Prosessen som genererer solenergi. Prinsippet for konvertering av solenergi, dets anvendelse og utsikter

Hver dag avtar mengden av verdensreserver av kull, olje, gass, det vil si alt som tjener oss som energikilde i dag. Og i nær fremtid vil menneskeheten komme til et punkt hvor det rett og slett ikke vil være fossilt brensel igjen. Derfor søker alle land aktivt frelse fra katastrofen som raskt nærmer seg oss. Og det første frelsesmidlet som kommer til tankene, er selvfølgelig solenergien, som har blitt brukt av mennesker i uminnelige tider til å tørke klær, belyse hjem og lage mat. Dette ga opphav til et av områdene for alternativ energi - solenergi.

Energikilden for solenergi er energien fra sollys, som omdannes til varme eller elektrisitet ved hjelp av spesielle strukturer. Ifølge eksperter mottar jordoverflaten på bare en uke en mengde energi fra solen som overstiger energien til verdens reserver av alle typer drivstoff. Og selv om tempoet i utviklingen av dette området av alternativ energi stadig øker, har solenergi fortsatt ikke bare fordeler, men også ulemper.

Hvis hovedfordelene inkluderer tilgjengelighet, og viktigst av alt energikildens uuttømmelighet, inkluderer ulempene:

• behovet for å samle energi mottatt fra solen,
• betydelige kostnader for utstyret som brukes,
• avhengig av værforhold og tid på dagen,
• økning i atmosfærisk temperatur over kraftverk, etc.

Numeriske egenskaper for solstråling

Det er en slik indikator som solkonstanten. Verdien er 1367 W. Dette er nøyaktig mengden energi per 1 kvm. planeten jorden. Men på grunn av atmosfæren når omtrent 20-25 % mindre energi jordoverflaten. Derfor er verdien av solenergi per kvadratmeter, for eksempel ved ekvator, 1020 W. Og med tanke på endringen av dag og natt, endringen i solvinkelen over horisonten, reduseres denne figuren med omtrent 3 ganger.

Men hvor kommer denne energien fra? Forskere begynte først å studere dette problemet tilbake på 1800-tallet, og versjonene var helt forskjellige. I dag, som et resultat av et stort antall studier, er det pålitelig kjent at kilden til solenergi er reaksjonen ved å konvertere 4 hydrogenatomer til en heliumkjerne. Som et resultat av denne prosessen frigjøres en betydelig mengde energi. For eksempel energien som frigjøres under transformasjonen av 1 g. hydrogen kan sammenlignes med energien som frigjøres ved forbrenning av 15 tonn bensin.

Solenergikonvertering

Vi vet allerede at energien mottatt fra solen må omdannes til en annen form. Behovet for dette oppstår på grunn av det faktum at menneskeheten ennå ikke har slike enheter som kan forbruke solenergi i sin rene form. Derfor ble det utviklet energikilder som solfangere og solcellepaneler. Hvis den første brukes til å generere termisk energi, produserer den andre elektrisitet direkte.

Det er flere måter å konvertere solenergi på:

• solcelleanlegg;
• termisk luft energi;
• termisk solenergi;
• ved bruk av solcelleballongkraftverk.

Den vanligste metoden er solceller. Prinsippet for denne konverteringen er bruk av solcellepaneler, eller solcellepaneler som de også kalles, der solenergi omdannes til elektrisk energi. Som regel er slike paneler laget av silisium, og tykkelsen på arbeidsflaten deres er bare noen få tideler av en millimeter. De kan plasseres hvor som helst, det er bare en betingelse - tilstedeværelsen av en stor mengde sollys. Et utmerket alternativ for å installere fotografiske plater på takene til boligbygg og offentlige bygninger.

I tillegg til de fotografiske platene som er diskutert ovenfor, brukes tynnfilmpaneler for å konvertere energien til solstråling. De utmerker seg ved deres enda mindre tykkelse, noe som gjør at de kan installeres hvor som helst, men en betydelig ulempe med slike paneler er deres lave effektivitet. Det er av denne grunn at installasjonen deres bare vil være berettiget for store områder. Bare for moro skyld kan tynnfilmpanelet til og med plasseres på en laptopveske eller på en veske.

I termisk luftenergi omdannes solenergi til energien til luftstrømmen, som deretter sendes til en turbogenerator. Men ved bruk av solcelleballongkraftverk genereres vanndamp inne i ballongen. Denne effekten oppnås ved å varme opp overflaten av ballongen, som et selektivt absorberende belegg påføres, med sollys. Hovedfordelen med denne metoden er tilstrekkelig tilførsel av damp, som er nok til å fortsette driften av kraftverket i dårlig vær og om natten.

Prinsippet for solenergi er å varme opp en overflate som absorberer solens stråler og fokuserer dem for påfølgende bruk av den resulterende varmen. Det enkleste eksemplet er oppvarmingsvann, som da kan brukes til husholdningsbehov, for eksempel til kloakk eller batterier, samtidig som man sparer gass eller annet drivstoff. I industriell skala blir solstrålingsenergi oppnådd ved denne metoden omdannet til elektrisk energi ved hjelp av varmemotorer. Byggingen av slike kombinerte kraftverk kan vare i over 20 år, men tempoet i utviklingen av solenergi minker ikke, men vokser tvert imot jevnt og trutt.

Hvor kan solenergi brukes?

Solenergi kan brukes på helt andre områder – fra kjemisk industri til bilindustri, fra matlaging til romoppvarming. For eksempel går bruken av solcellepaneler i bilindustrien tilbake til 1955. Dette året var preget av lanseringen av den første bilen som gikk på solcellebatterier. I dag produserer BMW, Toyota og andre store selskaper slike biler.

I hverdagen brukes solenergi til oppvarming av rom, til belysning og til og med til matlaging. For eksempel blir solovner laget av folie og papp, på initiativ fra FN, aktivt brukt av flyktninger som ble tvunget til å forlate hjemmene sine på grunn av den vanskelige politiske situasjonen. Mer komplekse solovner brukes til varmebehandling og smelting av metaller. En av de største slike ovnene ligger i Usbekistan.

De mest interessante oppfinnelsene om bruk av solenergi inkluderer:

• Et beskyttelsesdeksel for en telefon med fotocelle, som også er en lader.
• En ryggsekk med et solcellepanel festet til. Det vil tillate deg å lade ikke bare telefonen, men også nettbrettet og til og med kameraet ditt, generelt, all elektronikk som har en USB-inngang.
• Solar Bluetooth-hodetelefoner.

Og den mest kreative ideen er klær laget av spesielt stoff. En jakke, slips og til og med en badedrakt - alt dette kan ikke bare bli et element i garderoben din, men også en lader.

Utvikling av alternativ energi i CIS-landene

Alternativ energi, inkludert solenergi, utvikler seg i høy hastighet, ikke bare i USA, Europa eller India, men også i CIS-landene, inkludert Russland, Kasakhstan og spesielt Ukraina. For eksempel ble det største solkraftverket i det tidligere Sovjetunionen, Perovo, bygget på Krim. Byggingen ble fullført i 2011. Dette kraftverket ble det tredje innovative prosjektet til det østerrikske selskapet Activ Solar. Toppeffekten til Perovo er omtrent 100 MW.

Og i oktober samme år lanserte Activ Solar et annet solkraftverk, Okhotnikovo, også på Krim. Effekten var 80 MW. Okhotnikovo fikk også status som den største, men i Sentral- og Øst-Europa. Vi kan si at alternativ energi i Ukraina har tatt et stort skritt mot trygg og uuttømmelig energi.

I Kasakhstan ser situasjonen litt annerledes ut. I utgangspunktet skjer utviklingen av alternativ energi i dette landet kun i teorien. Republikken har et enormt potensial, men det er ennå ikke fullt ut realisert. Selvfølgelig behandler regjeringen dette problemet, og til og med en plan er utviklet for utvikling av alternativ energi i Kasakhstan, men andelen energi hentet fra fornybare kilder, spesielt fra solen, vil ikke være mer enn 1% i landets samlede energibalanse. Innen 2020 er det planer om å lansere bare 4 solkraftverk, den totale kapasiteten vil være 77 MW.

Alternativ energi i Russland utvikler seg også i et betydelig tempo. Men, som viseenergiministeren sa, er fokuset på dette området i hovedsak på regioner i Fjernøsten. For eksempel i Yakutia utgjorde den totale produksjonen av 4 solkraftverk som opererer i de mest avsidesliggende nordlige landsbyene mer enn 50 tusen kWh. Dette gjorde det mulig å spare mer enn 14 tonn dyrt diesel. Et annet eksempel på bruk av solenergi er det multifunksjonelle luftfartskomplekset under bygging i Lipetsk-regionen. Elektrisitet til driften vil bli generert av det første solkraftverket, også bygget i Lipetsk-regionen.

Alt dette lar oss trekke følgende konklusjon: i dag streber alle land, selv ikke de mest utviklede, for å komme så nært som mulig til det kjære målet: bruk av alternative energikilder. Tross alt vokser strømforbruket hver dag, og mengden skadelige utslipp til miljøet øker hver dag. Og mange forstår allerede at vår fremtid og fremtiden til planeten vår bare avhenger av oss.

R. Abdullina

Ukraina er avhengig av solenergi

Folk kan ikke lenger forestille seg et liv uten elektrisitet, og hvert år vokser behovet for energi mer og mer, mens reservene av energiressurser som olje, gass og kull avtar raskt. Menneskeheten har ingen andre alternativer enn å bruke alternative energikilder. En måte å generere strøm på er å konvertere solenergi ved hjelp av fotoceller. Folk lærte at det er mulig å bruke solenergi for relativt lenge siden, men begynte å aktivt utvikle det først i løpet av de siste 20 årene. De siste årene har det, takket være pågående forskning, bruk av nye materialer og kreative designløsninger, vært mulig å øke ytelsen til solcellepaneler betydelig. Mange tror at menneskeheten i fremtiden vil være i stand til å forlate tradisjonelle metoder for å generere elektrisitet til fordel for solenergi og skaffe den ved hjelp av solkraftverk.

Solenergi

Solenergi er en av kildene til å generere elektrisitet på en utradisjonell måte, derfor er den klassifisert som en alternativ energikilde. Solenergi bruker solstråling og konverterer den til elektrisitet eller andre former for energi. Solenergi er ikke bare en miljøvennlig energikilde, fordi... Ved konvertering av solenergi frigjøres ingen skadelige biprodukter, men solenergi er også en selvfornyende kilde til alternativ energi.

