõttu liigitatakse see alternatiivse energiaallika hulka. Päikeseenergia kasutab päikesekiirgust ja muudab selle elektriks või muuks energiaks. Päikeseenergia ei ole ainult keskkonnasõbralik energiaallikas, sest... Päikeseenergia muundamisel ei eraldu kahjulikke kõrvalsaadusi, kuid päikeseenergia on ka ise uuenev alternatiivenergia allikas.

Kuidas päikeseenergia töötab

Teoreetiliselt ei ole keeruline arvutada, kui palju energiat päikeseenergia voolust saab, on juba ammu teada, et Päikesest Maale kauguse läbinud ja 1 m² suurusele pinnale kukkumine. 90° nurga all kannab päikesevoog atmosfääri sissepääsu juures energialaengut, mis on võrdne 1367 W/m², see on nn päikesekonstant. See on ideaalne võimalus ideaalsetes tingimustes, mida, nagu me teame, on praktiliselt võimatu saavutada. Seega on maksimaalne saadav voog pärast atmosfääri läbimist ekvaatoril ja on 1020 W/m², kuid keskmine päevane väärtus, mille saame, on päeva ja öö muutumise tõttu 3 korda väiksem. ja päikesevoo langemisnurga muutus. Ja parasvöötme laiuskraadidel kaasneb päeva ja öö vahetumisega ka aastaaegade vahetumine ja koos sellega ka päevavalgustundide pikkuse muutumine, nii et parasvöötme laiuskraadidel väheneb saadava energia hulk veel 2 korda.

Päikeseenergia arendamine ja levitamine

Nagu me kõik teame, saab päikeseenergia areng viimastel aastatel iga aastaga hoogu juurde, kuid proovime jälgida arengu dünaamikat. 1985. aastal oli globaalne päikeseenergia võimsus vaid 0,021 GW. 2005. aastal ulatusid need juba 1,656 GW-ni. 2005. aastat peetakse päikeseenergia arengus pöördepunktiks, sellest aastast hakati aktiivselt huvi tundma päikeseenergial töötavate elektrisüsteemide uurimise ja arendamise vastu. Edasine dünaamika ei jäta kahtlust (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Päikeseenergia kasutamises hoiavad peopesa Euroopa Liidu riigid ja USA, ainuüksi USA-s ja Saksamaal töötab tootmis- ja tegevusvaldkonnas kummaski üle 100 tuhande inimese. Samuti saavad oma saavutustega päikeseenergia arendamisel kiidelda Itaalia, Hispaania ja loomulikult Hiina, mis, kui mitte just päikesepatareide käitamise liider, on see, kuidas päikesepatareide tootja tõstab tootmistempot alates aastast. aastast aastasse.

Päikeseenergia kasutamise eelised ja puudused

Eelised: 1) keskkonnasõbralikkus - ei saasta keskkonda; 2) kättesaadavus - fotoelemendid on müügil mitte ainult tööstuslikuks kasutamiseks, vaid ka privaatsete mini-päikeseelektrijaamade loomiseks; 3) energiaallika ammendamatus ja isetaastuvus; 4) pidevalt vähenev elektritootmise maksumus.
Puudused: 1) ilmastikutingimuste ja kellaaja mõju tootlikkusele; 2) energia säästmiseks on vaja energiat akumuleerida; 3) aastaaegade vaheldumisest tingitud madalam tootlikkus parasvöötme laiuskraadidel; 4) õhu oluline kuumenemine päikeseelektrijaama kohal; 5) vajadus puhastada perioodiliselt fotoelementide pinda saastumisest ja see on problemaatiline fotosilmade paigaldamisega hõivatud tohutute alade tõttu; 6) võib rääkida ka seadmete suhteliselt kõrgest maksumusest, kuigi iga aastaga kulu väheneb, siis odavast päikeseenergiast pole siiani vaja rääkida.

Päikeseenergia arendamise väljavaated

Tänapäeval ennustatakse päikeseenergeetika arengule suurt tulevikku, iga aastaga ehitatakse järjest rohkem uusi päikeseelektrijaamu, mis hämmastab oma mastaabi ja tehniliste lahendustega. Samuti ei peatu teaduslikud uuringud, mille eesmärk on fotoelementide efektiivsuse tõstmine. Teadlased on välja arvutanud, et kui katame planeedi Maa maismaast 0,07%, fotoelementide efektiivsusega 10%, siis jätkub energiat enam kui 100% kõigi inimkonna vajaduste rahuldamiseks. Tänapäeval kasutatakse juba fotoelemente, mille kasutegur on 30%. Uurimisandmete järgi on teada, et teadlaste ambitsioonid tõotavad selle viia 85%-ni.

Päikeseelektrijaamad

Päikeseelektrijaamad on ehitised, mille ülesanne on muuta päikeseenergia vood elektrienergiaks. Päikeseelektrijaamade suurused võivad varieeruda, ulatudes mitme päikesepaneeliga privaatsetest minielektrijaamadest kuni hiiglaslike elektrijaamadeni, mille pindala on üle 10 km².

Mis tüüpi päikeseelektrijaamu on olemas?

Esimeste päikeseelektrijaamade ehitamisest on möödas päris palju aega, mille käigus on ellu viidud palju projekte ja rakendatud palju huvitavaid disainilahendusi. Kõik päikeseelektrijaamad on tavaks jagada mitmeks tüübiks:
1. Torn-tüüpi päikeseelektrijaamad.
2. Päikeseelektrijaamad, kus päikesepaneelid on fotogalvaanilised elemendid.
3. Dish päikeseelektrijaamad.
4. Paraboolsed päikeseelektrijaamad.
5. Päikese-vaakum-tüüpi päikeseelektrijaamad.
6. Segatüüpi päikeseelektrijaamad.

Torni tüüpi päikeseelektrijaamad

Väga levinud elektrijaama projekteerimise tüüp. See on kõrge tornikonstruktsioon, mille peal on mustaks värvitud veereservuaar, et paremini peegeldunud päikesevalgust meelitada. Torni ümber on suured üle 2 m² suurused peeglid, mis paiknevad ringikujuliselt, need kõik on ühendatud ühtse juhtimissüsteemiga, mis jälgib peeglite kaldenurga muutumist nii, et need peegeldaksid alati päikesevalgust ja suunaksid selle otse. torni tipus asuvasse veepaaki. Seega peegeldunud päikesevalgus soojendab vett, millest moodustub aur ning seejärel suunatakse see aur pumpade abil turbogeneraatorisse, kus tekib elekter. Paagi küttetemperatuur võib ulatuda 700 °C-ni. Torni kõrgus oleneb päikeseelektrijaama suurusest ja võimsusest ning algab reeglina 15 m kõrgusest ning suurima tänaste kõrgus on 140 m. Seda tüüpi päikeseelektrijaamad on väga levinud ja eelistatud paljudes riikides selle kõrge 20% efektiivsuse tõttu.

Fotoelemendi tüüpi päikeseelektrijaamad

Fotoelemente (päikesepatareisid) kasutatakse päikesevoo muundamiseks elektriks. Seda tüüpi elektrijaamad on muutunud väga populaarseks tänu võimalusele kasutada päikesepaneele väikeplokkides, mis võimaldab päikesepaneelide abil varustada elektriga nii eramuid kui ka suuri tööstusrajatisi. Veelgi enam, efektiivsus kasvab iga aastaga ja täna on juba 30% kasuteguriga fotoelemente.

Paraboolsed päikeseelektrijaamad

Seda tüüpi päikeseelektrijaam näeb välja nagu tohutud satelliitantennid, mille sisemus on kaetud peegelplaatidega. Põhimõte, mille järgi energia muundamine toimub, sarnaneb tornjaamadele väikese erinevusega: peeglite paraboolne kuju määrab, et kogu peegli pinnalt peegelduvad päikesekiired koonduvad keskele, kus asub vastuvõtja. vedelik, mis kuumeneb, moodustades auru, mis omakorda on väikeste generaatorite liikumapanev jõud.

Päikeseelektrijaamad

Elektrienergia tootmise põhimõte ja meetod on identsed torn- ja parabool-päikeseelektrijaamadega. Ainus erinevus on disainifunktsioonid. Statsionaarne struktuur, pisut nagu hiiglaslik metallpuu, hoiab ümmargusi lamedaid peegleid, mis koondavad päikeseenergia vastuvõtjale.

Päikese-vaakum-tüüpi päikeseelektrijaamad

See on väga ebatavaline viis päikeseenergia ja temperatuuride erinevuste kasutamiseks. Elektrijaama struktuur koosneb klaaskatusega ringikujulisest krundist, mille keskel on torn. Torn on seest õõnes, selle põhjas on mitu turbiini, mis pöörlevad tänu temperatuuride erinevusest tekkivale õhuvoolule. Klaaskatuse kaudu soojendab päike ruumis maapinda ja õhku ning hoone suhtleb väliskeskkonnaga toru kaudu ning kuna õhutemperatuur väljaspool ruumi on palju madalam, siis tekib õhutõmme, mis temperatuuri tõustes suureneb. erinevus. Seega toodavad turbiinid öösel rohkem elektrit kui päeval.

Segapäikeseelektrijaamad

Seda siis, kui teatud tüüpi päikeseelektrijaamad kasutavad objektide sooja vee ja soojuse varustamiseks abielementidena näiteks päikesekollektoreid või on võimalik torn-tüüpi elektrijaamas kasutada üheaegselt fotoelemente.

Päikeseenergia areneb suures tempos, inimesed mõtlevad lõpuks tõsiselt alternatiivsetele energiaallikatele, et ennetada vältimatult lähenevat energiakriisi ja keskkonnakatastroofi. Kuigi päikeseenergia liidrid on endiselt Ameerika Ühendriigid ja Euroopa Liit, hakkavad päikeseelektrijaamade tootmise ja kasutamise kogemusi ja tehnoloogiaid tasapisi omaks võtma ja kasutama ka kõik teised maailma suurriigid. Pole kahtlust, et päikeseenergiast saab varem või hiljem Maal peamine energiaallikas.

