Proses yang menghasilkan energi matahari. Prinsip konversi energi surya, penerapan dan prospeknya

Setiap hari jumlah cadangan batu bara, minyak, gas dunia, yaitu segala sesuatu yang berfungsi sebagai sumber energi saat ini, semakin berkurang. Dan dalam waktu dekat, umat manusia akan sampai pada titik di mana tidak akan ada lagi bahan bakar fosil yang tersisa. Oleh karena itu, semua negara secara aktif mencari keselamatan dari bencana yang sedang menghampiri kita. Dan sarana keselamatan pertama yang terlintas dalam pikiran tentu saja adalah energi matahari, yang telah digunakan orang sejak dahulu kala untuk mengeringkan pakaian, menerangi rumah, dan memasak. Hal ini memunculkan salah satu bidang energi alternatif - energi surya.

Sumber energi energi matahari adalah energi sinar matahari yang diubah menjadi panas atau listrik dengan menggunakan struktur khusus. Menurut para ahli, hanya dalam satu minggu, permukaan bumi menerima sejumlah energi dari matahari yang melebihi energi cadangan semua jenis bahan bakar dunia. Meskipun laju pengembangan bidang energi alternatif ini terus meningkat, energi surya tidak hanya memiliki kelebihan, tetapi juga kekurangan.

Jika kelebihan utama meliputi aksesibilitas, dan yang terpenting sumber energi tidak habis-habisnya, maka kerugiannya antara lain:

• kebutuhan untuk mengumpulkan energi yang diterima dari matahari,
• biaya yang signifikan dari peralatan yang digunakan,
• ketergantungan pada kondisi cuaca dan waktu,
• peningkatan suhu atmosfer di atas pembangkit listrik, dll.

Karakteristik numerik radiasi matahari

Ada indikator seperti konstanta matahari. Nilainya adalah 1367 W. Ini persis dengan jumlah energi per 1 meter persegi. planet bumi. Namun karena adanya atmosfer, sekitar 20-25% lebih sedikit energi yang mencapai permukaan bumi. Jadi, nilai energi matahari per meter persegi, misalnya di ekuator, adalah 1020 W. Dan dengan memperhitungkan pergantian siang dan malam, perubahan sudut matahari di atas ufuk, angka ini berkurang sekitar 3 kali lipat.

Tapi darimana energi ini berasal? Para ilmuwan pertama kali mempelajari masalah ini pada abad ke-19, dan versinya sangat berbeda. Saat ini, sebagai hasil dari sejumlah besar penelitian, diketahui bahwa sumber energi matahari adalah reaksi pengubahan 4 atom hidrogen menjadi inti helium. Sebagai hasil dari proses ini, sejumlah besar energi dilepaskan. Misalnya energi yang dilepaskan selama transformasi 1 g. hidrogen sebanding dengan energi yang dilepaskan selama pembakaran 15 ton bensin.

Konversi Energi Matahari

Kita telah mengetahui bahwa energi yang diterima dari matahari harus diubah menjadi bentuk lain. Kebutuhan akan hal ini muncul karena umat manusia belum memiliki perangkat yang dapat mengonsumsi energi matahari dalam bentuknya yang murni. Oleh karena itu, dikembangkan sumber energi seperti kolektor surya dan panel surya. Jika yang pertama digunakan untuk menghasilkan energi panas, maka yang kedua menghasilkan listrik secara langsung.

Ada beberapa cara untuk mengubah energi matahari:

• fotovoltaik;
• energi udara panas;
• energi panas matahari;
• menggunakan pembangkit listrik balon surya.

Metode yang paling umum adalah fotovoltaik. Prinsip konversi ini adalah penggunaan panel surya fotovoltaik, atau disebut juga panel surya, yang melaluinya energi matahari diubah menjadi energi listrik. Biasanya, panel semacam itu terbuat dari silikon, dan ketebalan permukaan kerjanya hanya sepersepuluh milimeter. Mereka dapat ditempatkan di mana saja, hanya ada satu syarat - adanya banyak sinar matahari. Pilihan bagus untuk memasang pelat fotografi di atap bangunan tempat tinggal dan bangunan umum.

Selain pelat fotografi yang dibahas di atas, panel film tipis digunakan untuk mengubah energi radiasi matahari. Mereka dibedakan berdasarkan ketebalannya yang lebih kecil, yang memungkinkannya dipasang di mana saja, namun kelemahan signifikan dari panel tersebut adalah efisiensinya yang rendah. Karena alasan inilah pemasangannya hanya dibenarkan untuk area yang luas. Sekadar iseng, panel film tipis bahkan bisa diletakkan di tas laptop atau tas tangan.

Pada energi panas udara, energi matahari diubah menjadi energi aliran udara, yang kemudian dikirim ke turbogenerator. Namun dalam kasus penggunaan pembangkit listrik balon surya, uap air dihasilkan di dalam balon. Efek ini dicapai dengan memanaskan permukaan balon, di mana lapisan penyerap selektif diterapkan, dengan sinar matahari. Keuntungan utama dari metode ini adalah pasokan uap yang cukup untuk melanjutkan pengoperasian pembangkit listrik dalam cuaca buruk dan malam hari.

Prinsip energi matahari adalah memanaskan permukaan yang menyerap sinar matahari dan memfokuskannya untuk penggunaan selanjutnya dari panas yang dihasilkan. Contoh paling sederhana adalah memanaskan air, yang kemudian dapat digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, misalnya untuk dialirkan ke saluran pembuangan atau baterai, sekaligus menghemat gas atau bahan bakar lainnya. Pada skala industri, energi radiasi matahari yang diperoleh dengan metode ini diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan mesin kalor. Pembangunan pembangkit listrik gabungan tersebut dapat memakan waktu lebih dari 20 tahun, namun laju pengembangan energi surya tidak menurun, melainkan terus meningkat.

Di mana energi matahari dapat digunakan?

Energi matahari dapat digunakan di berbagai bidang - mulai dari industri kimia hingga industri otomotif, dari memasak hingga pemanas ruangan. Misalnya, penggunaan panel surya di industri otomotif sudah dimulai sejak tahun 1955. Tahun ini ditandai dengan peluncuran mobil pertama yang menggunakan baterai tenaga surya. Saat ini BMW, Toyota dan perusahaan besar lainnya memproduksi mobil seperti itu.

Dalam kehidupan sehari-hari, energi matahari digunakan untuk pemanas ruangan, penerangan bahkan untuk memasak. Misalnya, oven tenaga surya yang terbuat dari kertas timah dan karton, atas prakarsa PBB, secara aktif digunakan oleh para pengungsi yang terpaksa meninggalkan rumahnya karena situasi politik yang sulit. Tungku surya yang lebih kompleks digunakan untuk perlakuan panas dan peleburan logam. Salah satu tungku terbesar terletak di Uzbekistan.

Penemuan paling menarik dalam penggunaan energi matahari meliputi:

• Casing pelindung untuk ponsel dengan fotosel, yang juga merupakan pengisi daya.
• Ransel dengan panel surya terpasang di dalamnya. Ini akan memungkinkan Anda untuk mengisi daya tidak hanya ponsel Anda, tetapi juga tablet Anda dan bahkan kamera Anda, secara umum, semua perangkat elektronik yang memiliki input USB.
• Headphone Bluetooth surya.

Dan ide yang paling kreatif adalah pakaian yang terbuat dari bahan khusus. Jaket, dasi, dan bahkan baju renang - semua ini tidak hanya menjadi barang di lemari pakaian Anda, tetapi juga pengisi daya.

Pengembangan energi alternatif di negara-negara CIS

Energi alternatif, termasuk tenaga surya, berkembang pesat tidak hanya di Amerika Serikat, Eropa atau India, tetapi juga di negara-negara CIS, termasuk Rusia, Kazakhstan, dan khususnya Ukraina. Misalnya, pembangkit listrik tenaga surya terbesar di bekas Uni Soviet, Perovo, dibangun di Krimea. Pembangunannya selesai pada tahun 2011. Pembangkit listrik ini menjadi proyek inovatif ke-3 dari perusahaan Austria Activ Solar. Kekuatan puncak Perovo sekitar 100 MW.

Dan pada bulan Oktober tahun yang sama, Activ Solar meluncurkan pembangkit listrik tenaga surya lainnya, Okhotnikovo, juga di Krimea. Kekuatannya adalah 80 MW. Okhotnikovo juga menerima status yang terbesar, tetapi di Eropa Tengah dan Timur. Kita dapat mengatakan bahwa energi alternatif di Ukraina telah mengambil langkah besar menuju energi yang aman dan tidak ada habisnya.

Di Kazakhstan, situasinya terlihat sedikit berbeda. Pada dasarnya pengembangan energi alternatif di negeri ini hanya terjadi secara teori. Republik ini mempunyai potensi yang sangat besar, namun belum terealisasi sepenuhnya. Tentu saja, pemerintah sedang menangani masalah ini, dan bahkan rencana pengembangan energi alternatif di Kazakhstan telah dikembangkan, namun porsi energi yang diperoleh dari sumber terbarukan, khususnya dari matahari, tidak lebih dari 1% dalam keseimbangan energi negara secara keseluruhan. Pada tahun 2020, direncanakan untuk meluncurkan hanya 4 pembangkit listrik tenaga surya dengan total kapasitas sebesar 77 MW.

Energi alternatif di Rusia juga berkembang dengan pesat. Namun, sebagaimana disampaikan Wakil Menteri ESDM, fokus kawasan ini terutama di kawasan Timur Jauh. Misalnya, di Yakutia, total output dari 4 pembangkit listrik tenaga surya yang beroperasi di desa paling terpencil di utara berjumlah lebih dari 50 ribu kWh. Hal ini memungkinkan penghematan lebih dari 14 ton bahan bakar diesel yang mahal. Contoh lain penggunaan energi surya adalah kompleks penerbangan multifungsi yang sedang dibangun di wilayah Lipetsk. Listrik untuk pengoperasiannya akan dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga surya pertama, yang juga dibangun di wilayah Lipetsk.

Semua ini memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan berikut: saat ini semua negara, bahkan negara yang paling maju sekalipun, berusaha untuk sedekat mungkin dengan tujuan yang diinginkan: penggunaan sumber energi alternatif. Bagaimanapun, konsumsi listrik meningkat setiap hari, dan jumlah emisi berbahaya ke lingkungan meningkat setiap hari. Dan banyak orang sudah memahami bahwa masa depan kita dan masa depan planet kita hanya bergantung pada kita.

R.Abdullina

Ukraina bergantung pada energi surya

Masyarakat tidak dapat lagi membayangkan hidup tanpa listrik, dan setiap tahun kebutuhan energi semakin meningkat, sementara cadangan sumber daya energi seperti minyak, gas, dan batu bara semakin berkurang. Umat ​​​​manusia tidak punya pilihan lain selain menggunakan sumber energi alternatif. Salah satu cara untuk menghasilkan listrik adalah dengan mengubah energi matahari menggunakan fotosel. Orang-orang mengetahui bahwa energi matahari dapat digunakan sejak lama, tetapi baru mulai aktif mengembangkannya dalam 20 tahun terakhir. Dalam beberapa tahun terakhir, berkat penelitian berkelanjutan, penggunaan material baru, dan solusi desain kreatif, kinerja panel surya dapat ditingkatkan secara signifikan. Banyak yang percaya bahwa di masa depan umat manusia akan dapat meninggalkan metode tradisional dalam menghasilkan listrik demi energi surya dan memperolehnya melalui pembangkit listrik tenaga surya.

Energi matahari

Energi surya merupakan salah satu sumber pembangkit listrik dengan cara non-tradisional, oleh karena itu tergolong sebagai sumber energi alternatif. Energi matahari menggunakan radiasi matahari dan mengubahnya menjadi listrik atau bentuk energi lainnya. Energi surya tidak hanya merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, karena... Saat mengkonversi energi matahari, tidak ada produk samping berbahaya yang dilepaskan, namun energi matahari juga merupakan sumber energi alternatif yang dapat memperbaharui diri.

