Procesul care generează energie solară. Principiul conversiei energiei solare, aplicarea și perspectivele acesteia

În fiecare zi, cantitatea de rezerve mondiale de cărbune, petrol, gaz, adică tot ceea ce ne servește astăzi drept sursă de energie, scade. Și în viitorul apropiat, omenirea va ajunge în punctul în care pur și simplu nu vor mai rămâne combustibili fosili. Prin urmare, toate țările caută în mod activ salvarea din catastrofa care se apropie cu repeziciune de noi. Iar primul mijloc de mântuire care îmi vine în minte este, desigur, energia soarelui, care a fost folosită de oameni din timpuri imemoriale pentru uscarea hainelor, iluminarea caselor și gătitul. Aceasta a dat naștere uneia dintre domeniile energiei alternative - energia solară.

Sursa de energie pentru energia solară este energia luminii solare, care este transformată în căldură sau electricitate folosind structuri speciale. Potrivit experților, în doar o săptămână, suprafața pământului primește o cantitate de energie de la soare care depășește energia rezervelor mondiale de toate tipurile de combustibil. Și, deși ritmul de dezvoltare a acestei zone de energie alternativă este în continuă creștere, energia solară are încă nu numai avantaje, ci și dezavantaje.

Dacă principalele avantaje includ accesibilitatea și, cel mai important, inepuizabilitatea sursei de energie, atunci dezavantajele includ:

• nevoia de a acumula energia primită de la soare,
• cost semnificativ al echipamentului utilizat,
• dependență de condițiile meteorologice și de ora din zi,
• creșterea temperaturii atmosferice deasupra centralelor electrice etc.

Caracteristicile numerice ale radiației solare

Există un astfel de indicator precum constanta solară. Valoarea sa este de 1367 W. Aceasta este exact cantitatea de energie pe 1 mp. Planeta Pământ. Dar din cauza atmosferei, la suprafața pământului ajunge cu aproximativ 20-25% mai puțină energie. Prin urmare, valoarea energiei solare pe metru pătrat, de exemplu, la ecuator este de 1020 W. Și ținând cont de schimbarea zilei și a nopții, schimbarea unghiului soarelui deasupra orizontului, această cifră scade de aproximativ 3 ori.

Dar de unde vine această energie? Oamenii de știință au început să studieze această problemă în secolul al XIX-lea, iar versiunile au fost complet diferite. Astăzi, ca urmare a unui număr mare de studii, se știe cu încredere că sursa de energie solară este reacția de transformare a 4 atomi de hidrogen într-un nucleu de heliu. Ca rezultat al acestui proces, o cantitate semnificativă de energie este eliberată. De exemplu, energia eliberată în timpul transformării a 1 g. hidrogenul este comparabil cu energia eliberată în timpul arderii a 15 tone de benzină.

Conversia energiei solare

Știm deja că energia primită de la soare trebuie transformată într-o altă formă. Necesitatea acestui lucru apare din cauza faptului că omenirea nu are încă astfel de dispozitive care ar putea consuma energia solară în forma sa pură. Prin urmare, au fost dezvoltate surse de energie precum colectoarele solare și panourile solare. Dacă primul este folosit pentru a genera energie termică, atunci al doilea produce electricitate direct.

Există mai multe moduri de a converti energia solară:

• fotovoltaice;
• energia termică a aerului;
• energie solară termică;
• folosind centrale electrice cu baloane solare.

Cea mai comună metodă este fotovoltaica. Principiul acestei conversii este utilizarea panourilor solare fotovoltaice, sau a panourilor solare, așa cum se mai numesc, prin care energia solară este transformată în energie electrică. De regulă, astfel de panouri sunt fabricate din siliciu, iar grosimea suprafeței lor de lucru este de doar câteva zecimi de milimetru. Ele pot fi plasate oriunde, există o singură condiție - prezența unei cantități mari de lumină solară. O opțiune excelentă pentru instalarea plăcilor fotografice pe acoperișurile clădirilor rezidențiale și clădirilor publice.

Pe lângă plăcile fotografice discutate mai sus, panourile cu peliculă subțire sunt folosite pentru a converti energia radiației solare. Se disting prin grosimea lor și mai mică, ceea ce le permite să fie instalate oriunde, dar un dezavantaj semnificativ al unor astfel de panouri este eficiența lor scăzută. Din acest motiv instalarea lor se va justifica doar pentru suprafețe mari. Doar pentru distracție, panoul cu peliculă subțire poate fi plasat chiar și pe o carcasă pentru laptop sau pe o geantă de mână.

În energia termică a aerului, energia solară este convertită în energia fluxului de aer, care este apoi trimisă la un turbogenerator. Dar în cazul utilizării centralelor electrice cu baloane solare, în interiorul balonului sunt generați vapori de apă. Acest efect se realizează prin încălzirea suprafeței balonului, pe care se aplică un strat de absorbție selectivă, de lumina soarelui. Principalul avantaj al acestei metode este furnizarea suficientă de abur, care este suficient pentru a continua funcționarea centralei pe vreme rea și pe timp de noapte.

Principiul energiei solare este de a încălzi o suprafață care absoarbe razele soarelui și le focalizează pentru utilizarea ulterioară a căldurii rezultate. Cel mai simplu exemplu este încălzirea apei, care poate fi apoi folosită pentru nevoile casnice, de exemplu, pentru a fi alimentată la canalizare sau baterii, economisind în același timp gaz sau alt combustibil. La scară industrială, energia radiației solare obținută prin această metodă este transformată în energie electrică cu ajutorul motoarelor termice. Construcția unor astfel de centrale electrice combinate poate dura peste 20 de ani, dar ritmul de dezvoltare a energiei solare nu este în scădere, ci, dimpotrivă, este în continuă creștere.

Unde poate fi folosită energia solară?

Energia solară poate fi utilizată în domenii complet diferite - de la industria chimică la industria auto, de la gătit la încălzirea spațiilor. De exemplu, utilizarea panourilor solare în industria auto datează din 1955. Anul acesta a fost marcat de lansarea primei mașini care a funcționat cu baterii solare. Astăzi, BMW, Toyota și alte companii importante produc astfel de mașini.

În viața de zi cu zi, energia solară este folosită pentru încălzirea încăperilor, pentru iluminat și chiar pentru gătit. De exemplu, cuptoarele solare din folie și carton, la inițiativa ONU, sunt folosite activ de refugiații care au fost nevoiți să-și părăsească locuințele din cauza situației politice dificile. Cuptoare solare mai complexe sunt utilizate pentru tratarea termică și topirea metalelor. Unul dintre cele mai mari astfel de cuptoare este situat în Uzbekistan.

Cele mai interesante invenții privind utilizarea energiei solare includ:

• O husă de protecție pentru un telefon cu fotocelulă, care este și încărcător.
• Un rucsac cu un panou solar atașat la el. Vă va permite să vă încărcați nu numai telefonul, ci și tableta și chiar camera foto, în general, orice electronică care are o intrare USB.
• Căști solare Bluetooth.

Iar cea mai creativă idee sunt hainele din material special. O jachetă, cravată și chiar un costum de baie - toate acestea pot deveni nu doar un articol din garderoba ta, ci și un încărcător.

Dezvoltarea energiei alternative în țările CSI

Energia alternativă, inclusiv solară, se dezvoltă într-un ritm ridicat nu numai în SUA, Europa sau India, ci și în țările CSI, inclusiv Rusia, Kazahstan și în special Ucraina. De exemplu, cea mai mare centrală solară din fosta Uniune Sovietică, Perovo, a fost construită în Crimeea. Construcția sa a fost finalizată în 2011. Această centrală a devenit al treilea proiect inovator al companiei austriece Activ Solar. Puterea de vârf a lui Perovo este de aproximativ 100 MW.

Și în octombrie același an, Activ Solar a lansat o altă centrală solară, Ohotnikovo, tot în Crimeea. Puterea sa a fost de 80 MW. Okhotnikovo a primit și statutul de cel mai mare, dar din Europa Centrală și de Est. Putem spune că energia alternativă în Ucraina a făcut un pas uriaș către o energie sigură și inepuizabilă.

În Kazahstan, situația arată puțin diferit. Practic, dezvoltarea energiei alternative în această țară are loc doar în teorie. Republica are un potențial enorm, dar nu a fost încă realizat pe deplin. Desigur, guvernul se ocupă de această problemă și chiar a fost elaborat un plan pentru dezvoltarea energiei alternative în Kazahstan, dar ponderea energiei obținute din surse regenerabile, în special din soare, nu va fi mai mare de 1% în bilanţul energetic global al ţării. Până în 2020, există planuri de a lansa doar 4 centrale solare, a căror capacitate totală va fi de 77 MW.

Energia alternativă în Rusia se dezvoltă, de asemenea, într-un ritm considerabil. Dar, după cum a spus ministrul adjunct al Energiei, accentul în acest domeniu este în principal pe regiunile din Orientul Îndepărtat. De exemplu, în Yakutia, producția totală a 4 centrale solare care funcționează în cele mai îndepărtate sate din nord s-a ridicat la peste 50 mii kWh. Acest lucru a permis economisirea a mai mult de 14 tone de motorină scumpă. Un alt exemplu de utilizare a energiei solare este complexul de aviație multifuncțional aflat în construcție în regiunea Lipetsk. Electricitatea pentru funcționarea sa va fi generată de prima centrală solară, construită tot în regiunea Lipetsk.

Toate acestea ne permit să tragem următoarea concluzie: astăzi toate țările, chiar și cele mai dezvoltate, se străduiesc să se apropie cât mai mult de scopul prețuit: utilizarea surselor alternative de energie. La urma urmei, consumul de energie electrică crește în fiecare zi, iar cantitatea de emisii nocive în mediu crește în fiecare zi. Și mulți înțeleg deja că viitorul nostru și viitorul planetei noastre depinde doar de noi.

R. Abdullina

Ucraina se bazează pe energia solară

Oamenii nu își mai pot imagina viața fără electricitate, iar în fiecare an nevoia de energie crește din ce în ce mai mult, în timp ce rezervele de resurse energetice precum petrolul, gazele și cărbunele sunt în scădere rapidă. Omenirea nu are alte opțiuni decât să folosească surse alternative de energie. O modalitate de a genera electricitate este transformarea energiei solare folosind fotocelule. Oamenii au învățat că este posibil să se folosească energia solară cu relativ mult timp în urmă, dar au început să o dezvolte activ abia în ultimii 20 de ani. În ultimii ani, datorită cercetărilor continue, utilizării de noi materiale și soluțiilor creative de design, a fost posibilă creșterea semnificativă a performanței panourilor solare. Mulți cred că în viitor omenirea va putea renunța la metodele tradiționale de generare a energiei electrice în favoarea energiei solare și să o obțină folosind centrale solare.

Energie solara

Energia solară este una dintre sursele de generare a energiei electrice într-un mod netradițional, de aceea este clasificată ca sursă alternativă de energie. Energia solară folosește radiația solară și o transformă în electricitate sau în alte forme de energie. Energia solară nu este doar o sursă de energie ecologică, deoarece... La conversia energiei solare, nu se eliberează produse secundare dăunătoare, dar energia solară este, de asemenea, o sursă de energie alternativă care se auto-reînnoiește.

