Process, kas rada saules enerģiju. Saules enerģijas pārveidošanas princips, tā pielietojums un perspektīvas

Ar katru dienu samazinās pasaules ogļu, naftas, gāzes rezervju apjoms, tas ir, viss, kas mums šodien kalpo kā enerģijas avots. Un tuvākajā nākotnē cilvēce nonāks pie tā, ka fosilā kurināmā vienkārši vairs nebūs. Tāpēc visas valstis aktīvi meklē glābiņu no katastrofas, kas mums strauji tuvojas. Un pirmais glābšanas līdzeklis, kas nāk prātā, protams, ir saules enerģija, ko cilvēki kopš neatminamiem laikiem izmantojuši drēbju žāvēšanai, mājas apgaismošanai un ēdiena gatavošanai. Tā radās viena no alternatīvās enerģijas jomām – saules enerģija.

Saules enerģijas enerģijas avots ir saules gaismas enerģija, kas tiek pārveidota siltumā vai elektroenerģijā, izmantojot īpašas struktūras. Pēc ekspertu domām, tikai vienas nedēļas laikā zemes virsma no saules saņem enerģijas daudzumu, kas pārsniedz pasaules visu veidu degvielas rezervju enerģiju. Un, lai gan šīs alternatīvās enerģijas jomas attīstības temps nepārtraukti pieaug, saules enerģijai joprojām ir ne tikai priekšrocības, bet arī trūkumi.

Ja galvenās priekšrocības ietver pieejamību un, pats galvenais, enerģijas avota neizsmeļamību, tad trūkumi ietver:

• nepieciešamība uzkrāt enerģiju, kas saņemta no saules,
• ievērojamas izmantotā aprīkojuma izmaksas,
• atkarība no laika apstākļiem un diennakts laika,
• atmosfēras temperatūras paaugstināšanās virs spēkstacijām u.c.

Saules starojuma skaitliskās īpašības

Ir tāds rādītājs kā saules konstante. Tā vērtība ir 1367 W. Tas ir tieši tāds enerģijas daudzums uz 1 kv.m. planēta Zeme. Bet atmosfēras dēļ zemes virsmu sasniedz par aptuveni 20-25% mazāk enerģijas. Tāpēc saules enerģijas vērtība uz kvadrātmetru, piemēram, pie ekvatora ir 1020 W. Un, ņemot vērā dienas un nakts maiņu, saules leņķa izmaiņas virs horizonta, šis rādītājs samazinās apmēram 3 reizes.

Bet no kurienes nāk šī enerģija? Zinātnieki pirmo reizi sāka pētīt šo jautājumu tālajā 19. gadsimtā, un versijas bija pilnīgi atšķirīgas. Mūsdienās daudzu pētījumu rezultātā ir ticami zināms, ka saules enerģijas avots ir reakcija, pārvēršot 4 ūdeņraža atomus hēlija kodolā. Šī procesa rezultātā tiek atbrīvots ievērojams enerģijas daudzums. Piemēram, enerģija, kas izdalās transformācijas laikā 1 g. ūdeņradis ir salīdzināms ar enerģiju, kas izdalās 15 tonnu benzīna sadegšanas laikā.

Saules enerģijas pārveidošana

Mēs jau zinām, ka no saules saņemtā enerģija ir jāpārvērš kādā citā formā. Nepieciešamība pēc tā rodas tāpēc, ka cilvēcei vēl nav tādu ierīču, kas varētu patērēt saules enerģiju tīrā veidā. Tāpēc tika izstrādāti tādi enerģijas avoti kā saules kolektori un saules paneļi. Ja pirmo izmanto siltumenerģijas ražošanai, tad otrā tieši ražo elektroenerģiju.

Ir vairāki veidi, kā pārveidot saules enerģiju:

• fotoelementi;
• termiskā gaisa enerģija;
• saules siltumenerģija;
• izmantojot saules balonu spēkstacijas.

Visizplatītākā metode ir fotoelementi. Šīs pārveidošanas princips ir fotoelementu saules paneļu vai, kā tos sauc arī saules paneļu, izmantošana, caur kuriem saules enerģija tiek pārveidota par elektroenerģiju. Parasti šādi paneļi ir izgatavoti no silīcija, un to darba virsmas biezums ir tikai dažas milimetru desmitdaļas. Tos var novietot jebkurā vietā, ir tikai viens nosacījums - liela saules gaismas daudzuma klātbūtne. Lieliska iespēja fotoplākšņu uzstādīšanai uz dzīvojamo ēku un sabiedrisko ēku jumtiem.

Papildus iepriekš apskatītajām fotoplāksnēm saules starojuma enerģijas pārveidošanai tiek izmantoti plānās plēves paneļi. Tie izceļas ar vēl mazāku biezumu, kas ļauj tos uzstādīt jebkur, taču būtisks šādu paneļu trūkums ir to zemā efektivitāte. Šī iemesla dēļ to uzstādīšana būs attaisnojama tikai lielām platībām. Izklaidei plānās plēves paneli var novietot pat uz klēpjdatora maciņa vai rokassomiņas.

Siltuma gaisa enerģijā saules enerģija tiek pārvērsta gaisa plūsmas enerģijā, kas pēc tam tiek nosūtīta uz turboģeneratoru. Bet, izmantojot saules balonu spēkstacijas, balona iekšpusē rodas ūdens tvaiki. Šis efekts tiek panākts, saules gaismā sildot balona virsmu, uz kuras ir uzklāts selektīvi absorbējošs pārklājums. Šīs metodes galvenā priekšrocība ir pietiekama tvaika padeve, kas ir pietiekama, lai turpinātu spēkstacijas darbību sliktos laika apstākļos un naktī.

Saules enerģijas princips ir sildīt virsmu, kas absorbē saules starus un fokusē tos turpmākai iegūtā siltuma izmantošanai. Vienkāršākais piemērs ir ūdens sildīšana, ko pēc tam var izmantot sadzīves vajadzībām, piemēram, pievadīt kanalizācijai vai akumulatoriem, vienlaikus ietaupot gāzi vai citu degvielu. Rūpnieciskā mērogā saules starojuma enerģija, kas iegūta ar šo metodi, tiek pārveidota par elektroenerģiju, izmantojot siltumdzinējus. Šādu kombinēto elektrostaciju celtniecība var ilgt vairāk nekā 20 gadus, taču saules enerģijas attīstības tempi nesamazinās, bet, gluži pretēji, nepārtraukti pieaug.

Kur var izmantot saules enerģiju?

Saules enerģiju var izmantot pilnīgi dažādās jomās – no ķīmiskās rūpniecības līdz autorūpniecībai, no ēdiena gatavošanas līdz telpu apkurei. Piemēram, saules paneļu izmantošana automobiļu rūpniecībā aizsākās 1955. gadā. Šis gads iezīmējās ar pirmās automašīnas izlaišanu, kas darbojās ar saules baterijām. Mūsdienās BMW, Toyota un citi lielākie uzņēmumi ražo šādas automašīnas.

Ikdienā saules enerģiju izmanto telpu apkurei, apgaismojumam un pat ēdiena gatavošanai. Piemēram, no folijas un kartona izgatavotās saules krāsnis pēc ANO iniciatīvas aktīvi izmanto bēgļi, kuri bija spiesti pamest savas mājas sarežģītās politiskās situācijas dēļ. Metālu termiskai apstrādei un kausēšanai tiek izmantotas sarežģītākas saules krāsnis. Viena no lielākajām šādām krāsnīm atrodas Uzbekistānā.

Interesantākie izgudrojumi par saules enerģijas izmantošanu ir:

• Aizsargmaciņš telefonam ar fotoelementu, kas vienlaikus ir arī lādētājs.
• Mugursoma ar piestiprinātu saules bateriju. Tas ļaus uzlādēt ne tikai tālruni, bet arī planšetdatoru un pat kameru, kopumā jebkuru elektroniku, kurai ir USB ieeja.
• Saules Bluetooth austiņas.

Un visradošākā ideja ir apģērbs, kas izgatavots no īpaša auduma. Jaka, kaklasaite un pat peldkostīms – tas viss var kļūt ne tikai par priekšmetu tavā garderobē, bet arī par lādētāju.

Alternatīvās enerģijas attīstība NVS valstīs

Alternatīvā enerģija, tostarp saules enerģija, strauji attīstās ne tikai ASV, Eiropā vai Indijā, bet arī NVS valstīs, tostarp Krievijā, Kazahstānā un īpaši Ukrainā. Piemēram, Krimā tika uzcelta lielākā saules elektrostacija bijušajā Padomju Savienībā Perovo. Tā celtniecība tika pabeigta 2011. gadā. Šī elektrostacija kļuva par Austrijas uzņēmuma Activ Solar 3. inovatīvo projektu. Perovo maksimālā jauda ir aptuveni 100 MW.

Un tā paša gada oktobrī Activ Solar palaida citu saules elektrostaciju Okhotnikovo arī Krimā. Tā jauda bija 80 MW. Okhotnikovo saņēma arī lielākās, bet Centrāleiropas un Austrumeiropas statusu. Varam teikt, ka alternatīvā enerģija Ukrainā ir spērusi milzīgu soli ceļā uz drošu un neizsmeļamu enerģiju.

Kazahstānā situācija izskatās nedaudz savādāka. Būtībā alternatīvās enerģijas attīstība šajā valstī notiek tikai teorētiski. Republikai ir milzīgs potenciāls, taču tas vēl nav pilnībā realizēts. Protams, valdība nodarbojas ar šo jautājumu, un ir pat izstrādāts plāns alternatīvās enerģijas attīstībai Kazahstānā, taču no atjaunojamiem avotiem, jo ​​īpaši no saules iegūtās enerģijas īpatsvars būs ne vairāk kā 1%. valsts kopējā enerģijas bilancē. Līdz 2020. gadam plānots palaist tikai 4 saules elektrostacijas, kuru kopējā jauda būs 77 MW.

Arī alternatīvā enerģija Krievijā attīstās ievērojamā tempā. Bet, kā teica enerģētikas ministra vietnieks, šajā jomā galvenā uzmanība tiek pievērsta Tālo Austrumu reģioniem. Piemēram, Jakutijā visattālākajos ziemeļu ciematos strādājošo 4 saules elektrostaciju kopējā jauda sasniedza vairāk nekā 50 tūkstošus kWh. Tas ļāva ietaupīt vairāk nekā 14 tonnas dārgas dīzeļdegvielas. Vēl viens saules enerģijas izmantošanas piemērs ir daudzfunkcionālais aviācijas komplekss, kas tiek būvēts Ļipeckas apgabalā. Elektroenerģiju tās darbībai saražos pirmā saules elektrostacija, kas arī uzbūvēta Ļipeckas apgabalā.

Tas viss ļauj izdarīt šādu secinājumu: šodien visas valstis, pat ne visattīstītākās, cenšas pēc iespējas tuvāk pietuvoties lolotajam mērķim – alternatīvo enerģijas avotu izmantošanai. Galu galā elektroenerģijas patēriņš pieaug katru dienu, un katru dienu palielinās kaitīgo izmešu daudzums vidē. Un daudzi jau saprot, ka mūsu un mūsu planētas nākotne ir atkarīga tikai no mums pašiem.

R. Abdulļina

Ukraina paļaujas uz saules enerģiju

Cilvēki vairs nevar iedomāties dzīvi bez elektrības, un ar katru gadu nepieciešamība pēc enerģijas pieaug arvien vairāk, savukārt energoresursu, piemēram, naftas, gāzes un ogļu, rezerves strauji sarūk. Cilvēcei nav citu iespēju, kā vien izmantot alternatīvus enerģijas avotus. Viens no veidiem, kā ražot elektroenerģiju, ir pārveidot saules enerģiju, izmantojot fotoelementus. Par to, ka saules enerģiju ir iespējams izmantot, cilvēki uzzināja salīdzinoši sen, bet aktīvi to sāka attīstīt tikai pēdējos 20 gados. Pēdējos gados, pateicoties nepārtrauktiem pētījumiem, jaunu materiālu izmantošanai un radošiem dizaina risinājumiem, ir izdevies būtiski palielināt saules paneļu veiktspēju. Daudzi uzskata, ka nākotnē cilvēce varēs atteikties no tradicionālajām elektroenerģijas ražošanas metodēm par labu saules enerģijai un iegūt to, izmantojot saules elektrostacijas.