Hvordan solenergi fungerer

Teoretisk sett er det ikke vanskelig å beregne hvor mye energi som kan oppnås fra strømmen av solenergi; det har lenge vært kjent at etter å ha reist avstanden fra solen til jorden og falt på en overflate med et areal på 1 m² i en vinkel på 90° bærer solstrømmen ved inngangen til atmosfæren en energiladning lik 1367 W/m², dette er den såkalte solkonstanten. Dette er et ideelt alternativ under ideelle forhold, som, som vi vet, er praktisk talt umulig å oppnå. Således, etter å ha passert gjennom atmosfæren, vil den maksimale fluksen som kan oppnås være ved ekvator og vil være 1020 W/m², men den gjennomsnittlige daglige verdien som vi kan oppnå vil være 3 ganger mindre på grunn av endringen av dag og natt og endringen i innfallsvinkelen til solfluxen. Og i tempererte breddegrader, er endringen av dag og natt også ledsaget av en endring av årstider, og med det en endring i lengden på dagslystimer, så på tempererte breddegrader vil mengden energi som mottas, reduseres med ytterligere 2 ganger.

Utvikling og distribusjon av solenergi

Som vi alle vet, har utviklingen av solenergi tatt fart hvert år de siste årene, men la oss prøve å spore dynamikken i utviklingen. Tilbake i 1985 var den globale solkapasiteten bare 0,021 GW. I 2005 utgjorde de allerede 1.656 GW. Året 2005 regnes som et vendepunkt i utviklingen av solenergi; det var fra dette året folk begynte å interessere seg aktivt for forskning og utvikling av elektriske systemer drevet av solenergi. Ytterligere dynamikk etterlater ingen tvil (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Landene i EU og USA holder hånden i bruk av solenergi; mer enn 100 tusen mennesker hver er ansatt i produksjons- og operasjonssfæren i USA og Tyskland alene. Også Italia, Spania og, selvfølgelig, Kina kan skryte av sine prestasjoner innen utvikling av solenergi, som, om ikke en leder innen drift av solceller, er hvordan produsenten av solceller øker produksjonstakten fra år til år.

Fordeler og ulemper ved å bruke solenergi

Fordeler: 1) miljøvennlighet - forurenser ikke miljøet; 2) tilgjengelighet - fotoceller er tilgjengelig for salg, ikke bare for industriell bruk, men også for å lage private mini solkraftverk; 3) uuttømmelighet og selvfornybarhet av energikilden; 4) stadige synkende kostnader for elektrisitetsproduksjon.
Feil: 1) virkningen av værforhold og tid på dagen på produktiviteten; 2) for å spare energi, er det nødvendig å akkumulere energi; 3) lavere produktivitet på tempererte breddegrader på grunn av skiftende årstider; 4) betydelig oppvarming av luften over solkraftverket; 5) behovet for å periodisk rense overflaten av fotoceller fra forurensning, og dette er problematisk på grunn av de enorme områdene som er okkupert av installasjonen av fotoceller; 6) vi kan også snakke om de relativt høye kostnadene for utstyr, selv om kostnadene synker hvert år, så langt er det ikke nødvendig å snakke om billig solenergi.

Utsikter for utvikling av solenergi

I dag er det spådd en stor fremtid for utviklingen av solenergi; hvert år bygges det flere og flere nye solkraftverk, som forbløffer med sin skala og tekniske løsninger. Dessuten stopper ikke vitenskapelig forskning rettet mot å øke effektiviteten til fotoceller. Forskere har beregnet at hvis vi dekker landmassen til planeten Jorden med 0,07 %, med en effektivitet av fotoceller på 10 %, vil det være nok energi til mer enn 100 % å dekke alle menneskehetens behov. I dag brukes allerede fotoceller med en virkningsgrad på 30 %. I følge forskningsdata er det kjent at forskernes ambisjoner lover å bringe den til 85%.

Solkraftverk

Solkraftverk er strukturer som har som oppgave å omdanne solenergistrømmer til elektrisk energi. Størrelsene på solkraftverk kan variere, alt fra private minikraftverk med flere solcellepaneler til enorme, som okkuperer områder på over 10 km².

Hvilke typer solkraftverk finnes det?

Det har gått mye tid siden byggingen av de første solenergianleggene, hvor mange prosjekter har blitt implementert og mange interessante designløsninger har blitt brukt. Det er vanlig å dele alle solenergianlegg i flere typer:
1. Solkraftverk av tårntype.
2. Solkraftverk, hvor solcellepaneler er solcelleceller.
3. Dish solenergianlegg.
4. Parabolske solkraftverk.
5. Solenergianlegg av typen sol-vakuum.
6. Solkraftverk av blandet type.

Solkraftverk av tårntype

En veldig vanlig type kraftverksdesign. Det er en høy tårnstruktur på toppen med et reservoar av vann malt svart for bedre å tiltrekke seg reflektert sollys. Rundt tårnet er det store speil med et areal på over 2 m² plassert i en sirkel, de er alle koblet til et enkelt kontrollsystem som overvåker endringen i vinkelen på speilene slik at de alltid reflekterer sollys og retter det rett til vanntanken som er plassert på toppen av tårnet. Dermed varmer det reflekterte sollyset opp vannet, som danner damp, og så tilføres denne dampen til turbogeneratoren ved hjelp av pumper, hvor det genereres strøm. Oppvarmingstemperaturen til tanken kan nå 700 °C. Høyden på tårnet avhenger av størrelsen og kraften til solkraftverket og starter som regel fra 15 m, og høyden på det største er i dag 140 m. Denne typen solkraftverk er svært vanlig og foretrekkes av mange land for sin høye effektivitet på 20 %.

Solkraftverk av fotocelletype

Fotoceller (solbatterier) brukes til å konvertere solflux til elektrisitet. Denne typen kraftverk har blitt svært populært på grunn av muligheten for å bruke solcellepaneler i små blokker, som gjør det mulig å bruke solcellepaneler for å gi strøm til både private hjem og store industrianlegg. Dessuten øker effektiviteten hvert år og i dag finnes det allerede fotoceller med en virkningsgrad på 30 %.

Parabolske solkraftverk

Denne typen solkraftverk ser ut som enorme parabolantenner, der innsiden er dekket med speilplater. Prinsippet som energiomforming skjer etter, ligner på tårnstasjoner med en liten forskjell: speilenes parabolske form bestemmer at solstrålene, reflektert fra hele overflaten av speilet, er konsentrert i sentrum, hvor mottakeren er plassert med en væske som varmes opp og danner damp, som igjen Køen er drivkraften for små generatorer.

Plate solkraftverk

Driftsprinsippet og metoden for å generere elektrisitet er identisk med tårn- og parabolske solkraftverk. Den eneste forskjellen er designfunksjonene. En stasjonær struktur, litt som et gigantisk metalltre, holder runde flate speil som konsentrerer solens energi på en mottaker.

Solenergianlegg av sol-vakuum type

Dette er en veldig uvanlig måte å bruke solenergi og temperaturforskjeller på. Kraftverksstrukturen består av en glasstak, sirkulær tomt med tårn i sentrum. Tårnet er hult innvendig; ved bunnen er det flere turbiner som roterer takket være luftstrømmen som oppstår fra temperaturforskjellen. Gjennom glasstaket varmer solen opp bakken og luften inne i rommet, og bygget kommuniserer med utemiljøet gjennom et rør, og siden lufttemperaturen utenfor rommet er mye lavere, skapes det lufttrekk som øker med økende temperatur. forskjell. Dermed genererer turbinene mer strøm om natten enn om dagen.

Blandede solkraftverk

Dette er når solenergianlegg av en bestemt type bruker for eksempel solfangere som hjelpeelementer for å gi objekter varmt vann og varme, eller det er mulig å bruke deler av fotoceller samtidig ved et kraftverk av tårntype.

Solenergi utvikler seg i høyt tempo, folk tenker endelig seriøst på alternative energikilder for å forhindre den uunngåelig nærmer seg energikrisen og miljøkatastrofen. Selv om lederne innen solenergi fortsatt er USA og EU, begynner alle andre verdensmakter gradvis å ta i bruk og bruke erfaringen og teknologiene for produksjon og bruk av solkraftverk. Det er ingen tvil om at solenergi før eller siden vil bli den viktigste energikilden på jorden.

Solen er en uuttømmelig, miljøvennlig og billig energikilde. Som eksperter sier, overstiger mengden solenergi som når jordens overflate i løpet av uken energien til alle verdens reserver av olje, gass, kull og uran 1 . I følge akademiker Zh.I. Alferova, "menneskeheten har en pålitelig naturlig termonukleær reaktor - solen. Det er en stjerne i "F-2"-klassen, veldig gjennomsnittlig, hvorav det er opptil 150 milliarder i galaksen. Men dette er stjernen vår, og den sender enorme krefter til Jorden, hvis transformasjon gjør det mulig å tilfredsstille nesten alle menneskehetens energibehov i mange hundre år.» Dessuten er solenergi "ren" og har ingen negativ innvirkning på økologien til planeten 2.

Et viktig poeng er det faktum at råmaterialet for fremstilling av solceller er et av de vanligste elementene - silisium. I jordskorpen er silisium det andre grunnstoffet etter oksygen (29,5 masse%) 3 . I følge mange forskere er silisium "det tjueførste århundres olje": over 30 år produserer ett kilo silisium i et solcelleanlegg like mye elektrisitet som 75 tonn olje i et termisk kraftverk.

Noen eksperter mener imidlertid at solenergi ikke kan kalles miljøvennlig på grunn av at produksjonen av rent silisium til fotobatterier er veldig "skitten" og veldig energikrevende produksjon. Sammen med dette krever bygging av solkraftverk tildeling av store landområder, som i areal kan sammenlignes med reservoarene til vannkraftverk. En annen ulempe med solenergi, ifølge eksperter, er høy volatilitet. Å sikre effektiv drift av energisystemet, hvis elementer er solenergianlegg, er mulig forutsatt at:
- tilstedeværelsen av betydelig reservekapasitet ved bruk av tradisjonelle energikilder, som kan kobles til om natten eller på overskyede dager;
- gjennomføre storskala og kostbar modernisering av elektriske nettverk 4.

Til tross for denne ulempen fortsetter solenergi å utvikle seg over hele verden. Først av alt, på grunn av det faktum at strålingsenergi vil bli billigere og i løpet av få år vil bli en betydelig konkurrent til olje og gass.