Cum funcționează energia solară

Teoretic, nu este dificil să se calculeze câtă energie poate fi obținută din fluxul de energie solară; se știe de mult timp că a parcurs distanța de la Soare la Pământ și a căzut pe o suprafață cu o suprafață de 1 m². la un unghi de 90°, fluxul solar de la intrarea în atmosferă poartă o sarcină energetică egală cu 1367 W/m², aceasta este așa-numita constantă solară. Aceasta este o opțiune ideală în condiții ideale, care, după cum știm, sunt practic imposibil de realizat. Astfel, după trecerea prin atmosferă, fluxul maxim care se poate obține va fi la ecuator și va fi de 1020 W/m², dar valoarea medie zilnică pe care o putem obține va fi de 3 ori mai mică din cauza schimbării zilei și nopții. şi modificarea unghiului de incidenţă a fluxului solar. Și în latitudinile temperate, schimbarea zilei și a nopții este însoțită și de o schimbare a anotimpurilor și, odată cu aceasta, o schimbare a duratei orelor de lumină, astfel încât în ​​latitudinile temperate cantitatea de energie primită va fi redusă de încă 2 ori.

Dezvoltarea și distribuția energiei solare

După cum știm cu toții, în ultimii ani, dezvoltarea energiei solare câștigă avânt în fiecare an, dar să încercăm să urmărim dinamica dezvoltării. În 1985, capacitatea solară globală era de doar 0,021 GW. În 2005, acestea se ridicau deja la 1.656 GW. Anul 2005 este considerat un punct de cotitură în dezvoltarea energiei solare; din acest an oamenii au început să se intereseze activ de cercetarea și dezvoltarea sistemelor electrice alimentate cu energie solară. Dinamica ulterioară nu lasă îndoieli (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Țările Uniunii Europene și Statele Unite dețin palma în utilizarea energiei solare; mai mult de 100 de mii de oameni sunt fiecare angajați în sfera de producție și operațională numai în Statele Unite și Germania. De asemenea, Italia, Spania și, bineînțeles, China se pot lăuda cu realizările lor în dezvoltarea energiei solare, care, dacă nu lider în exploatarea celulelor solare, este modul în care producătorul de celule solare crește ritmul de producție din an la an.

Avantajele și dezavantajele utilizării energiei solare

Avantaje: 1) prietenos cu mediul - nu poluează mediul; 2) disponibilitate - fotocelulele sunt disponibile spre vânzare nu numai pentru uz industrial, ci și pentru realizarea de minicentrale solare private; 3) inepuizabilitatea și autoreînnoirea sursei de energie; 4) scăderea constantă a costurilor de producere a energiei electrice.
Defecte: 1) impactul condițiilor meteorologice și al orei zilei asupra productivității; 2) pentru conservarea energiei, este necesar să se acumuleze energie; 3) productivitate mai scăzută în latitudinile temperate din cauza schimbării anotimpurilor; 4) încălzirea semnificativă a aerului deasupra centralei solare; 5) necesitatea curățării periodice a suprafeței fotocelulelor de contaminare, iar acest lucru este problematic din cauza suprafețelor uriașe ocupate de instalarea fotocelulelor; 6) putem vorbi și despre costul relativ ridicat al echipamentelor, deși în fiecare an costul este în scădere, până acum nu este nevoie să vorbim despre energie solară ieftină.

Perspective pentru dezvoltarea energiei solare

Astăzi se prevede un viitor mare pentru dezvoltarea energiei solare; în fiecare an se construiesc din ce în ce mai multe centrale solare noi, care uimesc prin amploarea și soluțiile tehnice. De asemenea, cercetarea științifică care vizează creșterea eficienței fotocelulelor nu se oprește. Oamenii de știință au calculat că dacă acoperim masa terestră a planetei Pământ cu 0,07%, cu o eficiență a fotocelulelor de 10%, atunci va exista suficientă energie pentru a satisface mai mult de 100% toate nevoile omenirii. Astăzi sunt deja folosite fotocelule cu o eficiență de 30%. Potrivit datelor cercetării, se știe că ambițiile oamenilor de știință promit să-l aducă la 85%.

Centrale solare

Centralele solare sunt structuri a căror sarcină este să transforme fluxurile de energie solară în energie electrică. Dimensiunile centralelor solare pot varia, de la minicentrale private cu mai multe panouri solare până la cele uriașe, care ocupă suprafețe de peste 10 km².

Ce tipuri de centrale solare există?

A trecut destul de mult timp de la construirea primelor centrale solare, timp în care au fost implementate multe proiecte și au fost aplicate multe soluții de proiectare interesante. Se obișnuiește să se împartă toate centralele solare în mai multe tipuri:
1. Centrale solare tip turn.
2. Centrale solare, unde panourile solare sunt celule fotovoltaice.
3. Centrale solare cu plată.
4. Centrale solare parabolice.
5. Centrale solare de tip solar-vacuum.
6. Centrale solare de tip mixt.

Centrale solare de tip turn

Un tip foarte comun de proiectare a centralei electrice. Este o structură de turn înalt deasupra, cu un rezervor de apă vopsit în negru pentru a atrage mai bine lumina soarelui reflectată. În jurul turnului există oglinzi mari cu o suprafață de peste 2 m² situate în cerc, toate sunt conectate la un singur sistem de control care monitorizează schimbarea unghiului oglinzilor astfel încât acestea să reflecte întotdeauna lumina soarelui și să o direcționeze drept. la rezervorul de apă situat în vârful turnului. Astfel, lumina reflectată a soarelui încălzește apa, care formează abur, iar apoi acest abur este furnizat turbogeneratorului cu ajutorul pompelor, unde se generează energie electrică. Temperatura de încălzire a rezervorului poate ajunge la 700 °C. Înălțimea turnului depinde de mărimea și puterea centralei solare și, de regulă, începe de la 15 m, iar înălțimea celui mai mare astăzi este de 140 m. Acest tip de centrală solară este foarte comună și este preferată. de multe țări pentru eficiența sa ridicată de 20%.

Centrale solare de tip fotocelula

Fotocelulele (baterii solare) sunt folosite pentru a transforma fluxul solar în energie electrică. Acest tip de centrală a devenit foarte popular datorită posibilității de a folosi panouri solare în blocuri mici, ceea ce permite utilizarea panourilor solare pentru a furniza energie electrică atât locuințelor particulare, cât și marilor instalații industriale. Mai mult, eficiența crește în fiecare an și astăzi există deja fotocelule cu o eficiență de 30%.

Centrale solare parabolice

Acest tip de centrală solară arată ca antene satelit uriașe, al căror interior este acoperit cu plăci de oglindă. Principiul prin care are loc conversia energiei este asemănător cu stațiile turn cu o ușoară diferență: forma parabolică a oglinzilor determină ca razele soarelui, reflectate de pe întreaga suprafață a oglinzii, să fie concentrate în centru, unde receptorul este situat cu un lichid care se încălzește, formând abur, care la rândul său Coada este forța motrice pentru generatoarele mici.

Centrale solare cu plăci

Principiul de funcționare și metoda de generare a energiei electrice sunt identice cu centralele solare turn și parabolice. Singura diferență sunt caracteristicile de design. O structură staționară, un pic ca un copac uriaș de metal, ține oglinzi rotunde plate care concentrează energia soarelui pe un receptor.

Centrale solare de tip solar-vacuum

Acesta este un mod foarte neobișnuit de a utiliza energia solară și diferențele de temperatură. Structura centralei electrice constă dintr-un teren circular, cu acoperiș de sticlă, cu un turn în centru. Turnul este gol în interior; la baza lui sunt mai multe turbine care se rotesc datorită fluxului de aer rezultat din diferența de temperatură. Prin acoperișul de sticlă, soarele încălzește pământul și aerul din interiorul încăperii, iar clădirea comunică cu mediul exterior printr-o conductă, iar din moment ce temperatura aerului din afara încăperii este mult mai scăzută, se creează un curent de aer care crește odată cu creșterea temperaturii. diferență. Astfel, noaptea turbinele generează mai multă energie electrică decât ziua.

Centrale solare mixte

Acesta este atunci când centralele solare de un anumit tip folosesc, de exemplu, colectoarele solare ca elemente auxiliare pentru a furniza obiectelor apă caldă și căldură, sau este posibil să se utilizeze simultan secțiuni de fotocelule la o centrală electrică de tip turn.

Energia solară se dezvoltă într-un ritm ridicat, oamenii se gândesc în sfârșit serios la sursele alternative de energie pentru a preveni criza energetică care se apropie inevitabil și dezastrul de mediu. Deși liderii energiei solare sunt încă Statele Unite și Uniunea Europeană, toate celelalte puteri mondiale încep treptat să adopte și să folosească experiența și tehnologiile de producție și utilizare a centralelor solare. Nu există nicio îndoială că mai devreme sau mai târziu energia solară va deveni principala sursă de energie pe Pământ.

Soarele este o sursă de energie inepuizabilă, prietenoasă cu mediul și ieftină. După cum spun experții, cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului în timpul săptămânii depășește energia tuturor rezervelor mondiale de petrol, gaze, cărbune și uraniu 1 . Potrivit academicianului Zh.I. Alferova, „omenirea are un reactor termonuclear natural de încredere - Soarele. Este o stea din clasa „F-2”, foarte medie, din care există până la 150 de miliarde în Galaxie. Dar aceasta este steaua noastră și trimite puteri enorme pe Pământ, a căror transformare face posibilă satisfacerea aproape oricărei nevoi energetice ale omenirii timp de multe sute de ani.” Mai mult, energia solară este „curată” și nu are un impact negativ asupra ecologiei planetei 2.

Un punct important este faptul că materia primă pentru fabricarea celulelor solare este unul dintre cele mai comune elemente - siliciul. În scoarța terestră, siliciul este al doilea element după oxigen (29,5% din masă) 3 . Potrivit multor oameni de știință, siliciul este „uleiul secolului XXI”: peste 30 de ani, un kilogram de siliciu dintr-o centrală fotovoltaică produce la fel de multă electricitate cât 75 de tone de petrol într-o centrală termică.

Cu toate acestea, unii experți consideră că energia solară nu poate fi numită ecologică din cauza faptului că producția de siliciu pur pentru bateriile foto este o producție foarte „murdară” și foarte consumatoare de energie. Odată cu aceasta, construcția de centrale solare necesită alocarea unor terenuri vaste, comparabile ca suprafață cu rezervoarele hidrocentralelor. Un alt dezavantaj al energiei solare, conform experților, este volatilitatea ridicată. Asigurarea funcționării eficiente a sistemului energetic, ale cărui elemente sunt centrale solare, este posibilă cu condiția ca:
- prezența unor capacități de rezervă semnificative folosind surse tradiționale de energie, care pot fi conectate noaptea sau în zilele înnorate;
- realizarea unei modernizări la scară largă și costisitoare a rețelelor electrice 4.

În ciuda acestui dezavantaj, energia solară continuă să se dezvolte în întreaga lume. În primul rând, datorită faptului că energia radiantă va deveni mai ieftină și în câțiva ani va deveni un concurent semnificativ pentru petrol și gaze.