Cara kerja energi matahari

Secara teoritis tidak sulit untuk menghitung berapa besar energi yang dapat diperoleh dari aliran energi matahari, telah lama diketahui bahwa setelah menempuh jarak Matahari ke Bumi dan jatuh pada permukaan seluas 1 m² pada sudut 90°, aliran matahari yang masuk ke atmosfer membawa muatan energi sebesar 1367 W/ m², inilah yang disebut konstanta matahari. Ini adalah pilihan ideal dalam kondisi ideal, yang, seperti kita ketahui, secara praktis tidak mungkin dicapai. Jadi, setelah melewati atmosfer, fluks maksimum yang didapat akan berada di ekuator sebesar 1020 W/m², namun nilai rata-rata harian yang didapat akan menjadi 3 kali lebih kecil karena adanya pergantian siang dan malam. dan perubahan sudut datang fluks matahari. Dan di daerah beriklim sedang, pergantian siang dan malam juga diiringi dengan pergantian musim, dan seiring dengan itu pula terjadi perubahan lamanya siang hari, sehingga di daerah beriklim sedang jumlah energi yang diterima akan berkurang sebanyak 2 kali lipat.

Pengembangan dan distribusi energi surya

Seperti kita ketahui bersama, dalam beberapa tahun terakhir perkembangan energi surya semakin meningkat setiap tahunnya, namun mari kita coba menelusuri dinamika perkembangannya. Pada tahun 1985, kapasitas tenaga surya global hanya 0,021 GW. Tahun 2005 sudah mencapai 1.656 GW. Tahun 2005 dianggap sebagai titik balik perkembangan energi surya, sejak tahun inilah masyarakat mulai tertarik secara aktif dalam penelitian dan pengembangan sistem kelistrikan bertenaga surya. Dinamika selanjutnya tidak diragukan lagi (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Negara-negara Uni Eropa dan Amerika Serikat memegang kendali dalam penggunaan energi surya, masing-masing lebih dari 100 ribu orang dipekerjakan di bidang produksi dan operasional di Amerika Serikat dan Jerman saja. Selain itu, Italia, Spanyol dan, tentu saja, Tiongkok dapat membanggakan pencapaian mereka dalam pengembangan energi surya, yang, jika bukan pemimpin dalam pengoperasian sel surya, adalah cara produsen sel surya meningkatkan laju produksinya. tahun ke tahun.

Keuntungan dan kerugian menggunakan energi surya

Keuntungan: 1) keramahan lingkungan - tidak mencemari lingkungan; 2) ketersediaan - fotosel tersedia untuk dijual tidak hanya untuk keperluan industri, tetapi juga untuk pembuatan pembangkit listrik tenaga surya mini swasta; 3) sumber energi yang tidak habis-habisnya dan dapat diperbaharui; 4) biaya produksi listrik yang terus menurun.
Kekurangan: 1) dampak kondisi cuaca dan waktu terhadap produktivitas; 2) untuk menghemat energi, perlu dilakukan akumulasi energi; 3) produktivitas yang lebih rendah di daerah beriklim sedang karena perubahan musim; 4) pemanasan udara yang signifikan di atas pembangkit listrik tenaga surya; 5) perlunya membersihkan permukaan fotosel secara berkala dari kontaminasi, dan hal ini menjadi masalah karena luasnya area yang ditempati oleh pemasangan fotosel; 6) Kita juga bisa berbicara tentang biaya peralatan yang relatif tinggi, meskipun setiap tahun biayanya semakin menurun, sejauh ini tidak perlu membicarakan energi surya yang murah.

Prospek pengembangan energi surya

Saat ini, masa depan cerah diprediksi untuk pengembangan energi surya, setiap tahun semakin banyak pembangkit listrik tenaga surya baru yang dibangun, yang menakjubkan dengan skala dan solusi teknisnya. Selain itu, penelitian ilmiah yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi fotosel tidak berhenti. Para ilmuwan telah menghitung bahwa jika kita menutupi daratan bumi sebesar 0,07%, dengan efisiensi fotosel sebesar 10%, maka akan terdapat cukup energi untuk lebih dari 100% memenuhi seluruh kebutuhan umat manusia. Saat ini, fotosel dengan efisiensi 30% sudah digunakan. Berdasarkan data penelitian, diketahui bahwa ambisi para ilmuwan menjanjikan untuk mencapai 85%.

Pembangkit listrik tenaga surya

Pembangkit listrik tenaga surya merupakan suatu bangunan yang bertugas mengubah aliran energi matahari menjadi energi listrik. Ukuran pembangkit listrik tenaga surya bisa bermacam-macam, mulai dari pembangkit listrik mini swasta dengan beberapa panel surya hingga pembangkit listrik berukuran besar yang menempati area seluas lebih dari 10 km².

Jenis pembangkit listrik tenaga surya apa yang ada?

Cukup banyak waktu telah berlalu sejak pembangunan pembangkit listrik tenaga surya pertama, di mana banyak proyek telah dilaksanakan dan banyak solusi desain menarik telah diterapkan. Merupakan kebiasaan untuk membagi semua pembangkit listrik tenaga surya menjadi beberapa jenis:
1. Pembangkit listrik tenaga surya tipe tower.
2. Pembangkit listrik tenaga surya, dimana panel surya merupakan sel fotovoltaik.
3. Piringan pembangkit listrik tenaga surya.
4. Pembangkit listrik tenaga surya parabola.
5. Pembangkit listrik tenaga surya jenis solar-vacuum.
6. Pembangkit listrik tenaga surya tipe campuran.

Pembangkit listrik tenaga surya tipe tower

Jenis desain pembangkit listrik yang sangat umum. Ini adalah struktur menara tinggi di atasnya dengan reservoir air yang dicat hitam untuk lebih menarik pantulan sinar matahari. Di sekeliling menara terdapat cermin-cermin besar dengan luas lebih dari 2 m² yang disusun melingkar, semuanya terhubung dalam satu sistem kendali yang memantau perubahan sudut cermin agar selalu memantulkan sinar matahari dan mengarahkannya lurus. ke tangki air yang terletak di puncak menara. Dengan demikian, sinar matahari yang dipantulkan memanaskan air, yang membentuk uap, dan kemudian uap ini disuplai ke turbogenerator menggunakan pompa, tempat dihasilkannya listrik. Suhu pemanasan tangki bisa mencapai 700 °C. Ketinggian menara tergantung pada ukuran dan kekuatan pembangkit listrik tenaga surya dan biasanya dimulai dari 15 m, dan ketinggian terbesar saat ini adalah 140 m.Pembangkit listrik tenaga surya jenis ini sangat umum dan disukai oleh banyak negara karena efisiensinya yang tinggi sebesar 20%.

Pembangkit listrik tenaga surya jenis fotosel

Fotosel (baterai surya) digunakan untuk mengubah fluks matahari menjadi listrik. Pembangkit listrik jenis ini menjadi sangat populer karena kemungkinan penggunaan panel surya di blok-blok kecil, yang memungkinkan penggunaan panel surya untuk menyediakan listrik baik ke rumah pribadi maupun fasilitas industri besar. Apalagi efisiensinya semakin meningkat setiap tahun dan saat ini sudah ada fotosel dengan efisiensi 30%.

Pembangkit listrik tenaga surya parabola

Pembangkit listrik tenaga surya jenis ini tampak seperti parabola besar yang bagian dalamnya dilapisi pelat cermin. Prinsip terjadinya konversi energi mirip dengan stasiun menara dengan sedikit perbedaan: bentuk cermin parabola menentukan bahwa sinar matahari, yang dipantulkan dari seluruh permukaan cermin, terkonsentrasi di tengah, tempat penerima berada. cairan yang memanas, membentuk uap, yang pada gilirannya antrian adalah tenaga penggerak generator kecil.

Pembangkit listrik tenaga surya pelat

Prinsip operasi dan metode pembangkitan listrik identik dengan pembangkit listrik tenaga surya menara dan parabola. Satu-satunya perbedaan adalah fitur desainnya. Sebuah struktur stasioner, mirip pohon logam raksasa, memiliki cermin datar bundar yang memusatkan energi matahari ke penerima.

Pembangkit listrik tenaga surya tipe solar-vakum

Ini adalah cara yang sangat tidak biasa dalam menggunakan energi matahari dan perbedaan suhu. Struktur pembangkit listrik terdiri dari sebidang tanah melingkar beratap kaca dengan menara di tengahnya. Bagian dalam menara ini berlubang, pada dasarnya terdapat beberapa turbin yang berputar berkat aliran udara yang timbul dari perbedaan suhu. Melalui atap kaca, matahari memanaskan tanah dan udara di dalam ruangan, dan bangunan berkomunikasi dengan lingkungan luar melalui pipa, dan karena suhu udara di luar ruangan jauh lebih rendah, terciptalah aliran udara, yang meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. perbedaan. Jadi, pada malam hari turbin menghasilkan lebih banyak listrik dibandingkan pada siang hari.

Pembangkit listrik tenaga surya campuran

Ini terjadi ketika pembangkit listrik tenaga surya dari jenis tertentu menggunakan, misalnya, kolektor surya sebagai elemen tambahan untuk menyediakan air panas dan panas ke objek, atau dimungkinkan untuk menggunakan bagian fotosel secara bersamaan di pembangkit listrik tipe menara.

Energi surya berkembang dengan pesat, dan masyarakat akhirnya secara serius memikirkan sumber energi alternatif untuk mencegah krisis energi dan bencana lingkungan yang semakin dekat. Meskipun Amerika Serikat dan Uni Eropa masih menjadi pemimpin dalam bidang energi surya, semua kekuatan dunia lainnya secara bertahap mulai mengadopsi dan menggunakan pengalaman dan teknologi dalam produksi dan penggunaan pembangkit listrik tenaga surya. Tidak dapat dipungkiri bahwa cepat atau lambat energi matahari akan menjadi sumber energi utama di bumi.

Matahari merupakan sumber energi yang tidak ada habisnya, ramah lingkungan dan murah. Menurut para ahli, jumlah energi matahari yang mencapai permukaan bumi dalam seminggu melebihi energi seluruh cadangan minyak, gas, batu bara, dan uranium dunia 1 . Menurut Akademisi Zh.I. Alferova, “umat manusia memiliki reaktor termonuklir alami yang dapat diandalkan - Matahari. Ini adalah bintang kelas “F-2”, sangat rata-rata, yang jumlahnya mencapai 150 miliar di Galaksi. Tapi ini adalah bintang kita, dan ia mengirimkan kekuatan yang sangat besar ke Bumi, transformasi yang memungkinkannya memenuhi hampir semua kebutuhan energi umat manusia selama ratusan tahun.” Terlebih lagi, energi matahari bersifat “bersih” dan tidak berdampak negatif terhadap ekologi planet 2.

Poin penting adalah fakta bahwa bahan baku pembuatan sel surya adalah salah satu elemen yang paling umum - silikon. Di kerak bumi, silikon adalah unsur kedua setelah oksigen (29,5% massa) 3 . Menurut banyak ilmuwan, silikon adalah “minyak abad kedua puluh satu”: selama 30 tahun, satu kilogram silikon di pembangkit listrik fotovoltaik menghasilkan listrik sebanyak 75 ton minyak di pembangkit listrik tenaga panas.

Namun, beberapa ahli berpendapat bahwa energi matahari tidak bisa disebut ramah lingkungan karena produksi silikon murni untuk baterai foto sangat “kotor” dan produksinya sangat boros energi. Seiring dengan itu, pembangunan pembangkit listrik tenaga surya memerlukan alokasi lahan yang luas, sebanding dengan luas waduk pembangkit listrik tenaga air. Kerugian lain dari energi surya, menurut para ahli, adalah volatilitasnya yang tinggi. Menjamin berfungsinya sistem energi yang efisien, yang unsur-unsurnya adalah pembangkit listrik tenaga surya, dapat dilakukan dengan syarat:
- adanya kapasitas cadangan yang signifikan dengan menggunakan sumber energi tradisional, yang dapat dihubungkan pada malam hari atau pada hari berawan;
- melakukan modernisasi jaringan listrik secara besar-besaran dan mahal4.