Päike on ammendamatu, keskkonnasõbralik ja odav energiaallikas. Nagu eksperdid ütlevad, ületab nädala jooksul Maa pinnale jõudev päikeseenergia kogus maailma kõigi nafta-, gaasi-, kivisöe- ja uraanivarude energiat 1 . Akadeemik Zh.I. Alferova sõnul on inimkonnal usaldusväärne looduslik termotuumareaktor - Päike. See on F-2 klassi staar, väga keskmine, millest Galaxys on kuni 150 miljardit. Kuid see on meie täht ja saadab Maale tohutuid jõude, mille ümberkujundamine võimaldab rahuldada peaaegu igasuguseid inimkonna energiavajadusi paljudeks sadadeks aastateks. Pealegi on päikeseenergia "puhas" ega avalda negatiivset mõju planeedi ökoloogiale 2.

Oluline punkt on asjaolu, et päikesepatareide tootmise tooraineks on üks levinumaid elemente - räni. Maakoores on räni hapniku järel teine ​​element (29,5 massiprotsenti) 3 . Paljude teadlaste arvates on räni “kahekümne esimese sajandi nafta”: üle 30 aasta toodab üks kilogramm räni fotogalvaanilises jaamas sama palju elektrit kui 75 tonni naftat soojuselektrijaamas.

Mõned eksperdid aga usuvad, et päikeseenergiat ei saa nimetada keskkonnasõbralikuks, kuna fotoakude jaoks on puhta räni tootmine väga “räpane” ja väga energiamahukas tootmine. Koos sellega nõuab päikeseelektrijaamade rajamine tohutute maade eraldamist, mis on pindalalt võrreldavad hüdroelektrijaamade veehoidlatega. Päikeseenergia teine ​​miinus on ekspertide sõnul suur volatiilsus. Energiasüsteemi, mille elementideks on päikeseelektrijaamad, tõhusa töö tagamine on võimalik tingimusel, et:
- traditsioonilisi energiaallikaid kasutavate märkimisväärsete reservvõimsuste olemasolu, mida saab ühendada öösel või pilvistel päevadel;
- elektrivõrkude mahuka ja kuluka moderniseerimise läbiviimine 4.

Vaatamata sellele puudusele areneb päikeseenergia kogu maailmas jätkuvalt. Esiteks tänu sellele, et kiirgusenergia odavneb ja muutub mõne aasta pärast oluliseks konkurendiks naftale ja gaasile.

Praegu on maailmas selliseid fotogalvaanilised paigaldised, päikeseenergia muutmine elektrienergiaks otsese muundamise meetodil ja termodünaamilised paigaldised, milles päikeseenergia muundatakse esmalt soojuseks, seejärel soojusmasina termodünaamilises tsüklis mehaaniliseks energiaks ja generaatoris elektrienergiaks.

Päikesepatareid energiaallikana saab kasutada:
- tööstuses (lennukitööstus, autotööstus jne),
- põllumajanduses,
- koduses sfääris,
- ehitustööstuses (näiteks ökomajad),
- päikeseelektrijaamades,
- autonoomsetes videovalvesüsteemides,
- autonoomsetes valgustussüsteemides,
- kosmosetööstuses.

Energeetikastrateegia instituudi andmetel on päikeseenergia teoreetiline potentsiaal Venemaal enam kui 2300 miljardit tonni tavakütust, majanduslik potentsiaal on 12,5 miljonit tonni samaväärset kütust. Kolme päeva jooksul Venemaa territooriumile jõudva päikeseenergia potentsiaal ületab meie riigi kogu aastase elektritoodangu energia.
Tulenevalt Venemaa asukohast (vahemikus 41–82 põhjalaiust) varieerub päikesekiirguse tase oluliselt: 810 kWh/m2 aastas kaugemates põhjapiirkondades kuni 1400 kWh/m2 aastas lõunapoolsetes piirkondades. Päikesekiirguse taset mõjutavad ka suured sesoonsed kõikumised: 55 kraadi laiusel on päikesekiirgus jaanuaris 1,69 kWh/m2 ja juulis 11,41 kWh/m2 ööpäevas.

Päikeseenergia potentsiaal on suurim edelaosas (Põhja-Kaukaasias, Must ja Kaspia meri) ning Lõuna-Siberis ja Kaug-Idas.

Päikeseenergia kasutamise osas kõige lootustandvamad piirkonnad: Kalmõkkia, Stavropoli territoorium, Rostovi oblast, Krasnodari territoorium, Volgogradi piirkond, Astrahani piirkond ja muud edelapiirkonnad, Altai, Primorye, Chita piirkond, Burjaatia ja muud piirkonnad kagus . Pealegi ületavad mõned Lääne- ja Ida-Siberi ning Kaug-Ida piirkonnad lõunapiirkondade päikesekiirguse taset. Näiteks Irkutskis (52 põhjalaiust) ulatub päikesekiirguse tase 1340 kWh/m2, Jakuutia-Sahha Vabariigis (62 põhjalaiuskraadi) aga 1290 kWh/m2. 5

Praegu on Venemaal arenenud tehnoloogiad päikeseenergia muundamiseks elektrienergiaks. On mitmeid ettevõtteid ja organisatsioone, kes on välja töötanud ja täiustavad fotoelektriliste muundurite tehnoloogiaid: nii räni- kui ka mitmeühendusega struktuuridel. Päikeseelektrijaamade kontsentreerimissüsteemide kasutamisel on mitmeid arenguid.

Päikeseenergia arengut toetav seadusandlik raamistik Venemaal on lapsekingades. Esimesed sammud on aga juba tehtud:
- 03.07.2008: VV määrus nr 426 „Taastuvate energiaallikate kasutamise baasil töötava tootmisseadme kvalifitseerimise kohta“;
- 8. jaanuar 2009: Vene Föderatsiooni valitsuse korraldus nr 1-r „Riikliku poliitika põhisuundade kohta taastuvate energiaallikate kasutamisel põhineva elektrienergia tööstuse energiatõhususe parandamisel perioodil aastani 2020"

Kinnitati eesmärgid tõsta taastuvate energiaallikate osakaal Venemaa energiabilansi üldises tasemes vastavalt 2,5% ja 4,5% aastaks 2015 ja 2020 6 .

Erinevate hinnangute kohaselt ei ületa Venemaal praegu paigaldatud päikeseenergia tootmisvõimsust rohkem kui 5 MW, millest enamik langeb kodumajapidamistele. Venemaa päikeseenergia suurim tööstusrajatis on 2010. aastal käiku pandud päikeseelektrijaam Belgorodi oblastis võimsusega 100 kW (võrdluseks, maailma suurim päikeseelektrijaam asub Kanadas võimsusega 80 000 kW) .

Praegu viiakse Venemaal ellu kaks projekti: päikeseparkide ehitamine Stavropoli territooriumil (võimsus - 12 MW) ja Dagestani Vabariigis (10 MW) 7 . Vaatamata taastuvenergia toetuse puudumisele viivad mitmed ettevõtted ellu väikesemahulisi päikeseenergia projekte. Näiteks paigaldas Sakhaenergo Jakuutiasse väikese jaama võimsusega 10 kW.

Moskvas on väikesed installatsioonid: Leontyevsky Lane'il ja Mitšurinski prospektil on mitme maja sissepääsud ja siseõued valgustatud päikesemoodulitega, mis on vähendanud valgustuskulusid 25%. Timirjazevskaja tänaval on ühe bussipeatuse katusele paigaldatud päikesepaneelid, mis tagavad viite- ja infotranspordisüsteemi ning WiFi töö.

Päikeseenergia areng Venemaal on tingitud mitmest tegurist:

1) kliimatingimused: see tegur ei mõjuta mitte ainult võrgu pariteedi saavutamise aastat, vaid ka konkreetse piirkonna jaoks kõige sobivama päikeseenergia paigaldamise tehnoloogia valikut;

2)valitsuse toetus: Päikeseenergia jaoks on seaduslikult kehtestatud majanduslike stiimulite olemasolu ülioluline
selle areng. Mitmetes Euroopa ja USA riikides edukalt kasutatavate valitsuse toetuste liikide hulgast võib esile tõsta: päikeseelektrijaamade soodustariifid, päikeseelektrijaamade ehitamise toetused, erinevad maksusoodustuste võimalused, osa hüvitamine. laenude teenindamise kuludest päikeseenergiaseadmete ostmiseks;

3)PVEU (fotogalvaanilised päikesepaigaldised) maksumus: Tänapäeval on päikeseelektrijaamad üks kallimaid kasutusel olevaid elektritootmistehnoloogiaid. Kuna aga toodetud elektri 1 kWh maksumus väheneb, muutub päikeseenergia konkurentsivõimeliseks. Nõudlus päikeseelektrijaamade järele sõltub päikeseelektrijaamade installeeritud võimsuse 1W maksumuse vähenemisest (2010. aastal ~3000 dollarit). Kulude vähendamine saavutatakse efektiivsuse tõstmise, tehnoloogiliste kulude vähendamise ja tootmise kasumlikkuse vähendamisega (konkurentsi mõju). 1 kW võimsuse maksumuse vähendamise potentsiaal sõltub tehnoloogiast ja jääb vahemikku 5% kuni 15% aastas;

4) keskkonnastandardid: Päikeseenergia turgu võivad positiivselt mõjutada keskkonnastandardite (piirangud ja trahvid) karmistamine seoses Kyoto protokolli võimaliku läbivaatamisega. Saastekvootide müügi mehhanismide täiustamine võib anda PVEM-turule uue majandusliku stiimuli;

5) elektri nõudluse ja pakkumise tasakaal: olemasolevate ambitsioonikate plaanide elluviimine tootmis- ja elektrivõrkude ehitamiseks ja rekonstrueerimiseks
Venemaa RAO UES-ist tööstusreformi käigus eraldatud ettevõtete võimsus suurendab oluliselt elektrivarustust ja võib suurendada survet hindadele
hulgimüügiturul. Vana võimsuse kaotamine ja samaaegne nõudluse kasv toob aga kaasa hindade tõusu;

6)tehnoloogilise ühendusega seotud probleemide olemasolu: viivitused tsentraliseeritud toitesüsteemiga tehnoloogilise ühendamise taotluste täitmisel on stiimuliks üleminekuks alternatiivsetele energiaallikatele, sealhulgas PVEU-le. Sellised viivitused on tingitud nii objektiivsest võimsuse puudumisest kui ka võrguettevõtete tehnoloogilise liitumise korraldamise ebaefektiivsusest või tehnoloogilise ühendamise tariifist rahastamise puudumisest;

7) kohalike omavalitsuste algatused: Piirkonna- ja vallavalitsused saavad rakendada oma programme päikeseenergia või laiemalt taastuvate/mittetraditsiooniliste energiaallikate arendamiseks. Tänapäeval rakendatakse selliseid programme juba Krasnojarski ja Krasnodari territooriumil, Burjaatia Vabariigis jne;

8) oma toodangu arendamine: Venemaa päikeseelektrijaamade tootmine võib avaldada positiivset mõju Venemaa päikeseenergia tarbimise arengule. Esiteks, tänu oma toodangule tõuseb elanike üldine teadlikkus päikesetehnoloogiate kättesaadavusest ja nende populaarsusest. Teiseks vähenevad SFEU kulud lõpptarbijatele, vähendades turustusahela vahelülisid ja vähendades transpordikomponenti 8 .

