Procesas, kuris generuoja saulės energiją. Saulės energijos konversijos principas, jo taikymas ir perspektyvos

Kasdien mažėja pasaulio anglies, naftos, dujų, tai yra visko, kas šiandien mums tarnauja kaip energijos šaltinis, atsargų kiekis. Ir netolimoje ateityje žmonija pasieks tiek, kad iškastinio kuro tiesiog nebeliks. Todėl visos šalys aktyviai ieško išsigelbėjimo nuo mūsų sparčiai artėjančios katastrofos. Ir pirmoji išganymo priemonė, kuri ateina į galvą, žinoma, yra saulės energija, kurią nuo neatmenamų laikų žmonės naudojo rūbams džiovinti, namų apšvietimui ir maisto gaminimui. Taip atsirado viena iš alternatyvios energijos sričių – saulės energija.

Energijos šaltinis saulės energijai yra saulės šviesos energija, kuri naudojant specialias konstrukcijas paverčiama šiluma arba elektra. Pasak ekspertų, vos per savaitę žemės paviršius iš saulės gauna energijos kiekį, viršijantį pasaulio visų rūšių kuro atsargų energiją. Ir nors šios alternatyvios energijos srities plėtros tempai nuolat auga, saulės energija vis dar turi ne tik privalumų, bet ir trūkumų.

Jei pagrindiniai privalumai yra prieinamumas, o svarbiausia - energijos šaltinio neišsenkimas, tada trūkumai yra šie:

• poreikis kaupti energiją, gaunamą iš saulės,
• didelė naudojamos įrangos kaina,
• priklausomybė nuo oro sąlygų ir paros laiko,
• atmosferos temperatūros padidėjimas virš elektrinių ir kt.

Saulės spinduliuotės skaitinės charakteristikos

Yra toks indikatorius kaip saulės konstanta. Jo vertė yra 1367 W. Būtent tiek energijos tenka 1 kv.m. Planeta žemė. Tačiau dėl atmosferos žemės paviršių pasiekia apie 20–25 % mažiau energijos. Todėl saulės energijos vertė vienam kvadratiniam metrui, pavyzdžiui, ties pusiauju yra 1020 W. O atsižvelgiant į dienos ir nakties kaitą, saulės kampo virš horizonto pasikeitimą, šis skaičius sumažėja maždaug 3 kartus.

Bet iš kur ši energija? Mokslininkai pirmą kartą pradėjo tyrinėti šią problemą dar XIX amžiuje, o versijos buvo visiškai skirtingos. Šiandien, atlikus daugybę tyrimų, patikimai žinoma, kad saulės energijos šaltinis yra 4 vandenilio atomų pavertimo helio branduoliu reakcija. Dėl šio proceso išsiskiria nemažas energijos kiekis. Pavyzdžiui, energija, išsiskirianti transformuojant 1 g. vandenilis yra palyginamas su energija, išsiskiriančia deginant 15 tonų benzino.

Saulės energijos konversija

Jau žinome, kad iš saulės gaunama energija turi būti paversta kita forma. To poreikis kyla dėl to, kad žmonija dar neturi tokių prietaisų, kurie galėtų sunaudoti gryną saulės energiją. Todėl buvo sukurti tokie energijos šaltiniai kaip saulės kolektoriai ir saulės baterijos. Jei pirmasis naudojamas šilumos energijai gaminti, tada antrasis tiesiogiai gamina elektrą.

Yra keletas būdų, kaip konvertuoti saulės energiją:

• fotovoltinė energija;
• šiluminė oro energija;
• saulės šiluminė energija;
• naudojant saulės balionų jėgaines.

Labiausiai paplitęs metodas yra fotovoltinė. Šios konversijos principas yra fotovoltinių saulės baterijų arba saulės baterijų, kaip jie dar vadinami, naudojimas, per kurį saulės energija paverčiama elektros energija. Paprastai tokios plokštės gaminamos iš silicio, o jų darbinio paviršiaus storis siekia vos kelias dešimtąsias milimetro. Jie gali būti dedami bet kur, yra tik viena sąlyga - didelis saulės spindulių kiekis. Puikus pasirinkimas fotoplokštėms montuoti ant gyvenamųjų ir visuomeninių pastatų stogų.

Be aukščiau aptartų fotografinių plokščių, saulės spinduliuotės energijai konvertuoti naudojamos plonasluoksnės plokštės. Jos išsiskiria dar mažesniu storiu, todėl jas galima montuoti bet kur, tačiau reikšmingas tokių plokščių trūkumas – mažas efektyvumas. Būtent dėl ​​šios priežasties jų įrengimas pasiteisins tik dideliuose plotuose. Kad būtų smagu, plonasluoksnį skydelį galima uždėti net ant nešiojamojo kompiuterio dėklo ar ant rankinės.

Šiluminėje oro energijoje saulės energija paverčiama oro srauto energija, kuri vėliau siunčiama į turbogeneratorių. Tačiau naudojant saulės balionų jėgaines baliono viduje susidaro vandens garai. Šis efektas pasiekiamas saulės spinduliais kaitinant baliono paviršių, ant kurio yra padengta selektyviai sugerianti danga. Pagrindinis šio metodo privalumas yra pakankamas garo tiekimas, kurio pakanka tęsti elektrinės darbą esant blogam orui ir naktį.

Saulės energijos principas yra šildyti paviršių, kuris sugeria saulės spindulius ir sufokusuoja juos vėlesniam gautos šilumos panaudojimui. Paprasčiausias pavyzdys – vandens šildymas, kurį vėliau galima panaudoti buitinėms reikmėms, pavyzdžiui, tiekti į kanalizaciją ar baterijas, taupant dujas ar kitą kurą. Pramoniniu mastu šiuo metodu gauta saulės spinduliuotės energija, naudojant šilumos variklius, paverčiama elektros energija. Tokių kombinuotų elektrinių statyba gali trukti daugiau nei 20 metų, tačiau saulės energijos plėtros tempai nemažėja, o, priešingai, nuolat auga.

Kur galima panaudoti saulės energiją?

Saulės energija gali būti naudojama visiškai skirtingose ​​srityse – nuo ​​chemijos pramonės iki automobilių pramonės, nuo maisto gaminimo iki patalpų šildymo. Pavyzdžiui, saulės kolektorių naudojimas automobilių pramonėje prasidėjo 1955 m. Šie metai buvo pažymėti pirmojo automobilio, kuris veikė saulės baterijomis, išleidimu. Šiandien tokius automobilius gamina BMW, Toyota ir kitos didžiosios kompanijos.

Kasdieniame gyvenime saulės energija naudojama patalpų šildymui, apšvietimui ir net maisto ruošimui. Pavyzdžiui, iš folijos ir kartono pagamintomis saulės krosnelėmis JTO iniciatyva aktyviai naudojasi pabėgėliai, kurie dėl sunkios politinės padėties buvo priversti palikti savo namus. Metalų terminiam apdorojimui ir lydymui naudojamos sudėtingesnės saulės krosnys. Viena didžiausių tokių krosnių yra Uzbekistane.

Įdomiausi saulės energijos naudojimo išradimai yra šie:

• Apsauginis dėklas telefonui su fotoelementu, kuris kartu yra ir pakrovėjas.
• Kuprinė su pritvirtinta saulės baterija. Tai leis įkrauti ne tik telefoną, bet ir planšetinį kompiuterį ir net fotoaparatą, apskritai bet kokią elektroniką, kuri turi USB įvestį.
• Saulės Bluetooth ausinės.

O pati kūrybiškiausia idėja – drabužiai iš specialaus audinio. Striukė, kaklaraištis ir net maudymosi kostiumėlis – visa tai gali tapti ne tik daiktu Jūsų garderobe, bet ir pakrovėju.

Alternatyvios energetikos plėtra NVS šalyse

Alternatyvi energija, įskaitant saulės energiją, sparčiai vystosi ne tik JAV, Europoje ar Indijoje, bet ir NVS šalyse, įskaitant Rusiją, Kazachstaną ir ypač Ukrainą. Pavyzdžiui, Kryme buvo pastatyta didžiausia saulės elektrinė buvusioje Sovietų Sąjungoje Perovo. Jo statyba buvo baigta 2011 m. Ši elektrinė tapo 3-iuoju inovatyviu austrų bendrovės „Activ Solar“ projektu. Didžiausia Perovo galia yra apie 100 MW.

O tų pačių metų spalį „Activ Solar“ taip pat Kryme paleido kitą saulės elektrinę „Ochotnikovo“. Jo galia siekė 80 MW. Okhotnikovo taip pat gavo didžiausio statusą, bet Vidurio ir Rytų Europoje. Galima sakyti, kad alternatyvi energetika Ukrainoje žengė didžiulį žingsnį saugios ir neišsenkančios energijos link.

Kazachstane situacija atrodo kiek kitaip. Iš esmės alternatyviosios energetikos plėtra šioje šalyje vyksta tik teoriškai. Respublika turi milžinišką potencialą, tačiau jis dar nėra iki galo išnaudotas. Žinoma, vyriausybė sprendžia šį klausimą ir netgi buvo parengtas alternatyvios energijos plėtros Kazachstane planas, tačiau energijos, gaunamos iš atsinaujinančių šaltinių, ypač iš saulės, dalis bus ne didesnė kaip 1 proc. bendrame šalies energijos balanse. Iki 2020 metų planuojama paleisti tik 4 saulės jėgaines, kurių bendra galia sieks 77 MW.

Alternatyvi energetika Rusijoje taip pat sparčiai vystosi. Bet, kaip sakė energetikos viceministras, šioje srityje daugiausia dėmesio skiriama Tolimųjų Rytų regionams. Pavyzdžiui, Jakutijoje 4 saulės elektrinių, veikiančių atokiausiuose šiauriniuose kaimuose, bendra galia siekė daugiau nei 50 tūkst. Tai leido sutaupyti daugiau nei 14 tonų brangaus dyzelinio kuro. Kitas saulės energijos panaudojimo pavyzdys – Lipecko srityje statomas daugiafunkcis aviacijos kompleksas. Elektrą jos veiklai gamins pirmoji saulės elektrinė, taip pat pastatyta Lipecko srityje.

Visa tai leidžia daryti tokią išvadą: šiandien visos šalys, net ir ne pačios išsivysčiusios, siekia kuo labiau priartėti prie puoselėjamo tikslo – alternatyvių energijos šaltinių naudojimo. Juk elektros suvartojimas kasdien auga, o kenksmingų išmetimų į aplinką kiekis kasdien didėja. Ir daugelis jau supranta, kad mūsų ateitis ir mūsų planetos ateitis priklauso tik nuo mūsų.

R. Abdullina

Ukraina remiasi saulės energija

Žmonės nebeįsivaizduoja gyvenimo be elektros, ir kiekvienais metais energijos poreikis vis labiau auga, o energijos išteklių, tokių kaip nafta, dujos, anglis, atsargos sparčiai mažėja. Žmonija neturi kitos išeities, kaip tik naudoti alternatyvius energijos šaltinius. Vienas iš būdų gaminti elektrą yra saulės energijos pavertimas naudojant fotoelementus. Apie tai, kad saulės energiją galima naudoti, žmonės sužinojo palyginti seniai, tačiau aktyviai ją plėtoti pradėjo tik per pastaruosius 20 metų. Pastaraisiais metais dėl nuolatinių tyrimų, naujų medžiagų naudojimo ir kūrybiškų dizaino sprendimų pavyko žymiai padidinti saulės baterijų našumą. Daugelis mano, kad ateityje žmonija galės atsisakyti tradicinių elektros gamybos būdų saulės energijos naudai ir gauti ją naudodama saulės jėgaines.

Saulės energija

Saulės energija yra vienas iš netradiciniu būdu elektros energijos gamybos šaltinių, todėl priskiriamas prie alternatyvių energijos šaltinių. Saulės energija naudoja saulės spinduliuotę ir paverčia ją elektra ar kitomis energijos rūšimis. Saulės energija yra ne tik aplinkai nekenksmingas energijos šaltinis, nes... Konvertuojant saulės energiją, neišsiskiria kenksmingi šalutiniai produktai, tačiau saulės energija taip pat yra savaime atsinaujinantis alternatyvios energijos šaltinis.