Saules enerģija

Saules enerģija ir viens no elektroenerģijas ražošanas avotiem netradicionālā veidā, tāpēc tiek klasificēts kā alternatīvs enerģijas avots. Saules enerģija izmanto saules starojumu un pārvērš to elektroenerģijā vai citos enerģijas veidos. Saules enerģija ir ne tikai videi draudzīgs enerģijas avots, jo... Pārvēršot saules enerģiju, neizdalās kaitīgi blakusprodukti, taču saules enerģija ir arī pašatjaunojošs alternatīvās enerģijas avots.

Kā darbojas saules enerģija

Teorētiski nav grūti aprēķināt, cik daudz enerģijas var iegūt no saules enerģijas plūsmas, jau sen ir zināms, ka, nobraucot attālumu no Saules līdz Zemei un nokrītot uz virsmas ar laukumu 1 m² 90° leņķī saules plūsma pie ieejas atmosfērā nes enerģijas lādiņu, kas vienāds ar 1367 W/m², tā ir tā sauktā saules konstante. Tas ir ideāls variants ideālos apstākļos, kurus, kā zināms, praktiski nav iespējams sasniegt. Tādējādi, izejot cauri atmosfērai, maksimālā plūsma, ko var iegūt, būs pie ekvatora un būs 1020 W/m², bet vidējā diennakts vērtība, ko varam iegūt, būs 3 reizes mazāka dienas un nakts maiņas dēļ. un saules plūsmas krišanas leņķa izmaiņas. Un mērenajos platuma grādos dienas un nakts maiņu pavada arī gadalaiku maiņa un līdz ar to arī dienas gaismas stundu ilguma maiņa, tāpēc mērenajos platuma grādos saņemtās enerģijas daudzums samazināsies vēl 2 reizes.

Saules enerģijas attīstība un izplatīšana

Kā mēs visi zinām, pēdējos gados saules enerģijas attīstība katru gadu uzņem apgriezienus, taču mēģināsim izsekot attīstības dinamikai. Vēl 1985. gadā globālā saules jauda bija tikai 0,021 GW. 2005. gadā tie jau bija 1,656 GW. 2005. gads tiek uzskatīts par pagrieziena punktu saules enerģijas attīstībā, tieši no šī gada cilvēki sāka aktīvi interesēties par ar saules enerģiju darbināmu elektrisko sistēmu izpēti un attīstību. Turpmākā dinamika nerada šaubas (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Eiropas Savienības valstis un ASV tur plaukstu saules enerģijas izmantošanā, tikai ASV un Vācijā vien ražošanas un darbības sfērā ir nodarbināti vairāk nekā 100 tūkstoši cilvēku. Tāpat ar saviem sasniegumiem saules enerģijas attīstībā var lepoties Itālija, Spānija un, protams, Ķīna, kas, ja ne līdere saules bateriju darbībā, tad saules bateriju ražotājs palielina ražošanas tempus no plkst. gadu no gada.

Saules enerģijas izmantošanas priekšrocības un trūkumi

Priekšrocības: 1) videi draudzīgums - nepiesārņo vidi; 2) pieejamība - fotoelementi ir pieejami pārdošanai ne tikai rūpnieciskai lietošanai, bet arī privātu mini saules elektrostaciju izveidei; 3) enerģijas avota neizsīkstamība un pašatjaunojamība; 4) pastāvīgi sarūkošās elektroenerģijas ražošanas izmaksas.
Trūkumi: 1) laika apstākļu un diennakts laika ietekme uz produktivitāti; 2) lai taupītu enerģiju, ir jāuzkrāj enerģija; 3) zemāka produktivitāte mērenajos platuma grādos, mainoties gadalaikiem; 4) ievērojama gaisa uzkarsēšana virs saules elektrostacijas; 5) nepieciešamība periodiski attīrīt fotoelementu virsmu no piesārņojuma, un tas ir problemātiski milzīgo platību dēļ, ko aizņem fotoelementu uzstādīšana; 6) var runāt arī par salīdzinoši augstajām iekārtu izmaksām, lai gan ar katru gadu pašizmaksa samazinās, pagaidām par lētu saules enerģiju nav jārunā.

Saules enerģijas attīstības perspektīvas

Šodien saules enerģijas attīstībai tiek prognozēta liela nākotne, ar katru gadu tiek būvētas arvien jaunas saules elektrostacijas, kas pārsteidz ar savu mērogu un tehniskajiem risinājumiem. Tāpat neapstājas zinātniskie pētījumi, kuru mērķis ir palielināt fotoelementu efektivitāti. Zinātnieki ir aprēķinājuši, ka, ja mēs pārklājam planētas Zeme sauszemes masu par 0,07%, ar fotoelementu efektivitāti 10%, tad enerģijas pietiks, lai vairāk nekā 100% apmierinātu visas cilvēces vajadzības. Mūsdienās jau tiek izmantoti fotoelementi ar 30% efektivitāti. Pēc pētījumu datiem zināms, ka zinātnieku ambīcijas sola to novest līdz 85%.

Saules elektrostacijas

Saules elektrostacijas ir struktūras, kuru uzdevums ir pārveidot saules enerģijas plūsmas elektroenerģijā. Saules elektrostaciju izmēri var būt dažādi, sākot no privātām mini elektrostacijām ar vairākiem saules paneļiem līdz milzīgām, kas aizņem vairāk nekā 10 km².

Kādi saules elektrostaciju veidi pastāv?

Kopš pirmo saules elektrostaciju būvniecības pagājis diezgan daudz laika, kura laikā realizēti daudzi projekti un pielietoti daudzi interesanti dizaina risinājumi. Visas saules elektrostacijas ir ierasts sadalīt vairākos veidos:
1. Torņa tipa saules elektrostacijas.
2. Saules elektrostacijas, kur saules paneļi ir fotoelementi.
3. Trauku saules elektrostacijas.
4. Paraboliskās saules elektrostacijas.
5. Saules-vakuuma tipa saules elektrostacijas.
6. Jaukta tipa saules elektrostacijas.

Torņa tipa saules elektrostacijas

Ļoti izplatīts spēkstaciju projektēšanas veids. Tā ir augsta torņa konstrukcija, kuras augšpusē ir ūdens rezervuārs, kas nokrāsots melnā krāsā, lai labāk piesaistītu atstaroto saules gaismu. Ap torni ir lieli spoguļi ar platību virs 2 m², kas izvietoti aplī, tie visi ir savienoti ar vienu vadības sistēmu, kas uzrauga spoguļu leņķa izmaiņas, lai tie vienmēr atspoguļotu saules gaismu un virzītu to taisni. uz ūdens tvertni, kas atrodas torņa augšpusē. Tādējādi atstarotā saules gaisma uzsilda ūdeni, kas veido tvaiku, un pēc tam šis tvaiks ar sūkņu palīdzību tiek piegādāts turboģeneratoram, kur tiek ražota elektrība. Tvertnes sildīšanas temperatūra var sasniegt 700 °C. Torņa augstums ir atkarīgs no saules elektrostacijas lieluma un jaudas un parasti sākas no 15 m, bet lielākā šodienas augstums ir 140 m. Šāda veida saules elektrostacijas ir ļoti izplatītas, un tām ir priekšroka. daudzās valstīs tās augstās efektivitātes 20 % dēļ.

Fotoelementu tipa saules elektrostacijas

Fotoelementus (saules baterijas) izmanto, lai saules plūsmu pārvērstu elektroenerģijā. Šāda veida elektrostacijas ir kļuvušas ļoti populāras, pateicoties iespējai izmantot saules paneļus mazos blokos, kas ļauj izmantot saules paneļus, lai nodrošinātu elektrību gan privātmājām, gan lielām rūpniecības objektiem. Turklāt efektivitāte katru gadu pieaug, un šodien jau ir fotoelementi ar 30% efektivitāti.

Paraboliskās saules elektrostacijas

Šāda veida saules elektrostacijas izskatās kā milzīgas satelītantenas, kuru iekšpuse ir pārklāta ar spoguļu plāksnēm. Princips, pēc kura notiek enerģijas pārveide, ir līdzīgs torņu stacijām ar nelielu atšķirību: spoguļu paraboliskā forma nosaka, ka saules stari, kas atstarojas no visas spoguļa virsmas, koncentrējas centrā, kur atrodas uztvērējs ar šķidrums, kas uzsilst, veidojot tvaiku, kas savukārt Rinda ir mazo ģeneratoru dzinējspēks.

Plākšņu saules elektrostacijas

Darbības princips un elektroenerģijas ražošanas metode ir identiska torņu un parabolisko saules elektrostaciju darbībai. Vienīgā atšķirība ir dizaina iezīmēs. Stacionāra struktūra, nedaudz līdzīga milzīgam metāla kokam, satur apaļus plakanus spoguļus, kas koncentrē saules enerģiju uztvērējā.

Saules-vakuuma tipa saules elektrostacijas

Tas ir ļoti neparasts veids, kā izmantot saules enerģiju un temperatūras atšķirības. Elektrostacijas konstrukciju veido apļveida zemes gabals ar stikla jumtu ar torni centrā. Tornis iekšpusē ir dobs, tā pamatnē ir vairākas turbīnas, kas griežas, pateicoties gaisa plūsmai, kas rodas no temperatūras starpības. Caur stikla jumtu saule silda zemi un gaisu telpā, un ēka sazinās ar ārējo vidi caur cauruli, un, tā kā gaisa temperatūra ārpus telpas ir daudz zemāka, rodas gaisa vilkme, kas palielinās, palielinoties temperatūrai. atšķirība. Tādējādi naktī turbīnas ģenerē vairāk elektroenerģijas nekā dienā.

Jauktās saules elektrostacijas

Tas ir tad, kad noteikta veida saules elektrostacijās kā palīgelementi tiek izmantoti, piemēram, saules kolektori objektu nodrošināšanai ar karsto ūdeni un siltumu, vai arī torņa tipa elektrostacijā iespējams vienlaicīgi izmantot fotoelementu sekcijas.

Saules enerģija attīstās lielos tempos, beidzot cilvēki nopietni domā par alternatīviem enerģijas avotiem, lai novērstu neizbēgami tuvojošos enerģētikas krīzi un vides katastrofu. Lai gan līderes saules enerģētikā joprojām ir ASV un Eiropas Savienība, visas pārējās pasaules lielvaras pamazām sāk pārņemt un izmantot saules elektrostaciju ražošanas un izmantošanas pieredzi un tehnoloģijas. Nav šaubu, ka agri vai vēlu saules enerģija kļūs par galveno enerģijas avotu uz Zemes.

Saule ir neizsīkstošs, videi draudzīgs un lēts enerģijas avots. Kā saka eksperti, Saules enerģijas daudzums, kas nedēļas laikā sasniedz Zemes virsmu, pārsniedz visu pasaules naftas, gāzes, ogļu un urāna rezervju enerģiju 1 . Pēc akadēmiķa Ž.I. Alferova, "cilvēcei ir uzticams dabiskais kodoltermiskais reaktors - Saule. Tā ir “F-2” klases zvaigzne, ļoti vidēja, no kurām Galaktikā ir līdz 150 miljardiem. Bet tā ir mūsu zvaigzne, un tā sūta uz Zemi milzīgus spēkus, kuru transformācija daudzus simtus gadu ļauj apmierināt gandrīz visas cilvēces enerģijas vajadzības. Turklāt saules enerģija ir “tīra” un tai nav negatīvas ietekmes uz planētas ekoloģiju 2.

Svarīgs moments ir fakts, ka saules bateriju ražošanas izejviela ir viens no visizplatītākajiem elementiem - silīcijs. Zemes garozā silīcijs ir otrais elements pēc skābekļa (29,5% pēc masas) 3 . Pēc daudzu zinātnieku domām, silīcijs ir “XX pirmā gadsimta eļļa”: vairāk nekā 30 gadu laikā viens kilograms silīcija fotoelektriskajā stacijā saražo tikpat daudz elektroenerģijas kā 75 tonnas eļļas termoelektrostacijā.

Tomēr daži eksperti uzskata, ka saules enerģiju nevar saukt par videi draudzīgu, jo tīra silīcija ražošana foto akumulatoriem ir ļoti “netīra” un ļoti energoietilpīga ražošana. Līdz ar to saules elektrostaciju celtniecībai ir jāpiešķir plašas zemes, kas pēc platības ir salīdzināmas ar hidroelektrostaciju rezervuāriem. Vēl viens saules enerģijas trūkums, pēc ekspertu domām, ir liela nepastāvība. Energosistēmas, kuras elementi ir saules elektrostacijas, efektīvas darbības nodrošināšana ir iespējama, ja:
- ievērojamu rezerves jaudu klātbūtne, izmantojot tradicionālos enerģijas avotus, kurus var pieslēgt naktī vai mākoņainās dienās;
- veikt vērienīgu un dārgu elektrotīklu modernizāciju 4.

