Proces generujący energię słoneczną. Zasada konwersji energii słonecznej, jej zastosowanie i perspektywy

Z każdym dniem zmniejszają się światowe zasoby węgla, ropy, gazu, czyli wszystkiego, co dziś służy nam jako źródło energii. W niedalekiej przyszłości ludzkość dojdzie do punktu, w którym po prostu nie będzie już paliw kopalnych. Dlatego wszystkie kraje aktywnie szukają ratunku przed zbliżającą się katastrofą. A pierwszym środkiem zbawienia, który przychodzi na myśl, jest oczywiście energia słońca, którą ludzie od niepamiętnych czasów wykorzystują do suszenia ubrań, oświetlania domów i gotowania. Dało to początek jednemu z obszarów energii alternatywnej – energii słonecznej.

Źródłem energii dla energii słonecznej jest energia światła słonecznego, która za pomocą specjalnych konstrukcji przekształcana jest w ciepło lub energię elektryczną. Zdaniem ekspertów, w ciągu zaledwie tygodnia powierzchnia Ziemi otrzymuje ze słońca ilość energii przekraczającą energię światowych zasobów wszystkich rodzajów paliw. I choć tempo rozwoju tego obszaru energetyki alternatywnej stale rośnie, energia słoneczna nadal ma nie tylko zalety, ale i wady.

Jeśli do głównych zalet należy dostępność, a co najważniejsze niewyczerpanie źródła energii, to do wad zalicza się:

• potrzeba gromadzenia energii otrzymanej ze słońca,
• znaczny koszt używanego sprzętu,
• zależność od warunków pogodowych i pory dnia,
• wzrost temperatury atmosfery nad elektrowniami itp.

Numeryczna charakterystyka promieniowania słonecznego

Istnieje taki wskaźnik, jak stała słoneczna. Jego wartość wynosi 1367 W. Jest to dokładnie ilość energii przypadająca na 1 m2. planeta Ziemia. Ale z powodu atmosfery około 20-25% mniej energii dociera do powierzchni ziemi. Dlatego wartość energii słonecznej na metr kwadratowy na przykład na równiku wynosi 1020 W. A biorąc pod uwagę zmianę dnia i nocy, zmianę kąta słońca nad horyzontem, liczba ta zmniejsza się około 3 razy.

Ale skąd bierze się ta energia? Naukowcy zaczęli badać tę kwestię już w XIX wieku, a wersje były zupełnie inne. Dziś, w wyniku ogromnej liczby badań, niezawodnie wiadomo, że źródłem energii słonecznej jest reakcja przemiany 4 atomów wodoru w jądro helu. W wyniku tego procesu uwalniana jest znaczna ilość energii. Na przykład energia uwolniona podczas przemiany 1 g. wodór jest porównywalny z energią uwolnioną podczas spalania 15 ton benzyny.

Konwersja energii słonecznej

Wiemy już, że energia otrzymana ze słońca musi zostać zamieniona na inną formę. Potrzeba tego wynika z faktu, że ludzkość nie posiada jeszcze takich urządzeń, które mogłyby zużywać energię słoneczną w czystej postaci. Dlatego opracowano źródła energii, takie jak kolektory słoneczne i panele słoneczne. Jeżeli pierwszy służy do wytwarzania energii cieplnej, wówczas drugi bezpośrednio wytwarza energię elektryczną.

Istnieje kilka sposobów konwersji energii słonecznej:

• fotowoltaika;
• energia cieplna powietrza;
• słoneczna energia cieplna;
• przy użyciu elektrowni balonowych na energię słoneczną.

Najpopularniejszą metodą jest fotowoltaika. Zasadą tej konwersji jest zastosowanie fotowoltaicznych paneli słonecznych, czyli jak się je również nazywa, paneli słonecznych, dzięki którym energia słoneczna zamieniana jest na energię elektryczną. Z reguły takie panele są wykonane z krzemu, a grubość ich powierzchni roboczej wynosi zaledwie kilka dziesiątych milimetra. Można je umieścić w dowolnym miejscu, jest tylko jeden warunek - obecność dużej ilości światła słonecznego. Doskonała opcja do montażu klisz fotograficznych na dachach budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej.

Oprócz omówionych powyżej klisz fotograficznych, do konwersji energii promieniowania słonecznego stosuje się panele cienkowarstwowe. Wyróżniają się jeszcze mniejszą grubością, co pozwala na montaż w dowolnym miejscu, jednak istotną wadą takich paneli jest ich niska wydajność. Z tego powodu ich instalacja będzie uzasadniona tylko w przypadku dużych obszarów. Dla zabawy, cienkowarstwowy panel można nawet umieścić na torbie na laptopa lub torebce.

W termicznej energii powietrza energia słoneczna przekształcana jest w energię przepływu powietrza, która następnie jest przesyłana do turbogeneratora. Jednak w przypadku wykorzystania elektrowni balonowych na energię słoneczną wewnątrz balonu wytwarzana jest para wodna. Efekt ten uzyskuje się poprzez ogrzewanie powierzchni balonu, na którą naniesiona jest powłoka selektywnie absorbująca, światłem słonecznym. Główną zaletą tej metody jest wystarczający dopływ pary, który wystarcza do kontynuowania pracy elektrowni przy złej pogodzie i w nocy.

Zasada działania energii słonecznej polega na ogrzaniu powierzchni, która pochłania promienie słoneczne i skupia je w celu późniejszego wykorzystania powstałego ciepła. Najprostszym przykładem jest podgrzewanie wody, którą można następnie wykorzystać na potrzeby domowe, na przykład do kanalizacji lub akumulatorów, oszczędzając przy tym gaz lub inne paliwo. Na skalę przemysłową energia promieniowania słonecznego uzyskana tą metodą jest przetwarzana na energię elektryczną za pomocą silników cieplnych. Budowa takich skojarzonych elektrowni może trwać ponad 20 lat, ale tempo rozwoju energetyki słonecznej nie maleje, a wręcz przeciwnie, stale rośnie.

Gdzie można wykorzystać energię słoneczną?

Energię słoneczną można wykorzystać w zupełnie różnych obszarach – od przemysłu chemicznego po motoryzację, od gotowania po ogrzewanie pomieszczeń. Na przykład zastosowanie paneli słonecznych w przemyśle motoryzacyjnym datuje się na rok 1955. W tym roku wypuszczono na rynek pierwszy samochód zasilany bateriami słonecznymi. Dziś takie samochody produkują BMW, Toyota i inne duże firmy.

W życiu codziennym energia słoneczna wykorzystywana jest do ogrzewania pomieszczeń, oświetlenia, a nawet gotowania. Przykładowo z pieców solarnych wykonanych z folii i tektury, z inicjatywy ONZ, aktywnie korzystają uchodźcy, którzy zmuszeni byli do opuszczenia swoich domów ze względu na trudną sytuację polityczną. Bardziej złożone piece słoneczne służą do obróbki cieplnej i wytapiania metali. Jeden z największych tego typu pieców znajduje się w Uzbekistanie.

Do najciekawszych wynalazków dotyczących wykorzystania energii słonecznej należą:

• Etui ochronne na telefon z fotokomórką, będące jednocześnie ładowarką.
• Plecak z przymocowanym do niego panelem słonecznym. Umożliwi Ci ładowanie nie tylko telefonu, ale także tabletu, a nawet aparatu, w ogóle, wszelkiej elektroniki, która ma wejście USB.
• Słoneczne słuchawki Bluetooth.

Najbardziej kreatywnym pomysłem są ubrania wykonane ze specjalnego materiału. Marynarka, krawat, a nawet kostium kąpielowy – to wszystko może stać się nie tylko elementem Twojej garderoby, ale także ładowarką.

Rozwój energetyki alternatywnej w krajach WNP

Energetyka alternatywna, w tym słoneczna, rozwija się w szybkim tempie nie tylko w USA, Europie czy Indiach, ale także w krajach WNP, m.in. w Rosji, Kazachstanie, a zwłaszcza na Ukrainie. Na przykład na Krymie zbudowano największą elektrownię słoneczną w byłym Związku Radzieckim, Perowo. Jego budowę zakończono w 2011 roku. Elektrownia ta stała się trzecim innowacyjnym projektem austriackiej firmy Activ Solar. Moc szczytowa Perovo wynosi około 100 MW.

W październiku tego samego roku Activ Solar uruchomił kolejną elektrownię słoneczną, Ochotnikowo, również na Krymie. Jego moc wynosiła 80 MW. Okhotnikowo również otrzymało status największego, ale w Europie Środkowo-Wschodniej. Można powiedzieć, że energia alternatywna na Ukrainie zrobiła ogromny krok w kierunku bezpiecznej i niewyczerpanej energii.

W Kazachstanie sytuacja wygląda trochę inaczej. W zasadzie rozwój energetyki alternatywnej w tym kraju następuje jedynie w teorii. Republika ma ogromny potencjał, ale nie został on jeszcze w pełni wykorzystany. Oczywiście rząd zajmuje się tą sprawą i opracowano nawet plan rozwoju energetyki alternatywnej w Kazachstanie, ale udział energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych, w szczególności ze słońca, nie będzie większy niż 1% w ogólnym bilansie energetycznym kraju. Do 2020 roku planuje się uruchomienie jedynie 4 elektrowni słonecznych, których łączna moc wyniesie 77 MW.

W znacznym tempie rozwija się także energetyka alternatywna w Rosji. Jednak, jak powiedział wiceminister energii, uwaga w tym obszarze skupiona jest głównie na regionach Dalekiego Wschodu. Na przykład w Jakucji łączna produkcja 4 elektrowni słonecznych działających w najbardziej odległych wioskach na północy wyniosła ponad 50 tys. kWh. Pozwoliło to zaoszczędzić ponad 14 ton drogiego oleju napędowego. Innym przykładem wykorzystania energii słonecznej jest budowany wielofunkcyjny kompleks lotniczy w obwodzie lipieckim. Energię elektryczną do jego funkcjonowania będzie wytwarzać pierwsza elektrownia słoneczna, również wybudowana w obwodzie lipieckim.

Wszystko to pozwala na następujący wniosek: dziś wszystkie kraje, nawet te nie najbardziej rozwinięte, dążą do jak największego zbliżenia się do cenionego celu: wykorzystania alternatywnych źródeł energii. W końcu zużycie energii elektrycznej rośnie z każdym dniem, a ilość szkodliwych emisji do środowiska wzrasta każdego dnia. I wielu już rozumie, że nasza przyszłość i przyszłość naszej planety zależy tylko od nas.

R. Abdullina

Ukraina opiera się na energii słonecznej

Ludzie nie wyobrażają sobie już życia bez prądu, a zapotrzebowanie na energię z roku na rok rośnie coraz bardziej, a zasoby surowców energetycznych takich jak ropa naftowa, gaz czy węgiel gwałtownie maleją. Ludzkość nie ma innego wyjścia, jak tylko skorzystać z alternatywnych źródeł energii. Jednym ze sposobów wytwarzania energii elektrycznej jest konwersja energii słonecznej za pomocą fotokomórek. O tym, że można wykorzystać energię słoneczną, ludzie dowiedzieli się stosunkowo dawno temu, jednak dopiero ostatnie 20 lat zaczęli ją aktywnie rozwijać. W ostatnich latach dzięki ciągłym badaniom, zastosowaniu nowych materiałów i kreatywnym rozwiązaniom projektowym udało się znacznie zwiększyć wydajność paneli fotowoltaicznych. Wielu wierzy, że w przyszłości ludzkość będzie mogła porzucić tradycyjne metody wytwarzania energii elektrycznej na rzecz energii słonecznej i pozyskiwać ją za pomocą elektrowni słonecznych.

Energia słoneczna

Energia słoneczna jest jednym ze źródeł wytwarzania energii elektrycznej w nietradycyjny sposób, dlatego zaliczana jest do alternatywnych źródeł energii. Energia słoneczna wykorzystuje promieniowanie słoneczne i przekształca je w energię elektryczną lub inne formy energii. Energia słoneczna to nie tylko przyjazne dla środowiska źródło energii, ponieważ... Podczas konwersji energii słonecznej nie powstają żadne szkodliwe produkty uboczne, ale energia słoneczna jest również samoodnawiającym się źródłem energii alternatywnej.