În prezent în lume există instalatii fotovoltaice, conversia energiei solare în energie electrică pe baza metodei de conversie directă și instalatii termodinamice, în care energia solară este mai întâi convertită în căldură, apoi convertită în energie mecanică în ciclul termodinamic al unui motor termic și transformată în energie electrică într-un generator.

Celulele solare ca sursă de energie pot fi folosite:
- în industrie (industria aeronautică, industria auto etc.),
- în agricultură,
- în sfera domestică,
- în industria construcțiilor (de exemplu, case ecologice),
- la centralele solare,
- în sisteme de supraveghere video autonome,
- în sisteme de iluminat autonome,
- în industria spațială.

Potrivit Institutului de Strategie Energetică, potențialul teoretic al energiei solare în Rusia este de peste 2.300 de miliarde de tone de combustibil standard, potențialul economic este de 12,5 milioane de tone de combustibil echivalent. Potențialul energiei solare de intrare pe teritoriul Rusiei în trei zile depășește energia întregii producții anuale de energie electrică din țara noastră.
Datorită locației Rusiei (între 41 și 82 de grade latitudine nordică), nivelul radiației solare variază semnificativ: de la 810 kWh/m2 pe an în regiunile nordice îndepărtate până la 1400 kWh/m2 pe an în regiunile sudice. Nivelul radiației solare este influențat și de marile fluctuații sezoniere: la o lățime de 55 de grade, radiația solară în ianuarie este de 1,69 kWh/m2, iar în iulie - 11,41 kWh/m2 pe zi.

Potențialul de energie solară este cel mai mare în sud-vest (Caucazul de Nord, Marea Neagră și Marea Caspică) și în Siberia de Sud și Orientul Îndepărtat.

Cele mai promițătoare regiuni în ceea ce privește utilizarea energiei solare: Kalmykia, Teritoriul Stavropol, Regiunea Rostov, Teritoriul Krasnodar, Regiunea Volgograd, Regiunea Astrakhan și alte regiuni din sud-vest, Altai, Primorye, Regiunea Chita, Buriația și alte regiuni din sud-est . Mai mult, unele zone din Vestul și Estul Siberiei și Orientul Îndepărtat depășesc nivelul radiației solare din regiunile sudice. De exemplu, în Irkutsk (52 grade latitudine nordică) nivelul radiației solare atinge 1340 kWh/m2, în timp ce în Republica Yakutia-Sakha (62 grade latitudine nordică) această cifră este de 1290 kWh/m2. 5

În prezent, Rusia are tehnologii avansate pentru transformarea energiei solare în energie electrică. Există o serie de întreprinderi și organizații care au dezvoltat și îmbunătățesc tehnologiile convertoarelor fotoelectrice: atât pe structuri de siliciu, cât și pe structuri multijoncțiune. Există o serie de evoluții în utilizarea sistemelor de concentrare pentru centralele solare.

Cadrul legislativ pentru sprijinirea dezvoltării energiei solare în Rusia este la început. Cu toate acestea, primii pași au fost deja făcuți:
- 3 iulie 2008: Hotărârea Guvernului nr. 426 „Cu privire la calificarea unei instalaţii de producere care funcţionează pe baza utilizării surselor regenerabile de energie”;
- 8 ianuarie 2009: Ordinul Guvernului Federației Ruse nr. 1-r „Cu privire la principalele direcții ale politicii de stat în sfera îmbunătățirii eficienței energetice a industriei energiei electrice pe baza utilizării surselor de energie regenerabilă pentru perioada până în 2020”

Au fost aprobate ținte de creștere a ponderii surselor de energie regenerabilă în nivelul global al balanței energetice a Rusiei la 2,5% și, respectiv, 4,5% până în 2015 și 2020 6 .

Potrivit diferitelor estimări, în prezent, în Rusia, volumul total al capacității de generare solară instalată nu depășește 5 MW, dintre care cea mai mare parte revine gospodăriilor. Cea mai mare instalație industrială din energia solară rusă este o centrală solară din regiunea Belgorod cu o capacitate de 100 kW, pusă în funcțiune în 2010 (pentru comparație, cea mai mare centrală solară din lume este situată în Canada cu o capacitate de 80.000 kW) .

În prezent, în Rusia sunt implementate două proiecte: construcția de parcuri solare pe teritoriul Stavropol (capacitate - 12 MW) și în Republica Daghestan (10 MW) 7 . În ciuda lipsei de sprijin pentru energia regenerabilă, o serie de companii implementează proiecte de energie solară la scară mică. De exemplu, Sakhaenergo a instalat o stație mică în Yakutia cu o capacitate de 10 kW.

La Moscova există instalații mici: în Leontyevsky Lane și pe Michurinsky Prospekt, intrările și curțile mai multor case sunt iluminate cu ajutorul modulelor solare, ceea ce a redus costurile cu iluminatul cu 25%. Pe strada Timiryazevskaya, pe acoperișul uneia dintre stațiile de autobuz sunt instalate panouri solare, care asigură funcționarea unui sistem de transport de referință și informații și Wi-Fi.

Dezvoltarea energiei solare în Rusia se datorează mai multor factori:

1) condiții climatice: acest factor influențează nu numai anul în care se realizează paritatea rețelei, ci și alegerea tehnologiei de instalare solară care este cea mai potrivită pentru o anumită regiune;

2)sprijin guvernamental: prezența stimulentelor economice stabilite legal pentru energia solară este esențială pentru
dezvoltarea acestuia. Dintre tipurile de sprijin guvernamental care sunt utilizate cu succes într-o serie de țări din Europa și SUA, putem evidenția: tarife preferențiale pentru centralele solare, subvenții pentru construcția de centrale solare, diverse opțiuni de reduceri fiscale, compensații pentru o parte. a costurilor de deservire a creditelor pentru achiziționarea de instalații solare;

3)costul PVEU (instalații solare fotovoltaice): Astăzi, centralele solare sunt una dintre cele mai scumpe tehnologii de generare a energiei electrice utilizate. Cu toate acestea, pe măsură ce costul a 1 kWh de energie electrică generată scade, energia solară devine competitivă. Cererea de centrale solare depinde de reducerea costului cu 1W de putere instalată a centralelor solare (~3000 USD în 2010). Reducerea costurilor se realizează prin creșterea eficienței, reducerea costurilor tehnologice și reducerea rentabilității producției (influența concurenței). Potențialul de reducere a costului de 1 kW de putere depinde de tehnologie și variază de la 5% la 15% pe an;

4) standarde de mediu: Piața energiei solare poate fi afectată pozitiv de înăsprirea standardelor de mediu (restricții și amenzi) din cauza unei posibile revizuiri a Protocolului de la Kyoto. Îmbunătățirea mecanismelor de vânzare a cotelor de emisii poate oferi un nou stimulent economic pentru piața PVEM;

5) echilibrul cererii și ofertei de energie electrică: implementarea planurilor ambițioase existente pentru construcția și reconstrucția rețelelor de generare și electrice
capacitatea companiilor desprinse din RAO UES din Rusia în timpul reformei industriei va crește semnificativ oferta de energie electrică și poate crește presiunea asupra prețurilor
pe piata angro. Cu toate acestea, retragerea vechii capacități și o creștere simultană a cererii vor atrage după sine o creștere a prețurilor;

6)prezența problemelor cu conexiunea tehnologică:întârzierile în execuția aplicațiilor de conectare tehnologică la sistemul centralizat de alimentare cu energie electrică reprezintă un stimulent pentru trecerea la surse alternative de energie, inclusiv PVEU. Astfel de întârzieri sunt determinate atât de o lipsă obiectivă de capacitate, cât și de ineficacitatea organizării racordării tehnologice de către companiile de rețea sau de lipsa finanțării racordării tehnologice din tarif;

7) inițiative ale autorităților locale: Guvernele regionale și municipale își pot implementa propriile programe de dezvoltare a energiei solare sau, mai larg, a surselor de energie regenerabile/netradiționale. Astăzi, astfel de programe sunt deja implementate în teritoriile Krasnoyarsk și Krasnodar, Republica Buriația etc.;

8) dezvoltarea productiei proprii: Producția rusă de centrale solare poate avea un impact pozitiv asupra dezvoltării consumului de energie solară din Rusia. În primul rând, datorită producției proprii, conștientizarea generală a populației cu privire la disponibilitatea tehnologiilor solare și popularitatea acestora crește. În al doilea rând, costul SFEU pentru consumatorii finali este redus prin reducerea verigilor intermediare din lanțul de distribuție și prin reducerea componentei de transport 8 .

Energie solara

Parametrii radiației solare

În primul rând, este necesar să se evalueze capacitățile energetice potențiale ale radiației solare. Aici, puterea sa specifică totală la suprafața Pământului și distribuția acestei puteri pe diferite domenii de radiație sunt de cea mai mare importanță.

Puterea radiației solare

Puterea de radiație a Soarelui, situată la zenit, la suprafața Pământului este estimată la aproximativ 1350 W/m2. Un calcul simplu arată că pentru a obține o putere de 10 kW este necesar să colectați radiația solară dintr-o suprafață de numai 7,5 m2. Dar asta se întâmplă într-o după-amiază senină într-o zonă tropicală înaltă în munți, unde atmosfera este rarefiată și limpede. De îndată ce Soarele începe să se încline spre orizont, calea razelor sale prin atmosferă crește și, în consecință, pierderile de-a lungul acestei căi cresc. Prezența prafului sau a vaporilor de apă în atmosferă, chiar și în cantități imperceptibile fără instrumente speciale, reduce și mai mult fluxul de energie. Cu toate acestea, chiar și în zona de mijloc într-o după-amiază de vară, pentru fiecare metru pătrat orientat perpendicular pe razele soarelui, există un flux de energie solară cu o putere de aproximativ 1 kW.

Desigur, chiar și acoperirea cu nori ușoare reduce dramatic energia care ajunge la suprafață, în special în domeniul infraroșu (termic). Cu toate acestea, o parte de energie încă pătrunde în nori. În zona de mijloc, cu nori grei la amiază, puterea radiației solare care ajunge la suprafața Pământului este estimată la aproximativ 100 W/m2 și doar în cazuri rare, cu nori deosebit de denși, poate scădea sub această valoare. Evident, în astfel de condiții, pentru a obține 10 kW este necesar să se colecteze complet, fără pierderi și reflexii, radiația solară nu de pe 7,5 m2 din suprafața pământului, ci de pe o întreagă sută de metri pătrați (100 m2).

Tabelul prezintă date medii scurte privind energia radiației solare pentru unele orașe rusești, ținând cont de condițiile climatice (frecvența și intensitatea înnorazării) pe unitatea de suprafață orizontală. Detalii despre aceste date, date suplimentare pentru orientările panourilor, altele decât orizontale, precum și date pentru alte regiuni ale Rusiei și țările fostei URSS sunt furnizate pe o pagină separată.

