Proces, ktorý generuje slnečnú energiu. Princíp premeny slnečnej energie, jeho využitie a perspektívy

Každým dňom sa zmenšuje množstvo svetových zásob uhlia, ropy, plynu, teda všetkého, čo nám dnes slúži ako zdroj energie. A v blízkej budúcnosti ľudstvo dospeje do bodu, kedy jednoducho nezostanú žiadne fosílne palivá. Preto všetky krajiny aktívne hľadajú záchranu pred katastrofou, ktorá sa k nám rýchlo blíži. A prvý prostriedok spásy, ktorý nám napadne, je samozrejme energia slnka, ktorú ľudia od nepamäti využívali na sušenie bielizne, osvetlenie domácností a varenie. Vznikla tak jedna z oblastí alternatívnej energie – solárna energia.

Zdrojom energie pre slnečnú energiu je energia slnečného žiarenia, ktorá sa pomocou špeciálnych štruktúr premieňa na teplo alebo elektrinu. Podľa odborníkov len za jeden týždeň dostane zemský povrch zo slnka množstvo energie, ktoré prevyšuje energiu svetových zásob všetkých druhov palív. A hoci tempo rozvoja tejto oblasti alternatívnej energie neustále rastie, solárna energia má stále nielen výhody, ale aj nevýhody.

Ak medzi hlavné výhody patrí dostupnosť, a čo je najdôležitejšie, nevyčerpateľnosť zdroja energie, potom medzi nevýhody patria:

• potreba akumulovať energiu prijatú zo slnka,
• značné náklady na použité vybavenie,
• v závislosti od poveternostných podmienok a dennej doby,
• zvýšenie teploty atmosféry nad elektrárňami a pod.

Číselné charakteristiky slnečného žiarenia

Existuje taký indikátor ako slnečná konštanta. Jeho hodnota je 1367 W. To je presne množstvo energie na 1 m2. planéta Zem. Ale kvôli atmosfére sa na povrch Zeme dostane asi o 20-25% menej energie. Preto je hodnota slnečnej energie na meter štvorcový napríklad na rovníku 1020 W. A ak vezmeme do úvahy zmenu dňa a noci, zmenu uhla slnka nad horizontom, toto číslo sa zníži asi 3-krát.

Ale odkiaľ táto energia pochádza? Vedci prvýkrát začali študovať túto problematiku už v 19. storočí a verzie boli úplne odlišné. Dnes je na základe obrovského množstva štúdií spoľahlivo známe, že zdrojom slnečnej energie je reakcia premeny 4 atómov vodíka na jadro hélia. V dôsledku tohto procesu sa uvoľňuje značné množstvo energie. Napríklad energia uvoľnená pri premene 1 g. vodík je porovnateľný s energiou uvoľnenou pri spaľovaní 15 ton benzínu.

Konverzia solárnej energie

Už vieme, že energia prijatá zo slnka sa musí premeniť na inú formu. Potreba toho vzniká v dôsledku skutočnosti, že ľudstvo zatiaľ nemá také zariadenia, ktoré by mohli spotrebovať slnečnú energiu v jej čistej forme. Preto boli vyvinuté zdroje energie ako slnečné kolektory a solárne panely. Ak sa prvý používa na výrobu tepelnej energie, potom druhý vyrába elektrinu priamo.

Existuje niekoľko spôsobov, ako premeniť slnečnú energiu:

• fotovoltaika;
• tepelná vzduchová energia;
• slnečná tepelná energia;
• pomocou solárnych balónových elektrární.

Najbežnejšou metódou je fotovoltaika. Princípom tejto premeny je využitie fotovoltických solárnych panelov, alebo ako sa nazývajú aj solárne panely, prostredníctvom ktorých sa slnečná energia premieňa na elektrickú energiu. Takéto panely sú spravidla vyrobené z kremíka a hrúbka ich pracovnej plochy je len niekoľko desatín milimetra. Môžu byť umiestnené kdekoľvek, je tu len jedna podmienka - prítomnosť veľkého množstva slnečného žiarenia. Vynikajúca možnosť inštalácie fotografických dosiek na strechy obytných budov a verejných budov.

Okrem vyššie diskutovaných fotografických dosiek sa na premenu energie slnečného žiarenia používajú tenkovrstvové panely. Vyznačujú sa ešte menšou hrúbkou, čo umožňuje ich inštaláciu kdekoľvek, no významnou nevýhodou takýchto panelov je ich nízka účinnosť. Z tohto dôvodu bude ich inštalácia opodstatnená len pre veľké plochy. Len pre zaujímavosť, tenkovrstvový panel možno dokonca umiestniť na puzdro na notebook alebo na kabelku.

V tepelnej energii vzduchu sa slnečná energia premieňa na energiu prúdenia vzduchu, ktorá sa potom posiela do turbogenerátora. Ale v prípade použitia solárnych balónových elektrární sa vo vnútri balóna vytvára vodná para. Tento efekt sa dosahuje zahrievaním povrchu balónika, na ktorom je nanesený selektívne absorbujúci povlak, slnečným žiarením. Hlavnou výhodou tohto spôsobu je dostatočný prísun pary, ktorý stačí na pokračovanie prevádzky elektrárne za nepriaznivého počasia a v noci.

Princípom slnečnej energie je ohrievať povrch, ktorý pohlcuje slnečné lúče a sústreďuje ich na následné využitie vzniknutého tepla. Najjednoduchším príkladom je vykurovacia voda, ktorá sa potom môže použiť na domáce potreby, napríklad do kanalizácie alebo batérií, pričom sa ušetrí plyn alebo iné palivo. V priemyselnom meradle sa energia slnečného žiarenia získaná touto metódou premieňa na elektrickú energiu pomocou tepelných motorov. Výstavba takýchto kombinovaných elektrární môže trvať aj 20 rokov, tempo rozvoja solárnej energie však neklesá, ale naopak neustále rastie.

Kde sa dá využiť slnečná energia?

Solárna energia sa dá využiť v úplne iných oblastiach – od chemického priemyslu po automobilový priemysel, od varenia až po vykurovanie priestorov. Napríklad používanie solárnych panelov v automobilovom priemysle sa datuje od roku 1955. Tento rok sa niesol v znamení vydania prvého auta, ktoré fungovalo na solárne batérie. Dnes takéto autá vyrábajú BMW, Toyota a ďalšie významné spoločnosti.

V každodennom živote sa slnečná energia využíva na vykurovanie miestností, na osvetlenie a dokonca aj na varenie. Napríklad solárne pece z fólie a kartónu z iniciatívy OSN aktívne využívajú utečenci, ktorí boli nútení opustiť svoje domovy pre ťažkú ​​politickú situáciu. Zložitejšie solárne pece sa používajú na tepelné spracovanie a tavenie kovov. Jedna z najväčších takýchto pecí sa nachádza v Uzbekistane.

Medzi najzaujímavejšie vynálezy využívania slnečnej energie patria:

• Ochranné puzdro na telefón s fotobunkou, ktoré je zároveň nabíjačkou.
• Batoh s pripojeným solárnym panelom. Umožní vám nabíjať nielen telefón, ale aj tablet a dokonca aj fotoaparát, celkovo akúkoľvek elektroniku, ktorá má USB vstup.
• Solárne Bluetooth slúchadlá.

A najkreatívnejším nápadom je oblečenie vyrobené zo špeciálnej látky. Sako, kravata a dokonca aj plavky – to všetko sa môže stať nielen kúskom vášho šatníka, ale aj nabíjačkou.

Rozvoj alternatívnej energie v krajinách SNŠ

Alternatívna energia, vrátane solárnej, sa rozvíja vysokým tempom nielen v USA, Európe či Indii, ale aj v krajinách SNŠ vrátane Ruska, Kazachstanu a najmä na Ukrajine. Napríklad najväčšia solárna elektráreň v bývalom Sovietskom zväze Perovo bola postavená na Kryme. Jeho výstavba bola dokončená v roku 2011. Táto elektráreň sa stala 3. inovatívnym projektom rakúskej spoločnosti Activ Solar. Maximálny výkon Perova je asi 100 MW.

A v októbri toho istého roku spoločnosť Activ Solar spustila ďalšiu solárnu elektráreň, Okhotnikovo, tiež na Kryme. Jeho výkon bol 80 MW. Ochotnikovo tiež získalo štatút najväčšieho, ale v strednej a východnej Európe. Môžeme povedať, že alternatívna energetika na Ukrajine urobila obrovský krok k bezpečnej a nevyčerpateľnej energii.

V Kazachstane vyzerá situácia trochu inak. V zásade k rozvoju alternatívnej energie v tejto krajine dochádza len teoreticky. Republika má obrovský potenciál, ktorý však ešte nie je plne realizovaný. Samozrejme, vláda sa touto otázkou zaoberá a dokonca bol vypracovaný plán rozvoja alternatívnej energie v Kazachstane, ale podiel energie získanej z obnoviteľných zdrojov, najmä zo slnka, nebude vyšší ako 1 %. v celkovej energetickej bilancii krajiny. Do roku 2020 sa plánuje spustenie iba 4 solárnych elektrární, ktorých celkový výkon bude 77 MW.

Alternatívna energia v Rusku sa tiež rozvíja značným tempom. Ako však povedal námestník ministra energetiky, v tejto oblasti sa pozornosť sústreďuje najmä na regióny Ďalekého východu. Napríklad v Jakutsku dosahoval celkový výkon 4 solárnych elektrární prevádzkovaných v najodľahlejších severských dedinách viac ako 50 tisíc kWh. To umožnilo ušetriť viac ako 14 ton drahej motorovej nafty. Ďalším príkladom využitia slnečnej energie je budovaný multifunkčný letecký komplex v Lipetskej oblasti. Elektrinu na jej prevádzku bude vyrábať prvá solárna elektráreň, postavená tiež v Lipetskej oblasti.

To všetko nám umožňuje vyvodiť nasledujúci záver: dnes sa všetky krajiny, dokonca aj tie najrozvinutejšie, snažia čo najviac priblížiť k cenenému cieľu: využívaniu alternatívnych zdrojov energie. Spotreba elektriny totiž každým dňom rastie a množstvo škodlivých emisií do životného prostredia sa každým dňom zvyšuje. A mnohí už chápu, že naša budúcnosť a budúcnosť našej planéty závisí len od nás.

R. Abdullina

Ukrajina sa spolieha na solárnu energiu

Ľudia si už nevedia predstaviť život bez elektriny a potreba energie každým rokom narastá a zásoby energetických zdrojov ako ropa, plyn a uhlie sa rýchlo zmenšujú. Ľudstvo nemá iné možnosti, len využívať alternatívne zdroje energie. Jedným zo spôsobov výroby elektriny je premena slnečnej energie pomocou fotočlánkov. Ľudia sa dozvedeli, že je možné využívať slnečnú energiu už pomerne dávno, no začali ju aktívne rozvíjať až v posledných 20 rokoch. V posledných rokoch sa vďaka neustálemu výskumu, používaniu nových materiálov a kreatívnym dizajnovým riešeniam podarilo výrazne zvýšiť výkon solárnych panelov. Mnohí veria, že v budúcnosti bude ľudstvo schopné opustiť tradičné spôsoby výroby elektriny v prospech slnečnej energie a získať ju pomocou solárnych elektrární.