Meskipun terdapat kekurangan ini, energi surya terus berkembang di seluruh dunia. Pertama-tama, karena energi radiasi akan menjadi lebih murah dan dalam beberapa tahun akan menjadi pesaing yang signifikan terhadap minyak dan gas.

Saat ini di dunia ada instalasi fotovoltaik, mengubah energi matahari menjadi energi listrik berdasarkan metode konversi langsung, dan instalasi termodinamika, dimana energi matahari terlebih dahulu diubah menjadi panas, kemudian diubah menjadi energi mekanik pada siklus termodinamika mesin kalor, dan diubah menjadi energi listrik pada generator.

Sel surya sebagai sumber energi dapat dimanfaatkan:
- dalam industri (industri pesawat terbang, industri otomotif, dll),
- di bidang pertanian,
- di bidang domestik,
- di industri konstruksi (misalnya, rumah ramah lingkungan),
- di pembangkit listrik tenaga surya,
- dalam sistem pengawasan video otonom,
- dalam sistem pencahayaan otonom,
- di industri luar angkasa.

Menurut Institute of Energy Strategy, potensi teoritis energi surya di Rusia lebih dari 2.300 miliar ton bahan bakar standar, dan potensi ekonominya adalah 12,5 juta ton bahan bakar setara. Potensi energi matahari yang masuk ke wilayah Rusia dalam waktu tiga hari melebihi energi seluruh produksi listrik tahunan di negara kita.
Karena lokasi Rusia (antara 41 dan 82 derajat lintang utara), tingkat radiasi matahari sangat bervariasi: dari 810 kWh/m2 per tahun di wilayah utara yang terpencil hingga 1400 kWh/m2 per tahun di wilayah selatan. Tingkat radiasi matahari juga dipengaruhi oleh fluktuasi musiman yang besar: pada lebar 55 derajat, radiasi matahari pada bulan Januari adalah 1,69 kWh/m2, dan pada bulan Juli - 11,41 kWh/m2 per hari.

Potensi energi matahari paling besar terdapat di barat daya (Kaukasus Utara, Laut Hitam dan Laut Kaspia) dan di Siberia Selatan dan Timur Jauh.

Wilayah yang paling menjanjikan dalam hal penggunaan energi surya: Kalmykia, Wilayah Stavropol, Wilayah Pertumbuhan, Wilayah Krasnodar, Wilayah Volgograd, Wilayah Astrakhan dan wilayah lain di barat daya, Altai, Primorye, Wilayah Chita, Buryatia, dan wilayah lain di tenggara . Selain itu, beberapa wilayah di Siberia Barat dan Timur serta Timur Jauh melebihi tingkat radiasi matahari di wilayah selatan. Misalnya di Irkutsk (52 derajat lintang utara) tingkat radiasi matahari mencapai 1.340 kWh/m2, sedangkan di Republik Yakutia-Sakha (62 derajat lintang utara) angkanya 1.290 kWh/m2. 5

Saat ini, Rusia memiliki teknologi canggih untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Ada sejumlah perusahaan dan organisasi yang telah mengembangkan dan meningkatkan teknologi konverter fotolistrik: baik pada struktur silikon maupun multijungsi. Ada sejumlah perkembangan dalam penggunaan sistem konsentrasi untuk pembangkit listrik tenaga surya.

Kerangka legislatif untuk mendukung pengembangan energi surya di Rusia masih dalam tahap awal. Namun, langkah pertama telah diambil:
- 3 Juli 2008: Keputusan Pemerintah No. 426 “Tentang kualifikasi fasilitas pembangkit yang beroperasi berdasarkan penggunaan sumber energi terbarukan”;
- 8 Januari 2009: Perintah Pemerintah Federasi Rusia No. 1-r “Tentang Arah Utama Kebijakan Negara Dalam Bidang Peningkatan Efisiensi Energi Industri Tenaga Listrik Berdasarkan Penggunaan Sumber Energi Terbarukan untuk Periode sampai tahun 2020”

Target disetujui untuk meningkatkan pangsa sumber energi terbarukan dalam keseluruhan tingkat keseimbangan energi Rusia masing-masing menjadi 2,5% dan 4,5% pada tahun 2015 dan 2020 6 .

Menurut berbagai perkiraan, saat ini di Rusia total volume kapasitas pembangkit listrik tenaga surya terpasang tidak lebih dari 5 MW, yang sebagian besar ditanggung oleh rumah tangga. Fasilitas industri energi surya terbesar di Rusia adalah pembangkit listrik tenaga surya di wilayah Belgorod dengan kapasitas 100 kW, yang ditugaskan pada tahun 2010 (sebagai perbandingan, pembangkit listrik tenaga surya terbesar di dunia berlokasi di Kanada dengan kapasitas 80.000 kW) .

Saat ini, dua proyek sedang dilaksanakan di Rusia: pembangunan taman surya di Wilayah Stavropol (kapasitas - 12 MW), dan di Republik Dagestan (10 MW) 7 . Meskipun kurangnya dukungan terhadap energi terbarukan, sejumlah perusahaan menerapkan proyek energi surya skala kecil. Misalnya, Sakhaenergo memasang stasiun kecil di Yakutia dengan kapasitas 10 kW.

Ada instalasi kecil di Moskow: di Leontyevsky Lane dan di Michurinsky Prospekt, pintu masuk dan halaman beberapa rumah diterangi menggunakan modul surya, yang telah mengurangi biaya penerangan sebesar 25%. Di Jalan Timiryazevskaya, panel surya dipasang di atap salah satu halte bus, yang menjamin pengoperasian sistem transportasi referensi dan informasi serta Wi-Fi.

Perkembangan energi surya di Rusia disebabkan oleh beberapa faktor:

1) kondisi iklim: faktor ini tidak hanya mempengaruhi tahun dimana paritas jaringan listrik tercapai, namun juga pilihan teknologi instalasi tenaga surya yang paling sesuai untuk wilayah tertentu;

2)dukungan pemerintah: kehadiran insentif ekonomi yang ditetapkan secara hukum untuk energi surya sangatlah penting
perkembangannya. Di antara jenis dukungan pemerintah yang berhasil digunakan di sejumlah negara di Eropa dan Amerika, kami dapat menyoroti: tarif preferensi untuk pembangkit listrik tenaga surya, subsidi untuk pembangunan pembangkit listrik tenaga surya, berbagai pilihan keringanan pajak, kompensasi sebagian biaya pembayaran pinjaman untuk pembelian instalasi tenaga surya;

3)biaya PVEU (instalasi fotovoltaik surya): Saat ini, pembangkit listrik tenaga surya adalah salah satu teknologi pembangkit listrik termahal yang digunakan. Namun, seiring dengan menurunnya biaya 1 kWh listrik yang dihasilkan, energi surya menjadi kompetitif. Permintaan pembangkit listrik tenaga surya bergantung pada pengurangan biaya 1W daya terpasang pembangkit listrik tenaga surya (~$3000 pada tahun 2010). Pengurangan biaya dicapai dengan meningkatkan efisiensi, mengurangi biaya teknologi dan mengurangi profitabilitas produksi (pengaruh persaingan). Potensi pengurangan biaya listrik sebesar 1 kW bergantung pada teknologi dan berkisar antara 5% hingga 15% per tahun;

4) standar lingkungan: Pasar energi surya mungkin terkena dampak positif dari pengetatan standar lingkungan (pembatasan dan denda) akibat kemungkinan revisi Protokol Kyoto. Memperbaiki mekanisme penjualan kuota emisi dapat memberikan insentif ekonomi baru bagi pasar PVEM;

5) keseimbangan pasokan dan permintaan listrik: implementasi rencana ambisius yang ada untuk pembangunan dan rekonstruksi pembangkit dan jaringan listrik
kapasitas perusahaan yang dipisahkan dari RAO UES Rusia selama reformasi industri akan meningkatkan pasokan listrik secara signifikan dan dapat meningkatkan tekanan pada harga
di pasar grosir. Namun, penghentian kapasitas lama dan peningkatan permintaan secara bersamaan akan menyebabkan kenaikan harga;

6)adanya masalah dengan koneksi teknologi: keterlambatan dalam pelaksanaan permohonan sambungan teknologi ke sistem pasokan listrik terpusat merupakan insentif untuk transisi ke sumber energi alternatif, termasuk PVEU. Penundaan tersebut disebabkan oleh kurangnya kapasitas dan ketidakefektifan pengorganisasian sambungan teknologi oleh perusahaan jaringan atau kurangnya pembiayaan untuk sambungan teknologi dari tarif;

7) inisiatif otoritas lokal: Pemerintah daerah dan kota dapat melaksanakan program mereka sendiri untuk mengembangkan energi surya atau, lebih luas lagi, sumber energi terbarukan/non-tradisional. Saat ini, program serupa telah dilaksanakan di wilayah Krasnoyarsk dan Krasnodar, Republik Buryatia, dll.;

8) pengembangan produksi sendiri: Pembangkit listrik tenaga surya produksi Rusia dapat memberikan dampak positif terhadap perkembangan konsumsi energi surya Rusia. Pertama, berkat produksi kami sendiri, kesadaran umum masyarakat tentang ketersediaan teknologi tenaga surya dan popularitasnya meningkat. Kedua, biaya SFEU bagi konsumen akhir dikurangi dengan mengurangi mata rantai perantara dalam rantai distribusi dan dengan mengurangi komponen transportasi8 .

Energi matahari

Parameter radiasi matahari

Pertama-tama, perlu dilakukan kajian potensi potensi energi radiasi matahari. Di sini, kekuatan spesifik totalnya di permukaan bumi dan distribusi kekuatan ini pada rentang radiasi yang berbeda sangatlah penting.

Tenaga radiasi matahari

Kekuatan radiasi Matahari yang terletak di puncaknya di permukaan bumi diperkirakan sekitar 1350 W/m2. Perhitungan sederhana menunjukkan bahwa untuk memperoleh daya sebesar 10 kW diperlukan pengumpulan radiasi matahari dari lahan seluas 7,5 m2 saja. Tapi ini terjadi pada sore hari yang cerah di zona tropis yang tinggi di pegunungan, di mana atmosfernya sangat jernih dan jernih. Segera setelah Matahari mulai condong ke arah cakrawala, jalur sinarnya melalui atmosfer meningkat, dan karenanya, kerugian di sepanjang jalur ini juga meningkat. Kehadiran debu atau uap air di atmosfer, bahkan dalam jumlah yang tidak terlihat tanpa instrumen khusus, semakin mengurangi aliran energi. Namun, bahkan di zona tengah pada sore musim panas, untuk setiap meter persegi yang berorientasi tegak lurus terhadap sinar matahari, terdapat aliran energi matahari dengan kekuatan kurang lebih 1 kW.

Tentu saja, bahkan tutupan awan tipis pun secara dramatis mengurangi energi yang mencapai permukaan, terutama dalam rentang inframerah (termal). Namun, sebagian energi masih menembus awan. Di zona tengah, dengan awan tebal pada siang hari, kekuatan radiasi matahari yang mencapai permukaan bumi diperkirakan sekitar 100 W/m2, dan hanya dalam kasus yang jarang terjadi, dengan awan yang sangat tebal, kekuatan radiasi matahari dapat turun di bawah nilai tersebut. Jelasnya, dalam kondisi seperti itu, untuk memperoleh 10 kW, perlu dilakukan secara lengkap, tanpa kehilangan dan refleksi, mengumpulkan radiasi matahari bukan dari 7,5 m2 permukaan bumi, tetapi dari seluruh seratus meter persegi (100 m2).

Tabel tersebut menunjukkan data rata-rata singkat energi radiasi matahari untuk beberapa kota di Rusia, dengan mempertimbangkan kondisi iklim (frekuensi dan intensitas kekeruhan) per unit permukaan horizontal. Rincian data ini, data tambahan untuk orientasi panel selain horizontal, serta data untuk wilayah lain di Rusia dan negara-negara bekas Uni Soviet disediakan di halaman terpisah.