For tiden i verden er det solcelleanlegg, konvertering av solenergi til elektrisk energi basert på den direkte konverteringsmetoden, og termodynamiske installasjoner, der solenergi først omdannes til varme, deretter omdannes til mekanisk energi i den termodynamiske syklusen til en varmemotor, og omdannes til elektrisk energi i en generator.

Solceller som energikilde kan brukes:
- i industrien (flyindustri, bilindustri, etc.),
- i landbruket,
- i den hjemlige sfæren,
- i byggebransjen (for eksempel økohus),
- ved solkraftverk,
- i autonome videoovervåkingssystemer,
- i autonome belysningssystemer,
- i romfartsindustrien.

I følge Institute of Energy Strategy er det teoretiske potensialet til solenergi i Russland mer enn 2300 milliarder tonn standard drivstoff, det økonomiske potensialet er 12,5 millioner tonn ekvivalent drivstoff. Potensialet for solenergi som kommer inn på Russlands territorium innen tre dager overstiger energien til hele den årlige elektrisitetsproduksjonen i landet vårt.
På grunn av Russlands beliggenhet (mellom 41 og 82 grader nordlig bredde), varierer nivået av solstråling betydelig: fra 810 kWh/m2 per år i fjerntliggende nordlige områder til 1400 kWh/m2 per år i de sørlige regionene. Nivået av solstråling påvirkes også av store sesongsvingninger: ved en bredde på 55 grader er solinnstrålingen i januar 1,69 kWh/m2, og i juli - 11,41 kWh/m2 per dag.

Solenergipotensialet er størst i sørvest (Nord-Kaukasus, Svartehavet og det kaspiske hav) og i Sør-Sibir og Fjernøsten.

De mest lovende regionene når det gjelder bruk av solenergi: Kalmykia, Stavropol-territoriet, Rostov-regionen, Krasnodar-territoriet, Volgograd-regionen, Astrakhan-regionen og andre regioner i sørvest, Altai, Primorye, Chita-regionen, Buryatia og andre regioner i sørøst. . Dessuten overskrider noen områder i Vest- og Øst-Sibir og Fjernøsten nivået av solstråling i de sørlige regionene. For eksempel, i Irkutsk (52 grader nordlig bredde) når nivået av solstråling 1340 kWh/m2, mens i republikken Yakutia-Sakha (62 grader nordlig bredde) er dette tallet 1290 kWh/m2. 5

For tiden har Russland avanserte teknologier for å konvertere solenergi til elektrisk energi. Det er en rekke bedrifter og organisasjoner som har utviklet og forbedrer teknologiene til fotoelektriske omformere: både på silisium- og multijunction-strukturer. Det er en rekke utviklinger innen bruk av konsentreringssystemer for solkraftverk.

Lovverket for å støtte utviklingen av solenergi i Russland er i sin spede begynnelse. De første skrittene er imidlertid allerede tatt:
- 3. juli 2008: Regjeringsdekret nr. 426 "Om kvalifisering av et produksjonsanlegg som opererer på grunnlag av bruk av fornybare energikilder";
- 8. januar 2009: Ordre fra regjeringen i den russiske føderasjonen nr. 1-r "Om hovedretningene for statlig politikk på området for forbedring av energieffektiviteten til den elektriske kraftindustrien basert på bruk av fornybare energikilder for perioden til 2020"

Det ble vedtatt mål om å øke andelen fornybare energikilder i det samlede nivået av den russiske energibalansen til henholdsvis 2,5 % og 4,5 % innen 2015 og 2020 6 .

I følge ulike estimater er det totale volumet av installert solenergiproduksjonskapasitet for øyeblikket i Russland ikke mer enn 5 MW, hvorav det meste faller på husholdninger. Det største industrianlegget innen russisk solenergi er et solkraftverk i Belgorod-regionen med en kapasitet på 100 kW, satt i drift i 2010 (til sammenligning ligger det største solkraftverket i verden i Canada med en kapasitet på 80 000 kW) .

For tiden gjennomføres to prosjekter i Russland: bygging av solparker i Stavropol-territoriet (kapasitet - 12 MW), og i Republikken Dagestan (10 MW) 7 . Til tross for manglende støtte til fornybar energi, gjennomfører en rekke selskaper småskala solenergiprosjekter. For eksempel installerte Sakhaenergo en liten stasjon i Yakutia med en kapasitet på 10 kW.

Det er små installasjoner i Moskva: i Leontyevsky Lane og på Michurinsky Prospekt er inngangene og gårdsplassene til flere hus opplyst ved hjelp av solcellemoduler, noe som har redusert belysningskostnadene med 25%. På Timiryazevskaya Street er det installert solcellepaneler på taket av en av bussholdeplassene, som sikrer driften av et referanse- og informasjonstransportsystem og Wi-Fi.

Utviklingen av solenergi i Russland skyldes en rekke faktorer:

1) klimatiske forhold: denne faktoren påvirker ikke bare året hvor nettparitet oppnås, men også valget av som er best egnet for en bestemt region;

2)statlig støtte: tilstedeværelsen av lovlig etablerte økonomiske insentiver for solenergi er avgjørende for
dens utvikling. Blant typene statlig støtte som brukes med hell i en rekke land i Europa og USA, kan vi fremheve: fortrinnspriser for solkraftverk, subsidier for bygging av solkraftverk, ulike alternativer for skattelettelser, kompensasjon for deler av kostnadene ved å betjene lån for kjøp av solcelleanlegg;

3)kostnad for PVEU (solcelleinstallasjoner): I dag er solkraftverk en av de dyreste kraftproduksjonsteknologiene som er i bruk. Men ettersom kostnaden for 1 kWh generert elektrisitet synker, blir solenergi konkurransedyktig. Etterspørselen etter solkraftverk avhenger av reduksjonen i kostnadene for 1W installert kraft til solkraftverk (~$3000 i 2010). Kostnadsreduksjon oppnås ved å øke effektiviteten, redusere teknologiske kostnader og redusere produksjonslønnsomheten (påvirkning av konkurranse). Potensialet for å redusere kostnadene på 1 kW kraft avhenger av teknologien og varierer fra 5 % til 15 % per år;

4) miljøstandarder: Solenergimarkedet kan bli positivt påvirket av skjerpede miljøstandarder (restriksjoner og bøter) på grunn av en eventuell revisjon av Kyoto-protokollen. Forbedring av mekanismene for salg av utslippskvoter kan gi et nytt økonomisk insentiv for PVEM-markedet;

5) balanse mellom tilbud og etterspørsel etter elektrisitet: implementering av eksisterende ambisiøse planer for bygging og ombygging av produksjons- og kraftnett
kapasiteten til selskaper skilt ut fra RAO UES i Russland under industrireformen vil øke tilgangen på elektrisitet betydelig og kan øke presset på prisene
på grossistmarkedet. Men utrangering av gammel kapasitet og samtidig økning i etterspørselen vil medføre prisøkning;

6)tilstedeværelse av problemer med teknologisk forbindelse: forsinkelser i gjennomføringen av søknader om teknologisk tilkobling til det sentraliserte strømforsyningssystemet er et insentiv for overgangen til alternative energikilder, inkludert PVEU. Slike forsinkelser bestemmes av både en objektiv mangel på kapasitet og ineffektiviteten av å organisere teknologisk tilkobling av nettselskaper eller mangel på finansiering for teknologisk tilkobling fra tariffen;

7) initiativ fra lokale myndigheter: Regionale og kommunale myndigheter kan implementere sine egne programmer for å utvikle solenergi eller, mer generelt, fornybare/ikke-tradisjonelle energikilder. I dag blir slike programmer allerede implementert i Krasnoyarsk- og Krasnodar-territoriene, republikken Buryatia, etc.;

8) utvikling av egen produksjon: Russisk produksjon av solkraftverk kan ha en positiv innvirkning på utviklingen av russisk solenergiforbruk. For det første, takket være vår egen produksjon, øker befolkningens generelle bevissthet om tilgjengeligheten av solteknologier og deres popularitet. For det andre reduseres kostnadene for SFEU for sluttforbrukere ved å redusere mellomleddene i distribusjonskjeden og ved å redusere transportkomponenten 8 .

Solenergi

Parametere for solstråling

Først av alt er det nødvendig å vurdere de potensielle energikapasitetene til solstråling. Her er dens totale spesifikke kraft på jordoverflaten og fordelingen av denne kraften over ulike strålingsområder av størst betydning.

Solstrålingskraft

Strålingskraften til solen, som ligger i senit, på jordoverflaten, er estimert til omtrent 1350 W/m2. En enkel beregning viser at for å oppnå en effekt på 10 kW er det nødvendig å samle solstråling fra et område på bare 7,5 m2. Men dette er på en klar ettermiddag i en tropisk sone høyt til fjells, hvor atmosfæren er sjeldne og krystallklar. Så snart solen begynner å lene seg mot horisonten, øker banen til dens stråler gjennom atmosfæren, og følgelig øker tapene langs denne banen. Tilstedeværelsen av støv eller vanndamp i atmosfæren, selv i mengder som er umerkelige uten spesielle instrumenter, reduserer strømmen av energi ytterligere. Men selv i midtsonen på en sommerettermiddag, for hver kvadratmeter orientert vinkelrett på solens stråler, er det en strøm av solenergi med en effekt på omtrent 1 kW.

Selv lette skydekke reduserer selvfølgelig energien som når overflaten dramatisk, spesielt i det infrarøde (termiske) området. Imidlertid trenger fortsatt noe energi gjennom skyene. I den midtre sonen, med tunge skyer ved middagstid, er kraften til solstråling som når jordoverflaten estimert til omtrent 100 W/m2, og kun i sjeldne tilfeller, med spesielt tette skyer, kan den falle under denne verdien. Åpenbart, under slike forhold, for å oppnå 10 kW er det nødvendig å fullstendig, uten tap og refleksjon, samle solstråling ikke fra 7,5 m2 av jordens overflate, men fra hele hundre kvadratmeter (100 m2).

Tabellen viser korte gjennomsnittlige data om solstrålingsenergi for noen russiske byer, tatt i betraktning klimatiske forhold (hyppighet og intensitet av overskyet) per enhet horisontal overflate. Detaljer om disse dataene, tilleggsdata for andre panelorienteringer enn horisontale, samt data for andre regioner i Russland og landene i det tidligere Sovjetunionen er gitt på en egen side.