Solárna energia

Slnečná energia je jedným zo zdrojov výroby elektriny netradičným spôsobom, preto sa zaraďuje medzi alternatívne zdroje energie. Solárna energia využíva slnečné žiarenie a premieňa ho na elektrinu alebo iné formy energie. Solárna energia nie je len ekologickým zdrojom energie, pretože... Pri premene slnečnej energie sa neuvoľňujú žiadne škodlivé vedľajšie produkty, ale slnečná energia je aj samoobnovujúcim sa zdrojom alternatívnej energie.

Ako funguje slnečná energia

Teoreticky nie je ťažké vypočítať, koľko energie možno získať z toku slnečnej energie, je už dlho známe, že prejdením vzdialenosti od Slnka k Zemi a pádom na povrch s plochou 1 m²; pod uhlom 90° nesie solárny tok na vstupe do atmosféry energetický náboj rovnajúci sa 1367 W/m², čo je takzvaná slnečná konštanta. Ide o ideálnu možnosť za ideálnych podmienok, ktoré, ako vieme, je prakticky nemožné dosiahnuť. Takže po prechode atmosférou bude maximálny tok, ktorý možno získať, na rovníku a bude 1020 W/m², ale priemerná denná hodnota, ktorú môžeme získať, bude 3-krát menšia v dôsledku zmeny dňa a noci. a zmena uhla dopadu slnečného toku. A v miernych zemepisných šírkach je zmena dňa a noci sprevádzaná aj zmenou ročných období a s tým aj zmenou dĺžky denného svetla, takže v miernych šírkach sa množstvo prijatej energie zníži ešte 2 krát.

Vývoj a distribúcia solárnej energie

Ako všetci vieme, v posledných rokoch naberá rozvoj solárnej energie každým rokom na obrátkach, no skúsme vysledovať dynamiku vývoja. V roku 1985 bola globálna solárna kapacita iba 0,021 GW. V roku 2005 už predstavovali 1,656 GW. Rok 2005 je považovaný za prelomový vo vývoji solárnej energie, od tohto roku sa ľudia začali aktívne zaujímať o výskum a vývoj elektrických systémov poháňaných solárnou energiou. Ďalšia dynamika nenechá nikoho na pochybách (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Krajiny Európskej únie a USA držia palce vo využívaní slnečnej energie, len v USA a Nemecku je vo výrobnej a prevádzkovej sfére zamestnaných viac ako 100 tisíc ľudí. Aj Taliansko, Španielsko a samozrejme Čína sa môžu pochváliť svojimi úspechmi vo vývoji solárnej energie, ktorá ak nie je lídrom v prevádzke solárnych článkov, tak výrobca solárnych článkov zvyšuje tempo výroby od r. z roka na rok.

Výhody a nevýhody využívania slnečnej energie

Výhody: 1) šetrnosť k životnému prostrediu – neznečisťuje životné prostredie; 2) dostupnosť - fotobunky sú k dispozícii na predaj nielen na priemyselné využitie, ale aj na vytváranie súkromných mini solárnych elektrární; 3) nevyčerpateľnosť a samoobnoviteľnosť zdroja energie; 4) neustále klesajúce náklady na výrobu elektriny.
nedostatky: 1) vplyv poveternostných podmienok a dennej doby na produktivitu; 2) na šetrenie energie je potrebné akumulovať energiu; 3) nižšia produktivita v miernych zemepisných šírkach v dôsledku striedania ročných období; 4) výrazné ohrievanie vzduchu nad solárnou elektrárňou; 5) potreba pravidelne čistiť povrch fotobuniek od kontaminácie, čo je problematické z dôvodu veľkých plôch, ktoré zaberá inštalácia fotobuniek; 6) tiež sa môžeme baviť o relatívne vysokých nákladoch na zariadenia, hoci každým rokom náklady klesajú, zatiaľ sa o lacnej solárnej energii baviť netreba.

Perspektívy rozvoja solárnej energie

Dnes sa rozvoju solárnej energie predpovedá veľká budúcnosť, každým rokom sa stavia nové a nové solárne elektrárne, ktoré udivujú svojím rozsahom a technickými riešeniami. Taktiež vedecký výskum zameraný na zvyšovanie účinnosti fotobuniek neustáva. Vedci vypočítali, že ak pokryjeme pevninu planéty Zem o 0,07%, s účinnosťou fotobuniek 10%, potom bude dostatok energie na viac ako 100% pokrytie všetkých potrieb ľudstva. Dnes sa už používajú fotobunky s účinnosťou 30 %. Podľa výskumných údajov je známe, že ambície vedcov sľubujú dosiahnuť to na 85 %.

Solárne elektrárne

Solárne elektrárne sú stavby, ktorých úlohou je premieňať toky slnečnej energie na elektrickú energiu. Veľkosti solárnych elektrární sa môžu líšiť, od súkromných mini elektrární s niekoľkými solárnymi panelmi až po obrovské, ktoré zaberajú plochu viac ako 10 km².

Aké typy solárnych elektrární existujú?

Od výstavby prvých solárnych elektrární ubehlo pomerne veľa času, počas ktorého sa zrealizovalo množstvo projektov a uplatnilo sa mnoho zaujímavých konštrukčných riešení. Je obvyklé rozdeliť všetky solárne elektrárne do niekoľkých typov:
1. Solárne elektrárne vežového typu.
2. Solárne elektrárne, kde solárne panely sú fotovoltaické články.
3. Riadové solárne elektrárne.
4. Parabolické solárne elektrárne.
5. Solárne elektrárne solárno-vákuového typu.
6. Solárne elektrárne zmiešaného typu.

Solárne elektrárne vežového typu

Veľmi bežný typ konštrukcie elektrárne. Je to vysoká vežová konštrukcia na vrchu so zásobníkom vody natretým čiernou farbou, aby lepšie priťahovala odrazené slnečné svetlo. Okolo veže sú v kruhu umiestnené veľké zrkadlá s plochou nad 2 m², všetky sú napojené na jeden riadiaci systém, ktorý sleduje zmenu uhla zrkadiel tak, aby vždy odrážali slnečné svetlo a smerovali ho rovno do vodnej nádrže umiestnenej v hornej časti veže. Odrazené slnečné svetlo teda ohrieva vodu, ktorá tvorí paru a následne sa táto para pomocou čerpadiel dodáva do turbogenerátora, kde vzniká elektrická energia. Teplota ohrevu nádrže môže dosiahnuť 700 °C. Výška veže závisí od veľkosti a výkonu solárnej elektrárne a spravidla začína od 15 m, pričom výška najväčšej dnes je 140 m Tento typ solárnej elektrárne je veľmi bežný a preferovaný v mnohých krajinách pre svoju vysokú účinnosť 20 %.

Solárne elektrárne typu fotočlánkov

Fotočlánky (solárne batérie) sa používajú na premenu slnečného toku na elektrinu. Tento typ elektrárne sa stal veľmi populárnym vďaka možnosti využitia solárnych panelov v malých blokoch, čo umožňuje využitie solárnych panelov na dodávku elektriny do súkromných domov aj veľkých priemyselných zariadení. Účinnosť navyše každým rokom rastie a dnes už existujú fotobunky s účinnosťou 30 %.

Parabolické solárne elektrárne

Tento typ solárnej elektrárne vyzerá ako obrovské satelitné taniere, ktorých vnútro je pokryté zrkadlovými platňami. Princíp premeny energie je podobný ako u vežových staníc s malým rozdielom: parabolický tvar zrkadiel určuje, že slnečné lúče, odrazené od celej plochy zrkadla, sú sústredené v strede, kde je umiestnený prijímač s kvapalina, ktorá sa zahrieva, vytvára paru, ktorá je zase hnacou silou pre malé generátory.

Doskové solárne elektrárne

Princíp činnosti a spôsob výroby elektriny sú zhodné s vežovými a parabolickými solárnymi elektrárňami. Jediným rozdielom sú dizajnové prvky. Stacionárna konštrukcia, trochu ako obrovský kovový strom, drží okrúhle ploché zrkadlá, ktoré sústreďujú slnečnú energiu na prijímač.

Solárne elektrárne solárno-vákuového typu

Ide o veľmi neobvyklý spôsob využitia slnečnej energie a teplotných rozdielov. Štruktúru elektrárne tvorí kruhový pozemok so sklenenou strechou s vežou v strede. Veža je vo vnútri dutá, na jej základni je niekoľko turbín, ktoré sa otáčajú vďaka prúdeniu vzduchu vznikajúcemu teplotným rozdielom. Cez presklenú strechu slnko ohrieva zem a vzduch v miestnosti a budova komunikuje potrubím s vonkajším prostredím a keďže teplota vzduchu mimo miestnosti je oveľa nižšia, vzniká prievan, ktorý sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou rozdiel. V noci teda turbíny vyrábajú viac elektriny ako cez deň.

Zmiešané solárne elektrárne

Ide o prípady, keď solárne elektrárne určitého typu využívajú napríklad slnečné kolektory ako pomocné prvky na zásobovanie objektov teplou vodou a teplom, alebo je možné na vežovej elektrárni súčasne využívať sekcie fotobuniek.

Solárna energia sa rozvíja vysokým tempom, ľudia konečne vážne uvažujú o alternatívnych zdrojoch energie, aby predišli neodvratne sa blížiacej energetickej kríze a ekologickej katastrofe. Hoci lídrami v solárnej energetike sú stále Spojené štáty americké a Európska únia, všetky ostatné svetové veľmoci postupne začínajú preberať a využívať skúsenosti a technológie výroby a využitia solárnych elektrární. Niet pochýb o tom, že slnečná energia sa skôr či neskôr stane hlavným zdrojom energie na Zemi.

Slnko je nevyčerpateľný, ekologický a lacný zdroj energie. Ako hovoria odborníci, množstvo slnečnej energie, ktorá sa počas týždňa dostane na povrch Zeme, prevyšuje energiu všetkých svetových zásob ropy, plynu, uhlia a uránu 1 . Podľa akademika Zh.I. Alferovej, „ľudstvo má spoľahlivý prírodný termonukleárny reaktor – Slnko. Je to hviezda triedy „F-2“, veľmi priemerná, ktorých je v Galaxii až 150 miliárd. Ale toto je naša hviezda a posiela na Zem obrovské sily, ktorých transformácia umožňuje uspokojovať takmer všetky energetické potreby ľudstva na mnoho stoviek rokov.“ Slnečná energia je navyše „čistá“ a nemá negatívny vplyv na ekológiu planéty 2.

Dôležitým bodom je skutočnosť, že surovinou na výrobu solárnych článkov je jeden z najbežnejších prvkov - kremík. V zemskej kôre je kremík druhým prvkom po kyslíku (29,5 % hmotnosti) 3 . Podľa mnohých vedcov je kremík „ropou dvadsiateho prvého storočia“: za 30 rokov jeden kilogram kremíka vo fotovoltaickej elektrárni vyrobí toľko elektriny ako 75 ton ropy v tepelnej elektrárni.

Niektorí odborníci sa však domnievajú, že solárnu energiu nemožno nazvať ekologickou, pretože výroba čistého kremíka pre fotobatérie je veľmi „špinavá“ a energeticky veľmi náročná. Spolu s tým si výstavba solárnych elektrární vyžaduje vyčlenenie rozsiahlych pozemkov, ktoré sú rozlohou porovnateľné s nádržami vodných elektrární. Ďalšou nevýhodou slnečnej energie je podľa odborníkov vysoká volatilita. Zabezpečenie efektívnej prevádzky energetického systému, ktorého prvkami sú solárne elektrárne, je možné za predpokladu, že:
- prítomnosť významných rezervných kapacít využívajúcich tradičné zdroje energie, ktoré je možné pripojiť v noci alebo počas zamračených dní;
- vykonávanie rozsiahlej a nákladnej modernizácie elektrických sietí 4.