Päikeseenergia

Päikesekiirguse parameetrid

Kõigepealt on vaja hinnata päikesekiirguse potentsiaalset energiavõimet. Siin on kõige olulisem selle kogu erivõimsus Maa pinnal ja selle võimsuse jaotus erinevates kiirgusvahemikes.

Päikesekiirguse võimsus

Seniidis asuva Päikese kiirgusvõimsuseks Maa pinnal hinnatakse ligikaudu 1350 W/m2. Lihtne arvutus näitab, et 10 kW võimsuse saamiseks on vaja koguda päikesekiirgust vaid 7,5 m2 alalt. Kuid see on selgel pärastlõunal kõrgel mägedes asuvas troopilises vööndis, kus atmosfäär on haruldane ja kristallselge. Niipea, kui Päike hakkab horisondi poole kalduma, suureneb selle kiirte teekond läbi atmosfääri ja vastavalt sellele suurenevad kaod sellel teel. Tolmu või veeauru olemasolu atmosfääris, isegi ilma spetsiaalsete instrumentideta hoomamatutes kogustes, vähendab energiavoogu veelgi. Kuid isegi suve pärastlõunal keskmises tsoonis on iga päikesekiirtega risti orienteeritud ruutmeetri kohta päikeseenergia voog, mille võimsus on ligikaudu 1 kW.

Muidugi vähendab isegi kerge pilvkate järsult pinnale jõudvat energiat, eriti infrapuna (termilise) vahemikus. Mõni energia tungib siiski pilvede vahele. Keskmises tsoonis, kus on keskpäeval tugev pilvisus, on Maa pinnale jõudva päikesekiirguse võimsus hinnanguliselt ligikaudu 100 W/m2 ja ainult harvadel juhtudel, eriti tiheda pilve korral, võib see langeda alla selle väärtuse. Ilmselgelt tuleb sellistes tingimustes 10 kW saamiseks päikesekiirgust täielikult, ilma kadude ja peegeldusteta koguda mitte 7,5 m2 maapinnalt, vaid tervelt sajalt ruutmeetrilt (100 m2).

Tabelis on toodud lühikesed keskmistatud andmed päikesekiirguse energia kohta mõne Venemaa linna kohta, võttes arvesse kliimatingimusi (pilvisuse sagedus ja intensiivsus) horisontaalse pinnaühiku kohta. Nende andmete üksikasjad, lisaandmed muude kui horisontaalsete paneelide orientatsioonide kohta, samuti andmed teiste Venemaa piirkondade ja endise NSV Liidu riikide kohta on esitatud eraldi lehel.

Optimaalse kaldenurga all asetatud fikseeritud paneel on võimeline neelama 1,2...1,4 korda rohkem energiat kui horisontaalne ja kui see pöörleb pärast Päikest, on tõus 1,4...1,8 korda. Seda saab näha kuude kaupa erinevate kaldenurkade all lõunasse orienteeritud fikseeritud paneelide ja Päikese liikumist jälgivate süsteemide puhul. Päikesepaneelide paigutuse iseärasusi käsitletakse üksikasjalikumalt allpool.

Otsene ja hajutatud päikesekiirgus

On hajutatud ja otsest päikesekiirgust. Otsese päikesekiirguse tõhusaks tajumiseks peab paneel olema suunatud päikesevalguse vooluga risti. Hajutatud kiirguse tajumiseks pole orientatsioon nii kriitiline, kuna see tuleb üsna ühtlaselt peaaegu kogu taevast – nii valgustatakse pilvistel päevadel maapinda (sellel põhjusel ei ole pilvise ilmaga objektidel selgelt näha määratletud vari ning vertikaalsed pinnad, nagu sambad ja majaseinad, praktiliselt ei tekita nähtavat varju).

Otsese ja hajutatud kiirguse suhe sõltub tugevalt ilmastikutingimustest erinevatel aastaaegadel. Näiteks Moskvas on talv pilvine ja jaanuaris ületab hajutatud kiirguse osatähtsus 90% kogu insolatsioonist. Kuid isegi Moskva suvel moodustab hajutatud kiirgus peaaegu poole kogu maapinnale jõudvast päikeseenergiast. Samas jääb päikeselises Bakuus nii talvel kui ka suvel hajutatud kiirguse osakaal koguinsolatsioonist vahemikku 19–23% ning päikesekiirgusest vastavalt umbes 4/5 on otsene. Mõne linna hajutatud ja summaarse insolatsiooni suhe on toodud üksikasjalikumalt eraldi lehel.

Energia jaotus päikesespektris

Päikese spekter on praktiliselt pidev ülimalt laias sagedusvahemikus – alates madalsageduslikest raadiolainetest kuni ülikõrge sagedusega röntgeni- ja gammakiirguseni. Muidugi on raske nii erinevat tüüpi kiirgust ühtviisi efektiivselt tabada (võib-olla on see võimalik vaid teoreetiliselt “ideaalse musta keha” abil). Kuid see pole vajalik - esiteks kiirgab Päike ise erinevates sagedusvahemikes erineva tugevusega ja teiseks ei jõua kõik, mida Päike kiirgab, Maa pinnale - teatud spektri osad neelavad suuresti atmosfääri erinevad komponendid - peamiselt osoonikiht, veeaur ja süsihappegaas.

Seetõttu piisab, kui määratleme need sagedusvahemikud, milles Maa pinnal täheldatakse suurimat päikeseenergia voogu, ja kasutame neid. Traditsiooniliselt eraldatakse päikese- ja kosmilist kiirgust mitte sageduse, vaid lainepikkuse järgi (see on tingitud sellest, et eksponendid on selle kiirguse sageduste jaoks liiga suured, mis on väga ebamugav - nähtav valgus hertsides vastab 14. järku). Vaatame päikesekiirguse energiajaotuse sõltuvust lainepikkusest.

Nähtava valguse vahemikuks loetakse lainepikkuste vahemikku 380 nm (sügavvioletne) kuni 760 nm (sügavpunane). Kõigil, millel on lühem lainepikkus, on suurem footonienergia ja see jaguneb ultraviolett-, röntgen- ja gammakiirguse vahemikeks. Vaatamata footonite suurele energiale ei ole nendes vahemikes nii palju footoneid endid, mistõttu on selle spektriosa koguenergia panus väga väike. Kõik, millel on pikem lainepikkus, omab nähtava valgusega võrreldes madalamat footoni energiat ja jaguneb infrapunavahemikuks (soojuskiirgus) ja raadioulatuse erinevateks osadeks. Graafik näitab, et infrapunapiirkonnas kiirgab Päike peaaegu sama palju energiat kui nähtaval (nivood on väiksemad, kuid ulatus laiem), kuid raadiosagedusalas on kiirgusenergia väga väike.

Seega energia seisukohalt piisab, kui piirdume nähtava ja infrapuna sagedusvahemikuga, samuti ultraviolettkiirguse lähedal (kusagil kuni 300 nm, lühema lainepikkusega kõva ultraviolett neeldub peaaegu täielikult nn. osoonikiht, tagades just selle osooni sünteesi õhuhapnikust). Ja lõviosa Maa pinnale jõudvast päikeseenergiast on koondunud lainepikkuste vahemikku 300–1800 nm.

Piirangud päikeseenergia kasutamisel

Päikeseenergia kasutamisega seotud peamised piirangud on tingitud selle ebaühtlusest – päikesepaigaldised ei tööta öösel ja on ebaefektiivsed pilvise ilmaga. See on ilmne peaaegu kõigile.

Siiski on veel üks asjaolu, mis on meie üsna põhjapoolsemate laiuskraadide puhul eriti aktuaalne – päevade pikkuse hooajalised erinevused. Kui troopiliste ja ekvatoriaalvööndite puhul sõltub päeva ja öö kestus veidi aastaajast, siis juba Moskva laiuskraadil on lühim päev pikimast peaaegu 2,5 korda lühem! Tsirkumpolaarsetest piirkondadest ma isegi ei räägi... Selle tulemusena suudab Moskva lähedal asuv päikeseinstallatsioon selgel suvepäeval toota mitte vähem energiat kui ekvaatoril (päike on madalamal, aga päev pikem). Talvel, kui energiavajadus on aga eriti suur, väheneb selle toodang, vastupidi, mitu korda. Tõepoolest, lisaks lühikestele päevavalgustundidele peavad madala talvise päikese kiired isegi keskpäeval läbima palju paksema atmosfäärikihi ja seetõttu kaotama sellel teel oluliselt rohkem energiat kui suvel, kui päike on kõrgel. ja kiired läbivad atmosfääri peaaegu vertikaalselt (väljend "külm talvepäike" omab kõige otsesemat füüsilist tähendust). See aga ei tähenda, et päikesepaigaldised keskmises tsoonis ja isegi palju põhjapoolsemates piirkondades oleksid täiesti kasutud – kuigi talvel, pikkade päevade perioodil, vähemalt kuus kuud kevadise ja sügisese pööripäeva vahel on neist vähe kasu. , need on üsna tõhusad.