Et fast panel, plassert i en optimal helningsvinkel, er i stand til å absorbere 1,2 .. 1,4 ganger mer energi sammenlignet med et horisontalt, og hvis det roterer etter solen, vil økningen være 1,4 .. 1,8 ganger. Dette kan sees, fordelt på måned, for faste paneler orientert sør ved forskjellige helningsvinkler, og for systemer som sporer solens bevegelse. Funksjoner ved plassering av solcellepaneler diskuteres mer detaljert nedenfor.

Direkte og diffus solstråling

Det er diffus og direkte solstråling. For å effektivt oppfatte direkte solstråling, må panelet være orientert vinkelrett på strømmen av sollys. For oppfatningen av spredt stråling er orienteringen ikke så kritisk, siden den kommer ganske jevnt fra nesten hele himmelen - det er slik jordoverflaten er opplyst på overskyede dager (av denne grunn, i overskyet vær, har ikke objekter en tydelig definert skygge, og vertikale flater, som søyler og veggene i husene, kaster praktisk talt ikke en synlig skygge).

Forholdet mellom direkte og diffus stråling avhenger sterkt av værforholdene i ulike årstider. For eksempel er vinteren i Moskva overskyet, og i januar overstiger andelen spredt stråling 90% av den totale strålingen. Men selv i Moskva-sommeren utgjør spredt stråling nesten halvparten av all solenergi som når jordens overflate. Samtidig, i solfylte Baku både om vinteren og sommeren, varierer andelen spredt stråling fra 19 til 23 % av total innstråling, og henholdsvis omtrent 4/5 av solstrålingen er direkte. Forholdet mellom diffus og total isolasjon for enkelte byer er gitt nærmere på egen side.

Energifordeling i solspekteret

Solspekteret er praktisk talt kontinuerlig over et ekstremt bredt frekvensområde - fra lavfrekvente radiobølger til ultrahøyfrekvente røntgenstråler og gammastråling. Selvfølgelig er det vanskelig å fange så forskjellige typer stråling like effektivt (kanskje dette bare kan oppnås teoretisk ved hjelp av en "ideell svart kropp"). Men dette er ikke nødvendig - for det første sender solen ut i forskjellige frekvensområder med forskjellige styrker, og for det andre når ikke alt som solen sender ut jordoverflaten - visse deler av spekteret absorberes i stor grad av forskjellige komponenter i atmosfæren - hovedsakelig ozonlag, vanndamp og karbondioksid.

Derfor er det nok for oss å bestemme de frekvensområdene der den største fluksen av solenergi observeres på jordens overflate, og bruke dem. Tradisjonelt er sol- og kosmisk stråling ikke atskilt etter frekvens, men etter bølgelengde (dette skyldes at eksponentene er for store for frekvensene til denne strålingen, noe som er svært upraktisk - synlig lys i Hertz tilsvarer 14. orden). La oss se på avhengigheten av energifordelingen av bølgelengden for solstråling.

Det synlige lysområdet anses å være bølgelengdeområdet fra 380 nm (dyp fiolett) til 760 nm (dyp rødt). Alt som har kortere bølgelengde har høyere fotonenergi og er delt inn i ultrafiolett-, røntgen- og gammastrålingsområder. Til tross for den høye energien til fotoner, er det ikke så mange fotoner selv i disse områdene, så det totale energibidraget til denne delen av spekteret er veldig lite. Alt som har lengre bølgelengde har lavere fotonenergi sammenlignet med synlig lys og er delt inn i det infrarøde området (termisk stråling) og ulike deler av radioområdet. Grafen viser at i det infrarøde området sender solen ut nesten samme mengde energi som i det synlige (nivåene er mindre, men området er bredere), men i radiofrekvensområdet er strålingsenergien svært liten.

Fra et energisynspunkt er det altså nok for oss å begrense oss til de synlige og infrarøde frekvensområdene, samt nær ultrafiolett (et sted opp til 300 nm, kortere bølgelengde hard ultrafiolett absorberes nesten fullstendig i den s.k. ozonlaget, som sikrer syntesen av nettopp dette ozonet fra atmosfærisk oksygen). Og brorparten av solenergien som når jordens overflate er konsentrert i bølgelengdeområdet fra 300 til 1800 nm.

Begrensninger ved bruk av solenergi

De viktigste begrensningene knyttet til bruken av solenergi er forårsaket av dens inkonsekvens - solcelleinstallasjoner fungerer ikke om natten og er ineffektive i overskyet vær. Dette er åpenbart for nesten alle.

Det er imidlertid en omstendighet til som er spesielt relevant for våre ganske nordlige breddegrader – årstidsforskjeller i daglengde. Hvis varigheten av dag og natt for de tropiske og ekvatoriale sonene avhenger litt av årstiden, er den korteste dagen nesten 2,5 ganger kortere enn den lengste allerede på Moskvas breddegrad! Jeg snakker ikke engang om de sirkumpolare områdene ... Som et resultat, på en klar sommerdag, kan en solcelleinstallasjon i nærheten av Moskva produsere ikke mindre energi enn ved ekvator (solen er lavere, men dagen er lengre). Men om vinteren, når behovet for energi er spesielt høyt, vil produksjonen tvert imot reduseres flere ganger. Faktisk, i tillegg til de korte dagslysetimene, må strålene fra den lave vintersolen, selv ved middagstid, passere gjennom et mye tykkere lag av atmosfæren og derfor miste betydelig mer energi på denne banen enn om sommeren, når solen står høyt og strålene passerer gjennom atmosfæren nesten vertikalt (uttrykket "kald vintersol" har den mest direkte fysiske betydningen). Dette betyr imidlertid ikke at solcelleinstallasjoner i midtsonen og til og med i mye mer nordlige områder er helt ubrukelige - selv om de er til liten nytte om vinteren, i perioden med lange dager, minst seks måneder mellom vår- og høstjevndøgn. , de er ganske effektive .

Spesielt interessant er bruken av solcelleinstallasjoner for å drive de stadig mer utbredte, men veldig "frysende" klimaanleggene. Tross alt, jo sterkere solen skinner, jo varmere blir det og jo mer klimaanlegg trengs. Men under slike forhold er solcelleinstallasjoner også i stand til å generere mer energi, og denne energien vil bli brukt av klimaanlegget "her og nå"; den trenger ikke å samles og lagres! I tillegg er det slett ikke nødvendig å omdanne energi til elektrisk form – absorpsjonsvarmemotorer bruker varme direkte, noe som betyr at man i stedet for solcellebatterier kan bruke solfangere, som er mest effektive i klart, varmt vær. Riktignok tror jeg at klimaanlegg bare er uunnværlige i varme, vannløse regioner og i fuktige tropiske klima, så vel som i moderne byer, uavhengig av beliggenhet. Et kompetent designet og bygget landsted, ikke bare i midtsonen, men også i det meste av Sør-Russland, trenger ikke en så energisulten, klumpete, støyende og lunefull enhet.

Dessverre, i urbane områder, er individuell bruk av mer eller mindre kraftige solcelleinstallasjoner med noen merkbare praktiske fordeler kun mulig i sjeldne tilfeller av spesielt heldige omstendigheter. Jeg anser imidlertid ikke en byleilighet som en fullverdig bolig, siden dens normale funksjon avhenger av for mange faktorer som ikke er tilgjengelig for direkte kontroll av beboerne av rent tekniske årsaker, og derfor ved svikt i minst et av livsstøttesystemene i mer eller mindre lang tid I ​​en moderne bygård vil forholdene der ikke være akseptable for å bo (snarere bør en leilighet i et høyhus betraktes som et slags hotellrom, som beboerne kjøpt for ubestemt bruk eller leid av kommunen). Men utenfor byen kan spesiell oppmerksomhet til solenergi være mer enn rettferdiggjort selv på en liten tomt på 6 dekar.

Funksjoner ved plassering av solcellepaneler

Å velge den optimale orienteringen av solcellepaneler er en av de viktigste spørsmålene i praktisk bruk av solcelleinstallasjoner av enhver type. Dessverre diskuteres dette aspektet svært lite på ulike nettsteder dedikert til solenergi, selv om å neglisjere det kan redusere effektiviteten til paneler til uakseptable nivåer.

Faktum er at innfallsvinkelen til strålene på overflaten i stor grad påvirker refleksjonskoeffisienten, og derfor andelen umottakelig solenergi. For eksempel, for glass, når innfallsvinkelen avviker fra vinkelrett på overflaten med opptil 30°, endres refleksjonskoeffisienten praktisk talt ikke og er litt mindre enn 5%, dvs. mer enn 95 % av den innfallende strålingen passerer innover. Videre blir økningen i refleksjon merkbar, og med 60° dobles andelen av reflektert stråling - nesten til 10%. Ved en innfallsvinkel på 70° reflekteres omtrent 20 % av strålingen, og ved 80° - 40 %. For de fleste andre stoffer er avhengigheten av refleksjonsgraden av innfallsvinkelen omtrent den samme.

Enda viktigere er det såkalte effektive panelområdet, dvs. tverrsnittet av strålingsfluksen den dekker. Det er lik det reelle området til panelet multiplisert med sinusen til vinkelen mellom dets plan og strømningsretningen (eller, som er den samme, med cosinus til vinkelen mellom vinkelrett på panelet og retningen av flyt). Derfor, hvis panelet er vinkelrett på strømmen, er dets effektive areal lik dets reelle areal, hvis strømmen har avviket fra vinkelrett med 60°, er det halve det reelle arealet, og hvis strømmen er parallell med panelet, dens effektive areal er null. Dermed øker et betydelig avvik i strømmen fra vinkelrett på panelet ikke bare refleksjonen, men reduserer dets effektive areal, noe som forårsaker et veldig merkbart fall i produksjonen.

Åpenbart, for våre formål, er det mest effektive en konstant orientering av panelet vinkelrett på strømmen av solstråler. Men dette vil kreve å endre posisjonen til panelet i to plan, siden solens posisjon på himmelen ikke bare avhenger av tiden på dagen, men også av årstiden. Selv om et slikt system absolutt er teknisk mulig, er det veldig komplekst, og derfor dyrt og lite pålitelig.