Un panou fix, așezat la un unghi optim de înclinare, este capabil să absoarbă de 1,2...1,4 ori mai multă energie față de unul orizontal, iar dacă se rotește după Soare, creșterea va fi de 1,4...1,8 ori. Acest lucru poate fi văzut, defalcat pe lună, pentru panourile fixe orientate spre sud la diferite unghiuri de înclinare și pentru sistemele de urmărire a mișcării Soarelui. Caracteristicile amplasării panourilor solare sunt discutate mai detaliat mai jos.

Radiația solară directă și difuză

Există radiații solare difuze și directe. Pentru a percepe eficient radiația solară directă, panoul trebuie să fie orientat perpendicular pe fluxul de lumină solară. Pentru percepția radiațiilor împrăștiate, orientarea nu este atât de critică, deoarece vine destul de uniform din aproape întregul cer - așa este iluminată suprafața pământului în zilele înnorate (din acest motiv, pe vreme înnorată, obiectele nu au o claritate clară). umbră definită, iar suprafețele verticale, cum ar fi stâlpii și pereții caselor practic nu aruncă o umbră vizibilă).

Raportul dintre radiațiile directe și difuze depinde în mare măsură de condițiile meteorologice din diferite anotimpuri. De exemplu, iarna la Moscova este tulbure, iar în ianuarie ponderea radiațiilor împrăștiate depășește 90% din insolația totală. Dar chiar și în vara Moscovei, radiațiile împrăștiate reprezintă aproape jumătate din toată energia solară care ajunge la suprafața pământului. În același timp, în Baku însorit atât iarna, cât și vara, ponderea radiațiilor împrăștiate variază între 19 și 23% din insolația totală, iar aproximativ 4/5 din radiația solară, respectiv, este directă. Raportul dintre insolația difuză și totală pentru unele orașe este prezentat mai detaliat pe o pagină separată.

Distribuția energiei în spectrul solar

Spectrul solar este practic continuu pe o gamă extrem de largă de frecvențe - de la unde radio de frecvență joasă până la raze X și radiații gamma de frecvență ultra-înaltă. Desigur, este dificil să captezi astfel de tipuri diferite de radiații la fel de eficient (poate că acest lucru poate fi realizat doar teoretic cu ajutorul unui „corp negru ideal”). Dar acest lucru nu este necesar - în primul rând, Soarele însuși emite în diferite intervale de frecvență cu puteri diferite și, în al doilea rând, nu tot ceea ce emite Soarele ajunge la suprafața Pământului - anumite părți ale spectrului sunt în mare măsură absorbite de diferite componente ale atmosferei - în principal strat de ozon, vapori de apă și dioxid de carbon.

Prin urmare, este suficient să determinăm acele intervale de frecvență în care se observă cel mai mare flux de energie solară la suprafața Pământului și să le folosim. În mod tradițional, radiațiile solare și cosmice sunt separate nu prin frecvență, ci prin lungime de undă (acest lucru se datorează faptului că exponenții sunt prea mari pentru frecvențele acestei radiații, ceea ce este foarte incomod - lumina vizibilă în Hertz corespunde ordinului al 14-lea). Să ne uităm la dependența distribuției energiei de lungimea de undă pentru radiația solară.

Intervalul luminii vizibile este considerat a fi intervalul de lungimi de undă de la 380 nm (violet intens) la 760 nm (roșu intens). Orice lucru care are o lungime de undă mai scurtă are o energie fotonică mai mare și este împărțit în intervale de radiații ultraviolete, raze X și gama. În ciuda energiei ridicate a fotonilor, nu există atât de mulți fotoni în aceste intervale, astfel încât contribuția totală de energie a acestei părți a spectrului este foarte mică. Tot ceea ce are o lungime de undă mai mare are o energie fotonică mai mică în comparație cu lumina vizibilă și este împărțit în domeniul infraroșu (radiația termică) și diverse părți ale domeniului radio. Graficul arată că în domeniul infraroșu Soarele emite aproape aceeași cantitate de energie ca în vizibil (nivelurile sunt mai mici, dar gama este mai largă), dar în domeniul de frecvență radio energia radiației este foarte mică.

Astfel, din punct de vedere energetic, este suficient să ne limităm la intervalele de frecvență vizibil și infraroșu, precum și aproape de ultraviolete (undeva până la 300 nm, ultravioletul dur cu lungime de undă mai scurtă este aproape complet absorbit în așa-numitul strat de ozon, asigurând sinteza acestui ozon din oxigenul atmosferic). Iar partea leului din energia solară care ajunge la suprafața Pământului este concentrată în intervalul de lungimi de undă de la 300 la 1800 nm.

Limitări la utilizarea energiei solare

Principalele limitări asociate cu utilizarea energiei solare sunt cauzate de inconsecvența acesteia - instalațiile solare nu funcționează noaptea și sunt ineficiente pe vreme înnorată. Acest lucru este evident pentru aproape toată lumea.

Cu toate acestea, mai există o circumstanță care este deosebit de relevantă pentru latitudinile noastre mai degrabă nordice - diferențele sezoniere în lungimea zilei. Dacă pentru zonele tropicale și ecuatoriale, durata zilei și a nopții depinde puțin de perioada anului, atunci deja la latitudinea Moscovei cea mai scurtă zi este de aproape 2,5 ori mai scurtă decât cea mai lungă! Nici măcar nu vorbesc despre regiunile circumpolare... Drept urmare, într-o zi senină de vară, o instalație solară de lângă Moscova poate produce nu mai puțină energie decât la ecuator (soarele este mai jos, dar ziua este mai lungă). Totuși, iarna, când necesarul de energie este deosebit de mare, producția acesteia, dimpotrivă, va scădea de câteva ori. Într-adevăr, pe lângă orele scurte de lumină, razele soarelui joase de iarnă, chiar și la amiază, trebuie să treacă printr-un strat mult mai gros al atmosferei și, prin urmare, să piardă mult mai multă energie pe această cale decât vara, când soarele este înalt. iar razele trec prin atmosferă aproape vertical (expresia „soare rece de iarnă „are cel mai direct sens fizic). Acest lucru nu înseamnă însă că instalațiile solare din zona de mijloc și chiar din zonele mult mai nordice sunt complet inutile - deși sunt de puțin folos iarna, în perioada zilelor lungi, cel puțin șase luni între echinocțiul de primăvară și toamnă. , sunt destul de eficiente .

Deosebit de interesantă este utilizarea instalațiilor solare pentru a alimenta aparatele de aer condiționat din ce în ce mai răspândite, dar foarte „lacom”. La urma urmei, cu cât soarele strălucește mai puternic, cu atât devine mai cald și este nevoie de mai mult aer condiționat. Dar în astfel de condiții, instalațiile solare sunt și ele capabile să genereze mai multă energie, iar această energie va fi folosită de aparatul de aer condiționat „aici și acum”; nu trebuie să fie acumulată și stocată! În plus, nu este deloc necesară convertirea energiei în formă electrică - motoarele termice cu absorbție folosesc căldura direct, ceea ce înseamnă că în loc de baterii fotovoltaice, puteți folosi colectoare solare, care sunt cele mai eficiente pe vreme senină și caldă. Adevărat, cred că aparatele de aer condiționat sunt indispensabile doar în regiunile calde, fără apă și în climatele tropicale umede, precum și în orașele moderne, indiferent de locația lor. O casă de țară proiectată și construită cu competență, nu numai în zona de mijloc, ci și în cea mai mare parte a sudului Rusiei, nu are nevoie de un dispozitiv atât de amanat de energie, voluminos, zgomotos și capricios.

Din păcate, în zonele urbane, utilizarea individuală a instalațiilor solare mai mult sau mai puțin puternice cu orice beneficiu practic vizibil este posibilă doar în cazuri rare de circumstanțe deosebit de fericite. Cu toate acestea, nu consider un apartament din oraș ca fiind o locuință cu drepturi depline, deoarece funcționarea sa normală depinde de prea mulți factori care nu sunt disponibili controlului direct al rezidenților din motive pur tehnice și, prin urmare, în cazul eșecului a cel puțin unul dintre sistemele de susținere a vieții pentru o perioadă mai mult sau mai puțin lungă Într-o clădire modernă de apartamente, condițiile de acolo nu vor fi acceptabile pentru locuit (mai degrabă, un apartament într-o clădire mare ar trebui considerat un fel de cameră de hotel, care locuitorii cumpăraţi pentru folosinţă nedeterminată sau închiriaţi de la municipiu). Dar în afara orașului, o atenție deosebită acordată energiei solare poate fi mai mult decât justificată chiar și pe un mic teren de 6 acri.

Caracteristici de amplasare a panourilor solare

Alegerea orientării optime a panourilor solare este una dintre cele mai importante probleme în utilizarea practică a instalațiilor solare de orice tip. Din păcate, acest aspect este discutat foarte puțin pe diverse site-uri dedicate energiei solare, deși neglijarea acestuia poate reduce eficiența panourilor la cote inacceptabile.

Faptul este că unghiul de incidență al razelor pe suprafață afectează foarte mult coeficientul de reflexie și, prin urmare, proporția energiei solare nereceptive. De exemplu, pentru sticlă, când unghiul de incidență deviază de la perpendicular pe suprafața sa cu până la 30°, coeficientul de reflexie practic nu se modifică și este puțin mai mic de 5%, adică. mai mult de 95% din radiația incidentă trece spre interior. În plus, creșterea reflexiei devine vizibilă și cu 60° ponderea radiației reflectate se dublează - aproape la 10%. La un unghi de incidență de 70°, aproximativ 20% din radiație este reflectată, iar la 80° - 40%. Pentru majoritatea celorlalte substanțe, dependența gradului de reflexie de unghiul de incidență este aproximativ aceeași.

Și mai importantă este așa-numita zonă eficientă a panoului, adică. secțiunea transversală a fluxului de radiații pe care îl acoperă. Este egală cu aria reală a panoului înmulțită cu sinusul unghiului dintre planul său și direcția curgerii (sau, care este același, cu cosinusul unghiului dintre perpendiculara pe panou și direcția) de curgere). Prin urmare, dacă panoul este perpendicular pe flux, aria sa efectivă este egală cu aria sa reală, dacă fluxul a deviat de la perpendiculară cu 60°, este jumătate din aria reală, iar dacă curgerea este paralelă cu panoul, aria sa efectivă este zero. Astfel, o abatere semnificativă a fluxului de la perpendicular pe panou nu numai că mărește reflexia, dar reduce aria sa efectivă, ceea ce determină o scădere foarte vizibilă a producției.

Evident, pentru scopurile noastre, cea mai eficientă este o orientare constantă a panoului perpendicular pe fluxul razelor solare. Dar acest lucru va necesita schimbarea poziției panoului în două planuri, deoarece poziția Soarelui pe cer depinde nu numai de ora din zi, ci și de perioada anului. Deși un astfel de sistem este cu siguranță posibil din punct de vedere tehnic, este foarte complex și, prin urmare, costisitor și nu foarte fiabil.