Eriti huvitav on päikesepatareide kasutamine üha laialdasemalt levivate, kuid väga "räpane" kliimaseadmete toiteks. Lõppude lõpuks, mida tugevamini päike paistab, seda kuumemaks läheb ja seda rohkem on vaja konditsioneeri. Kuid sellistes tingimustes on päikesepaigaldised võimelised ka rohkem energiat tootma ja seda energiat kasutab kliimaseade "siin ja praegu", seda pole vaja koguda ja salvestada! Lisaks ei ole üldse vaja energiat elektriliseks muuta – neeldumissoojusmootorid kasutavad soojust otse, mis tähendab, et fotogalvaaniliste akude asemel saab kasutada päikesekollektoreid, mis on kõige tõhusamad selge ja kuuma ilmaga. Tõsi, ma usun, et kliimaseadmed on asendamatud ainult kuumades veevabades piirkondades ja niiskes troopilises kliimas, aga ka tänapäevastes linnades, olenemata nende asukohast. Pädevalt projekteeritud ja ehitatud maamaja mitte ainult keskmises tsoonis, vaid ka suuremas osas Venemaa lõunaosast ei vaja sellist energianäljast, mahukat, mürarikast ja kapriisset seadet.

Kahjuks on linnapiirkondades enam-vähem võimsate päikesepatareide individuaalne kasutamine, millel on märgatav praktiline kasu, võimalik vaid harvadel juhtudel, eriti õnnelikel asjaoludel. Siiski ei pea ma linnakorterit täisväärtuslikuks eluasemeks, kuna selle normaalne toimimine sõltub liiga paljudest teguritest, mis ei ole elanike otsesel kontrollimisel puhttehnilistel põhjustel kättesaadavad ja seetõttu vähemalt eluaseme rikke korral. üks elutagamissüsteeme enam-vähem pikaks ajaks Kaasaegses kortermajas ei muutu sealsed tingimused elamiseks vastuvõetavaks (pigem tuleks kõrghoone korterit käsitleda omamoodi hotellitoana, mis elanikud ostsid tähtajatult kasutusse või üürisid vallalt). Kuid väljaspool linna võib eriline tähelepanu päikeseenergiale olla enam kui õigustatud isegi väikesel 6 aakri suurusel krundil.

Päikesepaneelide paigutuse omadused

Päikesepaneelide optimaalse orientatsiooni valimine on mis tahes tüüpi päikesepatareipaigaldiste praktilisel kasutamisel üks olulisemaid küsimusi. Kahjuks arutatakse seda aspekti erinevatel päikeseenergiale pühendatud saitidel väga vähe, kuigi selle tähelepanuta jätmine võib vähendada paneelide efektiivsust vastuvõetamatu tasemeni.

Fakt on see, et kiirte langemisnurk pinnal mõjutab suuresti peegeldustegurit ja seega ka mittevastuvõtliku päikeseenergia osakaalu. Näiteks klaasi puhul, kui langemisnurk kaldub selle pinnaga risti kuni 30°, siis peegelduskoefitsient praktiliselt ei muutu ja on veidi alla 5%, s.o. enam kui 95% langevast kiirgusest liigub sissepoole. Edasi on märgatav peegelduse suurenemine ja 60° võrra kahekordistub peegeldunud kiirguse osakaal – peaaegu 10%. 70° langemisnurga korral peegeldub umbes 20% kiirgusest ja 80° juures - 40%. Enamiku teiste ainete puhul on peegeldusastme sõltuvus langemisnurgast ligikaudu sama.

Veelgi olulisem on nn efektiivne paneeliala, st. kiirgusvoo ristlõige, mida see katab. See võrdub paneeli tegeliku pindalaga, mis on korrutatud selle tasandi ja voolusuuna vahelise nurga siinusega (või, mis on sama, paneeliga risti oleva nurga ja suuna vahelise nurga koosinusega voolust). Seega, kui paneel on vooluga risti, on selle efektiivne pindala võrdne selle tegeliku pindalaga, kui vool on risti 60° võrra kõrvale kaldunud, on see pool tegelikust pindalast ja kui vool on paneeliga paralleelne, selle efektiivne pindala on null. Seega ei suurenda voolu märkimisväärne kõrvalekalle risti paneeli suhtes mitte ainult peegeldust, vaid vähendab selle efektiivset pindala, mis põhjustab väga märgatava tootmise languse.

Ilmselgelt on meie eesmärkidel kõige tõhusam paneeli pidev suunamine päikesekiirte vooluga risti. Kuid see nõuab paneeli positsiooni muutmist kahel tasapinnal, kuna Päikese asukoht taevas ei sõltu mitte ainult kellaajast, vaid ka aastaajast. Kuigi selline süsteem on tehniliselt kindlasti võimalik, on see väga keeruline ja seetõttu kallis ning mitte eriti töökindel.

Pidagem aga meeles, et langemisnurkade puhul kuni 30° on peegelduskoefitsient õhk-klaasi liidesel minimaalne ja praktiliselt muutumatu ning aasta jooksul Päikese maksimaalse tõusu nurk horisondi kohal hälbib. keskmisest asendist mitte rohkem kui ±23°. Paneeli efektiivne pindala ristnurgast 23° võrra kõrvalekaldumisel jääb samuti üsna suureks - vähemalt 92% selle tegelikust pindalast. Seetõttu saate keskenduda Päikese maksimaalse tõusu keskmisele aastasele kõrgusele ja praktiliselt ilma efektiivsuse vähenemiseta piirduda pöörlemisega ainult ühel tasapinnal - ümber Maa polaartelje kiirusega 1 pööre päevas. . Sellise pöörlemise telje kaldenurk horisontaali suhtes on võrdne koha geograafilise laiuskraadiga. Näiteks Moskva puhul, mis asub 56° laiuskraadil, peaks sellise pöörlemise telg olema pinna suhtes 56° põhja poole kallutatud (või, mis on sama, vertikaalsest kõrvale kalduda 34° võrra). Sellist pöörlemist on palju lihtsam korraldada, kuid suur paneel nõuab sujuvaks pöörlemiseks palju ruumi. Lisaks on vaja korraldada kas liugühendus, mis võimaldab kogu pidevalt pöörlevalt paneelilt eemaldada kogu selle saadava energia või piirduda paindliku sidega fikseeritud ühendusega, kuid tagada paneeli automaatne tagasipöördumine öösel. - vastasel juhul ei saa vältida energiat eemaldavate kommunikatsioonide väändumist ja purunemist. Mõlemad lahendused suurendavad järsult süsteemi keerukust ja vähendavad töökindlust. Paneelide võimsuse (ja seega ka suuruse ja kaalu) kasvades muutuvad tehnilised probleemid eksponentsiaalselt keerukamaks.

Seoses kõige eelnevaga monteeritakse peaaegu alati üksikute päikesepatareipaigaldiste paneelid liikumatult, mis tagab paigalduse suhtelise odavuse ja kõrgeima töökindluse. Siin muutub aga eriti oluliseks paneeli paigutuse nurga valik. Vaatleme seda probleemi Moskva näitel.

Vaatame erinevate paneelide paigaldusnurkade insolatsiooniskeeme. Loomulikult on Päikese järel pöörlev paneel konkurentsist väljas (oranž joon). Kuid isegi pikkadel suvepäevadel ületab selle efektiivsus fikseeritud horisontaalsete (sinine) ja optimaalse nurga all kallutatud (punane) paneelide efektiivsust vaid umbes 30%. Kuid tänapäeval on soojust ja valgust piisavalt! Kuid kõige energiavaesemal perioodil oktoobrist veebruarini on pöörleva paneeli eelis fikseeritud paneeli ees minimaalne ja peaaegu märkamatu. Tõsi, praegu pole kaldpaneeli ettevõte horisontaalne, vaid vertikaalne paneel (roheline joon). Ja see pole üllatav – talvise päikese madalad kiired libisevad üle horisontaalpaneeli, kuid neid tajub hästi vertikaalne paneel, mis on nendega peaaegu risti. Seetõttu on vertikaalne paneel veebruaris, novembris ja detsembris efektiivsem kui isegi kaldpaneel ega erine peaaegu üldse pöörlevast. Märtsis ja oktoobris on päevad pikemad ja pöörlev paneel hakkab juba kindlalt (kuigi mitte väga) ületama kõiki fikseeritud valikuid, kuid kald- ja vertikaalpaneelide efektiivsus on peaaegu sama. Ja ainult pikkade päevade perioodil aprillist augustini on horisontaalpaneel vastuvõetud energia poolest vertikaalsest paneelist ees ja läheneb kaldpaneelile ning juunis ületab seda isegi veidi. Vertikaalse paneeli suvine kadu on loomulik - lõppude lõpuks kestab suvine pööripäeva päev Moskvas rohkem kui 17 tundi ja vertikaalse paneeli eesmises (töötavas) poolkeras ei saa päike püsida kauem kui 12 tundi, ülejäänud 5 tundi (peaaegu kolmandik päevavalgustundidest!) on seljataga. Kui võtta arvesse, et üle 60° langemisnurga korral hakkab paneeli pinnalt peegelduva valguse osakaal kiiresti kasvama ja selle efektiivne pindala väheneb poole või enama võrra, siis efektiivse tajumise aeg. sellise paneeli päikesekiirgus ei ületa 8 tundi, st vähem kui 50% ööpäeva kogukestusest. Just see seletab tõsiasja, et vertikaalsete paneelide jõudlus stabiliseerub kogu pikkade päevade jooksul – märtsist septembrini. Ja lõpuks, jaanuar erineb mõnevõrra – sel kuul on kõigi suundadega paneelide jõudlus peaaegu sama. Fakt on see, et sel kuul on Moskvas väga pilvine ja üle 90% kogu päikeseenergiast pärineb hajutatud kiirgusest ning sellise kiirguse puhul pole paneeli orientatsioon eriti oluline (peaasi, et seda ei suunataks maapind). Kuid mõned päikesepaistelised päevad, mis jaanuaris siiski ette tulevad, vähendavad horisontaalpaneeli tootmist ülejäänutega võrreldes 20%.