Jak działa energia słoneczna

Teoretycznie nie jest trudno obliczyć, ile energii można uzyskać z przepływu energii słonecznej; od dawna wiadomo, że po przebyciu drogi od Słońca do Ziemi i upadku na powierzchnię o powierzchni 1 m² pod kątem 90° strumień światła słonecznego przy wejściu do atmosfery niesie ładunek energii równy 1367 W/m², jest to tzw. stała słoneczna. To idealna opcja w idealnych warunkach, które jak wiemy są praktycznie niemożliwe do osiągnięcia. Zatem po przejściu przez atmosferę maksymalny strumień, jaki można uzyskać, będzie na równiku i wyniesie 1020 W/m², ale średnia dobowa wartość, którą możemy uzyskać, będzie 3 razy mniejsza ze względu na zmianę dnia i nocy oraz zmianę kąta padania strumienia słonecznego. A w umiarkowanych szerokościach geograficznych zmianie dnia i nocy towarzyszy także zmiana pór roku, a wraz z nią zmiana długości godzin dziennych, więc w umiarkowanych szerokościach geograficznych ilość otrzymywanej energii zmniejszy się o kolejne 2 razy.

Rozwój i dystrybucja energii słonecznej

Jak wszyscy wiemy, w ostatnich latach rozwój energetyki słonecznej z każdym rokiem nabiera tempa, spróbujmy jednak prześledzić dynamikę rozwoju. W 1985 r. globalna moc fotowoltaiczna wynosiła zaledwie 0,021 GW. W 2005 roku wynosiły one już 1,656 GW. Rok 2005 uważany jest za punkt zwrotny w rozwoju energetyki słonecznej; to właśnie od tego roku ludzie zaczęli aktywnie interesować się badaniami i rozwojem systemów elektrycznych zasilanych energią słoneczną. Dalsza dynamika nie pozostawia wątpliwości (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Kraje Unii Europejskiej i Stany Zjednoczone przodują w wykorzystaniu energii słonecznej, w samych Stanach Zjednoczonych i Niemczech w sferze produkcyjnej i operacyjnej zatrudnionych jest ponad 100 tysięcy osób. Swoimi osiągnięciami w rozwoju energetyki słonecznej mogą pochwalić się także Włochy, Hiszpania i oczywiście Chiny, co jeśli nie lider w działaniu ogniw słonecznych, to dzięki temu producent ogniw słonecznych zwiększa tempo produkcji od z roku na rok.

Zalety i wady wykorzystania energii słonecznej

Zalety: 1) przyjazność dla środowiska - nie zanieczyszcza środowiska; 2) dostępność - fotokomórki są dostępne w sprzedaży nie tylko do zastosowań przemysłowych, ale także do tworzenia prywatnych mini elektrowni słonecznych; 3) niewyczerpalność i samoodnawialność źródła energii; 4) stale malejące koszty produkcji energii elektrycznej.
Wady: 1) wpływ warunków pogodowych i pory dnia na produktywność; 2) aby oszczędzać energię, należy ją gromadzić; 3) niższa produktywność w umiarkowanych szerokościach geograficznych ze względu na zmieniające się pory roku; 4) znaczne nagrzanie powietrza nad elektrownią słoneczną; 5) konieczność okresowego czyszczenia powierzchni fotokomórek z zanieczyszczeń, co jest problematyczne ze względu na duże powierzchnie zajmowane przez instalację fotokomórek; 6) można też mówić o stosunkowo wysokim koszcie sprzętu, chociaż z roku na rok koszt ten maleje, na razie nie ma co mówić o taniej energii słonecznej.

Perspektywy rozwoju energetyki słonecznej

Dziś przed rozwojem energetyki słonecznej wróży się wielką przyszłość, z roku na rok buduje się coraz więcej nowych elektrowni słonecznych, które zadziwiają skalą i rozwiązaniami technicznymi. Nie kończą się także badania naukowe mające na celu zwiększenie wydajności fotokomórek. Naukowcy obliczyli, że jeśli pokryjemy powierzchnię planety Ziemia o 0,07%, przy wydajności fotokomórek na poziomie 10%, wówczas energii będzie wystarczająco dużo, aby w ponad 100% zaspokoić wszystkie potrzeby ludzkości. Dziś stosuje się już fotokomórki o wydajności 30%. Z danych badawczych wiadomo, że ambicje naukowców obiecują doprowadzenie go do 85%.

Elektrownie słoneczne

Elektrownie słoneczne to konstrukcje, których zadaniem jest zamiana strumieni energii słonecznej na energię elektryczną. Rozmiary elektrowni słonecznych mogą być różne – od prywatnych minielektrowni z kilkoma panelami słonecznymi po ogromne, zajmujące powierzchnię ponad 10 km².

Jakie są rodzaje elektrowni słonecznych?

Od budowy pierwszych elektrowni słonecznych minęło sporo czasu, podczas którego zrealizowano wiele projektów i zastosowano wiele ciekawych rozwiązań konstrukcyjnych. Zwyczajowo dzieli się wszystkie elektrownie słoneczne na kilka typów:
1. Elektrownie słoneczne typu wieżowego.
2. Elektrownie słoneczne, w których panele słoneczne są ogniwami fotowoltaicznymi.
3. Elektrownie słoneczne typu Dish.
4. Paraboliczne elektrownie słoneczne.
5. Elektrownie słoneczne typu solarno-próżniowego.
6. Elektrownie słoneczne typu mieszanego.

Elektrownie słoneczne typu wieżowego

Bardzo powszechny typ konstrukcji elektrowni. Jest to wysoka konstrukcja wieżowa na szczycie ze zbiornikiem wody pomalowanym na czarno, aby lepiej przyciągać odbite światło słoneczne. Wokół wieży znajdują się duże lustra o powierzchni ponad 2 m² rozmieszczone w okręgu, wszystkie połączone są w jeden system sterujący, który monitoruje zmianę kąta luster tak, aby zawsze odbijały światło słoneczne i kierowały je prosto do zbiornika na wodę znajdującego się na szczycie wieży. W ten sposób odbite światło słoneczne podgrzewa wodę, z której powstaje para, która następnie za pomocą pomp jest dostarczana do turbogeneratora, gdzie wytwarzana jest energia elektryczna. Temperatura ogrzewania zbiornika może osiągnąć 700°C. Wysokość wieży zależy od wielkości i mocy elektrowni słonecznej i z reguły zaczyna się od 15 m, a wysokość największej obecnie wynosi 140 m. Ten typ elektrowni słonecznej jest bardzo powszechny i ​​preferowany przez wiele krajów ze względu na wysoką wydajność wynoszącą 20%.

Elektrownie słoneczne typu fotokomórka

Fotokomórki (baterie słoneczne) służą do zamiany strumienia słonecznego na energię elektryczną. Tego typu elektrownie stały się bardzo popularne ze względu na możliwość stosowania paneli fotowoltaicznych w małych blokach, co pozwala na wykorzystanie paneli fotowoltaicznych do zasilania w energię elektryczną zarówno domów prywatnych, jak i dużych obiektów przemysłowych. Co więcej, wydajność rośnie z każdym rokiem i dziś są już fotokomórki o wydajności 30%.

Paraboliczne elektrownie słoneczne

Tego typu elektrownia słoneczna wygląda jak ogromne anteny satelitarne, których wnętrze pokryte jest lustrzanymi płytami. Zasada działania konwersji energii jest podobna jak w przypadku stacji wieżowych z niewielką różnicą: paraboliczny kształt zwierciadeł sprawia, że ​​promienie słoneczne odbite od całej powierzchni zwierciadła skupiają się w jego centrum, gdzie znajduje się odbiornik ciecz, która się nagrzewa, tworząc parę, która z kolei Kolejka jest siłą napędową małych generatorów.

Płytowe elektrownie słoneczne

Zasada działania i sposób wytwarzania energii elektrycznej są identyczne jak w elektrowniach wieżowych i parabolicznych. Jedyną różnicą są cechy konstrukcyjne. Stacjonarna konstrukcja, przypominająca trochę gigantyczne metalowe drzewo, zawiera okrągłe, płaskie zwierciadła, które skupiają energię słoneczną na odbiorniku.

Elektrownie słoneczne typu solarno-próżniowego

To bardzo nietypowy sposób wykorzystania energii słonecznej i różnic temperatur. Konstrukcja elektrowni składa się z okrągłej działki ze szklanym dachem i wieży pośrodku. Wieża jest pusta w środku, u jej podstawy znajduje się kilka turbin, które obracają się dzięki przepływowi powietrza powstałemu na skutek różnicy temperatur. Przez szklany dach słońce ogrzewa ziemię i powietrze w pomieszczeniu, a budynek komunikuje się z otoczeniem zewnętrznym za pomocą rury, a ponieważ temperatura powietrza na zewnątrz pomieszczenia jest znacznie niższa, powstaje ciąg powietrza, który wzrasta wraz ze wzrostem temperatury różnica. Tym samym w nocy turbiny wytwarzają więcej prądu niż w dzień.

Mieszane elektrownie słoneczne

Dzieje się tak wtedy, gdy elektrownie słoneczne danego typu wykorzystują np. kolektory słoneczne jako elementy pomocnicze do zaopatrzenia obiektów w ciepłą wodę i ciepło, bądź też w elektrowni wieżowej możliwe jest jednoczesne wykorzystanie sekcji fotokomórek.

Energetyka słoneczna rozwija się w szybkim tempie, ludzie wreszcie poważnie myślą o alternatywnych źródłach energii, aby zapobiec nieuchronnie zbliżającemu się kryzysowi energetycznemu i katastrofie ekologicznej. Choć liderami energetyki słonecznej są w dalszym ciągu Stany Zjednoczone i Unia Europejska, to wszystkie pozostałe światowe potęgi stopniowo zaczynają przejmować i wykorzystywać doświadczenia oraz technologie produkcji i wykorzystania elektrowni słonecznych. Nie ma wątpliwości, że prędzej czy później energia słoneczna stanie się głównym źródłem energii na Ziemi.

Słońce jest niewyczerpanym, przyjaznym dla środowiska i tanim źródłem energii. Jak twierdzą eksperci, ilość energii słonecznej docierającej w ciągu tygodnia do powierzchni Ziemi przewyższa energię wszystkich światowych złóż ropy, gazu, węgla i uranu 1 . Według akademika Zh.I. Alferova „ludzkość ma niezawodny naturalny reaktor termojądrowy – Słońce. Jest to gwiazda klasy „F-2”, bardzo przeciętna, której w Galaktyce jest aż 150 miliardów. Ale to jest nasza gwiazda i wysyła na Ziemię ogromne moce, których przemiana umożliwia zaspokojenie niemal wszelkich potrzeb energetycznych ludzkości na wiele setek lat.” Co więcej, energia słoneczna jest „czysta” i nie ma negatywnego wpływu na ekologię planety 2 .

Ważnym punktem jest fakt, że surowcem do produkcji ogniw słonecznych jest jeden z najpowszechniejszych pierwiastków – krzem. W skorupie ziemskiej krzem jest drugim po tlenie pierwiastkiem (29,5% mas.) 3 . Według wielu naukowców krzem to „ropa XXI wieku”: w ciągu 30 lat jeden kilogram krzemu w elektrowni fotowoltaicznej wytwarza tyle samo prądu, co 75 ton oleju w elektrowni cieplnej.

Część ekspertów uważa jednak, że energii słonecznej nie można nazwać przyjazną dla środowiska ze względu na fakt, że produkcja czystego krzemu do fotobaterii jest produkcją bardzo „brudną” i bardzo energochłonną. Wraz z tym budowa elektrowni słonecznych wymaga przeznaczenia ogromnych terenów, porównywalnych powierzchnią ze zbiornikami elektrowni wodnych. Zdaniem ekspertów kolejną wadą energii słonecznej jest duża zmienność. Zapewnienie efektywnej pracy systemu energetycznego, którego elementami są elektrownie słoneczne, jest możliwe pod warunkiem, że:
- obecność znacznych rezerw mocy wykorzystujących tradycyjne źródła energii, które można przyłączyć w nocy lub w pochmurne dni;
- przeprowadzanie zakrojonych na szeroką skalę i kosztownych modernizacji sieci elektrycznych 4.