Panel tetap yang ditempatkan pada sudut kemiringan optimal mampu menyerap energi 1,2..1,4 kali lebih banyak dibandingkan panel horizontal, dan jika berputar mengikuti Matahari, peningkatannya akan menjadi 1,4..1,8 kali lipat. Hal ini dapat dilihat, dipecah berdasarkan bulan, untuk panel tetap yang berorientasi ke selatan pada sudut kemiringan yang berbeda, dan untuk sistem yang melacak pergerakan Matahari. Fitur penempatan panel surya dibahas lebih detail di bawah ini.

Radiasi matahari langsung dan menyebar

Bedakan antara radiasi matahari yang menyebar dan langsung. Untuk menangkap radiasi matahari langsung secara efektif, panel harus diorientasikan tegak lurus terhadap aliran sinar matahari. Untuk persepsi radiasi hamburan, orientasinya tidak terlalu penting, karena datangnya cukup merata dari hampir seluruh langit - begitulah cara permukaan bumi disinari pada hari berawan (oleh karena itu, pada cuaca mendung, objek tidak memiliki pandangan yang jelas. bayangan tertentu, dan permukaan vertikal, seperti pilar dan dinding rumah praktis tidak menghasilkan bayangan yang terlihat).

Rasio radiasi langsung dan radiasi menyebar sangat bergantung pada kondisi cuaca pada musim yang berbeda. Misalnya, musim dingin di Moskow berawan, dan pada bulan Januari jumlah radiasi yang tersebar melebihi 90% dari total insolasi. Namun bahkan di musim panas Moskow, radiasi yang tersebar mencapai hampir setengah dari seluruh energi matahari yang mencapai permukaan bumi. Pada saat yang sama, di Baku yang cerah, baik di musim dingin maupun musim panas, porsi radiasi tersebar berkisar antara 19 hingga 23% dari total insolasi, dan masing-masing sekitar 4/5 radiasi matahari bersifat langsung. Rasio insolasi tersebar dan total untuk beberapa kota diberikan lebih rinci pada halaman terpisah.

Distribusi energi dalam spektrum matahari

Spektrum matahari praktis kontinu pada rentang frekuensi yang sangat luas - dari gelombang radio frekuensi rendah hingga sinar-X frekuensi sangat tinggi dan radiasi gamma. Tentu saja, sulit untuk menangkap berbagai jenis radiasi secara efektif (mungkin hal ini hanya dapat dicapai secara teoritis dengan bantuan “benda hitam ideal”). Namun hal ini tidak perlu - pertama, Matahari sendiri memancarkan sinar dalam rentang frekuensi berbeda dengan kekuatan berbeda, dan kedua, tidak semua pancaran Matahari mencapai permukaan bumi - bagian spektrum tertentu sebagian besar diserap oleh berbagai komponen atmosfer - terutama lapisan ozon, uap air dan karbon dioksida.

Oleh karena itu, cukup bagi kita untuk menentukan rentang frekuensi di mana fluks energi matahari terbesar diamati di permukaan bumi, dan menggunakannya. Secara tradisional, radiasi matahari dan kosmik dipisahkan bukan berdasarkan frekuensi, tetapi berdasarkan panjang gelombang (hal ini disebabkan oleh eksponen yang terlalu besar untuk frekuensi radiasi ini, yang sangat merepotkan - cahaya tampak dalam Hertz sesuai dengan orde ke-14). Mari kita lihat ketergantungan distribusi energi pada panjang gelombang radiasi matahari.

Kisaran cahaya tampak dianggap sebagai rentang panjang gelombang dari 380 nm (ungu tua) hingga 760 nm (merah tua). Segala sesuatu yang memiliki panjang gelombang lebih pendek memiliki energi foton yang lebih tinggi dan terbagi menjadi rentang radiasi ultraviolet, sinar-X, dan gamma. Meskipun foton berenergi tinggi, jumlah foton dalam rentang ini tidak begitu banyak, sehingga kontribusi energi total pada bagian spektrum ini sangat kecil. Segala sesuatu yang memiliki panjang gelombang lebih panjang memiliki energi foton yang lebih rendah dibandingkan cahaya tampak dan terbagi dalam jangkauan inframerah (radiasi termal) dan berbagai bagian jangkauan radio. Grafik menunjukkan bahwa pada rentang inframerah Matahari memancarkan energi yang hampir sama dengan energi tampak (kadarnya lebih kecil, namun jangkauannya lebih luas), namun pada rentang frekuensi radio energi radiasinya sangat kecil.

Jadi, dari sudut pandang energi, cukup bagi kita untuk membatasi diri pada rentang frekuensi tampak dan inframerah, serta ultraviolet dekat (hingga 300 nm, ultraviolet keras dengan panjang gelombang lebih pendek hampir seluruhnya diserap dalam apa yang disebut. lapisan ozon, memastikan sintesis ozon ini dari oksigen atmosfer) . Dan bagian terbesar energi matahari yang mencapai permukaan bumi terkonsentrasi pada rentang panjang gelombang 300 hingga 1800 nm.

Keterbatasan dalam menggunakan energi matahari

Keterbatasan utama yang terkait dengan penggunaan energi surya disebabkan oleh ketidakkonsistenannya - instalasi tenaga surya tidak berfungsi pada malam hari dan tidak efektif dalam cuaca mendung. Hal ini jelas bagi hampir semua orang.

Namun, ada satu keadaan lagi yang sangat relevan untuk garis lintang kita yang agak utara - perbedaan musim dalam panjang hari. Jika untuk zona tropis dan khatulistiwa durasi siang dan malam sedikit bergantung pada waktu dalam setahun, maka di garis lintang Moskow, hari terpendek hampir 2,5 kali lebih pendek daripada hari terpanjang! Saya bahkan tidak berbicara tentang wilayah sirkumpolar... Akibatnya, pada hari musim panas yang cerah, instalasi tenaga surya di dekat Moskow dapat menghasilkan energi yang tidak lebih sedikit daripada di khatulistiwa (matahari lebih rendah, tetapi siang hari lebih panjang). Namun, di musim dingin, ketika kebutuhan energi sangat tinggi, produksinya justru akan menurun beberapa kali lipat. Memang, selain siang hari yang pendek, sinar matahari musim dingin yang rendah, bahkan pada siang hari, harus melewati lapisan atmosfer yang jauh lebih tebal dan oleh karena itu kehilangan lebih banyak energi dalam jalur ini dibandingkan di musim panas, ketika matahari tinggi. dan sinarnya melewati atmosfer hampir secara vertikal (ungkapan “matahari musim dingin yang dingin "memiliki arti fisik yang paling langsung). Namun, ini tidak berarti bahwa instalasi tenaga surya di zona tengah dan bahkan di wilayah yang lebih utara sama sekali tidak berguna - meskipun tidak banyak berguna di musim dingin, selama periode hari yang panjang, setidaknya enam bulan antara ekuinoks musim semi dan musim gugur. , mereka cukup efektif.

Yang paling menarik adalah penggunaan instalasi tenaga surya untuk menggerakkan AC yang semakin tersebar luas namun sangat “rakus”. Lagi pula, semakin kuat sinar matahari, semakin panas dan semakin dibutuhkan AC. Namun dalam kondisi seperti itu, instalasi tenaga surya juga mampu menghasilkan lebih banyak energi, dan energi tersebut akan digunakan oleh AC “di sini dan saat ini”; tidak perlu diakumulasikan dan disimpan! Selain itu, sama sekali tidak perlu mengubah energi menjadi bentuk listrik - mesin panas serapan menggunakan panas secara langsung, yang berarti bahwa alih-alih baterai fotovoltaik, Anda dapat menggunakan kolektor surya, yang paling efektif dalam cuaca cerah dan panas. Benar, saya percaya bahwa AC hanya diperlukan di daerah yang panas, tanpa air, dan di daerah beriklim tropis lembab, serta di kota-kota modern, di mana pun lokasinya. Rumah pedesaan yang dirancang dan dibangun dengan baik, tidak hanya di zona tengah, tetapi juga di sebagian besar wilayah selatan Rusia, tidak memerlukan perangkat yang boros energi, besar, berisik, dan berubah-ubah.

Sayangnya, di daerah perkotaan, penggunaan instalasi tenaga surya yang lebih atau kurang kuat dengan manfaat praktis yang nyata hanya mungkin dilakukan dalam kasus yang jarang terjadi dan dalam keadaan yang sangat menguntungkan. Namun, saya tidak menganggap apartemen kota sebagai perumahan yang lengkap, karena fungsi normalnya bergantung pada terlalu banyak faktor yang tidak dapat dikendalikan langsung oleh penghuni karena alasan teknis semata, dan oleh karena itu jika terjadi kegagalan setidaknya salah satu sistem pendukung kehidupan untuk waktu yang kurang lebih lama Di gedung apartemen modern, kondisi di sana tidak dapat diterima untuk ditinggali (sebaliknya, apartemen di gedung bertingkat tinggi harus dianggap sebagai semacam kamar hotel, yang penduduk membeli untuk penggunaan tidak terbatas atau disewa dari pemerintah kota). Namun di luar kota, perhatian khusus terhadap energi surya dapat dibenarkan bahkan di lahan kecil seluas 6 hektar.

Fitur penempatan panel surya

Memilih orientasi panel surya yang optimal adalah salah satu masalah terpenting dalam penggunaan praktis instalasi surya jenis apa pun. Sayangnya, aspek ini sangat sedikit dibahas di berbagai situs yang didedikasikan untuk energi surya, meskipun mengabaikannya dapat mengurangi efisiensi panel ke tingkat yang tidak dapat diterima.

Faktanya adalah bahwa sudut datang sinar di permukaan sangat mempengaruhi koefisien refleksi, dan juga proporsi energi matahari yang tidak menerima. Misalnya, untuk kaca, ketika sudut datang menyimpang dari tegak lurus permukaannya hingga 30°, koefisien refleksi praktis tidak berubah dan sedikit kurang dari 5%, yaitu. lebih dari 95% radiasi yang terjadi masuk ke dalam. Selanjutnya, peningkatan pantulan menjadi nyata, dan pada suhu 60° pangsa radiasi yang dipantulkan berlipat ganda - hampir mencapai 10%. Pada sudut datang 70°, sekitar 20% radiasi dipantulkan, dan pada 80° - 40%. Untuk sebagian besar zat lain, ketergantungan derajat pemantulan pada sudut datang kira-kira sama.

Yang lebih penting lagi adalah apa yang disebut area panel efektif, yaitu penampang fluks radiasi yang dicakupnya. Ini sama dengan luas sebenarnya panel dikalikan dengan sinus sudut antara bidangnya dan arah aliran (atau, yang sama, dengan kosinus sudut antara tegak lurus panel dan arah aliran. aliran). Oleh karena itu, jika panel tegak lurus terhadap aliran, maka luas efektifnya sama dengan luas sebenarnya, jika aliran menyimpang dari tegak lurus sebesar 60°, maka luasnya adalah setengah luas sebenarnya, dan jika aliran sejajar dengan panel, luas efektifnya adalah nol. Dengan demikian, penyimpangan aliran yang signifikan dari tegak lurus ke panel tidak hanya meningkatkan pantulan, namun juga mengurangi area efektifnya, yang menyebabkan penurunan produksi yang sangat nyata.

Jelasnya, untuk tujuan kita, orientasi panel yang konstan dan tegak lurus terhadap aliran sinar matahari adalah yang paling efektif. Namun hal ini memerlukan perubahan posisi panel pada dua bidang, karena posisi Matahari di langit tidak hanya bergantung pada waktu, tetapi juga pada waktu dalam setahun. Meskipun sistem seperti itu secara teknis mungkin dilakukan, sistem ini sangat kompleks, sehingga mahal dan tidak terlalu dapat diandalkan.