Kaip veikia saulės energija

Teoriškai nesunku apskaičiuoti, kiek energijos galima gauti iš saulės energijos srauto, jau seniai žinoma, kad nukeliavus atstumą nuo Saulės iki Žemės ir nukritus ant 1 m² ploto paviršiaus 90° kampu saulės srautas prie įėjimo į atmosferą neša energijos krūvį, lygų 1367 W/m², tai yra vadinamoji saulės konstanta. Tai idealus variantas idealiomis sąlygomis, kurių, kaip žinome, praktiškai neįmanoma pasiekti. Taigi, praplaukus atmosferą, didžiausias srautas, kurį galima gauti, bus ties pusiauju ir bus 1020 W/m², tačiau vidutinė dienos vertė, kurią galime gauti, bus 3 kartus mažesnė dėl dienos ir nakties kaitos. ir saulės srauto kritimo kampo pokytis. O vidutinio klimato platumose dienos ir nakties kaitą taip pat lydi metų laikų kaita, o kartu ir šviesiųjų paros valandų trukmės pasikeitimas, tad vidutinio klimato platumose gaunamos energijos kiekis sumažės dar 2 kartus.

Saulės energijos kūrimas ir paskirstymas

Kaip visi žinome, pastaruosius kelerius metus saulės energetikos plėtra kasmet įgauna pagreitį, bet pabandykime atsekti vystymosi dinamiką. 1985 metais pasaulinė saulės energijos galia buvo tik 0,021 GW. 2005 metais jie jau siekė 1,656 GW. 2005-ieji laikomi lūžio tašku saulės energetikos plėtroje, būtent nuo šių metų žmonės pradėjo aktyviai domėtis saulės energija maitinamų elektros sistemų tyrimais ir plėtra. Tolesnė dinamika nekelia abejonių (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Europos Sąjungos šalys ir JAV laikosi delno saulės energijos naudojimo srityje, vien JAV ir Vokietijoje gamybos ir veiklos sferoje dirba daugiau nei 100 tūkst. Taip pat Italija, Ispanija ir, žinoma, Kinija gali pasigirti savo pasiekimais plėtojant saulės energiją, kuri, jei ne saulės elementų eksploatavimo lyderė, tai kaip saulės elementų gamintojas didina gamybos tempą nuo metai iš metų.

Saulės energijos naudojimo privalumai ir trūkumai

Privalumai: 1) ekologiškumas – neteršia aplinkos; 2) prieinamumas - fotoelementai parduodami ne tik pramoniniam naudojimui, bet ir privačių mini saulės elektrinių kūrimui; 3) energijos šaltinio neišsemiamumas ir savaiminis atsinaujinimas; 4) nuolat mažėjanti elektros energijos gamybos savikaina.
Trūkumai: 1) oro sąlygų ir paros laiko įtaka produktyvumui; 2) taupyti energiją būtina kaupti energiją; 3) mažesnis produktyvumas vidutinio klimato platumose dėl besikeičiančių metų laikų; 4) didelis oro pašildymas virš saulės elektrinės; 5) poreikis periodiškai valyti fotoelementų paviršių nuo užteršimo, ir tai yra problemiška dėl didžiulių plotų, kuriuos užima fotoelementų įrengimas; 6) galima kalbėti ir apie gana didelę įrangos kainą, nors kiekvienais metais savikaina mažėja, kol kas apie pigią saulės energiją kalbėti nereikia.

Saulės energetikos plėtros perspektyvos

Šiandien saulės energetikos plėtrai prognozuojama puiki ateitis, kasmet statoma vis daugiau naujų saulės elektrinių, stebinančių savo mastu ir techniniais sprendimais. Taip pat nesiliauja moksliniai tyrimai, kuriais siekiama padidinti fotoelementų efektyvumą. Mokslininkai apskaičiavo, kad jei Žemės planetos sausumos masę padengsime 0,07%, o fotoelementų efektyvumas yra 10%, tada energijos pakaks daugiau nei 100% patenkinti visus žmonijos poreikius. Šiandien jau naudojami fotoelementai, kurių efektyvumas siekia 30 proc. Remiantis tyrimų duomenimis, žinoma, kad mokslininkų užmojai žada jį pasiekti 85 proc.

Saulės elektrinės

Saulės elektrinės – tai statiniai, kurių užduotis – saulės energijos srautus paversti elektros energija. Saulės elektrinių dydžiai gali būti įvairūs – nuo ​​privačių mini elektrinių su keliomis saulės baterijomis iki didžiulių, užimančių daugiau nei 10 km² plotą.

Kokių tipų saulės elektrinės yra?

Nuo pirmųjų saulės elektrinių statybos praėjo gana daug laiko, kurių metu įgyvendinta daug projektų ir pritaikyta daug įdomių projektinių sprendimų. Įprasta visas saulės elektrines skirstyti į keletą tipų:
1. Bokšto tipo saulės elektrinės.
2. Saulės elektrinės, kur saulės baterijos yra fotovoltiniai elementai.
3. Dish saulės elektrinės.
4. Parabolinės saulės elektrinės.
5. Saulės-vakuuminio tipo saulės elektrinės.
6. Mišraus tipo saulės elektrinės.

Bokštinio tipo saulės elektrinės

Labai paplitęs elektrinių projektavimo tipas. Tai aukšta bokšto konstrukcija, kurios viršuje yra vandens rezervuaras, nudažytas juodai, kad geriau pritrauktų atspindėtą saulės šviesą. Aplink bokštą yra dideli, daugiau nei 2 m² ploto veidrodžiai, išdėstyti apskritime, jie visi sujungti į vieną valdymo sistemą, kuri stebi veidrodžių kampo pasikeitimą, kad jie visada atspindėtų saulės šviesą ir nukreiptų ją tiesiai į vandens rezervuarą, esantį bokšto viršuje. Taigi, atsispindėjusi saulės šviesa įkaitina vandenį, iš kurio susidaro garai, o vėliau šie garai siurbliais tiekiami į turbogeneratorių, kur generuojama elektra. Bako šildymo temperatūra gali siekti 700 °C. Bokšto aukštis priklauso nuo saulės elektrinės dydžio ir galios ir, kaip taisyklė, prasideda nuo 15 m, o didžiausios šiandienos aukštis siekia 140 m. Tokio tipo saulės elektrinės yra labai paplitusios ir pageidaujamos. daugelyje šalių dėl didelio 20 % efektyvumo.

Fotoelemento tipo saulės elektrinės

Fotoelementai (saulės baterijos) naudojami saulės srautui paversti elektros energija. Tokio tipo elektrinės labai išpopuliarėjo dėl galimybės saulės baterijas naudoti mažuose blokeliuose, o tai leidžia saulės baterijas naudoti tiek privatiems namams, tiek dideliems pramonės objektams. Be to, efektyvumas kasmet auga ir šiandien jau yra fotoelementų, kurių efektyvumas siekia 30%.

Parabolinės saulės elektrinės

Tokio tipo saulės elektrinės atrodo kaip didžiulės palydovinės antenos, kurių vidus padengtas veidrodinėmis plokštėmis. Energijos konversijos principas yra panašus į bokšto stotis su nedideliu skirtumu: parabolinė veidrodžių forma lemia, kad saulės spinduliai, atsispindėję nuo viso veidrodžio paviršiaus, yra sutelkti centre, kur yra imtuvas su skystis, kuris įkaista, sudarydamas garus, kurie savo ruožtu Mažųjų generatorių varomoji jėga yra eilė.

Plokštelės saulės elektrinės

Elektros gamybos principas ir būdas yra identiški bokštinėms ir parabolinėms saulės elektrinėms. Vienintelis skirtumas yra dizaino ypatybės. Stacionari konstrukcija, panaši į milžinišką metalinį medį, turi apvalius plokščius veidrodžius, kurie sutelkia saulės energiją į imtuvą.

Saulės-vakuuminio tipo saulės elektrinės

Tai labai neįprastas saulės energijos panaudojimo būdas ir temperatūrų skirtumai. Jėgainės struktūrą sudaro stikliniu stogu apvalus sklypas su bokštu centre. Bokštas viduje tuščiaviduris, jo apačioje yra kelios turbinos, kurios sukasi dėl oro srauto, atsirandančio dėl temperatūrų skirtumo. Per stiklinį stogą saulė šildo žemę ir orą patalpoje, o pastatas vamzdeliu susisiekia su išorine aplinka, o kadangi oro temperatūra patalpose yra daug žemesnė, susidaro oro trauka, kuri didėja didėjant temperatūrai. skirtumas. Taigi naktį turbinos pagamina daugiau elektros energijos nei dieną.

Mišrios saulės elektrinės

Tai yra tada, kai tam tikro tipo saulės elektrinėse kaip pagalbiniai elementai aprūpinti objektus karštu vandeniu ir šiluma naudojami, pavyzdžiui, saulės kolektoriai arba bokšto tipo elektrinėje galima vienu metu naudoti fotoelementų sekcijas.

Saulės energija vystosi sparčiai, žmonės pagaliau rimtai susimąsto apie alternatyvius energijos šaltinius, kad būtų išvengta neišvengiamai artėjančios energetikos krizės ir ekologinės nelaimės. Nors saulės energetikos lyderės vis dar yra JAV ir Europos Sąjunga, visos kitos pasaulio galios pamažu pradeda perimti ir naudoti saulės elektrinių gamybos ir naudojimo patirtį bei technologijas. Nėra jokių abejonių, kad saulės energija anksčiau ar vėliau taps pagrindiniu energijos šaltiniu Žemėje.

Saulė yra neišsenkantis, ekologiškas ir pigus energijos šaltinis. Kaip teigia specialistai, per savaitę Žemės paviršių pasiekiantis saulės energijos kiekis viršija visų pasaulio naftos, dujų, anglies ir urano atsargų energiją 1 . Pasak akademiko Zh.I. Alferova, „žmonija turi patikimą natūralų termobranduolinį reaktorių - Saulę. Tai labai vidutinė „F-2“ klasės žvaigždė, kurios „Galaktikoje“ yra iki 150 mlrd. Bet tai yra mūsų žvaigždė, kuri į Žemę siunčia milžiniškas galias, kurių transformacija leidžia daugeliui šimtų metų patenkinti beveik bet kokius žmonijos energijos poreikius. Be to, saulės energija yra „švari“ ir neturi neigiamos įtakos planetos 2 ekologijai.

Svarbus dalykas yra tai, kad žaliava saulės elementų gamybai yra vienas iš labiausiai paplitusių elementų - silicis. Žemės plutoje silicis yra antrasis elementas po deguonies (29,5 % masės) 3 . Daugelio mokslininkų nuomone, silicis yra „XX pirmojo amžiaus nafta“: per 30 metų vienas kilogramas silicio fotovoltinėje elektrinėje pagamina tiek pat elektros energijos, kiek 75 tonos naftos šiluminėje elektrinėje.

Tačiau kai kurie ekspertai mano, kad saulės energija negali būti vadinama ekologiška dėl to, kad gryno silicio gamyba fotobaterijoms yra labai „nešvari“ ir daug energijos reikalaujanti gamyba. Be to, saulės elektrinių statybai reikia skirti didžiules žemes, kurių plotas prilygsta hidroelektrinių rezervuarams. Kitas saulės energijos trūkumas, pasak specialistų, yra didelis nepastovumas. Energetikos sistemos, kurios elementai yra saulės elektrinės, efektyvų veikimą galima užtikrinti, jei:
- didelių rezervinių pajėgumų buvimas naudojant tradicinius energijos šaltinius, kuriuos galima prijungti naktį arba debesuotomis dienomis;
- atlikti didelio masto ir brangų elektros tinklų modernizavimą 4.

Nepaisant šio trūkumo, saulės energija toliau vystosi visame pasaulyje. Pirmiausia dėl to, kad spindulinė energija atpigs ir po kelerių metų taps reikšmingu naftos ir dujų konkurentu.