Pomimo tej wady energia słoneczna nadal rozwija się na całym świecie. Przede wszystkim dlatego, że energia promienista będzie tańsza i za kilka lat stanie się znaczącą konkurencją dla ropy i gazu.

Obecnie na świecie są instalacje fotowoltaiczne, przekształcające energię słoneczną w energię elektryczną w oparciu o metodę bezpośredniej konwersji, oraz instalacje termodynamiczne, w którym energia słoneczna jest najpierw zamieniana na ciepło, następnie na energię mechaniczną w cyklu termodynamicznym silnika cieplnego i przekształcana na energię elektryczną w generatorze.

Ogniwa słoneczne jako źródło energii można wykorzystać:
- w przemyśle (przemysł lotniczy, motoryzacyjny itp.),
- w rolnictwie,
- w sferze domowej,
- w branży budowlanej (np. domy ekologiczne),
- w elektrowniach słonecznych,
- w autonomicznych systemach monitoringu wizyjnego,
- w autonomicznych systemach oświetleniowych,
- w branży kosmicznej.

Według Instytutu Strategii Energetycznej teoretyczny potencjał energii słonecznej w Rosji wynosi ponad 2300 miliardów ton paliwa standardowego, potencjał ekonomiczny wynosi 12,5 miliona ton paliwa równoważnego. Potencjał energii słonecznej docierającej na terytorium Rosji w ciągu trzech dni przekracza energię całej rocznej produkcji energii elektrycznej w naszym kraju.
Ze względu na położenie Rosji (między 41 a 82 stopniem szerokości geograficznej północnej) poziom promieniowania słonecznego jest bardzo zróżnicowany: od 810 kWh/m2 rocznie w odległych regionach północnych do 1400 kWh/m2 rocznie w regionach południowych. Na poziom nasłonecznienia wpływają także duże wahania sezonowe: przy szerokości 55 stopni promieniowanie słoneczne w styczniu wynosi 1,69 kWh/m2, a w lipcu – 11,41 kWh/m2 na dobę.

Największy potencjał energii słonecznej jest na południowym zachodzie (Kaukaz Północny, Morze Czarne i Kaspijskie) oraz na południowej Syberii i na Dalekim Wschodzie.

Najbardziej obiecujące regiony pod względem wykorzystania energii słonecznej: Kałmucja, terytorium Stawropola, obwód rostowski, terytorium Krasnodaru, obwód wołgogradzki, obwód astrachański i inne regiony na południowym zachodzie, Ałtaj, Primorye, obwód czyta, Buriacja i inne regiony na południowym wschodzie . Co więcej, niektóre obszary zachodniej i wschodniej Syberii oraz Dalekiego Wschodu przekraczają poziom promieniowania słonecznego w regionach południowych. Przykładowo w Irkucku (52 stopnie szerokości geograficznej północnej) poziom promieniowania słonecznego sięga 1340 kWh/m2, podczas gdy w Republice Jakucji-Sakha (62 stopnie szerokości geograficznej północnej) poziom ten wynosi 1290 kWh/m2. 5

Obecnie Rosja posiada zaawansowane technologie przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną. Istnieje wiele przedsiębiorstw i organizacji, które opracowały i udoskonalają technologie przetworników fotoelektrycznych: zarówno na konstrukcjach krzemowych, jak i wielozłączowych. Istnieje wiele osiągnięć w zakresie stosowania systemów koncentracyjnych w elektrowniach słonecznych.

Ramy prawne wspierające rozwój energii słonecznej w Rosji są w powijakach. Jednak pierwsze kroki zostały już podjęte:
- 3 lipca 2008 r.: Rozporządzenie Rządu nr 426 „W sprawie kwalifikacji zakładu wytwórczego działającego w oparciu o wykorzystanie odnawialnych źródeł energii”;
- 8 stycznia 2009: Zarządzenie Rządu Federacji Rosyjskiej nr 1-r „W sprawie głównych kierunków polityki państwa w zakresie poprawy efektywności energetycznej elektroenergetyki w oparciu o wykorzystanie odnawialnych źródeł energii za okres do 2020 roku”

Zatwierdzono cele zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii w ogólnym poziomie rosyjskiego bilansu energetycznego odpowiednio do 2,5% i 4,5% do roku 2015 i 2020 6 .

Według różnych szacunków, obecnie w Rosji łączna wielkość zainstalowanych mocy wytwórczych energii słonecznej wynosi nie więcej niż 5 MW, z czego większość przypada na gospodarstwa domowe. Największym obiektem przemysłowym rosyjskiej energetyki słonecznej jest elektrownia słoneczna w obwodzie Biełgorodu o mocy 100 kW, oddana do użytku w 2010 roku (dla porównania największa elektrownia słoneczna na świecie znajduje się w Kanadzie o mocy 80 000 kW) .

Obecnie w Rosji realizowane są dwa projekty: budowa parków fotowoltaicznych na terytorium Stawropola (moc - 12 MW) oraz w Republice Dagestanu (10 MW) 7 . Pomimo braku wsparcia dla energetyki odnawialnej, wiele firm realizuje na małą skalę projekty związane z energetyką słoneczną. Na przykład Sakhaenergo zainstalował małą stację w Jakucji o mocy 10 kW.

W Moskwie znajdują się małe instalacje: przy Leontyevsky Lane i Michurinsky Prospekt wejścia i dziedzińce kilku domów są oświetlone modułami słonecznymi, co obniżyło koszty oświetlenia o 25%. Na ulicy Timiryazevskaya na dachu jednego z przystanków autobusowych zamontowano panele słoneczne, które zapewniają działanie systemu transportu referencyjnego i informacyjnego oraz Wi-Fi.

Rozwój energetyki słonecznej w Rosji wynika z wielu czynników:

1) warunki klimatyczne: czynnik ten wpływa nie tylko na rok osiągnięcia parytetu sieci, ale także na wybór technologii instalacji fotowoltaicznej najlepiej dopasowanej do danego regionu;

2)wsparcie rządowe: obecność prawnie ustanowionych zachęt ekonomicznych dla energii słonecznej ma kluczowe znaczenie
jego rozwój. Wśród rodzajów wsparcia rządowego, które są z powodzeniem stosowane w wielu krajach Europy i USA, możemy wyróżnić: preferencyjne taryfy dla elektrowni słonecznych, dotacje na budowę elektrowni słonecznych, różne możliwości ulg podatkowych, rekompensaty za część kosztów obsługi kredytów na zakup instalacji fotowoltaicznych;

3)koszt PVEU (instalacji fotowoltaicznych): Elektrownie słoneczne są obecnie jedną z najdroższych stosowanych technologii wytwarzania energii elektrycznej. Jednak wraz ze spadkiem kosztu 1 kWh wytworzonej energii elektrycznej energia słoneczna staje się konkurencyjna. Popyt na elektrownie słoneczne zależy od obniżenia kosztu 1 W mocy zainstalowanej w elektrowniach słonecznych (~3000 dolarów w 2010 r.). Redukcję kosztów osiąga się poprzez zwiększenie wydajności, zmniejszenie kosztów technologicznych i zmniejszenie opłacalności produkcji (wpływ konkurencji). Potencjał obniżenia kosztu 1 kW mocy zależy od technologii i waha się od 5% do 15% rocznie;

4) Norm środowiskowych: Pozytywny wpływ na rynek energii słonecznej może mieć zaostrzenie standardów środowiskowych (ograniczenia i kary) w związku z możliwą rewizją Protokołu z Kioto. Usprawnienie mechanizmów sprzedaży uprawnień emisyjnych może stanowić nową zachętę ekonomiczną dla rynku PVEM;

5) bilans podaży i popytu na energię elektryczną: realizację istniejących ambitnych planów budowy i przebudowy sieci wytwórczych i elektroenergetycznych
moce produkcyjne spółek wydzielonych z RAO JES z Rosji w trakcie reformy branży znacząco zwiększą podaż energii elektrycznej i mogą zwiększyć presję cenową
na rynku hurtowym. Jednakże wycofywanie starych mocy wytwórczych i jednoczesny wzrost popytu będzie się wiązać ze wzrostem ceny;

6)obecność problemów z połączeniem technologicznym: opóźnienia w realizacji wniosków o przyłączenie technologiczne do scentralizowanego systemu elektroenergetycznego stanowią zachętę do przejścia na alternatywne źródła energii, w tym PVEU. O opóźnieniach tych decyduje zarówno obiektywny brak przepustowości, jak i nieefektywność organizacji przyłączenia technologicznego przez przedsiębiorstwa sieciowe lub brak finansowania przyłącza technologicznego z taryfy;

7) inicjatywy władz lokalnych: Samorządy regionalne i miejskie mogą realizować własne programy rozwoju energetyki słonecznej lub szerzej odnawialnych/nietradycyjnych źródeł energii. Dziś takie programy są już realizowane na terytoriach Krasnojarska i Krasnodarskiego, w Republice Buriacji itp.;

8) rozwój własnej produkcji: Rosyjska produkcja elektrowni słonecznych może mieć pozytywny wpływ na rozwój rosyjskiego zużycia energii słonecznej. Po pierwsze, dzięki własnej produkcji wzrasta ogólna świadomość społeczeństwa na temat dostępności technologii fotowoltaicznych i ich popularności. Po drugie, koszt SFEU dla konsumentów końcowych zostaje obniżony poprzez redukcję ogniw pośrednich w łańcuchu dystrybucji oraz poprzez ograniczenie elementu transportowego 8 .

Energia słoneczna

Parametry promieniowania słonecznego

Przede wszystkim należy ocenić potencjalne możliwości energetyczne promieniowania słonecznego. Tutaj największe znaczenie ma jego całkowita moc właściwa na powierzchni Ziemi i rozkład tej mocy na różne zakresy promieniowania.

Moc promieniowania słonecznego

Moc promieniowania Słońca znajdującego się w zenicie przy powierzchni Ziemi szacowana jest na około 1350 W/m2. Z prostych obliczeń wynika, że ​​aby uzyskać moc 10 kW, należy zebrać promieniowanie słoneczne z powierzchni zaledwie 7,5 m2. Ale dzieje się to w pogodne popołudnie w strefie tropikalnej, wysoko w górach, gdzie atmosfera jest rzadka i krystalicznie czysta. Gdy tylko Słońce zacznie pochylać się w stronę horyzontu, droga jego promieni przez atmosferę wzrasta, a zatem zwiększają się straty na tej ścieżce. Obecność pyłu lub pary wodnej w atmosferze, nawet w ilościach niezauważalnych bez specjalnych przyrządów, dodatkowo ogranicza przepływ energii. Jednak nawet w strefie środkowej w letnie popołudnie na każdy metr kwadratowy zorientowany prostopadle do promieni słonecznych przypada przepływ energii słonecznej o mocy około 1 kW.

Oczywiście nawet lekkie zachmurzenie radykalnie zmniejsza energię docierającą do powierzchni, szczególnie w zakresie podczerwieni (termicznej). Jednak część energii nadal przenika przez chmury. W strefie środkowej, przy gęstych chmurach w południe, moc promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi szacuje się na około 100 W/m2 i tylko w nielicznych przypadkach, przy szczególnie gęstych chmurach, może spaść poniżej tej wartości. Oczywiście w takich warunkach, aby uzyskać 10 kW, należy całkowicie, bez strat i odbić, zebrać promieniowanie słoneczne nie z 7,5 m2 powierzchni ziemi, ale z całych stu metrów kwadratowych (100 m2).

Tabela pokazuje krótkie uśrednione dane dotyczące energii promieniowania słonecznego dla niektórych rosyjskich miast, biorąc pod uwagę warunki klimatyczne (częstotliwość i intensywność zachmurzenia) na jednostkę powierzchni poziomej. Szczegóły tych danych, dodatkowe dane dla orientacji paneli innej niż pozioma, a także dane dla innych regionów Rosji i krajów byłego ZSRR znajdują się na osobnej stronie.