Namun, ingatlah bahwa pada sudut datang hingga 30°, koefisien refleksi pada antarmuka udara-kaca adalah minimal dan praktis tidak berubah, dan selama setahun, sudut kenaikan maksimum Matahari di atas cakrawala menyimpang. dari posisi rata-rata tidak lebih dari ±23°. Luas efektif panel ketika menyimpang dari tegak lurus sebesar 23° juga tetap cukup besar - setidaknya 92% dari luas sebenarnya. Oleh karena itu, Anda dapat fokus pada ketinggian tahunan rata-rata dari kenaikan maksimum Matahari dan, tanpa kehilangan efisiensi, membatasi diri Anda pada rotasi hanya dalam satu bidang - mengelilingi sumbu kutub Bumi dengan kecepatan 1 putaran per hari. . Sudut kemiringan sumbu rotasi tersebut relatif terhadap horizontal sama dengan garis lintang geografis tempat tersebut. Misalnya, untuk Moskow, yang terletak pada garis lintang 56°, sumbu rotasi tersebut harus dimiringkan ke utara sebesar 56° relatif terhadap permukaan (atau, dengan kata lain, menyimpang dari vertikal sebesar 34°). Rotasi seperti itu jauh lebih mudah untuk diatur, namun panel besar memerlukan banyak ruang untuk berputar dengan lancar. Selain itu, perlu untuk mengatur koneksi geser yang memungkinkan Anda menghilangkan semua energi yang diterimanya dari panel yang terus berputar, atau membatasi diri Anda pada komunikasi fleksibel dengan koneksi tetap, tetapi memastikan panel kembali otomatis di malam hari. - jika tidak, terpelintir dan rusaknya komunikasi yang menghilangkan energi tidak dapat dihindari . Kedua solusi tersebut secara signifikan meningkatkan kompleksitas dan mengurangi keandalan sistem. Ketika kekuatan panel (dan ukuran serta beratnya) meningkat, masalah teknis menjadi lebih kompleks secara eksponensial.

Sehubungan dengan semua hal di atas, hampir selalu panel instalasi surya individu dipasang tidak bergerak, yang menjamin murahnya relatif dan keandalan instalasi tertinggi. Namun, di sini pilihan sudut penempatan panel menjadi sangat penting. Mari kita pertimbangkan masalah ini dengan menggunakan contoh Moskow.

Mari kita lihat diagram insolasi untuk berbagai sudut pemasangan panel. Tentu saja, panel yang berputar setelah Matahari keluar dari persaingan (garis oranye). Namun, bahkan pada hari-hari musim panas yang panjang, efisiensinya melebihi efisiensi panel tetap horizontal (biru) dan miring pada sudut optimal (merah) hanya sekitar 30%. Namun saat ini ada cukup kehangatan dan cahaya! Namun selama periode paling kekurangan energi yaitu pada bulan Oktober hingga Februari, keunggulan panel berputar dibandingkan panel tetap sangat minim dan hampir tidak terlihat. Benar, saat ini yang ditemani panel miring bukanlah panel horizontal, melainkan panel vertikal (garis hijau). Dan ini tidak mengherankan - sinar matahari musim dingin yang rendah meluncur melintasi panel horizontal, tetapi dapat ditangkap dengan baik oleh panel vertikal, yang hampir tegak lurus dengannya. Oleh karena itu, pada bulan Februari, November dan Desember, panel vertikal lebih efektif daripada panel miring dan hampir tidak berbeda dengan panel putar. Pada bulan Maret dan Oktober, hari-hari lebih panjang, dan panel berputar sudah mulai dengan percaya diri (meskipun tidak terlalu banyak) mengungguli opsi tetap, namun efektivitas panel miring dan vertikal hampir sama. Dan hanya selama periode hari yang panjang dari bulan April hingga Agustus, panel horizontal berada di depan panel vertikal dalam hal energi yang diterima dan mendekati panel miring, dan pada bulan Juni bahkan sedikit melebihi panel tersebut. Hilangnya panel vertikal pada musim panas adalah hal yang wajar - lagi pula, katakanlah, hari ekuinoks musim panas berlangsung di Moskow selama lebih dari 17 jam, dan di belahan depan (yang berfungsi) panel vertikal, Matahari dapat bertahan tidak lebih dari 12 jam, sisa 5 jam lebih (hampir sepertiga siang hari!) telah berlalu. Jika kita memperhitungkan bahwa pada sudut datang lebih dari 60°, proporsi cahaya yang dipantulkan dari permukaan panel mulai bertambah dengan cepat, dan luas efektifnya berkurang setengah atau lebih, maka waktu persepsi efektif adalah radiasi matahari untuk panel tersebut tidak melebihi 8 jam - yaitu kurang dari 50 % dari total panjang hari. Inilah yang menjelaskan fakta bahwa produktivitas panel vertikal stabil sepanjang periode hari yang panjang - dari bulan Maret hingga September. Dan terakhir, bulan Januari agak berbeda - di bulan ini kinerja panel dari semua orientasi hampir sama. Faktanya adalah bulan ini di Moskow sangat berawan, dan lebih dari 90% energi matahari berasal dari radiasi yang tersebar, dan untuk radiasi seperti itu, orientasi panel tidak terlalu penting (yang utama adalah jangan mengarahkannya ke tanah). Namun, beberapa hari cerah yang masih terjadi di bulan Januari mengurangi produksi panel horizontal sebesar 20% dibandingkan hari lainnya.

Sudut kemiringan apa yang harus Anda pilih? Itu semua tergantung kapan tepatnya Anda membutuhkan energi surya. Jika Anda ingin menggunakannya hanya di musim panas (misalnya, di pedesaan), maka Anda harus memilih apa yang disebut sudut kemiringan “optimal”, tegak lurus dengan posisi rata-rata Matahari antara ekuinoks musim semi dan musim gugur. . Jaraknya kira-kira 10°..15° lebih kecil dari garis lintang geografis dan untuk Moskow 40°..45°. Jika Anda membutuhkan energi sepanjang tahun, maka Anda harus “memeras” secara maksimal pada bulan-bulan musim dingin yang kekurangan energi, yang berarti Anda perlu fokus pada posisi rata-rata Matahari antara ekuinoks musim gugur dan musim semi dan menempatkan panel lebih dekat ke vertikal - 5° .. 15° lebih besar dari garis lintang geografis (untuk Moskow akan menjadi 60° .. 70°). Jika, karena alasan arsitektur atau desain, tidak mungkin mempertahankan sudut tersebut dan Anda harus memilih antara sudut kemiringan 40° atau kurang atau pemasangan vertikal, Anda sebaiknya memilih posisi vertikal. Pada saat yang sama, “kekurangan” energi pada hari-hari musim panas yang panjang tidak begitu kritis - selama periode ini terdapat banyak panas dan cahaya alami, dan kebutuhan akan produksi energi biasanya tidak sebesar di musim dingin dan di luar musim panas. -musim. Tentu saja, kemiringan panel harus berorientasi ke selatan, meskipun penyimpangan dari arah ini sebesar 10° .. 15° ke timur atau barat tidak banyak berubah dan oleh karena itu cukup dapat diterima.

Penempatan panel surya secara horizontal di seluruh Rusia tidak efektif dan sepenuhnya tidak dapat dibenarkan. Selain penurunan produksi energi yang terlalu besar pada periode musim gugur-musim dingin, debu menumpuk secara intensif pada panel horizontal, dan juga salju di musim dingin, dan debu tersebut hanya dapat dihilangkan dari sana dengan bantuan pembersihan yang diselenggarakan secara khusus (biasanya secara manual). Jika kemiringan panel melebihi 60°, maka salju di permukaannya tidak akan bertahan lama dan biasanya cepat hancur dengan sendirinya, dan lapisan tipis debu mudah tersapu oleh hujan.

Karena harga peralatan tenaga surya telah turun akhir-akhir ini, mungkin akan lebih menguntungkan, daripada menggunakan satu bidang panel surya yang berorientasi ke selatan, untuk menggunakan dua bidang dengan total daya yang lebih tinggi, berorientasi ke arah yang berdekatan (tenggara dan barat daya) dan bahkan berlawanan (timur). dan barat) arah mata angin. Hal ini akan memastikan produksi yang lebih seragam pada hari-hari cerah dan peningkatan produksi pada hari-hari berawan, sementara peralatan lainnya akan tetap dirancang untuk daya yang sama dan relatif rendah, sehingga akan lebih kompak dan lebih murah.

Dan satu hal terakhir. Kaca, yang permukaannya tidak halus, tetapi memiliki relief khusus, mampu menangkap cahaya samping dengan lebih efisien dan meneruskannya ke elemen kerja panel surya. Tampaknya yang paling optimal adalah relief bergelombang dengan orientasi tonjolan dan cekungan dari utara ke selatan (untuk panel vertikal - dari atas ke bawah) - semacam lensa linier. Kaca bergelombang dapat meningkatkan produksi panel tetap sebesar 5% atau lebih.

Jenis instalasi energi surya tradisional

Dari waktu ke waktu ada laporan tentang pembangunan pembangkit listrik tenaga surya (SPP) atau pabrik desalinasi lainnya. Kolektor surya termal dan panel surya fotovoltaik digunakan di seluruh dunia, dari Afrika hingga Skandinavia. Metode penggunaan energi matahari ini telah berkembang selama beberapa dekade; banyak situs di Internet yang membahasnya. Oleh karena itu, di sini saya akan membahasnya secara umum. Namun, satu poin penting yang praktis tidak tercakup di Internet - ini adalah pilihan parameter spesifik saat membuat sistem pasokan tenaga surya individual. Padahal, pertanyaan ini tidak sesederhana kelihatannya pada pandangan pertama. Contoh pemilihan parameter untuk sistem tenaga surya diberikan pada halaman terpisah.

Panel surya

Secara umum, “baterai surya” dapat dipahami sebagai kumpulan modul identik yang menyerap radiasi matahari dan digabungkan menjadi satu perangkat, termasuk perangkat termal murni, tetapi secara tradisional istilah ini digunakan secara khusus untuk panel konverter fotolistrik. Oleh karena itu, istilah “baterai surya” hampir selalu mengacu pada perangkat fotovoltaik yang secara langsung mengubah radiasi matahari menjadi arus listrik. Teknologi ini aktif berkembang sejak pertengahan abad ke-20. Insentif besar bagi pengembangannya adalah eksplorasi luar angkasa, di mana baterai tenaga surya saat ini hanya dapat bersaing dengan sumber energi nuklir berukuran kecil dalam hal daya yang dihasilkan dan waktu pengoperasian. Selama masa ini, efisiensi konversi baterai tenaga surya meningkat dari satu atau dua persen menjadi 17% atau lebih pada model yang diproduksi secara massal dan relatif murah, serta lebih dari 42% pada model prototipe. Masa pakai dan keandalan operasional telah meningkat secara signifikan.

Keuntungan panel surya

Keuntungan utama panel surya adalah kesederhanaan desainnya yang ekstrem dan tidak adanya bagian yang bergerak. Hasilnya adalah bobot spesifik yang rendah dan kesederhanaan dikombinasikan dengan keandalan yang tinggi, serta pemasangan yang paling sederhana dan persyaratan perawatan yang minimal selama pengoperasian (biasanya cukup dengan menghilangkan kotoran dari permukaan kerja yang menumpuk). Mewakili elemen datar dengan ketebalan kecil, mereka cukup berhasil ditempatkan di kemiringan atap yang menghadap matahari atau di dinding rumah, praktis tanpa memerlukan ruang tambahan atau konstruksi struktur besar yang terpisah. Satu-satunya syarat adalah tidak ada yang mengaburkannya selama mungkin.

Keuntungan penting lainnya adalah energi dihasilkan segera dalam bentuk listrik – dalam bentuk yang paling universal dan nyaman hingga saat ini.