Šiuo metu pasaulyje yra fotovoltiniai įrenginiai, paverčiant saulės energiją į elektros energiją, remiantis tiesioginio konversijos metodu, ir termodinaminiai įrenginiai, kuriame saulės energija iš pradžių paverčiama šiluma, o po to šilumos variklio termodinaminiame cikle paverčiama mechanine energija, o generatoriuje paverčiama elektros energija.

Saulės elementai kaip energijos šaltinis gali būti naudojami:
- pramonėje (orlaivių pramonėje, automobilių pramonėje ir kt.),
- žemės ūkyje,
- buityje,
- statybos pramonėje (pavyzdžiui, ekologiniai namai),
- saulės elektrinėse,
- autonominėse vaizdo stebėjimo sistemose,
- autonominėse apšvietimo sistemose,
– kosmoso pramonėje.

Energetikos strategijos instituto duomenimis, teorinis saulės energijos potencialas Rusijoje yra daugiau nei 2300 milijardų tonų standartinio kuro, ekonominis potencialas – 12,5 milijono tonų ekvivalentinio kuro. Per tris dienas į Rusijos teritoriją patenkančios saulės energijos potencialas viršija visos mūsų šalies metinės elektros energijos gamybos.
Dėl Rusijos padėties (tarp 41 ir 82 laipsnių šiaurės platumos) saulės spinduliuotės lygis labai skiriasi: nuo 810 kWh/m2 per metus atokiuose šiauriniuose regionuose iki 1400 kWh/m2 per metus pietiniuose regionuose. Saulės radiacijos lygiui įtakos turi ir dideli sezoniniai svyravimai: 55 laipsnių pločio saulės spinduliuotė sausio mėnesį yra 1,69 kWh/m2, o liepos mėnesį - 11,41 kWh/m2 per parą.

Didžiausias saulės energijos potencialas yra pietvakariuose (Šiaurės Kaukaze, Juodojoje ir Kaspijos jūrose) ir Pietų Sibire bei Tolimuosiuose Rytuose.

Perspektyviausi regionai saulės energijos naudojimo požiūriu: Kalmukija, Stavropolio teritorija, Rostovo sritis, Krasnodaro sritis, Volgogrado sritis, Astrachanės sritis ir kiti regionai pietvakariuose, Altajaus, Primorės, Čitos sritis, Buriatija ir kiti regionai pietryčiuose . Be to, kai kurios Vakarų ir Rytų Sibiro bei Tolimųjų Rytų sritys viršija saulės spinduliuotės lygį pietiniuose regionuose. Pavyzdžiui, Irkutske (52 laipsniai šiaurės platumos) saulės spinduliuotės lygis siekia 1340 kWh/m2, o Jakutijos-Sachos Respublikoje (62 laipsniai šiaurės platumos) šis rodiklis siekia 1290 kWh/m2. 5

Šiuo metu Rusija turi pažangių technologijų saulės energiją paversti elektros energija. Yra nemažai įmonių ir organizacijų, sukūrusių ir tobulinančių fotoelektrinių keitiklių technologijas: tiek ant silicio, tiek ant kelių jungčių. Yra daug pokyčių, susijusių su koncentravimo sistemų naudojimu saulės elektrinėse.

Teisės aktų sistema, remianti saulės energijos plėtrą Rusijoje, yra tik pradžioje. Tačiau pirmieji žingsniai jau žengti:
- 2008 m. liepos 3 d.: Vyriausybės nutarimas Nr. 426 „Dėl atsinaujinančių energijos išteklių naudojimo pagrindu veikiančio gamybos įrenginio kvalifikavimo“;
- 2009 m. sausio 8 d.: Rusijos Federacijos Vyriausybės įsakymas Nr. 1-r „Dėl pagrindinių valstybės politikos krypčių elektros energijos pramonės energijos vartojimo efektyvumo didinimo, remiantis atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimu, srityje laikotarpiui. iki 2020 m.

Patvirtinti tikslai iki 2015 m. ir 2020 m. atsinaujinančių energijos šaltinių dalį bendrame Rusijos energijos balanso lygyje padidinti atitinkamai iki 2,5 % ir 4,5 % 6 .

Įvairiais skaičiavimais, šiuo metu Rusijoje bendra įrengtų saulės energijos gamybos pajėgumų apimtis yra ne didesnė kaip 5 MW, iš kurių didžioji dalis tenka namų ūkiams. Didžiausias Rusijos saulės energijos pramonės objektas yra 100 kW galios saulės elektrinė Belgorodo regione, pradėta eksploatuoti 2010 m. (palyginimui, didžiausia pasaulyje saulės elektrinė yra Kanadoje, kurios galia 80 000 kW). .

Šiuo metu Rusijoje vykdomi du projektai: saulės energijos parkų statyba Stavropolio teritorijoje (galia – 12 MW) ir Dagestano Respublikoje (10 MW) 7 . Nepaisant paramos stokos atsinaujinančiai energetikai, nemažai įmonių įgyvendina nedidelius saulės energijos projektus. Pavyzdžiui, „Sakhaenergo“ Jakutijoje įrengė nedidelę 10 kW galios stotį.

Maskvoje yra nedidelės instaliacijos: Leontyevsky Lane ir Michurinsky prospekte kelių namų įėjimai ir kiemai yra apšviesti naudojant saulės modulius, todėl apšvietimo sąnaudos sumažėjo 25%. Timiryazevskaya gatvėje ant vienos iš autobusų stotelių stogo sumontuotos saulės baterijos, kurios užtikrina informacinės ir informacinės transporto sistemos bei Wi-Fi veikimą.

Saulės energijos plėtrą Rusijoje lemia keli veiksniai:

1) klimato sąlygos:šis veiksnys įtakoja ne tik metus, kuriais pasiekiamas tinklo paritetas, bet ir saulės kolektorių įrengimo technologijos pasirinkimą, kuris geriausiai tinka konkrečiam regionui;

2)valstybės parama: Teisiškai nustatytų ekonominių paskatų saulės energijai buvimas yra labai svarbus
jo plėtra. Iš valstybės paramos rūšių, kurios sėkmingai naudojamos daugelyje Europos ir JAV šalių, galime išskirti: lengvatinius tarifus saulės elektrinėms, subsidijas saulės elektrinių statybai, įvairias mokesčių lengvatų galimybes, dalies kompensaciją. paskolų, skirtų saulės energijos įrenginiams įsigyti, aptarnavimo išlaidų;

3)PVEU (saulės fotovoltinės įrangos) kaina:Šiandien saulės elektrinės yra viena brangiausių naudojamų elektros energijos gamybos technologijų. Tačiau mažėjant 1 kWh pagamintos elektros sąnaudoms, saulės energija tampa konkurencinga. Saulės elektrinių paklausa priklauso nuo saulės elektrinių instaliuotos galios 1W kainos sumažėjimo (~3000 USD 2010 m.). Sąnaudų mažinimas pasiekiamas didinant efektyvumą, mažinant technologinius kaštus ir mažinant gamybos pelningumą (konkurencijos įtaka). Galimybė sumažinti 1 kW galios kainą priklauso nuo technologijos ir svyruoja nuo 5% iki 15% per metus;

4) aplinkosaugos standartai: Saulės energijos rinką gali teigiamai paveikti griežtėjantys aplinkosaugos standartai (apribojimai ir baudos) dėl galimo Kioto protokolo peržiūros. Taršos kvotų pardavimo mechanizmų tobulinimas gali suteikti naują ekonominę paskatą PVEM rinkai;

5) elektros pasiūlos ir paklausos balansas: esamų ambicingų gamybos ir elektros tinklų statybos ir rekonstrukcijos planų įgyvendinimas
vykdant pramonės reformą nuo Rusijos RAO UES atsiskyrusių įmonių pajėgumai žymiai padidins elektros tiekimą ir gali padidinti spaudimą kainoms
didmeninėje rinkoje. Tačiau senų pajėgumų pašalinimas ir kartu didėjanti paklausa lems kainų augimą;

6)technologinio ryšio problemų buvimas: technologinio prisijungimo prie centralizuotos elektros energijos tiekimo sistemos paraiškų vykdymo vėlavimas yra paskata pereiti prie alternatyvių energijos šaltinių, įskaitant PVEU. Tokius vėlavimus lemia tiek objektyvus pajėgumų trūkumas, tiek tinklo įmonių neefektyvus technologinio prisijungimo organizavimas arba technologinio prijungimo finansavimo iš tarifo trūkumas;

7) vietos valdžios iniciatyvos: Regionų ir savivaldybių valdžios institucijos gali įgyvendinti savo programas, skirtas plėtoti saulės energiją arba, plačiau, atsinaujinančius/netradicinius energijos šaltinius. Šiandien tokios programos jau įgyvendinamos Krasnojarsko ir Krasnodaro teritorijose, Buriatijos Respublikoje ir kt.;

8) savos gamybos plėtra: Rusijos saulės elektrinių gamyba gali turėti teigiamos įtakos Rusijos saulės energijos vartojimo plėtrai. Pirma, mūsų pačių produkcijos dėka didėja bendras gyventojų informuotumas apie saulės energijos technologijų prieinamumą ir jų populiarumą. Antra, SFEU sąnaudos galutiniams vartotojams sumažinamos sumažinus tarpines grandis platinimo grandinėje ir sumažinus transporto komponentą 8 .

Saulės energija

Saulės spinduliuotės parametrai

Pirmiausia reikia įvertinti potencialias saulės spinduliuotės energetines galimybes. Čia didžiausią reikšmę turi jo bendra savitoji galia Žemės paviršiuje ir šios galios pasiskirstymas įvairiuose spinduliuotės diapazonuose.

Saulės spinduliuotės galia

Saulės, esančios zenite, Žemės paviršiuje spinduliuotės galia įvertinta maždaug 1350 W/m2. Paprastas skaičiavimas rodo, kad norint gauti 10 kW galią, reikia surinkti saulės spinduliuotę tik iš 7,5 m2 ploto. Tačiau tai yra giedrą popietę atogrąžų zonoje aukštai kalnuose, kur atmosfera yra reta ir skaidri. Kai tik Saulė pradeda linkti į horizontą, jos spindulių kelias per atmosferą didėja ir atitinkamai didėja nuostoliai šiame kelyje. Dulkių ar vandens garų buvimas atmosferoje, net ir tokiu kiekiu, kuris nepastebimas be specialių prietaisų, dar labiau sumažina energijos srautą. Tačiau net ir vidurinėje zonoje vasaros popietę kiekvienam kvadratiniam metrui, nukreiptam statmenai saulės spinduliams, tenka maždaug 1 kW galios saulės energijos srautas.

Žinoma, net šviesus debesuotumas smarkiai sumažina paviršių pasiekiančią energiją, ypač infraraudonųjų spindulių (šiluminiame) diapazone. Tačiau dalis energijos vis tiek prasiskverbia pro debesis. Vidurinėje zonoje, esant dideliems debesims vidurdienį, Žemės paviršių pasiekiančios saulės spinduliuotės galia vertinama maždaug 100 W/m2 ir tik retais atvejais, esant ypač tankiems debesims, gali nukristi žemiau šios vertės. Akivaizdu, kad tokiomis sąlygomis, norint gauti 10 kW, reikia visiškai, be nuostolių ir atspindžio surinkti saulės spinduliuotę ne iš 7,5 m2 žemės paviršiaus, o iš viso šimto kvadratinių metrų (100 m2).

Lentelėje pateikiami trumpi vidutiniai kai kurių Rusijos miestų saulės spinduliuotės energijos duomenys, atsižvelgiant į klimato sąlygas (debesuotumo dažnį ir intensyvumą) horizontalaus paviršiaus vienetui. Išsami informacija apie šiuos duomenis, papildomi duomenys apie skydų orientaciją, išskyrus horizontalią, taip pat duomenys apie kitus Rusijos regionus ir buvusios SSRS šalis pateikiami atskirame puslapyje.

Stacionari plokštė, pastatyta optimaliu pasvirimo kampu, gali sugerti 1,2...1,4 karto daugiau energijos, lyginant su horizontalia, o jei sukasi paskui Saulę, tai padidės 1,4...1,8 karto. Tai matyti, suskirstyta pagal mėnesius, fiksuotoms plokštėms, orientuotoms į pietus skirtingais pasvirimo kampais, ir sistemoms, stebinčioms Saulės judėjimą. Saulės kolektorių išdėstymo ypatybės išsamiau aptariamos toliau.