Neskatoties uz šo trūkumu, saules enerģija turpina attīstīties visā pasaulē. Pirmkārt, pateicoties tam, ka starojuma enerģija kļūs lētāka un pēc dažiem gadiem kļūs par nozīmīgu konkurentu naftai un gāzei.

Šobrīd pasaulē tādi ir fotoelektriskās iekārtas, pārvēršot saules enerģiju elektroenerģijā, pamatojoties uz tiešās pārveidošanas metodi, un termodinamiskās instalācijas, kurā saules enerģiju vispirms pārvērš siltumā, pēc tam siltumdzinēja termodinamiskajā ciklā pārvērš mehāniskajā enerģijā un ģeneratorā pārvērš elektroenerģijā.

Saules baterijas kā enerģijas avotu var izmantot:
- rūpniecībā (lidmašīnu rūpniecībā, automobiļu rūpniecībā utt.),
- lauksaimniecībā,
- sadzīves jomā,
- būvniecības nozarē (piemēram, ekomājas),
- saules elektrostacijās,
- autonomās videonovērošanas sistēmās,
- autonomās apgaismojuma sistēmās,
- kosmosa nozarē.

Saskaņā ar Enerģētikas stratēģijas institūta datiem Saules enerģijas teorētiskais potenciāls Krievijā ir vairāk nekā 2300 miljardi tonnu standarta degvielas, ekonomiskais potenciāls ir 12,5 miljoni tonnu līdzvērtīgas degvielas. Saules enerģijas potenciāls, kas trīs dienu laikā nonāk Krievijas teritorijā, pārsniedz visu mūsu valsts gada elektroenerģijas ražošanas apjomu.
Krievijas atrašanās vietas dēļ (no 41 līdz 82 ziemeļu platuma grādiem) saules starojuma līmenis ievērojami atšķiras: no 810 kWh/m2 gadā attālos ziemeļu reģionos līdz 1400 kWh/m2 gadā dienvidu reģionos. Saules radiācijas līmeni ietekmē arī lielas sezonālās svārstības: 55 grādu platumā saules starojums janvārī ir 1,69 kWh/m2, bet jūlijā - 11,41 kWh/m2 diennaktī.

Saules enerģijas potenciāls ir vislielākais dienvidrietumos (Ziemeļkaukāzā, Melnajā un Kaspijas jūrā) un Dienvidsibīrijā un Tālajos Austrumos.

Saules enerģijas izmantošanas ziņā perspektīvākie reģioni: Kalmikija, Stavropoles apgabals, Rostovas apgabals, Krasnodaras apgabals, Volgogradas apgabals, Astrahaņas apgabals un citi reģioni dienvidrietumos, Altaja, Primorija, Čitas reģions, Burjatija un citi reģioni dienvidaustrumos. . Turklāt daži Rietumu un Austrumu Sibīrijas un Tālo Austrumu apgabali pārsniedz saules starojuma līmeni dienvidu reģionos. Piemēram, Irkutskā (52 ziemeļu platuma grādi) saules starojuma līmenis sasniedz 1340 kWh/m2, savukārt Jakutijas-Sahas Republikā (62 ziemeļu platuma grādi) šis rādītājs ir 1290 kWh/m2. 5

Pašlaik Krievijā ir progresīvas tehnoloģijas saules enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā. Ir vairāki uzņēmumi un organizācijas, kas ir izstrādājuši un pilnveido fotoelektrisko pārveidotāju tehnoloģijas: gan uz silīcija, gan daudzsavienojumu konstrukcijām. Koncentrācijas sistēmu izmantošanā saules elektrostacijām ir vairāki sasniegumi.

Tiesiskais regulējums saules enerģijas attīstības atbalstam Krievijā ir sākuma stadijā. Tomēr pirmie soļi jau ir sperti:
- 2008.gada 3.jūlijs: Valdības rīkojums Nr.426 “Par ražotnes, kas darbojas uz atjaunojamo energoresursu izmantošanu, kvalifikāciju”;
- 2009.gada 8.janvāris: Krievijas Federācijas valdības rīkojums Nr.1-r “Par valsts politikas galvenajiem virzieniem elektroenerģijas energoefektivitātes paaugstināšanas jomā, pamatojoties uz atjaunojamo energoresursu izmantošanu laika periodā līdz 2020.

Tika apstiprināti mērķi līdz 2015. un 2020. gadam palielināt atjaunojamo energoresursu īpatsvaru kopējā Krievijas energobilances līmenī attiecīgi līdz 2,5% un 4,5% 6 .

Saskaņā ar dažādām aplēsēm šobrīd Krievijā kopējais uzstādītās saules enerģijas ražošanas jaudas apjoms nepārsniedz 5 MW, no kuriem lielākā daļa attiecas uz mājsaimniecībām. Lielākais industriālais objekts Krievijas saules enerģētikā ir saules elektrostacija Belgorodas reģionā ar jaudu 100 kW, kas nodota ekspluatācijā 2010. gadā (salīdzinājumam, lielākā saules elektrostacija pasaulē atrodas Kanādā ar jaudu 80 000 kW) .

Pašlaik Krievijā tiek īstenoti divi projekti: saules enerģijas parku būvniecība Stavropoles teritorijā (jauda - 12 MW) un Dagestānas Republikā (10 MW) 7 . Neskatoties uz atbalsta trūkumu atjaunojamo energoresursu jomā, virkne uzņēmumu īsteno neliela apjoma saules enerģijas projektus. Piemēram, Sakhaenergo Jakutijā uzstādīja nelielu staciju ar jaudu 10 kW.

Maskavā ir nelielas instalācijas: Ļeontjevska joslā un Mičurinska prospektā vairāku māju ieejas un pagalmi tiek apgaismoti, izmantojot saules moduļus, kas ir samazinājis apgaismojuma izmaksas par 25%. Timirjazevskas ielā vienā no autobusu pieturām uz jumta ir uzstādīti saules paneļi, kas nodrošina uzziņu un informācijas transporta sistēmas un Wi-Fi darbību.

Saules enerģijas attīstība Krievijā ir saistīta ar vairākiem faktoriem:

1) klimatiskie apstākļi:šis faktors ietekmē ne tikai gadu, kurā tiek sasniegta tīkla paritāte, bet arī konkrētam reģionam vispiemērotākās saules enerģijas uzstādīšanas tehnoloģijas izvēli;

2)valsts atbalsts: juridiski noteiktu ekonomisku stimulu klātbūtne saules enerģijai ir ļoti svarīga
tās attīstība. Starp valsts atbalsta veidiem, kas veiksmīgi tiek izmantoti vairākās valstīs Eiropā un ASV, var izcelt: preferenciālos tarifus saules elektrostacijām, subsīdijas saules elektrostaciju celtniecībai, dažādas nodokļu atvieglojumu iespējas, kompensāciju par daļu. kredītu apkalpošanas izmaksām saules enerģijas iekārtu iegādei;

3)PVEU izmaksas (saules fotoelektriskās iekārtas): Mūsdienās saules elektrostacijas ir viena no dārgākajām izmantotajām elektroenerģijas ražošanas tehnoloģijām. Taču, samazinoties 1 kWh saražotās elektroenerģijas izmaksām, saules enerģija kļūst konkurētspējīga. Pieprasījums pēc saules elektrostacijām ir atkarīgs no saules elektrostaciju uzstādītās jaudas 1W izmaksu samazināšanās (~3000 USD 2010. gadā). Izmaksu samazināšana tiek panākta, palielinot efektivitāti, samazinot tehnoloģiskās izmaksas un samazinot ražošanas rentabilitāti (konkurences ietekme). Iespēja samazināt 1 kW jaudas izmaksas ir atkarīga no tehnoloģijas un svārstās no 5% līdz 15% gadā;

4) vides standarti: Saules enerģijas tirgu var pozitīvi ietekmēt stingrāki vides standarti (ierobežojumi un naudas sodi), kas saistīti ar iespējamo Kioto protokola pārskatīšanu. Emisijas kvotu pārdošanas mehānismu pilnveidošana var radīt jaunu ekonomisku stimulu PVEM tirgum;

5) elektroenerģijas piedāvājuma un pieprasījuma līdzsvars: esošo vērienīgo ražošanas un elektrotīklu būvniecības un rekonstrukcijas plānu īstenošana
No Krievijas RAO UES nozares reformas laikā atdalīto uzņēmumu jaudas būtiski palielinās elektroenerģijas piegādi un var palielināt spiedienu uz cenām
vairumtirdzniecības tirgū. Tomēr vecās jaudas pārtraukšana un vienlaikus pieprasījuma pieaugums radīs cenu pieaugumu;

6)tehnoloģiskā savienojuma problēmu klātbūtne: kavēšanās ar pieteikumu izpildi tehnoloģiskajam pieslēgumam centralizētajai elektroapgādes sistēmai ir stimuls pārejai uz alternatīviem enerģijas avotiem, tai skaitā PVEU. Šādus kavējumus nosaka gan objektīvs jaudas trūkums, gan tīkla uzņēmumu tehnoloģiskā pieslēguma organizēšanas neefektivitāte vai tehnoloģiskā pieslēguma finansējuma trūkums no tarifa;

7) vietējo pašvaldību iniciatīvas: Reģionālās un pašvaldības var īstenot savas programmas saules enerģijas vai plašākā nozīmē atjaunojamo/netradicionālo enerģijas avotu attīstībai. Šodien šādas programmas jau tiek īstenotas Krasnojarskas un Krasnodaras teritorijās, Burjatijas Republikā u.c.;

8) pašas ražošanas attīstība: Saules elektrostaciju ražošana Krievijā var pozitīvi ietekmēt Krievijas saules enerģijas patēriņa attīstību. Pirmkārt, pateicoties mūsu pašu ražotajai produkcijai, pieaug vispārējā iedzīvotāju informētība par saules tehnoloģiju pieejamību un to popularitāti. Otrkārt, SFEU izmaksas gala patērētājiem tiek samazinātas, samazinot starpposmus izplatīšanas ķēdē un samazinot transporta komponentu 8 .

Saules enerģija

Saules starojuma parametri

Pirmkārt, ir jānovērtē saules starojuma potenciālās enerģētiskās iespējas. Šeit vislielākā nozīme ir tās kopējai īpatnējai jaudai uz Zemes virsmas un šīs jaudas sadalījumam dažādos starojuma diapazonos.

Saules starojuma jauda

Saules, kas atrodas zenītā, uz Zemes virsmas starojuma jauda tiek lēsta aptuveni 1350 W/m2. Vienkāršs aprēķins parāda, ka, lai iegūtu 10 kW jaudu, ir nepieciešams savākt saules starojumu tikai no 7,5 m2 platības. Bet tas ir skaidrā pēcpusdienā tropu zonā augstu kalnos, kur atmosfēra ir reta un kristāldzidra. Tiklīdz Saule sāk svērties pretī horizontam, palielinās tās staru ceļš cauri atmosfērai, un attiecīgi palielinās zaudējumi pa šo ceļu. Putekļu vai ūdens tvaiku klātbūtne atmosfērā pat bez īpašiem instrumentiem nemanāmos daudzumos vēl vairāk samazina enerģijas plūsmu. Taču arī vidējā joslā vasaras pēcpusdienā uz katru kvadrātmetru, kas orientēts perpendikulāri saules stariem, ir saules enerģijas plūsma ar jaudu aptuveni 1 kW.

Protams, pat viegls mākoņu segums ievērojami samazina enerģiju, kas sasniedz virsmu, īpaši infrasarkanajā (termiskajā) diapazonā. Tomēr daļa enerģijas joprojām iekļūst mākoņos. Vidējā joslā ar smagiem mākoņiem pusdienlaikā Saules starojuma jauda, ​​kas sasniedz Zemes virsmu, tiek lēsta aptuveni 100 W/m2, un tikai retos gadījumos ar īpaši blīviem mākoņiem tā var nokrist zem šīs vērtības. Acīmredzot šādos apstākļos, lai iegūtu 10 kW, ir nepieciešams pilnībā, bez zudumiem un atstarošanas, savākt saules starojumu nevis no 7,5 m2 zemes virsmas, bet no veseliem simts kvadrātmetriem (100 m2).