Sayangnya, tidak ada yang bertahan selamanya - efisiensi konverter fotovoltaik menurun seiring masa pakainya. Wafer semikonduktor, yang biasanya membentuk panel surya, seiring waktu menurun dan kehilangan sifat-sifatnya, akibatnya efisiensi sel surya yang sudah tidak terlalu tinggi menjadi semakin rendah. Paparan suhu tinggi dalam waktu lama mempercepat proses ini. Pada awalnya saya mencatat ini sebagai kelemahan baterai fotovoltaik, terutama karena sel fotovoltaik yang “mati” tidak dapat dipulihkan. Namun, tidak mungkin generator listrik mekanis mana pun akan mampu menunjukkan efisiensi setidaknya 1% setelah hanya 10 tahun beroperasi terus-menerus - kemungkinan besar generator tersebut akan memerlukan perbaikan serius jauh lebih awal karena keausan mekanis, jika bukan pada bantalan, maka pada sikat. - dan konverter foto modern mampu mempertahankan efisiensinya selama beberapa dekade. Menurut perkiraan optimis, selama 25 tahun efisiensi baterai surya hanya berkurang 10%, yang berarti jika faktor lain tidak ikut campur, bahkan setelah 100 tahun hampir 2/3 dari efisiensi aslinya akan tetap ada. Namun, untuk sel fotovoltaik komersial massal yang berbahan dasar silikon poli dan monokristalin, produsen dan penjual yang jujur ​​memberikan angka penuaan yang sedikit berbeda - setelah 20 tahun kita akan memperkirakan hilangnya efisiensi hingga 20% (maka secara teoritis setelah 40 tahun efisiensinya akan menjadi 2 /3 dari produktivitas awal, berkurang setengahnya dalam 60 tahun, dan setelah 100 tahun akan tersisa sedikit kurang dari 1/3 produktivitas awal). Secara umum, masa pakai normal konverter foto modern setidaknya 25...30 tahun, jadi degradasi tidak terlalu penting, dan jauh lebih penting untuk membersihkan debu dari konverter tersebut tepat waktu...

Jika baterai dipasang sedemikian rupa sehingga praktis tidak ada debu alami atau langsung tersapu oleh hujan alami, maka baterai akan dapat beroperasi tanpa perawatan apa pun selama bertahun-tahun. Kemampuan untuk beroperasi dalam waktu lama dalam mode bebas perawatan merupakan keuntungan besar lainnya.

Terakhir, panel surya mampu menghasilkan energi dari fajar hingga senja, bahkan dalam cuaca mendung ketika pengumpul panas matahari hanya sedikit berbeda dari suhu sekitar. Tentu saja, dibandingkan dengan hari yang cerah, produktivitasnya turun berkali-kali lipat, tetapi ada yang lebih baik daripada tidak sama sekali! Dalam hal ini, sangat menarik untuk mengembangkan baterai dengan konversi energi maksimum pada rentang di mana awan menyerap radiasi matahari paling sedikit. Selain itu, ketika memilih fotokonverter surya, Anda harus memperhatikan ketergantungan tegangan yang dihasilkannya pada penerangan - tegangannya harus sekecil mungkin (ketika penerangan berkurang, arus, bukan tegangan, yang harus turun terlebih dahulu, karena jika tidak, ke memperoleh setidaknya beberapa efek yang berguna pada hari berawan, Anda harus menggunakan peralatan tambahan yang mahal yang secara paksa meningkatkan tegangan ke tingkat minimum yang cukup untuk mengisi daya baterai dan mengoperasikan inverter).

Kekurangan panel surya

Tentu saja panel surya memiliki banyak kekurangan. Selain tergantung pada cuaca dan waktu, hal-hal berikut dapat diperhatikan.

Efisiensi rendah. Kolektor surya yang sama, dengan pilihan bentuk dan bahan permukaan yang tepat, mampu menyerap hampir semua radiasi matahari yang menerpanya di hampir seluruh spektrum frekuensi yang membawa energi nyata - dari inframerah jauh hingga rentang ultraviolet. Baterai surya mengubah energi secara selektif - untuk eksitasi kerja atom, diperlukan energi foton (frekuensi radiasi) tertentu, oleh karena itu pada beberapa pita frekuensi konversi sangat efektif, sedangkan rentang frekuensi lainnya tidak berguna bagi mereka. Selain itu, energi foton yang ditangkap oleh mereka digunakan secara kuantum - "kelebihannya", melebihi tingkat yang diperlukan, digunakan untuk memanaskan bahan fotokonverter, yang dalam hal ini berbahaya. Hal inilah yang menyebabkan rendahnya efisiensi mereka.
Omong-omong, jika Anda memilih bahan yang salah untuk lapisan pelindung, Anda dapat mengurangi efisiensi baterai secara signifikan. Masalah ini diperburuk oleh fakta bahwa kaca biasa menyerap bagian ultraviolet berenergi tinggi dari kisaran tersebut dengan cukup baik, dan untuk beberapa jenis fotosel kisaran khusus ini sangat relevan - energi foton inframerah terlalu rendah untuk mereka.

Sensitivitas terhadap suhu tinggi. Ketika suhu meningkat, efisiensi sel surya, seperti hampir semua perangkat semikonduktor lainnya, menurun. Pada suhu di atas 100..125°C, perangkat tersebut mungkin kehilangan fungsinya untuk sementara, dan pemanasan yang lebih besar dapat menyebabkan kerusakan permanen. Selain itu, suhu tinggi mempercepat degradasi fotosel. Oleh karena itu, segala upaya perlu dilakukan untuk mengurangi pemanasan yang tidak dapat dihindari di bawah terik sinar matahari langsung. Biasanya, pabrikan membatasi kisaran suhu pengoperasian nominal fotosel hingga +70°..+90°C (ini berarti pemanasan elemen itu sendiri, dan suhu sekitar, tentu saja, harus jauh lebih rendah).
Situasi yang lebih rumit adalah permukaan sensitif fotosel yang agak rapuh sering kali ditutupi dengan kaca pelindung atau plastik transparan. Jika masih ada celah udara antara penutup pelindung dan permukaan fotosel, semacam “rumah kaca” akan terbentuk, yang memperparah panas berlebih. Benar, dengan meningkatkan jarak antara kaca pelindung dan permukaan fotosel dan menghubungkan rongga ini dengan atmosfer di atas dan di bawah, aliran udara konveksi dapat diatur yang secara alami mendinginkan fotosel. Namun, di bawah sinar matahari yang cerah dan suhu luar yang tinggi, hal ini mungkin tidak cukup, terlebih lagi, metode ini berkontribusi terhadap percepatan debu pada permukaan kerja fotosel. Oleh karena itu, bahkan baterai surya yang tidak terlalu besar mungkin memerlukan sistem pendingin khusus. Sejujurnya, harus dikatakan bahwa sistem seperti itu biasanya mudah diotomatisasi, dan penggerak kipas atau pompa hanya mengkonsumsi sebagian kecil dari energi yang dihasilkan. Dengan tidak adanya sinar matahari yang terik, tidak banyak pemanasan dan tidak diperlukan pendinginan sama sekali, sehingga energi yang dihemat dalam menggerakkan sistem pendingin dapat digunakan untuk keperluan lain. Perlu dicatat bahwa pada panel modern buatan pabrik, lapisan pelindung biasanya menempel erat pada permukaan fotosel dan menghilangkan panas dari luar, tetapi pada desain buatan sendiri, kontak mekanis dengan kaca pelindung dapat merusak fotosel.

Sensitivitas terhadap ketidakrataan iluminasi. Biasanya, untuk mendapatkan tegangan pada keluaran baterai yang lebih atau kurang nyaman untuk digunakan (12, 24 volt atau lebih), fotosel dihubungkan dalam rangkaian seri. Arus di setiap rangkaian tersebut, dan karenanya kekuatannya, ditentukan oleh mata rantai terlemah - fotosel dengan karakteristik terburuk atau dengan pencahayaan terendah. Oleh karena itu, jika setidaknya satu elemen rangkaian berada dalam bayangan, ini secara signifikan mengurangi keluaran seluruh rangkaian - kerugiannya tidak sebanding dengan bayangan (selain itu, jika tidak ada dioda pelindung, elemen tersebut akan mulai menghilangkan daya yang dihasilkan oleh elemen yang tersisa!). Pengurangan keluaran yang tidak proporsional hanya dapat dihindari dengan menghubungkan semua fotosel secara paralel, tetapi keluaran baterai akan memiliki terlalu banyak arus pada tegangan yang terlalu rendah - biasanya untuk masing-masing fotosel hanya 0,5 .. 0,7 V, tergantung pada jenisnya dan ukuran beban.

Sensitivitas terhadap polusi. Bahkan lapisan kotoran yang hampir tidak terlihat pada permukaan sel surya atau kaca pelindung dapat menyerap sebagian besar sinar matahari dan mengurangi produksi energi secara signifikan. Di kota yang berdebu, hal ini memerlukan pembersihan permukaan panel surya secara berkala, terutama yang dipasang secara horizontal atau agak miring. Tentu saja, prosedur yang sama diperlukan setelah setiap hujan salju dan setelah badai debu... Namun, jauh dari kota, kawasan industri, jalan raya yang sibuk, dan sumber debu kuat lainnya dengan sudut 45° atau lebih, hujan cukup mampu menyebabkan hujan. membersihkan debu alami dari permukaan panel, “secara otomatis” menjaganya dalam kondisi cukup bersih. Dan salju di lereng seperti itu, yang juga menghadap ke selatan, biasanya tidak bertahan lama bahkan pada hari yang sangat dingin. Jadi, jauh dari sumber polusi atmosfer, panel surya bisa beroperasi dengan sukses selama bertahun-tahun tanpa perawatan sama sekali, andai saja ada matahari di langit!

Terakhir, hambatan terakhir namun terpenting terhadap meluasnya penggunaan panel surya fotovoltaik adalah harganya yang agak mahal. Biaya elemen baterai surya saat ini setidaknya 1 $/W (1 kW - $1000), dan ini untuk modifikasi efisiensi rendah tanpa memperhitungkan biaya perakitan dan pemasangan panel, serta tanpa memperhitungkan biaya harga baterai, pengontrol pengisian daya dan inverter (pengonversi arus searah tegangan rendah yang dihasilkan) ke standar rumah tangga atau industri). Dalam kebanyakan kasus, untuk memperkirakan biaya riil minimum, angka-angka ini harus dikalikan 3-5 kali lipat saat merakit sendiri dari sel surya individual dan 6-10 kali lipat saat membeli set peralatan yang sudah jadi (ditambah biaya pemasangan).

Dari semua elemen sistem catu daya yang menggunakan baterai fotovoltaik, baterai memiliki masa pakai terpendek, tetapi produsen baterai modern bebas perawatan mengklaim bahwa dalam mode buffer, baterai akan bekerja selama sekitar 10 tahun (atau akan berfungsi 1000 siklus pengisian dan pengosongan yang kuat secara tradisional - jika Anda menghitung satu siklus per hari, maka dalam mode ini siklus tersebut akan bertahan selama 3 tahun). Saya perhatikan bahwa biaya baterai biasanya hanya 10-20% dari total biaya keseluruhan sistem, dan biaya inverter dan pengontrol muatan (keduanya merupakan produk elektronik yang kompleks, dan oleh karena itu ada kemungkinan kegagalannya) bahkan lebih sedikit. Jadi, dengan mempertimbangkan masa pakai yang lama dan kemampuan untuk bekerja dalam waktu lama tanpa perawatan apa pun, konverter foto mungkin membayar sendiri lebih dari sekali selama masa pakainya, dan tidak hanya di daerah terpencil, tetapi juga di daerah berpenduduk - jika listrik tarif akan terus meningkat dengan kecepatan saat ini!

Kolektor panas matahari

Nama “kolektor surya” diberikan untuk perangkat yang menggunakan pemanasan langsung dengan panas matahari, baik tunggal maupun bertumpuk (modular). Contoh paling sederhana dari kolektor surya termal adalah tangki air hitam di atap pancuran pedesaan yang disebutkan di atas (omong-omong, efisiensi pemanasan air di pancuran musim panas dapat ditingkatkan secara signifikan dengan membangun rumah kaca mini di sekitar tangki. , setidaknya dari film plastik; diharapkan ada jarak 4-5 cm antara film dan dinding tangki di bagian atas dan samping).