Tiesioginė ir išsklaidyta saulės spinduliuotė

Yra išsklaidyta ir tiesioginė saulės spinduliuotė. Norint efektyviai suvokti tiesioginę saulės spinduliuotę, skydelis turi būti nukreiptas statmenai saulės spindulių srautui. Išsklaidytos spinduliuotės suvokimui orientacija nėra tokia kritiška, nes ji sklinda gana tolygiai iš beveik viso dangaus – taip debesuotomis dienomis apšviečiamas žemės paviršius (dėl šios priežasties debesuotu oru objektai neturi ryškios šviesos apibrėžtas šešėlis, o vertikalūs paviršiai, tokie kaip stulpai ir namų sienos praktiškai nemeta matomo šešėlio).

Tiesioginės ir išsklaidytos spinduliuotės santykis labai priklauso nuo oro sąlygų skirtingais metų laikais. Pavyzdžiui, žiema Maskvoje yra debesuota, o sausio mėnesį išsklaidytos spinduliuotės dalis viršija 90% visos insoliacijos. Tačiau net Maskvos vasarą išsklaidyta spinduliuotė sudaro beveik pusę visos saulės energijos, pasiekiančios žemės paviršių. Tuo pačiu metu saulėtame Baku tiek žiemą, tiek vasarą išsklaidytos spinduliuotės dalis svyruoja nuo 19 iki 23% visos insoliacijos, o atitinkamai apie 4/5 saulės spinduliuotės yra tiesioginė. Kai kurių miestų difuzinės ir bendrosios insoliacijos santykis išsamiau pateiktas atskirame puslapyje.

Energijos pasiskirstymas saulės spektre

Saulės spektras praktiškai nenutrūkstamas itin plačiame dažnių diapazone – nuo ​​žemo dažnio radijo bangų iki itin aukšto dažnio rentgeno ir gama spinduliuotės. Žinoma, sunku vienodai efektyviai užfiksuoti tokius skirtingus spinduliuotės tipus (galbūt tai galima pasiekti tik teoriškai naudojant „idealų juodą kūną“). Bet tai nėra būtina – pirma, pati Saulė skleidžia skirtinguose dažnių diapazonuose ir skirtingo stiprumo, antra, ne viskas, ką Saulė skleidžia, pasiekia Žemės paviršių – tam tikras spektro dalis daugiausia sugeria skirtingi atmosferos komponentai – daugiausia. ozono sluoksnis, vandens garai ir anglies dioksidas.

Todėl mums pakanka nustatyti tuos dažnių diapazonus, kuriuose Žemės paviršiuje stebimas didžiausias saulės energijos srautas, ir juos panaudoti. Tradiciškai saulės ir kosminė spinduliuotė yra atskiriama ne pagal dažnį, o pagal bangos ilgį (tai yra dėl to, kad eksponentai yra per dideli šios spinduliuotės dažniams, o tai labai nepatogu – matoma šviesa hercuose atitinka 14 eilę). Pažiūrėkime į saulės spinduliuotės energijos pasiskirstymo priklausomybę nuo bangos ilgio.

Matomos šviesos diapazonas laikomas bangos ilgio diapazonu nuo 380 nm (giliai violetinė) iki 760 nm (giliai raudona). Viskas, kas turi trumpesnį bangos ilgį, turi didesnę fotonų energiją ir skirstoma į ultravioletinės, rentgeno ir gama spinduliuotės diapazonus. Nepaisant didelės fotonų energijos, pačių fotonų šiuose diapazonuose nėra tiek daug, todėl bendras šios spektro dalies energijos indėlis yra labai mažas. Viskas, kas turi ilgesnį bangos ilgį, turi mažesnę fotonų energiją, palyginti su matoma šviesa, ir yra padalinta į infraraudonųjų spindulių diapazoną (šiluminę spinduliuotę) ir įvairias radijo diapazono dalis. Grafike matyti, kad infraraudonųjų spindulių diapazone Saulė skleidžia beveik tiek pat energijos, kiek ir matomoje (lygiai mažesni, bet diapazonas platesnis), tačiau radijo dažnių diapazone spinduliavimo energija labai maža.

Taigi, žvelgiant iš energetinės pusės, mums pakanka apsiriboti tik matomu ir infraraudonuoju dažnių diapazonu, taip pat arti ultravioletinių spindulių (kai kur iki 300 nm, trumpesnio bangos ilgio kietasis ultravioletinis beveik visiškai sugeriamas n. ozono sluoksnis, užtikrinantis šio ozono sintezę iš atmosferos deguonies). O liūto dalis Saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių, yra sutelkta bangų ilgių diapazone nuo 300 iki 1800 nm.

Apribojimai naudojant saulės energiją

Pagrindinius apribojimus, susijusius su saulės energijos naudojimu, lemia jos nenuoseklumas – saulės instaliacijos neveikia naktį ir yra neveiksmingos debesuotu oru. Tai akivaizdu beveik kiekvienam.

Tačiau yra dar viena aplinkybė, kuri ypač aktuali mūsų gana šiaurinėms platumoms – sezoniniai dienos trukmės skirtumai. Jei atogrąžų ir pusiaujo zonose dienos ir nakties trukmė šiek tiek priklauso nuo metų laiko, tai jau Maskvos platumoje trumpiausia diena yra beveik 2,5 karto trumpesnė už ilgiausią! Jau net nekalbu apie cirkumpoliarinius regionus... Dėl to giedrą vasaros dieną saulės instaliacija prie Maskvos gali pagaminti ne mažiau energijos nei ties pusiauju (saulė žemiau, bet diena ilgesnė). Tačiau žiemą, kai energijos poreikis ypač didelis, jos gamyba, priešingai, sumažės kelis kartus. Iš tiesų, be trumpo dienos šviesaus valandų, žemos žiemos saulės spinduliai net ir vidurdienį turi prasiskverbti per daug storesnį atmosferos sluoksnį ir todėl šiame kelyje prarasti žymiai daugiau energijos nei vasarą, kai saulė aukštai. o spinduliai pro atmosferą praeina beveik vertikaliai (išreiškimas „šalta žiemos saulė“ turi tiesiausią fizinę reikšmę). Tačiau tai nereiškia, kad saulės energijos įrenginiai vidurinėje zonoje ir net daug šiauresnėse vietose yra visiškai nenaudingi – nors jie mažai naudingi žiemą, ilgomis dienomis, mažiausiai šešis mėnesius tarp pavasario ir rudens lygiadienio. , jie yra gana veiksmingi.

Ypač įdomus yra saulės energijos įrenginių naudojimas vis plačiau paplitusiems, bet labai „triukšmingiems“ oro kondicionieriams. Juk kuo stipriau šviečia saulė, tuo karščiau darosi ir tuo labiau reikia oro kondicionavimo. Bet tokiomis sąlygomis saulės instaliacijos taip pat gali generuoti daugiau energijos, o šią energiją oro kondicionierius sunaudos „čia ir dabar“, jos nereikia kaupti ir kaupti! Be to, visiškai nebūtina energiją paversti elektrine forma – absorbciniai šilumos varikliai šilumą naudoja tiesiogiai, o tai reiškia, kad vietoj fotovoltinių baterijų galima naudoti saulės kolektorius, kurie efektyviausi esant giedram, karštam orui. Tiesa, tikiu, kad oro kondicionieriai yra nepamainomi tik karštuose, bevandeniuose regionuose ir drėgno atogrąžų klimato kraštuose, taip pat šiuolaikiniuose miestuose, nepaisant jų vietos. Kompetentingai suprojektuotam ir pastatytam kaimo namui ne tik vidurinėje zonoje, bet ir didžiojoje Rusijos pietų dalyje tokio energijos ištroškusio, didelių gabaritų, triukšmingo ir kaprizingo įrenginio nereikia.

Deja, miestuose individualiai naudoti daugiau ar mažiau galingus saulės energijos įrenginius, turinčius pastebimos praktinės naudos, įmanoma tik retais atvejais, ypač palankiomis aplinkybėmis. Tačiau nemanau, kad miesto butas yra visavertis būstas, nes normalus jo veikimas priklauso nuo per daug faktorių, kurių gyventojai negali tiesiogiai kontroliuoti dėl grynai techninių priežasčių, taigi, sugedus bent jau viena iš gyvybę palaikančių sistemų daugiau ar mažiau ilgam Šiuolaikiniame daugiabutyje sąlygos ten bus nepriimtinos gyventi (verčiau butą daugiaaukščiame name reikėtų laikyti savotišku viešbučio kambariu, kuris gyventojai pirko neterminuotam naudojimui arba išsinuomojo iš savivaldybės). Tačiau už miesto ribų ypatingas dėmesys saulės energijai gali būti daugiau nei pateisinamas net ir nedideliame 6 arų sklype.

Saulės kolektorių išdėstymo ypatybės

Optimalios saulės kolektorių orientacijos parinkimas yra vienas iš svarbiausių klausimų praktiškai naudojant bet kokio tipo saulės baterijas. Deja, šis aspektas labai mažai aptariamas įvairiose saulės energijai skirtose svetainėse, nors jos nepaisymas gali sumažinti plokščių efektyvumą iki nepriimtino lygio.

Faktas yra tas, kad spindulių kritimo į paviršių kampas labai veikia atspindžio koeficientą, taigi ir nepriimtinos saulės energijos dalį. Pavyzdžiui, stiklui kritimo kampui nukrypus nuo statmenos jo paviršiui iki 30° atspindžio koeficientas praktiškai nekinta ir yra kiek mažesnis nei 5 proc., t.y. daugiau nei 95% patenkančios spinduliuotės patenka į vidų. Toliau pastebimas atspindžio padidėjimas, o 60° atsispindėjusios spinduliuotės dalis padvigubėja – beveik iki 10%. Esant 70° kritimo kampui, atsispindi apie 20% spinduliuotės, o esant 80° - 40%. Daugumos kitų medžiagų atspindžio laipsnio priklausomybė nuo kritimo kampo yra maždaug tokia pati.

Dar svarbesnis yra vadinamasis efektyvus skydo plotas, t.y. spinduliuotės srauto, kurį jis apima, skerspjūvį. Jis lygus tikrajam plokštės plotui, padaugintam iš kampo tarp jo plokštumos ir tekėjimo krypties sinuso (arba, kuris yra tas pats, iš kampo tarp statmeno skydui ir krypties kosinuso srauto). Todėl, jei plokštė yra statmena srautui, jos efektyvusis plotas yra lygus jos tikrajam plotui, jei srautas nukrypo nuo statmenos 60°, tai yra pusė tikrojo ploto, o jei srautas lygiagretus skydui, jo efektyvusis plotas lygus nuliui. Taigi, reikšmingas srauto nukrypimas nuo statmenos plokštės atžvilgiu ne tik padidina atspindį, bet ir sumažina jo efektyvų plotą, o tai sukelia labai pastebimą gamybos sumažėjimą.

Akivaizdu, kad mūsų tikslams efektyviausia yra pastovi plokštės orientacija statmenai saulės spindulių srautui. Tačiau tam reikės pakeisti skydelio padėtį dviejose plokštumose, nes Saulės padėtis danguje priklauso ne tik nuo paros, bet ir nuo metų laiko. Nors tokia sistema tikrai techniškai įmanoma, ji yra labai sudėtinga, todėl brangi ir nelabai patikima.