Tabulā parādīti īsi vidējie dati par saules starojuma enerģiju dažām Krievijas pilsētām, ņemot vērā klimatiskos apstākļus (mākoņainības biežumu un intensitāti) uz horizontālās virsmas vienību. Sīkāka informācija par šiem datiem, papildu dati paneļu orientācijām, kas nav horizontāli, kā arī dati par citiem Krievijas reģioniem un bijušās PSRS valstīm ir sniegti atsevišķā lapā.

Fiksēts panelis, kas novietots optimālā slīpuma leņķī, spēj absorbēt 1,2 .. 1,4 reizes vairāk enerģijas, salīdzinot ar horizontālo, un, ja tas griežas aiz Saules, pieaugums būs 1,4 .. 1,8 reizes. To var redzēt, iedalot pa mēnešiem, fiksētiem paneļiem, kas orientēti uz dienvidiem dažādos slīpuma leņķos, un sistēmām, kas izseko Saules kustību. Saules paneļu izvietojuma iezīmes ir sīkāk aplūkotas turpmāk.

Tiešais un difūzais saules starojums

Ir izkliedēts un tiešs saules starojums. Lai efektīvi uztvertu tiešo saules starojumu, panelim jābūt orientētam perpendikulāri saules gaismas plūsmai. Izkliedētā starojuma uztverei orientācija nav tik kritiska, jo tā nāk diezgan vienmērīgi no gandrīz visām debesīm - šādi mākoņainās dienās tiek izgaismota zemes virsma (šī iemesla dēļ mākoņainā laikā objektiem nav skaidri redzama noteikta ēna, un vertikālās virsmas, piemēram, balsti un māju sienas praktiski nerada redzamu ēnu).

Tiešā un difūzā starojuma attiecība ir ļoti atkarīga no laika apstākļiem dažādos gadalaikos. Piemēram, ziema Maskavā ir mākoņaina, un janvārī izkliedētā starojuma daļa pārsniedz 90% no kopējās insolācijas. Bet pat Maskavas vasarā izkliedētais starojums veido gandrīz pusi no visas Saules enerģijas, kas sasniedz zemes virsmu. Tajā pašā laikā saulainajā Baku gan ziemā, gan vasarā izkliedētā starojuma daļa svārstās no 19 līdz 23% no kopējās insolācijas, un attiecīgi aptuveni 4/5 saules starojuma ir tiešs. Izkliedētās un kopējās insolācijas attiecība atsevišķām pilsētām ir sniegta sīkāk atsevišķā lapā.

Enerģijas sadalījums saules spektrā

Saules spektrs ir praktiski nepārtraukts ārkārtīgi plašā frekvenču diapazonā – no zemfrekvences radioviļņiem līdz īpaši augstas frekvences rentgena un gamma starojumam. Protams, ir grūti vienlīdz efektīvi uztvert tik dažādus starojuma veidus (varbūt to var panākt tikai teorētiski ar “ideāla melnā ķermeņa” palīdzību). Bet tas nav nepieciešams - pirmkārt, pati Saule izstaro dažādos frekvenču diapazonos ar dažādu stiprumu, otrkārt, ne viss, ko izstaro Saule, sasniedz Zemes virsmu - noteiktas spektra daļas lielā mērā absorbē dažādas atmosfēras sastāvdaļas - galvenokārt ozona slānis, ūdens tvaiki un oglekļa dioksīds.

Tāpēc mums pietiek noteikt tos frekvenču diapazonus, kuros uz Zemes virsmas novērojama vislielākā saules enerģijas plūsma, un tos izmantot. Tradicionāli saules un kosmiskais starojums tiek atdalīts nevis pēc frekvences, bet pēc viļņa garuma (tas ir tāpēc, ka eksponenti ir pārāk lieli šī starojuma frekvencēm, kas ir ļoti neērti - redzamā gaisma hercos atbilst 14.kārtai). Apskatīsim enerģijas sadalījuma atkarību no viļņa garuma saules starojumam.

Par redzamās gaismas diapazonu tiek uzskatīts viļņa garuma diapazons no 380 nm (dziļi violets) līdz 760 nm (dziļi sarkans). Visam, kam ir īsāks viļņa garums, ir lielāka fotonu enerģija, un tas ir sadalīts ultravioletā, rentgena un gamma starojuma diapazonos. Neskatoties uz fotonu lielo enerģiju, pašu fotonu šajos diapazonos nav tik daudz, tāpēc šīs spektra daļas kopējais enerģijas devums ir ļoti mazs. Visam, kam ir garāks viļņa garums, ir zemāka fotonu enerģija, salīdzinot ar redzamo gaismu, un tas ir sadalīts infrasarkanajā diapazonā (termiskais starojums) un dažādās radio diapazona daļās. Grafikā redzams, ka infrasarkanajā diapazonā Saule izstaro gandrīz tādu pašu enerģijas daudzumu kā redzamajā (līmeņi ir mazāki, bet diapazons plašāks), bet radiofrekvenču diapazonā starojuma enerģija ir ļoti maza.

Tādējādi no enerģētiskā viedokļa mums pietiek aprobežoties ar redzamo un infrasarkano frekvenču diapazonu, kā arī tuvu ultravioleto (kaut kur līdz 300 nm, īsāka viļņa garuma cietais ultravioletais gandrīz pilnībā absorbējas t.s. ozona slānis, nodrošinot tieši šī ozona sintēzi no atmosfēras skābekļa). Un lauvas daļa saules enerģijas, kas sasniedz Zemes virsmu, ir koncentrēta viļņu garuma diapazonā no 300 līdz 1800 nm.

Ierobežojumi, izmantojot saules enerģiju

Galvenie ierobežojumi, kas saistīti ar saules enerģijas izmantošanu, ir saistīti ar tās nekonsekvenci – saules enerģijas iekārtas nedarbojas naktī un ir neefektīvas mākoņainā laikā. Tas ir skaidrs gandrīz ikvienam.

Taču ir vēl viens apstāklis, kas īpaši aktuāls mūsu visai ziemeļu platuma grādiem - sezonālās dienas garuma atšķirības. Ja tropiskajām un ekvatoriālajām zonām dienas un nakts ilgums ir nedaudz atkarīgs no gada laika, tad jau Maskavas platuma grādos īsākā diena ir gandrīz 2,5 reizes īsāka nekā garākā! Es pat nerunāju par cirkumpolārajiem reģioniem... Rezultātā skaidrā vasaras dienā saules instalācija pie Maskavas var saražot ne mazāk enerģijas kā pie ekvatora (saule zemāk, bet diena garāka). Savukārt ziemā, kad nepieciešamība pēc enerģijas ir īpaši liela, tās ražošana, gluži pretēji, samazināsies vairākas reizes. Patiešām, papildus īsajām dienas gaišajām stundām zemās ziemas saules stariem pat pusdienlaikā ir jāiziet cauri daudz biezākam atmosfēras slānim un tāpēc šajā ceļā jāzaudē ievērojami vairāk enerģijas nekā vasarā, kad saule ir augstu un stari iet cauri atmosfērai gandrīz vertikāli (izteicienam "aukstā ziemas saule "ir vistiešākā fiziskā nozīme). Tomēr tas nenozīmē, ka saules instalācijas viduszonā un pat daudz vairāk ziemeļu apgabalos ir pilnīgi bezjēdzīgas - lai gan ziemā, garo dienu periodā, vismaz sešus mēnešus starp pavasara un rudens ekvinokcijas, tās ir maz noderīgas. , tie ir diezgan efektīvi .

Īpaši interesants ir saules enerģijas iekārtu izmantošana, lai darbinātu arvien izplatītākos, bet ļoti "rijīgos" gaisa kondicionierus. Galu galā, jo spēcīgāk spīd saule, jo karstāks tas kļūst un jo vairāk ir nepieciešams gaisa kondicionētājs. Taču šādos apstākļos arī saules iekārtas spēj saražot vairāk enerģijas, un šo enerģiju kondicionieris izmantos “šeit un tagad”, tā nav jāuzkrāj un jāglabā! Turklāt nemaz nav nepieciešams pārveidot enerģiju elektriskā formā – absorbcijas siltumdzinēji izmanto siltumu tieši, kas nozīmē, ka fotoelementu bateriju vietā var izmantot saules kolektorus, kas ir visefektīvākie skaidrā, karstā laikā. Tiesa, uzskatu, ka gaisa kondicionieri ir neaizstājami tikai karstos, bezūdens reģionos un mitrā tropiskā klimatā, kā arī mūsdienu pilsētās neatkarīgi no to atrašanās vietas. Kompetenti projektētai un uzbūvētai lauku mājai ne tikai viduszonā, bet arī lielākajā daļā Krievijas dienvidu nav nepieciešama tik enerģiju izsalkuša, apjomīga, trokšņaina un kaprīza ierīce.

Diemžēl pilsētās vairāk vai mazāk jaudīgu saules enerģijas iekārtu individuāla izmantošana ar kādu manāmu praktisku labumu ir iespējama tikai retos īpaši laimīgos apstākļos. Tomēr es neuzskatu, ka pilsētas dzīvoklis ir pilnvērtīgs mājoklis, jo tā normāla darbība ir atkarīga no pārāk daudziem faktoriem, kas nav pieejami iedzīvotāju tiešai kontrolei tīri tehnisku iemeslu dēļ, un līdz ar to neveiksmes gadījumā vismaz viena no dzīvības uzturēšanas sistēmām uz vairāk vai mazāk ilgu laiku Mūsdienīgā daudzdzīvokļu mājā apstākļi tur nebūs pieņemami dzīvošanai (drīzāk dzīvoklis augstceltnē jāuzskata par sava veida viesnīcas istabu, kas iedzīvotāji iegādājās uz nenoteiktu laiku vai īrēja no pašvaldības). Taču ārpus pilsētas īpaša uzmanība saules enerģijai var būt vairāk nekā attaisnojama pat nelielā 6 akru zemes gabalā.

Saules paneļu izvietošanas iezīmes

Saules paneļu optimālās orientācijas izvēle ir viens no svarīgākajiem jautājumiem jebkura veida saules instalāciju praktiskajā izmantošanā. Diemžēl šis aspekts ļoti maz tiek apspriests dažādās vietnēs, kas veltītas saules enerģijai, lai gan, neievērojot to, paneļu efektivitāte var samazināties līdz nepieņemamam līmenim.

Fakts ir tāds, ka staru krišanas leņķis uz virsmas lielā mērā ietekmē atstarošanas koeficientu un līdz ar to arī neuztverošās saules enerģijas īpatsvaru. Piemēram, stiklam, krišanas leņķim novirzoties no perpendikulāra tā virsmai līdz 30°, atstarošanas koeficients praktiski nemainās un ir nedaudz mazāks par 5%, t.i. vairāk nekā 95% no krītošā starojuma nonāk iekšā. Tālāk kļūst manāms atstarošanas pieaugums, un par 60° atstarotā starojuma daļa dubultojas - gandrīz līdz 10%. Pie 70° krišanas leņķa atstarojas aptuveni 20% starojuma, bet pie 80° - 40%. Lielākajai daļai citu vielu atstarošanas pakāpes atkarība no krišanas leņķa ir aptuveni vienāda.

Vēl svarīgāka ir tā sauktā efektīvā paneļa zona, t.i. starojuma plūsmas šķērsgriezums, ko tas aptver. Tas ir vienāds ar paneļa reālo laukumu, kas reizināts ar leņķa sinusu starp tā plakni un plūsmas virzienu (vai, kas ir tas pats, ar leņķa kosinusu starp perpendikulu panelim un virzienu plūsmas). Tāpēc, ja panelis ir perpendikulārs plūsmai, tā efektīvais laukums ir vienāds ar tā reālo laukumu, ja plūsma ir novirzījusies no perpendikula par 60°, tā ir puse no reālā laukuma, un, ja plūsma ir paralēla panelim, tā efektīvā platība ir nulle. Tādējādi ievērojama plūsmas novirze no perpendikulāra panelim ne tikai palielina atstarojumu, bet samazina tā efektīvo laukumu, kas izraisa ļoti jūtamu ražošanas kritumu.

Acīmredzot mūsu vajadzībām visefektīvākā ir pastāvīga paneļa orientācija perpendikulāri saules staru plūsmai. Bet tas prasīs mainīt paneļa pozīciju divās plaknēs, jo Saules atrašanās vieta debesīs ir atkarīga ne tikai no diennakts laika, bet arī no gada laika. Lai gan šāda sistēma noteikti ir tehniski iespējama, tā ir ļoti sarežģīta, tāpēc dārga un ne pārāk uzticama.