Napriek tejto nevýhode sa solárna energia naďalej rozvíja po celom svete. V prvom rade kvôli tomu, že sálavá energia zlacnie a o pár rokov sa stane významným konkurentom ropy a plynu.

V súčasnosti vo svete existuje fotovoltaické inštalácie, premena slnečnej energie na elektrickú energiu na základe metódy priamej premeny, a termodynamické inštalácie, pri ktorej sa slnečná energia najskôr premení na teplo, potom sa v termodynamickom cykle tepelného motora premení na mechanickú energiu a v generátore sa premení na elektrickú energiu.

Solárne články ako zdroj energie možno použiť:
- v priemysle (letecký priemysel, automobilový priemysel atď.),
- v poľnohospodárstve,
- v domácej sfére,
- v stavebníctve (napríklad ekologické domy),
- v solárnych elektrárňach,
- v autonómnych video monitorovacích systémoch,
- v systémoch autonómneho osvetlenia,
- vo vesmírnom priemysle.

Podľa Inštitútu energetickej stratégie je teoretický potenciál slnečnej energie v Rusku viac ako 2 300 miliárd ton štandardného paliva, ekonomický potenciál je 12,5 milióna ton ekvivalentného paliva. Potenciál slnečnej energie vstupujúcej na územie Ruska do troch dní prevyšuje energiu celej ročnej výroby elektriny u nás.
Vzhľadom na polohu Ruska (medzi 41 a 82 stupňami severnej zemepisnej šírky) sa úroveň slnečného žiarenia výrazne líši: od 810 kWh/m2 za rok v odľahlých severných regiónoch po 1400 kWh/m2 za rok v južných oblastiach. Úroveň slnečného žiarenia ovplyvňujú aj veľké sezónne výkyvy: pri šírke 55 stupňov je slnečné žiarenie v januári 1,69 kWh/m2 a v júli - 11,41 kWh/m2 za deň.

Potenciál slnečnej energie je najväčší na juhozápade (Severný Kaukaz, Čierne a Kaspické more) a na južnej Sibíri a na Ďalekom východe.

Najsľubnejšie regióny z hľadiska využívania slnečnej energie: Kalmykia, Stavropolské územie, Rostovský región, Krasnodarské územie, Volgogradský región, Astracháňský región a ďalšie regióny na juhozápade, Altaj, Prímorsko, Čitský región, Burjatsko a ďalšie regióny na juhovýchode . Navyše niektoré oblasti západnej a východnej Sibíri a Ďalekého východu prekračujú úroveň slnečného žiarenia v južných oblastiach. Napríklad v Irkutsku (52 stupňov severnej zemepisnej šírky) dosahuje úroveň slnečného žiarenia 1340 kWh/m2, zatiaľ čo v Republike Jakutsko-Sakha (62 stupňov severnej zemepisnej šírky) je toto číslo 1290 kWh/m2. 5

V súčasnosti má Rusko pokročilé technológie na premenu slnečnej energie na elektrickú energiu. Existuje množstvo podnikov a organizácií, ktoré vyvinuli a zdokonaľujú technológie fotoelektrických konvertorov: na kremíkových aj viacnásobných konštrukciách. Vo využívaní koncentračných systémov pre solárne elektrárne došlo k niekoľkým vývojom.

Legislatívny rámec na podporu rozvoja solárnej energie v Rusku je v plienkach. Prvé kroky však už boli podniknuté:
- 3. júla 2008: Nariadenie vlády SR č. 426 „O kvalifikácii zariadenia na výrobu energie na báze využívania obnoviteľných zdrojov energie“;
- 8. januára 2009: Nariadenie vlády Ruskej federácie č. 1-r „O hlavných smeroch štátnej politiky v oblasti zvyšovania energetickej efektívnosti elektroenergetiky na základe využívania obnoviteľných zdrojov energie na obdobie rokov do roku 2020”

Boli schválené ciele zvýšiť podiel obnoviteľných zdrojov energie na celkovej úrovni ruskej energetickej bilancie na 2,5 % a 4,5 % do roku 2015 a 2020 6 .

Podľa rôznych odhadov v súčasnosti v Rusku celkový objem inštalovanej solárnej výrobnej kapacity nepresahuje 5 MW, z čoho väčšina pripadá na domácnosti. Najväčším priemyselným zariadením v ruskej solárnej energetike je solárna elektráreň v regióne Belgorod s výkonom 100 kW, uvedená do prevádzky v roku 2010 (pre porovnanie, najväčšia solárna elektráreň na svete sa nachádza v Kanade s kapacitou 80 000 kW) .

V súčasnosti sa v Rusku realizujú dva projekty: výstavba solárnych parkov na území Stavropolu (kapacita - 12 MW) a v Dagestanskej republike (10 MW) 7 . Napriek nedostatočnej podpore obnoviteľnej energie množstvo spoločností realizuje malé projekty solárnej energie. Napríklad spoločnosť Sakhaenergo nainštalovala v Jakutsku malú stanicu s výkonom 10 kW.

V Moskve sú malé inštalácie: v Leontyevsky Lane a na Michurinsky prospekt sú vchody a nádvoria niekoľkých domov osvetlené pomocou solárnych modulov, čo znížilo náklady na osvetlenie o 25%. Na ulici Timiryazevskaya sú na streche jednej z autobusových zastávok nainštalované solárne panely, ktoré zabezpečujú prevádzku referenčného a informačného dopravného systému a Wi-Fi.

Rozvoj solárnej energie v Rusku je spôsobený niekoľkými faktormi:

1) klimatické podmienky: tento faktor ovplyvňuje nielen rok, v ktorom sa dosiahne parita siete, ale aj výber technológie solárnej inštalácie, ktorá je najvhodnejšia pre konkrétny región;

2)vládna podpora: Prítomnosť zákonne stanovených ekonomických stimulov pre solárnu energiu je rozhodujúca
jeho rozvoj. Spomedzi typov vládnej podpory, ktoré sa úspešne využívajú v mnohých krajinách Európy a USA, môžeme vyzdvihnúť: zvýhodnené tarify pre solárne elektrárne, dotácie na výstavbu solárnych elektrární, rôzne možnosti daňových úľav, kompenzácie za časť nákladov na obsluhu úverov na nákup solárnych zariadení;

3)náklady na PVEU (solárne fotovoltaické inštalácie): V súčasnosti sú solárne elektrárne jednou z najdrahších používaných technológií výroby elektriny. S poklesom nákladov na 1 kWh vyrobenej elektriny sa však solárna energia stáva konkurencieschopnou. Dopyt po solárnych elektrárňach závisí od zníženia nákladov na 1W inštalovaného výkonu solárnych elektrární (~ 3000 USD v roku 2010). Zníženie nákladov sa dosahuje zvýšením efektívnosti, znížením technologických nákladov a znížením rentability výroby (vplyv konkurencie). Potenciál zníženia nákladov na 1 kW energie závisí od technológie a pohybuje sa od 5 % do 15 % ročne;

4) environmentálne normy: Trh so solárnou energiou môže byť pozitívne ovplyvnený sprísňovaním environmentálnych noriem (obmedzenia a pokuty) v dôsledku možnej revízie Kjótskeho protokolu. Zlepšenie mechanizmov predaja emisných kvót môže poskytnúť nový ekonomický stimul pre trh PVEM;

5) rovnováha ponuky a dopytu po elektrine: implementácia existujúcich ambicióznych plánov výstavby a rekonštrukcie výrobných a energetických sietí
kapacita spoločností vyčlenených z RAO UES Ruska počas priemyselnej reformy výrazne zvýši dodávky elektriny a môže zvýšiť tlak na ceny
na veľkoobchodnom trhu. Vyradenie starej kapacity a súčasné zvýšenie dopytu však povedie k zvýšeniu cien;

6)prítomnosť problémov s technologickým pripojením: oneskorenie pri realizácii žiadostí o technologické napojenie na systém centralizovaného zásobovania energiou je podnetom na prechod na alternatívne zdroje energie vrátane PVEU. Takéto oneskorenia sú determinované tak objektívnym nedostatkom kapacity, ako aj neefektívnosťou organizácie technologického pripojenia sieťovými spoločnosťami alebo nedostatkom financovania technologického pripojenia z tarify;

7) iniciatívy miestnych orgánov: Regionálne a mestské samosprávy môžu realizovať svoje vlastné programy rozvoja solárnej energie alebo v širšom zmysle obnoviteľných/netradičných zdrojov energie. Dnes sa takéto programy už realizujú na území Krasnojarska a Krasnodaru, v Burjatskej republike atď.;

8) vývoj vlastnej výroby: Ruská výroba solárnych elektrární môže mať pozitívny vplyv na vývoj ruskej spotreby solárnej energie. Jednak vďaka vlastnej výrobe sa zvyšuje všeobecné povedomie obyvateľstva o dostupnosti solárnych technológií a ich obľúbenosti. Po druhé, náklady na SFEU pre koncových spotrebiteľov sa znížia znížením medzičlánkov v distribučnom reťazci a znížením zložky dopravy 8 .

Solárna energia

Parametre slnečného žiarenia

V prvom rade je potrebné posúdiť potenciálne energetické schopnosti slnečného žiarenia. Tu má najväčší význam jeho celkový špecifický výkon na zemskom povrchu a jeho rozloženie v rôznych rozsahoch žiarenia.

Sila slnečného žiarenia

Výkon žiarenia Slnka, ktoré sa nachádza v jeho zenite, na povrchu Zeme sa odhaduje na približne 1350 W/m2. Jednoduchý výpočet ukazuje, že na získanie výkonu 10 kW je potrebné zhromaždiť slnečné žiarenie z plochy iba 7,5 m2. Ale toto je jasné popoludnie v tropickom pásme vysoko v horách, kde je atmosféra riedka a krištáľovo čistá. Akonáhle sa Slnko začne nakláňať k horizontu, dráha jeho lúčov cez atmosféru sa zväčšuje a podľa toho sa zvyšujú aj straty na tejto dráhe. Prítomnosť prachu alebo vodnej pary v atmosfére, dokonca aj v množstvách, ktoré sú bez špeciálnych zariadení nepostrehnuteľné, ďalej znižuje tok energie. Avšak aj v strednom pásme počas letného popoludnia pripadá na každý štvorcový meter orientovaný kolmo na slnečné lúče tok slnečnej energie s výkonom približne 1 kW.

Samozrejme, aj ľahká oblačnosť dramaticky znižuje energiu dosahujúcu na povrch, najmä v infračervenom (tepelnom) rozsahu. Nejaká energia však predsa len preniká do oblakov. V strednom pásme s veľkou oblačnosťou na poludnie sa výkon slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch odhaduje na približne 100 W/m2 a len v ojedinelých prípadoch pri obzvlášť hustej oblačnosti môže klesnúť pod túto hodnotu. Je zrejmé, že v takýchto podmienkach je na získanie 10 kW potrebné úplne, bez strát a odrazov, zhromaždiť slnečné žiarenie nie zo 7,5 m2 zemského povrchu, ale z celých sto metrov štvorcových (100 m2).

V tabuľke sú uvedené stručné spriemerované údaje o energii slnečného žiarenia pre niektoré ruské mestá, berúc do úvahy klimatické podmienky (frekvenciu a intenzitu oblačnosti) na jednotku vodorovného povrchu. Podrobnosti o týchto údajoch, ďalšie údaje pre orientáciu panelov iné ako horizontálne, ako aj údaje pre ostatné regióny Ruska a krajiny bývalého ZSSR sú uvedené na samostatnej stránke.