Namun, kolektor modern memiliki sedikit kemiripan dengan tangki semacam itu. Biasanya berupa struktur datar yang terbuat dari tabung tipis menghitam yang disusun dalam pola kisi atau ular. Tabung dapat dipasang pada lembaran substrat penghantar panas yang menghitam, yang memerangkap panas matahari memasuki ruang di antara keduanya - hal ini memungkinkan panjang keseluruhan tabung dikurangi tanpa kehilangan efisiensi. Untuk mengurangi kehilangan panas dan meningkatkan pemanasan, bagian atas kolektor dapat ditutup dengan lembaran kaca atau polikarbonat seluler transparan, dan di sisi sebaliknya dari lembaran pendistribusi panas, kehilangan panas yang tidak berguna dicegah dengan lapisan isolasi termal - semacam “rumah kaca” diperoleh. Air panas atau cairan pendingin lainnya bergerak melalui tabung, yang dapat ditampung dalam tangki penyimpanan berinsulasi termal. Pendingin bergerak di bawah aksi pompa atau gravitasi karena perbedaan kepadatan cairan pendingin sebelum dan sesudah pengumpul termal. Dalam kasus terakhir, sirkulasi yang kurang lebih efisien memerlukan pemilihan lereng dan bagian pipa yang cermat serta penempatan kolektor itu sendiri serendah mungkin. Namun biasanya kolektor ditempatkan di tempat yang sama dengan baterai surya - di dinding yang cerah atau di lereng atap yang cerah, meskipun tangki penyimpanan tambahan harus ditempatkan di suatu tempat. Tanpa tangki seperti itu, selama pemulihan panas yang intensif (misalnya, jika Anda perlu mengisi bak mandi atau mandi), kapasitas pengumpul mungkin tidak cukup, dan dalam waktu singkat air yang sedikit hangat akan mengalir dari keran.

Kaca pelindung, tentu saja, mengurangi efisiensi kolektor, menyerap dan memantulkan beberapa persen energi matahari, bahkan jika sinarnya jatuh tegak lurus. Ketika sinar mengenai kaca agak miring ke permukaan, koefisien refleksinya bisa mendekati 100%. Oleh karena itu, dengan tidak adanya angin dan hanya memerlukan sedikit pemanasan dibandingkan dengan udara di sekitarnya (misalnya 5-10 derajat, untuk menyiram taman), struktur “terbuka” bisa lebih efektif daripada struktur “berkaca”. Namun begitu diperlukan perbedaan suhu beberapa puluh derajat, atau jika angin tidak terlalu kencang, kehilangan panas pada struktur terbuka meningkat dengan cepat, dan kaca pelindung, dengan segala kekurangannya, menjadi suatu kebutuhan.

Catatan penting - perlu diingat bahwa pada hari yang cerah dan terik, jika tidak dianalisis, air dapat menjadi terlalu panas di atas titik didih, oleh karena itu, tindakan pencegahan yang tepat harus diambil dalam desain kolektor (menyediakan keamanan katup). Pada kolektor terbuka tanpa kaca pelindung, panas berlebih biasanya tidak menjadi perhatian.

Baru-baru ini, kolektor surya berdasarkan apa yang disebut pipa panas telah mulai digunakan secara luas (jangan bingung dengan “pipa panas” yang digunakan untuk menghilangkan panas dalam sistem pendingin komputer!). Berbeda dengan desain yang dibahas di atas, di sini setiap tabung logam panas tempat pendingin bersirkulasi disolder ke dalam tabung kaca, dan udara dipompa keluar dari ruang di antara keduanya. Ternyata analognya adalah termos, di mana karena isolasi termal vakum, kehilangan panas berkurang 20 kali lipat atau lebih. Akibatnya, menurut produsen, ketika ada suhu beku -35°C di luar kaca, air di tabung logam bagian dalam dengan lapisan khusus yang menyerap spektrum radiasi matahari seluas mungkin dipanaskan hingga +50.. +70°C (perbedaan lebih dari 100°C). Penyerapan yang efisien dikombinasikan dengan insulasi termal yang sangat baik memungkinkan Anda memanaskan cairan pendingin bahkan dalam cuaca berawan, meskipun daya pemanasan, tentu saja, beberapa kali lebih kecil dibandingkan di bawah sinar matahari yang cerah. Poin kuncinya di sini adalah untuk memastikan kelestarian vakum di celah antara tabung, yaitu kekencangan vakum pada sambungan kaca dan logam, dalam kisaran suhu yang sangat luas, mencapai 150 ° C, sepanjang masa pakai. bertahun-tahun. Oleh karena itu, dalam pembuatan kolektor seperti itu tidak mungkin dilakukan tanpa koordinasi yang cermat terhadap koefisien muai panas kaca dan logam serta proses produksi berteknologi tinggi, yang berarti bahwa dalam kondisi artisanal kecil kemungkinannya untuk membuat a pipa panas vakum lengkap. Tetapi desain kolektor yang lebih sederhana dapat dibuat secara mandiri tanpa masalah, meskipun, tentu saja, efisiensinya agak berkurang, terutama di musim dingin.

Selain kolektor surya cair yang dijelaskan di atas, ada jenis struktur menarik lainnya: udara (pendinginnya adalah udara, dan tidak takut beku), “kolam surya”, dll. Sayangnya, sebagian besar penelitian dan pengembangan kolektor surya dikhususkan untuk model cair, oleh karena itu jenis alternatif praktis tidak diproduksi secara massal dan tidak banyak informasi tentangnya.

Keuntungan dari kolektor surya

Keuntungan terpenting dari kolektor surya adalah kesederhanaan dan biaya pembuatan yang relatif rendah. Pilihan yang cukup efektif, dikombinasikan dengan kesederhanaan dalam pengoperasiannya. Persyaratan minimum untuk membuat kolektor dengan tangan Anda sendiri adalah beberapa meter pipa tipis (lebih disukai tembaga berdinding tipis - dapat ditekuk dengan radius minimum) dan sedikit cat hitam, setidaknya pernis bitumen. Kami membengkokkan tabung seperti ular, mengecatnya dengan cat hitam, meletakkannya di tempat yang cerah, menghubungkannya ke saluran air, dan sekarang kolektor surya paling sederhana sudah siap! Pada saat yang sama, kumparan dapat dengan mudah diberikan hampir semua konfigurasi dan memanfaatkan secara maksimal semua ruang yang dialokasikan untuk kolektor. Penghitaman rumah yang paling efektif dan juga sangat tahan terhadap suhu tinggi dan sinar matahari langsung adalah lapisan tipis karbon hitam. Namun jelaga mudah terhapus dan tersapu, sehingga penghitaman tersebut tentunya memerlukan kaca pelindung dan tindakan khusus untuk mencegah kemungkinan kondensasi memasuki permukaan yang tertutup jelaga.

Keuntungan penting lainnya dari kolektor adalah, tidak seperti panel surya, mereka mampu menangkap dan mengubah hingga 90% radiasi matahari yang menerpa menjadi panas, dan dalam kasus yang paling berhasil, bahkan lebih banyak lagi. Oleh karena itu, tidak hanya pada cuaca cerah, tetapi juga pada kondisi mendung ringan, efisiensi kolektor melebihi efisiensi baterai fotovoltaik. Terakhir, tidak seperti baterai fotovoltaik, penerangan permukaan yang tidak merata tidak menyebabkan penurunan efisiensi kolektor yang tidak proporsional - hanya fluks radiasi total (terintegrasi) yang penting.

Kekurangan kolektor surya

Namun kolektor surya lebih sensitif terhadap cuaca dibandingkan panel surya. Bahkan di bawah sinar matahari yang cerah, angin segar dapat mengurangi efisiensi pemanasan penukar panas terbuka berkali-kali lipat. Kaca pelindung, tentu saja, secara tajam mengurangi kehilangan panas dari angin, tetapi dalam kasus awan tebal, kaca juga tidak berdaya. Dalam cuaca mendung dan berangin, kolektor praktis tidak ada gunanya, tetapi baterai surya setidaknya menghasilkan sejumlah energi.

Di antara kelemahan kolektor surya lainnya, pertama-tama saya akan menyoroti musimnya. Embun beku malam musim semi atau musim gugur yang singkat sudah cukup untuk membuat es terbentuk di pipa pemanas sehingga menimbulkan bahaya pecahnya es. Tentu saja, hal ini dapat dihilangkan dengan memanaskan “rumah kaca” dengan koil dengan sumber panas pihak ketiga pada malam yang dingin, namun dalam kasus ini efisiensi energi keseluruhan kolektor dapat dengan mudah menjadi negatif! Pilihan lain - manifold sirkuit ganda dengan antibeku di sirkuit eksternal - tidak memerlukan konsumsi energi untuk pemanasan, tetapi akan jauh lebih rumit daripada opsi sirkuit tunggal dengan pemanas air langsung, baik dalam produksi maupun selama pengoperasian. Pada prinsipnya, struktur udara tidak dapat membeku, tetapi ada masalah lain - rendahnya kapasitas panas spesifik udara.

Namun, mungkin, kelemahan utama kolektor surya adalah bahwa ia merupakan alat pemanas, dan meskipun sampel yang diproduksi secara industri, tanpa adanya analisis panas, dapat memanaskan cairan pendingin hingga 190..200 ° C, suhu yang biasanya dicapai jarang melebihi 60..80 °C. Oleh karena itu, sangat sulit menggunakan panas yang diekstraksi untuk memperoleh kerja mekanik atau energi listrik dalam jumlah besar. Lagi pula, bahkan untuk pengoperasian turbin uap-air bersuhu terendah (misalnya, yang pernah dijelaskan oleh V.A. Zysin), air perlu dipanaskan secara berlebihan hingga setidaknya 110°C! Dan energi langsung dalam bentuk panas, seperti diketahui, tidak disimpan dalam waktu lama, dan pada suhu di bawah 100°C biasanya hanya dapat digunakan untuk penyediaan air panas dan pemanas rumah. Namun, mengingat biaya rendah dan kemudahan pembuatannya, ini mungkin merupakan alasan yang cukup untuk membeli kolektor surya Anda sendiri.

Agar adil, perlu dicatat bahwa siklus operasi "normal" dari mesin kalor dapat diatur pada suhu di bawah 100 ° C - baik jika titik didih diturunkan dengan mengurangi tekanan di bagian penguapan dengan memompa uap keluar dari sana. , atau dengan menggunakan cairan yang titik didihnya terletak antara suhu pemanasan kolektor surya dan suhu udara sekitar (optimal - 50..60°C). Benar, saya hanya dapat mengingat satu cairan non-eksotis dan relatif aman yang kurang lebih memenuhi kondisi ini - etil alkohol, yang dalam kondisi normal mendidih pada suhu 78°C. Jelasnya, dalam hal ini, perlu untuk mengatur siklus tertutup, memecahkan banyak masalah terkait. Dalam beberapa situasi, penggunaan mesin dengan pemanas eksternal (mesin Stirling) mungkin menjanjikan. Yang menarik dalam hal ini mungkin juga penggunaan paduan dengan efek memori bentuk, yang dijelaskan di situs ini dalam artikel oleh IV Nigel - paduan tersebut hanya memerlukan perbedaan suhu 25-30°C untuk beroperasi.

Konsentrasi Energi Matahari

Peningkatan efisiensi kolektor surya terutama melibatkan peningkatan suhu air panas di atas titik didih. Hal ini biasanya dilakukan dengan memusatkan energi matahari pada kolektor menggunakan cermin. Prinsip inilah yang mendasari sebagian besar pembangkit listrik tenaga surya; perbedaannya hanya terletak pada jumlah, konfigurasi dan penempatan cermin dan kolektor, serta metode pengendalian cermin. Akibatnya, pada titik fokus sangat mungkin untuk mencapai suhu tidak bahkan ratusan, tetapi ribuan derajat - pada suhu seperti itu, dekomposisi termal langsung air menjadi hidrogen dan oksigen sudah dapat terjadi (hidrogen yang dihasilkan dapat dibakar. pada malam hari dan pada hari berawan)!