Totuși, să ne amintim că la unghiuri de incidență de până la 30°, coeficientul de reflexie la interfața aer-sticlă este minim și practic neschimbat, iar pe parcursul unui an, unghiul de răsărire maximă a Soarelui deasupra orizontului se abate. de la poziția medie cu cel mult ±23°. Suprafața efectivă a panoului atunci când se abate de la perpendiculară cu 23 ° rămâne, de asemenea, destul de mare - cel puțin 92% din aria sa reală. Prin urmare, vă puteți concentra pe înălțimea medie anuală a răsăririi maxime a Soarelui și, practic fără pierderi de eficiență, vă puteți limita la rotația într-un singur plan - în jurul axei polare a Pământului cu o viteză de 1 revoluție pe zi. . Unghiul de înclinare a axei unei astfel de rotații față de orizontală este egal cu latitudinea geografică a locului. De exemplu, pentru Moscova, situată la o latitudine de 56 °, axa unei astfel de rotații ar trebui să fie înclinată spre nord cu 56 ° față de suprafață (sau, ceea ce este același lucru, deviată de la verticală cu 34 °). O astfel de rotație este mult mai ușor de organizat, totuși, un panou mare necesită mult spațiu pentru a se roti fără probleme. În plus, este necesar fie să organizați o conexiune glisantă care să vă permită să eliminați toată energia pe care o primește din panoul care se rotește constant, fie să vă limitați la comunicații flexibile cu o conexiune fixă, dar să asigurați întoarcerea automată a panoului înapoi pe timp de noapte. - în caz contrar, răsucirea și ruperea comunicațiilor de eliminare a energiei nu pot fi evitate. Ambele soluții cresc dramatic complexitatea și reduc fiabilitatea sistemului. Pe măsură ce puterea panourilor (și, prin urmare, dimensiunea și greutatea acestora) crește, problemele tehnice devin exponențial mai complexe.

În legătură cu toate cele de mai sus, aproape întotdeauna panourile instalațiilor solare individuale sunt montate nemișcate, ceea ce asigură o relativă ieftinitate și cea mai mare fiabilitate a instalației. Cu toate acestea, aici alegerea unghiului de amplasare a panoului devine deosebit de importantă. Să luăm în considerare această problemă folosind exemplul Moscovei.

Să ne uităm la diagramele de izolație pentru diferite unghiuri de instalare a panourilor. Desigur, panoul care se întoarce după Soare este în afara competiției (linie portocalie). Cu toate acestea, chiar și în zilele lungi de vară, eficiența acestuia depășește eficiența panourilor fixe orizontale (albastre) și înclinate la un unghi optim (roșu) cu doar aproximativ 30%. Dar în aceste zile este suficientă căldură și lumină! Însă în perioada cea mai deficitară de energie din octombrie până în februarie, avantajul unui panou rotativ față de un panou fix este minim și aproape imperceptibil. Adevărat, în acest moment compania panoului înclinat nu este un panou orizontal, ci vertical (linia verde). Și acest lucru nu este surprinzător - razele joase ale soarelui de iarnă alunecă pe panoul orizontal, dar sunt bine percepute de panoul vertical, care este aproape perpendicular pe ele. Prin urmare, în februarie, noiembrie și decembrie, panoul vertical este mai eficient decât cel înclinat și aproape deloc diferit de cel rotativ. În martie și octombrie, zilele sunt mai lungi, iar panoul rotativ începe deja să depășească cu încredere (deși nu foarte mult) orice opțiune fixă, dar eficiența panourilor înclinate și verticale este aproape aceeași. Și doar în perioada zilelor lungi din aprilie până în august, panoul orizontal este înaintea panoului vertical în ceea ce privește energia primită și se apropie de cel înclinat, iar în iunie îl depășește chiar ușor. Pierderea de vară a panoului vertical este naturală - la urma urmei, să zicem, ziua echinocțiului de vară durează la Moscova mai mult de 17 ore, iar în emisfera frontală (de lucru) a panoului vertical Soarele poate rămâne nu mai mult de 12 ore, restul de peste 5 ore (aproape o treime din orele de lumină!) sunt în urma ei. Dacă luăm în considerare că la unghiuri de incidență mai mari de 60°, proporția de lumină reflectată de suprafața panoului începe să crească rapid, iar aria sa efectivă este redusă la jumătate sau mai mult, atunci timpul de percepție efectivă a radiația solară pentru un astfel de panou nu depășește 8 ore - adică mai puțin de 50% din durata totală a zilei. Tocmai asta explică faptul că performanța panourilor verticale se stabilizează pe toată perioada zilelor lungi - din martie până în septembrie. Și, în sfârșit, ianuarie este oarecum deoparte - în această lună performanța panourilor de toate orientările este aproape aceeași. Cert este că în această lună la Moscova este foarte înnorat și mai mult de 90% din toată energia solară provine din radiații împrăștiate, iar pentru o astfel de radiație orientarea panoului nu este foarte importantă (principalul lucru este să nu îl direcționați către sol). Cu toate acestea, câteva zile însorite, care mai apar în ianuarie, reduc producția unui panou orizontal cu 20% față de restul.

Ce unghi de înclinare ar trebui să alegi? Totul depinde de momentul exact în care aveți nevoie de energie solară. Dacă doriți să-l folosiți numai în sezonul cald (să zicem, la țară), atunci ar trebui să alegeți așa-numitul unghi de înclinare „optim”, perpendicular pe poziția medie a Soarelui în perioada dintre echinocțiul de primăvară și toamnă. . Este cu aproximativ 10° .. 15° mai mică decât latitudinea geografică și pentru Moscova este cu 40° .. 45°. Dacă aveți nevoie de energie pe tot parcursul anului, atunci ar trebui să „strângeți” maximul în lunile de iarnă cu deficit de energie, ceea ce înseamnă că trebuie să vă concentrați pe poziția medie a Soarelui între echinocțiul de toamnă și de primăvară și să plasați panourile mai aproape de verticala - 5° .. 15° mai mult decât latitudinea geografică (pentru Moscova va fi 60° .. 70°). Daca, din motive arhitecturale sau de design, este imposibil sa mentineti un astfel de unghi si trebuie sa alegeti intre un unghi de inclinare de 40° sau mai putin sau o instalare verticala, ar trebui sa preferati pozitia verticala. În același timp, „lipsa” de energie în zilele lungi de vară nu este atât de critică - în această perioadă există multă căldură și lumină naturală, iar nevoia de producere a energiei nu este de obicei la fel de mare ca în timpul iernii și în timpul liber. -sezon. Desigur, înclinarea panoului ar trebui să fie orientată spre sud, deși o abatere de la această direcție cu 10° .. 15° spre est sau vest se schimbă puțin și, prin urmare, este destul de acceptabilă.

Amplasarea orizontală a panourilor solare în toată Rusia este ineficientă și complet nejustificată. Pe lângă o scădere prea mare a producției de energie în perioada toamnă-iarnă, praful se acumulează intens pe panourile orizontale și, de asemenea, zăpada iarna, iar de acolo nu pot fi îndepărtate decât cu ajutorul unei curățări special organizate (de obicei manual). Dacă panta panoului depășește 60 °, atunci zăpada de pe suprafața sa nu persistă mult și, de obicei, se sfărâmă rapid de la sine, iar un strat subțire de praf este ușor spălat de ploaie.

Deoarece prețurile la echipamentele solare au scăzut în ultima perioadă, poate fi avantajos, în locul unui singur câmp de panouri solare orientate spre sud, să folosiți două cu o putere totală mai mare, orientate spre adiacent (sud-est și sud-vest) și chiar opus (est). şi vest) direcţii cardinale. Acest lucru va asigura o producție mai uniformă în zilele însorite și o producție crescută în zilele înnorate, în timp ce restul echipamentelor va rămâne proiectat pentru aceeași putere, relativ scăzută și, prin urmare, va fi mai compact și mai ieftin.

Și un ultim lucru. Sticla, a cărei suprafață nu este netedă, dar are un relief deosebit, este capabilă să perceapă mult mai eficient lumina laterală și să o transmită elementelor de lucru ale panoului solar. Cel mai optim pare a fi un relief ondulat cu orientarea proeminențelor și a depresiunilor de la nord la sud (pentru panouri verticale - de sus în jos) - un fel de lentilă liniară. Sticla ondulată poate crește producția unui panou fix cu 5% sau mai mult.

Tipuri tradiționale de instalații de energie solară

Din când în când apar rapoarte despre construcția unei alte centrale solare (SPP) sau a unei centrale de desalinizare. Colectoarele solare termice și panourile solare fotovoltaice sunt folosite în toată lumea, din Africa până în Scandinavia. Aceste metode de utilizare a energiei solare s-au dezvoltat de zeci de ani; multe site-uri de pe Internet le sunt dedicate. Prin urmare, aici le voi lua în considerare în termeni foarte generali. Cu toate acestea, un punct important nu este practic acoperit pe internet - aceasta este alegerea parametrilor specifici atunci când se creează un sistem individual de alimentare cu energie solară. Între timp, această întrebare nu este atât de simplă pe cât pare la prima vedere. Un exemplu de alegere a parametrilor pentru un sistem alimentat cu energie solară este dat pe o pagină separată.

Panouri solare

În general, o „baterie solară” poate fi înțeleasă ca orice set de module identice care percep radiația solară și sunt combinate într-un singur dispozitiv, inclusiv cele pur termice, dar în mod tradițional acest termen a fost atribuit în mod specific panourilor convertoare fotoelectrice. Prin urmare, termenul „baterie solară” se referă aproape întotdeauna la un dispozitiv fotovoltaic care transformă direct radiația solară în curent electric. Această tehnologie s-a dezvoltat activ de la mijlocul secolului al XX-lea. Un stimulent uriaș pentru dezvoltarea sa a fost explorarea spațiului cosmic, unde bateriile solare pot concura în prezent doar cu sursele de energie nucleară de dimensiuni mici în ceea ce privește puterea produsă și timpul de funcționare. În acest timp, eficiența de conversie a bateriilor solare a crescut de la unul sau două procente la 17% sau mai mult în modelele produse în masă, relativ ieftine și peste 42% în prototipuri. Durata de viață și fiabilitatea operațională au crescut semnificativ.

Avantajele panourilor solare

Principalul avantaj al panourilor solare este simplitatea extremă a designului și absența completă a pieselor mobile. Rezultatul este o greutate specifică redusă și o nepretenție combinată cu o fiabilitate ridicată, precum și cea mai simplă instalare posibilă și cerințe minime de întreținere în timpul funcționării (de obicei este suficient să îndepărtați murdăria de pe suprafața de lucru pe măsură ce se acumulează). Reprezentând elemente plate de grosime mică, acestea sunt amplasate cu destul de mult succes pe o pantă a acoperișului cu fața la soare sau pe peretele unei case, practic fără a necesita spațiu suplimentar sau construirea de structuri voluminoase separate. Singura condiție este ca nimic să nu le ascundă cât mai mult timp posibil.

Un alt avantaj important este că energia este generată imediat sub formă de electricitate - în cea mai universală și convenabilă formă de până acum.