La oss imidlertid huske at ved innfallsvinkler opp til 30° er refleksjonskoeffisienten ved luft-glass-grensesnittet minimal og praktisk talt uendret, og i løpet av et år avviker vinkelen for maksimal stigning av solen over horisonten fra gjennomsnittsposisjonen med ikke mer enn ±23°. Det effektive området til panelet når det avviker fra vinkelrett med 23° forblir også ganske stort - minst 92% av det faktiske området. Derfor kan du fokusere på den gjennomsnittlige årlige høyden av solens maksimale stigning og, praktisk talt uten tap av effektivitet, begrense deg til rotasjon i bare ett plan - rundt jordens polare akse med en hastighet på 1 omdreining per dag . Hellingsvinkelen til aksen for slik rotasjon i forhold til horisontalet er lik stedets geografiske breddegrad. For eksempel, for Moskva, som ligger på en breddegrad på 56°, bør aksen for slik rotasjon vippes nordover med 56° i forhold til overflaten (eller, som er det samme, avvike fra vertikalen med 34°). Slik rotasjon er mye lettere å organisere, men et stort panel krever mye plass for å rotere jevnt. I tillegg er det nødvendig enten å organisere en skyveforbindelse som lar deg fjerne all energien den mottar fra det konstant roterende panelet, eller å begrense deg til fleksibel kommunikasjon med en fast tilkobling, men sørge for automatisk retur av panelet tilbake om natten - ellers kan ikke vridning og brudd på den energifjernende kommunikasjonen unngås. Begge løsningene øker kompleksiteten dramatisk og reduserer systemets pålitelighet. Ettersom kraften til panelene (og dermed deres størrelse og vekt) øker, blir de tekniske problemene eksponentielt mer komplekse.

I forbindelse med alt det ovennevnte er nesten alltid panelene til individuelle solcelleinstallasjoner montert ubevegelig, noe som sikrer relativ billighet og den høyeste påliteligheten til installasjonen. Men her blir valg av panelplasseringsvinkel spesielt viktig. La oss vurdere dette problemet ved å bruke eksemplet med Moskva.

La oss se på isolasjonsdiagrammene for ulike panelmonteringsvinkler. Selvfølgelig er panelet som snur etter solen ute av konkurranse (oransje linje). Men selv på lange sommerdager overstiger effektiviteten effektiviteten til faste horisontale (blå) og vippede paneler med optimal vinkel (røde) med bare ca. 30 %. Men i disse dager er det nok varme og lys! Men i den mest energifattige perioden fra oktober til februar er fordelen med et roterende panel fremfor et fast panel minimal og nesten umerkelig. Riktignok er selskapet til det skrånende panelet på dette tidspunktet ikke et horisontalt, men et vertikalt panel (grønn linje). Og dette er ikke overraskende - vintersolens lave stråler glir over det horisontale panelet, men blir godt oppfattet av det vertikale panelet, som er nesten vinkelrett på dem. Derfor, i februar, november og desember, er det vertikale panelet mer effektivt enn selv det skrånende panelet og er nesten ikke forskjellig fra det roterende. I mars og oktober er dagene lengre, og det roterende panelet begynner allerede å trygt (men ikke veldig mye) overgå alle faste alternativer, men effektiviteten til de skrå og vertikale panelene er nesten den samme. Og bare i perioden med lange dager fra april til august, er det horisontale panelet foran det vertikale panelet når det gjelder energi mottatt og nærmer seg det skråstilte, og i juni overskrider det til og med litt. Sommertapet av det vertikale panelet er naturlig - for eksempel varer dagen for sommerjevndøgn i Moskva i mer enn 17 timer, og i den fremre (fungerende) halvkulen av det vertikale panelet kan solen ikke forbli i mer enn 12 timer, de resterende 5-pluss timene (nesten en tredjedel av dagslyset!) ligger bak henne. Hvis vi tar i betraktning at ved innfallsvinkler på mer enn 60°, begynner andelen lys som reflekteres fra overflaten av panelet å vokse raskt, og dets effektive areal reduseres med halvparten eller mer, vil tidspunktet for effektiv oppfatning av solinnstråling for et slikt panel overstiger ikke 8 timer - det vil si mindre enn 50 % av døgnets totale lengde. Det er nettopp dette som forklarer det faktum at produktiviteten til vertikale paneler stabiliserer seg gjennom hele perioden med lange dager - fra mars til september. Og til slutt skiller januar seg noe fra hverandre - i denne måneden er ytelsen til paneler i alle retninger nesten den samme. Faktum er at denne måneden i Moskva er veldig overskyet, og mer enn 90% av all solenergi kommer fra spredt stråling, og for slik stråling er orienteringen til panelet ikke veldig viktig (hovedsaken er ikke å lede det til bakke). Noen få solskinnsdager, som fortsatt forekommer i januar, reduserer imidlertid produksjonen av et horisontalt panel med 20 % sammenlignet med resten.

Hvilken helningsvinkel bør du velge? Alt avhenger av når akkurat du trenger solenergi. Hvis du bare vil bruke den i den varme årstiden (si, på landet), bør du velge den såkalte "optimale" vippevinkelen, vinkelrett på solens gjennomsnittlige posisjon i perioden mellom vår- og høstjevndøgn. . Den er omtrent 10° .. 15° mindre enn den geografiske breddegraden og for Moskva er den 40° .. 45°. Hvis du trenger energi året rundt, bør du "presse ut" maksimalt i de energifattige vintermånedene, noe som betyr at du må fokusere på solens gjennomsnittlige posisjon mellom høst- og vårjevndøgn og plassere panelene nærmere vertikalen - 5° .. 15° mer enn den geografiske breddegraden (for Moskva vil det være 60° .. 70°). Hvis det av arkitektoniske eller designmessige årsaker er umulig å opprettholde en slik vinkel og du må velge mellom en helningsvinkel på 40° eller mindre eller en vertikal installasjon, bør du foretrekke den vertikale posisjonen. Samtidig er "mangelen" på energi under lange sommerdager ikke så kritisk - i denne perioden er det rikelig med naturlig varme og lys, og behovet for energiproduksjon er vanligvis ikke så stort som om vinteren og i off. -årstid. Naturligvis bør panelets tilt være orientert mot sør, selv om et avvik fra denne retningen med 10° .. 15° mot øst eller vest endres lite og er derfor ganske akseptabelt.

Horisontal plassering av solcellepaneler i hele Russland er ineffektiv og helt uberettiget. I tillegg til en for stor nedgang i energiproduksjonen i høst-vinterperioden, samler det seg intensivt støv på horisontale paneler, og også snø om vinteren, og de kan bare fjernes derfra ved hjelp av spesialorganisert rengjøring (vanligvis manuelt). Hvis hellingen på panelet overstiger 60°, henger ikke snøen på overflaten mye og smuldrer vanligvis raskt av seg selv, og et tynt lag med støv vaskes lett av med regn.

Siden prisene på solcelleutstyr har falt den siste tiden, kan det være fordelaktig, i stedet for et enkelt felt med solcellepaneler orientert mot sør, å bruke to med høyere total effekt, orientert mot tilstøtende (sørøst og sørvest) og til og med motsatt (øst). og vest) kardinalretninger. Dette vil sikre jevnere produksjon på solfylte dager og økt produksjon på overskyete dager, mens resten av utstyret forblir designet for samme, relativt lave effekt, og derfor blir mer kompakt og billigere.

Og en siste ting. Glass, hvis overflate ikke er glatt, men har en spesiell lettelse, er i stand til å oppfatte sidelys mye mer effektivt og overføre det til arbeidselementene til solcellepanelet. Det mest optimale ser ut til å være et bølget relieff med orientering av fremspring og fordypninger fra nord til sør (for vertikale paneler - fra topp til bunn) - en slags lineær linse. Korrugert glass kan øke produksjonen av et fast panel med 5 % eller mer.

Tradisjonelle typer solenergiinstallasjoner

Fra tid til annen kommer det rapporter om bygging av et annet solkraftverk (SPP) eller avsaltingsanlegg. Termiske solfangere og solcellepaneler brukes over hele verden, fra Afrika til Skandinavia. Disse metodene for å bruke solenergi har utviklet seg i flere tiår; mange nettsteder på Internett er viet til dem. Derfor vil jeg her vurdere dem i svært generelle termer. Imidlertid er et viktig punkt praktisk talt ikke dekket på Internett - dette er valget av spesifikke parametere når du oppretter et individuelt solenergisystem. I mellomtiden er ikke dette spørsmålet så enkelt som det ser ut ved første øyekast. Et eksempel på valg av parametere for et solcelledrevet anlegg er gitt på egen side.

Solcellepaneler

Generelt sett kan et "solbatteri" forstås som ethvert sett med identiske moduler som oppfatter solstråling og er kombinert til en enkelt enhet, inkludert rent termiske, men tradisjonelt har dette begrepet blitt spesifikt tildelt fotoelektriske omformerpaneler. Derfor refererer begrepet "solbatteri" nesten alltid til en fotovoltaisk enhet som direkte konverterer solstråling til elektrisk strøm. Denne teknologien har vært aktivt i utvikling siden midten av det 20. århundre. Et stort insentiv for utviklingen var utforskningen av verdensrommet, hvor solcellebatterier foreløpig bare kan konkurrere med små kjernekraftkilder når det gjelder kraft produsert og driftstid. I løpet av denne tiden økte konverteringseffektiviteten til solbatterier fra én eller to prosent til 17 % eller mer i masseproduserte, relativt billige modeller og over 42 % i prototyper. Levetiden og driftssikkerheten har økt betydelig.

Fordeler med solcellepaneler

Den største fordelen med solcellepaneler er deres ekstreme designenkelhet og det fullstendige fraværet av bevegelige deler. Resultatet er lav egenvekt og upretensiøsitet kombinert med høy pålitelighet, samt enklest mulig installasjon og minimale vedlikeholdskrav under drift (vanligvis er det nok å bare fjerne smuss fra arbeidsflaten når det samler seg). De representerer flate elementer med liten tykkelse, og er ganske vellykket plassert på en takhelling som vender mot solen eller på veggen til et hus, praktisk talt uten å kreve ekstra plass eller konstruksjon av separate klumpete strukturer. Den eneste betingelsen er at ingenting skal skjule dem så lenge som mulig.

En annen viktig fordel er at energien genereres umiddelbart i form av elektrisitet - i den mest universelle og praktiske formen til dags dato.