Millise kaldenurga valida? Kõik sõltub sellest, millal täpselt päikeseenergiat vajate. Kui soovite seda kasutada ainult soojal aastaajal (näiteks maal), peaksite valima niinimetatud "optimaalse" kaldenurga, mis on risti Päikese keskmise asendiga kevadise ja sügisese pööripäeva vahelisel perioodil. . See on geograafilisest laiuskraadist ligikaudu 10° .. 15° vähem ja Moskva puhul on see 40° .. 45°. Kui vajad energiat aastaringselt, siis tuleks energiavaestel talvekuudel maksimum välja pigistada, mis tähendab, et tuleb keskenduda Päikese keskmisele asendile sügisese ja kevadise pööripäeva vahel ning asetada paneelid sellele lähemale. vertikaal - 5° .. 15° rohkem kui geograafiline laiuskraad (Moskva puhul on see 60° .. 70°). Kui arhitektuurilistel või kujunduslikel põhjustel ei ole võimalik sellist nurka hoida ja peate valima 40° või väiksema kaldenurga või vertikaalse paigalduse vahel, peaksite eelistama vertikaalset asendit. Samas ei ole pikkadel suvepäevadel energia “puudus” nii kriitiline - sel perioodil on loomulikku soojust ja valgust küllaga ning energiatootmise vajadus pole tavaliselt nii suur kui talvel ja vabal ajal. - hooaeg. Loomulikult peaks paneeli kalle olema suunatud lõunasse, kuigi kõrvalekalle sellest suunast 10°...15° ida või lääne suunas muutub vähe ja on seetõttu üsna vastuvõetav.

Päikesepaneelide horisontaalne paigutamine kogu Venemaal on ebaefektiivne ja täiesti põhjendamatu. Lisaks liiga suurele energiatootmise vähenemisele sügis-talvisel perioodil koguneb horisontaalpaneelidele intensiivselt tolm, talvel ka lund, mida saab sealt eemaldada vaid spetsiaalselt organiseeritud puhastuse abil (tavaliselt käsitsi). Kui paneeli kalle ületab 60°, siis lumi selle pinnal palju ei jää ja tavaliselt mureneb kiiresti ise ning õhukese tolmukihi uhub vihm kergesti maha.

Kuna päikeseenergia seadmete hinnad on viimasel ajal langenud, võib ühe lõunasse orienteeritud päikesepaneelide välja asemel olla kasulik kasutada kahte suurema koguvõimsusega paneeli, mis on orienteeritud kõrvuti (kagus ja edelas) ja isegi vastassuunas (ida). ja lääne) kardinaalsed suunad. See tagab ühtlasema toodangu päikesepaistelistel päevadel ja suurenenud toodangu pilvistel päevadel, samas kui ülejäänud seadmed jäävad samale, suhteliselt väikesele võimsusele mõeldud ning seetõttu kompaktsemad ja odavamad.

Ja viimane asi. Klaas, mille pind ei ole sile, kuid on erilise reljeefiga, suudab palju tõhusamalt tajuda külgvalgust ja edastada seda päikesepaneeli tööelementidele. Kõige optimaalsem näib olevat laineline reljeef, mille eendid ja süvendid on orienteeritud põhjast lõunasse (vertikaalsete paneelide puhul - ülalt alla) - omamoodi lineaarne lääts. Lainepapist klaas võib suurendada fikseeritud paneeli tootmist 5% või rohkem.

Traditsioonilised päikeseenergiapaigaldiste tüübid

Aeg-ajalt tuleb teateid mõne järjekordse päikeseelektrijaama (SPP) või magestamisjaama ehitamisest. Päikesesoojuskollektoreid ja fotogalvaanilisi päikesepaneele kasutatakse kõikjal maailmas Aafrikast Skandinaaviani. Neid päikeseenergia kasutamise meetodeid on arendatud aastakümneid, paljudel Interneti-saitidel on neile pühendatud. Seetõttu käsitlen neid siin väga üldiselt. Ühte olulist punkti aga Internetis praktiliselt ei käsitleta - see on konkreetsete parameetrite valik individuaalse päikeseenergia toitesüsteemi loomisel. Vahepeal pole see küsimus nii lihtne, kui esmapilgul tundub. Päikeseenergiasüsteemi parameetrite valimise näide on toodud eraldi lehel.

Päikesepaneelid

Üldiselt võib "päikesepatarei" all mõelda mis tahes identsete moodulite komplekti, mis tajuvad päikesekiirgust ja on ühendatud üheks seadmeks, sealhulgas puhtalt termilised, kuid traditsiooniliselt on see mõiste omistatud spetsiaalselt fotoelektriliste muunduri paneelidele. Seetõttu tähendab termin "päikesepatarei" peaaegu alati fotogalvaanilist seadet, mis muundab päikesekiirguse otse elektrivooluks. Seda tehnoloogiat on aktiivselt arendatud alates 20. sajandi keskpaigast. Suureks stiimuliks selle arendamiseks oli avakosmose uurimine, kus päikesepatareid suudavad praegu toodetud võimsuse ja tööaja poolest konkureerida vaid väikesemahuliste tuumaenergiaallikatega. Selle aja jooksul kasvas päikesepatareide muundamise efektiivsus ühelt-kahelt protsendilt 17%-ni või enamgi masstootmises suhteliselt odavate mudelite puhul ja üle 42% prototüüpide puhul. Kasutusiga ja töökindlus on oluliselt suurenenud.

Päikesepaneelide eelised

Päikesepaneelide peamine eelis on nende äärmine disaini lihtsus ja liikuvate osade täielik puudumine. Tulemuseks on väike erikaal ja vähenõudlikkus kombineerituna suure töökindlusega, samuti võimalikult lihtne paigaldus ja minimaalsed hooldusnõuded töötamise ajal (tavaliselt piisab vaid mustuse eemaldamisest tööpinnalt selle kogunedes). Väikese paksusega lamedaid elemente esindavad need paigutatakse üsna edukalt päikesepoolsele katusekaldele või maja seinale, praktiliselt ilma lisaruumi või eraldi mahukate konstruktsioonide ehitamist nõudmata. Ainus tingimus on, et miski ei tohiks neid võimalikult kaua varjata.

Teine oluline eelis on see, et energia tekib koheselt elektri kujul – seni kõige universaalsemal ja mugavamal kujul.

Kahjuks ei kesta miski igavesti – fotogalvaaniliste muundurite kasutegur nende kasutusea jooksul väheneb. Tavaliselt päikesepatareid moodustavad pooljuhtplaadid lagunevad aja jooksul ja kaotavad oma omadused, mille tulemusena muutub päikesepatareide niigi mitte väga kõrge kasutegur veelgi madalamaks. Pikaajaline kõrge temperatuuriga kokkupuude kiirendab seda protsessi. Alguses märkisin seda fotogalvaaniliste patareide puudusena, eriti kuna "surnud" fotogalvaanilisi elemente ei saa taastada. Siiski on ebatõenäoline, et ükski mehaaniline elektrigeneraator suudab pärast 10-aastast pidevat töötamist näidata vähemalt 1% efektiivsust - tõenäoliselt nõuab see palju varem tõsist remonti mehaanilise kulumise tõttu, kui mitte laagrite, siis harjade kulumise tõttu. - ja kaasaegsed fotokonverterid suudavad säilitada oma efektiivsust aastakümneid. Optimistlike hinnangute kohaselt väheneb 25 aastaga päikesepatarei kasutegur vaid 10%, mis tähendab, et kui muud tegurid ei sekku, siis ka 100 aasta pärast jääb ligi 2/3 esialgsest kasutegurist alles. Polü- ja monokristallilisel ränil põhinevate masskaubanduslike fotogalvaaniliste elementide puhul annavad ausad tootjad ja müüjad aga veidi teistsugused vananemisnäitajad – 20 aasta pärast võiks oodata kuni 20% efektiivsuse kaotust (siis teoreetiliselt 40 aasta pärast on kasutegur suurem 2/3 algsest, 60 aastaga poole võrra ja 100 aasta pärast jääb alles veidi vähem kui 1/3 esialgsest tootlikkusest). Üldiselt on tänapäevaste fotokonverterite tavaline kasutusiga vähemalt 25...30 aastat, seega lagunemine pole nii kriitiline ning palju olulisem on neilt tolm õigel ajal maha pühkida...

Kui akud on paigaldatud nii, et looduslik tolm praktiliselt puudub või see uhub kiiresti looduslike vihmadega, siis töötavad need ilma igasuguse hoolduseta mitu aastat. Võimalus töötada nii pikka aega hooldusvabas režiimis on veel üks oluline eelis.

Lõpuks on päikesepaneelid võimelised tootma energiat koidikust hilisõhtuni, isegi pilvise ilmaga, kui päikesesoojuskollektorid erinevad ümbritsevast temperatuurist vaid veidi. Muidugi, võrreldes selge päikesepaistelise päevaga langeb nende tootlikkus kordades, kuid midagi on parem kui mitte midagi! Sellega seoses pakub erilist huvi maksimaalse energiamuundusega akude väljatöötamine nendes vahemikes, kus pilved neelavad päikesekiirgust kõige vähem. Lisaks tuleks päikese fotokonvertereid valides pöörata tähelepanu nende tekitatava pinge sõltuvusele valgustusest – see peaks olema võimalikult väike (valgustuse vähenemisel peaks esmalt langema vool, mitte pinge, sest muidu Pilvestel päevadel peate kasutama kalleid lisaseadmeid, mis sunniviisiliselt tõstavad pinget miinimumini, mis on piisav akude laadimiseks ja inverterite kasutamiseks).

Päikesepaneelide miinused

Loomulikult on päikesepaneelidel palju puudusi. Lisaks olenevalt ilmast ja kellaajast võib märkida järgmist.

Madal efektiivsus. Seesama päikesekollektor on õige kuju ja pinnamaterjaliga võimeline neelama peaaegu kogu seda tabavat päikesekiirgust peaaegu kogu märgatavat energiat kandval sagedusspektril – kaugest infrapunast kuni ultraviolettkiirguseni. Päikesepatareid muundavad energiat valikuliselt - aatomite tööks ergutamiseks on vaja teatud footonite energiaid (kiirgussagedusi), seetõttu on mõnes sagedusribas muundamine väga efektiivne, teised sagedusvahemikud on nende jaoks kasutud. Lisaks kasutatakse nende püütud footonite energiat kvantitatiivselt - selle "ülejääk", mis ületab nõutavat taset, läheb fotokonverteri materjali soojendamiseks, mis on antud juhul kahjulik. See seletab suuresti nende madalat efektiivsust.
Muide, kui valite vale kaitsekattematerjali, võite aku efektiivsust oluliselt vähendada. Asja raskendab asjaolu, et tavaline klaas neelab vahemiku suure energiaga ultraviolettkiirguse osa üsna hästi ja teatud tüüpi fotoelementide puhul on see konkreetne vahemik vägagi asjakohane - infrapuna footonite energia on nende jaoks liiga madal.