Tačiau prisiminkime, kad esant kritimo kampams iki 30°, atspindžio koeficientas oro ir stiklo sąsajoje yra minimalus ir praktiškai nekinta, o per metus nukrypsta maksimalaus Saulės pakilimo virš horizonto kampas. nuo vidutinės padėties ne daugiau kaip ±23°. Efektyvus skydo plotas nukrypstant nuo statmeno 23° taip pat išlieka gana didelis – mažiausiai 92% tikrojo ploto. Todėl galite sutelkti dėmesį į vidutinį metinį maksimalaus Saulės pakilimo aukštį ir, praktiškai neprarandant efektyvumo, apsiriboti sukimu tik vienoje plokštumoje - aplink Žemės poliarinę ašį 1 apsisukimo per dieną greičiu. . Tokio sukimosi ašies pasvirimo kampas horizontalės atžvilgiu yra lygus vietos geografinei platumai. Pavyzdžiui, Maskvoje, esančioje 56° platumoje, tokio sukimosi ašis paviršiaus atžvilgiu turėtų būti pakreipta 56° į šiaurę (arba, kas yra tas pats, nukrypti nuo vertikalės 34°). Tokį sukimąsi organizuoti daug lengviau, tačiau dideliam skydui sklandžiai suktis reikia daug vietos. Be to, reikia arba organizuoti slankiojančią jungtį, leidžiančią pašalinti visą energiją, kurią ji gauna iš nuolat besisukančio skydo, arba apsiriboti lanksčia komunikacija su fiksuotu ryšiu, tačiau užtikrinti automatinį skydo grįžimą atgal naktį. - kitu atveju negalima išvengti energiją atimančių ryšių susisukimo ir nutrūkimo. Abu sprendimai žymiai padidina sistemos sudėtingumą ir sumažina jos patikimumą. Didėjant plokščių galiai (taigi ir jų dydžiui bei svoriui), techninės problemos tampa eksponentiškai sudėtingesnės.

Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta aukščiau, beveik visada atskirų saulės energijos įrenginių plokštės montuojamos nejudingai, o tai užtikrina santykinį pigumą ir didžiausią įrengimo patikimumą. Tačiau čia ypač svarbus tampa plokščių išdėstymo kampo pasirinkimas. Panagrinėkime šią problemą Maskvos pavyzdžiu.

Pažvelkime į įvairių plokščių montavimo kampų insoliacijos diagramas. Žinoma, skydas, besisukantis po Saulės, yra už konkurencijos ribų (oranžinė linija). Tačiau net ir ilgomis vasaros dienomis jo efektyvumas fiksuotų horizontalių (mėlynos spalvos) ir optimaliu kampu pasvirusių (raudonos spalvos) plokščių efektyvumą lenkia tik apie 30%. Tačiau šiomis dienomis užtenka šilumos ir šviesos! Tačiau labiausiai energijos stokojančiu laikotarpiu nuo spalio iki vasario besisukančios plokštės pranašumas prieš fiksuotą skydą yra minimalus ir beveik nepastebimas. Tiesa, šiuo metu pasvirusio skydo kompanija yra ne horizontali, o vertikali panelė (žalia linija). Ir tai nenuostabu – žemi žiemos saulės spinduliai slysta per horizontalią plokštę, tačiau yra gerai suvokiami vertikalios plokštės, kuri yra jiems beveik statmena. Todėl vasarį, lapkritį ir gruodį vertikali plokštė yra efektyvesnė už net pasvirusią ir beveik nesiskiria nuo rotacinės. Kovo ir spalio mėnesiais dienos ilgesnės, o besisukantis skydelis jau pradeda užtikrintai (nors ir nelabai) pranokti bet kokias fiksuotas parinktis, tačiau pasvirusių ir vertikalių plokščių efektyvumas beveik nesiskiria. Ir tik ilgų dienų laikotarpiu nuo balandžio iki rugpjūčio horizontalioji panelė pagal gaunamą energiją lenkia vertikalią plokštę ir artėja prie pasvirusiosios, o birželį ją net šiek tiek lenkia. Vertikalios plokštės vasaros praradimas yra natūralus - juk, tarkime, vasaros lygiadienio diena Maskvoje trunka ilgiau nei 17 valandų, o vertikalios plokštės priekiniame (darbiniame) pusrutulyje Saulė gali išlikti ne ilgiau kaip 12 valandų, likusios 5 valandos (beveik trečdalis šviesiojo paros valandų!) jau atsilieka. Jei atsižvelgsime į tai, kad esant didesniam nei 60° kritimo kampui, nuo plokštės paviršiaus atsispindi šviesos dalis pradeda sparčiai augti, o jos efektyvusis plotas sumažėja perpus ar daugiau, tada efektyvaus suvokimo laikas. tokio skydo saulės spinduliuotė neviršija 8 valandų – tai yra mažiau nei 50 % visos paros trukmės. Būtent tai paaiškina faktą, kad vertikalių plokščių veikimas stabilizuojasi per visą ilgų dienų laikotarpį – nuo ​​kovo iki rugsėjo. Ir galiausiai, sausis šiek tiek išsiskiria – šį mėnesį visų orientacijų plokščių našumas yra beveik vienodas. Faktas yra tas, kad šis mėnuo Maskvoje yra labai debesuotas ir daugiau nei 90% visos saulės energijos gaunama iš išsklaidytos spinduliuotės, o tokiai spinduliuotei skydelio orientacija nėra labai svarbi (svarbiausia, kad ji nebūtų nukreipta į žemė). Tačiau kelios saulėtos dienos, kurios vis dar pasitaiko sausio mėnesį, sumažina horizontalios plokštės gamybą 20%, palyginti su kitomis.

Kokį pasvirimo kampą pasirinkti? Viskas priklauso nuo to, kada tiksliai jums reikia saulės energijos. Jei norite jį naudoti tik šiltuoju metų laiku (tarkime, užmiestyje), tuomet turėtumėte pasirinkti vadinamąjį „optimalų“ pasvirimo kampą, statmeną vidutinei Saulės padėties laikotarpiu tarp pavasario ir rudens lygiadienių. . Jis yra maždaug 10° .. 15° mažesnis už geografinę platumą, o Maskvoje – 40° .. 45°. Jei jums reikia energijos ištisus metus, tuomet turėtumėte „išspausti“ maksimumą energijos stokojančiais žiemos mėnesiais, o tai reiškia, kad reikia sutelkti dėmesį į vidutinę Saulės padėtį tarp rudens ir pavasario lygiadienio ir plokštes pastatyti arčiau vertikalė - 5° .. 15° daugiau nei geografinė platuma (Maskvai bus 60° .. 70°). Jei dėl architektūrinių ar projektinių priežasčių tokio kampo išlaikyti neįmanoma ir turite pasirinkti 40° ar mažesnį pasvirimo kampą arba vertikalią instaliaciją, pirmenybę teikite vertikaliai padėčiai. Tuo pačiu metu energijos „trūkumas“ ilgomis vasaros dienomis nėra toks kritiškas – šiuo laikotarpiu natūralios šilumos ir šviesos gausu, o energijos gamybos poreikis paprastai nėra toks didelis kaip žiemą ir išjungus. - sezonas. Natūralu, kad plokštės pakreipimas turėtų būti nukreiptas į pietus, nors nuokrypis nuo šios krypties 10°...15° į rytus ar vakarus mažai keičiasi, todėl yra gana priimtinas.

Horizontalus saulės baterijų išdėstymas visoje Rusijoje yra neveiksmingas ir visiškai nepagrįstas. Be per didelio energijos gamybos sumažėjimo rudens-žiemos laikotarpiu, ant horizontalių plokščių intensyviai kaupiasi dulkės, o žiemą ir sniegas, ir jas iš ten galima pašalinti tik specialiai organizuotu valymu (dažniausiai rankiniu būdu). Jei plokštės nuolydis viršija 60°, tuomet sniegas ant jos paviršiaus mažai laikosi ir dažniausiai greitai pats sutrupėja, o ploną dulkių sluoksnį lengvai nuplauna lietus.

Kadangi saulės energijos įrangos kainos pastaruoju metu krenta, gali būti naudinga vietoj vieno saulės baterijų lauko, orientuoto į pietus, naudoti dvi didesnės bendros galios, orientuotas į gretimą (pietryčius ir pietvakarius) ir netgi priešingą (rytus). ir vakarus) kardinalios kryptys. Tai užtikrins tolygesnę gamybą saulėtomis dienomis ir padidintą produkciją debesuotomis dienomis, o likusi įranga išliks skirta tokiai pačiai, santykinai mažai galiai, todėl bus kompaktiškesnė ir pigesnė.

Ir paskutinis dalykas. Stiklas, kurio paviršius nėra lygus, bet turi ypatingą reljefą, gali daug efektyviau suvokti šoninę šviesą ir perduoti ją į saulės baterijos darbinius elementus. Optimaliausias atrodo banguotas reljefas su išsikišimų ir įdubimų orientacija iš šiaurės į pietus (vertikalioms plokštėms - iš viršaus į apačią) - savotiškas linijinis lęšis. Gofruotas stiklas gali padidinti fiksuotos plokštės gamybą 5% ar daugiau.

Tradiciniai saulės energijos įrenginių tipai

Kartkartėmis pasigirsta pranešimų apie kitos saulės elektrinės (SPP) ar gėlinimo įrenginio statybą. Šiluminiai saulės kolektoriai ir fotovoltinės saulės baterijos yra naudojamos visame pasaulyje – nuo ​​Afrikos iki Skandinavijos. Šie saulės energijos panaudojimo būdai buvo kuriami dešimtmečius, jiems skirta daugybė interneto svetainių. Todėl čia juos apžvelgsiu labai bendrai. Tačiau vienas svarbus momentas internete praktiškai neaptariamas – tai konkrečių parametrų pasirinkimas kuriant individualią saulės energijos tiekimo sistemą. Tuo tarpu šis klausimas nėra toks paprastas, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio. Saulės energija varomos sistemos parametrų pasirinkimo pavyzdys pateiktas atskirame puslapyje.

Saulės elementai

Paprastai tariant, „saulės baterija“ gali būti suprantama kaip bet koks identiškų modulių rinkinys, kuris suvokia saulės spinduliuotę ir yra sujungtas į vieną įrenginį, įskaitant ir grynai šiluminius, tačiau tradiciškai šis terminas buvo priskirtas būtent fotoelektrinių keitiklių plokštėms. Todėl terminas „saulės baterija“ beveik visada reiškia fotovoltinį įrenginį, kuris saulės spinduliuotę tiesiogiai paverčia elektros srove. Ši technologija buvo aktyviai vystoma nuo XX amžiaus vidurio. Didžiulė paskata jo plėtrai buvo kosmoso tyrinėjimas, kur saulės baterijos šiuo metu gali konkuruoti tik su nedideliais branduolinės energijos šaltiniais pagal pagamintą galią ir veikimo laiką. Per šį laiką saulės baterijų konversijos efektyvumas išaugo nuo vieno ar dviejų procentų iki 17% ar daugiau masinės gamybos, palyginti pigiuose modeliuose ir daugiau nei 42% prototipuose. Žymiai pailgėjo tarnavimo laikas ir eksploatavimo patikimumas.

Saulės baterijų privalumai

Pagrindinis saulės baterijų privalumas yra ypatingas jų dizaino paprastumas ir visiškas judančių dalių nebuvimas. Rezultatas – mažas savitasis svoris ir nepretenzingumas kartu su dideliu patikimumu, taip pat kuo paprastesnis montavimas ir minimalūs priežiūros reikalavimai eksploatacijos metu (dažniausiai pakanka tik nuvalyti nuo darbinio paviršiaus besikaupiančius nešvarumus). Atstovaujantys mažo storio plokštiems elementams, jie gana sėkmingai dedami ant stogo šlaito, nukreipto į saulę arba ant namo sienos, praktiškai nereikalaujant papildomos erdvės ar atskirų didelių konstrukcijų statybos. Vienintelė sąlyga – niekas jų neturėtų užgožti kuo ilgiau.

Kitas svarbus privalumas yra tai, kad energija iš karto generuojama elektros pavidalu – iki šiol universaliausia ir patogiausia forma.