Dessverre er det ingenting som varer evig - effektiviteten til solcelleomformere avtar over levetiden. Halvlederskiver, som vanligvis utgjør solcellepaneler, brytes ned over tid og mister egenskapene, som et resultat av at den allerede ikke veldig høye effektiviteten til solceller blir enda lavere. Langvarig eksponering for høye temperaturer akselererer denne prosessen. Først bemerket jeg dette som en ulempe med solcellebatterier, spesielt siden "døde" solcelleceller ikke kan gjenopprettes. Det er imidlertid lite sannsynlig at noen mekanisk elektrisk generator vil kunne demonstrere minst 1 % effektivitet etter bare 10 års kontinuerlig drift - mest sannsynlig vil det kreve alvorlige reparasjoner mye tidligere på grunn av mekanisk slitasje, om ikke av lagre, så av børster - og moderne fotokonverterere er i stand til å opprettholde effektiviteten i flere tiår. I følge optimistiske estimater reduseres effektiviteten til et solcellebatteri over 25 år med bare 10 %, noe som betyr at hvis andre faktorer ikke griper inn, vil nesten 2/3 av den opprinnelige virkningsgraden forbli, selv etter 100 år. Men for massekommersielle solcelleceller basert på poly- og monokrystallinsk silisium, gir ærlige produsenter og selgere litt forskjellige aldringstall - etter 20 år bør man forvente et tap på opptil 20 % av effektiviteten (så vil effektiviteten teoretisk etter 40 år være 2/3 av den opprinnelige, halvert på 60 år, og etter 100 år vil litt mindre enn 1/3 av den opprinnelige produktiviteten gjenstå). Generelt er den normale levetiden for moderne fotokonverterere minst 25...30 år, så nedbrytning er ikke så kritisk, og det er mye viktigere å tørke av støv fra dem i tide...

Hvis batteriene er installert på en slik måte at naturlig støv er praktisk talt fraværende eller raskt vaskes bort av naturlig regn, vil de kunne fungere uten vedlikehold i mange år. Muligheten til å operere i så lang tid i vedlikeholdsfri modus er en annen stor fordel.

Endelig er solcellepaneler i stand til å produsere energi fra daggry til skumring, selv i overskyet vær når de termiske solfangerne bare er litt forskjellige fra omgivelsestemperaturen. Selvfølgelig, sammenlignet med en klar solskinnsdag, synker produktiviteten mange ganger, men noe er bedre enn ingenting i det hele tatt! I denne forbindelse er utviklingen av batterier med maksimal energikonvertering i de områdene der skyer absorberer solstråling minst av spesiell interesse. I tillegg, når du velger solcellefotokonverterere, bør du være oppmerksom på avhengigheten av spenningen de produserer på belysning - den bør være så liten som mulig (når belysningen avtar, bør strømmen, ikke spenningen, først falle, fordi ellers, oppnå i det minste noen nyttige effekter i På overskyede dager må du bruke dyrt tilleggsutstyr som med makt øker spenningen til et minimum som er tilstrekkelig til å lade batteriene og drive omformerne).

Ulemper med solcellepaneler

Solcellepaneler har selvfølgelig mange ulemper. I tillegg til avhengig av vær og tid på dagen, kan følgende bemerkes.

Lav effektivitet. Den samme solfangeren, med riktig valg av form og overflatemateriale, er i stand til å absorbere nesten all solstrålingen som treffer den i nesten hele spekteret av frekvenser som bærer merkbar energi – fra det fjerne infrarøde til det ultrafiolette området. Solcellebatterier konverterer energi selektivt - for aktiv eksitasjon av atomer kreves visse fotonenergier (strålingsfrekvenser), derfor i noen frekvensbånd er konverteringen veldig effektiv, mens andre frekvensområder er ubrukelige for dem. I tillegg brukes energien til fotonene som fanges av dem kvantemessig - dets "overskudd", som overskrider det nødvendige nivået, går til oppvarming av fotokonverteringsmaterialet, noe som er skadelig i dette tilfellet. Dette er i stor grad det som forklarer deres lave effektivitet.
Forresten, hvis du velger feil beskyttende beleggmateriale, kan du redusere batterieffektiviteten betydelig. Saken forverres av det faktum at vanlig glass absorberer den høyenergi-ultrafiolette delen av området ganske godt, og for noen typer fotoceller er akkurat dette området svært relevant - energien til infrarøde fotoner er for lav for dem.

Følsomhet for høy temperatur. Når temperaturen stiger, reduseres effektiviteten til solceller, som nesten alle andre halvlederenheter. Ved temperaturer over 100..125°C kan de midlertidig miste funksjonaliteten, og enda større oppvarming truer deres irreversible skader. I tillegg akselererer høye temperaturer nedbrytningen av fotoceller. Derfor er det nødvendig å ta alle tiltak for å redusere oppvarmingen som er uunngåelig under de brennende direkte solstrålene. Vanligvis begrenser produsenter det nominelle driftstemperaturområdet til fotoceller til +70°..+90°C (dette betyr oppvarming av selve elementene, og omgivelsestemperaturen bør naturligvis være mye lavere).
Ytterligere kompliserer situasjonen er at den følsomme overflaten til ganske skjøre fotoceller ofte er dekket med beskyttende glass eller gjennomsiktig plast. Hvis det forblir et luftgap mellom det beskyttende dekselet og overflaten av fotocellen, dannes det et slags "drivhus", som forverrer overoppheting. Riktignok er det mulig å organisere en konveksjonsluftstrøm som naturlig avkjøler fotocellene ved å øke avstanden mellom det beskyttende glasset og overflaten av fotocellen og koble dette hulrommet med atmosfæren over og under. Men i sterkt solskinn og ved høye utetemperaturer er dette kanskje ikke nok, dessuten bidrar denne metoden til akselerert støvtørking av fotocellenes arbeidsflate. Derfor kan selv et ikke veldig stort solcellebatteri kreve et spesielt kjølesystem. I rettferdighet må det sies at slike systemer vanligvis er lett automatiserte, og viften eller pumpedriften bruker bare en liten brøkdel av den genererte energien. I fravær av sterk sol er det ikke mye oppvarming og ingen kjøling er nødvendig i det hele tatt, så energien som spares ved å drive kjølesystemet kan brukes til andre formål. Det skal bemerkes at i moderne fabrikkproduserte paneler, passer det beskyttende belegget vanligvis tett til overflaten av fotocellene og fjerner varme utenfor, men i hjemmelagde design kan mekanisk kontakt med beskyttelsesglasset skade fotocellen.

Følsomhet for ujevn belysning. Som regel, for å oppnå en spenning ved batteriutgangen som er mer eller mindre praktisk å bruke (12, 24 eller flere volt), kobles fotoceller i seriekretser. Strømmen i hver slik kjede, og derfor dens kraft, bestemmes av det svakeste leddet - en fotocelle med de dårligste egenskapene eller med den laveste belysningen. Derfor, hvis minst ett element i kjeden er i skyggen, reduserer det produksjonen av hele kjeden betydelig - tapene er uforholdsmessige med skyggeleggingen (i fravær av beskyttelsesdioder vil et slikt element dessuten begynne å spre seg kraft generert av de gjenværende elementene!). En uforholdsmessig reduksjon i effekt kan unngås bare ved å koble alle fotocellene parallelt, men da vil batteriutgangen ha for mye strøm ved for lav spenning - vanligvis for individuelle fotoceller er det bare 0,5 .. 0,7 V, avhengig av type. og lastestørrelse.

Følsomhet for forurensning. Selv et knapt merkbart lag med smuss på overflaten av solceller eller beskyttelsesglass kan absorbere en betydelig del av sollys og redusere energiproduksjonen betydelig. I en støvete by vil dette kreve hyppig rengjøring av overflaten på solcellepaneler, spesielt de som er installert horisontalt eller i en liten vinkel. Selvfølgelig er samme prosedyre nødvendig etter hvert snøfall og etter en støvstorm... Men langt fra byer, industrisoner, trafikkerte veier og andre sterke støvkilder i en vinkel på 45° eller mer, er regn ganske i stand til å vaske bort naturlig støv fra overflaten av panelene, "automatisk" holde dem i en ganske ren tilstand. Og snøen i en slik skråning, som også vender mot sør, blir vanligvis ikke liggende lenge selv på veldig frostige dager. Så, langt fra kilder til atmosfærisk forurensning, kan solcellepaneler fungere vellykket i årevis uten vedlikehold i det hele tatt, hvis det bare var sol på himmelen!

Til slutt, den siste, men viktigste hindringen for den utbredte bruken av solcellepaneler er deres ganske høye pris. Kostnaden for solcellebatterielementer er for tiden minst 1 $/W (1 kW - $1000), og dette er for laveffektive modifikasjoner uten å ta hensyn til kostnadene ved montering og installasjon av paneler, samt uten å ta hensyn til pris på batterier, ladekontrollere og omformere (omformere av generert lavspent likestrøm). strøm til husholdnings- eller industristandard). I de fleste tilfeller, for et minimumsestimat av reelle kostnader, bør disse tallene multipliseres med 3-5 ganger ved selvmontering fra individuelle solceller og med 6-10 ganger ved kjøp av ferdige utstyrssett (pluss installasjonskostnader).

Av alle elementene i et strømforsyningssystem som bruker fotovoltaiske batterier, har batterier den korteste levetiden, men produsenter av moderne vedlikeholdsfrie batterier hevder at de i den såkalte buffermodusen vil fungere i omtrent 10 år (eller de vil trene de tradisjonelle 1000 syklusene med sterk lading og utlading - hvis du teller en syklus per dag, vil de i denne modusen vare i 3 år). Jeg bemerker at kostnaden for batterier vanligvis bare er 10-20% av den totale kostnaden for hele systemet, og kostnadene for omformere og ladekontrollere (begge er komplekse elektroniske produkter, og derfor er det en viss sannsynlighet for feil) er jevn. mindre. Tatt i betraktning den lange levetiden og evnen til å arbeide lenge uten vedlikehold, kan fotokonverterere godt betale for seg selv mer enn en gang i løpet av livet, og ikke bare i avsidesliggende områder, men også i befolkede områder - hvis elektrisitet tariffer vil fortsette å vokse i nåværende tempo!

Termiske solfangere

Navnet "solfangere" er tildelt enheter som bruker direkte oppvarming med solvarme, både enkeltstående og stablebare (modulære). Det enkleste eksemplet på en termisk solfanger er en svart vanntank på taket av den ovennevnte landsdusjen (forresten, effektiviteten til oppvarming av vann i en sommerdusj kan økes betydelig ved å bygge et minidrivhus rundt tanken , i det minste fra en plastfilm; det er ønskelig at mellom filmen og tankens vegger på toppen og sidene var det et gap på 4-5 cm).