Tundlikkus kõrge temperatuuri suhtes. Temperatuuri tõustes päikesepatareide, nagu peaaegu kõigi teiste pooljuhtseadmete, efektiivsus väheneb. Temperatuuril üle 100...125°C võivad need ajutiselt oma funktsionaalsuse kaotada ning veelgi suurem kuumenemine ähvardab nende pöördumatut kahjustumist. Lisaks kiirendavad kõrged temperatuurid fotoelementide lagunemist. Seetõttu on vaja võtta kõik meetmed, et vähendada kuumenemist, mis on vältimatu kõrvetavate otseste päikesekiirte all. Tavaliselt piiravad tootjad fotoelementide nominaalset töötemperatuuri vahemikku +70°...+90°C (see tähendab elementide enda kuumenemist ja ümbritseva õhu temperatuur peaks loomulikult olema palju madalam).
Olukorra teeb veelgi keerulisemaks see, et üsna habraste fotoelementide tundlik pind on sageli kaetud kaitseklaasi või läbipaistva plastikuga. Kui kaitsekatte ja fotoelemendi pinna vahele jääb õhuvahe, tekib omamoodi “kasvuhoone”, mis süvendab ülekuumenemist. Tõsi, suurendades kaitseklaasi ja fotoelemendi pinna vahelist kaugust ning ühendades selle õõnsuse ülalt ja all oleva atmosfääriga, on võimalik korraldada konvektsioonõhuvool, mis loomulikult jahutab fotoelemente. Kuid ereda päikesepaiste ja kõrge välistemperatuuri korral ei pruugi sellest piisata, pealegi aitab see meetod kaasa fotoelementide tööpinna kiirendatud tolmustumisele. Seetõttu võib isegi mitte väga suur päikesepatarei vajada spetsiaalset jahutussüsteemi. Ausalt öeldes tuleb öelda, et sellised süsteemid on tavaliselt lihtsalt automatiseeritavad ning ventilaatori või pumba ajam tarbib vaid väikese osa genereeritud energiast. Tugeva päikese puudumisel pole palju kütet ja jahutust pole üldse vaja, nii et jahutussüsteemi juhtimisel säästetud energiat saab kasutada muuks otstarbeks. Tuleb märkida, et tänapäevaste tehases valmistatud paneelide puhul sobib kaitsekate tavaliselt tihedalt fotoelementide pinnale ja eemaldab soojuse väljastpoolt, kuid kodus valmistatud konstruktsioonide puhul võib mehaaniline kokkupuude kaitseklaasiga fotosilma kahjustada.

Tundlikkus valgustuse ebaühtluse suhtes. Reeglina ühendatakse fotoelemendid järjestikku, et saada aku väljundis enam-vähem mugavat pinget (12, 24 või enam volti). Iga sellise ahela voolu ja seega ka selle võimsuse määrab nõrgim lüli - halvimate omadustega või madalaima valgustusega fotosilm. Seega, kui vähemalt üks keti element on varjus, vähendab see oluliselt kogu ahela väljundit - kaod on ebaproportsionaalsed varjutusega (pealegi hakkab kaitsedioodide puudumisel selline element voolu hajutama). ülejäänud elementide poolt toodetud võimsus!). Väljundi ebaproportsionaalset vähenemist saab vältida ainult kõigi fotoelementide paralleelse ühendamisega, kuid siis on aku väljundis liiga madala pinge korral liiga palju voolu - tavaliselt on see üksikute fotoelementide puhul ainult 0,5 .. 0,7 V, olenevalt nende tüübist. ja koorma suurus.

Tundlikkus reostuse suhtes. Isegi vaevumärgatav mustusekiht päikesepatareide või kaitseklaasi pinnal võib neelata olulise osa päikesevalgusest ja oluliselt vähendada energia tootmist. Tolmuses linnas nõuab see päikesepaneelide pinna sagedast puhastamist, eriti nende puhul, mis on paigaldatud horisontaalselt või väikese nurga all. Muidugi on sama protseduur vajalik pärast iga lumesadu ja pärast tolmutormi... Kuid kaugel linnadest, tööstuspiirkondadest, tiheda liiklusega teedest ja muudest tugevatest tolmuallikatest 45° või enama nurga all on vihm üsna võimeline paneelide pinnalt loomuliku tolmu maha pesemine, hoides need “automaatselt” üsna puhtana. Ja lumi sellisel nõlval, mis on ka lõuna poole, ei püsi tavaliselt kaua ka väga pakastel päevadel. Nii et kaugel õhusaasteallikatest võivad päikesepaneelid ilma igasuguse hoolduseta edukalt töötada aastaid, kui vaid taevas oleks päikest!

Lõpuks on viimane, kuid kõige olulisem takistus fotogalvaaniliste päikesepaneelide laialdasele kasutuselevõtule nende üsna kõrge hind. Päikesepatarei elementide maksumus on praegu vähemalt 1 $/W (1 kW – 1000 $) ja see on madala efektiivsusega modifikatsioonide jaoks, arvestamata paneelide montaaži- ja paigalduskulusid, samuti arvestamata akude, laadimiskontrollerite ja inverterite hind (tekitava madalpinge alalisvoolu muundurid).vool majapidamis- või tööstusstandardile). Enamasti tuleks tegelike kulude minimaalse hinnangu saamiseks need arvud üksikutest päikesepatareidest ise kokkupanemisel korrutada 3-5-kordse ja valmisseadmete komplektide ostmisel 6-10-kordsega (pluss paigalduskulud).

Kõigist fotogalvaanilisi akusid kasutava toitesüsteemi elementidest on patareidel lühim kasutusiga, kuid kaasaegsete hooldusvabade akude tootjad väidavad, et nn puhverrežiimis töötavad need umbes 10 aastat (või saavad need korda). traditsiooniline 1000 tugeva laadimise ja tühjenemise tsüklit - kui arvestada ühe tsükliga päevas, siis selles režiimis kestavad need 3 aastat). Märgin, et akude maksumus on tavaliselt vaid 10-20% kogu süsteemi kogumaksumusest ning inverterite ja laadimiskontrollerite (mõlemad on keerulised elektroonikatooted ja seetõttu on nende rikke tõenäosus) maksumus on ühtlane. vähem. Seega, võttes arvesse pikka kasutusiga ja võimet töötada pikka aega ilma igasuguse hoolduseta, võivad fotokonverterid end oma eluea jooksul rohkem kui korra ära tasuda ja mitte ainult äärealadel, vaid ka asustatud piirkondades - kui elekter tariifid jätkavad kasvamist praeguses tempos!

Päikesesoojuskollektorid

Nimetus “päikesekollektorid” on omistatud seadmetele, mis kasutavad otsest päikesekütet, nii üksikuid kui ka virnastatavaid (mooduleid). Termilise päikesekollektori lihtsaim näide on musta veepaak ülalmainitud maadušši katusel (muide, suvise duši vee soojendamise efektiivsust saab oluliselt tõsta, kui ehitada paagi ümber minikasvuhoone , vähemalt plastkilest; on soovitav, et kile ja paagi seinte vahel ülaosas ja külgedel oleks 4-5 cm vahe).

Kuid tänapäevased kollektorid ei sarnane sellise paagiga vähe. Tavaliselt on need lamedad struktuurid, mis on valmistatud õhukestest mustaks tehtud torudest, mis on paigutatud võre- või ussimustrisse. Torud saab monteerida mustaks tehtud soojust juhtivale alusplaadile, mis püüab kinni nendevahelisse ruumi siseneva päikesesoojuse – see võimaldab vähendada torude kogupikkust ilma efektiivsust kaotamata. Soojuskadude vähendamiseks ja kütmise suurendamiseks võib kollektori ülaosa katta klaaslehe või läbipaistva kärgpolükarbonaadiga ning soojust jaotava lehe tagaküljel hoiab ära tarbetuid soojuskadusid soojusisolatsioonikiht – omamoodi. kasvuhoonest. Läbi toru liigub soojendatud vesi või muu jahutusvedelik, mille saab koguda soojusisolatsiooniga mahutisse. Jahutusvedelik liigub pumba toimel või raskusjõu mõjul jahutusvedeliku tiheduse erinevuse tõttu enne ja pärast termokollektorit. Viimasel juhul nõuab enam-vähem efektiivne tsirkulatsioon nõlvade ja toruosade hoolikat valikut ning kollektori enda võimalikult madalale asetamist. Kuid tavaliselt asetatakse kollektor samadesse kohtadesse, kus päikesepatarei - päikeselisele seinale või päikeselisele katusekaldele, kuigi kuhugi tuleb paigutada täiendav akumulatsioonipaak. Ilma sellise paagita ei pruugi intensiivse soojustagastusega (näiteks kui on vaja vanni täita või dušši all käia) kollektori mahust piisata ning mõne aja pärast hakkab kraanist voolama veidi soojendatud vett.

Kaitseklaas muidugi vähendab mõnevõrra kollektori efektiivsust, neelates ja peegeldades mitu protsenti päikeseenergiast, isegi kui kiired langevad risti. Kui kiired tabavad klaasi pinna suhtes väikese nurga all, võib peegelduskoefitsient läheneda 100%-le. Seetõttu võivad "lahtised" konstruktsioonid olla tõhusamad kui "klaasitud" tuule puudumisel ja ümbritseva õhu suhtes vaid vähese kuumutamise vajaduse korral (näiteks aia kastmiseks 5–10 kraadi võrra). Kuid niipea, kui on vaja mitmekümne kraadi temperatuuri erinevust või isegi mitte väga tugeva tuule tõusul, suureneb avatud konstruktsioonide soojuskadu kiiresti ja kaitseklaas muutub kõigi selle puuduste jaoks vajalikuks.

Oluline märkus – tuleb arvestada, et kuumal päikesepaistelisel päeval võib vesi, kui seda ei analüüsita, üle keemistemperatuuri üle kuumeneda, mistõttu tuleb kollektori projekteerimisel võtta kasutusele asjakohased ettevaatusabinõud (tagada ohutus). ventiil). Ilma kaitseklaasita avatud kollektorites selline ülekuumenemine tavaliselt muret ei valmista.