Pevný panel, umiestnený v optimálnom uhle sklonu, je schopný absorbovať 1,2...1,4-krát viac energie v porovnaní s horizontálnym a ak sa bude otáčať za Slnkom, nárast bude 1,4...1,8-krát. To možno vidieť, rozdelené podľa mesiacov, pre pevné panely orientované na juh pod rôznymi uhlami sklonu a pre systémy sledujúce pohyb Slnka. Vlastnosti umiestnenia solárnych panelov sú podrobnejšie diskutované nižšie.

Priame a difúzne slnečné žiarenie

Existuje difúzne a priame slnečné žiarenie. Pre efektívne vnímanie priameho slnečného žiarenia musí byť panel orientovaný kolmo na tok slnečného žiarenia. Pre vnímanie rozptýleného žiarenia nie je orientácia taká kritická, pretože prichádza celkom rovnomerne z takmer celej oblohy - takto je zemský povrch osvetlený v zamračených dňoch (z tohto dôvodu v zamračenom počasí nemajú objekty zreteľne definovaný tieň a zvislé plochy, ako sú stĺpy a steny domov, prakticky nevrhajú viditeľný tieň).

Pomer priameho a difúzneho žiarenia silne závisí od poveternostných podmienok v rôznych ročných obdobiach. Napríklad zima v Moskve je zamračená a v januári presahuje podiel rozptýleného žiarenia 90 % celkového slnečného žiarenia. Ale aj v moskovskom lete tvorí rozptýlené žiarenie takmer polovicu všetkej slnečnej energie dopadajúcej na zemský povrch. Zároveň v slnečnom Baku v zime aj v lete sa podiel rozptýleného žiarenia pohybuje od 19 do 23% z celkového slnečného žiarenia a asi 4/5 slnečného žiarenia je priame. Pomer difúzneho a celkového slnečného žiarenia pre niektoré mestá je podrobnejšie uvedený na samostatnej stránke.

Rozloženie energie v slnečnom spektre

Slnečné spektrum je prakticky nepretržité v extrémne širokom rozsahu frekvencií – od nízkofrekvenčných rádiových vĺn až po ultravysokofrekvenčné röntgenové žiarenie a gama žiarenie. Samozrejme, je ťažké rovnako efektívne zachytiť takéto rôzne druhy žiarenia (možno sa to dá dosiahnuť len teoreticky pomocou „ideálneho čierneho telesa“). Ale to nie je nutné – po prvé, Slnko samo vyžaruje v rôznych frekvenčných rozsahoch s rôznou silou a po druhé, nie všetko, čo Slnko vyžaruje, sa dostane na zemský povrch – určité časti spektra sú z veľkej časti pohlcované rôznymi zložkami atmosféry – hlavne ozónová vrstva, vodná para a oxid uhličitý.

Preto nám stačí určiť tie frekvenčné rozsahy, v ktorých je pozorovaný najväčší tok slnečnej energie na zemskom povrchu, a použiť ich. Tradične nie je slnečné a kozmické žiarenie oddelené frekvenciou, ale vlnovou dĺžkou (je to spôsobené tým, že exponenty sú príliš veľké pre frekvencie tohto žiarenia, čo je veľmi nepohodlné - viditeľné svetlo v Hertzoch zodpovedá 14. rádu). Pozrime sa na závislosť rozloženia energie od vlnovej dĺžky pre slnečné žiarenie.

Za rozsah viditeľného svetla sa považuje rozsah vlnových dĺžok od 380 nm (hlboká fialová) do 760 nm (sýta červená). Všetko, čo má kratšiu vlnovú dĺžku, má vyššiu fotónovú energiu a delí sa na ultrafialové, röntgenové a gama lúče. Napriek vysokej energii fotónov sa v týchto rozsahoch nenachádza toľko fotónov, takže celkový energetický príspevok tejto časti spektra je veľmi malý. Všetko, čo má väčšiu vlnovú dĺžku, má nižšiu fotónovú energiu v porovnaní s viditeľným svetlom a delí sa na infračervený rozsah (tepelné žiarenie) a rôzne časti rádiového dosahu. Graf ukazuje, že v infračervenom pásme Slnko vyžaruje takmer rovnaké množstvo energie ako vo viditeľnom (hladiny sú menšie, ale rozsah je širší), ale v rádiofrekvenčnom pásme je energia žiarenia veľmi malá.

Z energetického hľadiska nám teda stačí obmedziť sa na viditeľné a infračervené frekvenčné rozsahy, ako aj blízke ultrafialové (niekde do 300 nm, kratšia vlnová dĺžka tvrdé ultrafialové je takmer úplne absorbované v tzv. ozónová vrstva, zabezpečujúca syntézu práve tohto ozónu zo vzdušného kyslíka) . A leví podiel slnečnej energie dosahujúcej na zemský povrch je sústredený v rozsahu vlnových dĺžok od 300 do 1800 nm.

Obmedzenia pri využívaní solárnej energie

Hlavné obmedzenia spojené s využívaním slnečnej energie sú spôsobené jej nejednotnosťou – solárne inštalácie nefungujú v noci a pri zamračenom počasí sú neúčinné. To je zrejmé takmer každému.

Je tu však ešte jedna okolnosť, ktorá je obzvlášť dôležitá pre naše skôr severné zemepisné šírky – sezónne rozdiely v dĺžke dňa. Ak pre tropické a rovníkové zóny trvanie dňa a noci mierne závisí od ročného obdobia, potom už v zemepisnej šírke v Moskve je najkratší deň takmer 2,5-krát kratší ako najdlhší! O cirkumpolárnych oblastiach ani nehovorím... Výsledkom je, že za jasného letného dňa nemôže solárna inštalácia pri Moskve produkovať o nič menej energie ako na rovníku (slnko je nižšie, ale deň je dlhší). V zime, keď je potreba energie obzvlášť vysoká, sa však jej produkcia, naopak, niekoľkonásobne zníži. Okrem krátkeho denného svetla totiž lúče nízkeho zimného slnka aj napoludnie musia prechádzať oveľa hrubšou vrstvou atmosféry, a preto na tejto ceste strácajú podstatne viac energie ako v lete, keď je slnko vysoko. a lúče prechádzajú atmosférou takmer vertikálne (výraz „studené zimné slnko“ má najpriamejší fyzikálny význam). To však neznamená, že solárne inštalácie v strednom pásme a dokonca aj v oveľa severnejších oblastiach sú úplne zbytočné - aj keď v zime, počas dlhých dní, najmenej šesť mesiacov medzi jarnou a jesennou rovnodennosťou, sú málo užitočné. , sú dosť účinné.

Obzvlášť zaujímavé je využitie solárnych zariadení na napájanie čoraz rozšírenejších, no veľmi „nenásytných“ klimatizácií. Veď čím silnejšie slnko svieti, tým je teplejšie a tým viac je potrebná klimatizácia. Ale v takýchto podmienkach sú solárne zariadenia tiež schopné generovať viac energie a táto energia bude využitá klimatizačným zariadením „tu a teraz“ a nie je potrebné ju akumulovať a skladovať! Navyše nie je vôbec potrebné premieňať energiu na elektrickú formu – absorpčné tepelné motory využívajú teplo priamo, čiže namiesto fotovoltaických batérií môžete použiť slnečné kolektory, ktoré sú najúčinnejšie v jasnom horúcom počasí. Je pravda, že som presvedčený, že klimatizácie sú nevyhnutné iba v horúcich oblastiach bez vody a vo vlhkom tropickom podnebí, ako aj v moderných mestách, bez ohľadu na ich polohu. Kompetentne navrhnutý a postavený vidiecky dom nielen v strednom pásme, ale aj na väčšine juhu Ruska nepotrebuje také energeticky náročné, objemné, hlučné a rozmarné zariadenie.

Žiaľ, v mestských oblastiach je individuálne použitie viac či menej výkonných solárnych zariadení s nejakým citeľným praktickým prínosom možné len v ojedinelých prípadoch obzvlášť šťastných okolností. Mestský byt však nepovažujem za plnohodnotné bývanie, keďže jeho bežné fungovanie závisí od priveľa faktorov, ktoré nie sú dostupné priamej kontrole obyvateľov z čisto technických dôvodov, a preto v prípade výpadku minimálne jeden zo systémov podpory života na viac-menej dlhú dobu V modernom bytovom dome nebudú podmienky na bývanie prijateľné (skôr byt vo výškovej budove treba považovať za akúsi hotelovú izbu, ktorá obyvatelia kúpili na neurčitý čas alebo prenajali od obce). Ale mimo mesta môže byť osobitná pozornosť venovaná solárnej energii viac než opodstatnená aj na malom pozemku s rozlohou 6 akrov.

Vlastnosti umiestnenia solárnych panelov

Voľba optimálnej orientácie solárnych panelov je jednou z najdôležitejších otázok pri praktickom využití solárnych zariadení akéhokoľvek typu. Žiaľ, o tomto aspekte sa na rôznych stránkach venovaných solárnej energii diskutuje veľmi málo, hoci jeho zanedbanie môže znížiť účinnosť panelov na neprijateľnú úroveň.

Faktom je, že uhol dopadu lúčov na povrch vo veľkej miere ovplyvňuje koeficient odrazu, a teda aj podiel neprijímajúcej slnečnej energie. Napríklad pri skle, keď sa uhol dopadu odchýli od kolmice k jeho povrchu až o 30°, koeficient odrazu sa prakticky nemení a je o niečo menší ako 5 %, t.j. viac ako 95 % dopadajúceho žiarenia prechádza dovnútra. Ďalej sa prejaví nárast odrazu a o 60° sa podiel odrazeného žiarenia zdvojnásobí - takmer na 10%. Pri uhle dopadu 70° sa odrazí asi 20% žiarenia a pri 80° - 40%. Pre väčšinu ostatných látok je závislosť stupňa odrazu od uhla dopadu približne rovnaká.

Ešte dôležitejšia je takzvaná efektívna plocha panelu, t.j. prierez toku žiarenia, ktorý pokrýva. Rovná sa skutočnej ploche panelu vynásobenej sínusom uhla medzi jeho rovinou a smerom prúdenia (alebo, čo je rovnaké, kosínusom uhla medzi kolmicou na panel a smerom prietoku). Ak je teda panel kolmý na tok, jeho efektívna plocha sa rovná jeho skutočnej ploche, ak sa tok odchýlil od kolmice o 60°, je to polovica reálnej plochy a ak je tok rovnobežný s panelom, jeho efektívna plocha je nulová. Výrazná odchýlka toku od kolmice k panelu teda nielen zvyšuje odraz, ale znižuje jeho účinnú plochu, čo spôsobuje veľmi citeľný pokles výroby.

Je zrejmé, že pre naše účely je najúčinnejšia konštantná orientácia panelu kolmo na tok slnečných lúčov. To si však bude vyžadovať zmenu polohy panelu v dvoch rovinách, pretože poloha Slnka na oblohe závisí nielen od dennej doby, ale aj od ročného obdobia. Aj keď je takýto systém určite technicky možný, je veľmi zložitý, a teda drahý a málo spoľahlivý.