Imidlertid har moderne samlere lite likhet med en slik tank. De er vanligvis flate strukturer laget av tynne svertede rør arrangert i et gitter- eller slangemønster. Rørene kan monteres på en svertet varmeledende underlagsplate, som fanger solvarme inn i mellomrommene mellom dem - dette gjør at den totale lengden på rørene kan reduseres uten tap av effektivitet. For å redusere varmetapet og øke oppvarmingen, kan toppen av kollektoren dekkes med en glassplate eller gjennomsiktig cellulært polykarbonat, og på baksiden av det varmefordelende arket forhindres ubrukelig varmetap av et lag med termisk isolasjon - et slags "drivhus" oppnås. Oppvarmet vann eller annen kjølevæske beveger seg gjennom røret, som kan samles i en termisk isolert lagertank. Kjølevæsken beveger seg under påvirkning av en pumpe eller ved tyngdekraft på grunn av forskjellen i kjølevæsketettheter før og etter den termiske kollektoren. I sistnevnte tilfelle krever mer eller mindre effektiv sirkulasjon nøye valg av skråninger og rørseksjoner og plassering av selve oppsamleren så lavt som mulig. Men vanligvis plasseres solfangeren på de samme stedene som solbatteriet - på en solrik vegg eller på en solrik takhelling, selv om en ekstra lagertank må plasseres et sted. Uten en slik tank, under intensiv varmegjenvinning (for eksempel hvis du trenger å fylle et bad eller ta en dusj), kan det hende at oppsamlerkapasiteten ikke er nok, og etter kort tid vil litt oppvarmet vann strømme fra springen.

Beskyttelsesglass reduserer selvsagt kollektorens effektivitet noe, absorberer og reflekterer flere prosent av solenergien, selv om strålene faller vinkelrett. Når strålene treffer glasset i en liten vinkel mot overflaten, kan refleksjonskoeffisienten nærme seg 100 %. Derfor, i fravær av vind og behovet for bare liten oppvarming i forhold til luften rundt (med 5-10 grader, for eksempel for å vanne en hage), kan "åpne" strukturer være mer effektive enn "glaserte" strukturer. Men så snart det kreves en temperaturforskjell på flere titalls grader, eller hvis til og med en ikke veldig sterk vind stiger, øker varmetapet til åpne strukturer raskt, og beskyttende glass, for alle dets mangler, blir en nødvendighet.

En viktig merknad - det er nødvendig å ta i betraktning at på en varm solrik dag, hvis ikke analysert, kan vannet overopphetes over kokepunktet, derfor er det nødvendig å ta passende forholdsregler i utformingen av samleren (gi en sikkerhet ventil). I åpne samlere uten beskyttelsesglass er slik overoppheting vanligvis ikke en bekymring.

Nylig har solfangere basert på såkalte varmerør begynt å bli mye brukt (ikke å forveksle med "varmerør" som brukes til varmefjerning i datakjølesystemer!). I motsetning til designen som er diskutert ovenfor, er hvert oppvarmet metallrør som kjølevæsken sirkulerer her loddet inne i et glassrør, og luft pumpes ut fra rommet mellom dem. Det viser seg å være en analog av en termos, der på grunn av vakuum termisk isolasjon reduseres varmetapet med 20 ganger eller mer. Som et resultat, ifølge produsentene, når det er en frost på -35°C utenfor glasset, varmes vannet i det indre metallrøret med et spesielt belegg som absorberer det bredest mulige spekteret av solstråling opp til +50. +70°C (en forskjell på mer enn 100°C) .Effektiv absorpsjon kombinert med utmerket termisk isolasjon lar deg varme opp kjølevæsken selv i overskyet vær, selv om varmeeffekten selvfølgelig er flere ganger mindre enn i sterkt solskinn. Nøkkelpunktet her er å sikre bevaring av vakuumet i gapet mellom rørene, det vil si vakuumtettheten til krysset mellom glass og metall, i et veldig bredt temperaturområde, som når 150 ° C, gjennom hele levetiden av mange år. Av denne grunn er det ved produksjon av slike samlere umulig å gjøre uten nøye koordinering av koeffisientene for termisk utvidelse av glass og metall og høyteknologiske produksjonsprosesser, noe som betyr at det under håndverksmessige forhold er usannsynlig å være mulig å lage en fullverdig vakuumvarmerør. Men enklere samlerdesign kan lages uavhengig uten problemer, selv om effektiviteten deres er noe mindre, spesielt om vinteren.

I tillegg til de flytende solfangerne beskrevet ovenfor, er det andre interessante typer strukturer: luft (kjølevæsken er luft, og den er ikke redd for å fryse), "soldammer", etc. Dessverre er det mest forskning og utvikling på solfangere er viet spesifikt til flytende modeller, derfor er alternative typer praktisk talt ikke masseprodusert, og det er ikke mye informasjon om dem.

Fordeler med solfangere

Den viktigste fordelen med solfangere er enkelheten og de relativt lave kostnadene ved å produsere deres ganske effektive alternativer, kombinert med upretensiøsitet i drift. Det minimum som kreves for å lage en samler med egne hender er noen få meter tynt rør (fortrinnsvis tynnvegget kobber - det kan bøyes med en minimumsradius) og litt svart maling, i det minste bitumenlakk. Vi bøyer røret som en slange, maler det med svart maling, plasserer det på et solrikt sted, kobler det til vannledningen, og nå er den enkleste solfangeren klar! Samtidig kan spolen enkelt gis nesten hvilken som helst konfigurasjon og utnytte all plassen som er avsatt til oppsamleren maksimalt. Den mest effektive hjemmepåførte svertingen som også er svært motstandsdyktig mot høye temperaturer og direkte sollys er et tynt lag med kullsvart. Sot slettes imidlertid lett og vaskes av, så slik sverting vil definitivt kreve beskyttelsesglass og spesielle tiltak for å forhindre at mulig kondens kommer inn i den sotdekkede overflaten.

En annen viktig fordel med solfangere er at de, i motsetning til solcellepaneler, er i stand til å fange opp og konvertere opptil 90 % av solstrålingen som treffer dem til varme, og i de mest vellykkede tilfellene enda mer. Derfor, ikke bare i klart vær, men også i lett overskyet forhold, overstiger effektiviteten til samlere effektiviteten til solcellebatterier. Til slutt, i motsetning til fotovoltaiske batterier, forårsaker ikke ujevn belysning av overflaten en uforholdsmessig reduksjon i effektiviteten til kollektoren - bare den totale (integrerte) strålingsfluksen er viktig.

Ulemper med solfangere

Men solfangere er mer følsomme for vær enn solcellepaneler. Selv i sterkt solskinn kan frisk vind redusere varmeeffektiviteten til en åpen varmeveksler mange ganger. Beskyttelsesglass reduserer selvfølgelig varmetapet fra vinden kraftig, men ved tette skyer er det også kraftløst. I overskyet, vindfullt vær er det praktisk talt ingen nytte fra oppsamleren, men solbatteriet produserer i det minste noe energi.

Blant andre ulemper med solfangere, vil jeg først og fremst fremheve deres sesongvariasjoner. Kort nattefrost på våren eller høsten er nok til at isen som dannes i varmerørene skaper fare for brudd. Selvfølgelig kan dette elimineres ved å varme opp "drivhuset" med en spole med en tredjeparts varmekilde på kalde netter, men i dette tilfellet kan den totale energieffektiviteten til solfangeren lett bli negativ! Et annet alternativ - en dobbeltkretsmanifold med frostvæske i den eksterne kretsen - vil ikke kreve energiforbruk for oppvarming, men vil være mye mer komplisert enn enkeltkretsalternativer med direkte vannoppvarming, både i produksjon og under drift. I prinsippet kan ikke luftstrukturer fryse, men det er et annet problem - luftens lave spesifikke varmekapasitet.

Og likevel er kanskje den største ulempen med en solfanger at den nettopp er en varmeanordning, og selv om industrielt produserte prøver, i fravær av varmeanalyse, kan varme opp kjølevæsken til 190..200 ° C, den vanligvis oppnådde temperaturen overstiger sjelden 60..80 °C. Derfor er det svært vanskelig å bruke den utvunnede varmen til å oppnå betydelige mengder mekanisk arbeid eller elektrisk energi. Tross alt, selv for driften av dampvannsturbinen med laveste temperatur (for eksempel den som V.A. Zysin en gang beskrev) er det nødvendig å overopphete vannet til minst 110 °C! Og energi direkte i form av varme lagres som kjent ikke over lengre tid, og ved temperaturer under 100°C kan den vanligvis bare brukes i varmtvannsforsyning og oppvarming av et hus. Men tatt i betraktning den lave kostnaden og den enkle produksjonen, kan dette være ganske tilstrekkelig grunn til å anskaffe din egen solfanger.

For å være rettferdig bør det bemerkes at den "normale" driftssyklusen til en varmemotor kan organiseres ved temperaturer under 100 ° C - enten hvis kokepunktet senkes ved å redusere trykket i fordampningsdelen ved å pumpe ut damp derfra , eller ved å bruke en væske hvis kokepunkt ligger mellom temperaturoppvarmingen til solfangeren og omgivelseslufttemperaturen (optimalt - 50..60°C). Riktignok kan jeg huske bare én ikke-eksotisk og relativt trygg væske som mer eller mindre tilfredsstiller disse betingelsene - etylalkohol, som under normale forhold koker ved 78°C. Åpenbart, i dette tilfellet, vil det være nødvendig å organisere en lukket syklus, og løse mange relaterte problemer. I noen situasjoner kan bruk av eksternt oppvarmede motorer (Stirling-motorer) være lovende. Interessant i denne forbindelse kan også være bruken av legeringer med formminneeffekt, som er beskrevet på dette nettstedet i artikkelen av I.V. Nigel - de trenger bare en temperaturforskjell på 25-30°C for å fungere.

Solenergikonsentrasjon

Å øke effektiviteten til en solfanger innebærer først og fremst en jevn økning i temperaturen på det oppvarmede vannet over kokepunktet. Dette gjøres vanligvis ved å konsentrere solenergi på en solfanger ved hjelp av speil. Dette er prinsippet som ligger til grunn for de fleste solkraftverk; forskjellene ligger kun i antall, konfigurasjon og plassering av speil og oppsamler, samt i metodene for å kontrollere speilene. Som et resultat, ved fokuspunktet er det fullt mulig å nå en temperatur på ikke engang hundrevis, men tusenvis av grader - ved en slik temperatur kan direkte termisk dekomponering av vann til hydrogen og oksygen allerede oppstå (det resulterende hydrogenet kan brennes om natten og på overskyede dager)!