Panel nieruchomy, ustawiony pod optymalnym kątem nachylenia, jest w stanie pochłonąć 1,2...1,4 razy więcej energii w porównaniu do panelu poziomego, a jeśli obraca się za Słońcem, wzrost ten będzie 1,4...1,8 razy. Można to zaobserwować w rozbiciu na miesiące w przypadku stałych paneli zorientowanych na południe pod różnymi kątami nachylenia oraz w przypadku systemów śledzących ruch Słońca. Cechy rozmieszczenia paneli słonecznych omówiono bardziej szczegółowo poniżej.

Bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne

Występuje rozproszone i bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Aby skutecznie odbierać bezpośrednie promieniowanie słoneczne, panel musi być ustawiony prostopadle do strumienia światła słonecznego. Dla percepcji promieniowania rozproszonego orientacja nie jest tak krytyczna, ponieważ dociera ono dość równomiernie z prawie całego nieba - w pochmurne dni oświetlana jest powierzchnia ziemi (z tego powodu przy pochmurnej pogodzie obiekty nie mają wyraźnego określony cień, a powierzchnie pionowe, takie jak filary i ściany domów, praktycznie nie rzucają widocznego cienia).

Stosunek promieniowania bezpośredniego i rozproszonego silnie zależy od warunków pogodowych w różnych porach roku. Na przykład zima w Moskwie jest pochmurna, a w styczniu udział promieniowania rozproszonego przekracza 90% całkowitego nasłonecznienia. Ale nawet latem w Moskwie rozproszone promieniowanie stanowi prawie połowę całej energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi. Jednocześnie w słonecznym Baku zarówno zimą, jak i latem udział promieniowania rozproszonego waha się od 19 do 23% całkowitego nasłonecznienia, a odpowiednio około 4/5 promieniowania słonecznego ma charakter bezpośredni. Stosunek nasłonecznienia rozproszonego i całkowitego dla niektórych miast podano bardziej szczegółowo na osobnej stronie.

Rozkład energii w widmie słonecznym

Widmo słoneczne jest praktycznie ciągłe w niezwykle szerokim zakresie częstotliwości - od fal radiowych o niskiej częstotliwości po promieniowanie rentgenowskie o ultrawysokiej częstotliwości i promieniowanie gamma. Oczywiście trudno jest równie skutecznie wychwycić tak różne rodzaje promieniowania (być może da się to osiągnąć jedynie teoretycznie za pomocą „idealnego ciała doskonale czarnego”). Nie jest to jednak konieczne – po pierwsze, samo Słońce emituje w różnych zakresach częstotliwości z różną mocą, a po drugie, nie wszystko, co emituje, dociera do powierzchni Ziemi – pewne części widma są w dużej mierze pochłaniane przez różne składniki atmosfery – głównie warstwę ozonową, parę wodną i dwutlenek węgla.

Wystarczy więc wyznaczyć te zakresy częstotliwości, w których obserwuje się największy strumień energii słonecznej na powierzchni Ziemi i je wykorzystać. Tradycyjnie promieniowanie słoneczne i kosmiczne oddziela się nie częstotliwością, ale długością fali (jest to spowodowane zbyt dużymi wykładnikami dla częstotliwości tego promieniowania, co jest bardzo niewygodne - światło widzialne w hercach odpowiada 14-temu rzędowi). Przyjrzyjmy się zależności rozkładu energii od długości fali promieniowania słonecznego.

Za zakres światła widzialnego uważa się zakres długości fal od 380 nm (głęboki fiolet) do 760 nm (głęboka czerwień). Wszystko, co ma krótszą długość fali, ma wyższą energię fotonów i dzieli się na zakresy promieniowania ultrafioletowego, rentgenowskiego i gamma. Pomimo dużej energii fotonów, samych fotonów w tych zakresach nie jest zbyt wiele, dlatego całkowity wkład energetyczny tej części widma jest bardzo mały. Wszystko, co ma dłuższą długość fali, ma niższą energię fotonów w porównaniu ze światłem widzialnym i dzieli się na zakres podczerwieni (promieniowanie cieplne) i różne części zasięgu radiowego. Z wykresu wynika, że ​​w zakresie podczerwieni Słońce emituje prawie taką samą ilość energii jak w świetle widzialnym (poziomy są mniejsze, ale zasięg jest szerszy), natomiast w zakresie częstotliwości radiowych energia promieniowania jest bardzo mała.

Zatem z energetycznego punktu widzenia wystarczy, że ograniczymy się do zakresu częstotliwości widzialnych i podczerwonych, a także bliskiego ultrafioletu (gdzieś do 300 nm twarde ultrafiolet o krótszej długości fali jest prawie całkowicie pochłaniany w tzw. warstwę ozonową, zapewniającą syntezę tego właśnie ozonu z tlenu atmosferycznego). A lwia część energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi koncentruje się w zakresie długości fal od 300 do 1800 nm.

Ograniczenia w korzystaniu z energii słonecznej

Główne ograniczenia związane z wykorzystaniem energii słonecznej wynikają z jej niespójności – instalacje fotowoltaiczne nie pracują w nocy, a przy pochmurnej pogodzie są nieefektywne. Jest to oczywiste niemal dla każdego.

Jest jednak jeszcze jedna okoliczność, która jest szczególnie istotna dla naszych raczej północnych szerokości geograficznych - sezonowe różnice w długości dnia. Jeśli dla stref tropikalnych i równikowych czas trwania dnia i nocy zależy nieco od pory roku, to już na szerokości geograficznej Moskwy najkrótszy dzień jest prawie 2,5 razy krótszy niż najdłuższy! O rejonach okołobiegunowych nawet nie mówię... Dzięki temu w pogodny letni dzień instalacja fotowoltaiczna pod Moskwą może wyprodukować nie mniej energii niż na równiku (słońce jest niżej, ale dzień jest dłuższy). Jednak zimą, kiedy zapotrzebowanie na energię jest szczególnie duże, wręcz przeciwnie, jej produkcja zmniejszy się kilkukrotnie. Rzeczywiście, oprócz krótkich godzin dziennych, promienie niskiego zimowego słońca nawet w południe muszą przejść przez znacznie grubszą warstwę atmosfery i dlatego tracą na tej drodze znacznie więcej energii niż latem, kiedy słońce jest wysoko a promienie przechodzą przez atmosferę prawie pionowo (wyrażenie „zimne zimowe słońce „ma najbardziej bezpośrednie znaczenie fizyczne). Nie oznacza to jednak, że instalacje fotowoltaiczne w strefie środkowej, a nawet na terenach znacznie bardziej północnych są całkowicie bezużyteczne – choć zimą, w okresie długich dni, co najmniej przez sześć miesięcy pomiędzy równonocą wiosenną a jesienną, są mało przydatne. , są dość skuteczne.

Szczególnie interesujące jest wykorzystanie instalacji fotowoltaicznych do zasilania coraz bardziej powszechnych, choć bardzo „żarłocznych” klimatyzatorów. W końcu im mocniej świeci słońce, tym jest goręcej i tym bardziej potrzebna jest klimatyzacja. Ale w takich warunkach instalacje fotowoltaiczne są również w stanie wygenerować więcej energii, a energia ta zostanie wykorzystana przez klimatyzator „tu i teraz”; nie trzeba jej kumulować i magazynować! Ponadto nie jest wcale konieczne przekształcanie energii w postać elektryczną – absorpcyjne silniki cieplne wykorzystują ciepło bezpośrednio, co oznacza, że ​​zamiast baterii fotowoltaicznych można zastosować kolektory słoneczne, które najskuteczniej sprawdzają się przy bezchmurnej, upalnej pogodzie. To prawda, że ​​​​klimatyzatory są niezbędne tylko w gorących, pozbawionych wody regionach i wilgotnym klimacie tropikalnym, a także we współczesnych miastach, niezależnie od ich lokalizacji. Kompetentnie zaprojektowany i zbudowany dom wiejski, nie tylko w środkowej strefie, ale także na większości południowej Rosji, nie potrzebuje tak energochłonnego, nieporęcznego, hałaśliwego i kapryśnego urządzenia.

Niestety, na obszarach miejskich indywidualne zastosowanie instalacji fotowoltaicznych o większej lub mniejszej mocy, dających zauważalne korzyści praktyczne, jest możliwe jedynie w nielicznych i szczególnie pomyślnych okolicznościach. Nie uważam jednak mieszkania miejskiego za pełnoprawne mieszkanie, gdyż jego normalne funkcjonowanie uzależnione jest od zbyt wielu czynników, na które mieszkańcy ze względów czysto technicznych nie mają bezpośredniej kontroli, a zatem w przypadku awarii co najmniej jeden z systemów podtrzymywania życia na mniej więcej długi czas. W nowoczesnym apartamentowcu panujące w nim warunki będą nie do przyjęcia (raczej mieszkanie w wieżowcu należy traktować jako rodzaj pokoju hotelowego, w którym mieszkańcy kupili na czas nieokreślony lub wynajęli od gminy). Ale poza miastem szczególna dbałość o energię słoneczną może być więcej niż uzasadniona nawet na małej działce o powierzchni 6 akrów.

Cechy rozmieszczenia paneli słonecznych

Wybór optymalnej orientacji paneli fotowoltaicznych jest jednym z najważniejszych zagadnień w praktycznym zastosowaniu instalacji fotowoltaicznych każdego typu. Niestety, ten aspekt jest bardzo mało omawiany na różnych stronach poświęconych energii słonecznej, chociaż zaniedbanie go może obniżyć wydajność paneli do niedopuszczalnego poziomu.

Faktem jest, że kąt padania promieni na powierzchnię ma ogromny wpływ na współczynnik odbicia, a co za tym idzie, na udział niereceptywnej energii słonecznej. Przykładowo dla szkła, gdy kąt padania odbiega od prostopadłej do jego powierzchni aż o 30°, współczynnik odbicia praktycznie się nie zmienia i wynosi nieco poniżej 5%, tj. ponad 95% padającego promieniowania przechodzi do wewnątrz. Dalej zauważalny staje się wzrost odbicia, a o 60° udział promieniowania odbitego podwaja się - prawie do 10%. Przy kącie padania 70° odbija się około 20% promieniowania, a przy 80° - 40%. W przypadku większości innych substancji zależność stopnia odbicia od kąta padania jest w przybliżeniu taka sama.

Jeszcze ważniejsza jest tzw. powierzchnia efektywna panelu, czyli tzw. przekrój strumienia promieniowania, który obejmuje. Jest ona równa rzeczywistej powierzchni panelu pomnożonej przez sinus kąta między jego płaszczyzną a kierunkiem przepływu (lub, co jest takie samo, przez cosinus kąta między prostopadłą do panelu a kierunkiem przepływu). Zatem jeśli panel jest prostopadły do ​​przepływu, jego powierzchnia efektywna jest równa powierzchni rzeczywistej, jeśli przepływ odbiega od prostopadłej o 60°, jest to połowa powierzchni rzeczywistej, a jeśli przepływ jest równoległy do ​​panelu, jego efektywna powierzchnia wynosi zero. Zatem znaczne odchylenie przepływu od prostopadłego do panelu nie tylko zwiększa odbicie, ale zmniejsza jego powierzchnię efektywną, co powoduje bardzo zauważalny spadek produkcji.

Oczywiście dla naszych celów najskuteczniejsza jest stała orientacja panelu prostopadle do przepływu promieni słonecznych. Będzie to jednak wymagało zmiany położenia panelu w dwóch płaszczyznach, ponieważ pozycja Słońca na niebie zależy nie tylko od pory dnia, ale także pory roku. Chociaż taki system jest z pewnością technicznie możliwy, jest on bardzo złożony, a przez to kosztowny i mało niezawodny.

