Слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия

Какво представлява слънчевата енергия

Слънцето е звезда, в която непрекъснато протичат термоядрени реакции. В резултат на тези процеси от повърхността на слънцето се отделят огромни количества енергия, част от които нагряват атмосферата на нашата планета.

Слънчевата енергия е източник на възобновяема и екологична енергия.

Как можем да оценим количеството слънчева енергия

Експертите използват слънчевата константа като мярка. Това се равнява на 1367 вата. Това е енергията на слънцето на квадратен метър от планетата. Около една четвърт от тях се губят в атмосферата. Максималната стойност на екватора е 1020 вата на квадратен метър. Като се вземат предвид денят и нощта и промяната на ъгъла на падане на лъчите, тази стойност трябва да се намали още три пъти.

Разпределение на слънчевата радиация върху карта на планетата

Предложени са много варианти на източниците на слънчева енергия. Засега експертите твърдят, че енергията се освобождава при превръщането на четири атома H2 в едно ядро He. При този процес се отделя значително количество енергия. Помислете, че енергията, необходима за преобразуването на 1 грам Н2, е сравнима с енергията, получена при изгарянето на 15 тона въглеводороди.

Развитие на слънчевата енергия в различни страни и перспективи

Алтернативните форми на енергия, сред които е и слънчевата енергия, се развиват най-бързо в технологично развитите страни. Сред тях са САЩ, Испания, Саудитска Арабия, Израел и други страни с голям брой слънчеви дни в годината. Слънчевата енергия се развива и в Русия и страните от ОНД. Темповете тук обаче са много по-бавни поради климатичните условия и по-ниските доходи на населението.

В Русия се наблюдава постепенно развитие и се набляга на развитието на слънчевата енергия в Далечния изток. В отдалечени общности в Якутия се изграждат слънчеви електроцентрали. Това дава възможност да се спестят средства от внос на гориво. Електроцентрали се строят и в южната част на страната. Например в Липецка област.

Всички тези данни показват, че много страни по света се опитват да използват максимално слънчевата енергия. Това е важно, тъй като потреблението на енергия непрекъснато нараства, а ресурсите са ограничени. Освен това традиционният енергиен сектор е силно замърсяващ. Ето защо алтернативната енергия е бъдещето. Слънчевата енергия е една от ключовите й области.

Поглед назад в историята

Как се е развила слънчевата енергия до днес? Използването на слънцето в техните дейности е било в полезрението на хората още от древни времена. Всеки знае легендата, че Архимед е изгорил вражеския флот край своя град Сиракуза. За целта той използва запалителни огледала. Преди няколко хиляди години в Близкия изток дворците на владетелите са се отоплявали с вода, нагрявана от слънцето. В някои страни солта се е произвеждала чрез изпаряване на морска вода на слънце. Учените често експериментират с отоплителни уреди, захранвани със слънчева енергия.

Първите модели на такива отоплителни уреди са произведени през XVII век. По-специално, изследователят Н. Сосюр представи своята версия на водонагревател. Тя се състоеше от дървена кутия, покрита със стъклен капак. Водата в това устройство е загрята до 88 градуса по Целзий. През 1774 г. А. Лавоазие използва лещи, за да концентрира топлината от слънцето. А лещите също така се оказаха способни да разтопят чугун на място за няколко секунди.

Батериите, преобразуващи слънчевата енергия в механична, са създадени от френски учени. В края на XIX в. изследователят О. Мушо разработва изолатор, който фокусира лъчите с помощта на леща върху парен котел. Този котел е бил използван за работа на печатарска машина. По това време в САЩ е възможно да се създаде машина, задвижвана от слънцето, с мощност 15 "коня".

"Разрушителят" от О. Мушо

През 30-те години на миналия век академикът от СССР А.Ф. Йофе предлага да се използват полупроводникови фотоволтаични клетки за преобразуване на слънчевата енергия. По онова време ефективността на батериите е била под 1%. Минаха много години, преди да бъдат разработени фотоволтаични клетки с ефективност от 10 ─15%. След това американците създават слънчеви батерии от съвременен тип.

