Процес, що генерує енергію сонця. Принцип перетворення сонячної енергії, її застосування та перспективи

Щодня кількість світових запасів вугілля, нафти, газу, тобто всього того, що служить нам сьогодні джерелом енергії, зменшується. І незабаром людство прийде до того, що викопного палива просто не залишиться. Тому всі країни активно шукають порятунок від катастрофи, що стрімко насувається на нас. І перший засіб порятунку, який спадає на думку – це, звичайно, енергія сонця, яка використовується людьми споконвіку для сушіння одягу, освітлення житла та приготування їжі. Це і дало початок одному з напрямків альтернативної енергетики – сонячної енергії.

Як енергетичне джерело для сонячної енергетики використовується енергія сонячного світла, яку за допомогою спеціальних конструкцій перетворять на теплову або електричну. За даними фахівців, всього за один тиждень на земну поверхню від сонця надходить така кількість енергії, яка перевищує енергію світових запасів усіх видів палива. І хоча темп розвитку цього напряму альтернативної енергетики неухильно зростає, все ж таки сонячна енергетика має не тільки переваги, але й недоліки.

Якщо до основних плюсів можна віднести загальнодоступність, а головне невичерпність джерела енергії, то до недоліків зараховують:

• необхідність акумуляції одержуваної від сонця енергії,
• значну вартість обладнання, що застосовується,
• залежність від погодних умов та часу доби,
• підвищення температури атмосфери над електростанціями та ін.

Чисельні характеристики сонячного випромінювання

Існує такий показник, як сонячна постійна. Його значення дорівнює 1367 Вт. Саме така кількість енергії припадає на 1 кв. планети Земля. Ось тільки до поверхні землі через атмосферу енергії сягає приблизно 20-25% менше. Тому значення сонячної енергії на квадратний метр, наприклад, на екваторі дорівнює 1020 Вт. А зважаю на зміну дня і ночі, зміну кута сонця над горизонтом, цей показник знижується ще приблизно в 3 рази.

Ось тільки звідки береться ця енергія? Цим питанням вчені почали займатися ще в 19 столітті, причому версії були зовсім різні. Сьогодні ж у результаті величезної кількості досліджень достовірно відомо, що джерелом сонячної енергії є реакція перетворення 4-х атомів водню на ядро ​​гелію. Внаслідок цього процесу виділяється значна кількість енергії. Наприклад, енергія, що виділяється при перетворенні 1 гр. водню можна порівняти з енергією, що виділяється при згорянні 15 т. бензину.

Перетворення сонячної енергії

Ми вже знаємо, що енергію, що отримується від сонця, необхідно перетворити на якийсь інший вид. Необхідність цього виникає через те, що людство поки що не має таких приладів, які могли б споживати сонячну енергію в її чистому вигляді. Тому були розроблені такі джерела енергії як сонячний колектор та сонячні батареї. Якщо перший використовується отримання теплової енергії, то другі виробляють безпосередньо електрику.

Існує кілька способів перетворення енергії сонця:

• фотовольтаїка;
• термоповітряна енергетика;
• геліотермальна енергетика;
• із використанням сонячних аеростатних електростанцій.

Найбільш поширеним методом вважається фотовольтаїка. Принцип цього перетворення полягає у використанні фотоелектричних сонячних панелей або як їх ще називають сонячних батарей, за допомогою яких відбувається перетворення сонячної енергії в електричну. Як правило, виготовляють такі панелі з кремнію, а товщина їхньої робочої поверхні складає всього кілька десятих міліметра. Розмістити їх можна скрізь, є лише одна умова – наявність великої кількості сонячного світла. Відмінний варіант для встановлення фотопластин – дахи житлових будинків та громадських будівель.

Крім розглянутих фотопластин для перетворення енергії сонячного випромінювання використовують тонкоплівкові панелі. Відрізняються вони ще меншою товщиною, що дозволяє встановити їх будь-де, але значний недолік таких панелей – це низький ККД. Саме тому їх монтаж буде виправданий тільки при великих площах розміщення. Для жарту тонкоплівкову панель можна розмістити навіть на корпусі ноутбука або на жіночій сумочці.

У термоповітряній енергетиці сонячна енергія перетворюється на енергію потоку повітря, який потім направляють на турбогенератор. А ось у разі використання сонячних аеростатних електростанцій усередині аеростатного балона відбувається генерація водяної пари. Досягається цей ефект за рахунок нагрівання сонячним світлом поверхні аеростату, на яку нанесено селективно-поглинаюче покриття. Головна перевага цього методу полягає в достатньому запасі пари, якої вистачає для продовження роботи електростанції в погану погоду та вночі.

Принцип геліотремальної енергетики полягає у нагріванні поверхні, яка поглинає сонячні промені та фокусує їх з метою подальшого використання отриманого тепла. Найпростіший приклад - це нагрівання води, яку потім можна використовувати в побутових потребах, наприклад, для подачі в каналізацію або батареї, заощаджуючи газ або інше паливо. У промислових масштабах енергія сонячного випромінювання, одержувана цим способом, перетворюється на електричну енергію у вигляді теплових машин. Будівництво таких комбінованих електростанцій може тривати понад 20 років, але темп розвитку сонячної енергетики не знижується, а навпаки, неухильно зростає.

Де можливе застосування сонячної енергії?

Використовувати сонячну енергію можна в різних областях - від хімічної промисловості до автомобілебудування, від приготування їжі до опалення приміщень. Наприклад, використання сонячних батарей в автомобільній галузі розпочалося ще 1955 року. Саме цей рік ознаменувався випуском першого автомобіля, що працював на сонячних батареях. Сьогодні ж випуском подібних автомашин займаються BMW, Toyota та інші найбільші компанії.

У побуті сонячна енергія використовується для обігріву приміщень, освітлення і навіть для приготування їжі. Наприклад, сонячні печі з фольги та картону з ініціативи ООН активно використовують біженці, які були змушені залишити свої рідні місця через тяжку політичну обстановку. Більш складні за конструкцією сонячні печі використовуються для термообробки та плавки металів. Одна з найбільших печей знаходиться на території Узбекистану.

Найбільш цікавими вигадками щодо використання сонячної енергії можна вважати:

• Захисний чохол для телефону з фотоелементом, що є одночасно заряджанням.
• Рюкзак із прикріпленою на ньому сонячною панеллю. Він дозволить вам зарядити не тільки телефон, а й планшет і навіть камеру, загалом будь-яку електроніку, яка має USB-вхід.
• Сонячні Bluetooth-навушники.

А найкреативніший задум – це одяг, зшитий із спеціальної тканини. Піджак, краватка і навіть купальник – все це може стати не лише предметом гардеробу, але й зарядним пристроєм.

Розвиток альтернативної енергетики у країнах СНД

Високими темпами альтернативна енергетика, зокрема й сонячна, розвивається у США, Європі чи Індії, а й у країнах СНД, у тому числі входить Росія, Казахстан, а особливо Україна. Наприклад, найбільшу електростанцію на сонячній енергії на території країн колишнього Радянського Союзу «Перово» було збудовано в Криму. Її будівництво завершилося у 2011 році. Ця електростанція стала третім новаторським проектом австрійської компанії Activ Solar. Пікова потужність "Перово" складає близько 100 МВт.

А в жовтні того ж року компанією Activ Solar було запущено ще одну сонячну електростанцію «Мисливське» і також на території Криму. Її потужність становила 80 МВт. «Мисливське» також отримала статус найбільшої, але вже на території Центральної та Східної Європи. Можна сказати, що альтернативна енергетика в Україні зробила величезний крок на зустріч безпечної та невичерпної енергії.

У Казахстані ситуація виглядає трохи інакше. В основному розвиток альтернативної енергетики в цій країні відбувається лише в теорії. Потенціал у республіки величезний, але розкрити його повністю поки що не виходить. Звичайно, уряд займається цим питанням, і навіть був розроблений план розвитку альтернативної енергетики в Казахстані, ось тільки частка енергії, одержуваної від відновлюваних джерел, зокрема від сонця, становитиме не більше 1% у загальному енергобалансі країні. До 2020 року в планах запуск всього 4 сонячних електростанцій, загальна потужність яких становитиме 77 МВт.

Альтернативна енергетика у Росії також розвивається чималими темпами. Але, як заявив заступник міністра енергетики, ухил у цій галузі робиться переважно на далекосхідних регіонах. Наприклад, у Якутії сумарне вироблення 4 сонячних електростанцій, що працюють у найвіддаленіших північних селищах, склало понад 50 тис. кВт * год. Це дозволило заощадити понад 14 тонн дорого дизельного палива. Ще одним прикладом використання сонячної енергії служить багатопрофільний авіаційний комплекс, що будується в Липецькій області. Електроенергію для його роботи вироблятиме перша СЕС, побудована також на території Липецької області.

Все це дозволяє зробити такий висновок: сьогодні всі країни, навіть не найрозвиненіші, прагнуть максимально наблизитися до заповітної мети: використання альтернативних джерел енергії. Адже споживання електроенергії зростає з кожним днем, з кожним днем ​​збільшується кількість шкідливих викидів у довкілля. І багато хто вже розуміє, що наше майбутнє і майбутнє нашої планети залежить лише від нас.

Р.Абдулліна

Україна робить ставку на енергію Сонця

Люди вже не уявляють собі життя без електрики, і з кожним роком потреба в енергії дедалі більше зростає, тоді як запаси енергоресурсів таких нафт, газ, вугілля стрімко скорочуються. У людства не залишається інших варіантів, як використання альтернативних джерел енергії. Одним із способів одержання електроенергії є перетворення сонячної енергії за допомогою фотоелементів. Те, що можна використовувати енергію сонця, люди дізналися відносно давно, але активно розвивати почали лише в останні 20 років. За останні роки завдяки дослідженням, що не припиняються, використанню новітніх матеріалів і креативних конструкторських рішень вдалося значно збільшити продуктивність сонячних батарей. Багато хто вважає, що в майбутньому людство зможе відмовитися від традиційних способів отримання електроенергії на користь сонячної енергії та отримувати її за допомогою сонячних електростанцій.