Deja, niekas netrunka amžinai – fotovoltinių keitiklių efektyvumas mažėja per jų tarnavimo laiką. Puslaidininkinės plokštelės, kurios dažniausiai sudaro saulės elementus, laikui bėgant degraduoja ir praranda savo savybes, dėl to ir taip ne itin aukštas saulės elementų efektyvumas dar labiau sumažėja. Ilgalaikis aukštų temperatūrų poveikis pagreitina šį procesą. Iš pradžių tai pažymėjau kaip fotovoltinių baterijų trūkumą, juolab kad „negyvų“ fotovoltinių elementų atkurti negalima. Tačiau vargu ar koks nors mechaninis elektros generatorius jau po 10 metų nenutrūkstamo veikimo sugebės demonstruoti bent 1% efektyvumą – greičiausiai rimto remonto jį prireiks gerokai anksčiau dėl mechaninio nusidėvėjimo, jei ne guolių, tai šepečių. - ir šiuolaikiniai fotokeitikliai gali išlaikyti savo efektyvumą dešimtmečius. Optimistiniais vertinimais, per 25 metus saulės baterijos naudingumo koeficientas sumažėja tik 10 proc., vadinasi, neįsikišus kitiems veiksniams, net ir po 100 metų išliks beveik 2/3 pirminio naudingumo koeficiento. Tačiau masiniams komerciniams fotovoltiniams elementams, kurių pagrindą sudaro poli- ir monokristalinis silicis, sąžiningi gamintojai ir pardavėjai pateikia šiek tiek kitokius senėjimo duomenis – po 20 metų reikėtų tikėtis iki 20% efektyvumo praradimo (tada teoriškai po 40 metų efektyvumas bus didesnis 2/3 pradinio, per 60 metų sumažėja perpus, o po 100 metų liks kiek mažiau nei 1/3 pradinio produktyvumo). Apskritai šiuolaikinių fotokeitiklių įprastas eksploatavimo laikas yra mažiausiai 25...30 metų, todėl degradacija nėra tokia kritinė, o daug svarbiau yra laiku nuvalyti nuo jų dulkes...

Jei baterijos sumontuotos taip, kad natūralių dulkių praktiškai nėra arba jos greitai nuplaunamos natūralių liūčių metu, jos be jokios priežiūros veiks ilgus metus. Kitas svarbus privalumas yra galimybė taip ilgai veikti režimu, kuriam nereikia priežiūros.

Galiausiai, saulės baterijos gali gaminti energiją nuo aušros iki sutemų, net ir debesuotu oru, kai saulės kolektoriai tik šiek tiek skiriasi nuo aplinkos temperatūros. Žinoma, lyginant su giedra saulėta diena, jų produktyvumas krenta daug kartų, bet geriau kažkas, nei nieko! Šiuo atžvilgiu ypač svarbu sukurti baterijas, kurios maksimaliai konvertuotų energiją tuose diapazonuose, kur debesys mažiausiai sugeria saulės spinduliuotę. Be to, renkantis saulės fotokeitiklius, reikėtų atkreipti dėmesį į jų sukuriamos įtampos priklausomybę nuo apšvietimo – ji turi būti kuo mažesnė (sumažėjus apšvietimui pirmiausia turėtų kristi ne įtampa, o srovė, nes priešingu atveju Debesuotomis dienomis turėsite naudoti brangią papildomą įrangą, kuri priverstinai padidina įtampą iki minimumo, kurio pakaktų akumuliatoriams įkrauti ir inverteriams valdyti).

Saulės baterijų trūkumai

Žinoma, saulės baterijos turi daug trūkumų. Be to, atsižvelgiant į orą ir paros laiką, galima pastebėti šiuos dalykus.

Mažas efektyvumas. Tas pats saulės kolektorius, tinkamai parinktas formos ir paviršiaus medžiagos, gali sugerti beveik visą saulės spinduliuotę, kuri jį pasiekia beveik visame dažnių spektre, pernešančiame pastebimą energiją – nuo ​​tolimojo infraraudonųjų spindulių iki ultravioletinių spindulių. Saulės baterijos energiją konvertuoja selektyviai – atomų darbiniam sužadinimui reikalingos tam tikros fotonų energijos (spinduliavimo dažniai), todėl kai kuriose dažnių juostose konversija yra labai efektyvi, o kiti dažnių diapazonai jiems nenaudingi. Be to, jų užfiksuotų fotonų energija panaudojama kiekybiškai - jos „perteklius“, viršijantis reikiamą lygį, atitenka fotokonverterio medžiagai šildyti, o tai šiuo atveju kenkia. Tai daugiausia paaiškina mažą jų efektyvumą.
Beje, pasirinkę netinkamą apsauginės dangos medžiagą, galite gerokai sumažinti akumuliatoriaus efektyvumą. Situaciją apsunkina tai, kad paprastas stiklas gana gerai sugeria didelės energijos ultravioletinę diapazono dalį, o kai kuriems fotoelementų tipams būtent šis diapazonas yra labai aktualus – infraraudonųjų fotonų energija jiems per maža.

Jautrumas aukštai temperatūrai. Kylant temperatūrai, saulės elementų, kaip ir beveik visų kitų puslaidininkinių prietaisų, efektyvumas mažėja. Esant aukštesnei nei 100...125°C temperatūrai, jie gali laikinai netekti savo funkcionalumo, o dar didesnis įkaitimas gresia negrįžtamai sugadinti. Be to, aukštesnė temperatūra pagreitina fotoelementų irimą. Todėl būtina imtis visų priemonių, kad sumažintumėte kaitinimą, kuris neišvengiamas deginant tiesioginius saulės spindulius. Paprastai gamintojai riboja fotoelementų vardinės darbinės temperatūros diapazoną iki +70°..+90°C (tai reiškia pačių elementų įkaitimą, o aplinkos temperatūra, natūralu, turėtų būti daug žemesnė).
Situaciją dar labiau apsunkina tai, kad jautrus gana trapių fotoelementų paviršius dažnai yra padengtas apsauginiu stiklu arba permatomu plastiku. Jei tarp apsauginio gaubto ir fotoelemento paviršiaus lieka oro tarpas, susidaro savotiškas „šiltnamis“, apsunkinantis perkaitimą. Tiesa, padidinus atstumą tarp apsauginio stiklo ir fotoelemento paviršiaus bei sujungus šią ertmę su aukščiau ir apačioje esančia atmosfera, galima organizuoti konvekcinį oro srautą, kuris natūraliai vėsina fotoelementus. Tačiau šviečiant ryškiai saulei ir esant aukštai lauko temperatūrai to gali nepakakti, be to, šis metodas prisideda prie greitesnio fotoelementų darbinio paviršiaus dulkėjimo. Todėl net ir nelabai didelei saulės baterijai gali prireikti specialios aušinimo sistemos. Teisybės dėlei reikia pasakyti, kad tokios sistemos dažniausiai nesunkiai automatizuojamos, o ventiliatoriaus ar siurblio pavara sunaudoja tik nedidelę dalį generuojamos energijos. Nesant stiprios saulės, šildoma nedaug, o vėsinimas visai nereikalingas, todėl sutaupyta energija vairuojant aušinimo sistemą gali būti panaudota kitiems tikslams. Pažymėtina, kad šiuolaikinėse gamyklinėse plokštėse apsauginė danga dažniausiai tvirtai priglunda prie fotoelementų paviršiaus ir pašalina šilumą iš išorės, tačiau namuose pagamintose konstrukcijose mechaninis kontaktas su apsauginiu stiklu gali pažeisti fotoelementą.

Jautrumas apšvietimo netolygumui. Paprastai norint gauti daugiau ar mažiau patogią naudoti įtampą akumuliatoriaus išėjime (12, 24 ar daugiau voltų), fotoelementai jungiami nuosekliomis grandinėmis. Srovę kiekvienoje tokioje grandinėje, taigi ir jos galią, lemia silpniausia grandis – prasčiausių charakteristikų arba mažiausio apšvietimo fotoelementas. Todėl jei bent vienas grandinės elementas yra šešėlyje, tai ženkliai sumažina visos grandinės išeigą – nuostoliai neproporcingi šešėliavimui (be to, nesant apsauginių diodų toks elementas pradės sklaidyti likusių elementų generuojama galia!). Neproporcingai didelio išėjimo galios sumažėjimo galima išvengti tik lygiagrečiai prijungus visus fotoelementus, tačiau tuomet akumuliatoriaus išėjime bus per daug srovės esant per žemai įtampai – paprastai atskiriems fotoelementams ji yra tik 0,5 .. 0,7 V, priklausomai nuo jų tipo. ir apkrovos dydis.

Jautrumas taršai. Net ir vos pastebimas nešvarumų sluoksnis ant saulės elementų ar apsauginio stiklo paviršiaus gali sugerti nemažą saulės šviesos dalį ir gerokai sumažinti energijos gamybą. Dulkėtame mieste tam teks dažnai valyti saulės baterijų, ypač horizontaliai arba nedideliu kampu, paviršių. Žinoma, ta pati procedūra reikalinga ir po kiekvieno sniego, ir po dulkių audros... Tačiau toli nuo miestų, pramoninių zonų, judrių kelių ir kitų stiprių dulkių šaltinių 45° ar didesniu kampu lietus gana pajėgus. nuplauti natūralias dulkes nuo plokščių paviršiaus, „automatiškai“ išlaikant jas gana švarias. O sniegas tokiame šlaite, kuris irgi atsuktas į pietus, dažniausiai net ir labai šaltomis dienomis ilgai neužsibūna. Taigi, toli nuo atmosferos taršos šaltinių, saulės baterijos gali sėkmingai veikti daugelį metų be jokios priežiūros, jei tik danguje būtų saulė!

Galiausiai, paskutinė, bet svarbiausia kliūtis plačiai paplitusiam fotovoltinių saulės baterijų naudojimui yra gana didelė jų kaina. Saulės baterijų elementų kaina šiuo metu yra ne mažesnė kaip 1 USD/W (1 kW – 1000 USD), ir tai yra skirta mažo efektyvumo modifikacijoms, neatsižvelgiant į plokščių surinkimo ir montavimo išlaidas, taip pat neatsižvelgiant į baterijų, įkrovimo valdiklių ir keitiklių (generuojamos žemos įtampos nuolatinės srovės keitiklių) kaina.srovė pagal buitinį ar pramoninį standartą). Dažniausiai, norint minimaliai įvertinti realias išlaidas, šie skaičiai turėtų būti dauginami iš 3-5 kartų, kai renkamasi savarankiškai iš atskirų saulės elementų ir iš 6-10 kartų perkant paruoštus įrangos komplektus (plius įrengimo išlaidos).

Iš visų fotovoltines baterijas naudojančių maitinimo sistemos elementų baterijos turi trumpiausią tarnavimo laiką, tačiau modernių priežiūros nereikalaujančių baterijų gamintojai teigia, kad vadinamuoju buferiniu režimu jie veiks apie 10 metų (arba pasiteisins). tradiciniai 1000 stipraus įkrovimo ir iškrovimo ciklų - jei skaičiuosite vieną ciklą per dieną, tai šiuo režimu jie truks 3 metus). Atkreipiu dėmesį, kad baterijų kaina paprastai sudaro tik 10-20% visos sistemos kainos, o keitiklių ir įkrovimo valdiklių (abu yra sudėtingi elektroniniai gaminiai, todėl yra tam tikra jų gedimo tikimybė) kaina yra lygi. mažiau. Taigi, atsižvelgiant į ilgą tarnavimo laiką ir galimybę dirbti ilgą laiką be jokios priežiūros, fotokeitikliai gali atsipirkti ne kartą per savo gyvenimą ir ne tik atokiose, bet ir apgyvendintose vietovėse - jei elektra tarifai ir toliau augs dabartiniu tempu!

Saulės šilumos kolektoriai

„Saulės kolektorių“ pavadinimas priskiriamas įrenginiams, kurie naudoja tiesioginį šildymą saulės šiluma, tiek pavieniams, tiek sujungiamiems (moduliniams). Paprasčiausias šiluminio saulės kolektoriaus pavyzdys – juodo vandens rezervuaras ant minėto kaimiško dušo stogo (beje, vandens šildymo vasariniame duše efektyvumą galima gerokai padidinti aplink baką pastačius mini šiltnamį , bent jau iš plastikinės plėvelės; pageidautina, kad tarp plėvelės ir bako sienelių viršuje ir šonuose būtų 4-5 cm tarpas).