Taču atcerēsimies, ka pie krišanas leņķiem līdz 30° atstarošanas koeficients pie gaisa-stikla saskarnes ir minimāls un praktiski nemainās, un gada laikā Saules maksimālā pacelšanās leņķis virs horizonta novirzās. no vidējās pozīcijas ne vairāk kā par ±23°. Arī paneļa efektīvais laukums, novirzoties no perpendikula par 23°, saglabājas diezgan liels - vismaz 92% no tā faktiskā laukuma. Tāpēc jūs varat koncentrēties uz Saules maksimālā pieauguma vidējo gada augstumu un, praktiski nezaudējot efektivitāti, aprobežoties ar rotāciju tikai vienā plaknē - ap Zemes polāro asi ar ātrumu 1 apgrieziens dienā. . Šādas rotācijas ass slīpuma leņķis attiecībā pret horizontāli ir vienāds ar vietas ģeogrāfisko platumu. Piemēram, Maskavai, kas atrodas 56° platuma grādos, šādas rotācijas asij attiecībā pret virsmu jābūt noliektai uz ziemeļiem par 56° (vai, kas ir tas pats, jāatkāpjas no vertikāles par 34°). Šādu rotāciju ir daudz vieglāk organizēt, tomēr lielam panelim ir nepieciešams daudz vietas, lai tā vienmērīgi grieztos. Turklāt ir nepieciešams vai nu organizēt bīdāmu savienojumu, kas ļauj noņemt visu enerģiju, ko tas saņem no pastāvīgi rotējošā paneļa, vai arī aprobežoties ar elastīgām komunikācijām ar fiksētu savienojumu, bet nodrošināt automātisku paneļa atgriešanos naktī - pretējā gadījumā nevar izvairīties no enerģiju atņemošo komunikāciju savērpšanas un pārrāvuma. Abi risinājumi ievērojami palielina sistēmas sarežģītību un samazina uzticamību. Palielinoties paneļu jaudai (un līdz ar to arī to izmēram un svaram), tehniskās problēmas kļūst eksponenciāli sarežģītākas.

Saistībā ar visu iepriekš minēto, gandrīz vienmēr atsevišķu saules instalāciju paneļi tiek montēti nekustīgi, kas nodrošina relatīvu lētumu un instalācijas augstāko uzticamību. Tomēr šeit īpaši svarīga kļūst paneļu izvietojuma leņķa izvēle. Apskatīsim šo problēmu, izmantojot Maskavas piemēru.

Apskatīsim insolācijas diagrammas dažādiem paneļu uzstādīšanas leņķiem. Protams, panelis, kas pagriežas pēc Saules, ir ārpus konkurences (oranža līnija). Tomēr pat garās vasaras dienās tā efektivitāte tikai par aptuveni 30% pārsniedz fiksēto horizontālo (zilo) un optimālā leņķī sasvērto (sarkano) paneļu efektivitāti. Bet šajās dienās siltuma un gaismas pietiek! Taču visvairāk enerģijas deficīta periodā no oktobra līdz februārim rotējoša paneļa priekšrocības salīdzinājumā ar fiksētu paneli ir minimālas un gandrīz nemanāmas. Tiesa, šobrīd slīpā paneļa uzņēmums ir nevis horizontāls, bet gan vertikāls panelis (zaļā līnija). Un tas nav pārsteidzoši – zemie ziemas saules stari slīd pa horizontālo paneli, bet tos labi uztver vertikālais panelis, kas tiem ir gandrīz perpendikulārs. Tāpēc februārī, novembrī un decembrī vertikālais panelis ir efektīvāks par pat slīpo un gandrīz neatšķiras no rotējošā. Martā un oktobrī dienas ir garākas, un rotējošais panelis jau sāk pārliecinoši (lai gan ne pārāk) pārspēt jebkuru fiksēto iespēju, taču slīpo un vertikālo paneļu efektivitāte ir gandrīz vienāda. Un tikai garo dienu periodā no aprīļa līdz augustam horizontālais panelis saņemtās enerģijas ziņā apsteidz vertikālo paneli un tuvojas slīpajam, un jūnijā pat nedaudz pārsniedz to. Vertikālā paneļa vasaras zudums ir likumsakarīgs - galu galā, teiksim, vasaras ekvinokcijas diena Maskavā ilgst vairāk nekā 17 stundas, un vertikālā paneļa priekšējā (darba) puslodē Saule var palikt ne vairāk kā 12 stundas, atlikušās 5 stundas (gandrīz trešdaļa no dienasgaismas stundām!) ir aiz muguras. Ja ņemam vērā, ka pie krišanas leņķiem, kas lielāki par 60°, no paneļa virsmas atstarotās gaismas īpatsvars sāk strauji pieaugt un tā efektīvā platība samazinās uz pusi vai vairāk, tad efektīvās uztveres laiks. saules starojums šādam panelim nepārsniedz 8 stundas – tas ir, mazāk par 50 % no kopējā diennakts garuma. Tieši ar to ir izskaidrojams fakts, ka vertikālo paneļu produktivitāte stabilizējas visā garo dienu periodā – no marta līdz septembrim. Un visbeidzot, janvāris nedaudz atšķiras - šajā mēnesī visu orientāciju paneļu veiktspēja ir gandrīz vienāda. Fakts ir tāds, ka šis mēnesis Maskavā ir ļoti mākoņains, un vairāk nekā 90% no visas saules enerģijas nāk no izkliedētā starojuma, un šādam starojumam paneļa orientācija nav īpaši svarīga (galvenais ir nenovirzīt to uz zeme). Tomēr dažas saulainas dienas, kas joprojām ir janvārī, samazina horizontālā paneļa ražošanu par 20%, salīdzinot ar pārējām.

Kādu slīpuma leņķi izvēlēties? Tas viss ir atkarīgs no tā, kad tieši jums ir nepieciešama saules enerģija. Ja vēlaties to izmantot tikai siltajā sezonā (teiksim, valstī), tad jāizvēlas tā sauktais “optimālais” slīpuma leņķis, kas ir perpendikulārs Saules vidējai pozīcijai laika posmā starp pavasara un rudens ekvinokcijas. . Tas ir aptuveni par 10° .. 15° mazāks nekā ģeogrāfiskais platums, un Maskavai tas ir 40° .. 45°. Ja jums ir nepieciešama enerģija visu gadu, tad jums vajadzētu "izspiest" maksimumu enerģijas deficīta ziemas mēnešos, kas nozīmē, ka jums ir jākoncentrējas uz vidējo Saules stāvokli starp rudens un pavasara ekvinokcijas un jānovieto paneļi tuvāk vertikāle - 5° .. 15° vairāk nekā ģeogrāfiskais platums (Maskavai tas būs 60° .. 70°). Ja arhitektūras vai dizaina apsvērumu dēļ nav iespējams saglabāt šādu leņķi un jums ir jāizvēlas starp 40° vai mazāku slīpuma leņķi vai vertikālu uzstādīšanu, jums vajadzētu dot priekšroku vertikālai pozīcijai. Tajā pašā laikā enerģijas "trūkums" garajās vasaras dienās nav tik kritisks - šajā periodā ir daudz dabiskā siltuma un gaismas, un enerģijas ražošanas nepieciešamība parasti nav tik liela kā ziemā un brīvā laikā. - sezona. Protams, paneļa slīpumam jābūt vērstam uz dienvidiem, lai gan novirze no šī virziena par 10° .. 15° uz austrumiem vai rietumiem mainās maz un tāpēc ir diezgan pieņemama.

Saules paneļu horizontālā izvietošana visā Krievijā ir neefektīva un pilnīgi nepamatota. Papildus pārāk lielajam enerģijas ražošanas samazinājumam rudens-ziemas periodā uz horizontālajiem paneļiem intensīvi uzkrājas putekļi, ziemā arī sniegs, un tos no turienes var noņemt tikai ar īpaši organizētas tīrīšanas palīdzību (parasti manuāli). Ja paneļa slīpums pārsniedz 60°, tad sniegs uz tā virsmas daudz nekavējas un parasti ātri drūp pats no sevis, un plānu putekļu kārtiņu lietus viegli nomazgā.

Tā kā saules iekārtu cenas pēdējā laikā krītas, viena saules paneļu lauka vietā, kas orientēts uz dienvidiem, var būt izdevīgi izmantot divus ar lielāku kopējo jaudu, kas orientēti uz blakus (dienvidaustrumiem un dienvidrietumiem) un pat pretī (austrumiem). un rietumi) kardinālie virzieni. Tas nodrošinās vienmērīgāku ražošanu saulainās dienās un palielinātu ražošanu mākoņainās dienās, savukārt pārējās iekārtas paliks paredzētas tādai pašai, salīdzinoši mazai jaudai, līdz ar to būs kompaktākas un lētākas.

Un pēdējā lieta. Stikls, kura virsma nav gluda, bet ar īpašu reljefu, spēj daudz efektīvāk uztvert sānu gaismu un nodot to saules paneļa darba elementiem. Visoptimālākais šķiet viļņains reljefs ar izvirzījumu un padziļinājumu orientāciju no ziemeļiem uz dienvidiem (vertikāliem paneļiem - no augšas uz leju) - sava veida lineāra lēca. Gofrētais stikls var palielināt fiksēta paneļa ražošanu par 5% vai vairāk.

Tradicionālie saules enerģijas iekārtu veidi

Ik pa laikam izskan ziņas par kādas citas saules elektrostacijas (SPP) vai atsāļošanas stacijas būvniecību. Termiskos saules kolektorus un fotoelektriskos saules paneļus izmanto visā pasaulē, no Āfrikas līdz Skandināvijai. Šīs saules enerģijas izmantošanas metodes ir izstrādātas gadu desmitiem, un tām ir veltītas daudzas vietnes internetā. Tāpēc šeit es tos aplūkošu ļoti vispārīgi. Taču internetā praktiski netiek apskatīts viens būtisks moments – tā ir konkrētu parametru izvēle, veidojot individuālu saules enerģijas apgādes sistēmu. Tikmēr šis jautājums nav tik vienkāršs, kā šķiet no pirmā acu uzmetiena. Ar saules enerģiju darbināmas sistēmas parametru izvēles piemērs ir sniegts atsevišķā lapā.

Saules paneļi

Vispārīgi runājot, ar “saules bateriju” var saprast jebkuru identisku moduļu kopumu, kas uztver saules starojumu un ir apvienoti vienā ierīcē, ieskaitot tīri termiskās, taču tradicionāli šis termins tiek piešķirts tieši fotoelektrisko pārveidotāju paneļiem. Tāpēc termins “saules baterija” gandrīz vienmēr attiecas uz fotoelektrisko ierīci, kas tieši pārvērš saules starojumu elektriskā strāvā. Šī tehnoloģija ir aktīvi attīstījusies kopš 20. gadsimta vidus. Milzīgs stimuls tās attīstībai bija kosmosa izpēte, kur saules baterijas šobrīd saražotās jaudas un darbības laika ziņā spēj konkurēt tikai ar maza izmēra kodolenerģijas avotiem. Šajā laikā saules bateriju konversijas efektivitāte palielinājās no viena vai diviem procentiem līdz 17% vai vairāk masveidā ražotos, salīdzinoši lētos modeļos un vairāk nekā 42% prototipos. Ir ievērojami palielinājies kalpošanas laiks un darbības uzticamība.

Saules paneļu priekšrocības

Saules paneļu galvenā priekšrocība ir to ārkārtējā dizaina vienkāršība un kustīgu daļu pilnīga neesamība. Rezultāts ir mazs īpatnējais svars un nepretenciozitāte apvienojumā ar augstu uzticamību, kā arī pēc iespējas vienkāršāka uzstādīšana un minimālas apkopes prasības ekspluatācijas laikā (parasti pietiek tikai notīrīt netīrumus no darba virsmas, tiem uzkrājoties). Pārstāvot maza biezuma plakanos elementus, tie ir diezgan veiksmīgi novietoti jumta slīpumā, kas vērsts pret sauli, vai pie mājas sienas, praktiski neprasot papildu vietu vai atsevišķu apjomīgu konstrukciju izbūvi. Vienīgais nosacījums ir, lai nekas tos neaizsedz pēc iespējas ilgāk.

Vēl viena svarīga priekšrocība ir tā, ka enerģija tiek ģenerēta uzreiz elektroenerģijas veidā – līdz šim universālākajā un ērtākajā formā.