Pamiętajmy jednak, że przy kątach padania do 30° współczynnik odbicia na granicy powietrze-szkło jest minimalny i praktycznie niezmienny, a w ciągu roku zmienia się kąt maksymalnego wschodu Słońca nad horyzontem od położenia średniego o nie więcej niż ±23°. Efektywna powierzchnia panelu przy odchyleniu od prostopadłości o 23° również pozostaje dość duża – co najmniej 92% jego rzeczywistej powierzchni. Można zatem skupić się na średniej rocznej wysokości maksymalnego wschodu Słońca i praktycznie bez utraty wydajności ograniczyć się do obrotu tylko w jednej płaszczyźnie – wokół osi polarnej Ziemi z prędkością 1 obrotu dziennie . Kąt nachylenia osi takiego obrotu względem poziomu jest równy szerokości geograficznej miejsca. Przykładowo dla Moskwy, położonej na 56° szerokości geograficznej, oś takiego obrotu powinna być nachylona w kierunku północnym o 56° w stosunku do powierzchni (czyli, co to samo, odchylona od pionu o 34°). Taki obrót jest znacznie łatwiejszy do zorganizowania, jednak duży panel wymaga dużo miejsca, aby płynnie się obracać. Ponadto konieczne jest albo zorganizowanie połączenia przesuwnego, które pozwoli na usunięcie całej energii, jaką otrzymuje z stale obracającego się panelu, albo ograniczenie się do elastycznej komunikacji za pomocą stałego połączenia, ale zapewnienie automatycznego powrotu panelu z powrotem w nocy - w przeciwnym razie nie da się uniknąć skręcenia i zerwania komunikacji usuwającej energię. Obydwa rozwiązania radykalnie zwiększają złożoność i zmniejszają niezawodność systemu. Wraz ze wzrostem mocy paneli (a tym samym ich rozmiaru i wagi) problemy techniczne stają się wykładniczo bardziej złożone.

W związku z tym prawie zawsze panele poszczególnych instalacji fotowoltaicznych montowane są nieruchomo, co zapewnia względną taniość i najwyższą niezawodność instalacji. Jednak w tym przypadku szczególnie ważny staje się wybór kąta ułożenia paneli. Rozważmy ten problem na przykładzie Moskwy.

Przyjrzyjmy się wykresom nasłonecznienia dla różnych kątów montażu paneli. Oczywiście panel obracający się za Słońcem nie podlega konkurencji (linia pomarańczowa). Jednak nawet w długie letnie dni jego wydajność przewyższa wydajność paneli stałych poziomych (niebieski) i pochylonych pod optymalnym kątem (czerwony) tylko o około 30%. Ale obecnie jest wystarczająco dużo ciepła i światła! Jednak w okresie największego niedoboru energii, od października do lutego, przewaga panelu obrotowego nad panelem stałym jest minimalna i prawie niezauważalna. To prawda, że ​​\u200b\u200bw tej chwili towarzystwo pochyłego panelu nie jest panelem poziomym, ale panelem pionowym (zielona linia). I nie jest to zaskakujące - niskie promienie zimowego słońca przesuwają się po poziomym panelu, ale są dobrze postrzegane przez pionowy panel, który jest do nich prawie prostopadły. Dlatego w lutym, listopadzie i grudniu panel pionowy jest skuteczniejszy niż nawet panel nachylony i prawie nie różni się od obrotowego. W marcu i październiku dni są dłuższe, a panel obrotowy już zaczyna pewnie (choć niezbyt) przewyższać wszelkie stałe opcje, ale skuteczność paneli nachylonych i pionowych jest prawie taka sama. I tylko w okresie długich dni od kwietnia do sierpnia panel poziomy wyprzedza panel pionowy pod względem odbieranej energii i zbliża się do panelu nachylonego, a w czerwcu nawet nieznacznie go przewyższa. Letnia utrata pionowego panelu jest naturalna - w końcu, powiedzmy, dzień letniej równonocy trwa w Moskwie ponad 17 godzin, a na przedniej (roboczej) półkuli pionowego panelu Słońce może pozostać nie dłużej niż 12 godzin, pozostałe ponad 5 godzin (prawie jedna trzecia godzin dziennych!) ma już za sobą. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że przy kątach padania większych niż 60° udział światła odbitego od powierzchni panelu zaczyna gwałtownie rosnąć, a jego powierzchnia efektywna zmniejsza się o połowę lub więcej, to czas efektywnej percepcji promieniowanie słoneczne dla takiego panelu nie przekracza 8 godzin – czyli mniej niż 50% całkowitego czasu trwania doby. To właśnie tłumaczy fakt, że wydajność paneli pionowych stabilizuje się przez cały okres długich dni – od marca do września. I wreszcie styczeń wyróżnia się nieco - w tym miesiącu wydajność paneli wszystkich orientacji jest prawie taka sama. Faktem jest, że w tym miesiącu w Moskwie jest bardzo pochmurno, a ponad 90% całej energii słonecznej pochodzi z promieniowania rozproszonego, a dla takiego promieniowania orientacja panelu nie jest bardzo ważna (najważniejsze jest, aby nie kierować go w stronę grunt). Jednak kilka słonecznych dni, które jeszcze zdarzają się w styczniu, zmniejsza produkcję panelu poziomego o 20% w porównaniu do pozostałych.

Jaki kąt nachylenia wybrać? Wszystko zależy od tego, kiedy dokładnie potrzebujesz energii słonecznej. Jeśli chcemy używać go tylko w ciepłym okresie (powiedzmy na wsi), to powinniśmy wybrać tzw. „optymalny” kąt pochylenia, prostopadły do ​​średniego położenia Słońca w okresie pomiędzy równonocą wiosenną a jesienną . Jest to około 10° .. 15° mniej niż szerokość geograficzna, a dla Moskwy wynosi 40° .. 45°. Jeśli potrzebujesz energii przez cały rok, to powinieneś „wycisnąć” jej maksimum w deficytowych energetycznie miesiącach zimowych, co oznacza, że ​​musisz skupić się na średnim położeniu Słońca pomiędzy równonocą jesienną a wiosenną i umieścić panele bliżej pion - 5° .. 15° więcej niż szerokość geograficzna (dla Moskwy będzie to 60° .. 70°). Jeśli ze względów architektonicznych lub projektowych nie jest możliwe zachowanie takiego kąta i musisz wybrać pomiędzy kątem nachylenia 40° lub mniejszym a montażem pionowym, powinieneś preferować położenie pionowe. Jednocześnie „niedobór” energii podczas długich letnich dni nie jest aż tak krytyczny – w tym okresie naturalnego ciepła i światła jest mnóstwo, a zapotrzebowanie na produkcję energii zwykle nie jest tak duże jak zimą i poza domem. -pora roku. Naturalnie nachylenie panelu powinno być zorientowane na południe, choć odchylenie od tego kierunku o 10°.. 15° na wschód lub zachód niewiele zmienia i dlatego jest całkiem akceptowalne.

Poziome rozmieszczenie paneli słonecznych w całej Rosji jest nieskuteczne i całkowicie nieuzasadnione. Oprócz zbyt dużego spadku produkcji energii w okresie jesienno-zimowym, na panelach poziomych intensywnie gromadzi się kurz, a zimą także śnieg, z którego można je usunąć jedynie za pomocą specjalnie zorganizowanego czyszczenia (najczęściej ręcznego). Jeżeli nachylenie panelu przekracza 60°, to śnieg na jego powierzchni nie zalega zbyt długo i zwykle szybko sam się kruszy, a cienka warstwa kurzu jest łatwo zmywana przez deszcz.

Ponieważ ceny urządzeń fotowoltaicznych ostatnio spadają, korzystne może być zamiast jednego pola paneli słonecznych zorientowanych na południe zastosowanie dwóch o większej mocy całkowitej, zorientowanych na sąsiadujące (południowy wschód i południowy zachód) lub nawet przeciwne (wschód) i zachód) w kierunkach kardynalnych. Zapewni to bardziej równomierną produkcję w dni słoneczne i zwiększoną produkcję w dni pochmurne, natomiast reszta sprzętu pozostanie zaprojektowana na tę samą, stosunkowo małą moc, a co za tym idzie, będzie bardziej kompaktowa i tańsza.

I ostatnia rzecz. Szkło, którego powierzchnia nie jest gładka, ale ma specjalny relief, jest w stanie znacznie efektywniej odbierać światło boczne i przekazywać je do elementów roboczych panelu słonecznego. Najbardziej optymalny wydaje się falisty relief z orientacją występów i wgłębień z północy na południe (w przypadku paneli pionowych - od góry do dołu) - rodzaj soczewki liniowej. Szkło faliste może zwiększyć produkcję stałego panelu o 5% lub więcej.

Tradycyjne typy instalacji fotowoltaicznych

Co jakiś czas pojawiają się doniesienia o budowie kolejnej elektrowni słonecznej (SPP) lub zakładu odsalania. Termiczne kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne stosowane są na całym świecie, od Afryki po Skandynawię. Te metody wykorzystania energii słonecznej rozwijają się od dziesięcioleci; poświęconych im jest wiele stron w Internecie. Dlatego tutaj rozważę je bardzo ogólnie. Jednak jeden ważny punkt praktycznie nie jest poruszany w Internecie - jest to dobór konkretnych parametrów przy tworzeniu indywidualnego systemu zasilania energią słoneczną. Tymczasem to pytanie nie jest tak proste, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Przykład doboru parametrów dla układu zasilanego energią słoneczną podano na osobnej stronie.

Panele słoneczne

Najogólniej przez „baterię słoneczną” można rozumieć dowolny zestaw identycznych modułów odbierających promieniowanie słoneczne i połączonych w jedno urządzenie, także te czysto termiczne, choć tradycyjnie termin ten był przypisywany specjalnie panelom konwerterów fotoelektrycznych. Dlatego termin „bateria słoneczna” prawie zawsze odnosi się do urządzenia fotowoltaicznego, które bezpośrednio przekształca promieniowanie słoneczne w prąd elektryczny. Technologia ta aktywnie rozwija się od połowy XX wieku. Ogromną zachętą do jej rozwoju była eksploracja kosmosu, gdzie baterie słoneczne mogą obecnie konkurować jedynie z małogabarytowymi źródłami energii jądrowej pod względem wytwarzanej mocy i czasu pracy. W tym czasie sprawność konwersji baterii słonecznych wzrosła z jednego lub dwóch procent do 17% lub więcej w produkowanych masowo, stosunkowo tanich modelach i ponad 42% w prototypach. Żywotność i niezawodność działania znacznie wzrosły.

Zalety paneli słonecznych

Główną zaletą paneli słonecznych jest ich wyjątkowa prostota konstrukcji i całkowity brak ruchomych części. Efektem jest niski ciężar właściwy i bezpretensjonalność połączona z dużą niezawodnością, a także najprostszym możliwym montażem i minimalnymi wymaganiami konserwacyjnymi podczas pracy (zwykle wystarczy po prostu usunąć gromadzący się brud z powierzchni roboczej). Reprezentując płaskie elementy o małej grubości, z powodzeniem można je umieścić na połaci dachu skierowanej w stronę słońca lub na ścianie domu, praktycznie bez konieczności stosowania dodatkowej przestrzeni lub budowy oddzielnych, nieporęcznych konstrukcji. Warunek jest tylko taki, aby nic nie zasłaniało ich jak najdłużej.

Kolejną ważną zaletą jest to, że energia jest generowana natychmiastowo w postaci prądu elektrycznego – w najbardziej uniwersalnej i wygodnej dotychczas formie.