Din păcate, nimic nu durează pentru totdeauna - eficiența convertoarelor fotovoltaice scade pe durata de viață a acestora. Placile semiconductoare, care alcătuiesc de obicei panourile solare, se degradează în timp și își pierd proprietățile, drept urmare eficiența deja nu foarte mare a celulelor solare devine și mai mică. Expunerea prelungită la temperaturi ridicate accelerează acest proces. La început am remarcat acest lucru ca un dezavantaj al bateriilor fotovoltaice, mai ales că celulele fotovoltaice „moarte” nu pot fi restaurate. Cu toate acestea, este puțin probabil ca orice generator electric mecanic să poată demonstra o eficiență de cel puțin 1% după doar 10 ani de funcționare continuă - cel mai probabil va necesita reparații serioase mult mai devreme din cauza uzurii mecanice, dacă nu a rulmenților, apoi a periilor. - iar fotoconvertoarele moderne sunt capabile să-și mențină eficiența timp de zeci de ani. Potrivit estimărilor optimiste, peste 25 de ani randamentul unei baterii solare scade cu doar 10%, ceea ce înseamnă că dacă alți factori nu intervin, atunci și după 100 de ani vor rămâne aproape 2/3 din randamentul inițial. Cu toate acestea, pentru celulele fotovoltaice comerciale în masă bazate pe siliciu poli- și monocristalin, producătorii și vânzătorii cinstiți dau cifre de îmbătrânire ușor diferite - după 20 de ani ar trebui să ne așteptăm la o pierdere de până la 20% a eficienței (atunci, teoretic, după 40 de ani, eficiența va fi 2/3 din original, înjumătățit în 60 de ani, iar după 100 de ani va rămâne puțin mai puțin de 1/3 din productivitatea inițială). În general, durata de viață normală a fotoconvertoarelor moderne este de cel puțin 25...30 de ani, așa că degradarea nu este atât de critică și este mult mai important să ștergeți praful de pe ele în timp util...

Dacă bateriile sunt instalate în așa fel încât praful natural să fie practic absent sau să fie spălat prompt de ploile naturale, atunci vor putea funcționa fără întreținere timp de mulți ani. Capacitatea de a funcționa atât de mult timp în modul fără întreținere este un alt avantaj major.

În cele din urmă, panourile solare sunt capabile să producă energie de la zori până la amurg, chiar și pe vreme înnorată, când colectorii termici solari sunt doar puțin diferiți de temperatura ambiantă. Desigur, în comparație cu o zi senină și însorită, productivitatea lor scade de multe ori, dar ceva este mai bine decât nimic! În acest sens, dezvoltarea bateriilor cu conversie maximă a energiei în acele intervale în care norii absorb cel mai puțin radiația solară prezintă un interes deosebit. În plus, atunci când alegeți fotoconvertitoare solare, ar trebui să acordați atenție dependenței tensiunii pe care o produc de iluminare - aceasta ar trebui să fie cât mai mică posibil (atunci când iluminarea scade, curentul, nu tensiunea, ar trebui mai întâi să scadă, pentru că altfel, pentru obțineți cel puțin un efect util în În zilele înnorate, va trebui să utilizați echipamente suplimentare scumpe care crește forțat tensiunea la minim suficient pentru a încărca bateriile și a opera invertoarele).

Dezavantajele panourilor solare

Desigur, panourile solare au multe dezavantaje. Pe lângă faptul că depinde de vreme și de ora din zi, se pot observa următoarele.

Eficiență scăzută. Același colector solar, cu alegerea corectă a formei și a materialului de suprafață, este capabil să absoarbă aproape toată radiația solară care îl lovește în aproape întregul spectru de frecvențe care transportă energie vizibilă - de la infraroșu îndepărtat la intervalul ultraviolet. Bateriile solare convertesc energia în mod selectiv - pentru excitarea de lucru a atomilor sunt necesare anumite energii fotonice (frecvențe de radiație), prin urmare în unele benzi de frecvență conversia este foarte eficientă, în timp ce alte intervale de frecvență sunt inutile pentru ele. În plus, energia fotonilor capturați de aceștia este utilizată cuantic - „excesul” său, depășind nivelul necesar, merge la încălzirea materialului fotoconvertorului, care este dăunător în acest caz. Acesta este în mare măsură ceea ce explică eficiența lor scăzută.
Apropo, dacă alegeți materialul de acoperire de protecție greșit, puteți reduce semnificativ eficiența bateriei. Problema este agravată de faptul că sticla obișnuită absoarbe destul de bine partea ultravioletă de înaltă energie a intervalului, iar pentru unele tipuri de fotocelule, acest interval special este foarte relevant - energia fotonilor infraroșii este prea mică pentru ei.

Sensibilitate la temperaturi ridicate. Pe măsură ce temperaturile cresc, eficiența celulelor solare, ca aproape toate celelalte dispozitive semiconductoare, scade. La temperaturi peste 100..125°C, acestea își pot pierde temporar funcționalitatea, iar încălzirea și mai mare amenință deteriorarea lor ireversibilă. În plus, temperaturile ridicate accelerează degradarea fotocelulelor. Prin urmare, este necesar să luați toate măsurile pentru a reduce încălzirea care este inevitabilă sub razele arzătoare directe ale soarelui. În mod obișnuit, producătorii limitează domeniul de temperatură nominală de funcționare a fotocelulelor la +70°...+90°C (aceasta înseamnă încălzirea elementelor în sine, iar temperatura ambientală, desigur, ar trebui să fie mult mai mică).
O complicație suplimentară a situației este că suprafața sensibilă a fotocelulelor destul de fragile este adesea acoperită cu sticlă de protecție sau plastic transparent. Dacă între capacul de protecție și suprafața fotocelulei rămâne un spațiu de aer, se formează un fel de „sară”, care agravează supraîncălzirea. Adevărat, prin creșterea distanței dintre sticla de protecție și suprafața fotocelulei și conectând această cavitate cu atmosfera de deasupra și dedesubt, este posibil să se organizeze un flux de aer de convecție care răcește în mod natural fotocelulele. Cu toate acestea, în lumina puternică a soarelui și la temperaturi exterioare ridicate, acest lucru poate să nu fie suficient; în plus, această metodă contribuie la prăfuirea accelerată a suprafeței de lucru a fotocelulelor. Prin urmare, chiar și o baterie solară nu foarte mare poate necesita un sistem special de răcire. În mod corect, trebuie spus că astfel de sisteme sunt de obicei ușor automatizate, iar ventilatorul sau antrenarea pompei consumă doar o mică parte din energia generată. În absența soarelui puternic, nu este prea multă încălzire și nu este nevoie deloc de răcire, astfel încât energia economisită la conducerea sistemului de răcire poate fi folosită și în alte scopuri. Trebuie remarcat faptul că în panourile moderne fabricate din fabrică, stratul de protecție se potrivește de obicei strâns pe suprafața fotocelulelor și elimină căldura din exterior, dar în modelele de casă, contactul mecanic cu sticla de protecție poate deteriora fotocelula.

Sensibilitate la denivelările de iluminare. De regulă, pentru a obține o tensiune la ieșirea bateriei care este mai mult sau mai puțin convenabilă pentru utilizare (12, 24 sau mai mulți volți), fotocelulele sunt conectate în circuite în serie. Curentul din fiecare astfel de lanț și, prin urmare, puterea acestuia, este determinat de cea mai slabă verigă - o fotocelulă cu cele mai proaste caracteristici sau cu cea mai scăzută iluminare. Prin urmare, dacă cel puțin un element al lanțului este în umbră, acesta reduce semnificativ puterea întregului lanț - pierderile sunt disproporționate față de umbrirea (mai mult, în absența diodelor de protecție, un astfel de element va începe să disipeze puterea generată de elementele rămase!). O reducere disproporționată a ieșirii poate fi evitată numai prin conectarea tuturor fotocelulelor în paralel, dar atunci ieșirea bateriei va avea prea mult curent la o tensiune prea scăzută - de obicei pentru fotocelulele individuale este de doar 0,5 .. 0,7 V, în funcție de tipul lor. și dimensiunea încărcăturii.

Sensibilitate la poluare. Chiar și un strat de murdărie abia vizibil de pe suprafața celulelor solare sau a sticlei de protecție poate absorbi o parte semnificativă a razelor solare și poate reduce semnificativ producția de energie. Într-un oraș cu praf, acest lucru va necesita curățarea frecventă a suprafeței panourilor solare, în special a celor instalate orizontal sau în unghi ușor. Desigur, aceeași procedură este necesară după fiecare ninsoare și după o furtună de praf... Cu toate acestea, departe de orașe, zone industriale, drumuri aglomerate și alte surse puternice de praf la un unghi de 45° sau mai mult, ploaia este destul de capabilă să spălând praful natural de pe suprafața panourilor, menținându-le „automat” într-o stare destul de curată. Și zăpada de pe o astfel de pantă, care este orientată și spre sud, de obicei nu stă mult chiar și în zilele foarte geroase. Așadar, departe de sursele de poluare atmosferică, panourile solare pot funcționa cu succes ani de zile fără nicio întreținere, dacă ar fi soare pe cer!

În cele din urmă, ultimul, dar cel mai important obstacol în calea adoptării pe scară largă a panourilor solare fotovoltaice este prețul lor destul de ridicat. Costul elementelor bateriei solare este în prezent de cel puțin 1 $/W (1 kW - 1000 $), iar acest lucru este pentru modificări cu eficiență scăzută fără a lua în considerare costul de asamblare și instalare a panourilor, precum și fără a ține cont de preţul bateriilor, controlerelor de încărcare şi invertoarelor (convertoare ale curentului continuu de joasă tensiune generat). curent la un standard casnic sau industrial). În cele mai multe cazuri, pentru o estimare minimă a costurilor reale, aceste cifre ar trebui înmulțite de 3-5 ori la auto-asamblare din celule solare individuale și de 6-10 ori la achiziționarea de seturi de echipamente gata făcute (plus costurile de instalare).

Dintre toate elementele unui sistem de alimentare care utilizează baterii fotovoltaice, bateriile au cea mai scurtă durată de viață, dar producătorii de baterii moderne care nu necesită întreținere susțin că în așa-numitul mod tampon vor funcționa aproximativ 10 ani (sau vor funcționa tradiționalele 1000 de cicluri de încărcare și descărcare puternică - dacă numărați un ciclu pe zi, atunci în acest mod vor dura 3 ani). Observ că costul bateriilor este de obicei de doar 10-20% din costul total al întregului sistem, iar costul invertoarelor și controlerelor de încărcare (ambele sunt produse electronice complexe și, prin urmare, există o oarecare probabilitate de defecțiune a acestora) este chiar Mai puțin. Astfel, ținând cont de durata lungă de viață și de capacitatea de a lucra o perioadă lungă de timp fără întreținere, fotoconvertoarele se pot plăti singure de mai multe ori în timpul vieții și nu numai în zonele îndepărtate, ci și în zonele populate - dacă electricitatea tarifele vor continua să crească în ritmul actual!

Colectori solari termici

Denumirea „colectori solari” este atribuită dispozitivelor care utilizează încălzirea directă prin căldură solară, atât simple, cât și stivuibile (modulare). Cel mai simplu exemplu de colector solar termic este un rezervor de apă neagră pe acoperișul dușului de țară menționat mai sus (apropo, eficiența încălzirii apei într-un duș de vară poate fi crescută semnificativ prin construirea unei mini-sere în jurul rezervorului). , cel puțin dintr-o folie de plastic; este de dorit ca între film și pereții rezervorului din partea superioară și laterală să existe un spațiu de 4-5 cm).