Сонячна енергетика

Сонячна енергетика одне із джерел отримання електроенергії не традиційним способом, тому відноситься до альтернативних джерел енергії. Сонячна енергетика використовує сонячне випромінювання і перетворює його на електрику чи інші види енергії. Сонячна енергія не лише екологічно чистим джерелом енергії, т.к. при перетворенні сонячної енергії не виділяється шкідливих побічних продуктів, але ще енергія сонця джерело альтернативної енергії, що самовідновлюється.

Як працює сонячна енергетика

Теоретично розрахувати, скільки можна отримати енергії від потоку сонячної енергії нескладно, давно відомо, що пройшовши відстань від Сонця до Землі і падаючи на поверхню площею 1 м 2 під кутом 90 °, сонячний потік на вході в атмосферу несе в собі енергетичний заряд 1367 Вт/ м, це так звана сонячна постійна. Це ідеальний варіант при ідеальних умовах, яких знати досягти практично не можливо. Таким чином після проходження атмосфери максимальний потік який можна отримати буде на екваторі і буде становити 1020 Вт/м², але середньодобове значення, яке ми зможемо отримати, буде в 3 рази менше через зміну дня і ночі та зміну кута падіння сонячного потоку. А в помірних широтах до зміни дня і ночі додається ще й зміна пір року, а з ним і зміна тривалості світлового дня, тому в помірних широтах кількість енергії, що отримується, скоротиться ще в 2 рази.

Розвиток та розповсюдження сонячної енергетики

Як ми всі знаємо, останні кілька років розвиток сонячної енергетики з кожним роком все більше набирає темпи, але спробуємо простежити динаміку розвитку. У далекому 1985 році світові потужності, що використовують сонячну енергію, становили лише 0,021 ГВт. 2005 року вони вже становили 1,656 ГВт. 2005 вважають переломним у розвитку сонячної енергетики, саме з цього року люди почалося активно цікавитися дослідженнями та розвитком електросистем працюючих на сонячній енергії. Далі динаміка не залишає сумнівів (2008-15,5 ГВт, 2009-22,8 ГВт, 2010-40 ГВт, 2011-70 ГВт, 2012-108 ГВт, 2013-150 ГВт, 2013-150 ГВт). Пальму першості у використанні сонячної енергії тримають країни Євросоюзу та США, у виробничій та експлуатаційній сфері лише у США та Німеччині зайнято понад 100 тис. людей у ​​кожній. Також своїми досягненнями в освоєнні сонячної енергії можуть похвалитися Італія, Іспанія і, звичайно ж, Китай, який якщо і не є лідером в експлуатації сонячних елементів, то як виробник фотоелементів рік у рік нарощує темпи виробництва.

Переваги та недоліки використання сонячної енергії

Переваги: 1) екологічність-не забруднює довкілля; 2) доступність-фотоелементи доступні у продажу не лише для промислового використання, а й для створення приватних міні сонячних електростанцій; 3) невичерпність та саме відновлюваність джерела енергії; 4) собівартість виробництва електроенергії, що постійно знижується.
Недоліки: 1) вплив на продуктивність погодних умов та часу доби; 2) для збереження енергії необхідно акумулювати енергію; 3) менша продуктивність у помірних широтах через зміну пір року; 4) значне нагрівання повітря над сонячною електростанцією; 5) потреба періодично очищати поверхню фотоелементів від забруднення, а це проблематично через величезні площі, що займаються під установку фотоелементів; 6) також можна сказати про відносно високу вартість обладнання, хоч з кожним роком собівартість знижується, поки говорити про дешеву сонячну енергію не доводиться.

Перспективи розвитку сонячної енергетики

На сьогоднішній день розвитку сонячної енергетики пророкують велике майбутнє, з кожним роком все більше будуються нові сонячні електростанції, які вражають своїми масштабами та технічними рішеннями. Також не припиняються наукові дослідження, спрямовані на збільшення ККД фотоелементів. Вчені вважають, що якщо покрити суходіл планети Земля на 0,07%, з ККД фотоелементів у 10%, то енергії вистачить більш ніж на 100% забезпечення всіх потреб людства. На сьогоднішній день вже використовуються фотоелементи з ККД у 30%. За дослідницькими даними відомо, що амбіції вчених обіцяють довести його до 85%.

Сонячні електростанції

Сонячні електростанції це спорудження завданням, яких є перетворювати потоки сонячної енергії на електричну енергію. Розміри сонячних електростанцій можуть бути різними, починаючи від приватних міні електростанцій з кількома сонячними панелями і закінчуючи величезними, що займають площу понад 10 км.

Які бувають сонячні електростанції

З часу будівництва перших сонячних електростанцій пройшло досить багато часу, за який було здійснено безліч проектів та застосовано чимало цікавих конструкційних рішень. Прийнято ділити всі сонячні електростанції на кілька типів:
1. Сонячні електростанції баштового типу.
2. Сонячні електростанції, де сонячні батареї є фотоелементами.
3. Тарілчасті сонячні електростанції.
4. Параболічні сонячні електростанції.
5. Сонячні електростанції сонячно-вакуумного типу.
6. Сонячні електростанції змішаного типу.

Сонячні електростанції баштового типу

Дуже поширений тип конструкції електростанції. Є високою баштовою конструкцією на вершині, якою розташований резервуар, з водою пофарбований у чорний колір для кращого притягування відбитого сонячного світла. Навколо вежі по колу розташовані великі дзеркала площею понад 2 м², всі вони підключені до єдиної системи управління, яка стежить за зміною кута нахилу дзеркал, щоб вони завжди відображали сонячне світло і направляли його прямо на резервуар з водою розташований на верхівці вежі. Таким чином, відбите сонячне світло нагріває воду, яка утворює пару, а потім ця пара за допомогою насосів подається на турбогенератор де і відбувається вироблення електроенергії. Температура нагрівання бака може досягати 700 °C. Висота вежі залежить від розмірів і потужності сонячної електростанції і, як правило, починається від 15 м, а висота найбільшої на сьогоднішній день становить 140 м. Такий тип сонячних електростанцій дуже поширений і віддається перевагу багатьом країнам за свій високий ККД в 20%.

Сонячні електростанції фотоелементного типу

Використовують для перетворення сонячного потоку на електрику фотоелементи (сонячні батареї). Даний тип електростанцій став дуже популярним завдяки можливості використання сонячних батарей невеликими блоками, що дозволяє застосовувати сонячні батареї для забезпечення електроенергією як приватних будинків, так і великих промислових об'єктів. Тим більше, що ККД з кожним роком зростає і на сьогоднішній день вже існують фотоелементи з ККД 30%.

Параболічні сонячні електростанції

Цей тип сонячної електростанції має вигляд величезних супутникових антен, внутрішня сторона яких покрита дзеркальними пластинами. Принцип, за яким відбувається перетворення енергії, схожий з баштовими станціями з невеликою відмінністю, параболічна форма дзеркал обумовлює, що сонячні промені, відбиваючись від усієї поверхні дзеркала, концентруються в центрі, де розташований приймач з рідиною, що нагрівається, утворюючи пару, яка у свою черга є рушійною силою для невеликих генераторів.

Тарілчасті сонячні електростанції

Принцип роботи та спосіб отримання електроенергії ідентичний сонячним електростанціям баштового та параболічного типу. Відмінність становить лише конструктивні особливості. На стаціонарній конструкції трохи схожою на гігантське металеве дерево, на якому розвішано круглі плоскі дзеркала, які концентрують сонячну енергію на приймачі.

Сонячні електростанції сонячно-вакуумного типу

Це дуже незвичайний спосіб використання енергії сонця та різниці температур. Конструкція електростанції складається з покритої скляним дахом ділянки землі круглої форми з вежею в центрі. Башта всередині порожниста, в її підставі розташовані кілька турбін, які обертаються завдяки потоку повітря, що виникає через різницю температур. Через скляний дах сонце нагріває землю і повітря всередині приміщення, а із зовнішнім середовищем будівля повідомляється трубою і так як поза приміщенням температура повітря значно нижча, то створюється повітряна тяга, яка збільшується зі зростанням різниці температур. Таким чином, вночі турбіни виробляють електроенергії більше, ніж вдень.

Сонячні електростанції змішаного типу

Це коли на сонячних електростанціях певного типу як допоміжні елементи використовують, наприклад сонячні колектори для забезпечення об'єктів гарячою водою і теплом або можливе використання одночасно на електростанції баштового типу ділянок фотоелементів.

Сонячна енергетика розвивається високими темпами, люди, нарешті, то всерйоз задумалися про альтернативні джерела енергії, щоб попередити енергетичну кризу, що неминуче насувається, і екологічну катастрофу. Хоч лідерами в сонячній енергетиці, як і раніше, залишаються США та Євросоюз, але всі інші світові держави поступово починають переймати та використовувати досвід та технології виробництва та використання сонячних електростанцій. Можна не сумніватися, що рано чи пізно сонячна енергія стане основним джерелом енергії Землі.

Сонце - невичерпне, екологічно безпечне та дешеве джерело енергії. Як заявляють експерти, кількість сонячної енергії, яка надходить на поверхню Землі протягом тижня, перевищує енергію всіх світових запасів нафти, газу, вугілля та урану 1 . На думку академіка Ж.І. Алфьорова, «людство має надійний природний термоядерний реактор – Сонце. Воно є зіркою класу «Ж-2», дуже середньою, яких у Галактиці до 150 мільярдів. Але це - наша зірка, і вона посилає на Землю величезні потужності, перетворення яких дозволяє задовольняти практично будь-які енергетичні запити людства на багато сотень років». Причому, сонячна енергетика є «чистою» і негативно впливає на екологію планети 2 .

Важливим моментом є той факт, що сировиною для виготовлення сонячних батарей є один з найчастіше зустрічаються елементів - кремній. У земній корі кремній другий елемент після кисню (29,5% за масою) 3 . На думку багатьох учених, кремній – це «нафта двадцять першого століття»: протягом 30 років один кілограм кремнію у фотоелектричній станції виробляє стільки електрики, скільки 75 тонн нафти на тепловій електростанції.