Dessverre er effektiv drift av en slik installasjon umulig uten et komplekst kontrollsystem for konsentrering av speil, som må spore solens konstant skiftende posisjon på himmelen. Ellers vil fokuspunktet i løpet av få minutter forlate kollektoren, som i slike systemer ofte er svært liten i størrelse, og oppvarming av arbeidsvæsken vil stoppe. Selv bruken av paraboloide speil løser bare delvis problemet - hvis de ikke med jevne mellomrom roteres etter solen, vil den etter noen timer ikke lenger falle ned i bollen deres eller bare lyse opp kanten - dette vil være til liten nytte.

Den enkleste måten å konsentrere solenergi hjemme på er å plassere et speil horisontalt i nærheten av solfangeren slik at solen treffer solfangeren det meste av dagen. Et interessant alternativ er å bruke overflaten til et spesiallaget reservoar i nærheten av huset som et slikt speil, spesielt hvis det ikke er et vanlig reservoar, men en "soldam" (selv om dette ikke er lett å gjøre, og refleksjonseffektiviteten vil være mye mindre enn et vanlig speil). Et godt resultat kan oppnås ved å lage et system med vertikalt konsentrerte speil (dette foretaket er vanligvis mye mer plagsomt, men i noen tilfeller kan det være berettiget å ganske enkelt installere et stort speil på en tilstøtende vegg hvis det danner en innvendig vinkel med oppsamleren - alt avhenger av konfigurasjonen og plasseringen av bygningen og samleren).

Å omdirigere solstråling ved hjelp av speil kan også øke ytelsen til et solcellebatteri. Men samtidig øker oppvarmingen, og dette kan skade batteriet. Derfor, i dette tilfellet, må du begrense deg til en relativt liten gevinst (med noen få titalls prosent, men ikke flere ganger), og du må nøye overvåke batteritemperaturen, spesielt på varme, klare dager! Det er nettopp på grunn av faren for overoppheting at noen produsenter av fotovoltaiske batterier direkte forbyr driften av produktene deres under økt belysning opprettet ved hjelp av ekstra reflektorer.

Konvertering av solenergi til mekanisk energi

Tradisjonelle typer solcelleinstallasjoner gir ikke direkte mekanisk arbeid. For å gjøre dette må en elektrisk motor kobles til et solbatteri på fotokonvertere, og ved bruk av en termisk solfanger må overopphetet damp (og for overoppheting er det usannsynlig å være mulig uten konsentrerende speil) tilføres inngangen til en damp. turbin eller til sylindrene til en dampmaskin. Samlere med relativt lite varme kan konvertere varme til mekanisk bevegelse på mer eksotiske måter, for eksempel ved å bruke formminnelegeringsaktuatorer.

Det finnes imidlertid også installasjoner som innebærer konvertering av solvarme til mekanisk arbeid, som er direkte innarbeidet i deres design. Dessuten er deres størrelser og kraft veldig forskjellige - dette er et prosjekt for et enormt soltårn som er hundrevis av meter høyt, og en beskjeden solpumpe, som hører hjemme på en sommerhytte.

Vi lever i fremtidens verden, selv om dette ikke merkes i alle regioner. I alle fall diskuteres muligheten for å utvikle nye energikilder seriøst i progressive kretser i dag. Et av de mest lovende områdene er solenergi.

For øyeblikket hentes omtrent 1 % av elektrisiteten på jorden fra behandling av solstråling. Så hvorfor har vi ikke gitt opp andre "skadelige" metoder ennå, og vil vi gi opp i det hele tatt? Vi inviterer deg til å lese artikkelen vår og prøve å svare på dette spørsmålet selv.

Hvordan solenergi omdannes til elektrisitet

La oss starte med det viktigste – hvordan solstrålene blir behandlet til elektrisitet.

Selve prosessen kalles "Solgenerering" . De mest effektive måtene å sikre dette på er som følger:

• solcelleanlegg;
• termisk solenergi;
• solcelleballongkraftverk.

La oss se på hver av dem.

Solcelleanlegg

I dette tilfellet vises den elektriske strømmen pga fotovoltaisk effekt. Prinsippet er dette: sollys treffer en fotocelle, elektroner absorberer energien til fotoner (lyspartikler) og begynner å bevege seg. Som et resultat får vi elektrisk spenning.

Det er akkurat denne prosessen som skjer i solcellepaneler, som er basert på elementer som omdanner solstråling til elektrisitet.

Selve utformingen av solcellepaneler er ganske fleksibel og kan ha forskjellige størrelser. Derfor er de veldig praktiske å bruke. I tillegg har panelene høyytelsesegenskaper: de er motstandsdyktige mot nedbør og temperaturendringer.

Og her er hvordan det fungerer separat solcellepanelmodul:

Du kan lese om bruk av solcellepaneler som ladere, strømkilder til private hjem, til byforbedring og til medisinske formål.

Moderne solcellepaneler og kraftverk

Nylige eksempler inkluderer selskapets solcellepaneler Sixtinske Solar. De kan ha hvilken som helst nyanse og tekstur, i motsetning til tradisjonelle mørkeblå paneler. Dette betyr at de kan brukes til å "dekorere" taket på huset som du vil.

En annen løsning ble foreslått av Tesla-utviklere. De lanserte ikke bare paneler, men fullverdig takmateriale som behandler solenergi. inneholder innebygde solcellemoduler og kan også ha et bredt utvalg av design. Samtidig er materialet i seg selv mye sterkere enn vanlige takstein, Solar Roof har til og med en uendelig garanti.

Et eksempel på et fullverdig solkraftverk er en stasjon som nylig ble bygget i Europa med tosidige paneler. Sistnevnte samler både direkte solstråling og reflekterende stråling. Dette lar deg øke effektiviteten til solgenerering med 30 %. Denne stasjonen skal generere ca 400 MWh per år.

Av interesse er også det største flytende solkraftverket i Kina. Effekten er 40 MW. Slike løsninger har 3 viktige fordeler:

• det er ikke nødvendig å okkupere store landområder, noe som er viktig for Kina;
• i reservoarer reduseres vannfordampningen;
• Selve fotocellene varmes mindre opp og fungerer mer effektivt.

Forresten, dette flytende solkraftverket ble bygget på stedet til en forlatt kullgruvevirksomhet.

Teknologi basert på solcelleeffekten er den mest lovende i dag, og ifølge eksperter vil solcellepaneler kunne produsere rundt 20 % av verdens elektrisitetsbehov i løpet av de neste 30-40 årene.

Termisk solenergi

Her er tilnærmingen litt annerledes, fordi... solstråling brukes til å varme opp en beholder som inneholder væske. Takket være dette blir det til damp, som roterer en turbin, noe som resulterer i generering av elektrisitet.

Termiske kraftverk opererer etter samme prinsipp, bare væsken varmes opp ved å brenne kull.

Det mest åpenbare eksemplet på bruken av denne teknologien er Ivanpah solcellestasjon i Mojave-ørkenen. Det er verdens største solvarmekraftverk.

Den har vært i drift siden 2014 og bruker ikke noe drivstoff til å produsere strøm - kun miljøvennlig solenergi.

Vannkjelen er plassert i tårnene, som du kan se i midten av strukturen. Rundt er det et felt med speil som leder solstrålene til toppen av tårnet. Samtidig roterer datamaskinen konstant disse speilene avhengig av hvor solen befinner seg.

Under påvirkning av konsentrert solenergi varmes vannet i tårnet opp og blir til damp. Dette skaper trykk og dampen begynner å rotere turbinen, noe som resulterer i frigjøring av elektrisitet. Kraften til denne stasjonen er 392 megawatt, som lett kan sammenlignes med det gjennomsnittlige termiske kraftverket i Moskva.

Interessant nok kan slike stasjoner også operere om natten. Dette er mulig ved å legge en del av den oppvarmede dampen på lager og gradvis bruke den til å rotere turbinen.

Solcelleballongkraftverk

Denne originale løsningen, selv om den ikke er mye brukt, har fortsatt en plass.

Selve installasjonen består av 4 hoveddeler:

• Aerostat - plassert på himmelen og samler solstråling. Vann kommer inn i ballen og varmes raskt opp og blir til damp.
• Damprørledning - gjennom den kommer damp under trykk ned til turbinen, noe som får den til å rotere.
• Turbin - under påvirkning av en strøm av damp, roterer den og genererer elektrisk energi.
• Kondensator og pumpe - dampen som har gått gjennom turbinen kondenseres til vann og stiger opp i ballongen ved hjelp av en pumpe, hvor den igjen varmes opp til damptilstand.

Hva er fordelene med solenergi

• Solen vil fortsette å gi oss sin energi i flere milliarder år til. Samtidig trenger ikke folk å bruke penger og ressurser for å utvinne det.
• Generering av solenergi er en fullstendig miljøvennlig prosess uten risiko for naturen.
• Autonomi av prosessen. Høsting av sollys og generering av elektrisitet skjer med minimal menneskelig innblanding. Det eneste du trenger å gjøre er å holde arbeidsflatene eller speilene rene.
• Utbrukte solcellepaneler kan resirkuleres og gjenbrukes i produksjonen.

Problemer med utvikling av solenergi

Til tross for implementeringen av ideer for å opprettholde driften av solkraftverk om natten, er ingen immune mot naturens luner. Overskyet himmel i flere dager reduserer strømproduksjonen betraktelig, men befolkningen og næringslivet trenger uavbrutt forsyning.

Bygging av et solkraftverk er ikke en billig fornøyelse. Dette er på grunn av behovet for å bruke sjeldne elementer i deres design. Ikke alle land er klare til å kaste bort budsjetter på mindre kraftige kraftverk når det er fungerende termiske kraftverk og atomkraftverk.

For å plassere slike installasjoner kreves det store arealer, og på steder hvor solinnstrålingen har et tilstrekkelig nivå.

Hvordan utvikles solenergi i Russland?

Dessverre brenner landet vårt fortsatt kull, gass og olje på full fart, og Russland vil helt sikkert være blant de siste som går helt over til alternativ energi.

Til dags dato solgenerering utgjør bare 0,03% av energibalansen til den russiske føderasjonen. Til sammenligning er dette tallet i Tyskland mer enn 20 %. Private gründere er ikke interessert i å investere i solenergi på grunn av den lange tilbakebetalingstiden og ikke så høy lønnsomhet, fordi gass er mye billigere i vårt land.

I de økonomisk utviklede Moskva- og Leningrad-regionene er solaktiviteten på et lavt nivå. Der er det rett og slett ikke praktisk å bygge solkraftverk. Men de sørlige regionene er ganske lovende.