Diemžēl nekas nav mūžīgs – fotoelektrisko pārveidotāju efektivitāte samazinās to kalpošanas laikā. Pusvadītāju vafeles, kas parasti veido saules paneļus, laika gaitā degradējas un zaudē savas īpašības, kā rezultātā jau tā ne pārāk augstā saules bateriju efektivitāte kļūst vēl zemāka. Ilgstoša augstas temperatūras iedarbība paātrina šo procesu. Sākumā es to atzīmēju kā fotoelektrisko bateriju trūkumu, jo īpaši tāpēc, ka “mirušos” fotoelementus nevar atjaunot. Taču maz ticams, ka jau pēc 10 nepārtrauktas darbības gadiem kāds mehāniskais elektriskais ģenerators spēs demonstrēt vismaz 1% efektivitāti – visticamāk, ja ne gultņu, tad suku mehāniskā nodiluma dēļ tas prasīs nopietnus remontdarbus daudz agrāk. - un mūsdienu fotokonverteri spēj saglabāt savu efektivitāti gadu desmitiem. Pēc optimistiskām aplēsēm, 25 gadu laikā saules baterijas efektivitāte samazinās tikai par 10%, kas nozīmē, ka, ja citi faktori neiejauksies, tad arī pēc 100 gadiem saglabāsies gandrīz 2/3 no sākotnējās efektivitātes. Taču masveida komerciālām fotoelementu elementiem uz poli- un monokristāliskā silīcija bāzes godīgi ražotāji un pārdevēji sniedz nedaudz atšķirīgus novecošanas rādītājus – pēc 20 gadiem jārēķinās ar efektivitātes zudumu līdz pat 20% (tad teorētiski pēc 40 gadiem efektivitāte būs 2/3 no oriģinālā, 60 gados samazināts uz pusi, un pēc 100 gadiem paliks nedaudz mazāk par 1/3 no sākotnējās produktivitātes). Kopumā mūsdienu fotokonvertoru normālais kalpošanas laiks ir vismaz 25...30 gadi, tāpēc degradācija nav tik kritiska, un daudz svarīgāk ir laicīgi no tiem noslaucīt putekļus...

Ja akumulatori ir uzstādīti tā, ka dabīgo putekļu praktiski nav vai tos ātri aizskalo dabiskās lietusgāzes, tad tie bez apkopes varēs darboties daudzus gadus. Iespēja darboties tik ilgu laiku bezapkopes režīmā ir vēl viena būtiska priekšrocība.

Visbeidzot, saules paneļi spēj ražot enerģiju no rītausmas līdz krēslai pat mākoņainā laikā, kad saules siltuma kolektori tikai nedaudz atšķiras no apkārtējās vides temperatūras. Protams, salīdzinot ar skaidru saulaino dienu, viņu produktivitāte krītas vairākas reizes, taču kaut kas ir labāks par neko! Šajā sakarā īpaši interesē bateriju izstrāde ar maksimālu enerģijas pārveidi tajos diapazonos, kur mākoņi vismazāk absorbē saules starojumu. Turklāt, izvēloties saules fotokonvertorus, ir jāpievērš uzmanība to radītā sprieguma atkarībai no apgaismojuma - tai jābūt pēc iespējas mazākai (apgaismojumam samazinoties, vispirms jākrīt strāvai, nevis spriegumam, jo ​​pretējā gadījumā Mākoņainās dienās jums būs jāizmanto dārgs papildu aprīkojums, kas piespiedu kārtā palielina spriegumu līdz minimumam, kas ir pietiekams, lai uzlādētu akumulatorus un darbinātu invertorus).

Saules paneļu trūkumi

Protams, saules paneļiem ir daudz trūkumu. Papildus atkarībā no laikapstākļiem un diennakts laika var atzīmēt sekojošo.

Zema efektivitāte. Tas pats saules kolektors ar pareizu formas un virsmas materiāla izvēli spēj absorbēt gandrīz visu saules starojumu, kas tam trāpa gandrīz visā frekvenču spektrā, kas nes ievērojamu enerģiju - no tālā infrasarkanā līdz ultravioletā diapazona. Saules baterijas enerģiju pārvērš selektīvi - atomu darba ierosmei ir nepieciešamas noteiktas fotonu enerģijas (starojuma frekvences), tāpēc dažās frekvenču joslās pārveidošana ir ļoti efektīva, savukārt citi frekvenču diapazoni tiem ir bezjēdzīgi. Turklāt to uztverto fotonu enerģija tiek izmantota kvantāli - tās “pārpalikums”, pārsniedzot nepieciešamo līmeni, aiziet uz fotokonvertora materiāla sildīšanu, kas šajā gadījumā ir kaitīgs. Tas lielā mērā izskaidro to zemo efektivitāti.
Starp citu, ja izvēlaties nepareizu aizsargpārklājuma materiālu, varat ievērojami samazināt akumulatora efektivitāti. Lietu pasliktina tas, ka parastais stikls diezgan labi absorbē augstas enerģijas ultravioleto diapazona daļu, un dažiem fotoelementu veidiem šis konkrētais diapazons ir ļoti aktuāls - infrasarkano fotonu enerģija tiem ir pārāk zema.

Jutība pret augstu temperatūru. Paaugstinoties temperatūrai, saules bateriju, tāpat kā gandrīz visu citu pusvadītāju ierīču, efektivitāte samazinās. Pie temperatūras virs 100...125°C tie var īslaicīgi zaudēt savu funkcionalitāti, un vēl lielāka uzkarsēšana apdraud to neatgriezeniskus bojājumus. Turklāt paaugstināta temperatūra paātrina fotoelementu degradāciju. Tāpēc ir nepieciešams veikt visus pasākumus, lai samazinātu apkuri, kas ir neizbēgama zem apdeguma tiešajiem saules stariem. Parasti ražotāji ierobežo fotoelementu nominālo darba temperatūras diapazonu līdz +70°..+90°C (tas nozīmē pašu elementu uzsilšanu, un apkārtējās vides temperatūrai, protams, jābūt daudz zemākai).
Situāciju vēl vairāk sarežģī tas, ka diezgan trauslu fotoelementu jutīgā virsma bieži tiek pārklāta ar aizsargstiklu vai caurspīdīgu plastmasu. Ja starp aizsargpārsegu un fotoelementa virsmu paliek gaisa sprauga, veidojas sava veida “siltumnīca”, kas pastiprina pārkaršanu. Tiesa, palielinot attālumu starp aizsargstiklu un fotoelementa virsmu un savienojot šo dobumu ar atmosfēru augšā un apakšā, iespējams organizēt konvekcijas gaisa plūsmu, kas dabiski atdzesē fotoelementus. Taču spožā saulē un augstā āra temperatūrā ar to var nepietikt, turklāt šī metode veicina fotoelementu darba virsmas paātrinātu putekļošanu. Tāpēc pat ne pārāk lielam saules akumulatoram var būt nepieciešama īpaša dzesēšanas sistēma. Taisnības labad jāsaka, ka šādas sistēmas parasti ir viegli automatizētas, un ventilatora vai sūkņa piedziņa patērē tikai nelielu daļu no saražotās enerģijas. Ja nav spēcīgas saules, nav daudz apkures un vispār nav nepieciešama dzesēšana, tāpēc dzesēšanas sistēmas vadīšanā ietaupīto enerģiju var izmantot citiem mērķiem. Jāpiebilst, ka mūsdienu rūpnīcā ražotajos paneļos aizsargpārklājums parasti cieši pieguļ fotoelementu virsmai un noņem siltumu ārpusē, bet paštaisītās konstrukcijās mehānisks kontakts ar aizsargstiklu var sabojāt fotoelementu.

Jutība pret apgaismojuma nevienmērību. Parasti, lai iegūtu spriegumu pie akumulatora izejas, kas ir vairāk vai mazāk ērts lietošanai (12, 24 vai vairāk volti), fotoelementi tiek savienoti virknē. Strāvu katrā šādā ķēdē un līdz ar to arī tās jaudu nosaka vājākais posms - fotoelements ar vissliktākajiem parametriem vai ar zemāko apgaismojumu. Tāpēc, ja vismaz viens ķēdes elements atrodas ēnā, tas ievērojami samazina visas ķēdes izlaidi - zaudējumi ir nesamērīgi ar ēnojumu (turklāt, ja nav aizsargdiožu, šāds elements sāks izkliedēt atlikušo elementu radītā jauda!). No nesamērīga jaudas samazinājuma var izvairīties, tikai pieslēdzot visus fotoelementus paralēli, bet tad akumulatora izejā pie pārāk zema sprieguma būs pārāk liela strāva - parasti atsevišķiem fotoelementiem tā ir tikai 0,5 .. 0,7 V atkarībā no to veida. un slodzes lielumu.

Jutība pret piesārņojumu. Pat tikko manāms netīrumu slānis uz saules bateriju vai aizsargstikla virsmas var absorbēt ievērojamu daļu saules gaismas un ievērojami samazināt enerģijas ražošanu. Putekļainā pilsētā tam būs nepieciešama bieža saules paneļu virsmas tīrīšana, īpaši horizontāli vai nelielā leņķī uzstādīto. Protams, viena un tā pati procedūra ir nepieciešama pēc katras snigšanas un pēc putekļu vētras... Tomēr tālu no pilsētām, industriālajām zonām, noslogotiem ceļiem un citiem spēcīgiem putekļu avotiem 45° vai vairāk leņķī lietus ir diezgan spējīgs nomazgājot dabiskos putekļus no paneļu virsmas, “automātiski” uzturot tos diezgan tīrā stāvoklī. Un sniegs šādā nogāzē, kas arī vērsts uz dienvidiem, parasti neuzturas ilgi pat ļoti salnās dienās. Tātad, tālu no atmosfēras piesārņojuma avotiem, saules paneļi var veiksmīgi darboties gadiem ilgi bez jebkādas apkopes, ja vien debesīs būtu saule!

Visbeidzot, pēdējais, bet vissvarīgākais šķērslis fotoelektrisko saules paneļu plašai ieviešanai ir to diezgan augstā cena. Saules bateriju elementu izmaksas šobrīd ir vismaz 1 $/W (1 kW - 1000 $), un tas attiecas uz zemas efektivitātes modifikācijām, neņemot vērā paneļu montāžas un uzstādīšanas izmaksas, kā arī neņemot vērā akumulatoru, uzlādes kontrolieru un invertoru (saražotās zemsprieguma līdzstrāvas pārveidotāju) cena.strāva atbilstoši sadzīves vai rūpnieciskam standartam). Vairumā gadījumu, lai iegūtu minimālu reālo izmaksu aprēķinu, šie skaitļi jāreizina ar 3-5 reizēm, veicot pašmontēšanu no atsevišķām saules baterijām, un ar 6-10 reizēm, pērkot gatavus iekārtu komplektus (plus uzstādīšanas izmaksas).

No visiem elektroapgādes sistēmas elementiem, kas izmanto fotoelementus, akumulatoriem ir visīsākais kalpošanas laiks, taču mūsdienu bezapkopes akumulatoru ražotāji apgalvo, ka tā sauktajā bufera režīmā tie darbosies aptuveni 10 gadus (vai arī izdosies). tradicionālie 1000 spēcīgas uzlādes un izlādes cikli - ja skaita vienu ciklu dienā, tad šajā režīmā tie kalpos 3 gadus). Es atzīmēju, ka akumulatoru izmaksas parasti ir tikai 10-20% no visas sistēmas kopējām izmaksām, un invertoru un uzlādes kontrolieru (abi ir sarežģīti elektroniski izstrādājumi, un tāpēc pastāv zināma to atteices iespējamība) izmaksas ir vienādas. mazāk. Tādējādi, ņemot vērā ilgo kalpošanas laiku un spēju ilgstoši strādāt bez jebkādas apkopes, fotokonverteri var atmaksāties vairāk nekā vienu reizi dzīves laikā, un ne tikai attālos rajonos, bet arī apdzīvotās vietās - ja elektrība tarifi turpinās augt līdzšinējā tempā!

Saules siltuma kolektori

Nosaukums “saules kolektori” tiek piešķirts ierīcēm, kas izmanto tiešu apkuri ar saules siltumu, gan atsevišķām, gan saliekamām (modulārām). Vienkāršākais termiskā saules kolektora piemērs ir melna ūdens tvertne uz iepriekš minētās lauku dušas jumta (starp citu, ūdens sildīšanas efektivitāti vasaras dušā var ievērojami palielināt, ap tvertni uzbūvējot mini siltumnīcu , vismaz no plastmasas plēves; vēlams, lai starp plēvi un tvertnes sienām augšpusē un sānos būtu 4-5 cm atstarpe).