Фотоволтаична клетка за соларен панел

Струва си да се каже, че батериите, базирани на полупроводници, са доста издръжливи и не изискват никаква квалификация за поддръжка. Ето защо те се използват най-често в домакинствата. Съществуват и цялостни слънчеви електроцентрали. По правило те се създават в страни с голям брой слънчеви дни в годината. Това са Израел, Саудитска Арабия, южната част на САЩ, Индия, Испания. Сега има някои доста фантастични проекти. Например слънчевите електроцентрали извън атмосферата. Слънчевата светлина там все още не е загубила енергията си. Тоест предлага се радиацията да бъде уловена в орбита и след това да бъде преобразувана в микровълни. След това енергията ще бъде изпратена на Земята под тази форма.

Видове панели

Вече са разпространени различни видове слънчеви панели. Те включват:

1. Поли- и монокристални.
2. Аморфен.

Монокристалните панели се характеризират с ниска производителност, но са сравнително евтини, поради което са много популярни. Ако е необходимо да се оборудва допълнителна система за алтернативно захранване в случай на прекъсване на основното захранване, закупуването на такъв вариант е напълно оправдано.

Поликристалите се намират в междинно положение в тези две отношения. Такива панели могат да се използват за осигуряване на централизирано електрозахранване на места, където по някаква причина няма достъп до стационарна система.

Що се отнася до аморфните панели, те се отличават с максимална производителност, но това значително увеличава цената на оборудването. В този тип устройства се използва аморфен силиций. Струва си да се отбележи, че все още не е възможно да ги закупите, тъй като технологията е в експериментален стадий.

Какво представляват неконвенционалните енергийни източници

Перспективна задача в енергийния сектор на 21-ви век е използването и внедряването на възобновяеми енергийни източници. Това ще позволи да се намали натоварването на екологичната система на планетата. Използването на конвенционални източници оказва отрицателно въздействие върху околната среда и води до изчерпване на земните недра. Те включват:

1. Невъзобновяеми:

• Въглища;
• природен газ;
• масло;
• уран.

2. Възобновяеми:

• дървен материал;
• хидроенергия.

Алтернативната енергия е система от нови начини и методи за получаване, пренос и използване на енергия, които са слабо използвани, но са полезни за околната среда.

Алтернативните енергийни източници (АЕИ) са вещества и процеси, които съществуват в природната среда и осигуряват необходимата енергия.

Условия за ефективност и ефикасност

Най-добре е да поверите изчисленията и монтажа на слънчевата термална система на професионалисти. Спазването на процедурата за инсталиране ще гарантира, че системата работи правилно и осигурява обявената производителност. За да се подобри ефективността и експлоатационният живот на слънчевата термална система, трябва да се вземат предвид някои подробности.

Термостатичен вентил. В традиционните отоплителни системи рядко се монтира термостатичен елемент, тъй като регулирането на температурата се извършва от генератора на топлина. Въпреки това, когато се инсталира слънчева термална система, не трябва да се забравя термостатичният вентил.

Загряването на резервоара до максимално допустимата температура повишава ефективността на колектора и дава възможност за оползотворяване на слънчевата топлина дори при облачно време.

Оптималното разположение на вентила е на 60 cm от нагревателя. Ако се постави в близост до него, "термостатът" се нагрява и блокира подаването на гореща вода.

Разполагане на буферния резервоар. Буферната бутилка за БГВ трябва да се монтира на достъпно място

Особено внимание трябва да се обърне на височината на тавана, когато се монтира в компактно помещение.

Минималното разстояние над резервоара е 60 cm. Тази хлабина е необходима за поддръжка на акумулатора и замяна на магнезиевия анод.

Монтаж на разширителен съд. Елементът компенсира топлинното разширение по време на застой. Монтирането ѝ над помпеното оборудване ще доведе до прегряване на мембраната и евентуално до нейното износване.

Оптималното място за разширителния съд е под помпената група. Излагането на температура е значително намалено и мембраната запазва еластичността си по-дълго.

Свързване на соларната верига. Препоръчва се при свързването на тръбите да се направи контур. "Термоконтур" намалява загубите на топлина, като не позволява на нагрятата течност да излезе навън.