Tačiau šiuolaikiniai kolektoriai mažai kuo panašūs į tokį baką. Paprastai tai yra plokščios konstrukcijos, pagamintos iš plonų pajuodusių vamzdelių, išdėstytų grotelių arba gyvatės raštu. Vamzdžius galima montuoti ant pajuodinto šilumai laidžio pagrindo lakšto, kuris sulaiko saulės šilumą, patenkančią į tarpus tarp jų – tai leidžia sumažinti bendrą vamzdžių ilgį neprarandant efektyvumo. Siekiant sumažinti šilumos nuostolius ir padidinti šildymą, kolektoriaus viršus gali būti padengtas stiklo lakštu arba skaidraus korinio polikarbonato lakštu, o kitoje šilumą paskirstančio lakšto pusėje šilumos izoliacijos sluoksnis apsaugo nuo nereikalingų šilumos nuostolių – savotiška. gaunamas „šiltnamio efektas“. Vamzdžiu juda pašildytas vanduo ar kitas aušinimo skystis, kurį galima surinkti į termiškai izoliuotą talpyklą. Aušinimo skystis juda veikiamas siurblio arba gravitacijos dėl aušinimo skysčio tankio skirtumo prieš ir už šiluminio kolektoriaus. Pastaruoju atveju daugiau ar mažiau efektyvi cirkuliacija reikalauja kruopštaus nuolydžių ir vamzdžių atkarpų parinkimo bei paties kolektoriaus išdėstymo kuo žemiau. Bet dažniausiai kolektorius dedamas tose pačiose vietose kaip ir saulės baterija – saulėtoje sienoje arba saulėtame stogo šlaite, nors kur nors reikia pastatyti papildomą akumuliacinį baką. Be tokio rezervuaro intensyviai atgaunant šilumą (tarkim, prireikus išsipildyti vonioje ar nusiprausti) kolektoriaus talpos gali neužtekti, o po trumpo laiko iš čiaupo tekės šiek tiek pašildytas vanduo.

Apsauginis stiklas, žinoma, kiek sumažina kolektoriaus efektyvumą, sugerdamas ir atspindėdamas kelis procentus saulės energijos, net jei spinduliai krenta statmenai. Kai spinduliai pasiekia stiklą nedideliu kampu į paviršių, atspindžio koeficientas gali priartėti prie 100%. Todėl nesant vėjo ir esant tik nedideliam šildymui, palyginti su aplinkiniu oru (5–10 laipsnių, tarkime, sodui laistyti), „atviros“ konstrukcijos gali būti efektyvesnės nei „įstiklintos“. Bet vos tik prireikia kelių dešimčių laipsnių temperatūrų skirtumo arba pakyla net ne itin stiprus vėjas, atvirų konstrukcijų šilumos nuostoliai sparčiai didėja, o apsauginis stiklas, nepaisant visų savo trūkumų, tampa būtinybe.

Svarbi pastaba – būtina atsižvelgti į tai, kad karštą saulėtą dieną neanalizuojant vanduo gali perkaisti virš virimo temperatūros, todėl projektuojant kolektorių reikia imtis atitinkamų atsargumo priemonių (užtikrinti saugumą). vožtuvas). Atviruose kolektoriuose be apsauginio stiklo toks perkaitimas dažniausiai nekelia rūpesčių.

Pastaruoju metu plačiai pradėti naudoti vadinamųjų šilumos vamzdžių pagrindu sukurti saulės kolektoriai (nepainioti su kompiuterių aušinimo sistemose šilumos šalinimui naudojamais „šilumos vamzdžiais“!). Skirtingai nuo aukščiau aptarto dizaino, čia kiekvienas šildomas metalinis vamzdis, per kurį cirkuliuoja aušinimo skystis, yra lituojamas stiklinio vamzdžio viduje, o oras išpumpuojamas iš tarpo tarp jų. Pasirodo, tai termoso analogas, kur dėl vakuuminės šilumos izoliacijos šilumos nuostoliai sumažėja 20 ir daugiau kartų. Dėl to, gamintojų teigimu, esant -35°C šalčiui už stiklo, vanduo vidiniame metaliniame vamzdyje su specialia danga, sugeriančia kuo platesnį saulės spindulių spektrą, įkaista iki +50.. +70°C (skirtumas daugiau nei 100°C) .Efektyvus sugėrimas kartu su puikia šilumos izoliacija leidžia šildyti aušinimo skystį net debesuotame ore, nors šildymo galia, žinoma, kelis kartus mažesnė nei šviečiant ryškiai saulei. Svarbiausia čia yra užtikrinti vakuumo tarpo tarp vamzdžių išsaugojimą, tai yra stiklo ir metalo sandūros vakuuminį sandarumą labai plačiame temperatūrų diapazone, siekiančiame 150 °C, per visą tarnavimo laiką. daugelio metų. Dėl šios priežasties gaminant tokius kolektorius neįmanoma išsiversti be kruopštaus stiklo ir metalo šiluminio plėtimosi koeficientų derinimo ir aukštųjų technologijų gamybos procesų, o tai reiškia, kad amatininkų sąlygomis mažai tikėtina, kad bus įmanoma pagaminti pilnavertis vakuuminis šilumos vamzdis. Tačiau paprastesnes kolektorių konstrukcijas galima padaryti savarankiškai, be jokių problemų, nors, žinoma, jų efektyvumas yra šiek tiek mažesnis, ypač žiemą.

Be aukščiau aprašytų skystų saulės kolektorių, yra ir kitų įdomių konstrukcijų tipų: oro (aušinimo skystis yra oras, ir jis nebijo užšalimo), „saulės tvenkiniai“ ir tt Deja, dauguma tyrimų ir plėtros saulės kolektorių srityje yra skirta būtent skystiems modeliams, todėl alternatyvūs tipai praktiškai nėra masiškai gaminami ir apie juos nėra daug informacijos.

Saulės kolektorių privalumai

Svarbiausias saulės kolektorių privalumas yra jų gana veiksmingų variantų paprastumas ir santykinai mažos gamybos sąnaudos kartu su nepretenzingumu eksploatuoti. Minimalus reikalavimas kolektoriui pasigaminti savo rankomis yra keli metrai plono vamzdžio (geriausia plonasienio vario – galima sulenkti minimaliu spinduliu) ir truputis juodų dažų, bent jau bituminio lako. Vamzdelį išlenkiame kaip gyvatę, nudažome juodais dažais, pastatome saulėtoje vietoje, prijungiame prie vandentiekio, ir dabar paprasčiausias saulės kolektorius paruoštas! Tuo pačiu metu ritė gali būti lengvai suteikiama beveik bet kokiai konfigūracijai ir maksimaliai išnaudoti visą kolektoriui skirtą erdvę. Veiksmingiausias namuose naudojamas juodinimas, kuris taip pat yra labai atsparus aukštai temperatūrai ir tiesioginiams saulės spinduliams, yra plonas suodžių sluoksnis. Tačiau suodžiai lengvai ištrinami ir nuplaunami, todėl tokiam juodinimui tikrai prireiks apsauginių stiklų ir specialių priemonių, kad galimas kondensatas nepatektų į suodžiais padengtą paviršių.

Kitas svarbus kolektorių privalumas yra tas, kad jie, skirtingai nei saulės kolektoriai, sugeba užfiksuoti ir paversti šiluma iki 90% į juos patenkančios saulės spinduliuotės, o sėkmingiausiais atvejais – net daugiau. Todėl ne tik giedru oru, bet ir silpnai debesuota, kolektorių efektyvumas lenkia fotovoltinių baterijų efektyvumą. Galiausiai, skirtingai nuo fotovoltinių baterijų, netolygus paviršiaus apšvietimas nesukelia neproporcingai didelio kolektoriaus efektyvumo sumažėjimo – svarbus tik bendras (integruotas) spinduliuotės srautas.

Saulės kolektorių trūkumai

Tačiau saulės kolektoriai yra jautresni oro sąlygoms nei saulės kolektoriai. Net ir šviečiant ryškiai saulei, gaivus vėjas gali daug kartų sumažinti atviro šilumokaičio šildymo efektyvumą. Apsauginis stiklas, žinoma, smarkiai sumažina šilumos nuostolius nuo vėjo, tačiau esant tankiems debesims jis taip pat yra bejėgis. Esant debesuotam, vėjuotam orui iš kolektoriaus praktiškai jokios naudos, bet saulės baterija bent šiek tiek energijos pagamina.

Iš kitų saulės kolektorių minusų pirmiausia išskirsiu jų sezoniškumą. Pakanka trumpų pavasario ar rudens naktinių šalnų, kad šildytuvo vamzdžiuose susidaręs ledas sukeltų jų plyšimo pavojų. Žinoma, tai galima pašalinti šaltomis naktimis šildant „šiltnamį“ gyvatuku su trečiosios šalies šilumos šaltiniu, tačiau tokiu atveju bendras kolektoriaus energinis efektyvumas gali lengvai tapti neigiamas! Kitas variantas - dvigubos grandinės kolektorius su antifrizu išorinėje grandinėje - nereikės energijos šildymui, bet bus daug sudėtingesnis nei vienos grandinės variantai su tiesioginiu vandens šildymu tiek gaminant, tiek eksploatuojant. Iš esmės oro konstrukcijos negali užšalti, tačiau yra ir kita problema – maža savitoji oro šiluminė talpa.

Ir visgi, ko gero, pagrindinis saulės kolektoriaus trūkumas yra tai, kad tai yra būtent šildymo įrenginys ir nors pramoniniu būdu pagaminti mėginiai, nesant šilumos analizės, gali įkaitinti aušinimo skystį iki 190..200 °C, dažniausiai pasiekiamos temperatūros. retai viršija 60..80 °C. Todėl išgaunamą šilumą labai sunku panaudoti dideliems mechaninio darbo ar elektros energijos kiekiams gauti. Juk net ir žemiausios temperatūros garo-vandens turbinos (pavyzdžiui, tokią, kurią kažkada aprašė V.A. Zysinas) darbui būtina perkaitinti vandenį bent iki 110°C! O energija tiesiogiai šilumos pavidalu, kaip žinia, ilgai nekaupiama, o žemesnėje nei 100°C temperatūroje dažniausiai gali būti naudojama tik karšto vandens tiekimui ir namo šildymui. Tačiau, atsižvelgiant į mažą kainą ir gamybos paprastumą, tai gali būti pakankama priežastis įsigyti savo saulės kolektorių.

Teisybės dėlei reikia pažymėti, kad „normalus“ šiluminio variklio veikimo ciklas gali būti organizuojamas žemesnėje nei 100 ° C temperatūroje - arba jei virimo temperatūra sumažinama sumažinus slėgį garinimo dalyje, išpumpuojant iš ten garus. , arba naudojant skystį, kurio virimo temperatūra yra tarp temperatūros saulės kolektoriaus įkaitimo ir aplinkos oro temperatūros (optimaliai - 50...60°C). Tiesa, prisimenu tik vieną neegzotišką ir sąlyginai saugų skystį, kuris daugiau ar mažiau tenkina šias sąlygas – etilo alkoholį, kuris normaliomis sąlygomis verda 78°C temperatūroje. Akivaizdu, kad šiuo atveju reikės organizuoti uždarą ciklą, sprendžiant daugybę susijusių problemų. Kai kuriose situacijose gali būti perspektyvu naudoti išoriškai šildomus variklius (Stirlingo variklius). Šiuo atžvilgiu įdomus gali būti ir lydinių su formos atminties efektu, kurie aprašyti šioje svetainėje I. V. Nigelo straipsnyje, naudojimas – jiems veikti reikia tik 25-30°C temperatūros skirtumo.

Saulės energijos koncentracija

Saulės kolektoriaus efektyvumo didinimas visų pirma apima nuolatinį šildomo vandens temperatūros didėjimą virš virimo taško. Dažniausiai tai daroma koncentruojant saulės energiją ant kolektoriaus naudojant veidrodžius. Šiuo principu grindžiama dauguma saulės elektrinių, skiriasi tik veidrodžių ir kolektoriaus skaičius, konfigūracija ir išdėstymas, taip pat veidrodžių valdymo būdai. Dėl to fokusavimo taške visiškai įmanoma pasiekti net ne šimtų, o tūkstančių laipsnių temperatūrą – esant tokiai temperatūrai, jau gali įvykti tiesioginis terminis vandens skilimas į vandenilį ir deguonį (susidaręs vandenilis gali būti sudegintas naktį ir debesuotomis dienomis)!