Tomēr mūsdienu kolektoriem ir maz līdzības ar šādu tvertni. Parasti tās ir plakanas konstrukcijas, kas izgatavotas no plānām melninātām caurulēm, kas sakārtotas režģa vai čūskas rakstā. Caurules var montēt uz nomelnotas siltumvadošas substrāta loksnes, kas aiztur saules siltumu, kas iekļūst telpās starp tām – tas ļauj samazināt kopējo cauruļu garumu, nezaudējot efektivitāti. Lai samazinātu siltuma zudumus un palielinātu apkuri, kolektora augšpusi var pārklāt ar stikla vai caurspīdīgu šūnu polikarbonāta loksni, bet siltumizolācijas loksnes otrā pusē bezjēdzīgus siltuma zudumus novērš siltumizolācijas slānis - tiek iegūta sava veida “siltumnīca”. Caur cauruli pārvietojas uzsildīts ūdens vai cits dzesēšanas šķidrums, ko var savākt termiski izolētā uzglabāšanas tvertnē. Dzesēšanas šķidrums pārvietojas sūkņa iedarbībā vai gravitācijas dēļ dzesēšanas šķidruma blīvuma atšķirību dēļ pirms un pēc siltuma kolektora. Pēdējā gadījumā vairāk vai mazāk efektīvai cirkulācijai nepieciešama rūpīga nogāžu un cauruļu posmu izvēle un paša kolektora novietošana pēc iespējas zemāk. Bet parasti kolektors tiek novietots tajās pašās vietās, kur saules baterija - uz saulainas sienas vai saulainā jumta nogāzē, lai gan kaut kur ir jānovieto papildu uzglabāšanas tvertne. Ja nav šādas tvertnes, intensīvas siltuma atgūšanas laikā (teiksim, ja nepieciešams uzpildīt vannu vai ieiet dušā), kolektora jauda var nepietikt, un pēc neilga laika no krāna tecēs nedaudz uzsildīts ūdens.

Aizsargstikls, protams, nedaudz samazina kolektora efektivitāti, absorbējot un atstarojot vairākus procentus saules enerģijas, pat ja stari krīt perpendikulāri. Kad stari saskaras ar stiklu nelielā leņķī pret virsmu, atstarošanas koeficients var tuvoties 100%. Tāpēc, ja nav vēja un ir nepieciešama tikai neliela sildīšana attiecībā pret apkārtējo gaisu (par 5-10 grādiem, piemēram, dārza laistīšanai), “atvērtās” konstrukcijas var būt efektīvākas nekā “stiklotās”. Bet, tiklīdz ir nepieciešama vairāku desmitu grādu temperatūras starpība vai ja paceļas pat ne pārāk stiprs vējš, atvērto konstrukciju siltuma zudumi strauji palielinās, un aizsargstikls, neskatoties uz visiem tā trūkumiem, kļūst par nepieciešamību.

Svarīga piezīme - jāņem vērā, ka karstā saulainā dienā, ja tas netiek analizēts, ūdens var pārkarst virs viršanas temperatūras, tāpēc ir nepieciešams veikt atbilstošus piesardzības pasākumus kolektora konstrukcijā (nodrošināt drošību). vārsts). Atvērtos kolektoros bez aizsargstikla šāda pārkaršana parasti nerada bažas.

Pēdējā laikā plaši tiek izmantoti saules kolektori, kuru pamatā ir tā sauktās siltuma caurules (nejaukt ar “siltuma caurulēm”, ko izmanto siltuma noņemšanai datoru dzesēšanas sistēmās!). Atšķirībā no iepriekš apspriestā dizaina, šeit katra apsildāmā metāla caurule, caur kuru cirkulē dzesēšanas šķidrums, ir pielodēta stikla caurulē, un gaiss tiek izsūknēts no telpas starp tām. Izrādās, ka tas ir termosa analogs, kur vakuuma siltumizolācijas dēļ siltuma zudumi tiek samazināti 20 vai vairāk reizes. Rezultātā, pēc ražotāju domām, kad ārpus stikla ir -35°C sals, ūdens iekšējā metāla caurulē ar speciālu pārklājumu, kas absorbē pēc iespējas plašāku saules starojuma spektru, tiek uzkarsēts līdz +50.. +70°C (starpība vairāk nekā 100°C) .Efektīva absorbcija apvienojumā ar lielisku siltumizolāciju ļauj sildīt dzesēšanas šķidrumu pat mākoņainā laikā, lai gan sildīšanas jauda, ​​protams, ir vairākas reizes mazāka nekā spilgtā saulē. Galvenais šeit ir nodrošināt vakuuma saglabāšanu spraugā starp caurulēm, tas ir, stikla un metāla savienojuma vietas vakuuma hermētiskumu ļoti plašā temperatūras diapazonā, sasniedzot 150 ° C, visā kalpošanas laikā. daudzu gadu garumā. Šī iemesla dēļ šādu kolektoru ražošanā nav iespējams iztikt bez rūpīgas stikla un metāla termiskās izplešanās koeficientu saskaņošanas un augsto tehnoloģiju ražošanas procesu, kas nozīmē, ka amatniecības apstākļos diez vai būs iespējams veikt pilnvērtīga vakuuma siltuma caurule. Bet vienkāršākus kolektoru dizainus bez problēmām var izgatavot neatkarīgi, lai gan, protams, to efektivitāte ir nedaudz mazāka, it īpaši ziemā.

Papildus iepriekš aprakstītajiem šķidrajiem saules kolektoriem ir arī citi interesanti konstrukciju veidi: gaiss (dzesēšanas šķidrums ir gaiss, un tas nebaidās no sasalšanas), "saules dīķi" utt. Diemžēl lielākā daļa pētījumu un izstrādes ir saules kolektoru jomā. ir veltīts tieši šķidrajiem modeļiem, tāpēc alternatīvie veidi praktiski netiek ražoti masveidā un par tiem nav daudz informācijas.

Saules kolektoru priekšrocības

Saules kolektoru vissvarīgākā priekšrocība ir to diezgan efektīvo iespēju vienkāršība un salīdzinoši zemās ražošanas izmaksas, kas apvienotas ar nepretenciozitāti darbībā. Minimālais, kas nepieciešams, lai izgatavotu kolektoru ar savām rokām, ir daži metri tievas caurules (vēlams plānsienu varš - to var saliekt ar minimālu rādiusu) un nedaudz melnas krāsas, vismaz bitumena laku. Izliecam cauruli kā čūsku, nokrāsojam ar melnu krāsu, novietojam saulainā vietā, pievienojam ūdensvadam, un nu vienkāršākais saules kolektors gatavs! Tajā pašā laikā spolei var viegli piešķirt gandrīz jebkuru konfigurāciju un maksimāli izmantot visu kolektoram atvēlēto vietu. Visefektīvākais mājas apmelojums, kas ir arī ļoti izturīgs pret augstām temperatūrām un tiešiem saules stariem, ir plāns ogļu slānis. Taču sodrēji ir viegli izdzēšami un nomazgājami, tāpēc šādai melnēšanai noteikti būs nepieciešams aizsargstikls un īpaši pasākumi, lai nepieļautu iespējamā kondensāta iekļūšanu ar sodrēju klāto virsmu.

Vēl viena svarīga kolektoru priekšrocība ir tā, ka atšķirībā no saules paneļiem tie spēj uztvert un pārvērst siltumā līdz pat 90% saules starojuma, kas tos skar, un veiksmīgākajos gadījumos pat vairāk. Tāpēc ne tikai skaidrā, bet arī viegli mākoņainā laikā kolektoru efektivitāte pārsniedz fotoelektrisko bateriju efektivitāti. Visbeidzot, atšķirībā no fotoelementu baterijām, virsmas nevienmērīgs apgaismojums neizraisa nesamērīgu kolektora efektivitātes samazināšanos - svarīga ir tikai kopējā (integrētā) starojuma plūsma.

Saules kolektoru trūkumi

Taču saules kolektori ir jutīgāki pret laikapstākļiem nekā saules paneļi. Pat spožā saulē svaigs vējš var daudzkārt samazināt atvērta siltummaiņa apkures efektivitāti. Aizsargstikls, protams, krasi samazina siltuma zudumus no vēja, bet blīvu mākoņu gadījumā tas arī ir bezspēcīgs. Mākoņainā, vējainā laikā no kolektora praktiski nav nekāda labuma, bet saules baterija vismaz daļu enerģijas ražo.

Starp citiem saules kolektoru trūkumiem es vispirms izcelšu to sezonalitāti. Pietiek ar īsām pavasara vai rudens nakts salnām, lai sildītāja caurulēs izveidojies ledus radītu to plīšanas draudus. Protams, to var novērst, aukstajās naktīs sildot “siltumnīcu” ar spirāli ar trešās puses siltuma avotu, taču tādā gadījumā kopējā kolektora energoefektivitāte var viegli kļūt negatīva! Vēl viena iespēja - divkontūru kolektors ar antifrīzu ārējā kontūrā - neprasīs enerģijas patēriņu apkurei, taču būs daudz sarežģītāks nekā vienas ķēdes iespējas ar tiešu ūdens sildīšanu gan ražošanā, gan ekspluatācijas laikā. Principā gaisa konstrukcijas nevar sasalt, taču ir vēl viena problēma - gaisa zemā īpatnējā siltumietilpība.

Un tomēr, iespējams, galvenais saules kolektora trūkums ir tas, ka tas ir tieši sildīšanas ierīce, un, lai gan rūpnieciski ražoti paraugi, ja nav siltuma analīzes, var uzsildīt dzesēšanas šķidrumu līdz 190...200 ° C, parasti sasniegtajai temperatūrai. reti pārsniedz 60..80 °C. Tāpēc ir ļoti grūti izmantot iegūto siltumu, lai iegūtu ievērojamu daudzumu mehāniskā darba vai elektriskās enerģijas. Galu galā pat zemākās temperatūras tvaika-ūdens turbīnas (piemēram, V.A.Zisina reiz aprakstītās) darbībai ir nepieciešams pārkarsēt ūdeni vismaz līdz 110°C! Un enerģija tieši siltuma veidā, kā zināms, netiek uzkrāta ilgu laiku, un temperatūrā, kas zemāka par 100°C, to parasti var izmantot tikai karstā ūdens apgādei un mājas apkurei. Tomēr, ņemot vērā zemās izmaksas un ražošanas vienkāršību, tas var būt pietiekams iemesls, lai iegādātos savu saules kolektoru.

Taisnības labad jāatzīmē, ka siltumdzinēja “normālo” darbības ciklu var organizēt temperatūrā, kas zemāka par 100 ° C - vai nu tad, ja viršanas temperatūra tiek pazemināta, samazinot spiedienu iztvaikošanas daļā, izsūknējot no turienes tvaiku. , vai izmantojot šķidrumu, kura viršanas temperatūra atrodas starp saules kolektora temperatūras sildīšanu un apkārtējā gaisa temperatūru (optimāli - 50..60°C). Tiesa, atceros tikai vienu neeksotisku un salīdzinoši drošu šķidrumu, kas vairāk vai mazāk apmierina šos nosacījumus - etilspirtu, kas normālos apstākļos vārās 78°C. Acīmredzot šajā gadījumā būs jāorganizē slēgts cikls, risinot daudzas saistītas problēmas. Dažās situācijās daudzsološa var būt ārēji apsildāmu dzinēju (Stirlinga dzinēju) izmantošana. Interesanti šajā ziņā var būt arī sakausējumu izmantošana ar formas atmiņas efektu, kas šajā vietnē ir aprakstīti I. V. Naidžela rakstā – tiem nepieciešama tikai temperatūras starpība 25-30°C, lai tie darbotos.

Saules enerģijas koncentrācija

Saules kolektora efektivitātes paaugstināšana galvenokārt ietver vienmērīgu uzsildītā ūdens temperatūras paaugstināšanos virs viršanas temperatūras. Parasti to dara, koncentrējot saules enerģiju uz kolektoru, izmantojot spoguļus. Šis ir princips, kas ir pamatā lielākajai daļai saules elektrostaciju; atšķirības ir tikai spoguļu un kolektoru skaitā, konfigurācijā un izvietojumā, kā arī spoguļu vadības metodēs. Rezultātā fokusēšanas punktā ir pilnīgi iespējams sasniegt pat ne simtu, bet tūkstošu grādu temperatūru - pie šādas temperatūras jau var notikt tieša ūdens termiskā sadalīšanās ūdeņradī un skābeklī (iegūto ūdeņradi var sadedzināt naktīs un mākoņainās dienās)!