Однак деякі експерти вважають, що сонячну енергетику не можна назвати екологічно безпечною через те, що виробництво чистого кремнію для фотобатар є дуже «брудним» і дуже енерговитратним виробництвом. Поряд з цим будівництво сонячних електростанцій вимагає відведення великих земель, порівнянних за площею з водосховищами ГЕС. Ще одним недоліком сонячної енергетики, на думку фахівців, є висока волатильність. Забезпечення ефективної роботи енергосистеми, елементами яких є сонячні електростанції, можливе за умови:
- наявності значних резервних потужностей, які використовують традиційні енергоносії, які можна підключити вночі або у похмурі дні;
- проведення масштабної та дорогої модернізації електромереж 4 .

Незважаючи на вказану нестачу, сонячна енергетика продовжує свій розвиток у світі. Насамперед, зважаючи на те, що промениста енергія дешевшатиме і вже через кілька років складе вагому конкуренцію нафти та газу.

Зараз у світі існують фотоелектричні установки, що перетворюють сонячну енергію в електричну на основі методу прямого перетворення, та термодинамічні установки, в яких сонячна енергія спочатку перетворюється на тепло, потім термодинамическом циклі теплової машини перетворюється на механічну енергію, а генераторі перетворюється на електричну.

Сонячні елементи як джерело енергії можуть застосовуватись:
- у промисловості (авіапромисловість, автомобілебудування тощо),
- у сільському господарстві,
- у побутовій сфері,
- у будівельній сфері (наприклад, еко-будинки),
- на сонячних електростанціях,
- в автономних системах відеоспостереження,
- в автономних системах освітлення,
- у космічній галузі.

За даними Інституту Енергетичної стратегії, теоретичний потенціал сонячної енергетики Росії становить понад 2300 млрд. тонн умовного палива, економічний потенціал - 12,5 млн. т.у.т. Потенціал сонячної енергії, що надходить на територію Росії протягом трьох днів, перевищує енергію всього річного виробництва електроенергії нашій країні.
Зважаючи на розташування Росії (між 41 і 82 градусами північної широти) рівень сонячної радіації істотно варіюється: від 810 кВт-год/м 2 на рік у віддалених північних районах до 1400 кВт-год/м 2 на рік у південних районах. На рівень сонячної радіації впливають і великі сезонні коливання: на ширині 55 градусів сонячна радіація у січні становить 1,69 кВт-год/м 2 , а у липні - 11,41 кВт-год/м 2 на день.

Потенціал сонячної енергії найбільший на південному заході (Північний Кавказ, район Чорного та Каспійського морів) і в Південному Сибіру та на Далекому Сході.

Найбільш перспективні регіони щодо використання сонячної енергетики: Калмикія, Ставропольський край, Ростовська область, Краснодарський край, Волгоградська область, Астраханська область та інші регіони на південному заході, Алтай, Примор'я, Читинська область, Бурятія та інші регіони на південному сході. Причому деякі райони Західного та Східного Сибіру та Далекого Сходу перевищує рівень сонячної радіації південних регіонів. Так, наприклад, в Іркутську (52 градуси північної широти) рівень сонячної радіації досягає 1340 кВт-год/м 2 , тоді як в Республіці Якутія-Саха (62 градуси північної широти) цей показник дорівнює 1290 кВт-год/м 2 . 5

В даний час Росія володіє передовими технологіями перетворення сонячної енергії в електричну. Є низка підприємств та організацій, які розробили та вдосконалюють технології фотоелектричних перетворювачів: як на кремнієвих, так і на багатоперехідних структурах. Є низка розробок використання концентруючих систем для сонячних електростанцій.

Законодавча база у сфері підтримки розвитку сонячної енергетики у Росії перебуває у зародковому стані. Однак перші кроки вже зроблено:
- 3 липня 2008р.: Постанова Уряду №426 «Про кваліфікацію генеруючого об'єкта, що функціонує на основі використання поновлюваних джерел енергії»;
- 8 січня 2009р.: Розпорядження Уряду РФ N 1-р «Про Основні напрями державної політики у сфері підвищення енергетичної ефективності електроенергетики на основі використання поновлюваних джерел енергії на період до 2020 р.»

Було затверджено цільові показники щодо збільшення до 2015 та 2020 років частки ВДЕ у загальному рівні російського енергобалансу до 2,5% та 4,5% відповідно 6 .

За різними оцінками, на даний момент у Росії сумарний обсяг введених потужностей сонячної генерації становить не більше 5 МВт, більшість з яких припадає на домогосподарства. Найбільшим промисловим об'єктом у російській сонячній енергетиці є введена в 2010 році сонячна електростанція у Білгородській області потужністю 100 кВт (для порівняння, найбільша сонячна електростанція у світі розташовується в Канаді потужністю 80000 кВт).

Нині у Росії реалізується два проекти: будівництво сонячних парків у Ставропольському краї (потужність - 12 МВТ), й у Республіці Дагестан (10 МВт) 7 . Незважаючи на відсутність підтримки поновлюваної енергетики, низка компаній реалізує дрібні проекти у сфері сонячної енергетики. Наприклад, «Сахаенерго» встановило невелику станцію в Якутії потужністю 10 кВт.

Існують маленькі установки в Москві: у Леонтьєвському провулку та на Мічурінському проспекті під'їзди та двори кількох будинків висвітлюються за допомогою сонячних модулів, що скоротило витрати на освітлення на 25%. На вулиці Тимірязівській сонячні батареї встановлені на даху однієї з автобусних зупинок, які забезпечують роботу довідково-інформаційної транспортної системи та Wi-Fi.

Розвиток сонячної енергетики у Росії зумовлено низкою чинників:

1) кліматичні умови:цей чинник впливає як на рік досягнення мережного паритету, а й у вибір тієї технології сонячної установки, що найкраще підходить для конкретного регіону;

2)Державна підтримка:наявність законодавчо встановлених економічних стимулів сонячної енергетики надає вирішальне значення на
її розвиток. Серед видів державної підтримки, що успішно застосовуються в ряді країн Європи та США, можна виділити: пільговий тариф на сонячні електростанції, субсидії на будівництво сонячних електростанцій, різні варіанти податкових пільг, компенсацію частини витрат з обслуговування кредитів на придбання сонячних установок;

3)вартість СФЕУ (сонячні фотоелектричні установки):Сьогодні сонячні електростанції є однією з найдорожчих використовуваних технологій виробництва електроенергії. Однак у міру зниження вартості 1 кВт*год виробленої електроенергії сонячна енергетика стає конкурентоспроможною. Від зниження вартості 1Вт встановленої потужності СФЕУ (~3000 $ 2010 року) залежить попит на СФЕУ. Зниження вартості досягається за рахунок підвищення ККД, зниження технологічних витрат та зниження рентабельності виробництва (вплив конкуренції). Потенціал зниження вартості 1 кВт потужності залежить від технології та лежить у діапазоні від 5% до 15% на рік;

4) екологічні норми:ринку сонячної енергетики позитивно може вплинути посилення екологічних норм (обмеження і штрафів) внаслідок можливого перегляду Кіотського протоколу. Удосконалення механізмів продажу квот на викиди може дати новий економічний стимул ринку СФЭУ;

5) баланс попиту та пропозиції електроенергії:реалізація існуючих амбітних планів з будівництва та реконструкції генеруючих та електромережних
потужностей компаній, що виділилися з РАТ «ЄЕС Росії» в ході реформи галузі, суттєво збільшить пропозицію електроенергії та може посилити тиск на ціну
на оптовому ринку. Однак вибуття старих потужностей та одночасне підвищення попиту спричинить збільшення ціни;

6)наявність проблем із технологічним приєднанням:затримки з виконанням заявок на технологічне приєднання до централізованої системи електропостачання є стимулом переходу до альтернативних джерел енергії, зокрема СФЭУ. Такі затримки визначаються як об'єктивною нестачею потужностей, і неефективністю організації технологічного приєднання мережевими компаніями чи недоліком фінансування технологічного приєднання з тарифу;

7) ініціативи місцевої влади:регіональні та муніципальні органи управління можуть реалізовувати власні програми розвитку сонячної енергетики або, ширше, відновлюваних/нетрадиційних джерел енергії. Сьогодні такі програми вже реалізуються в Красноярському та Краснодарському краях, Республіці Бурятія та ін;

8) розвиток власного виробництва:Російське виробництво СФЭУ може вплинути на розвиток російського споживання сонячної енергетики. По-перше, завдяки власному виробництву посилюється загальна поінформованість населення про наявність сонячних технологій та їхню популярність. По-друге, знижується вартість СФЕУ для кінцевих споживачів за рахунок зниження проміжних ланок дистриб'юторського ланцюга та за рахунок зниження транспортної складової 8 .

Сонячна енергія

Параметри сонячного випромінювання

Насамперед необхідно оцінити потенційні енергетичні можливості сонячного випромінювання. Тут найбільше значення має його загальна питома потужність на поверхні Землі та розподіл цієї потужності за різними діапазонами випромінювання.

Потужність сонячного випромінювання

Потужність випромінювання Сонця, що у зеніті, біля Землі оцінюється приблизно 1350 Вт/м2. Простий розрахунок показує, що для отримання потужності 10 кВт необхідно зібрати сонячне випромінювання з площі лише 7.5 м2. Але це — в ясний полудень у тропічній зоні високо в горах, де атмосфера розріджена і прозора. Як тільки Сонце починає схилятися до обрію, шлях його променів крізь атмосферу збільшується, відповідно, зростають і втрати на цьому шляху. Присутність в атмосфері пилу або водяної пари, навіть у невідчутних без спеціальних приладів кількостях, ще більше знижує потік енергії. Однак і в середній смузі влітку на кожен квадратний метр, орієнтований перпендикулярно сонячним променям, припадає потік сонячної енергії потужністю приблизно 1 кВт.