Nezabúdajme však, že pri uhloch dopadu do 30° je koeficient odrazu na rozhraní vzduch-sklo minimálny a prakticky sa nemení a v priebehu roka sa uhol maximálneho východu Slnka nad horizont vychýli. od priemernej polohy nie viac ako ±23°. Účinná plocha panelu pri odklone od kolmice o 23° tiež zostáva pomerne veľká - minimálne 92% jeho skutočnej plochy. Preto sa môžete zamerať na priemernú ročnú výšku maximálneho východu Slnka a prakticky bez straty účinnosti sa obmedziť na rotáciu len v jednej rovine – okolo polárnej osi Zeme rýchlosťou 1 otáčky za deň. . Uhol sklonu osi takejto rotácie voči horizontále sa rovná geografickej šírke miesta. Napríklad pre Moskvu, ktorá sa nachádza v zemepisnej šírke 56°, by mala byť os takejto rotácie naklonená na sever o 56° vzhľadom k povrchu (alebo, čo je to isté, odklonená od vertikály o 34°). Takéto otáčanie je oveľa jednoduchšie organizovať, veľký panel však vyžaduje veľa miesta na plynulé otáčanie. Okrem toho je potrebné buď zorganizovať posuvné pripojenie, ktoré vám umožní odstrániť všetku energiu, ktorú dostáva z neustále sa otáčajúceho panela, alebo sa obmedziť na flexibilnú komunikáciu s pevným pripojením, ale zabezpečiť automatický návrat panelu späť v noci. - inak sa nedá vyhnúť skrúteniu a prerušeniu komunikácie odvádzajúcej energiu. Obe riešenia dramaticky zvyšujú zložitosť a znižujú spoľahlivosť systému. Ako sa výkon panelov (a teda ich veľkosť a hmotnosť) zvyšuje, technické problémy sa stávajú exponenciálne zložitejšími.

V súvislosti so všetkým vyššie uvedeným sa panely jednotlivých solárnych inštalácií montujú takmer vždy nehybne, čo zabezpečuje relatívnu lacnosť a najvyššiu spoľahlivosť inštalácie. Tu je však obzvlášť dôležitý výber uhla umiestnenia panelu. Zoberme si tento problém na príklade Moskvy.

Pozrime sa na schémy slnečného žiarenia pre rôzne uhly inštalácie panelov. Samozrejme, že panel otáčajúci sa po Slnku je mimo konkurencie (oranžová čiara). Jeho účinnosť však aj počas dlhých letných dní prevyšuje účinnosť pevných horizontálnych (modrá) a naklonených v optimálnom uhle (červená) panelov len o cca 30%. Ale v týchto dňoch je dostatok tepla a svetla! Ale počas energeticky najnedostatočnejšieho obdobia od októbra do februára je výhoda otočného panelu oproti pevnému panelu minimálna a takmer nepostrehnuteľná. Je pravda, že v tejto dobe nie je spoločnosťou šikmého panelu horizontálny, ale vertikálny panel (zelená čiara). A to nie je prekvapujúce - nízke lúče zimného slnka kĺžu po horizontálnom paneli, ale sú dobre vnímané vertikálnym panelom, ktorý je na ne takmer kolmý. Preto je vo februári, novembri a decembri vertikálny panel efektívnejší ako dokonca aj šikmý a takmer sa nelíši od rotačného. V marci a októbri sú dni dlhšie a otočný panel už začína sebavedomo (aj keď nie veľmi) prekonávať akékoľvek pevné možnosti, ale účinnosť naklonených a zvislých panelov je takmer rovnaká. A len v období dlhých dní od apríla do augusta je horizontálny panel v prijatej energii pred vertikálnym panelom a približuje sa k šikmému a v júni ho dokonca mierne prekračuje. Letná strata vertikálneho panelu je prirodzená - koniec koncov, povedzme, deň letnej rovnodennosti trvá v Moskve viac ako 17 hodín a na prednej (pracovnej) pologuli vertikálneho panelu môže Slnko zostať najviac 12 hodín, zvyšných 5 hodín (takmer tretina denného svetla!) je za ňou. Ak vezmeme do úvahy, že pri uhloch dopadu väčších ako 60° začne rýchlo rásť podiel svetla odrazeného od povrchu panelu a jeho účinná plocha sa zníži na polovicu a viac, potom čas efektívneho vnímania slnečné žiarenie pre takýto panel nepresiahne 8 hodín – teda menej ako 50 % z celkového trvania dňa. To vysvetľuje stabilizáciu výkonu vertikálnych panelov počas celého obdobia dlhých dní – od marca do septembra. A nakoniec, január sa trochu líši - v tomto mesiaci je výkon panelov všetkých zameraní takmer rovnaký. Faktom je, že tento mesiac v Moskve je veľmi zamračené a viac ako 90% všetkej slnečnej energie pochádza z rozptýleného žiarenia a pre takéto žiarenie nie je orientácia panelu veľmi dôležitá (hlavnou vecou nie je nasmerovať ho na zem). Niekoľko slnečných dní, ktoré sa vyskytujú aj v januári, však znižuje produkciu horizontálneho panelu o 20% v porovnaní so zvyškom.

Aký uhol sklonu by ste si mali zvoliť? Všetko závisí od toho, kedy presne potrebujete slnečnú energiu. Ak ho chcete používať iba v teplom období (povedzme na vidieku), mali by ste zvoliť takzvaný „optimálny“ uhol sklonu kolmo na priemernú polohu Slnka v období medzi jarnou a jesennou rovnodennosťou. . Je približne o 10° .. 15° menej ako zemepisná šírka a pre Moskvu je to 40° .. 45°. Ak potrebujete energiu po celý rok, potom by ste mali „vyžmýkať“ maximum v zimných mesiacoch s nedostatkom energie, čo znamená, že sa musíte zamerať na priemernú polohu Slnka medzi jesennou a jarnou rovnodennosťou a panely umiestniť bližšie k vertikála - o 5° .. 15° viac ako je zemepisná šírka (pre Moskvu to bude 60° .. 70°). Ak z architektonických alebo dizajnových dôvodov nie je možné dodržať takýto uhol a musíte si vybrať medzi uhlom sklonu 40° alebo menej alebo vertikálnou montážou, uprednostnite vertikálnu polohu. Zároveň „nedostatok“ energie počas dlhých letných dní nie je taký kritický – v tomto období je dostatok prirodzeného tepla a svetla a potreba výroby energie zvyčajne nie je taká veľká ako v zime a mimo nej. - sezóna. Prirodzene, sklon panelu by mal byť orientovaný na juh, aj keď odchýlka od tohto smeru o 10° .. 15° na východ alebo západ sa mení len málo a je teda celkom prijateľná.

Horizontálne umiestnenie solárnych panelov v celom Rusku je neúčinné a úplne neopodstatnené. Okrem príliš veľkého poklesu výroby energie v jesenno-zimnom období sa na horizontálnych paneloch intenzívne hromadí prach a v zime aj sneh, ktorý je možné odtiaľ odstrániť len pomocou špeciálne organizovaného čistenia (zvyčajne ručne). Ak sklon panelu presiahne 60°, potom sneh na jeho povrchu veľmi nezostáva a zvyčajne sa sám rýchlo rozpadne a tenká vrstva prachu sa dá ľahko zmyť.

Keďže ceny solárnych zariadení v poslednom čase klesajú, môže byť výhodné namiesto jedného poľa solárnych panelov orientovaných na juh použiť dva s vyšším celkovým výkonom, orientované na priľahlé (juhovýchod a juhozápad) a dokonca aj opačne (východ). a západ) svetové strany. To zabezpečí rovnomernejšiu produkciu počas slnečných dní a zvýšenú produkciu počas zamračených dní, zatiaľ čo zvyšok zariadení zostane navrhnutý na rovnaký, relatívne nízky výkon, a preto bude kompaktnejší a lacnejší.

A ešte posledná vec. Sklo, ktorého povrch nie je hladký, ale má špeciálny reliéf, dokáže oveľa efektívnejšie vnímať bočné svetlo a prenášať ho na pracovné prvky solárneho panelu. Najoptimálnejším sa zdá byť zvlnený reliéf s orientáciou výčnelkov a priehlbín zo severu na juh (pre vertikálne panely - zhora nadol) - druh lineárnej šošovky. Vlnité sklo môže zvýšiť výrobu pevného panelu o 5% alebo viac.

Tradičné typy solárnych zariadení

Z času na čas sa objavia správy o výstavbe ďalšej solárnej elektrárne (SPP) alebo odsoľovacieho zariadenia. Termálne solárne kolektory a fotovoltaické solárne panely sa využívajú na celom svete, od Afriky až po Škandináviu. Tieto spôsoby využitia slnečnej energie sa vyvíjajú už desaťročia, venuje sa im veľa stránok na internete. Preto ich tu budem posudzovať veľmi všeobecne. Jeden dôležitý bod však na internete prakticky nie je pokrytý – ide o výber konkrétnych parametrov pri vytváraní individuálneho systému solárneho napájania. Medzitým táto otázka nie je taká jednoduchá, ako sa zdá na prvý pohľad. Príklad výberu parametrov pre solárny systém je uvedený na samostatnej stránke.

Solárne panely

Vo všeobecnosti možno „solárnu batériu“ chápať ako akúkoľvek súpravu identických modulov, ktoré vnímajú slnečné žiarenie a sú spojené do jedného zariadenia, vrátane čisto tepelných, ale tradične sa tento termín priraďuje špecificky panelom fotoelektrických konvertorov. Preto pojem „solárna batéria“ takmer vždy označuje fotovoltaické zariadenie, ktoré priamo premieňa slnečné žiarenie na elektrický prúd. Táto technológia sa aktívne rozvíja od polovice 20. storočia. Obrovským stimulom pre jeho rozvoj bol prieskum vesmíru, kde solárne batérie môžu v súčasnosti konkurovať len malým jadrovým zdrojom energie, pokiaľ ide o vyrobenú energiu a prevádzkovú dobu. Počas tejto doby sa účinnosť konverzie solárnych batérií zvýšila z jedného alebo dvoch percent na 17 % alebo viac v sériovo vyrábaných, relatívne lacných modeloch a na viac ako 42 % v prototypoch. Životnosť a prevádzková spoľahlivosť sa výrazne zvýšila.

Výhody solárnych panelov

Hlavnou výhodou solárnych panelov je ich extrémna konštrukčná jednoduchosť a úplná absencia pohyblivých častí. Výsledkom je nízka merná hmotnosť a nenáročnosť spojená s vysokou spoľahlivosťou, ako aj čo najjednoduchšia montáž a minimálne nároky na údržbu počas prevádzky (zvyčajne stačí nečistoty z pracovnej plochy len odstrániť pri ich hromadení). Predstavujú ploché prvky s malou hrúbkou a sú celkom úspešne umiestnené na svahu strechy smerom k slnku alebo na stenu domu, prakticky bez potreby ďalšieho priestoru alebo výstavby samostatných objemných konštrukcií. Jedinou podmienkou je, aby ich nič nezakrývalo čo najdlhšie.

Ďalšou dôležitou výhodou je, že energia sa vyrába okamžite vo forme elektriny - v doteraz najuniverzálnejšej a najpohodlnejšej forme.