Cu toate acestea, colecționarii moderni seamănă puțin cu un astfel de rezervor. Ele sunt de obicei structuri plate făcute din tuburi subțiri înnegrite aranjate în zăbrele sau model de șarpe. Tuburile pot fi montate pe o foaie de substrat termoconductoare înnegrită, care captează căldura solară care pătrunde în spațiile dintre ele - acest lucru permite reducerea lungimii totale a tuburilor fără pierderea eficienței. Pentru a reduce pierderile de căldură și a crește încălzirea, partea superioară a colectorului poate fi acoperită cu o foaie de sticlă sau policarbonat celular transparent, iar pe reversul foii de distribuire a căldurii, un strat de izolație termică previne pierderile inutile de căldură - un fel de „sera” se obtine. Apa încălzită sau alt lichid de răcire se deplasează prin tub, care poate fi colectat într-un rezervor de stocare izolat termic. Lichidul de răcire se deplasează sub acțiunea unei pompe sau prin gravitație datorită diferenței de densități a lichidului de răcire înainte și după colectorul termic. În acest din urmă caz, circulația mai mult sau mai puțin eficientă necesită o selecție atentă a pantelor și a secțiunilor de conducte și amplasarea colectorului în sine cât mai jos posibil. Dar, de obicei, colectorul este plasat în aceleași locuri ca și bateria solară - pe un perete însorit sau pe o pantă însorită de acoperiș, deși un rezervor suplimentar trebuie plasat undeva. Fără un astfel de rezervor, în timpul recuperării intense a căldurii (să zicem, dacă trebuie să umpleți o baie sau să faceți un duș), capacitatea colectorului poate să nu fie suficientă și, după scurt timp, va curge apă ușor încălzită de la robinet.

Sticla de protecție, desigur, reduce oarecum eficiența colectorului, absorbind și reflectând câteva procente din energia solară, chiar dacă razele cad perpendicular. Când razele lovesc sticla la un unghi ușor față de suprafață, coeficientul de reflexie se poate apropia de 100%. Prin urmare, în absența vântului și a necesității unei încălziri ușoare în raport cu aerul din jur (cu 5-10 grade, să zicem, pentru udarea unei grădini), structurile „deschise” pot fi mai eficiente decât cele „vitrate”. Dar de îndată ce este necesară o diferență de temperatură de câteva zeci de grade sau dacă se ridică chiar și un vânt nu foarte puternic, pierderea de căldură a structurilor deschise crește rapid, iar sticla de protecție, cu toate deficiențele ei, devine o necesitate.

O notă importantă - este necesar să țineți cont de faptul că într-o zi însorită fierbinte, dacă nu este analizată, apa se poate supraîncălzi peste punctul de fierbere, prin urmare, este necesar să luați măsuri de precauție adecvate în proiectarea colectorului (asigurați o siguranță supapă). În colectoarele deschise fără sticlă de protecție, o astfel de supraîncălzire nu este de obicei o problemă.

Recent, colectoarele solare bazate pe așa-numitele conducte de căldură au început să fie utilizate pe scară largă (a nu se confunda cu „conductele de căldură” folosite pentru îndepărtarea căldurii în sistemele de răcire ale computerelor!). Spre deosebire de designul discutat mai sus, aici fiecare tub metalic încălzit prin care circulă lichidul de răcire este lipit în interiorul unui tub de sticlă, iar aerul este pompat din spațiul dintre ele. Se dovedește a fi un analog al unui termos, unde, datorită izolației termice în vid, pierderea de căldură este redusă de 20 de ori sau mai mult. Ca urmare, conform producătorilor, atunci când în afara sticlei există un îngheț de -35°C, apa din tubul metalic interior cu un strat special care absoarbe cel mai larg spectru posibil de radiație solară este încălzită la +50.. +70°C (o diferență de peste 100°C) .Absorbția eficientă combinată cu o izolație termică excelentă vă permite să încălziți lichidul de răcire chiar și pe vreme înnorată, deși puterea de încălzire, desigur, este de câteva ori mai mică decât la soare puternic. Punctul cheie aici este de a asigura păstrarea vidului în golul dintre tuburi, adică etanșeitatea la vid a joncțiunii de sticlă și metal, într-un interval de temperatură foarte larg, ajungând la 150 ° C, pe toată durata de viață. de multi ani. Din acest motiv, la fabricarea unor astfel de colectori este imposibil să se facă fără coordonarea atentă a coeficienților de dilatare termică a sticlei și metalului și a proceselor de producție de înaltă tehnologie, ceea ce înseamnă că în condiții artizanale este puțin probabil să fie posibilă realizarea unei conductă de căldură cu vid complet. Dar modelele de colectoare mai simple pot fi realizate independent, fără probleme, deși, desigur, eficiența lor este ceva mai mică, mai ales iarna.

Pe lângă colectoarele solare lichide descrise mai sus, există și alte tipuri interesante de structuri: aer (lichidul de răcire este aer și nu se teme de îngheț), „bazine solare”, etc. Din păcate, majoritatea cercetării și dezvoltării pe colectoare solare este dedicat în mod special modelelor lichide, prin urmare tipurile alternative practic nu sunt produse în masă și nu există prea multe informații despre ele.

Avantajele colectoarelor solare

Cel mai important avantaj al colectoarelor solare este simplitatea și costul relativ scăzut de fabricare a opțiunilor lor destul de eficiente, combinate cu nepretenția în funcționare. Minimul necesar pentru a face un colector cu propriile mâini este câțiva metri de țeavă subțire (de preferință cupru cu pereți subțiri - poate fi îndoit cu o rază minimă) și puțină vopsea neagră, cel puțin lac de bitum. Îndoim tubul ca un șarpe, îl pictăm cu vopsea neagră, îl așezăm într-un loc însorit, îl conectăm la conducta de apă, iar acum cel mai simplu colector solar este gata! În același timp, bobina poate primi cu ușurință aproape orice configurație și poate folosi la maximum tot spațiul alocat colectorului. Cea mai eficientă înnegrire aplicată acasă, care este, de asemenea, foarte rezistentă la temperaturi ridicate și la lumina directă a soarelui, este un strat subțire de negru de fum. Cu toate acestea, funinginea este ușor de șters și spălat, așa că o astfel de înnegrire va necesita cu siguranță sticlă de protecție și măsuri speciale pentru a preveni intrarea posibilului condens pe suprafața acoperită cu funingine.

Un alt avantaj important al colectoarelor este că, spre deosebire de panourile solare, acestea sunt capabile să capteze și să transforme până la 90% din radiația solară care îi lovește în căldură și, în cazurile cele mai de succes, chiar mai mult. Prin urmare, nu numai pe vreme senină, ci și în condiții de înnorat ușor, eficiența colectoarelor depășește eficiența bateriilor fotovoltaice. În cele din urmă, spre deosebire de bateriile fotovoltaice, iluminarea neuniformă a suprafeței nu provoacă o reducere disproporționată a eficienței colectorului - doar fluxul total (integrat) de radiație este important.

Dezavantajele colectoarelor solare

Dar colectoarele solare sunt mai sensibile la intemperii decât panourile solare. Chiar și în lumina puternică a soarelui, un vânt proaspăt poate reduce de mai multe ori eficiența de încălzire a unui schimbător de căldură deschis. Sticla de protecție, desigur, reduce drastic pierderile de căldură de la vânt, dar în cazul norilor denși este și neputincioasă. Pe vreme înnorată, cu vânt practic, colectorul nu folosește, dar bateria solară produce cel puțin puțină energie.

Printre alte dezavantaje ale colectoarelor solare, voi evidenția în primul rând caracterul sezonier al acestora. Înghețurile scurte de primăvară sau de toamnă sunt suficiente pentru ca gheața formată în conductele de încălzire să creeze pericolul ruperii acestora. Desigur, acest lucru poate fi eliminat prin încălzirea „serei” cu o bobină cu o sursă de căldură terță parte în nopțile reci, dar în acest caz eficiența energetică generală a colectorului poate deveni cu ușurință negativă! O altă opțiune - un colector cu dublu circuit cu antigel în circuitul extern - nu va necesita consum de energie pentru încălzire, dar va fi mult mai complicată decât opțiunile cu un singur circuit cu încălzire directă a apei, atât în ​​producție, cât și în timpul funcționării. În principiu, structurile de aer nu pot îngheța, dar există o altă problemă - capacitatea scăzută de căldură specifică a aerului.

Și totuși, poate, principalul dezavantaj al unui colector solar este că este tocmai un dispozitiv de încălzire și, deși mostrele fabricate industrial, în absența analizei de căldură, pot încălzi lichidul de răcire la 190..200 ° C, temperatura atinsă de obicei. depăşeşte rar 60..80 °C. Prin urmare, este foarte dificil să folosiți căldura extrasă pentru a obține cantități semnificative de lucru mecanic sau energie electrică. La urma urmei, chiar și pentru funcționarea turbinei abur-apă cu cea mai joasă temperatură (de exemplu, cea pe care a descris-o cândva V.A. Zysin) este necesar să supraîncălziți apa la cel puțin 110°C! Iar energia direct sub formă de căldură, după cum se știe, nu este stocată pentru o lungă perioadă de timp, iar la temperaturi sub 100°C poate fi folosită de obicei doar pentru furnizarea de apă caldă și încălzirea unei case. Cu toate acestea, ținând cont de costul scăzut și ușurința de fabricare, acesta poate fi un motiv destul de suficient pentru a-ți achiziționa propriul colector solar.

Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că ciclul de funcționare „normal” al unui motor termic poate fi organizat la temperaturi sub 100 ° C - fie dacă punctul de fierbere este scăzut prin reducerea presiunii în partea de evaporare prin pomparea aburului de acolo. , sau prin utilizarea unui lichid al cărui punct de fierbere se află între temperatura de încălzire a colectorului solar și temperatura aerului ambiant (optim - 50..60°C). Adevărat, îmi amintesc un singur lichid non-exotic și relativ sigur care satisface mai mult sau mai puțin aceste condiții - alcoolul etilic, care în condiții normale fierbe la 78°C. Evident, în acest caz, va fi necesar să se organizeze un ciclu închis, rezolvând multe probleme conexe. În unele situații, utilizarea motoarelor încălzite extern (motoare Stirling) poate fi promițătoare. Interesantă în acest sens poate fi și utilizarea aliajelor cu efect de memorie a formei, care sunt descrise pe acest site în articolul lui I.V. Nigel - au nevoie doar de o diferență de temperatură de 25-30°C pentru a funcționa.

Concentrația de energie solară

Creșterea eficienței unui colector solar implică în primul rând o creștere constantă a temperaturii apei încălzite peste punctul de fierbere. Acest lucru se face de obicei prin concentrarea energiei solare pe un colector folosind oglinzi. Acesta este principiul care stă la baza majorității centralelor solare; diferențele constau doar în numărul, configurația și amplasarea oglinzilor și a colectorului, precum și în metodele de control al oglinzilor. Drept urmare, în punctul de focalizare este foarte posibil să se atingă o temperatură de nici măcar sute, ci mii de grade - la o astfel de temperatură, poate avea loc deja descompunerea termică directă a apei în hidrogen și oxigen (hidrogenul rezultat poate fi ars). noaptea și în zilele înnorate)!