Звичайно, навіть невелика хмарність різко зменшує енергію, що досягає поверхні, особливо в інфрачервоному (тепловому) діапазоні. Проте частина енергії все одно проникає крізь хмари. У середній смузі при сильній хмарності опівдні потужність сонячного випромінювання, що дійшов поверхні Землі, оцінюється приблизно 100 Вт/м2 і лише в окремих випадках при особливо щільної хмарності може опускатися нижче цієї величини. Очевидно, що в таких умовах для отримання 10 кВт необхідно повністю, без втрат і відображення зібрати сонячне випромінювання вже не з 7.5 м2 земної поверхні, а з цілої сотні (100 м2).

У таблиці наведено короткі усереднені дані щодо енергії сонячного випромінювання для деяких міст Росії з урахуванням кліматичних умов (частоти та сили хмарності) на одиницю горизонтальної поверхні. Деталізація цих даних, додаткові дані для орієнтацій панелей, відмінних від горизонтальної, а також дані для інших областей Росії та країн колишнього СРСР наведено на окремій сторінці.

Нерухома панель, розміщена під оптимальним кутом нахилу, здатна сприйняти в 1.2.. 1.4 рази більше енергії в порівнянні з горизонтальною, а якщо вона повертатиметься слідом за Сонцем, то збільшення становитиме 1.4.. 1.8 рази. У цьому можна переконатися з розбивкою по місяцях для нерухомих панелей, орієнтованих на південь під різними кутами нахилу, і для систем, що відстежують рух Сонця. Особливості розміщення сонячних панелей більш детально обговорюються нижче.

Пряме та розсіяне сонячне випромінювання

Розрізняють розсіяне та пряме сонячне випромінювання. Для ефективного сприйняття прямого сонячного випромінювання панель повинна бути перпендикулярно орієнтована потоку сонячного світла. Для сприйняття розсіяного випромінювання орієнтація не така критична, тому що воно досить рівномірно приходить майже з усього небосхилу — саме так висвітлюється земна поверхня в похмурі дні (з цієї причини в похмуру погоду предмети не мають чітко оформленої тіні, а вертикальні поверхні, такі як стовпи і стіни будинків, що практично не відкидають видиму тінь).

Співвідношення прямого та розсіяного випромінювання сильно залежить від погодних умов у різні сезони. Наприклад, у Москві зима похмура, й у січні частка розсіяного випромінювання перевищує 90% загальної інсоляції. Але навіть московським літом розсіяне випромінювання становить майже половину від усієї сонячної енергії, що досягає земної поверхні. У той же час у сонячному Баку і взимку, і влітку частка розсіяного випромінювання становить від 19 до 23% загальної інсоляції, а близько 4/5 сонячного випромінювання відповідно є прямим. Докладніше співвідношення розсіяної та повної інсоляції для деяких міст наведено на окремій сторінці.

Розподіл енергії у сонячному спектрі

Сонячний спектр є практично безперервним у дуже широкому діапазоні частот — від низькочастотного радіохвильового до надвисокочастотного рентгенівського та гамма-випромінювання. Безумовно, важко однаково ефективно вловлювати різні види випромінювання (мабуть, це можна здійснити лише теоретично за допомогою «ідеального абсолютно чорного тіла»). Але це й не треба — по-перше, саме Сонце в різних частотних діапазонах випромінює з різною силою, а по-друге, не все, що випромінювало Сонце, досягає поверхні Землі — окремі ділянки спектра значною мірою поглинаються різними компонентами атмосфери — переважно озоновими. шаром, парами води та вуглекислим газом.

Тому нам достатньо визначити ті діапазони частот, в яких спостерігається найбільший потік сонячної енергії на поверхні Землі, і використовувати саме їх. Традиційно сонячне та космічне випромінювання поділяється не за частотою, а за довжиною хвилі (це пов'язано із занадто великими показниками ступеня для частот цього випромінювання, що дуже незручно — видимому світлу в герцях відповідає 14-й порядок). Подивимося залежність розподілу енергії від довжини хвилі для сонячного випромінювання.

Діапазоном видимого світла вважається ділянка довжин хвиль від 380 нм (глибокий фіолетовий) до 760 нм (глибокий червоний). Все, що має меншу довжину хвилі, має більш високу енергію фотонів і поділяється на ультрафіолетовий, рентгенівський і гамма-діапазони випромінювання. Незважаючи на високу енергію фотонів, самих фотонів у цих діапазонах не так вже й багато, тому загальний енергетичний внесок цієї ділянки спектра дуже малий. Все, що має більшу довжину хвилі, має меншу в порівнянні з видимим світлом енергію фотонів і поділяється на інфрачервоний діапазон (теплове випромінювання) та різні ділянки радіодіапазону. З графіка видно, що в інфрачервоному діапазоні Сонце випромінює практично стільки ж енергії, як і у видимому (рівні менші, зате діапазон ширший), а от у радіочастотному діапазоні енергія випромінювання дуже мала.

Таким чином, з енергетичної точки зору нам достатньо обмежитися видимим та інфрачервоним частотними діапазонами, а також ближнім ультрафіолетом (десь до 300 нм, більш короткохвильовий жорсткий ультрафіолет практично повністю поглинається в так званому озоновому шарі, забезпечуючи синтез цього озону з атмосферного) . А левова частка сонячної енергії, яка досягає поверхні Землі, зосереджена в діапазоні довжин хвиль від 300 до 1800 нм.

Обмеження при використанні сонячної енергії

Головні обмеження, пов'язані з використанням сонячної енергії, викликані її мінливістю - сонячні установки не працюють вночі і малоефективні у похмуру погоду. Це очевидно практично всім.

Однак є ще одна обставина, яка особливо актуальна для наших північних широт — це сезонні відмінності в тривалості дня. Якщо для тропічної та екваторіальної зони тривалість дня і ночі слабо залежить від пори року, то вже на широті Москви найкоротший день менший за найдовший майже в 2.5 рази! Про приполярні області я вже не говорю... У результаті в ясний літній день сонячна установка під Москвою може виробити енергії не менше, ніж на екваторі (сонце нижче, натомість день довший). Проте взимку, коли потреба в енергії особливо висока, її вироблення навпаки знизиться в кілька разів. Адже крім короткого світлового дня, промені низького зимового сонця навіть опівдні повинні проходити набагато товстіший шар атмосфери і тому втрачають на цьому шляху істотно більше енергії, ніж влітку, коли сонце стоїть високо і промені йдуть крізь атмосферу майже прямовисно (вираз «холодне зимове сонце » має найпряміший фізичний зміст). Тим не менш, це зовсім не означає, що сонячні установки в середній смузі і навіть у набагато більш північних районах зовсім марні - хоча взимку від них мало користі, це в період довгих днів, як мінімум півроку між весняним і осіннім рівноденнями, вони цілком ефективні .

Особливо цікаво застосування сонячних установок для приведення в дію все ширше розпитує, але дуже «ненажерливих» кондиціонерів. Адже чим сильніше світить сонце, тим спекотніший і тим потрібніший кондиціонер. Але в таких умовах і сонячні установки здатні виробити більше енергії, причому ця енергія буде використана кондиціонером саме тут і зараз, її не треба акумулювати і зберігати! До того ж зовсім необов'язково перетворювати енергію на електричну форму — абсорбційні теплові машини використовують тепло безпосередньо, а це означає, що замість фотоелектричних батарей можна використовувати сонячні колектори, найефективніші якраз у ясну спекотну погоду. Щоправда, я вважаю, що кондиціонери незамінні лише у спекотних безводних регіонах та у вологому тропічному кліматі, а також у сучасних містах незалежно від їхнього розташування. Грамотно спроектований і побудований заміський будинок не тільки в середній смузі, але і на більшій частині півдня Росії не потребує такого енергетично ненажерливого, громіздкого, галасливого і примхливого пристрою.

На жаль, в умовах міської забудови індивідуальне використання більш-менш потужних сонячних установок з помітною практичною користю можливе лише в окремих випадках особливо вдалого збігу обставин. Втім, я не вважаю міську квартиру повноцінним житлом, оскільки її нормальне функціонування залежить від занадто великої кількості факторів, не доступних безпосередньому контролю мешканців з чисто технічних причин, а тому у разі виходу з ладу на більш-менш тривалий час хоча б однієї із систем життєзабезпечення сучасного багатоквартирного будинку умови там не будуть прийнятними для життя (скоріше, квартиру в багатоповерхівці треба розглядати як свого роду готельний номер, який мешканці викупили у безстрокове користування або орендують у муніципалітету). Зате за містом особлива увага до сонячної енергії може бути більш ніж виправданою навіть на маленькій ділянці 6 соток.

Особливості розміщення сонячних панелей

Вибір оптимальної орієнтації сонячних панелей є одним із найважливіших питань при практичному використанні сонячних установок будь-якого типу. На жаль, на різних сайтах, присвячених сонячній енергії, цей аспект розглядається дуже мало, хоча зневага їм здатна знизити ефективність панелей до неприйнятного рівня.

Річ у тім, що кут падіння променів на поверхню сильно впливає коефіцієнт відображення, отже, частку несприйнятої сонячної енергії. Наприклад, для скла при відхиленні кута падіння від перпендикуляра до його поверхні до 30 ° коефіцієнт відображення практично не змінюється і становить трохи менше ніж 5%, тобто. більше 95% падаючого випромінювання проходять усередину. Далі зростання відбиття стає помітним, і до 60 ° частка відбитого випромінювання збільшується вдвічі - майже до 10%. При куті падіння 70 ° відбивається близько 20% випромінювання, а при 80 ° - 40%. Для більшості інших речовин залежність ступеня відбиття від кута падіння має приблизно той самий характер.

Ще більше так звана ефективна площа панелі, тобто. перекривається нею переріз потоку випромінювання. Вона дорівнює реальній площі панелі, помноженої на синус кута між її площиною та напрямом потоку (або, що те саме, на косинус кута між перепендикуляром до панелі та напрямком потоку). Тому, якщо панель перпендикулярна потоку, її ефективна площа дорівнює її реальній площі, якщо потік відхилився від перпендикуляра на 60 ° - половині реальної площі, а якщо потік паралельний панелі, її ефективна площа дорівнює нулю. Таким чином, суттєве відхилення потоку від перпендикуляра до панелі не тільки збільшує відображення, але знижує її ефективну площу, що зумовлює дуже помітне падіння виробітку.