Viimasel ajal on hakatud laialdaselt kasutama nn soojustorudel põhinevaid päikesekollektoreid (mitte segi ajada arvutijahutussüsteemides soojuse eemaldamiseks kasutatavate “soojustorudega”!). Erinevalt ülalkirjeldatud konstruktsioonist on siin iga kuumutatud metalltoru, mille kaudu jahutusvedelik ringleb, joodetud klaastoru sees ja õhk pumbatakse nendevahelisest ruumist välja. See osutub termose analoogiks, kus vaakumsoojusisolatsiooni tõttu väheneb soojuskadu 20 korda või rohkem. Selle tulemusena soojeneb tootjate sõnul klaasist väljas -35°C pakase korral spetsiaalse kattega sisemises metalltorus olev vesi, mis neelab võimalikult laia spektri päikesekiirgust kuni +50.. +70°C (erinevus üle 100°C) .Tõhus neeldumine koos suurepärase soojusisolatsiooniga võimaldab soojendada jahutusvedelikku ka pilvise ilmaga, kuigi küttevõimsus on loomulikult mitu korda väiksem kui ereda päikesepaiste korral. Siin on võtmetähtsusega tagada vaakumi säilimine torude vahes, st klaasi ja metalli ristmiku vaakumitihedus väga laias temperatuurivahemikus, ulatudes 150 ° C-ni, kogu kasutusea jooksul. paljude aastate jooksul. Sel põhjusel ei saa selliste kollektorite valmistamisel hakkama ilma klaasi ja metalli soojuspaisumistegurite hoolika koordineerimiseta ning kõrgtehnoloogiliste tootmisprotsessideta, mis tähendab, et käsitöönduslikes tingimustes pole tõenäoliselt võimalik täisväärtuslik vaakumsoojustoru. Kuid lihtsamaid kollektorikujundusi saab ilma probleemideta teha iseseisvalt, kuigi loomulikult on nende efektiivsus mõnevõrra väiksem, eriti talvel.

Lisaks ülalkirjeldatud vedelatele päikesekollektoritele on ka teisi huvitavaid konstruktsioonitüüpe: õhk (jahutusvedelik on õhk ja see ei karda külmumist), "päikesetiigid" jne. Kahjuks on enamik uuringuid ja arendustegevust päikesekollektorite kohta on pühendatud spetsiaalselt vedelatele mudelitele, seetõttu alternatiivseid tüüpe praktiliselt ei toodeta ja nende kohta pole palju teavet.

Päikesekollektorite eelised

Päikesekollektorite kõige olulisem eelis on nende üsna tõhusate võimaluste lihtsus ja suhteliselt madal tootmishind koos töömahutusega. Oma kätega kollektori tegemiseks on vaja minimaalselt paar meetrit õhukest toru (soovitavalt õhukese seinaga vask - seda saab minimaalse raadiusega painutada) ja natuke musta värvi, vähemalt bituumenlakki. Painutame toru nagu madu, värvime musta värviga, asetame päikesepaistelisse kohta, ühendame veetrassiga ja nüüd ongi kõige lihtsam päikesekollektor valmis! Samal ajal saab mähisele hõlpsasti anda peaaegu igasuguse konfiguratsiooni ja kasutada maksimaalselt ära kogu kollektorile eraldatud ruumi. Kõige tõhusam kodus rakendatav mustandus, mis on ka väga vastupidav kõrgele temperatuurile ja otsesele päikesevalgusele, on õhuke tahma kiht. Tahm on aga kergesti kustutatav ja mahapestav, mistõttu vajab selline mustamine kindlasti kaitseklaasi ja erimeetmeid, et vältida võimaliku kondensvee sattumist tahmaga kaetud pinnale.

Teiseks kollektorite oluliseks eeliseks on see, et erinevalt päikesepaneelidest suudavad need kinni püüda ja soojuseks muundada kuni 90% neid tabavast päikesekiirgusest, edukamatel juhtudel isegi rohkem. Seetõttu ületab kollektorite efektiivsus mitte ainult selge ilmaga, vaid ka kerges pilvises fotogalvaaniliste patareide efektiivsuse. Lõpuks, erinevalt fotogalvaanilistest akudest, ei põhjusta pinna ebaühtlane valgustus kollektori efektiivsuse ebaproportsionaalset langust – oluline on vaid kogu (integreeritud) kiirgusvoog.

Päikesekollektorite miinused

Kuid päikesekollektorid on ilmastiku suhtes tundlikumad kui päikesepaneelid. Isegi ereda päikesepaiste korral võib värske tuul avatud soojusvaheti kütteefektiivsust kordades vähendada. Kaitseklaas muidugi vähendab järsult tuule soojuskadusid, kuid tihedate pilvede puhul on see ka jõuetu. Pilves, tuulise ilmaga pole kollektorist praktiliselt mingit kasu, kuid päikesepatarei toodab vähemalt veidi energiat.

Päikesekollektorite muudest miinustest toon kõigepealt välja nende hooajalisuse. Piisab lühikestest kevadistest või sügisestest öökülmadest, et kerisetorudesse tekkinud jää tekitaks nende purunemise ohu. Seda saab muidugi kõrvaldada küttes “kasvuhoonet” külmadel öödel kolmanda osapoole soojusallikaga spiraaliga, kuid sellisel juhul võib kollektori üldine energiatõhusus kergesti negatiivseks muutuda! Teine võimalus - kaheahelaline kollektor koos antifriisiga välises vooluringis - ei nõua kütmiseks energiatarbimist, kuid on nii tootmisel kui ka töötamise ajal palju keerulisem kui üheahelalised valikud otsese veeküttega. Põhimõtteliselt ei saa õhkkonstruktsioonid külmuda, kuid on veel üks probleem - õhu madal erisoojusmahtuvus.

Ja siiski, võib-olla on päikesekollektori peamiseks puuduseks see, et tegemist on just kütteseadmega ja kuigi tööstuslikult valmistatud proovid suudavad soojusanalüüsi puudumisel soojendada jahutusvedelikku temperatuurini 190...200 °C, mis on tavaliselt saavutatav temperatuur. harva ületab 60..80 °C. Seetõttu on eraldatud soojust väga raske kasutada märkimisväärse koguse mehaanilise töö või elektrienergia saamiseks. Lõppude lõpuks, isegi kõige madalama temperatuuriga auru-vee turbiini (näiteks see, mida V.A. Zysin kunagi kirjeldas) töötamiseks on vaja vesi üle kuumutada vähemalt 110°C-ni! Ja energiat otse soojuse kujul, nagu teada, ei salvestata pikka aega ja temperatuuril alla 100 ° C saab seda tavaliselt kasutada ainult sooja veevarustuses ja maja kütmisel. Arvestades aga odavust ja valmistamise lihtsust, võib see olla täiesti piisav põhjus oma päikesekollektori soetamiseks.

Aususe huvides tuleb märkida, et soojusmasina "tavalist" töötsüklit saab korraldada temperatuuril alla 100 ° C - kas siis, kui keemistemperatuuri alandatakse, vähendades rõhku aurustumisosas, pumbates sealt auru välja. , või kasutades vedelikku, mille keemispunkt jääb päikesekollektori temperatuurikütte ja ümbritseva õhu temperatuuri (optimaalselt - 50...60°C) vahele. Tõsi, mulle meenub vaid üks mitteeksootiline ja suhteliselt ohutu vedelik, mis enam-vähem neid tingimusi rahuldab - etüülalkohol, mis tavatingimustes keeb 78°C juures. Ilmselt on sel juhul vaja korraldada suletud tsükkel, mis lahendab paljud sellega seotud probleemid. Mõnes olukorras võib välisküttega mootorite (Stirlingi mootorite) kasutamine olla paljutõotav. Sellega seoses võib huvitav olla ka kujumäluefektiga sulamite kasutamine, mida sellel saidil on kirjeldatud I. V. Nigeli artiklis – nende tööks on vaja vaid 25-30°C temperatuuride erinevust.

Päikeseenergia kontsentratsioon

Päikesekollektori efektiivsuse tõstmine hõlmab eelkõige kuumutatud vee temperatuuri pidevat tõusu üle keemispunkti. Tavaliselt tehakse seda päikeseenergia koondamisega peeglite abil kollektorile. See on enamiku päikeseelektrijaamade põhimõte, erinevused seisnevad ainult peeglite ja kollektori arvus, konfiguratsioonis ja paigutuses, samuti peeglite juhtimismeetodites. Selle tulemusena on teravustamispunktis täiesti võimalik saavutada temperatuur mitte isegi sadade, vaid tuhandete kraadide juures - sellisel temperatuuril võib juba toimuda vee otsene termiline lagunemine vesinikuks ja hapnikuks (saadud vesinikku saab põletada öösel ja pilvistel päevadel)!

Kahjuks on sellise installatsiooni tõhus toimimine võimatu ilma keeruka peeglite kontsentreerimise juhtimissüsteemita, mis peab jälgima Päikese pidevalt muutuvat asendit taevas. Vastasel juhul lahkub teravustamispunkt mõne minuti jooksul kollektorist, mis sellistes süsteemides on sageli väga väike, ja töövedeliku kuumutamine peatub. Isegi paraboloidpeeglite kasutamine lahendab probleemi vaid osaliselt - kui neid Päikese järel perioodiliselt ei pöörata, siis mõne tunni pärast see enam nende kaussi ei kuku või valgustab ainult selle serva - sellest on vähe kasu.

Lihtsaim viis päikeseenergiat kodus koondada on asetada peegel horisontaalselt kollektori lähedusse nii, et päike tabaks kollektorit suurema osa päevast. Huvitav võimalus on kasutada sellise peeglina spetsiaalselt maja lähedal asuva veehoidla pinda, eriti kui see pole tavaline veehoidla, vaid "päikesetiik" (kuigi seda pole lihtne teha ja peegelduse efektiivsus väheneb olema palju väiksem kui tavalisel peeglil). Hea tulemuse saab vertikaalsete kontsentreerivate peeglite süsteemi loomisega (enamasti on see ettevõtmine palju tülikam, kuid mõnel juhul võib olla põhjendatud lihtsalt suure peegli paigaldamine kõrvalseinale, kui see moodustab kollektoriga sisenurga - kõik sõltub hoone ja kollektori konfiguratsioonist ja asukohast).