Žiaľ, nič netrvá večne – účinnosť fotovoltických meničov počas ich životnosti klesá. Polovodičové doštičky, ktoré zvyčajne tvoria solárne články, časom degradujú a strácajú svoje vlastnosti, v dôsledku čoho sa už aj tak nie príliš vysoká účinnosť solárnych článkov ešte viac znižuje. Dlhodobé vystavenie vysokým teplotám tento proces urýchľuje. Najprv som to zaznamenal ako nevýhodu fotovoltaických batérií, najmä preto, že „mŕtve“ fotovoltaické články sa nedajú obnoviť. Je však nepravdepodobné, že akýkoľvek mechanický elektrický generátor bude schopný preukázať účinnosť aspoň 1% už po 10 rokoch nepretržitej prevádzky - s najväčšou pravdepodobnosťou bude vyžadovať vážne opravy oveľa skôr kvôli mechanickému opotrebovaniu, ak nie ložísk, tak kief - a moderné fotokonvertory sú schopné udržať si svoju účinnosť po celé desaťročia. Podľa optimistických odhadov za 25 rokov klesá účinnosť solárnej batérie len o 10 %, čo znamená, že ak nezasiahnu iné faktory, tak aj po 100 rokoch zostanú takmer 2/3 pôvodnej účinnosti. Pri masovo komerčných fotovoltaických článkoch na báze poly- a monokryštalického kremíka však poctiví výrobcovia a predajcovia uvádzajú trochu iné čísla starnutia – po 20 rokoch treba počítať so stratou účinnosti až 20 % (potom teoreticky po 40 rokoch bude účinnosť 2/3 pôvodnej, polovičné za 60 rokov a po 100 rokoch zostane o niečo menej ako 1/3 pôvodnej produktivity). Vo všeobecnosti je bežná životnosť moderných fotokonvertorov minimálne 25...30 rokov, takže degradácia nie je taká kritická a oveľa dôležitejšie je z nich prach včas utrieť...

Ak sú batérie nainštalované tak, že prirodzený prach prakticky chýba alebo je rýchlo zmytý prírodnými dažďami, potom budú schopné fungovať bez akejkoľvek údržby po mnoho rokov. Schopnosť prevádzkovať takú dlhú dobu v bezúdržbovom režime je ďalšou veľkou výhodou.

Nakoniec, solárne panely sú schopné produkovať energiu od úsvitu do súmraku, dokonca aj v zamračenom počasí, keď sa solárne termálne kolektory len mierne líšia od okolitej teploty. Samozrejme, v porovnaní s jasným slnečným dňom ich produktivita mnohonásobne klesá, ale lepšie niečo ako nič! V tejto súvislosti je mimoriadne zaujímavý vývoj batérií s maximálnou premenou energie v tých oblastiach, kde oblaky pohlcujú slnečné žiarenie najmenej. Okrem toho by ste pri výbere solárnych fotokonvertorov mali venovať pozornosť závislosti napätia, ktoré produkujú od osvetlenia - malo by byť čo najmenšie (pri znížení osvetlenia by mal najskôr klesnúť prúd, nie napätie, pretože inak získať aspoň nejaký užitočný efekt v Počas zamračených dní budete musieť použiť drahé prídavné zariadenie, ktoré násilne zvýši napätie na minimum postačujúce na nabitie batérií a prevádzku meničov).

Nevýhody solárnych panelov

Samozrejme, solárne panely majú veľa nevýhod. Okrem závislosti od počasia a dennej doby je možné poznamenať nasledujúce.

Nízka účinnosť. Ten istý solárny kolektor je pri správnom výbere tvaru a materiálu povrchu schopný pohltiť takmer všetko slnečné žiarenie, ktoré naň dopadá, v takmer celom spektre frekvencií, ktoré nesú značnú energiu – od ďalekej infračervenej až po ultrafialovú oblasť. Solárne batérie premieňajú energiu selektívne - na pracovné vybudenie atómov sú potrebné určité energie fotónov (frekvencie žiarenia), preto je v niektorých frekvenčných pásmach premena veľmi efektívna, zatiaľ čo iné frekvenčné rozsahy sú pre ne zbytočné. Energia nimi zachytených fotónov sa navyše kvantovo využíva - jej „prebytok“, presahujúci požadovanú úroveň, ide na zahrievanie materiálu fotokonvertora, čo je v tomto prípade škodlivé. To je do značnej miery to, čo vysvetľuje ich nízku účinnosť.
Mimochodom, ak si vyberiete nesprávny ochranný náterový materiál, môžete výrazne znížiť účinnosť batérie. Záležitosť zhoršuje skutočnosť, že bežné sklo celkom dobre absorbuje vysokoenergetickú ultrafialovú časť rozsahu a pre niektoré typy fotobuniek je tento konkrétny rozsah veľmi dôležitý - energia infračervených fotónov je pre ne príliš nízka.

Citlivosť na vysokú teplotu. So stúpajúcimi teplotami sa účinnosť solárnych článkov, podobne ako takmer všetkých ostatných polovodičových zariadení, znižuje. Pri teplotách nad 100..125°C môžu dočasne stratiť funkčnosť a ešte väčšie zahrievanie hrozí ich nenávratným poškodením. Okrem toho zvýšené teploty urýchľujú degradáciu fotobuniek. Preto je potrebné prijať všetky opatrenia na zníženie zahrievania, ktoré je nevyhnutné pod horiacimi priamymi slnečnými lúčmi. Typicky výrobcovia obmedzujú nominálny rozsah prevádzkových teplôt fotobuniek na +70°..+90°C (to znamená zahrievanie samotných prvkov a okolitá teplota by, prirodzene, mala byť oveľa nižšia).
Situáciu ďalej komplikuje to, že citlivý povrch pomerne krehkých fotobuniek je často pokrytý ochranným sklom alebo priehľadným plastom. Ak medzi ochranným krytom a povrchom fotobunky zostane vzduchová medzera, vytvorí sa akýsi „skleník“, ktorý zhoršuje prehrievanie. Je pravda, že zväčšením vzdialenosti medzi ochranným sklom a povrchom fotobunky a spojením tejto dutiny s atmosférou nad a pod, je možné zorganizovať prúdenie konvekčného vzduchu, ktoré prirodzene ochladzuje fotobunky. Pri ostrom slnku a vysokých vonkajších teplotách to však nemusí stačiť, navyše tento spôsob prispieva k zrýchlenému oprašovaniu pracovnej plochy fotobuniek. Preto aj nie príliš veľká solárna batéria môže vyžadovať špeciálny chladiaci systém. Pre spravodlivosť treba povedať, že takéto systémy sa väčšinou dajú ľahko automatizovať a pohon ventilátora či čerpadla spotrebuje len malý zlomok vytvorenej energie. Pri absencii silného slnka sa veľmi nekúri a už vôbec nie je potrebné chladenie, takže ušetrená energia na pohon chladiaceho systému sa dá využiť na iné účely. Treba poznamenať, že v moderných továrenských paneloch ochranný povlak zvyčajne tesne prilieha k povrchu fotobuniek a odvádza teplo von, ale v domácich dizajnoch môže mechanický kontakt s ochranným sklom poškodiť fotobunku.

Citlivosť na nerovnomernosť osvetlenia. Spravidla sa na získanie napätia na výstupe batérie, ktoré je viac alebo menej vhodné na použitie (12, 24 alebo viac voltov), ​​fotobunky zapájajú do sériových obvodov. Prúd v každom takomto reťazci, a teda jeho výkon, je určený najslabším článkom - fotobunkou s najhoršími charakteristikami alebo s najnižším osvetlením. Ak je teda aspoň jeden prvok reťaze v tieni, výrazne to znižuje výkon celého reťazca – straty sú neúmerné tieneniu (navyše pri absencii ochranných diód takýto prvok začne rozptyľovať energia generovaná zvyšnými prvkami!). Neúmernému zníženiu výkonu sa dá vyhnúť len paralelným zapojením všetkých fotobuniek, ale potom bude mať na výstupe batérie príliš veľký prúd pri príliš nízkom napätí - zvyčajne pre jednotlivé fotobunky je to len 0,5 .. 0,7 V, v závislosti od ich typu a veľkosť nákladu.

Citlivosť na znečistenie. Aj sotva znateľná vrstva nečistôt na povrchu solárnych článkov alebo ochranných skiel dokáže pohltiť značnú časť slnečného žiarenia a výrazne znížiť produkciu energie. V prašnom meste si to bude vyžadovať časté čistenie povrchu solárnych panelov, najmä tých, ktoré sú inštalované vodorovne alebo pod miernym uhlom. Samozrejme, rovnaký postup je nutný po každom snežení a po prachovej búrke... Ďaleko od miest, priemyselných zón, frekventovaných ciest a iných silných zdrojov prachu pod uhlom 45° a viac je však dážď celkom schopný umývanie prirodzeného prachu z povrchu panelov, „automaticky“ ich udržiavanie v celkom čistom stave. A sneh na takom svahu, ktorý je navyše otočený na juh, sa väčšinou nezdrží dlho ani vo veľmi mrazivých dňoch. Takže ďaleko od zdrojov znečistenia ovzdušia môžu solárne panely úspešne fungovať roky bez akejkoľvek údržby, ak by bolo na oblohe slnko!

Napokon, poslednou, ale najdôležitejšou prekážkou širokého prijatia fotovoltaických solárnych panelov je ich pomerne vysoká cena. Cena solárnych batériových prvkov je v súčasnosti minimálne 1 $/W (1 kW - 1 000 $), a to pre nízkoúčinné úpravy bez zohľadnenia nákladov na montáž a inštaláciu panelov, ako aj bez zohľadnenia cena batérií, regulátorov nabíjania a invertorov (meniče generovaného nízkonapäťového jednosmerného prúdu na domáci alebo priemyselný štandard). Vo väčšine prípadov, pre minimálny odhad skutočných nákladov, by sa tieto čísla mali vynásobiť 3-5 krát pri vlastnej montáži z jednotlivých solárnych článkov a 6-10 krát pri nákupe hotových súprav zariadení (plus náklady na inštaláciu).

Batérie majú zo všetkých prvkov napájacieho systému využívajúceho fotovoltaické batérie najkratšiu životnosť, no výrobcovia moderných bezúdržbových batérií tvrdia, že v takzvanom vyrovnávacom režime budú fungovať približne 10 rokov (resp. tradičných 1000 cyklov silného nabíjania a vybíjania - ak počítate jeden cyklus za deň, tak v tomto režime vydržia 3 roky). Podotýkam, že náklady na batérie sú zvyčajne len 10-20% z celkových nákladov na celý systém a náklady na invertory a regulátory nabíjania (oba sú zložité elektronické produkty, a preto existuje určitá pravdepodobnosť ich zlyhania) sú rovnomerné menej. Ak teda vezmeme do úvahy dlhú životnosť a schopnosť pracovať po dlhú dobu bez akejkoľvek údržby, fotokonvertory sa môžu vyplatiť viackrát počas svojej životnosti, a to nielen v odľahlých oblastiach, ale aj v obývaných oblastiach - ak je elektrická energia tarify budú naďalej rásť súčasným tempom!