Очевидно, що для наших цілей найефективніша постійна орієнтація панелі перпендикулярна до потоку сонячних променів. Але це вимагатиме зміни положення панелі у двох площинах, оскільки положення Сонця на небі залежить не тільки від доби, а й від пори року. Хоча така система, безумовно, технічно можлива, вона виходить дуже складною, тому дорогою і не надто надійною.

Однак пригадаємо, що при кутах падіння до 30 ° коефіцієнт відображення на кордоні "повітря-скло" мінімальний і практично незмінний, а протягом року кут максимального підйому Сонця над горизонтом відхиляється від середнього положення не більше ніж на ±23 °. Ефективна площа панелі при відхиленні від перпендикуляра на 23° залишається досить великий — щонайменше 92% від її реальної площі. Тому можна орієнтуватися на середньорічну висоту максимального підйому Сонця і практично без втрати ефективності обмежитися обертанням лише в одній площині – навколо полярної осі Землі зі швидкістю 1 оборот на добу. Кут нахилу осі такого обертання щодо горизонталі дорівнює географічній широті місця. Наприклад, для Москви, розташованої на широті 56°, вісь такого обертання має бути нахилена на північ на 56° щодо поверхні (або, що те саме, відхилена від вертикалі на 34°). Таке обертання організувати вже набагато простіше, проте для безперешкодного обертання великої панелі потрібно чимало місця. Крім того, необхідно або організувати ковзне з'єднання, що дозволяє відводити від постійно обертається панелі всю отриману нею енергію, або обмежитися гнучкими комунікаціями з фіксованим з'єднанням, але забезпечити автоматичне повернення панелі назад в нічний час, в іншому випадку не уникнути перекручування і обриву відведення . Обидва рішення різко підвищують складність та знижують надійність системи. При зростанні потужності панелей (а отже, їх розмірів та ваги) технічні проблеми ускладнюються у геометричній прогресії.

У зв'язку з усім вищевикладеним, завжди панелі індивідуальних сонячних установок монтуються нерухомо, що забезпечує відносну дешевизну і високу надійність установки. Однак тут особливо важливим стає вибір кута розміщення панелі. Розглянемо цю проблему на прикладі Москви.

Подивімося на діаграми інсоляції для різних кутів установки панелей. Звичайно, панель, що повертається за Сонцем, поза конкуренцією (помаранчева лінія). Однак навіть у довгі літні дні її ефективність перевищує ефективність нерухомих горизонтальної (синя) та нахиленої під оптимальним кутом (червона) панелей лише приблизно на 30%. Але в ці дні тепла та світла і так вистачає! А ось у найбільш енергодефіцитний період з жовтня до лютого перевага поворотної панелі над нерухомими мінімально і практично невідчутно. Щоправда, у цей час компанію похилої панелі становить не горизонтальна, а вертикальна панель (зелена лінія). І це не дивно — низькі промені зимового сонця ковзають горизонтальною панеллю, але добре сприймаються майже перпендикулярною ним вертикальною. Тому в лютому, листопаді та грудні вертикальна панель за своєю ефективністю перевершує навіть похилу і майже не відрізняється від поворотної. У березні та жовтні день більш довгий, і поворотна панель вже починає впевнено (хоч і не дуже сильно) перевершувати будь-які нерухомі варіанти, але ефективність похилої та вертикальної панелей практично однакова. І лише період довгих днів із квітня до серпня горизонтальна панель за отриманою енергії випереджає вертикальну і наближається до похилої, а червні навіть трохи перевищує її. Літній програш вертикальної панелі закономірний - адже, скажімо, день літнього рівнодення триває в Москві більше 17 годин, а в передній (робочій) півсфері вертикальної панелі Сонце може перебувати не більше 12 годин, решта 5 годин (майже третина світлового дня!) воно знаходиться позаду неї. Якщо ж врахувати, що при кутах падіння більше 60° частка відбитого від поверхні панелі світла починає стрімко зростати, а її ефективна площа скорочується вдвічі і більше, то час ефективного сприйняття сонячного випромінювання для такої панелі не перевищує 8 годин, тобто менше 50 % від загальної тривалості дня. Саме цим пояснюється факт стабілізації продуктивності вертикальних панелей на протязі всього періоду довгих днів з березня по вересень. І нарешті, дещо окремо стоїть січень — цього місяця продуктивність панелей усіх орієнтацій практично однакова. Справа в тому, що цей місяць у Москві дуже похмурий, і більше 90% всієї сонячної енергії припадає на розсіяне випромінювання, а для такого випромінювання орієнтація панелі не надто важлива (головне, не спрямувати її в землю). Однак кілька сонячних днів, що все ж таки бують у січні, знижують вироблення горизонтальної панелі на 20% порівняно з іншими.

Який кут нахилу вибрати? Все залежить від того, коли Вам потрібна сонячна енергія. Якщо Ви хочете користуватися нею тільки в теплий період (скажімо, на дачі), то варто вибрати так званий «оптимальний» кут нахилу, перпендикулярний до середнього положення Сонця в період між весняним та осіннім рівноденнями. Він приблизно на 10 ° .. 15 ° менше географічної широти і для Москви становить 40 ° .. 45 °. Якщо ж енергія Вам потрібна цілий рік, то слід «вичавлювати» максимум саме в енергодефіцитні зимові місяці, а отже, треба орієнтуватися на середнє положення Сонця між осіннім та весняним рівноденнями та розміщувати панелі ближче до вертикалі — на 5°.. 15° більше за географічну широту (Для Москви це буде 60 ° .. 70 °). Якщо ж з архітектурних чи конструктивних міркувань витримати такий кут неможливо і треба вибирати між кутом нахилу в 40° і менше або вертикальною установкою, слід віддати перевагу вертикальному положенню. При цьому «недобір» енергії в довгі літні дні не такий критичний — у цей період повно природного тепла і світла, і потреба у виробленні енергії зазвичай не така велика, як узимку й у міжсезоння. Природно, нахил панелі повинен бути орієнтований на південь, хоча відхилення від цього напряму на 10 ° .. 15 ° на схід або на захід мало змінює і тому цілком допустимо.

Горизонтальне розміщення сонячних панелей на всій території Росії є неефективним і абсолютно невиправданим. Крім занадто великого зниження вироблення енергії в осінньо-зимовий період, на горизонтальних панелях інтенсивно накопичується пил, а взимку ще й сніг, і видалити їх звідти можна лише за допомогою спеціально організованого збирання (як правило, вручну). Якщо ж нахил панелі перевищує 60°, то сніг на поверхні затримується мало і зазвичай швидко обсипається сам собою, а тонкий шар пилу добре змивається дощами.

Оскільки останнім часом ціни на сонячне обладнання знижуються, може виявитися вигідним замість єдиного поля сонячних панелей, орієнтованого на південь, використовувати два з більшою сумарною потужністю, орієнтованих на суміжні (південний схід та південний захід) і навіть протилежні (схід та захід) сторони світу. Це забезпечить більш рівномірний виробіток у сонячні дні і підвищений виробіток у похмуру погоду, при тому, що інше обладнання залишиться розрахованим на колишню, відносно невисоку потужність, а тому буде більш компактним і дешевим.

І останнє. Скло, поверхня якого не гладка, а має спеціальний рельєф, здатне набагато ефективніше сприймати бічне світло і передавати його на робочі елементи сонячної панелі. Найбільш оптимальним є хвилеподібний рельєф з орієнтацією виступів і западин з півночі на південь (для вертикальних панелей - зверху вниз), - своєрідна лінійна лінза. Рифлене скло здатне збільшити вироблення нерухомої панелі на 5% і більше.

Традиційні типи установок для використання сонячної енергії

Іноді з'являються повідомлення про будівництво чергової сонячної електростанції (СЕС) або опріснювальної установки. По всьому світу, від Африки до Скандинавії, використовуються теплові сонячні колектори та фотоелектричні сонячні батареї. Ці методи використання сонячної енергії розвиваються вже не один десяток років, їм присвячено безліч веб-сайтів в Інтернеті. Тому тут я розгляну їх у найзагальніших рисах. Втім, один найважливіший момент в Інтернеті практично не висвітлюється - це вибір конкретних параметрів під час створення індивідуальної системи сонячного енергопостачання. Тим часом це питання не таке просте, як здається на перший погляд. Приклад вибору параметрів системи на сонячних батареях наведено на окремій сторінці.

Сонячні батареї

Взагалі кажучи, під «сонячною батареєю» можна розуміти будь-який набір однакових модулів, що сприймають сонячне випромінювання та об'єднані в єдиний пристрій, у тому числі чисто теплових, але традиційно цей термін закріпився за панелями фотоелектричних перетворювачів. Тому під терміном «сонячна батарея» практично завжди мається на увазі фотоелектричний пристрій, який безпосередньо перетворює сонячне випромінювання в електричний струм. Ця технологія активно розвивається із середини XX століття. Величезним стимулом її розвитку стало освоєння космічного простору, де конкуренцію сонячним батареям по виробленої потужності і тривалість роботи нині можуть становити лише малогабаритні ядерні джерела енергії. За цей час ефективність перетворення сонячних батарей зросла з одного-двох відсотків до 17% і більше масових відносно дешевих моделях і понад 42% у дослідних зразках. Значно збільшився термін служби та надійність роботи.

Переваги сонячних батарей

Головна перевага сонячних батарей - їх гранична конструктивна простота та повна відсутність рухомих деталей. Як наслідок цього – невелика питома вага та невибагливість у поєднанні з високою надійністю, а також максимально простий монтаж та мінімальні вимоги до обслуговування під час експлуатації (зазвичай достатньо лише видаляти з робочої поверхні бруд у міру її накопичення). Уявляючи собою плоскі елементи малої товщини, вони цілком успішно розміщуються на зверненому до сонця схилі даху або на стіні будинку, практично не вимагаючи якогось додаткового місця і зведення окремих громіздких конструкцій. Єдина умова — ніщо не повинно затіняти їх протягом якомога більшого часу.

Ще одна найважливіша перевага - це те, що енергія виробляється відразу у вигляді електрики - в найбільш універсальній і зручній на сьогоднішній день формі.