Päikesekiirguse ümbersuunamine peeglite abil võib samuti suurendada fotogalvaanilise aku võimsust. Kuid samal ajal suureneb selle kuumenemine ja see võib akut kahjustada. Seetõttu peate sel juhul piirduma suhteliselt väikese kasumiga (mõnekümne protsendi võrra, kuid mitte mitmekordselt) ja peate hoolikalt jälgima aku temperatuuri, eriti kuumadel ja selgetel päevadel! Just ülekuumenemisohu tõttu keelavad mõned fotogalvaaniliste patareide tootjad otseselt oma toodete töötamise täiendavate helkurite abil loodud suurenenud valgustuse korral.

Päikeseenergia muundamine mehaaniliseks energiaks

Traditsioonilised päikesepaigaldiste tüübid ei tooda otseselt mehaanilist tööd. Selleks tuleb fotokonverteritel ühendada elektrimootor päikesepatareiga ja termilise päikesekollektori kasutamisel juhtida auru sisendisse ülekuumendatud aur (ja ülekuumenemiseks ilma peeglite kontsentreerimiseta pole see tõenäoliselt võimalik). turbiinile või aurumasina silindritele. Suhteliselt vähese kuumusega kollektorid võivad muuta soojuse mehaaniliseks liikumiseks eksootilisematel viisidel, näiteks kasutades kujumälu sulamist ajamid.

Siiski on ka seadmeid, mis hõlmavad päikesesoojuse muundamist mehaaniliseks tööks, mis on otseselt kaasatud nende konstruktsiooni. Pealegi on nende suurused ja võimsus väga erinevad - see on sadade meetrite kõrguse tohutu päikesetorni ja tagasihoidliku päikesepumba projekt, mis kuuluks suvilale.

Me elame tulevikumaailmas, kuigi see pole kõigis piirkondades märgatav. Igal juhul arutatakse täna progressiivsetes ringkondades tõsiselt uute energiaallikate arendamise võimalust. Üks paljutõotavamaid valdkondi on päikeseenergia.

Hetkel saadakse päikesekiirguse töötlemisest umbes 1% Maal leiduvast elektrist. Miks me siis pole veel loobunud teistest "kahjulikest" meetoditest ja kas me üldse loobume? Kutsume teid lugema meie artiklit ja proovima sellele küsimusele ise vastata.

Kuidas päikeseenergia muudetakse elektriks

Alustame kõige olulisemast – kuidas päikesekiiri töödeldakse elektriks.

Protsessi ennast nimetatakse "Päikeseenergia põlvkond" . Kõige tõhusamad viisid selle tagamiseks on järgmised:

• fotogalvaanika;
• päikese soojusenergia;
• päikesepalliga elektrijaamad.

Vaatame igaüht neist.

Fotogalvaanika

Sel juhul ilmneb elektrivool tänu fotogalvaaniline efekt. Põhimõte on järgmine: päikesevalgus tabab fotoelementi, elektronid neelavad footonite (valgusosakeste) energia ja hakkavad liikuma. Selle tulemusena saame elektripinge.

Täpselt selline protsess toimub päikesepaneelides, mis põhinevad elementidel, mis muudavad päikesekiirguse elektriks.

Fotogalvaaniliste paneelide disain ise on üsna paindlik ja võib olla erineva suurusega. Seetõttu on neid väga praktiline kasutada. Lisaks on paneelidel kõrged jõudlusomadused: need on vastupidavad sademetele ja temperatuurimuutustele.

Ja siin on, kuidas see töötab eraldi päikesepaneeli moodul:

Saate lugeda päikesepaneelide kasutamisest laadijatena, eramajade toiteallikatena, linnade parendamiseks ja meditsiinilistel eesmärkidel.

Kaasaegsed päikesepaneelid ja elektrijaamad

Viimased näited hõlmavad ettevõtte päikesepaneele SixtuseSolar. Erinevalt traditsioonilistest tumesinistest paneelidest võib neil olla mis tahes varjund ja tekstuur. See tähendab, et nendega saab maja katuse “kaunistada” vastavalt soovile.

Teise lahenduse pakkusid välja Tesla arendajad. Nad ei toonud turule mitte ainult paneele, vaid ka täisväärtuslikku katusematerjali, mis töötleb päikeseenergiat. sisaldab sisseehitatud päikesemooduleid ja võib olla ka väga erineva disainiga. Samas on materjal ise palju tugevam kui tavalised katusekivid, Solar Roofil on isegi lõputu garantii.

Täisväärtusliku päikeseelektrijaama näide on hiljuti Euroopas ehitatud kahepoolsete paneelidega jaam. Viimased koguvad nii otsest päikesekiirgust kui ka peegeldavat kiirgust. See võimaldab teil suurendada päikeseenergia tootmise efektiivsust 30%. See jaam peaks tootma umbes 400 MWh aastas.

Huvi pakub ka suurim ujuv päikeseelektrijaam Hiinas. Selle võimsus on 40 MW. Sellistel lahendustel on kolm olulist eelist:

• pole vaja hõivata suuri maa-alasid, mis on Hiina jaoks olulised;
• reservuaarides väheneb vee aurustumine;
• Fotoelemendid ise soojenevad vähem ja töötavad tõhusamalt.

Muide, see ujuv päikeseelektrijaam ehitati mahajäetud söekaevandusettevõtte kohale.

Fotogalvaanilisel efektil põhinev tehnoloogia on täna kõige lootustandvam ning ekspertide hinnangul suudavad päikesepaneelid järgmise 30-40 aasta jooksul toota umbes 20% maailma elektrivajadusest.

Päikese soojusenergia

Siin on lähenemine veidi erinev, sest... päikesekiirgust kasutatakse vedelikku sisaldava anuma soojendamiseks. Tänu sellele muutub see auruks, mis pöörab turbiini, mille tulemusena tekib elektrienergia.

Soojuselektrijaamad töötavad samal põhimõttel, ainult vedelikku soojendatakse söe põletamisega.

Kõige ilmsem näide selle tehnoloogia kasutamisest on Ivanpah päikesejaam Mojave kõrbes. See on maailma suurim päikesesoojuselektrijaam.

See on tegutsenud alates 2014. aastast ja ei kasuta elektri tootmiseks kütust – ainult keskkonnasõbralikku päikeseenergiat.

Veeboiler asub tornides, mida näete konstruktsiooni keskel. Ümberringi on peeglite väli, mis suunavad päikesekiired torni tippu. Samal ajal pöörab arvuti neid peegleid pidevalt olenevalt päikese asukohast.

Kontsentreeritud päikeseenergia mõjul soojeneb vesi tornis ja muutub auruks. See tekitab survet ja aur hakkab turbiini pöörlema, mille tulemusena vabaneb elekter. Selle jaama võimsus on 392 megavatti, mida saab hõlpsasti võrrelda Moskva keskmise soojuselektrijaamaga.

Huvitaval kombel võivad sellised jaamad töötada ka öösel. See on võimalik, asetades osa kuumutatud aurust hoidlasse ja kasutades seda järk-järgult turbiini pöörlemiseks.

Päikesepalliga elektrijaamad

Sellel originaalsel lahendusel, kuigi laialdaselt kasutusel pole, on siiski oma koht.

Installatsioon ise koosneb 4 põhiosast:

• Aerostaat – asub taevas, kogub päikesekiirgust. Vesi siseneb palli ja kuumeneb kiiresti, muutudes auruks.
• Aurutorustik - läbi selle laskub rõhu all olev aur turbiini, pannes selle pöörlema.
• Turbiin - auruvoolu mõjul pöörleb, genereerides elektrienergiat.
• Kondensaator ja pump - turbiini läbinud aur kondenseerub veeks ja tõuseb pumba abil ballooni, kus see taas kuumutatakse auruolekusse.

Millised on päikeseenergia eelised

• Päike annab meile oma energiat veel mitu miljardit aastat. Samal ajal ei pea inimesed selle ammutamiseks raha ja ressursse kulutama.
• Päikeseenergia tootmine on täiesti keskkonnasõbralik protsess, mis ei ohusta loodust.
• Protsessi autonoomia. Päikesevalguse kogumine ja elektri tootmine toimub inimese minimaalse sekkumisega. Ainus asi, mida pead tegema, on hoida oma tööpinnad või peeglid puhtad.
• Ammendatud päikesepaneele saab taaskasutada ja tootmises taaskasutada.

Päikeseenergia arendamise probleemid

Hoolimata ideede elluviimisest päikeseelektrijaamade öösel töötamise säilitamiseks, pole keegi looduse kapriiside eest kaitstud. Mitmepäevane pilvine taevas vähendab oluliselt elektritootmist, kuid elanikkond ja ettevõtted vajavad katkematut elektrivarustust.

Päikeseelektrijaama ehitamine pole odav nauding. Selle põhjuseks on vajadus kasutada nende kujundamisel haruldasi elemente. Mitte kõik riigid ei ole valmis raiskama eelarveid vähem võimsatele elektrijaamadele, kui on olemas töötavad soojus- ja tuumajaamad.

Selliste paigaldiste paigutamiseks on vaja suuri alasid ja kohtades, kus päikesekiirgus on piisaval tasemel.

Kuidas arendatakse päikeseenergiat Venemaal?

Kahjuks põletab meie riik endiselt täistuuridel kivisütt, gaasi ja naftat ning Venemaa läheb kindlasti viimaste seas üle täielikult alternatiivenergiale.

Tänaseks päikeseenergia tootmine moodustab ainult 0,03% Venemaa Föderatsiooni energiabilansist. Võrdluseks, Saksamaal on see näitaja üle 20%. Eraettevõtjad ei ole huvitatud päikeseenergiasse investeerimisest pika tasuvusaja ja mitte nii kõrge tasuvuse tõttu, sest gaas on meil palju odavam.

Majanduslikult arenenud Moskva ja Leningradi piirkondades on päikese aktiivsus madal. Seal pole päikeseelektrijaamade ehitamine lihtsalt otstarbekas. Kuid lõunapoolsed piirkonnad on üsna paljulubavad.