Solárne tepelné kolektory

Názov „solárne kolektory“ je priradený zariadeniam, ktoré využívajú priamy ohrev solárnym teplom, a to ako jednoduché, tak aj stohovateľné (modulárne). Najjednoduchším príkladom termálneho solárneho kolektora je čierna nádrž na vodu na streche spomínanej vidieckej sprchy (mimochodom, účinnosť ohrevu vody v letnej sprche sa dá výrazne zvýšiť vybudovaním miniskleníka okolo nádrže , aspoň z plastovej fólie je vhodné, aby medzi fóliou a stenami nádrže na vrchu a bokoch bola medzera 4-5 cm;

Moderné kolektory sa však s takouto nádržou len málo podobajú. Sú to zvyčajne ploché konštrukcie vyrobené z tenkých čiernych rúrok usporiadaných do mriežkového alebo hadieho vzoru. Rúrky je možné namontovať na začiernenú tepelne vodivú podkladovú dosku, ktorá zachytáva slnečné teplo vstupujúce do priestorov medzi nimi – to umožňuje zmenšiť celkovú dĺžku rúrok bez straty účinnosti. Na zníženie tepelných strát a zvýšenie zahrievania môže byť vrch kolektora pokrytý sklenenou doskou alebo priehľadným komôrkovým polykarbonátom a na zadnej strane teplorozvodnej dosky sa zbytočným tepelným stratám bráni vrstvou tepelnej izolácie - získa sa akýsi „skleník“. Rúrkou prechádza ohriata voda alebo iné chladivo, ktoré sa môže zhromažďovať v tepelne izolovanej zásobnej nádrži. Chladivo sa pohybuje pôsobením čerpadla alebo gravitácie v dôsledku rozdielu v hustote chladiva pred a za tepelným kolektorom. V druhom prípade si viac či menej efektívna cirkulácia vyžaduje starostlivý výber sklonov a častí potrubia a umiestnenie samotného kolektora čo najnižšie. Ale zvyčajne sa kolektor umiestňuje na rovnakých miestach ako solárna batéria – na slnečnej stene alebo na slnečnom svahu strechy, hoci niekde musí byť umiestnená prídavná akumulačná nádrž. Bez takejto nádrže nemusí pri intenzívnej rekuperácii tepla (povedzme, ak potrebujete napustiť vaňu alebo sa osprchovať) kapacita kolektora postačovať a po krátkom čase bude z kohútika tiecť mierne ohriata voda.

Ochranné sklo, samozrejme, trochu znižuje účinnosť kolektora, absorbuje a odráža niekoľko percent slnečnej energie, aj keď lúče dopadajú kolmo. Keď lúče dopadnú na sklo pod miernym uhlom k povrchu, koeficient odrazu sa môže priblížiť k 100 %. Preto pri absencii vetra a potrebe len mierneho zahrievania vzhľadom na okolitý vzduch (povedzme o 5-10 stupňov na zavlažovanie záhrady) môžu byť „otvorené“ konštrukcie efektívnejšie ako „presklené“. No akonáhle je potrebný rozdiel teplôt niekoľko desiatok stupňov, alebo ak sa zdvihne aj nie veľmi silný vietor, tepelné straty otvorených konštrukcií rapídne narastú a ochranné sklo sa pri všetkých svojich nedostatkoch stáva nevyhnutnosťou.

Dôležitá poznámka - je potrebné vziať do úvahy, že v horúcom slnečnom dni, ak sa neanalyzuje, môže dôjsť k prehriatiu vody nad bod varu, preto je potrebné pri konštrukcii kolektora prijať vhodné opatrenia (zabezpečiť ventil). Pri otvorených kolektoroch bez ochranného skla takéto prehrievanie zvyčajne nehrozí.

V poslednej dobe sa začali vo veľkej miere používať solárne kolektory založené na takzvaných tepelných trubiciach (nemýliť si s „tepelnými trubicami“ používanými na odvod tepla v počítačových chladiacich systémoch!). Na rozdiel od konštrukcie diskutovanej vyššie je tu každá vyhrievaná kovová trubica, cez ktorú cirkuluje chladivo, prispájkovaná vo vnútri sklenenej trubice a vzduch je odčerpávaný z priestoru medzi nimi. Ukázalo sa, že ide o analóg termosky, kde sa v dôsledku vákuovej tepelnej izolácie znížia tepelné straty 20-krát alebo viac. Výsledkom je, že podľa výrobcov, keď je mimo skla mráz -35°C, voda vo vnútornej kovovej trubici so špeciálnym povlakom, ktorý absorbuje čo najširšie spektrum slnečného žiarenia, sa zohreje na +50.. +70°C (rozdiel viac ako 100°C) .Efektívna absorpcia v kombinácii s vynikajúcou tepelnou izoláciou umožňuje ohrievať chladiacu kvapalinu aj pri zamračenom počasí, hoci vykurovací výkon je, samozrejme, niekoľkonásobne menší ako pri jasnom slnku. Kľúčovým bodom je tu zabezpečiť zachovanie vákua v medzere medzi rúrkami, teda vákuovú tesnosť spoja skla a kovu, vo veľmi širokom rozsahu teplôt až 150 °C počas celej životnosti. mnohých rokov. Z tohto dôvodu sa pri výrobe takýchto kolektorov nemožno zaobísť bez starostlivej koordinácie koeficientov tepelnej rozťažnosti skla a kovu a high-tech výrobných procesov, čo znamená, že je nepravdepodobné, že bude možné vyrobiť plnú - Oživená vákuová tepelná trubica v remeselných podmienkach. Jednoduchšie konštrukcie kolektorov je však možné vyrobiť samostatne bez problémov, aj keď, samozrejme, ich účinnosť je o niečo nižšia, najmä v zime.

Okrem kvapalných solárnych kolektorov opísaných vyššie existujú ďalšie zaujímavé typy štruktúr: vzduch (chladivo je vzduch a nebojí sa zamrznutia), „solárne jazierka“ atď. Bohužiaľ, väčšina výskumu a vývoja solárnych kolektorov sa venuje špeciálne tekutým modelom, preto sa alternatívne typy prakticky nevyrábajú sériovo a nie je o nich veľa informácií.

Výhody slnečných kolektorov

Najdôležitejšou výhodou solárnych kolektorov je jednoduchosť a relatívne nízke náklady na výrobu ich celkom efektívnych možností v kombinácii s nenáročnosťou na prevádzku. Minimálne potrebné na výrobu kolektora vlastnými rukami je niekoľko metrov tenkej rúrky (najlepšie tenkostennej medi - dá sa ohnúť s minimálnym polomerom) a trochu čiernej farby, aspoň bitúmenového laku. Rúru ohneme ako hada, natrieme čiernou farbou, umiestnime na slnečné miesto, napojíme na vodovod a teraz je najjednoduchší solárny kolektor hotový! Súčasne môže byť cievka ľahko prispôsobená takmer akejkoľvek konfigurácii a maximálne využiť celý priestor určený pre kolektor. Najúčinnejšie podomácky aplikované černenie, ktoré je zároveň veľmi odolné voči vysokým teplotám a priamemu slnečnému žiareniu, je tenká vrstva sadzí. Sadze sa však ľahko vymazávajú a zmývajú, takže takéto sčernenie si určite vyžiada ochranné sklo a špeciálne opatrenia, aby sa na povrch pokrytý sadzami nedostala možná kondenzácia.

Ďalšou dôležitou výhodou kolektorov je, že na rozdiel od solárnych panelov sú schopné zachytiť a premeniť až 90 % slnečného žiarenia, ktoré na ne dopadá, na teplo a v tých najúspešnejších prípadoch aj viac. Preto nielen za jasného počasia, ale aj pri slabej oblačnosti prevyšuje účinnosť kolektorov účinnosť fotovoltaických batérií. Napokon, na rozdiel od fotovoltaických batérií nerovnomerné osvetlenie povrchu nespôsobuje neúmerné zníženie účinnosti kolektora – dôležitý je len celkový (integrovaný) tok žiarenia.

Nevýhody slnečných kolektorov

Ale slnečné kolektory sú citlivejšie na počasie ako solárne panely. Aj pri ostrom slnku môže čerstvý vietor mnohonásobne znížiť účinnosť vykurovania otvoreného výmenníka tepla. Ochranné sklo samozrejme prudko znižuje tepelné straty vetrom, no v prípade hustej oblačnosti je aj bezmocné. V zamračenom, veternom počasí je kolektor prakticky bez využitia, ale solárna batéria vyrába aspoň nejakú energiu.

Z ďalších nevýhod slnečných kolektorov v prvom rade vyzdvihnem ich sezónnosť. Krátke jarné alebo jesenné nočné mrazy stačia na to, aby ľad tvorený v rúrach ohrievača vytvoril nebezpečenstvo ich prasknutia. Samozrejme, že sa to dá eliminovať vykurovaním „skleníka“ špirálou s cudzím zdrojom tepla počas chladných nocí, ale v tomto prípade môže byť celková energetická účinnosť kolektora ľahko negatívna! Ďalšia možnosť - dvojokruhový rozdeľovač s nemrznúcou zmesou vo vonkajšom okruhu - nebude vyžadovať spotrebu energie na vykurovanie, ale bude oveľa komplikovanejšia ako jednookruhové možnosti s priamym ohrevom vody, a to vo výrobe aj počas prevádzky. Vzduchové konštrukcie v zásade nemôžu zamrznúť, no je tu ďalší problém – nízka merná tepelná kapacita vzduchu.

A predsa možno hlavnou nevýhodou solárneho kolektora je to, že je to práve vykurovacie zariadenie, a hoci priemyselne vyrábané vzorky pri absencii tepelnej analýzy dokážu zohriať chladivo na 190..200 °C, zvyčajne dosahovanú teplotu málokedy prekročí 60..80 °C. Preto je veľmi ťažké využiť získané teplo na získanie značného množstva mechanickej práce alebo elektrickej energie. Veď aj na prevádzku parovodnej turbíny s najnižšou teplotou (napríklad takej, ktorú kedysi opísal V.A. Zysin) je potrebné prehriať vodu aspoň na 110°C! A energia priamo vo forme tepla, ako je známe, sa dlho neskladuje a aj pri teplote nižšej ako 100°C sa väčšinou dá využiť len na zásobovanie teplou vodou a vykurovanie domu. S prihliadnutím na nízku cenu a jednoduchosť výroby to však môže byť celkom dostatočný dôvod na zaobstaranie si vlastného solárneho kolektora.

Aby sme boli spravodliví, treba poznamenať, že „normálny“ pracovný cyklus tepelného motora možno organizovať pri teplotách nižších ako 100 °C – buď ak sa bod varu zníži znížením tlaku vo odparovacej časti odčerpaním pary odtiaľ. , alebo použitím kvapaliny, ktorej bod varu leží medzi teplotou ohrevu solárneho kolektora a teplotou okolitého vzduchu (optimálne - 50..60°C). Pravda, pamätám si len jednu neexotickú a relatívne bezpečnú tekutinu, ktorá viac-menej tieto podmienky spĺňa – etylalkohol, ktorý za normálnych podmienok vrie pri 78°C. Je zrejmé, že v tomto prípade bude potrebné zorganizovať uzavretý cyklus a vyriešiť mnohé súvisiace problémy. V niektorých situáciách môže byť sľubné použitie motorov s vonkajším ohrevom (Stirlingove motory). Zaujímavé v tomto smere môže byť aj použitie zliatin s efektom tvarovej pamäte, ktoré sú popísané na tejto stránke v článku I. V. Nigela - na prevádzku potrebujú iba teplotný rozdiel 25-30°C.

Koncentrácia slnečnej energie

Zvyšovanie účinnosti solárneho kolektora zahŕňa predovšetkým neustále zvyšovanie teploty ohrievanej vody nad bod varu. Zvyčajne sa to robí sústredením slnečnej energie na kolektor pomocou zrkadiel. Toto je princíp, ktorý je základom väčšiny solárnych elektrární, rozdiely spočívajú len v počte, konfigurácii a umiestnení zrkadiel a kolektora, ako aj v spôsoboch ovládania zrkadiel. Výsledkom je, že v zaostrovacom bode je celkom možné dosiahnuť teplotu ani nie stovky, ale tisíce stupňov - pri takejto teplote už môže dôjsť k priamemu tepelnému rozkladu vody na vodík a kyslík (vzniknutý vodík sa môže spáliť v noci a v zamračených dňoch)!