Deja, efektyvus tokio įrenginio veikimas neįmanomas be sudėtingos veidrodžių koncentravimo valdymo sistemos, kuri turi sekti nuolat besikeičiančią Saulės padėtį danguje. Priešingu atveju per kelias minutes fokusavimo taškas išeis iš kolektoriaus, kuris tokiose sistemose dažnai būna labai mažo dydžio, ir darbinio skysčio šildymas nustos. Net ir paraboloidinių veidrodžių naudojimas problemą išsprendžia tik iš dalies – jei jie periodiškai nepasukami paskui Saulę, tai po kelių valandų jis nebeįkris į jų dubenį arba apšvies tik jo kraštelį – iš to bus mažai naudos.

Lengviausias būdas sukoncentruoti saulės energiją namuose – šalia kolektoriaus horizontaliai pastatyti veidrodį, kad didžiąją dienos dalį saulė patektų į kolektorių. Įdomus variantas – kaip tokį veidrodį panaudoti specialiai prie namo esančio rezervuaro paviršių, ypač jei tai ne įprastas rezervuaras, o „saulės tvenkinys“ (nors tai padaryti nėra lengva, o atspindžio efektyvumas būti daug mažesnis nei įprasto veidrodžio). Gero rezultato galima pasiekti sukūrus vertikalių koncentruojamų veidrodžių sistemą (dažniausiai toks darbas yra daug varginantis, tačiau kai kuriais atvejais gali būti pateisinama tiesiog įrengti didelį veidrodį ant gretimos sienos, jei jis sudaro vidinį kampą su kolektoriumi - viskas priklauso nuo pastato ir kolektoriaus konfigūracijos ir vietos).

Saulės spinduliuotės nukreipimas naudojant veidrodžius taip pat gali padidinti fotovoltinės baterijos galią. Tačiau tuo pačiu metu jo šildymas didėja, o tai gali sugadinti akumuliatorių. Todėl šiuo atveju turite apsiriboti santykinai nedideliu pelnu (keliomis dešimtimis procentų, bet ne kelis kartus), o akumuliatoriaus temperatūrą reikia atidžiai stebėti, ypač karštomis, giedromis dienomis! Būtent dėl ​​perkaitimo pavojaus kai kurie fotovoltinių baterijų gamintojai tiesiogiai draudžia savo gaminius veikti esant padidintam apšvietimui, sukuriamam naudojant papildomus atšvaitus.

Saulės energijos pavertimas mechanine energija

Tradiciniai saulės energijos įrenginiai tiesiogiai neatlieka mechaninio darbo. Tam reikia prijungti elektros variklį prie fotokeitiklių saulės baterijos, o naudojant terminį saulės kolektorių – į garų įvadą tiekti perkaitintus garus (o perkaisti vargu ar pavyks be koncentruotų veidrodžių). turbiną arba į garo variklio cilindrus. Kolektoriai, turintys santykinai mažai šilumos, gali paversti šilumą mechaniniu judesiu egzotiškesniais būdais, pavyzdžiui, naudodami formos atminties lydinio pavaras.

Tačiau yra ir įrenginių, kuriuose saulės šiluma paverčiama mechaniniu darbu, kuris tiesiogiai įtraukiamas į jų dizainą. Be to, jų dydžiai ir galingumas labai skiriasi – tai didžiulio šimtų metrų aukščio saulės bokšto ir kuklaus saulės siurblio, kuris priklausytų vasarnamiui, projektas.

Gyvename ateities pasaulyje, nors tai pastebima ne visuose regionuose. Šiaip ar taip, galimybė kurti naujus energijos šaltinius šiandien rimtai diskutuojama progresyviuose sluoksniuose. Viena iš perspektyviausių sričių yra saulės energija.

Šiuo metu apie 1% Žemės elektros energijos gaunama apdorojant saulės spinduliuotę. Tai kodėl dar neatsisakėme kitų „žalingų“ metodų ir ar apskritai atsisakysime? Kviečiame perskaityti mūsų straipsnį ir pabandyti atsakyti į šį klausimą patys.

Kaip saulės energija paverčiama elektra

Pradėkime nuo svarbiausio – kaip saulės spinduliai paverčiami elektra.

Pats procesas vadinamas "Saulės generacija" . Veiksmingiausi būdai tai užtikrinti yra šie:

• fotovoltinė energija;
• saulės šiluminė energija;
• saulės balionų jėgainės.

Pažvelkime į kiekvieną iš jų.

Fotovoltarija

Tokiu atveju elektros srovė atsiranda dėl fotovoltinis efektas. Principas toks: saulės šviesa patenka į fotoelementą, elektronai sugeria fotonų (šviesos dalelių) energiją ir pradeda judėti. Dėl to gauname elektros įtampą.

Būtent toks procesas vyksta saulės kolektoriuose, kurių pagrindą sudaro elementai, paverčiantys saulės spinduliuotę į elektros energiją.

Pati fotovoltinių plokščių konstrukcija yra gana lanksti ir gali būti įvairių dydžių. Todėl jie yra labai praktiški naudoti. Be to, plokštės pasižymi aukštomis eksploatacinėmis savybėmis: yra atsparios krituliams ir temperatūros pokyčiams.

Ir štai kaip tai veikia atskiras saulės baterijos modulis:

Galite perskaityti apie saulės baterijų naudojimą kaip įkroviklius, maitinimo šaltinius privatiems namams, miestų gerinimui ir medicinos reikmėms.

Šiuolaikinės saulės baterijos ir elektrinės

Naujausi pavyzdžiai – įmonės saulės baterijos Siksto Saulė. Skirtingai nuo tradicinių tamsiai mėlynų plokščių, jie gali turėti bet kokį atspalvį ir tekstūrą. Tai reiškia, kad jais galima „papuošti“ namo stogą, kaip jums patinka.

Kitą sprendimą pasiūlė „Tesla“ kūrėjai. Jie pristatė ne tik plokštes, bet ir visavertę stogo dangą, kuri apdoroja saulės energiją. yra įmontuotų saulės modulių, taip pat gali būti įvairių konstrukcijų. Tuo pačiu metu pati medžiaga yra daug tvirtesnė nei įprastos stogo čerpės, Solar Roof netgi turi begalinę garantiją.

Visavertės saulės elektrinės pavyzdys – neseniai Europoje pastatyta stotis su dvipusėmis plokštėmis. Pastarieji surenka ir tiesioginę saulės spinduliuotę, ir atspindinčiąją spinduliuotę. Tai leidžia padidinti saulės energijos gamybos efektyvumą 30%. Ši stotis per metus turėtų pagaminti apie 400 MWh.

Įdomu taip pat didžiausia plaukiojanti saulės elektrinė Kinijoje. Jo galia yra 40 MW. Tokie sprendimai turi 3 svarbius privalumus:

• nereikia užimti didelių žemės plotų, o tai svarbu Kinijai;
• rezervuaruose sumažėja vandens garavimas;
• Patys fotoelementai mažiau įkaista ir veikia efektyviau.

Beje, ši plūduriuojanti saulės elektrinė buvo pastatyta apleistos anglies kasybos įmonės vietoje.

Fotovoltiniu efektu paremtos technologijos šiandien yra perspektyviausios, o ekspertų teigimu, per artimiausius 30–40 metų saulės baterijos galės pagaminti apie 20% pasaulio elektros poreikio.

Saulės šiluminė energija

Čia požiūris yra šiek tiek kitoks, nes... saulės spinduliuotė naudojama talpai su skysčiu šildyti. Dėl to jis virsta garais, kurie suka turbiną, todėl susidaro elektra.

Šiluminės elektrinės veikia tuo pačiu principu, tik skystis šildomas deginant anglį.

Ryškiausias šios technologijos naudojimo pavyzdys yra Ivanpah saulės stotis Mohave dykumoje. Tai didžiausia pasaulyje saulės šiluminė elektrinė.

Ji veikia nuo 2014 metų ir elektrai gaminti nenaudoja jokio kuro – tik aplinkai draugišką saulės energiją.

Vandens katilas yra bokštuose, kuriuos matote konstrukcijos centre. Aplink yra veidrodžių laukas, nukreipiantis saulės spindulius į bokšto viršūnę. Tuo pačiu metu kompiuteris nuolat sukasi šiuos veidrodžius, priklausomai nuo saulės vietos.

Koncentruotai saulės energijai veikiamas vanduo bokšte įkaista ir virsta garais. Tai sukuria slėgį ir garai pradeda sukti turbiną, todėl išsiskiria elektra. Šios stoties galia yra 392 megavatai, kurią galima nesunkiai palyginti su vidutine Maskvos šilumine elektrine.

Įdomu tai, kad tokios stotys gali veikti ir naktį. Tai įmanoma, dalį įkaitinto garo patalpinus į saugyklą ir palaipsniui naudojant jį turbinai sukti.

Saulės balionų jėgainės

Šis originalus sprendimas, nors ir nėra plačiai naudojamas, vis dar turi savo vietą.

Pats įrengimas susideda iš 4 pagrindinių dalių:

• Aerostatas – esantis danguje, renkantis saulės spinduliuotę. Vanduo patenka į rutulį ir greitai įkaista, virsdamas garais.
• Garo vamzdynas - per jį slėgis garas nusileidžia į turbiną, todėl ji sukasi.
• Turbina - veikiama garų srauto, ji sukasi, generuodama elektros energiją.
• Kondensatorius ir siurblys – per turbiną praėję garai kondensuojami į vandenį ir siurblio pagalba pakyla į balioną, kur vėl pašildomi iki garų būsenos.

Kokie yra saulės energijos pranašumai

• Saulė ir toliau teiks mums savo energiją dar kelis milijardus metų. Tuo pačiu metu žmonėms nereikia leisti pinigų ir išteklių tam išgauti.
• Saulės energijos gamyba yra visiškai aplinkai nekenksmingas procesas, nekeliantis pavojaus gamtai.
• Proceso savarankiškumas. Saulės šviesos surinkimas ir elektros energijos gamyba vyksta su minimaliu žmogaus įsikišimu. Vienintelis dalykas, kurį jums reikia padaryti, tai išlaikyti švarius darbo paviršius ar veidrodžius.
• Išnaudotas saulės baterijas galima perdirbti ir pakartotinai panaudoti gamyboje.

Saulės energijos plėtros problemos

Nepaisant įgyvendinamų idėjų, kaip palaikyti saulės elektrinių darbą naktį, niekas nėra apsaugotas nuo gamtos kaprizų. Keletą dienų debesuotas dangus gerokai sumažina elektros gamybą, tačiau gyventojams ir įmonėms reikalingas nenutrūkstamas tiekimas.

Saulės elektrinės statyba – nepigus malonumas. Taip yra dėl to, kad jų dizaine reikia naudoti retus elementus. Ne visos šalys yra pasirengusios švaistyti biudžetus mažiau galingoms elektrinėms, kai yra veikiančios šiluminės elektrinės ir atominės elektrinės.

Tokiems įrenginiams įrengti reikalingi dideli plotai ir tokiose vietose, kur saulės spinduliuotės lygis yra pakankamas.

Kaip saulės energija vystoma Rusijoje?

Deja, mūsų šalis vis dar visu greičiu degina anglį, dujas ir naftą, o Rusija tikrai bus viena iš paskutiniųjų, visiškai perėjusių prie alternatyvios energijos.

Iki šiol saulės energijos gamyba sudaro tik 0,03% Rusijos Federacijos energijos balanso. Palyginimui, Vokietijoje šis skaičius siekia daugiau nei 20 proc. Privatūs verslininkai nėra suinteresuoti investuoti į saulės energiją dėl ilgo atsipirkimo laikotarpio ir ne tokio didelio pelningumo, nes mūsų šalyje dujos yra daug pigesnės.

Ekonomiškai išsivysčiusiuose Maskvos ir Leningrado regionuose saulės aktyvumas yra žemas. Ten saulės elektrines statyti tiesiog nepraktiška. Tačiau pietiniai regionai yra gana perspektyvūs.