Niestety nic nie trwa wiecznie – sprawność konwerterów fotowoltaicznych maleje wraz z ich żywotnością. Płytki półprzewodnikowe, z których zwykle buduje się panele słoneczne, z czasem ulegają degradacji i tracą swoje właściwości, przez co i tak już niezbyt wysoka wydajność ogniw słonecznych staje się jeszcze niższa. Długotrwała ekspozycja na wysokie temperatury przyspiesza ten proces. Początkowo uznałem to za wadę akumulatorów fotowoltaicznych, zwłaszcza że „martwych” ogniw fotowoltaicznych nie można przywrócić. Jest jednak mało prawdopodobne, aby jakikolwiek mechaniczny generator elektryczny był w stanie wykazać się sprawnością na poziomie co najmniej 1% już po 10 latach ciągłej pracy - najprawdopodobniej będzie wymagał poważnych napraw znacznie wcześniej ze względu na zużycie mechaniczne, jeśli nie łożysk, to szczotek - a nowoczesne fotokonwertery są w stanie zachować swoją wydajność przez dziesięciolecia. Według optymistycznych szacunków w ciągu 25 lat wydajność baterii słonecznej spada zaledwie o 10%, co oznacza, że ​​jeśli nie zaczną działać inne czynniki, to nawet po 100 latach pozostanie prawie 2/3 pierwotnej wydajności. Jednak w przypadku masowych komercyjnych ogniw fotowoltaicznych na bazie krzemu poli- i monokrystalicznego uczciwi producenci i sprzedawcy podają nieco inne wskaźniki starzenia - po 20 latach należy spodziewać się utraty sprawności nawet do 20% (wtedy teoretycznie po 40 latach sprawność będzie wynosić 2/3 pierwotnej wydajności, zmniejszonej o połowę w ciągu 60 lat, a po 100 latach pozostanie nieco mniej niż 1/3 pierwotnej wydajności). Ogólnie rzecz biorąc, normalna żywotność nowoczesnych fotokonwerterów wynosi co najmniej 25...30 lat, więc degradacja nie jest tak krytyczna, a o wiele ważniejsze jest, aby w odpowiednim czasie wytrzeć z nich kurz...

Jeśli akumulatory zostaną zamontowane w taki sposób, aby naturalny pył był praktycznie nieobecny lub był szybko zmywany przez naturalne deszcze, wówczas będą mogły pracować bez żadnej konserwacji przez wiele lat. Kolejną zaletą jest możliwość tak długiego czasu pracy w trybie bezobsługowym.

Wreszcie panele słoneczne są w stanie wytwarzać energię od świtu do zmierzchu, nawet przy pochmurnej pogodzie, gdy temperatura kolektorów słonecznych różni się tylko nieznacznie od temperatury otoczenia. Oczywiście w porównaniu do pogodnego, słonecznego dnia ich produktywność spada wielokrotnie, ale coś jest lepsze niż nic! Pod tym względem szczególnie interesujący jest rozwój akumulatorów o maksymalnej konwersji energii w tych zakresach, w których chmury absorbują najmniej promieniowania słonecznego. Dodatkowo przy wyborze fotokonwerterów słonecznych należy zwrócić uwagę na zależność wytwarzanego przez nie napięcia od oświetlenia - powinno być ono jak najmniejsze (w przypadku spadku oświetlenia najpierw powinien spaść prąd, a nie napięcie, bo w przeciwnym razie do uzyskać chociaż jakiś pożyteczny efekt W pochmurne dni trzeba będzie zastosować kosztowny sprzęt dodatkowy, który na siłę podnosi napięcie do minimum wystarczającego do ładowania akumulatorów i obsługi falowników).

Wady paneli słonecznych

Oczywiście panele słoneczne mają wiele wad. Oprócz zależności od pogody i pory dnia, można zauważyć następujące kwestie.

Słaba efektywność. Ten sam kolektor słoneczny, przy odpowiednim doborze kształtu i materiału powierzchni, jest w stanie pochłonąć niemal całe docierające do niego promieniowanie słoneczne w niemal całym spektrum częstotliwości niosących zauważalną energię – od dalekiej podczerwieni po ultrafiolet. Baterie słoneczne przetwarzają energię selektywnie - do roboczego wzbudzenia atomów potrzebne są określone energie fotonów (częstotliwości promieniowania), dlatego w niektórych pasmach częstotliwości konwersja jest bardzo efektywna, podczas gdy w innych zakresach częstotliwości są dla nich bezużyteczne. Dodatkowo energia wychwytywanych przez nie fotonów jest wykorzystywana kwantowo – jej „nadmiar”, przekraczający wymagany poziom, ulega nagrzaniu materiału fotokonwertera, co w tym przypadku jest szkodliwe. To w dużej mierze wyjaśnia ich niską skuteczność.
Nawiasem mówiąc, jeśli wybierzesz niewłaściwy materiał powłoki ochronnej, możesz znacznie zmniejszyć wydajność baterii. Sprawę pogarsza fakt, że zwykłe szkło dość dobrze absorbuje wysokoenergetyczną część ultrafioletu, a dla niektórych typów fotokomórek ten konkretny zakres jest bardzo istotny – energia fotonów podczerwieni jest dla nich zbyt mała.

Wrażliwość na wysoką temperaturę. Wraz ze wzrostem temperatury spada wydajność ogniw słonecznych, podobnie jak prawie wszystkich innych urządzeń półprzewodnikowych. W temperaturach powyżej 100..125°C mogą chwilowo utracić swoją funkcjonalność, a jeszcze większe nagrzanie grozi ich nieodwracalnym uszkodzeniem. Dodatkowo podwyższone temperatury przyspieszają degradację fotokomórek. Dlatego konieczne jest podjęcie wszelkich środków, aby zmniejszyć ogrzewanie, które jest nieuniknione pod palącymi bezpośrednimi promieniami słońca. Zazwyczaj producenci ograniczają nominalny zakres temperatur pracy fotokomórek do +70°..+90°C (oznacza to nagrzewanie się samych elementów, a temperatura otoczenia powinna być oczywiście znacznie niższa).
Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że wrażliwa powierzchnia raczej delikatnych fotokomórek jest często pokryta szkłem ochronnym lub przezroczystym tworzywem sztucznym. Jeśli pomiędzy osłoną ochronną a powierzchnią fotokomórki pozostanie szczelina powietrzna, powstaje rodzaj „szklarni”, pogłębiając przegrzanie. To prawda, że ​​​​zwiększając odległość między szkłem ochronnym a powierzchnią fotokomórki i łącząc tę ​​wnękę z atmosferą powyżej i poniżej, można zorganizować konwekcyjny przepływ powietrza, który w naturalny sposób chłodzi fotokomórki. Jednak przy dużym nasłonecznieniu i przy wysokich temperaturach zewnętrznych może to nie wystarczyć, ponadto metoda ta przyczynia się do przyspieszonego pylenia powierzchni roboczej fotokomórek. Dlatego nawet niezbyt duża bateria słoneczna może wymagać specjalnego układu chłodzenia. Gwoli ścisłości trzeba powiedzieć, że takie systemy zazwyczaj łatwo zautomatyzować, a napęd wentylatora czy pompy zużywa jedynie niewielką część wytworzonej energii. W przypadku braku silnego słońca ogrzewanie nie jest zbyt duże i w ogóle nie jest potrzebne chłodzenie, więc energię zaoszczędzoną na napędzaniu układu chłodzenia można wykorzystać do innych celów. Należy zaznaczyć, że w nowoczesnych panelach produkowanych fabrycznie powłoka ochronna z reguły ściśle przylega do powierzchni fotokomórek i odprowadza ciepło na zewnątrz, jednak w konstrukcjach domowych mechaniczny kontakt z szybą ochronną może spowodować uszkodzenie fotokomórki.

Wrażliwość na nierównomierność oświetlenia. Z reguły, aby uzyskać mniej lub bardziej wygodne w użyciu napięcie na wyjściu akumulatora (12, 24 lub więcej woltów), fotokomórki łączy się w obwody szeregowe. O prądzie w każdym takim łańcuchu, a co za tym idzie o jego mocy, decyduje najsłabsze ogniwo – fotokomórka o najgorszych parametrach lub o najmniejszym oświetleniu. Zatem jeśli choć jeden element łańcucha znajdzie się w cieniu, znacznie zmniejsza to wydajność całego łańcucha – straty są nieproporcjonalne do zacienienia (co więcej, w przypadku braku diod ochronnych taki element zacznie rozpraszać energię moc generowana przez pozostałe elementy!). Nieproporcjonalnego zmniejszenia mocy można uniknąć jedynie łącząc wszystkie fotokomórki równolegle, ale wtedy na wyjściu akumulatora przy zbyt niskim napięciu będzie płynął zbyt duży prąd - zwykle dla pojedynczych fotokomórek jest to tylko 0,5..0,7 V, w zależności od ich typu i wielkość ładunku.

Wrażliwość na zanieczyszczenia. Nawet ledwo zauważalna warstwa brudu na powierzchni ogniw słonecznych lub szkła ochronnego może pochłonąć znaczną część światła słonecznego i znacznie zmniejszyć produkcję energii. W zapylonym mieście będzie to wymagało częstego czyszczenia powierzchni paneli fotowoltaicznych, szczególnie tych zainstalowanych poziomo lub pod niewielkim kątem. Oczywiście ta sama procedura jest konieczna po każdym opadzie śniegu i po burzy piaskowej... Jednak z dala od miast, stref przemysłowych, ruchliwych dróg i innych silnych źródeł pyłu pod kątem 45° lub większym, deszcz jest w stanie całkiem nieźle spowodować zmywając naturalny pył z powierzchni paneli, „automatycznie” utrzymując je w w miarę czystym stanie. A śnieg na takim zboczu, również skierowanym na południe, zwykle nie utrzymuje się długo nawet w bardzo mroźne dni. Zatem z dala od źródeł zanieczyszczeń atmosferycznych panele fotowoltaiczne mogą z powodzeniem działać latami bez żadnej konserwacji, jeśli tylko na niebie będzie słońce!

Wreszcie ostatnią, ale najważniejszą przeszkodą w powszechnym zastosowaniu fotowoltaicznych paneli słonecznych jest ich dość wysoka cena. Koszt elementów baterii słonecznych wynosi obecnie co najmniej 1 $/W (1 kW - 1000 $) i dotyczy to modyfikacji o niskiej wydajności bez uwzględnienia kosztów montażu i instalacji paneli, a także bez uwzględnienia cena akumulatorów, sterowników ładowania i inwerterów (przetwornic generowanego prądu stałego niskiego napięcia na standard domowy lub przemysłowy). W większości przypadków, aby uzyskać minimalny szacunek rzeczywistych kosztów, liczby te należy pomnożyć 3-5 razy przy samodzielnym montażu z pojedynczych ogniw słonecznych i 6-10 razy przy zakupie gotowych zestawów sprzętu (plus koszty instalacji).

Ze wszystkich elementów układu zasilania wykorzystującego baterie fotowoltaiczne, baterie mają najkrótszą żywotność, jednak producenci nowoczesnych baterii bezobsługowych twierdzą, że w tzw. trybie buforowym będą one działać przez około 10 lat (lub wypracują tradycyjne 1000 cykli mocnego ładowania i rozładowywania – jeśli liczyć jeden cykl dziennie, to w tym trybie wystarczą 3 lata). Zwracam uwagę, że koszt akumulatorów wynosi zwykle tylko 10-20% całkowitego kosztu całego systemu, a koszt falowników i kontrolerów ładowania (oba są złożonymi produktami elektronicznymi i dlatego istnieje pewne prawdopodobieństwo ich awarii) jest równy mniej. Zatem biorąc pod uwagę długą żywotność i zdolność do długotrwałej pracy bez konserwacji, fotokonwertery mogą zwrócić się wielokrotnie w ciągu swojego życia i to nie tylko w odległych obszarach, ale także na obszarach zaludnionych - jeśli prąd cła będą rosły w obecnym tempie!

Kolektory słoneczne

Nazwą „kolektory słoneczne” określa się urządzenia wykorzystujące bezpośrednie ogrzewanie ciepłem słonecznym, zarówno pojedyncze, jak i sztaplowane (modułowe). Najprostszym przykładem termicznego kolektora słonecznego jest zbiornik czarnej wody na dachu wspomnianego wiejskiego prysznica (swoją drogą, efektywność podgrzewania wody podczas letniego prysznica można znacznie zwiększyć budując wokół zbiornika mini szklarnię , przynajmniej z folii z tworzywa sztucznego; pożądane jest, aby między folią a ścianami zbiornika na górze i po bokach znajdowała się szczelina 4-5 cm).