Din păcate, funcționarea eficientă a unei astfel de instalații este imposibilă fără un sistem complex de control pentru concentrarea oglinzilor, care trebuie să urmărească poziția în continuă schimbare a Soarelui pe cer. În caz contrar, în câteva minute, punctul de focalizare va părăsi colectorul, care în astfel de sisteme este adesea de dimensiuni foarte mici, iar încălzirea fluidului de lucru se va opri. Chiar și utilizarea oglinzilor paraboloide rezolvă doar parțial problema - dacă acestea nu sunt rotite periodic după Soare, atunci după câteva ore nu va mai cădea în bolul lor sau îi va lumina doar marginea - acest lucru va fi de puțin folos.

Cel mai simplu mod de a concentra energia solară acasă este să plasezi o oglindă pe orizontală lângă colector, astfel încât soarele să lovească colectorul în cea mai mare parte a zilei. O opțiune interesantă este să folosiți suprafața unui rezervor special creat lângă casă ca o astfel de oglindă, mai ales dacă nu este un rezervor obișnuit, ci un „iaz solar” (deși acest lucru nu este ușor de făcut, iar eficiența de reflexie va să fie mult mai mică decât cea a unei oglinzi obișnuite). Un rezultat bun poate fi obținut prin crearea unui sistem de oglinzi cu concentrare verticală (această întreprindere este de obicei mult mai supărătoare, dar în unele cazuri poate fi justificată instalarea pur și simplu a unei oglinzi mari pe un perete adiacent dacă formează un unghi intern cu colectorul). - totul depinde de configurația și locația clădirii și a colectorului).

Redirecționarea radiației solare folosind oglinzi poate crește, de asemenea, puterea unei baterii fotovoltaice. Dar, în același timp, încălzirea acestuia crește, iar acest lucru poate deteriora bateria. Prin urmare, în acest caz, trebuie să te limitezi la un câștig relativ mic (cu câteva zeci de procente, dar nu de mai multe ori), și trebuie să monitorizezi cu atenție temperatura bateriei, mai ales în zilele calde și senine! Tocmai din cauza pericolului de supraîncălzire, unii producători de baterii fotovoltaice interzic direct funcționarea produselor lor sub o iluminare sporită creată cu ajutorul unor reflectoare suplimentare.

Transformarea energiei solare în energie mecanică

Tipurile tradiționale de instalații solare nu produc în mod direct lucru mecanic. Pentru a face acest lucru, un motor electric trebuie conectat la o baterie solară pe fotoconvertoare, iar atunci când se folosește un colector solar termic, abur supraîncălzit (și pentru supraîncălzire este puțin probabil să fie posibil fără oglinzi de concentrare) trebuie să fie furnizat la intrarea unui abur. turbină sau la cilindrii unui motor cu abur. Colectorii cu căldură relativ mică pot transforma căldura în mișcare mecanică în moduri mai exotice, cum ar fi utilizarea actuatoarelor din aliaj cu memorie de formă.

Există însă și instalații care presupun conversia căldurii solare în lucru mecanic, care este încorporat direct în proiectarea acestora. Mai mult decât atât, dimensiunile și puterea lor sunt foarte diferite - acesta este un proiect pentru un turn solar imens de sute de metri înălțime și o pompă solară modestă, care ar aparține unei cabane de vară.

Trăim în lumea viitorului, deși acest lucru nu se observă în toate regiunile. În orice caz, posibilitatea de a dezvolta noi surse de energie este serios discutată astăzi în cercurile progresiste. Una dintre cele mai promițătoare domenii este energia solară.

În prezent, aproximativ 1% din energia electrică de pe Pământ este obținută din procesarea radiației solare. Deci, de ce nu am renunțat încă la alte metode „dăunătoare” și vom renunța deloc? Vă invităm să citiți articolul nostru și să încercați să răspundeți singur la această întrebare.

Cum se transformă energia solară în electricitate

Să începem cu cel mai important lucru - modul în care razele soarelui sunt procesate în energie electrică.

Procesul în sine este numit „Generație solară” . Cele mai eficiente modalități de a asigura acest lucru sunt următoarele:

• fotovoltaice;
• energie solară termică;
• centrale electrice cu baloane solare.

Să ne uităm la fiecare dintre ele.

Fotovoltaric

În acest caz, curentul electric apare din cauza efect fotovoltaic. Principiul este acesta: lumina soarelui lovește o celulă foto, electronii absorb energia fotonilor (particule de lumină) și încep să se miște. Ca rezultat, obținem tensiune electrică.

Acesta este exact procesul care are loc în panourile solare, care se bazează pe elemente care transformă radiația solară în electricitate.

Designul panourilor fotovoltaice în sine este destul de flexibil și poate avea dimensiuni diferite. Prin urmare, sunt foarte practice de utilizat. În plus, panourile au proprietăți de înaltă performanță: sunt rezistente la precipitații și schimbări de temperatură.

Și iată cum funcționează modul separat de panou solar:

Puteți citi despre utilizarea panourilor solare ca încărcătoare, surse de energie pentru locuințe private, pentru îmbunătățirea urbană și în scopuri medicale.

Panouri solare moderne și centrale electrice

Exemplele recente includ panourile solare ale companiei SistineSolar. Ele pot avea orice nuanță și textură, spre deosebire de panourile tradiționale de culoare albastru închis. Aceasta înseamnă că pot fi folosite pentru a „decora” acoperișul casei după bunul plac.

O altă soluție a fost propusă de dezvoltatorii Tesla. Ei au lansat nu doar panouri, ci și material de acoperiș cu drepturi depline care procesează energia solară. conține module solare încorporate și poate avea, de asemenea, o mare varietate de modele. În același timp, materialul în sine este mult mai rezistent decât plăcile obișnuite pentru acoperiș; Solar Roof are chiar și o garanție nesfârșită.

Un exemplu de centrală solară cu drepturi depline este o stație construită recent în Europa cu panouri cu două fețe. Acestea din urmă colectează atât radiația solară directă, cât și radiația reflexivă. Acest lucru vă permite să creșteți eficiența generării solare cu 30%. Această stație ar trebui să genereze aproximativ 400 MWh pe an.

Interesant este, de asemenea cea mai mare centrală solară plutitoare din China. Puterea sa este de 40 MW. Astfel de soluții au 3 avantaje importante:

• nu este nevoie să ocupăm suprafețe mari de teren, ceea ce este important pentru China;
• în rezervoare, evaporarea apei scade;
• Fotocelulele în sine se încălzesc mai puțin și funcționează mai eficient.

Apropo, această centrală solară plutitoare a fost construită pe locul unei întreprinderi de exploatare a cărbunelui abandonată.

Tehnologia bazată pe efectul fotovoltaic este cea mai promițătoare astăzi și, potrivit experților, panourile solare vor putea produce aproximativ 20% din cererea mondială de energie electrică în următorii 30-40 de ani.

Energia solară termică

Aici abordarea este puțin diferită, pentru că... radiația solară este utilizată pentru a încălzi un recipient care conține lichid. Datorită acestui fapt, se transformă în abur, care rotește o turbină, rezultând generarea de energie electrică.

Centralele termice funcționează pe același principiu, doar lichidul este încălzit prin arderea cărbunelui.

Cel mai evident exemplu de utilizare a acestei tehnologii este Stația solară Ivanpahîn deșertul Mojave. Este cea mai mare centrală solară termică din lume.

Funcționează din 2014 și nu folosește niciun combustibil pentru a produce electricitate - doar energie solară ecologică.

Cazanul de apă este situat în turnuri, pe care le puteți vedea în centrul structurii. În jur este un câmp de oglinzi care direcționează razele soarelui spre vârful turnului. În același timp, computerul rotește constant aceste oglinzi în funcție de locația soarelui.

Sub influența energiei solare concentrate, apa din turn se încălzește și se transformă în abur. Acest lucru creează presiune și aburul începe să rotească turbina, ducând la eliberarea de electricitate. Puterea acestei stații este de 392 de megawați, ceea ce poate fi ușor comparat cu centrala termică medie din Moscova.

Interesant este că astfel de stații pot funcționa și noaptea. Acest lucru este posibil prin plasarea unei părți a aburului încălzit în depozit și utilizarea acestuia treptat pentru a roti turbina.

Centrale electrice cu baloane solare

Această soluție originală, deși nu este utilizată pe scară largă, își are totuși locul.

Instalarea în sine constă din 4 părți principale:

• Aerostat – situat pe cer, colectând radiația solară. Apa intră în minge și se încălzește rapid, devenind abur.
• Conducta de abur - prin ea, aburul sub presiune coboară spre turbină, determinând-o să se rotească.
• Turbina - sub influența unui flux de abur, se rotește, generând energie electrică.
• Condensator și pompă - aburul care a trecut prin turbină este condensat în apă și se ridică în balon folosind o pompă, unde este din nou încălzit la starea de vapori.

Care sunt avantajele energiei solare

• Soarele va continua să ne ofere energia sa încă câteva miliarde de ani. În același timp, oamenii nu au nevoie să cheltuiască bani și resurse pentru a-l extrage.
• Generarea energiei solare este un proces complet prietenos cu mediul, fără riscuri pentru natură.
• Autonomia procesului. Recoltarea luminii solare și generarea de energie electrică au loc cu o intervenție umană minimă. Singurul lucru pe care trebuie să-l faceți este să vă păstrați suprafețele de lucru sau oglinzile curate.
• Panourile solare epuizate pot fi reciclate și refolosite în producție.

Probleme de dezvoltare a energiei solare

În ciuda implementării ideilor de menținere a funcționării centralelor solare pe timp de noapte, nimeni nu este imun de capriciile naturii. Cerul înnorat de câteva zile reduce semnificativ producția de energie electrică, dar populația și afacerile au nevoie de o alimentare neîntreruptă.

Construirea unei centrale solare nu este o plăcere ieftină. Acest lucru se datorează necesității de a utiliza elemente rare în designul lor. Nu toate țările sunt pregătite să irosească bugetele pe centrale electrice mai puțin puternice atunci când există centrale termice și centrale nucleare în funcțiune.

Pentru amplasarea unor astfel de instalații sunt necesare suprafețe mari, și în locurile în care radiația solară are un nivel suficient.

Cum se dezvoltă energia solară în Rusia?

Din păcate, țara noastră încă arde cărbune, gaz și petrol la viteză maximă, iar Rusia va fi cu siguranță printre ultimii care vor trece complet la energie alternativă.

Până în prezent generarea solară reprezintă doar 0,03% din balanța energetică a Federației Ruse. Pentru comparație, în Germania această cifră este mai mare de 20%. Antreprenorii privați nu sunt interesați să investească în energia solară din cauza perioadei lungi de amortizare și a profitabilității nu atât de ridicate, deoarece gazul este mult mai ieftin la noi.

În regiunile dezvoltate economic Moscova și Leningrad, activitatea solară este la un nivel scăzut. Acolo, construirea de centrale solare pur și simplu nu este practică. Dar regiunile sudice sunt destul de promițătoare.