Sayangnya, pengoperasian efektif instalasi semacam itu tidak mungkin dilakukan tanpa sistem kontrol kompleks untuk memusatkan cermin, yang harus melacak posisi Matahari yang terus berubah di langit. Jika tidak, dalam beberapa menit titik fokus akan meninggalkan kolektor, yang dalam sistem seperti itu seringkali berukuran sangat kecil, dan pemanasan fluida kerja akan berhenti. Bahkan penggunaan cermin paraboloid hanya menyelesaikan sebagian masalah - jika cermin tersebut tidak diputar secara berkala setelah Matahari, maka setelah beberapa jam cermin tersebut tidak akan lagi jatuh ke dalam mangkuknya atau hanya akan menerangi tepinya - ini tidak akan banyak gunanya.

Cara termudah untuk memusatkan energi matahari di rumah adalah dengan menempatkan cermin secara horizontal di dekat kolektor sehingga sinar matahari hampir sepanjang hari menyinari kolektor. Pilihan yang menarik adalah dengan menggunakan permukaan reservoir yang dibuat khusus di dekat rumah sebagai cermin, terutama jika itu bukan reservoir biasa, tetapi “kolam surya” (walaupun hal ini tidak mudah dilakukan, dan efisiensi refleksi akan jauh lebih kecil dibandingkan cermin biasa). Hasil yang baik dapat dicapai dengan menciptakan sistem cermin konsentrasi vertikal (usaha ini biasanya jauh lebih merepotkan, namun dalam beberapa kasus mungkin dibenarkan untuk memasang cermin besar di dinding yang berdekatan jika membentuk sudut internal dengan kolektor. - semuanya tergantung konfigurasi dan lokasi bangunan serta kolektor).

Mengarahkan radiasi matahari menggunakan cermin juga dapat meningkatkan keluaran baterai fotovoltaik. Namun pada saat yang sama, pemanasannya meningkat, dan ini dapat merusak baterai. Oleh karena itu, dalam hal ini, Anda harus membatasi diri pada keuntungan yang relatif kecil (beberapa puluh persen, tetapi tidak beberapa kali lipat), dan Anda perlu memantau suhu baterai dengan cermat, terutama pada hari yang panas dan cerah! Justru karena bahaya panas berlebih, beberapa produsen baterai fotovoltaik secara langsung melarang pengoperasian produk mereka di bawah penerangan yang ditingkatkan yang dibuat dengan bantuan reflektor tambahan.

Mengubah energi matahari menjadi energi mekanik

Instalasi tenaga surya jenis tradisional tidak secara langsung menghasilkan kerja mekanis. Untuk melakukan ini, motor listrik harus dihubungkan ke baterai surya pada konverter foto, dan saat menggunakan kolektor surya termal, uap super panas (dan untuk panas berlebih tidak mungkin terjadi tanpa cermin pemusatan) harus disuplai ke saluran masuk uap. turbin atau ke silinder mesin uap. Kolektor dengan panas yang relatif sedikit dapat mengubah panas menjadi gerakan mekanis dengan cara yang lebih eksotis, seperti menggunakan aktuator paduan memori bentuk.

Namun, ada juga instalasi yang melibatkan konversi panas matahari menjadi kerja mekanis, yang langsung dimasukkan ke dalam desainnya. Selain itu, ukuran dan kekuatannya sangat berbeda - ini adalah proyek menara surya besar setinggi ratusan meter, dan pompa surya sederhana, yang akan ditempatkan di pondok musim panas.

Kita hidup di dunia masa depan, meskipun hal ini tidak terlihat di semua wilayah. Bagaimanapun, kemungkinan pengembangan sumber energi baru sedang dibahas secara serius di kalangan progresif saat ini. Salah satu bidang yang paling menjanjikan adalah energi surya.

Saat ini, sekitar 1% listrik di bumi diperoleh dari pengolahan radiasi matahari. Jadi mengapa kita belum menghentikan metode “berbahaya” lainnya, dan apakah kita akan menyerah sama sekali? Kami mengundang Anda untuk membaca artikel kami dan mencoba menjawab sendiri pertanyaan ini.

Bagaimana energi matahari diubah menjadi listrik

Mari kita mulai dengan hal yang paling penting - bagaimana sinar matahari diubah menjadi listrik.

Proses itu sendiri disebut "generasi surya" . Cara paling efektif untuk memastikan hal ini adalah sebagai berikut:

• fotovoltaik;
• energi panas matahari;
• pembangkit listrik balon surya.

Mari kita lihat masing-masingnya.

Fotovoltarik

Dalam hal ini, arus listrik muncul karena efek fotovoltaik. Prinsipnya begini: sinar matahari mengenai fotosel, elektron menyerap energi foton (partikel cahaya) dan mulai bergerak. Hasilnya, kita mendapat tegangan listrik.

Proses inilah yang terjadi pada panel surya, yang didasarkan pada elemen yang mengubah radiasi matahari menjadi listrik.

Desain panel fotovoltaik sendiri cukup fleksibel dan dapat memiliki ukuran yang berbeda-beda. Oleh karena itu, sangat praktis untuk digunakan. Selain itu, panel memiliki sifat kinerja tinggi: tahan terhadap curah hujan dan perubahan suhu.

Dan inilah cara kerjanya modul panel surya terpisah:

Anda dapat membaca tentang penggunaan panel surya sebagai pengisi daya, sumber listrik untuk rumah pribadi, untuk perbaikan perkotaan dan untuk keperluan medis.

Panel surya modern dan pembangkit listrik

Contoh terbaru termasuk panel surya perusahaan SistineSolar. Mereka dapat memiliki warna dan tekstur apa pun, tidak seperti panel biru tua tradisional. Artinya bisa digunakan untuk “menghias” atap rumah sesuka Anda.

Solusi lain diusulkan oleh pengembang Tesla. Mereka meluncurkan tidak hanya panel, tetapi juga bahan atap lengkap yang memproses energi matahari. berisi modul surya built-in dan juga dapat memiliki berbagai macam desain. Pada saat yang sama, bahannya sendiri jauh lebih kuat dari genteng biasa; Atap Surya bahkan memiliki jaminan yang tiada habisnya.

Contoh pembangkit listrik tenaga surya yang lengkap adalah stasiun yang baru dibangun di Eropa dengan panel dua sisi. Yang terakhir mengumpulkan radiasi matahari langsung dan radiasi reflektif. Hal ini memungkinkan Anda untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik tenaga surya sebesar 30%. Stasiun ini seharusnya menghasilkan sekitar 400 MWh per tahun.

Yang menarik juga pembangkit listrik tenaga surya terapung terbesar di Cina. Kekuatannya 40 MW. Solusi tersebut memiliki 3 keuntungan penting:

• tidak perlu menempati lahan yang luas, yang penting bagi Tiongkok;
• di waduk, penguapan air berkurang;
• Fotosel itu sendiri lebih sedikit memanas dan bekerja lebih efisien.

Omong-omong, pembangkit listrik tenaga surya terapung ini dibangun di lokasi perusahaan pertambangan batu bara yang ditinggalkan.

Teknologi berbasis efek fotovoltaik adalah yang paling menjanjikan saat ini, dan menurut para ahli, panel surya akan mampu menghasilkan sekitar 20% kebutuhan listrik dunia dalam 30-40 tahun mendatang.

Energi panas matahari

Di sini pendekatannya sedikit berbeda, karena... radiasi matahari digunakan untuk memanaskan wadah berisi cairan. Berkat ini, ia berubah menjadi uap, yang memutar turbin, sehingga menghasilkan listrik.

Pembangkit listrik tenaga panas beroperasi dengan prinsip yang sama, hanya cairannya yang dipanaskan dengan membakar batu bara.

Contoh paling nyata dari penggunaan teknologi ini adalah Stasiun Tenaga Surya Ivanpah di Gurun Mojave. Ini adalah pembangkit listrik tenaga panas matahari terbesar di dunia.

Telah beroperasi sejak tahun 2014 dan tidak menggunakan bahan bakar apa pun untuk menghasilkan listrik - hanya energi surya yang ramah lingkungan.

Ketel air terletak di menara, yang dapat Anda lihat di tengah bangunan. Di sekelilingnya terdapat bidang cermin yang mengarahkan sinar matahari ke puncak menara. Pada saat yang sama, komputer terus-menerus memutar cermin-cermin ini tergantung pada lokasi matahari.

Di bawah pengaruh energi matahari yang terkonsentrasi, air di menara memanas dan berubah menjadi uap. Hal ini menciptakan tekanan dan uap mulai memutar turbin, mengakibatkan pelepasan listrik. Kekuatan stasiun ini adalah 392 megawatt, yang dapat dengan mudah dibandingkan dengan rata-rata pembangkit listrik tenaga panas di Moskow.

Menariknya, stasiun semacam itu juga bisa beroperasi pada malam hari. Hal ini dimungkinkan dengan menempatkan sebagian uap panas di tempat penyimpanan dan secara bertahap menggunakannya untuk memutar turbin.

Pembangkit listrik balon surya

Solusi orisinal ini, meskipun tidak banyak digunakan, masih mempunyai tempat.

Instalasinya sendiri terdiri dari 4 bagian utama:

• Aerostat – terletak di langit, mengumpulkan radiasi matahari. Air masuk ke dalam bola dan dengan cepat memanas, menjadi uap.
• Pipa uap - melaluinya, uap bertekanan turun ke turbin, menyebabkannya berputar.
• Turbin - di bawah pengaruh aliran uap, ia berputar, menghasilkan energi listrik.
• Kondensor dan pompa - uap yang telah melewati turbin dikondensasi menjadi air dan naik ke balon menggunakan pompa, kemudian dipanaskan kembali hingga menjadi uap.

Apa kelebihan energi surya

• Matahari akan terus memberi kita energinya selama beberapa miliar tahun lagi. Pada saat yang sama, masyarakat tidak perlu mengeluarkan uang dan sumber daya untuk mengekstraksinya.
• Menghasilkan energi surya adalah proses yang sepenuhnya ramah lingkungan dan tidak menimbulkan risiko terhadap alam.
• Otonomi proses. Memanen sinar matahari dan menghasilkan listrik terjadi dengan sedikit campur tangan manusia. Satu-satunya hal yang perlu Anda lakukan adalah menjaga permukaan kerja atau cermin Anda tetap bersih.
• Panel surya yang sudah habis dapat didaur ulang dan digunakan kembali dalam produksi.

Masalah pengembangan energi surya

Meskipun ide untuk menjaga pengoperasian pembangkit listrik tenaga surya di malam hari telah diterapkan, tidak ada seorang pun yang kebal dari keanehan alam. Langit mendung selama beberapa hari secara signifikan mengurangi produksi listrik, namun masyarakat dan dunia usaha membutuhkan pasokan listrik yang tidak terputus.

Pembangunan pembangkit listrik tenaga surya bukanlah suatu kesenangan yang murah. Hal ini disebabkan perlunya penggunaan elemen langka dalam desainnya. Tidak semua negara siap membuang-buang anggaran untuk pembangkit listrik yang kurang bertenaga ketika pembangkit listrik tenaga panas dan pembangkit listrik tenaga nuklir masih berfungsi.

Untuk menempatkan instalasi seperti itu diperlukan lahan yang luas, dan di tempat-tempat yang tingkat radiasi mataharinya cukup.

Bagaimana energi surya dikembangkan di Rusia?

Sayangnya, negara kita masih menggunakan batu bara, gas, dan minyak dengan kecepatan penuh, dan Rusia pasti akan menjadi negara terakhir yang sepenuhnya beralih ke energi alternatif.

Hingga saat ini pembangkit listrik tenaga surya hanya menyumbang 0,03% dari neraca energi Federasi Rusia. Sebagai perbandingan, di Jerman angkanya lebih dari 20%. Pengusaha swasta tidak tertarik berinvestasi pada energi surya karena periode pengembalian yang lama dan profitabilitas yang tidak terlalu tinggi, karena harga gas jauh lebih murah di negara kita.

Di wilayah Moskow dan Leningrad yang berkembang secara ekonomi, aktivitas matahari berada pada tingkat yang rendah. Di sana, membangun pembangkit listrik tenaga surya tidaklah praktis. Namun wilayah selatan cukup menjanjikan.