Jednak współczesne kolektory w niewielkim stopniu przypominają taki zbiornik. Są to zazwyczaj płaskie konstrukcje wykonane z cienkich, poczerniałych rurek ułożonych w kratkę lub wzór węża. Rury można montować na poczerniałej, przewodzącej ciepło płycie podłoża, która zatrzymuje ciepło słoneczne przedostające się do przestrzeni pomiędzy nimi - pozwala to na zmniejszenie całkowitej długości rur bez utraty wydajności. Aby ograniczyć straty ciepła i zwiększyć nagrzewanie, górną część kolektora można przykryć taflą szkła lub przezroczystego poliwęglanu komórkowego, a na odwrotnej stronie blachy rozprowadzającej ciepło można umieścić warstwę termoizolacji zapobiegającą niepotrzebnej utracie ciepła - swego rodzaju uzyskuje się „szklarnię”. Przez rurę przepływa podgrzana woda lub inny czynnik chłodzący, który można zebrać w izolowanym termicznie zbiorniku. Płyn chłodzący przemieszcza się pod działaniem pompy lub pod wpływem grawitacji w wyniku różnicy gęstości chłodziwa przed i za kolektorem termicznym. W tym drugim przypadku mniej lub bardziej wydajna cyrkulacja wymaga starannego doboru spadków i odcinków rur oraz umieszczenia samego kolektora jak najniżej. Zwykle jednak kolektor umieszcza się w tych samych miejscach, co baterię słoneczną – na nasłonecznionej ścianie lub na nasłonecznionej połaci dachu, chociaż gdzieś trzeba umieścić dodatkowy zbiornik. Bez takiego zbiornika, podczas intensywnego odzysku ciepła (powiedzmy, jeśli trzeba napełnić wannę lub wziąć prysznic), pojemność kolektora może nie wystarczyć, a po krótkim czasie z kranu zacznie wypływać lekko podgrzana woda.

Szkło ochronne oczywiście nieco zmniejsza wydajność kolektora, pochłaniając i odbijając kilka procent energii słonecznej, nawet jeśli promienie padają prostopadle. Gdy promienie padają na szkło pod niewielkim kątem do powierzchni, współczynnik odbicia może dochodzić do 100%. Dlatego przy braku wiatru i konieczności jedynie nieznacznego ogrzania w stosunku do otaczającego powietrza (np. o 5-10 stopni do podlewania ogrodu) konstrukcje „otwarte” mogą być bardziej efektywne niż „przeszklone”. Ale gdy tylko wymagana jest różnica temperatur rzędu kilkudziesięciu stopni lub wzmaga się nawet niezbyt silny wiatr, straty ciepła w konstrukcjach otwartych gwałtownie rosną, a szkło ochronne, ze wszystkimi jego wadami, staje się koniecznością.

Ważna uwaga - należy wziąć pod uwagę, że w upalny słoneczny dzień, jeśli nie zostanie poddana analizie, woda może się przegrzać powyżej temperatury wrzenia, dlatego należy zachować odpowiednie środki ostrożności przy projektowaniu kolektora (zapewnić zabezpieczenie zawór). W otwartych kolektorach bez szkła ochronnego takie przegrzanie zwykle nie stanowi problemu.

W ostatnim czasie popularne są kolektory słoneczne oparte na tzw. rurkach cieplnych (nie mylić z „rurkami cieplnymi” służącymi do odprowadzania ciepła z układów chłodzenia komputerów!). W przeciwieństwie do omówionej powyżej konstrukcji, tutaj każda podgrzewana metalowa rurka, przez którą przepływa płyn chłodzący, jest wlutowana wewnątrz szklanej rurki, a powietrze jest wypompowywane z przestrzeni pomiędzy nimi. Okazuje się, że jest to analog termosu, w którym dzięki próżniowej izolacji termicznej straty ciepła zmniejszają się 20-krotnie lub więcej. W rezultacie, według producentów, gdy na zewnątrz szyby panuje mróz do -35°C, woda w wewnętrznej metalowej rurce ze specjalną powłoką pochłaniającą najszersze możliwe spektrum promieniowania słonecznego nagrzewa się do +50.. +70°C (różnica ponad 100°C). Wydajna absorpcja w połączeniu z doskonałą izolacją termiczną pozwala na podgrzanie płynu chłodzącego nawet przy pochmurnej pogodzie, choć moc grzewcza jest oczywiście kilkukrotnie mniejsza niż w pełnym słońcu. Kluczowe jest tutaj zapewnienie zachowania próżni w szczelinie pomiędzy rurkami, czyli szczelności próżniowej złącza szkła i metalu, w bardzo szerokim zakresie temperatur, sięgającym 150°C, przez cały okres użytkowania wielu lat. Z tego powodu przy produkcji takich kolektorów nie da się obejść bez starannego skoordynowania współczynników rozszerzalności cieplnej szkła i metalu oraz zaawansowanych technologicznie procesów produkcyjnych, co powoduje, że w warunkach rzemieślniczych raczej nie uda się wykonać pełnoprawna próżniowa rura cieplna. Ale prostsze projekty kolektorów można wykonać samodzielnie bez żadnych problemów, choć oczywiście ich wydajność jest nieco mniejsza, szczególnie zimą.

Oprócz opisanych powyżej płynnych kolektorów słonecznych istnieją inne ciekawe typy konstrukcji: powietrze (chłodziwem jest powietrze i nie boi się zamarznięcia), „stawy słoneczne” itp. Niestety większość prac badawczo-rozwojowych nad kolektorami słonecznymi poświęcony jest konkretnie modelom płynnym, dlatego alternatywne typy praktycznie nie są produkowane masowo i nie ma o nich zbyt wielu informacji.

Zalety kolektorów słonecznych

Najważniejszą zaletą kolektorów słonecznych jest prostota i stosunkowo niski koszt produkcji ich dość efektywnych opcji, w połączeniu z bezpretensjonalnością w działaniu. Minimum potrzebne do wykonania kolektora własnymi rękami to kilka metrów cienkiej rurki (najlepiej cienkościennej miedzi - można ją wyginać z minimalnym promieniem) i odrobina czarnej farby, przynajmniej lakieru bitumicznego. Zginamy rurkę jak wąż, malujemy ją czarną farbą, ustawiamy w nasłonecznionym miejscu, podłączamy do sieci wodociągowej i najprostszy kolektor słoneczny gotowy! Jednocześnie wężownicę można łatwo nadać niemal dowolnej konfiguracji i maksymalnie wykorzystać całą przestrzeń przeznaczoną na kolektor. Najbardziej skutecznym domowym czernieniem, które jest jednocześnie bardzo odporne na wysokie temperatury i bezpośrednie działanie promieni słonecznych, jest cienka warstwa sadzy. Jednak sadzę można łatwo usunąć i zmyć, więc takie zaczernienie z pewnością będzie wymagało szkła ochronnego i specjalnych środków, aby zapobiec przedostawaniu się ewentualnej kondensacji na pokrytą sadzą powierzchnię.

Kolejną ważną zaletą kolektorów jest to, że w przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych są one w stanie wychwycić i przekształcić aż 90% docierającego do nich promieniowania słonecznego na ciepło, a w najskuteczniejszych przypadkach nawet więcej. Dlatego nie tylko przy dobrej pogodzie, ale także przy lekkim zachmurzeniu wydajność kolektorów przewyższa wydajność baterii fotowoltaicznych. Wreszcie, w przeciwieństwie do baterii fotowoltaicznych, nierównomierne oświetlenie powierzchni nie powoduje nieproporcjonalnego zmniejszenia wydajności kolektora - ważny jest jedynie całkowity (zintegrowany) strumień promieniowania.

Wady kolektorów słonecznych

Kolektory słoneczne są jednak bardziej wrażliwe na warunki atmosferyczne niż panele słoneczne. Nawet przy dużym nasłonecznieniu świeży wiatr może wielokrotnie zmniejszyć wydajność grzewczą otwartego wymiennika ciepła. Szyby ochronne oczywiście znacznie ograniczają utratę ciepła przez wiatr, jednak w przypadku gęstych chmur również są bezsilne. Przy pochmurnej, wietrznej pogodzie z kolektora praktycznie nie ma pożytku, ale bateria słoneczna wyprodukuje chociaż część energii.

Wśród innych wad kolektorów słonecznych zwrócę uwagę przede wszystkim na ich sezonowość. Wystarczą krótkie wiosenne lub jesienne przymrozki nocne, aby lód powstający w rurach nagrzewnicy stworzył niebezpieczeństwo ich pęknięcia. Można to oczywiście wyeliminować, ogrzewając „szklarnię” wężownicą zewnętrznym źródłem ciepła w zimne noce, ale w tym przypadku ogólna efektywność energetyczna kolektora może łatwo stać się ujemna! Inna opcja - rozdzielacz dwuprzewodowy z płynem niezamarzającym w obwodzie zewnętrznym - nie będzie wymagał zużycia energii do ogrzewania, ale będzie znacznie bardziej skomplikowany niż opcje jednoprzewodowe z bezpośrednim podgrzewaniem wody, zarówno podczas produkcji, jak i podczas pracy. Zasadniczo struktury powietrzne nie mogą zamarznąć, ale istnieje inny problem - niska pojemność cieplna właściwa powietrza.

A jednak być może główną wadą kolektora słonecznego jest to, że jest to właśnie urządzenie grzewcze i chociaż próbki produkowane przemysłowo, w przypadku braku analizy cieplnej, mogą podgrzać płyn chłodzący do 190..200 ° C, zwykle osiąganej temperatury rzadko przekracza 60..80°C. Dlatego bardzo trudno jest wykorzystać odebrane ciepło do uzyskania znacznych ilości pracy mechanicznej lub energii elektrycznej. Przecież nawet do pracy najniższej temperatury turbiny parowo-wodnej (np. tej, którą opisał kiedyś V.A. Zysin) konieczne jest przegrzanie wody do co najmniej 110°C! A energia bezpośrednio w postaci ciepła, jak wiadomo, nie jest magazynowana przez długi czas i nawet w temperaturze poniżej 100°C może być zwykle wykorzystywana jedynie do zaopatrzenia w ciepłą wodę i ogrzewania domu. Biorąc jednak pod uwagę niski koszt i łatwość produkcji, może to być wystarczający powód do zakupu własnego kolektora słonecznego.

Aby być uczciwym, należy zauważyć, że „normalny” cykl pracy silnika cieplnego można zorganizować w temperaturach poniżej 100 ° C - albo jeśli obniży się temperaturę wrzenia poprzez zmniejszenie ciśnienia w części parującej poprzez wypompowanie stamtąd pary lub poprzez zastosowanie cieczy, której temperatura wrzenia mieści się pomiędzy temperaturą nagrzewania kolektora słonecznego a temperaturą powietrza otoczenia (optymalnie - 50..60°C). Co prawda pamiętam tylko jeden nieegzotyczny i stosunkowo bezpieczny płyn, który mniej więcej spełnia te warunki - alkohol etylowy, który w normalnych warunkach wrze w temperaturze 78°C. Oczywiście w tym przypadku konieczne będzie zorganizowanie cyklu zamkniętego, rozwiązującego wiele powiązanych problemów. W niektórych sytuacjach obiecujące może być zastosowanie silników ogrzewanych zewnętrznie (silników Stirlinga). Ciekawostką pod tym względem może być także zastosowanie stopów z efektem pamięci kształtu, które zostały opisane na tej stronie w artykule I.V. Nigela – do działania potrzebują jedynie różnicy temperatur 25-30°C.

Stężenie energii słonecznej

Zwiększanie sprawności kolektora słonecznego polega przede wszystkim na stałym podnoszeniu temperatury podgrzewanej wody powyżej temperatury wrzenia. Odbywa się to zwykle poprzez koncentrację energii słonecznej na kolektorze za pomocą luster. Jest to zasada leżąca u podstaw większości elektrowni słonecznych; różnice polegają jedynie na liczbie, konfiguracji i rozmieszczeniu zwierciadeł i kolektora, a także sposobach sterowania zwierciadłami. W rezultacie w punkcie ogniskowania całkiem możliwe jest osiągnięcie temperatury nawet nie setek, ale tysięcy stopni - w takiej temperaturze może już nastąpić bezpośredni rozkład termiczny wody na wodór i tlen (powstały wodór można spalić w nocy i w pochmurne dni)!