На жаль, ніщо не вічне - ефективність фотоелектричних перетворювачів падає протягом терміну служби. Напівпровідникові пластини, з яких зазвичай складаються сонячні батареї, згодом деградують і втрачають свої властивості, в результаті і без того не надто високий ККД сонячних батарей стає меншим. Тривалий вплив високих температур пришвидшує цей процес. Спочатку я відзначав це як недолік фотоелектричних батарей, тим більше, що фотоелементи, що «сіли», відновити неможливо. Однак навряд чи якийсь механічний електрогенератор зможе продемонструвати хоча б 1% працездатності лише через 10 років безперервної роботи — швидше за все він набагато раніше вимагатиме серйозного ремонту через механічне зношування якщо не підшипників, то щіток, — а сучасні фотоперетворювачі здатні зберігати свою ефективність десятиліттями. За оптимістичними оцінками, за 25 років ККД сонячної батареї зменшується лише на 10%, а отже, якщо не втрутиться інші фактори, то навіть через 100 років збережеться майже 2/3 від початкової ефективності. Втім, для масових комерційних фотоелементів на полі- та монокристалічному кремнії чесні виробники та продавці наводять дещо інші цифри старіння — через 20 років слід очікувати втрати до 20% ефективності (тоді теоретично через 40 років ефективність становитиме 2/3 від початкової, скоротиться вдвічі за 2 років, а через 100 років залишиться трохи менше ніж 1/3 від вихідної продуктивності). Загалом, нормальний термін служби для сучасних фотоперетворювачів становить не менше 25..30 років, так що деградація не така критична, і набагато важливіше вчасно прати з них пил.

Якщо ж батареї встановити таким чином, щоб природне запилення практично не було або своєчасно змивалося природними дощами, то вони зможуть працювати без будь-якого обслуговування протягом багатьох років. Можливість такої тривалої експлуатації в режимі, що не обслуговується, — ще одна найважливіша перевага.

Нарешті, сонячні батареї здатні виробляти енергію від світанку до заходу сонця навіть у похмуру погоду, коли теплові сонячні колектори мають температуру, яка лише незначно відрізняється від температури навколишнього повітря. Звичайно, порівняно з ясним сонячним днем ​​їхня продуктивність падає у багато разів, але краще хоч щось, ніж зовсім нічого! У зв'язку з цим особливо цікаві розробки батарей з максимумом перетворення енергії в тих діапазонах, де найменше хмари поглинають сонячне випромінювання. Крім того, при виборі сонячних фотоперетворювачів слід звертати увагу на залежність напруги, що виробляється ними, від освітленості — вона повинна бути якомога меншою (при зниженні освітленості в першу чергу повинен падати струм, а не напруга, оскільки інакше для отримання хоч якогось корисного ефекту в похмурі дні доведеться використовувати недешеве додаткове обладнання, що примусово підвищує напругу до мінімально достатньої для зарядки акумуляторів та роботи інверторів).

Недоліки сонячних батарей

Звісно, ​​і недоліків у сонячних батарей чимало. Крім залежності від погоди та часу доби, можна відзначити таке.

Невисокий ККД. Той же сонячний колектор при правильному виборі форми і матеріалу поверхні здатний поглинути майже все сонячне випромінювання, що потрапило на нього, практично у всьому спектрі частот, що несуть помітну енергію, - від далекого інфрачервоного до ультрафіолетового діапазону. Сонячні батареї ж перетворюють енергію вибірково - для робочого збудження атомів потрібні певні енергії фотонів (частоти випромінювання), тому в одних смугах частот перетворення йде дуже ефективно, інші частотні діапазони для них марні. Крім того, енергія уловлених ними фотонів використовується квантово - її "надлишки", що перевищують потрібний рівень, йдуть на шкідливий в даному випадку нагрівання матеріалу фотоперетворювача. Багато в чому саме цим і пояснюється їхня невисока ККД.
До речі, невдало вибравши матеріал захисного покриття, можна помітно зменшити ефективність роботи батареї. Справа посилюється тим, що звичайне скло досить добре поглинає високоенергетичну ультрафіолетову частину діапазону, а для деяких типів фотоелементів дуже актуальний саме цей діапазон, — енергія інфрачервоних фотонів для них дуже мала.

Чутливість до високої температури. З підвищенням температури ефективність роботи сонячних батарей, як і багатьох інших напівпровідникових приладів, знижується. При температурах вище 100...125°С вони взагалі можуть тимчасово втратити працездатність, а ще більший нагрівання загрожує їх незворотним пошкодженням. До того ж, підвищена температура прискорює деградацію фотоелементів. Тому необхідно вживати всіх заходів для зниження нагріву, неминучого під палючими прямими сонячними променями. Зазвичай виробники обмежують номінальний діапазон робочих температур фотоелементів до +70°..+90°С (мається на увазі нагрівання самих елементів, а температура навколишнього повітря, природно, має бути набагато нижчою).
Додатково ускладнює ситуацію те, що чутлива поверхня досить крихких фотоелементів часто закривається захисним склом або прозорим пластиком. Якщо між захисним покривом і поверхнею фотоелемента залишиться повітряний прошарок, то утвориться своєрідний «парник», що посилює перегрів. Щоправда, збільшивши відстань між захисним склом та поверхнею фотоелемента і з'єднавши зверху та знизу цю порожнину з атмосферою, можна організувати конвекційний потік повітря, що природно охолоджує фотоелементи. Однак на яскравому сонці і за високої температури зовнішнього повітря цього може виявитися недостатньо, до того ж такий метод сприяє прискореному запиленню робочої поверхні фотоелементів. Тому сонячна батарея навіть невеликих розмірів може вимагати спеціальної системи охолодження. Заради справедливості треба сказати, що подібні системи зазвичай легко автоматизуються, а привід вентилятора або помпи споживає лише малу частку енергії, що виробляється. За відсутності яскравого сонця великого нагріву немає і охолодження взагалі не потрібно, так що енергія, заощаджена на приводі системи охолодження, може бути використана для інших цілей. Слід зауважити, що у сучасних панелях заводського виготовлення захисне покриття зазвичай щільно прилягає до поверхні фотоелементів і відводить тепло назовні, але у саморобних конструкціях механічний контакт із захисним склом може призвести до пошкодження фотоелемента.

Чутливість до нерівномірності засвічення. Як правило, для отримання на виході батареї напруги, більш-менш зручної для використання (12, 24 і більше вольт), фотоелементи з'єднуються у послідовні ланцюжки. Струм у кожному такому ланцюжку, а отже, і його потужність, визначається найслабшою ланкою - фотоелементом з найгіршими характеристиками або з найменшою освітленістю. Тому якщо хоча б один елемент ланцюжка опиняється в тіні, він суттєво знижує вироблення всього ланцюжка - втрати невідповідні затіненню (більше того, за відсутності захисних діодів такий елемент почне розсіювати потужність, що виробляється іншими елементами!). Уникнути непропорційного зниження вироблення можна лише з'єднавши всі фотоелементи паралельно, проте тоді на виході батареї буде занадто великий струм при занадто малій напрузі - зазвичай для окремих фотоелементів воно становить всього 0.5.. 0.7 В залежно від їх типу і величини навантаження.

Чутливість до забруднень. Навіть малопомітний шар бруду на поверхні фотоелементів або захисного скла може поглинути суттєву частку сонячного світла та помітно знизити вироблення енергії. У курному місті це вимагатиме частого очищення поверхні сонячних батарей, особливо встановлених горизонтально або з невеликим нахилом. Безумовно, така ж процедура необхідна і після кожного снігопаду, і після курної бурі... Однак далеко від міст, промислових зон, жвавих доріг та інших сильних джерел пилу при вугіллі нахилу 45° і більше дощі цілком здатні змивати природне запилення з поверхні панелей, «автоматично» підтримуючи їх у досить чистому стані. Та й сніг на такому ухилі, до того ж зверненому на південь, навіть у дуже морозні дні зазвичай довго не затримується. Так що далеко від джерел атмосферних забруднень панелі сонячних батарей можуть роками успішно працювати взагалі без будь-якого обслуговування, було б сонце в небі!

Нарешті, остання, але найважливіша з перешкод для широкого та повсюдного розповсюдження фотоелектричних сонячних батарей – їхня досить висока ціна. Собівартість елементів сонячної батареї в даний час становить мінімум 1 $ / Вт (1 кВт -1000 $), і це для малоефективних модифікацій без урахування вартості складання та монтажу панелей, а також без урахування ціни акумуляторів, контролерів зарядки та інверторів (перетворювачів постійного струму до побутового чи промислового стандарту). У більшості випадків для мінімальної оцінки реальних витрат ці цифри слід помножити у 3-5 разів при самостійному збиранні з окремих фотоелементів та у 6-10 разів при купівлі готових комплектів обладнання (плюс вартість монтажу).

З усіх елементів системи енергопостачання на фотоелектричних батареях найкоротший термін служби мають акумулятори, проте виробники сучасних акумуляторів, що не обслуговуються, стверджують, що в так званому буферному режимі вони пропрацюють близько 10 років (або відпрацюють традиційні 1000 циклів сильної зарядки-розрядки — якщо рахувати добу, то в такому режимі їх вистачить на 3 роки). Зазначу, що вартість акумуляторів зазвичай становить лише 10-20% від загальної вартості всієї системи, а вартість інверторів і контролерів заряду (і те, й інше — складні електронні вироби, і тому є певна ймовірність їхнього виходу з ладу) ще менше. Таким чином, зважаючи на тривалий термін служби та можливість роботи протягом тривалого часу без будь-якого обслуговування, фотоперетворювачі за своє життя цілком можуть окупитися не один раз, і не лише у віддалених районах, а й у обжитих місцевостях — якщо тарифи на електрику продовжать зростати нинішніми темпами!

Сонячні теплові колектори

Назва «сонячні колектори» закріпилася за пристроями, що використовують безпосереднє нагрівання сонячним теплом, як одиночними, так і нарощуваними (модульними). Найпростіший зразок теплового сонячного колектора - чорний водяний бак на даху вищезазначеного дачного душу (до речі, ефективність нагрівання води в літньому душі можна помітно підвищити, спорудивши навколо бака міні-парничок хоча б з поліетиленової плівки; бажано, щоб між плівкою та стінками бака залишався зазор 4-5 см).