Diemžēl šādas instalācijas efektīva darbība nav iespējama bez sarežģītas spoguļu koncentrēšanas vadības sistēmas, kurai jāseko nepārtraukti mainīgajai Saules pozīcijai debesīs. Pretējā gadījumā dažu minūšu laikā fokusa punkts atstās kolektoru, kas šādās sistēmās bieži ir ļoti mazs, un darba šķidruma sildīšana apstāsies. Pat paraboloīdu spoguļu izmantošana tikai daļēji atrisina problēmu - ja tie periodiski netiks pagriezti pēc Saules, tad pēc dažām stundām tas vairs neiekritīs to bļodā vai tikai apgaismos tās malu - tas maz noderēs.

Vienkāršākais veids, kā koncentrēt saules enerģiju mājās, ir novietot spoguli horizontāli pie kolektora, lai lielāko dienas daļu saule skartu kolektoru. Interesants variants ir kā šādu spoguli izmantot pie mājas speciāli izveidota ūdenskrātuves virsmu, it īpaši, ja tas nav parasts rezervuārs, bet gan “saules dīķis” (lai gan tas nav viegli izdarāms, un atstarošanas efektivitāte būs būt daudz mazākam nekā parastam spogulim). Labu rezultātu var sasniegt, izveidojot vertikālo koncentrējošo spoguļu sistēmu (šis pasākums parasti ir daudz apgrūtinošāks, taču dažos gadījumos var būt pamatoti vienkārši uzstādīt lielu spoguli uz blakus sienas, ja tas veido iekšējo leņķi ar kolektoru - tas viss ir atkarīgs no ēkas un kolektora konfigurācijas un atrašanās vietas).

Saules starojuma novirzīšana, izmantojot spoguļus, var arī palielināt fotoelektriskās baterijas jaudu. Bet tajā pašā laikā tā sildīšana palielinās, un tas var sabojāt akumulatoru. Tāpēc šajā gadījumā jums ir jāierobežo sevi ar salīdzinoši nelielu ieguvumu (par dažiem desmitiem procentu, bet ne vairākas reizes), un jums rūpīgi jāuzrauga akumulatora temperatūra, īpaši karstās, skaidrās dienās! Tieši pārkaršanas draudu dēļ daži fotoelektrisko bateriju ražotāji tieši aizliedz savu izstrādājumu darbību palielinātā apgaismojumā, kas radīts ar papildu atstarotāju palīdzību.

Saules enerģijas pārvēršana mehāniskajā enerģijā

Tradicionālie saules enerģijas iekārtu veidi tieši nerada mehānisku darbu. Lai to izdarītu, pie fotokonverteru saules baterijas ir jāpievieno elektromotors, un, izmantojot termisko saules kolektoru, tvaika ieejā jāpavada pārkarsēts tvaiks (un pārkaršanai tas, visticamāk, nav iespējams bez spoguļu koncentrēšanas) turbīnai vai tvaika dzinēja cilindriem. Kolektori ar salīdzinoši mazu siltumu var pārvērst siltumu mehāniskā kustībā eksotiskākos veidos, piemēram, izmantojot formas atmiņas sakausējuma izpildmehānismus.

Tomēr ir arī iekārtas, kas ietver saules siltuma pārvēršanu mehāniskā darbā, kas ir tieši iekļauts to konstrukcijā. Turklāt to izmēri un jauda ir ļoti dažādi - šis ir projekts milzīgam simtiem metru augstam saules torņam un pieticīgam saules sūknim, kas piederētu vasarnīcai.

Mēs dzīvojam nākotnes pasaulē, lai gan tas nav manāms visos reģionos. Katrā ziņā progresīvās aprindās šodien tiek nopietni apspriesta iespēja attīstīt jaunus enerģijas avotus. Viena no perspektīvākajām jomām ir saules enerģija.

Šobrīd aptuveni 1% elektroenerģijas uz Zemes tiek iegūts, apstrādājot saules starojumu. Tātad, kāpēc mēs vēl neesam atteikušies no citām "kaitīgām" metodēm un vai mēs vispār atteiksimies? Mēs aicinām jūs izlasīt mūsu rakstu un mēģināt pats atbildēt uz šo jautājumu.

Kā saules enerģija tiek pārvērsta elektrībā

Sāksim ar pašu svarīgāko – kā saules stari tiek pārstrādāti elektrībā.

Pats process tiek saukts "Saules paaudze" . Visefektīvākie veidi, kā to nodrošināt, ir šādi:

• fotoelementi;
• saules siltumenerģija;
• saules balonu spēkstacijas.

Apskatīsim katru no tiem.

Fotoelementi

Šajā gadījumā elektriskā strāva parādās sakarā ar fotoelektriskais efekts. Princips ir šāds: saules gaisma ietriecas fotoelementā, elektroni absorbē fotonu (gaismas daļiņu) enerģiju un sāk kustēties. Rezultātā mēs iegūstam elektrisko spriegumu.

Tieši šāds process notiek saules paneļos, kuru pamatā ir elementi, kas pārvērš saules starojumu elektroenerģijā.

Pati fotoelektrisko paneļu dizains ir diezgan elastīgs un var būt dažāda izmēra. Tāpēc tie ir ļoti praktiski lietojami. Turklāt paneļiem ir augstas veiktspējas īpašības: tie ir izturīgi pret nokrišņiem un temperatūras izmaiņām.

Un lūk, kā tas darbojas atsevišķs saules paneļa modulis:

Jūs varat lasīt par saules paneļu izmantošanu kā lādētājus, barošanas avotus privātmājām, pilsētu labiekārtošanai un medicīniskiem nolūkiem.

Mūsdienīgi saules paneļi un spēkstacijas

Jaunākie piemēri ietver uzņēmuma saules paneļus SistineSolar. Atšķirībā no tradicionālajiem tumši zilajiem paneļiem tiem var būt jebkura nokrāsa un faktūra. Tas nozīmē, ka ar tiem var “izrotāt” mājas jumtu pēc saviem ieskatiem.

Vēl vienu risinājumu piedāvāja Tesla izstrādātāji. Viņi laida klajā ne tikai paneļus, bet arī pilnvērtīgu jumta materiālu, kas apstrādā saules enerģiju. satur iebūvētus saules moduļus, un tiem var būt arī ļoti dažādi dizaini. Tajā pašā laikā pats materiāls ir daudz izturīgāks par parastajiem jumta dakstiņiem, Solar Roof pat ir bezgalīga garantija.

Pilnvērtīgas saules elektrostacijas piemērs ir nesen Eiropā uzbūvēta stacija ar abpusējiem paneļiem. Pēdējie savāc gan tiešo saules starojumu, gan atstarojošo starojumu. Tas ļauj palielināt saules enerģijas ražošanas efektivitāti par 30%. Šai stacijai vajadzētu ražot aptuveni 400 MWh gadā.

Interesanti ir arī lielākā peldošā saules elektrostacija Ķīnā. Tā jauda ir 40 MW. Šādiem risinājumiem ir 3 svarīgas priekšrocības:

• nav nepieciešams aizņemt lielas zemes platības, kas ir svarīgas Ķīnai;
• rezervuāros samazinās ūdens iztvaikošana;
• Paši fotoelementi mazāk uzsilst un darbojas efektīvāk.

Starp citu, šī peldošā saules elektrostacija tika uzcelta pamestā ogļu ieguves uzņēmuma vietā.

Tehnoloģijas, kas balstītas uz fotoelektrisko efektu, šodien ir visperspektīvākās, un, pēc ekspertu domām, tuvāko 30-40 gadu laikā saules paneļi spēs saražot aptuveni 20% no pasaules elektroenerģijas pieprasījuma.

Saules siltumenerģija

Šeit pieeja ir nedaudz atšķirīga, jo... saules starojumu izmanto, lai sildītu trauku, kurā ir šķidrums. Pateicoties tam, tas pārvēršas tvaikā, kas rotē turbīnu, kā rezultātā rodas elektrība.

Termoelektrostacijas darbojas pēc tāda paša principa, tikai šķidrumu silda, sadedzinot ogles.

Acīmredzamākais šīs tehnoloģijas izmantošanas piemērs ir Saules stacija Ivanpa Mohaves tuksnesī. Tā ir pasaulē lielākā saules termoelektrostacija.

Tas darbojas kopš 2014. gada un elektroenerģijas ražošanai neizmanto nekādu degvielu – tikai videi draudzīgu saules enerģiju.

Ūdens boileris atrodas torņos, kurus var redzēt konstrukcijas centrā. Apkārt ir spoguļu lauks, kas virza saules starus uz torņa virsotni. Tajā pašā laikā dators pastāvīgi griež šos spoguļus atkarībā no saules atrašanās vietas.

Koncentrētas saules enerģijas ietekmē ūdens tornī uzsilst un pārvēršas tvaikā. Tas rada spiedienu, un tvaiks sāk griezt turbīnu, kā rezultātā izdalās elektrība. Šīs stacijas jauda ir 392 megavati, ko var viegli salīdzināt ar vidējo Maskavas termoelektrostaciju.

Interesanti, ka šādas stacijas var darboties arī naktī. Tas ir iespējams, daļu uzkarsētā tvaika ievietojot noliktavā un pakāpeniski izmantojot to turbīnas rotēšanai.

Saules balonu spēkstacijas

Šim oriģinālajam risinājumam, lai gan tas nav plaši izmantots, joprojām ir vieta.

Pati instalācija sastāv no 4 galvenajām daļām:

• Aerostats – atrodas debesīs, savāc saules starojumu. Ūdens iekļūst bumbiņā un ātri uzsilst, kļūstot par tvaiku.
• Tvaika cauruļvads - caur to tvaiks zem spiediena nolaižas uz turbīnu, liekot tai griezties.
• Turbīna - tvaika plūsmas ietekmē tā griežas, radot elektrisko enerģiju.
• Kondensators un sūknis - tvaiks, kas izgājis cauri turbīnai, tiek kondensēts ūdenī un ar sūkņa palīdzību paceļas balonā, kur tas atkal tiek uzkarsēts līdz tvaika stāvoklim.

Kādas ir saules enerģijas priekšrocības

• Saule turpinās mums dot savu enerģiju vēl vairākus miljardus gadu. Tajā pašā laikā cilvēkiem nav jātērē nauda un līdzekļi, lai to iegūtu.
• Saules enerģijas ražošana ir videi draudzīgs process, kas neapdraud dabu.
• Procesa autonomija. Saules gaismas ievākšana un elektroenerģijas ražošana notiek ar minimālu cilvēka iejaukšanos. Vienīgais, kas jums jādara, ir jāuztur darba virsmas vai spoguļi tīri.
• Izlietotos saules paneļus var pārstrādāt un atkārtoti izmantot ražošanā.

Saules enerģijas attīstības problēmas

Par spīti ideju īstenošanai saules elektrostaciju darbības uzturēšanai naktī, neviens nav pasargāts no dabas kaprīzēm. Mākoņainās debesis vairākas dienas būtiski samazina elektroenerģijas ražošanu, taču iedzīvotājiem un uzņēmumiem nepieciešama nepārtraukta piegāde.

Saules elektrostacijas celtniecība nav lēts prieks. Tas ir saistīts ar nepieciešamību to dizainā izmantot retus elementus. Ne visas valstis ir gatavas izšķērdēt budžetu mazāk jaudīgām elektrostacijām, ja ir strādājošas termoelektrostacijas un atomelektrostacijas.

Lai novietotu šādas iekārtas, ir nepieciešamas lielas platības un vietās, kur saules starojuma līmenis ir pietiekams.

Kā saules enerģija tiek attīstīta Krievijā?

Diemžēl mūsu valsts joprojām pilnā apjomā dedzina ogles, gāzi un naftu, un Krievija noteikti būs viena no pēdējām, kas pilnībā pāries uz alternatīvo enerģiju.

Līdz šim saules enerģijas ražošana veido tikai 0,03% no Krievijas Federācijas enerģijas bilances. Salīdzinājumam, Vācijā šis rādītājs ir vairāk nekā 20%. Privātie uzņēmēji nav ieinteresēti investēt saules enerģijā garā atmaksāšanās perioda un ne tik augstās rentabilitātes dēļ, jo gāze pie mums ir daudz lētāka.

Ekonomiski attīstītajos Maskavas un Ļeņingradas apgabalos saules aktivitāte ir zemā līmenī. Tur būvēt saules elektrostacijas vienkārši nav praktiski. Bet dienvidu reģioni ir diezgan daudzsološi.