Niestety, efektywne działanie takiej instalacji nie jest możliwe bez skomplikowanego systemu sterowania skupianiem zwierciadeł, które muszą śledzić stale zmieniającą się pozycję Słońca na niebie. W przeciwnym razie w ciągu kilku minut punkt ogniskowania opuści kolektor, który w takich układach jest często bardzo mały, a nagrzewanie płynu roboczego ustanie. Nawet zastosowanie zwierciadeł paraboloidalnych tylko częściowo rozwiązuje problem – jeśli nie będą one okresowo obracane za Słońcem, to po kilku godzinach nie wpadnie ono już do ich czaszy lub oświetli jedynie jego krawędź – na niewiele się to zda.

Najprostszym sposobem na skupienie energii słonecznej w domu jest umieszczenie lustra poziomo w pobliżu kolektora, tak aby słońce padało na kolektor przez większą część dnia. Ciekawą opcją jest wykorzystanie powierzchni specjalnie utworzonego zbiornika w pobliżu domu jako takiego lustra, szczególnie jeśli nie jest to zwykły zbiornik, ale „staw słoneczny” (choć nie jest to łatwe do zrobienia, a skuteczność odbicia będzie być znacznie mniejsza niż w przypadku zwykłego lustra). Dobry efekt można osiągnąć tworząc system pionowych luster skupiających (przedsięwzięcie to jest zwykle znacznie bardziej kłopotliwe, ale w niektórych przypadkach uzasadnione może być po prostu zamontowanie dużego lustra na sąsiedniej ścianie, jeśli tworzy ono kąt wewnętrzny z kolektorem). - wszystko zależy od konfiguracji i lokalizacji budynku oraz kolektora).

Przekierowanie promieniowania słonecznego za pomocą luster może również zwiększyć moc baterii fotowoltaicznej. Ale jednocześnie wzrasta jego nagrzewanie, co może spowodować uszkodzenie akumulatora. Dlatego w tym przypadku trzeba ograniczyć się do stosunkowo niewielkiego wzmocnienia (kilkudziesięcioprocentowego, ale nie kilkukrotnego) i uważnie monitorować temperaturę akumulatora, zwłaszcza w gorące, pogodne dni! Właśnie ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania niektórzy producenci baterii fotowoltaicznych bezpośrednio zabraniają pracy swoich produktów przy zwiększonym oświetleniu wytworzonym za pomocą dodatkowych reflektorów.

Zamiana energii słonecznej na energię mechaniczną

Tradycyjne typy instalacji fotowoltaicznych nie wytwarzają bezpośrednio pracy mechanicznej. W tym celu należy podłączyć silnik elektryczny do baterii słonecznej na fotokonwerterach, a w przypadku zastosowania termicznego kolektora słonecznego na wejście pary należy doprowadzić parę przegrzaną (a w przypadku przegrzania jest to mało prawdopodobne bez skupiających lusterek) turbiny lub cylindrów silnika parowego. Kolektory wytwarzające stosunkowo mało ciepła mogą przekształcać ciepło w ruch mechaniczny w bardziej egzotyczny sposób, na przykład za pomocą siłowników ze stopu z pamięcią kształtu.

Istnieją jednak również instalacje polegające na zamianie ciepła słonecznego na pracę mechaniczną, co jest bezpośrednio uwzględnione w ich konstrukcji. Co więcej, ich rozmiary i moc są bardzo różne - to projekt ogromnej wieży solarnej o wysokości kilkuset metrów i skromnej pompy solarnej, która pasowałaby do domku letniskowego.

Żyjemy w świecie przyszłości, choć nie we wszystkich regionach jest to zauważalne. W każdym razie możliwość opracowania nowych źródeł energii jest dziś poważnie dyskutowana w kręgach postępowych. Jednym z najbardziej obiecujących obszarów jest energia słoneczna.

Obecnie około 1% energii elektrycznej na Ziemi pozyskiwane jest z przetwarzania promieniowania słonecznego. Dlaczego więc nie zrezygnowaliśmy jeszcze z innych „szkodliwych” metod i czy w ogóle zrezygnujemy? Zapraszamy do zapoznania się z naszym artykułem i samodzielnego spróbowania odpowiedzi na to pytanie.

Jak energia słoneczna przekształca się w energię elektryczną

Zacznijmy od najważniejszej rzeczy – jak promienie słoneczne przetwarzane są na energię elektryczną.

Sam proces nazywa się „Generacja słoneczna” . Najbardziej skuteczne sposoby zapewnienia tego są następujące:

• fotowoltaika;
• słoneczna energia cieplna;
• elektrownie balonowe na energię słoneczną.

Przyjrzyjmy się każdemu z nich.

Fotowoltaika

W tym przypadku prąd elektryczny pojawia się z powodu efekt fotowoltaiczny. Zasada jest następująca: światło słoneczne uderza w fotokomórkę, elektrony pochłaniają energię fotonów (cząstek światła) i zaczynają się poruszać. W rezultacie otrzymujemy napięcie elektryczne.

Dokładnie taki sam proces zachodzi w panelach fotowoltaicznych, które opierają się na elementach przetwarzających promieniowanie słoneczne na energię elektryczną.

Sama konstrukcja paneli fotowoltaicznych jest dość elastyczna i może mieć różne rozmiary. Dlatego są bardzo praktyczne w użyciu. Ponadto panele charakteryzują się wysokimi właściwościami użytkowymi: są odporne na opady atmosferyczne i zmiany temperatury.

A oto jak to działa oddzielny moduł panelu słonecznego:

Można przeczytać o zastosowaniu paneli słonecznych jako ładowarek, źródeł zasilania w domach prywatnych, do poprawy urbanizacji i do celów medycznych.

Nowoczesne panele słoneczne i elektrownie

Najnowsze przykłady obejmują panele słoneczne firmy Sykstyński Solar. Mogą mieć dowolny odcień i fakturę, w przeciwieństwie do tradycyjnych paneli w kolorze ciemnoniebieskim. Oznacza to, że można nimi „ozdobić” dach domu według własnego uznania.

Inne rozwiązanie zaproponowali programiści Tesli. Wprowadzili na rynek nie tylko panele, ale pełnowartościowe pokrycia dachowe przetwarzające energię słoneczną. zawiera wbudowane moduły słoneczne i może mieć również szeroką gamę wzorów. Jednocześnie sam materiał jest znacznie mocniejszy niż zwykła dachówka; Solar Roof ma nawet nieograniczoną gwarancję.

Przykładem pełnoprawnej elektrowni słonecznej jest niedawno zbudowana w Europie stacja z dwustronnymi panelami. Te ostatnie zbierają zarówno bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jak i promieniowanie odblaskowe. Pozwala to zwiększyć efektywność wytwarzania energii słonecznej o 30%. Stacja ta powinna generować około 400 MWh rocznie.

Interesujące jest również największa pływająca elektrownia słoneczna w Chinach. Jego moc wynosi 40 MW. Takie rozwiązania mają 3 ważne zalety:

• nie ma potrzeby zajmowania dużych obszarów lądowych, co jest ważne dla Chin;
• w zbiornikach zmniejsza się parowanie wody;
• Same fotokomórki mniej się nagrzewają i działają wydajniej.

Nawiasem mówiąc, ta pływająca elektrownia słoneczna została zbudowana na terenie opuszczonego przedsiębiorstwa górniczego.

Najbardziej obiecująca jest dziś technologia oparta na efekcie fotowoltaicznym, a zdaniem ekspertów panele słoneczne będą w stanie wyprodukować około 20% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną w ciągu najbliższych 30-40 lat.

Energia cieplna słońca

Tutaj podejście jest trochę inne, ponieważ... promieniowanie słoneczne służy do ogrzewania pojemnika zawierającego ciecz. Dzięki temu zamienia się w parę, która wprawia w ruch turbinę, w wyniku czego wytwarzana jest energia elektryczna.

Elektrownie cieplne działają na tej samej zasadzie, tylko ciecz jest podgrzewana poprzez spalanie węgla.

Najbardziej oczywistym przykładem zastosowania tej technologii jest Stacja słoneczna Ivanpah na pustyni Mojave. Jest to największa na świecie elektrownia słoneczna.

Działa od 2014 roku i do produkcji prądu nie wykorzystuje żadnego paliwa, a jedynie przyjazną dla środowiska energię słoneczną.

Kocioł wodny znajduje się w wieżach, które można zobaczyć pośrodku konstrukcji. Wokół znajduje się pole luster, które kierują promienie słoneczne na szczyt wieży. Jednocześnie komputer stale obraca te lustra w zależności od położenia słońca.

Pod wpływem skoncentrowanej energii słonecznej woda w wieży nagrzewa się i zamienia w parę. Wytwarza się ciśnienie, a para zaczyna obracać turbinę, powodując uwolnienie energii elektrycznej. Moc tej stacji wynosi 392 megawatów, co można łatwo porównać ze średnią elektrownią cieplną w Moskwie.

Co ciekawe, takie stacje mogą działać w nocy. Jest to możliwe poprzez umieszczenie części podgrzanej pary w magazynie i stopniowe wykorzystanie jej do obracania turbiny.

Elektrownie balonowe na energię słoneczną

To oryginalne rozwiązanie, choć niezbyt powszechnie stosowane, wciąż ma swoje miejsce.

Sama instalacja składa się z 4 głównych części:

• Aerostat – umieszczony na niebie, zbierający promieniowanie słoneczne. Woda dostaje się do kuli i szybko się nagrzewa, zamieniając się w parę.
• Rurociąg parowy - przez niego para pod ciśnieniem opada do turbiny, powodując jej obrót.
• Turbina – pod wpływem przepływu pary obraca się wytwarzając energię elektryczną.
• Skraplacz i pompa – para przechodząca przez turbinę jest skraplana do postaci wody, która za pomocą pompy unosi się do balonu, gdzie ponownie jest podgrzewana do stanu pary.

Jakie są zalety energii słonecznej

• Słońce będzie nadal dostarczać nam swojej energii przez kilka kolejnych miliardów lat. Jednocześnie ludzie nie muszą wydawać pieniędzy i zasobów, aby je wydobyć.
• Wytwarzanie energii słonecznej jest procesem całkowicie przyjaznym dla środowiska i nieszkodliwym dla przyrody.
• Autonomia procesu. Pozyskiwanie światła słonecznego i wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się przy minimalnej interwencji człowieka. Jedyne, co musisz zrobić, to utrzymywać blaty robocze i lustra w czystości.
• Zużyte panele słoneczne można poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać w produkcji.

Problemy rozwoju energetyki słonecznej

Pomimo wdrożenia pomysłów na utrzymanie pracy elektrowni słonecznych w nocy, nikt nie jest odporny na kaprysy natury. Kilkudniowe zachmurzenie znacząco ogranicza produkcję energii elektrycznej, jednak ludność i przedsiębiorstwa potrzebują nieprzerwanych dostaw.

Budowa elektrowni słonecznej nie jest tanią przyjemnością. Wynika to z konieczności wykorzystania w ich konstrukcji rzadkich elementów. Nie wszystkie kraje są gotowe marnować budżety na słabsze elektrownie, podczas gdy działają elektrownie cieplne i elektrownie jądrowe.

Do umieszczenia takich instalacji wymagane są duże powierzchnie i miejsca, w których nasłonecznienie jest wystarczające.

Jak rozwija się energia słoneczna w Rosji?

Niestety, nasz kraj w dalszym ciągu na pełnych obrotach spala węgiel, gaz i ropę naftową, a Rosja z pewnością będzie jedną z ostatnich, która całkowicie przestawi się na energetykę alternatywną.

Spotykać się z kimś produkcja energii słonecznej stanowi zaledwie 0,03% bilansu energetycznego Federacji Rosyjskiej. Dla porównania w Niemczech odsetek ten wynosi ponad 20%. Prywatni przedsiębiorcy nie są zainteresowani inwestycjami w energię słoneczną ze względu na długi okres zwrotu i niezbyt wysoką rentowność, ponieważ gaz jest u nas znacznie tańszy.

W rozwiniętych gospodarczo regionach Moskwy i Leningradu aktywność słoneczna jest na niskim poziomie. Tam budowa elektrowni słonecznych jest po prostu niepraktyczna. Ale południowe regiony są całkiem obiecujące.