Однак сучасні колектори мало схожі на такий бак. Зазвичай вони є плоскими конструкціями з тонких зачорнених трубок, покладених у вигляді решітки або змійкою. Трубки можуть кріпитися на зачорненому теплопровідному листі-підкладці, який вловлює сонячне тепло, що потрапляє в проміжки між ними - це дозволяє зменшити загальну довжину трубок без втрати ефективності. Для зниження тепловтрат і підвищення нагрівання колектор зверху може бути закритий листом скла або прозорого стільникового полікарбонату, а зі зворотного боку теплорозподільного листа марні втрати тепла запобігають шару теплоізоляції — виходить своєрідна «теплиця». По трубці рухається вода або інший теплоносій, що нагрівається, який може збиратися в накопичувальному термоізольованому баку. Рух теплоносія відбувається під дією насоса або самопливом за рахунок різниці густин теплоносія до та після теплового колектора. В останньому випадку для більш-менш ефективної циркуляції потрібен ретельний вибір ухилів та перерізів труб та розміщення самого колектора якомога нижче. Але зазвичай колектор розміщується в тих же місцях, де і сонячна батарея - на сонячній стіні або на сонячному схилі даху, щоправда, додатково десь треба розмістити і накопичувальний бак. Без такого бака при інтенсивному розборі тепла (скажімо, якщо треба наповнити ванну або прийняти душ) ємності колектора може не вистачити, і через невеликий час потіче з крана трохи підігріта вода.

Захисне скло, звичайно, дещо знижує ефективність колектора, поглинаючи та відбиваючи кілька відсотків сонячної енергії, навіть якщо промені падають перпендикулярно. Коли промені потрапляють на скло під невеликим кутом до поверхні, коефіцієнт відображення може наближатися до 100%. Тому за відсутності вітру та необхідності лише невеликого нагріву щодо навколишнього повітря (на 5-10 градусів, скажімо, для поливу городу) «відкриті» конструкції можуть бути більш ефективними, ніж «засклені». Але як тільки потрібно різниця температур в кілька десятків градусів або якщо піднімається навіть не дуже сильний вітер, тепловтрати відкритих конструкцій стрімко зростають, і захисне скло при всіх своїх недоліках стає необхідністю.

Важливе зауваження - необхідно враховувати, що в спекотний сонячний день за відсутності розбору вода може перегрітися вище за температуру кипіння, тому в конструкції колектора необхідно вжити відповідних запобіжних заходів (передбачити запобіжний клапан). У відкритих колекторах без захисного скла такого перегріву можна не побоюватися.

Останнім часом починають широко використовуватися сонячні колектори на так званих теплових трубках (не плутати з «тепловими трубками», які застосовують для відведення тепла в системах охолодження комп'ютерів!). На відміну від розглянутої вище конструкції, тут кожна металева трубка, що нагрівається, по якій циркулює теплоносій, впаяна всередину скляної трубки, а з проміжку між ними відкачано повітря. Виходить аналог термоса, де за рахунок вакуумної теплоізоляції втрати втрати зменшуються в 20 разів і більше. В результаті, за твердженням виробників, при морозі -35°З зовні скла, вода у внутрішній металевій трубці зі спеціальним покриттям, що поглинає максимально широкий спектр сонячного випромінювання, нагрівається до +50..+70°С (перепад більше 100°С) .Ефективне поглинання у поєднанні з відмінною теплоізоляцією дозволяють нагрівати теплоносій навіть у похмуру погоду, хоча потужність нагріву, звичайно, в рази менша, ніж при яскравому сонці. Ключовим моментом тут є забезпечення безпеки вакууму в зазорі між трубками, тобто вакуумної герметичності стику скла і металу, в дуже широкому діапазоні температур, що досягає 150°С, протягом усього терміну експлуатації, що становить багато років. З цієї причини при виготовленні таких колекторів не обійтися без ретельного узгодження коефіцієнтів температурного розширення скла та металу та високотехнологічних виробничих процесів, а отже, у кустарних умовах навряд чи вдасться зробити повноцінну вакуумну теплову трубку. Але простіші конструкції колекторів без проблем виготовляються самостійно, хоча, звичайно, їх ефективність дещо менша, особливо взимку.

Крім описаних вище рідинних сонячних колекторів, існують й інші цікаві типи конструкцій: повітряні (теплоносій — повітря, і замерзання йому не страшно), «сонячні ставки» та ін. альтернативні види серійно практично не виробляються і відомостей про них не так вже й багато.

Переваги сонячних колекторів

Найважливіша перевага сонячних колекторів - простота та відносна дешевизна виготовлення їх цілком ефективних варіантів, що поєднується з невибагливістю в експлуатації. Необхідний мінімум для того, щоб зробити колектор своїми руками – це кілька метрів тонкої труби (бажано мідної тонкостінної – її можна зігнути з мінімальним радіусом) та трохи чорної фарби, хоча б бітумного лаку. Згинаємо трубку змійкою, фарбуємо чорною фарбою, розміщуємо в сонячному місці, підключаємо до водяної магістралі, — і найпростіший сонячний колектор вже готовий! При цьому змійовику легко можна надати майже будь-яку конфігурацію та максимально використовувати все виділене для колектора місце. Найбільш ефективним зачорнінням, яке можна нанести в кустарних умовах і до того ж дуже стійке до високих температур і прямого сонячного світла, є тонкий шар сажі. Однак сажа легко стирається і змивається, тому для такого зачорніння обов'язково знадобиться захисне скло та спеціальні заходи, щоб запобігти можливому попаданню конденсату на вкриту сажею поверхню.

Інша найважливіша перевага колекторів полягає в тому, що на відміну від сонячних батарей, вони здатні вловити і перетворити в тепло до 90% сонячного випромінювання, що потрапило на них, а в найвдаліших випадках - і більше. Тому не тільки в ясну погоду, а й за легкої хмарності ККД колекторів перевершує ККД фотоелектричних батарей. Нарешті, на відміну фотоелектричних батарей, нерівномірність засвітлення поверхні не викликає непропорційного зниження ефективності колектора — важливий лише загальний (інтегральний) потік випромінювання.

Недоліки сонячних колекторів

Натомість сонячні колектори більш чутливі до погоди, ніж сонячні батареї. Навіть на яскравому сонці свіжий вітер здатний багато разів знизити ефективність нагрівання відкритого теплообмінника. Захисне скло, звичайно, різко скорочує втрати тепла від вітру, але у разі щільної хмарності і воно безсиле. У похмуру вітряну погоду користі від колектора практично немає, а сонячна батарея хоч трохи енергії, та виробляє.

Серед інших недоліків сонячних колекторів передусім виокремлю їхню сезонність. Досить коротких весняних або осінніх нічних заморозків, щоб лід, що утворився в трубах нагрівача, створив небезпеку їх розриву. Звичайно, це можна виключити, підігріваючи холодними ночами «тепличку» зі змійовиком стороннім джерелом тепла, проте в такому разі загальна енергетична ефективність колектора може стати негативною! Інший варіант - двоконтурний колектор з антифризом у зовнішньому контурі - не вимагатиме витрати енергії на підігрів, але буде набагато складніше одноконтурних варіантів з прямим нагріванням води як у виготовленні, так і при експлуатації. Повітряні конструкції в принципі не можуть замерзнути, але є інша проблема — низька питома теплоємність повітря.

І все-таки, мабуть, головний недолік сонячного колектора полягає в тому, що він є саме нагрівальним приладом, причому хоча промислово виготовлені зразки за відсутності розбору тепла можуть нагріти теплоносій до 190..200°С, температура, що досягається, рідко перевищує 60..80 °З. Тому використовувати здобуте тепло для отримання суттєвих обсягів механічної роботи або електричної енергії дуже важко. Адже навіть для роботи низькотемпературної паро-водяної турбіни (наприклад тієї, яку свого часу описав В.А.Зисін) необхідно перегріти воду хоча б до 110°С! А безпосередньо у вигляді тепла енергія, як відомо, довго не зберігається, та й при температурі менше 100 ° С її зазвичай можна використовувати лише в гарячому водопостачанні та опаленні будинку. Втім, з урахуванням низької вартості та простоти виготовлення це може бути цілком достатньою причиною для створення власним сонячним колектором.

Заради справедливості слід зазначити, що «нормальний» робочий цикл теплової машини можна організувати і при температурах нижче 100°С — або якщо температуру кипіння знизити, знижуючи тиск у випаровуванні за допомогою відкачування звідти пари, або використавши рідину, температура кипіння якої лежить між температурою нагрівання сонячного колектора та температурою навколишнього повітря (оптимально - 50..60 ° С). Щоправда, я можу згадати лише одну не екзотичну та відносно безпечну рідину, яка більш-менш задовольняє цим умовам — це етиловий спирт, що в нормальних умовах кипить при 78°С. Очевидно, що в такому разі обов'язково доведеться організовувати замкнутий цикл, вирішуючи безліч пов'язаних із цим проблем. У деяких ситуаціях перспективним може бути застосування двигунів із зовнішнім нагріванням (двигунів Стірлінга). Цікавим у цьому плані може бути використання сплавів з ефектом пам'яті форми, про які на цьому сайті розказано в статті І.В.Найгеля — їм для роботи достатньо температурного перепаду всього в 25-30°С.

Концентрація сонячної енергії

Підвищення ефективності сонячного колектора перш за все полягає у стійкому підвищенні температури води, що нагрівається вище температури кипіння. Для цього зазвичай використовується концентрація сонячної енергії на колекторі за допомогою дзеркал. Саме такий принцип лежить в основі більшості сонячних електростанцій, відмінності полягають лише в кількості, конфігурації та розміщенні дзеркал та колектора, а також у методах керування дзеркалами. В результаті в точці фокусування цілком можливе досягнення температури навіть не в сотні, а в тисячі градусів, - за такої температури вже може відбуватися пряме термічне розкладання води на водень і кисень (отриманий водень можна спалювати вночі та в похмурі дні)!