Žiaľ, efektívna prevádzka takejto inštalácie je nemožná bez zložitého riadiaceho systému pre sústredenie zrkadiel, ktoré musia sledovať neustále sa meniacu polohu Slnka na oblohe. V opačnom prípade zaostrovací bod v priebehu niekoľkých minút opustí kolektor, ktorý je v takýchto systémoch často veľmi malý, a ohrev pracovnej tekutiny sa zastaví. Aj použitie paraboloidných zrkadiel rieši problém len čiastočne - ak nie sú periodicky otáčané za Slnkom, tak po pár hodinách im už nespadne do misky alebo bude osvetľovať len jeho okraj - to bude málo platné.

Najjednoduchší spôsob, ako doma sústrediť slnečnú energiu, je umiestniť zrkadlo vodorovne blízko kolektora tak, aby slnko dopadalo na kolektor väčšinu dňa. Zaujímavou možnosťou je použiť ako zrkadlo povrch špeciálne vytvorenej nádrže v blízkosti domu, najmä ak nejde o obyčajnú nádrž, ale o „solárne jazierko“ (aj keď to nie je ľahké a účinnosť odrazu bude byť oveľa menej ako u bežného zrkadla). Dobrý výsledok možno dosiahnuť vytvorením systému vertikálnych koncentračných zrkadiel (tento krok je zvyčajne oveľa problematickejší, ale v niektorých prípadoch môže byť opodstatnené jednoducho nainštalovať veľké zrkadlo na susednú stenu, ak zviera vnútorný uhol s kolektorom - všetko závisí od konfigurácie a umiestnenia budovy a kolektora).

Presmerovanie slnečného žiarenia pomocou zrkadiel môže tiež zvýšiť výkon fotovoltaickej batérie. Zároveň sa však zvyšuje jeho zahrievanie, čo môže poškodiť batériu. Preto sa v tomto prípade musíte obmedziť na relatívne malý zisk (o niekoľko desiatok percent, ale nie niekoľkonásobne) a najmä v horúcich, jasných dňoch je potrebné starostlivo sledovať teplotu batérie! Práve pre nebezpečenstvo prehriatia niektorí výrobcovia fotovoltaických batérií priamo zakazujú prevádzku svojich produktov pri zvýšenom osvetlení vytvorenom pomocou prídavných reflektorov.

Premena slnečnej energie na mechanickú energiu

Tradičné typy solárnych zariadení nevytvárajú priamo mechanickú prácu. Na to je potrebné pripojiť elektromotor k solárnej batérii na fotokonvertoroch a pri použití tepelného solárneho kolektora musí byť na vstup pary privádzaná prehriata para (a prehriatie je nepravdepodobné bez koncentračných zrkadiel). turbíny alebo do valcov parného stroja. Kolektory s relatívne malým množstvom tepla môžu premieňať teplo na mechanický pohyb exotickejšími spôsobmi, ako je použitie aktuátorov zo zliatiny s tvarovou pamäťou.

Existujú však aj inštalácie, ktoré zahŕňajú premenu slnečného tepla na mechanickú prácu, ktorá je priamo zakomponovaná do ich návrhu. Navyše, ich veľkosť a výkon sú veľmi odlišné - ide o projekt obrovskej solárnej veže vysokej stovky metrov a skromného solárneho čerpadla, ktoré by patrilo na letnú chatu.

Žijeme vo svete budúcnosti, aj keď to nie je badateľné vo všetkých regiónoch. V každom prípade sa dnes v progresívnych kruhoch vážne diskutuje o možnosti rozvoja nových zdrojov energie. Jednou z najperspektívnejších oblastí je solárna energia.

V súčasnosti sa asi 1% elektriny na Zemi získava spracovaním slnečného žiarenia. Prečo sme sa teda ešte nevzdali iných „škodlivých“ metód a vzdáme sa vôbec? Pozývame vás, aby ste si prečítali náš článok a pokúsili sa sami odpovedať na túto otázku.

Ako sa slnečná energia premieňa na elektrinu

Začnime tým najdôležitejším – ako sa slnečné lúče spracovávajú na elektrinu.

Samotný proces je tzv "slnečná generácia" . Najúčinnejšie spôsoby, ako to zabezpečiť, sú nasledovné:

• fotovoltaika;
• slnečná tepelná energia;
• solárne balónové elektrárne.

Pozrime sa na každú z nich.

Fotovoltaika

V tomto prípade sa elektrický prúd objaví v dôsledku fotovoltaický efekt. Princíp je takýto: slnečné svetlo dopadá na fotobunku, elektróny absorbujú energiu fotónov (častice svetla) a začnú sa pohybovať. V dôsledku toho dostaneme elektrické napätie.

Presne k tomuto procesu dochádza v solárnych paneloch, ktoré sú založené na prvkoch premieňajúcich slnečné žiarenie na elektrinu.

Samotný dizajn fotovoltaických panelov je dosť flexibilný a môže mať rôzne veľkosti. Preto sú veľmi praktické na použitie. Okrem toho majú panely vysoké výkonové vlastnosti: sú odolné voči zrážkam a teplotným zmenám.

A takto to funguje samostatný modul solárneho panelu:

Môžete si prečítať o použití solárnych panelov ako nabíjačiek, zdrojov energie pre súkromné ​​domy, na zlepšenie miest a na lekárske účely.

Moderné solárne panely a elektrárne

Medzi nedávne príklady patria solárne panely spoločnosti SistineSolar. Na rozdiel od tradičných tmavomodrých panelov môžu mať akýkoľvek odtieň a textúru. To znamená, že môžu byť použité na „ozdobenie“ strechy domu, ako chcete.

Iné riešenie navrhli vývojári Tesly. Uviedli na trh nielen panely, ale plnohodnotný strešný materiál, ktorý spracováva slnečnú energiu. obsahuje vstavané solárne moduly a môže mať tiež širokú škálu dizajnov. Zároveň je samotný materiál oveľa pevnejší ako obyčajná strešná krytina Solar Roof má dokonca nekonečnú záruku.

Príkladom plnohodnotnej solárnej elektrárne je nedávno postavená stanica v Európe s obojstrannými panelmi. Tie zbierajú priame slnečné žiarenie aj odrazové žiarenie. To umožňuje zvýšiť účinnosť solárnej výroby o 30%. Táto stanica by mala ročne vyprodukovať približne 400 MWh.

Zaujímavosťou je tiež najväčšia plávajúca solárna elektráreň v Číne. Jeho výkon je 40 MW. Takéto riešenia majú 3 dôležité výhody:

• nie je potrebné zaberať veľké územia, čo je pre Čínu dôležité;
• v nádržiach sa odparovanie vody znižuje;
• Samotné fotobunky sa menej zahrievajú a pracujú efektívnejšie.

Mimochodom, táto plávajúca solárna elektráreň bola postavená na mieste opusteného uhoľného ťažobného podniku.

Technológia založená na fotovoltaickom efekte je dnes najperspektívnejšia a podľa odborníkov budú solárne panely v najbližších 30 – 40 rokoch schopné vyprodukovať asi 20 % svetovej spotreby elektriny.

Solárna tepelná energia

Tu je prístup trochu iný, pretože... slnečné žiarenie sa používa na ohrev nádoby obsahujúcej kvapalinu. Vďaka tomu sa mení na paru, ktorá roztáča turbínu, čím vzniká elektrina.

Tepelné elektrárne fungujú na rovnakom princípe, iba kvapalina sa ohrieva spaľovaním uhlia.

Najzrejmejším príkladom použitia tejto technológie je Solárna stanica Ivanpah v Mohavskej púšti. Je to najväčšia solárna tepelná elektráreň na svete.

Funguje od roku 2014 a na výrobu elektriny nepoužíva žiadne palivo – iba ekologickú slnečnú energiu.

Vodný kotol je umiestnený vo vežiach, ktoré môžete vidieť v strede konštrukcie. Okolo je pole zrkadiel, ktoré smerujú slnečné lúče na vrchol veže. Počítač zároveň tieto zrkadlá neustále otáča v závislosti od polohy slnka.

Vplyvom koncentrovanej slnečnej energie sa voda vo veži ohrieva a mení sa na paru. Tým sa vytvorí tlak a para začne otáčať turbínou, čo má za následok uvoľnenie elektriny. Výkon tejto stanice je 392 megawattov, čo sa dá bez problémov porovnať s priemernou tepelnou elektrárňou v Moskve.

Je zaujímavé, že takéto stanice môžu fungovať aj v noci. Je to možné tak, že časť ohriatej pary sa uloží do zásobníka a postupne sa využíva na otáčanie turbíny.

Solárne balónové elektrárne

Toto originálne riešenie, aj keď nie je veľmi používané, má stále svoje miesto.

Samotná inštalácia pozostáva zo 4 hlavných častí:

• Aerostat – umiestnený na oblohe, zbiera slnečné žiarenie. Voda vstupuje do gule a rýchlo sa zahrieva a stáva sa parou.
• Parné potrubie - cez neho para pod tlakom klesá k turbíne, čím sa otáča.
• Turbína - pod vplyvom prúdu pary sa otáča a generuje elektrickú energiu.
• Kondenzátor a čerpadlo - para, ktorá prešla turbínou, sa skondenzuje na vodu a pomocou čerpadla stúpa do balóna, kde sa opäť zohreje do parného stavu.

Aké sú výhody solárnej energie

• Slnko nám bude dodávať energiu ešte niekoľko miliárd rokov. Ľudia zároveň nepotrebujú míňať peniaze a zdroje na jeho ťažbu.
• Výroba solárnej energie je úplne ekologický proces bez rizika pre prírodu.
• Autonómia procesu. Zber slnečného svetla a výroba elektriny prebieha s minimálnym zásahom človeka. Jediné, čo musíte urobiť, je udržiavať čisté pracovné plochy alebo zrkadlá.
• Vyčerpané solárne panely je možné recyklovať a opätovne použiť vo výrobe.

Problémy rozvoja solárnej energie

Napriek realizácii nápadov na udržanie prevádzky solárnych elektrární v noci, nikto nie je imúnny voči rozmarom prírody. Zamračená obloha počas niekoľkých dní výrazne znižuje výrobu elektriny, no obyvateľstvo a podniky potrebujú nepretržité zásobovanie.

Výstavba solárnej elektrárne nie je lacná záležitosť. Je to spôsobené potrebou použitia vzácnych prvkov v ich dizajne. Nie všetky krajiny sú pripravené plytvať rozpočtami na menej výkonné elektrárne, keď fungujú tepelné a jadrové elektrárne.

Na umiestnenie takýchto inštalácií sú potrebné veľké plochy a na miestach, kde má slnečné žiarenie dostatočnú úroveň.

Ako sa slnečná energia vyvíja v Rusku?

Žiaľ, naša krajina stále spaľuje uhlie, plyn a ropu na plné obrátky a Rusko bude určite medzi poslednými, ktorí úplne prejdú na alternatívnu energiu.

Randiť slnečná výroba tvorí len 0,03 % energetickej bilancie Ruskej federácie. Pre porovnanie, v Nemecku je toto číslo viac ako 20 %. Súkromní podnikatelia nemajú záujem investovať do solárnej energie z dôvodu dlhej doby návratnosti a nie tak vysokej rentability, pretože plyn je u nás oveľa lacnejší.

V ekonomicky vyspelých regiónoch Moskvy a Leningradu je slnečná aktivita na nízkej úrovni. Tam budovanie solárnych elektrární jednoducho nie je praktické. Ale južné regióny sú celkom sľubné.