На жаль, ефективна робота подібної установки неможлива без складної системи управління дзеркалами-концентраторами, які повинні відслідковувати положення Сонця, що постійно змінюється, на небі. В іншому випадку вже через кілька хвилин точка фокусування залишить колектор, який у таких системах часто має невеликі розміри, і нагрівання робочого тіла припиниться. Навіть використання дзеркал-параболоїдів вирішує проблему лише частково — якщо їх періодично не довертати слідом за Сонцем, то через кілька годин воно вже не потраплятиме в їхню чашу або висвітлюватиме лише її край — користі від цього буде небагато.

Найпростіший спосіб концентрації сонячної енергії в «домашніх» умовах – це горизонтально покласти дзеркало біля колектора так, щоб велику частину дня «сонячний зайчик» потрапляв на колектор. Цікавий варіант — використовувати в якості такого дзеркала поверхню спеціально створеного біля будинку водойми, особливо якщо це буде не звичайне водоймище, а «сонячний ставок» (хоча зробити це непросто, а ефективність відображення буде набагато меншою, ніж у звичайного дзеркала). Хороший результат може дати створення системи вертикальних дзеркал-концентраторів (ця витівка зазвичай набагато клопітніша, але в деяких випадках цілком виправданою може виявитися проста установка великого дзеркала на сусідній стіні, якщо вона утворює з колектором внутрішній кут, — все залежить від конфігурації та розташування будівлі та колектора).

Перенаправлення сонячного випромінювання за допомогою дзеркал може підвищити вироблення фотоелектричної батареї. Але при цьому зростає її нагрівання, а він може вивести батарею з ладу. Тому в цьому випадку доводиться обмежуватися відносно невеликим виграшем (на кілька десятків відсотків, але не в рази), і потрібно ретельно контролювати температуру батареї, особливо у спекотні дні! Саме через небезпеку перегріву деякі виробники фотоелектричних батарей прямо забороняють експлуатацію своїх виробів за підвищеної освітленості, створеної за допомогою додаткових відбивачів.

Перетворення сонячної енергії на механічну

Традиційні типи сонячних установок не мають на увазі безпосереднього отримання механічної роботи. До сонячної батареї на фотоперетворювачах для цього треба підключити електродвигун, а при використанні теплового сонячного колектора перегріта пара (а для перегріву навряд чи вдасться обійтися без дзеркал-концентраторів) треба подати на вхід парової турбіни або циліндри парової машини. Колектори з відносно невеликим нагріванням можуть перетворювати тепло в механічний рух більш екзотичними способами, наприклад, за допомогою актуаторів зі сплавів з ефектом пам'яті форми.

Тим не менш, існують і установки, що передбачає перетворення сонячного тепла на механічну роботу, безпосередньо закладене в їхню конструкцію. Причому розміри і потужність їх різні - це і проект величезної сонячної вежі висотою в сотні метрів, і скромний сонячний насос, якому саме місце на дачній ділянці.

Ми живемо у світі майбутнього, хоча не у всіх регіонах це помітно. У будь-якому разі можливість розвитку нових джерел енергії сьогодні всерйоз обговорюється у прогресивних колах. Одним із найперспективніших напрямків виступає сонячна енергетика.

На даний момент близько 1% електроенергії на Землі утворюється внаслідок переробки сонячного випромінювання. То чому ми досі не відмовилися від інших «шкідливих» способів і чи відмовимося взагалі? Пропонуємо ознайомитися з нашою статтею та спробувати самостійно відповісти на це запитання.

Як сонячна енергія перетворюється на електрику

Почнемо з найважливішого – яким чином сонячні промені переробляються на електроенергію.

Сам процес має назву Сонячна генерація . Найбільш ефективні шляхи його забезпечення такі:

• фотовольтарика;
• геліотермальна енергетика;
• сонячні аеростатні електростанції.

Розглянемо кожен із них.

Фотовольтарика

У цьому випадку електричний струм з'являється внаслідок фотовольтаричного ефекту. Принцип такий: сонячне світло потрапляє на фотоелемент, електрони поглинають енергію фотонів (часток світла) і починають рухатися. У результаті ми отримуємо електричну напругу.

Саме такий процес відбувається у сонячних панелях, основу яких складають елементи, що перетворюють сонячне випромінювання на електрику.

Сама конструкція фотовольтаричних панелей досить гнучка і може мати різні розміри. Тому у використанні вони дуже практичні. До того ж панелі мають високі експлуатаційні властивості: стійкі до дії опадів та перепадів температур.

А ось як влаштований окремий модуль сонячної панелі:

Про застосування сонячних батарей як зарядних пристроїв, джерел живлення в приватних будинках, для облагородження міст і в медичних цілях можна почитати в .

Сучасні сонячні панелі та електростанції

З недавніх прикладів можна відзначити сонячні панелі компанії SistineSolar. Вони можуть мати будь-який відтінок та текстуру на відміну від традиційних темно-синіх панелей. А це означає, що ними можна «оформити» дах будинку так, як Вам заманеться.

Інше рішення запропонували розробники Tesla. Вони випустили у продаж не просто панелі, а повноцінний покрівельний матеріал, що переробляє сонячну енергію.

Як приклад повноцінної СЕС можна навести нещодавно збудовану в Європі станцію з двосторонніми панелями. Останні збирають як пряме сонячне випромінювання, і відбиває. Це дозволяє підвищити ефективність сонячної генерації на 30%. Ця станція має виробляти на рік близько 400 МВт*год.

Інтерес викликає і найбільша плавуча СЕС у Китаї. Її потужність складає 40 МВт. Подібні рішення мають 3 важливі переваги:

• немає потреби займати великі наземні території, що є актуальним для Китаю;
• у водоймах зменшується випаровування води;
• самі фотоелементи менше нагріваються та працюють ефективніше.

До речі, ця плавуча СЕС була побудована на місці покинутого вугледобувного підприємства.

Технологія, заснована на фотовольтаричному ефекті, є найперспективнішою на сьогодні, і, за оцінками експертів, сонячні панелі вже в найближчі 30-40 років зможуть виробляти близько 20% світової потреби електроенергії.

Геліотермальна енергетика

Тут підхід трохи інший, т.к. сонячне випромінювання використовується для нагрівання посудини з рідиною. Завдяки цьому вона перетворюється на пару, яка обертає турбіну, що призводить до вироблення електрики.

За таким же принципом працюють теплові електростанції, тільки рідина нагрівається у вигляді спалювання вугілля.

Найбільш наочний приклад використання цієї технології – це станція Іванпа Солару пустелі Мохаві. Вона є найбільшою у світі сонячною геліотермальною електростанцією.

Працює вона з 2014 року та не використовує жодного палива для виробництва електрики – лише екологічно чиста сонячна енергія.

Котел з водою розташований у вежах, які Ви можете бачити в центрі конструкції. Навколо розташоване поле із дзеркал, що спрямовують сонячні промені на вершину вежі. У цьому комп'ютер постійно повертає ці дзеркала залежно від розташування сонця.

Під впливом концентрованої сонячної енергії вода у вежі нагрівається і стає парою. Так виникає тиск, і пара починає обертати турбіну, внаслідок чого виділяється електрика. Потужність цієї станції – 392 мегават, що цілком можна порівняти із середньою ТЕЦ у Москві.

Цікаво, що такі станції можуть працювати і вночі. Це можливо завдяки приміщенню частини розігрітої пари в сховищі та поступовому його використанні для обертання турбіни.

Сонячні аеростатні електростанції

Це оригінальне рішення хоч і не набуло широкого застосування, але все ж таки має місце бути.

Сама установка складається з 4 основних частин:

• Аеростат – розташовується у небі, збираючи сонячне випромінювання. Всередину кулі надходить вода, яка швидко нагрівається, стаючи парою.
• Паропровод – по ньому пара під тиском спускається до турбіни, змушуючи її обертатися.
• Турбіна - під впливом потоку пари вона обертається, виробляючи електричну енергію.
• Конденсатор і насос - пара, що пройшла через турбіну, конденсується у воду і піднімається в аеростат за допомогою насоса, де знову розігрівається до пароподібного стану.

У чому переваги сонячної енергетики

• Сонце даватиме нам свою енергію ще кілька мільярдів років. При цьому людям не потрібно витрачати кошти та ресурси для її видобутку.
• Генерація сонячної енергії – повністю екологічний процес, який не має ризиків для природи.
• Автономність процесу. Збір сонячного світла та вироблення електроенергії відбувається з мінімальною участю людини. Єдине, що потрібно робити, це стежити за чистотою робочих поверхонь чи дзеркал.
• Сонячні панелі, що виробили свій ресурс, можуть бути перероблені і знову використані у виробництві.

Проблеми розвитку сонячної енергетики

Незважаючи на реалізацію ідей щодо підтримки роботи сонячних електростанцій у нічний час, ніхто не застрахований від капризів природи. Затягнуте хмарами небо протягом кількох днів значно знижує вироблення електрики, адже населенню та підприємствам необхідна його безперебійна подача.

Будівництво сонячної електростанції – задоволення не з дешевих. Це зумовлено необхідністю застосовувати рідкісні елементи у їх конструкції. Не всі країни готові витрачати бюджети на менш потужні електростанції, коли є робітники ТЕС та АЕС.

Для розміщення таких установок потрібні великі площі, причому в місцях, де сонячне випромінювання має достатній рівень.

Як розвинена сонячна енергетика у Росії

На жаль, у нашій країні поки що на всю палю вугілля, газ і нафту, і напевно Росія буде серед останніх, хто повністю перейде на альтернативну енергетику.

На сьогоднішній день сонячна генерація становить лише 0,03% енергобалансу РФ. Для порівняння у тій же Німеччині цей показник становить понад 20%. Приватні підприємці не зацікавлені у вкладенні коштів у сонячну енергетику через довгу окупність і не таку високу рентабельність, адже газ у нас обходиться набагато дешевше.

У економічно розвинених Московській та Ленінградській областях сонячна активність на низькому рівні. Там будівництво сонячних електростанцій просто недоцільне. А ось південні регіони досить перспективні.