Технически правилният вариант е да се използва "контур" на слънчевата верига. При неспазване на това изискване температурата в акумулатора се понижава с 1-2°C през нощта.

Възвратен клапан. Предотвратява "прегряването" на циркулацията на отоплителната среда. Когато слънцето е малко, възвратният клапан не позволява натрупаната през деня топлина да се разпръсне.

Развитие на слънчевата енергия

Както вече беше споменато, цифрите, отразяващи развитието на слънчевата топлинна енергия днес, непрекъснато се увеличават. Слънчевите панели отдавна не са термин за тесен кръг технически специалисти и днес за слънчевата енергия не само се говори, но и се печели от реализирани проекти.

През септември 2008 г. приключи изграждането на слънчева електроцентрала в испанската община Олмедиля де Аларкон. Електроцентралата в Олмедиля достига пиков капацитет от 60 MW.

Слънчева електроцентрала Olmedilla

Германия експлоатира слънчевата електроцентрала Waldpolenz в Саксония, близо до градовете Брандис и Беневиц. Максималната мощност на централата е 40 MW, което я прави една от най-големите слънчеви електроцентрали в света.

Слънчева електроцентрала Waldpolenz

Неочаквано за мнозина, Украйна също започна да носи добри новини. Според ЕБВР Украйна скоро може да заеме водещо място сред зелените икономики в Европа, особено на пазара на слънчева енергия - един от най-обещаващите пазари за възобновяеми енергийни източници.

Слънчевите електроцентрали работят в

• Област Оренбург:
  "Sakmarskaya im. А. А. Vlazneva", с инсталирана мощност 25 MW;
  "Переволоцкая", с инсталирана мощност 5,0 MW.
• Република Башкортостан:
  "Бурибаевская", с инсталирана мощност 20,0 MW;
  "Бугулчанска", с инсталирана мощност 15,0 MW.
• Република Алтай:
  "Кош-Агачская" с инсталирана мощност 10,0 MW;
  "Уст-Канская" с инсталирана мощност 5,0 MW.
• Република Хакасия:
  "Абаканска", с инсталирана мощност от 5,2 MW.
• Белгородска област:
  "AltEnergo", с инсталирана мощност от 0,1 MW.
• В Република Крим 13 слънчеви електроцентрали с обща мощност 289,5 MW работят независимо от единната енергийна система на страната.
• Също така извън системата има станции в Република Саха-Якутия (1,0 MW) и в Забайкалския край (0,12 MW).

Следните електроцентрали са в етап на проектиране и изграждане

• В Алтайския край през 2019 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 2 централи с обща прогнозна мощност 20,0 MW.
• В Астраханска област през 2017 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 6 централи с обща прогнозна мощност 90,0 MW.
• Във Волгоградска област през 2017 г. и 2018 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 6 централи с обща прогнозна мощност 100,0 MW.
• В Забайкалски район през 2017 и 2018 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 3 електроцентрали с обща прогнозна мощност 40,0 MW.
• В Иркутска област има 1 централа с прогнозен капацитет от 15,0 MW, планирана да бъде пусната в експлоатация през 2018 г.
• В Липецка област през 2017 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 3 централи с обща прогнозна мощност 45,0 MW.
• В Омска област през 2017 г. и 2019 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 2 централи с прогнозен капацитет 40,0 MW.
• В Оренбургска област през 2017-2019 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 7 централи с прогнозен капацитет 260,0 MW.
• В Република Башкортостан през 2017 и 2018 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 3 централи с прогнозен капацитет от 29,0 MW.
• В Република Бурятия през 2017 г. и 2018 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 5 централи с прогнозен капацитет 70,0 MW.
• В Република Дагестан през 2017 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 2 централи с прогнозен капацитет от 10,0 MW.
• В Република Калмикия през 2017 г. и 2019 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 4 централи с прогнозен капацитет от 70,0 MW.
• В Самарска област 1 централа с прогнозен капацитет от 75,0 MW, планирана да влезе в експлоатация през 2018 г.
• В Саратовска област през 2017 г. и 2018 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 3 централи с прогнозен капацитет 40,0 MW.
• В Ставрополския край през 2017-2019 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 4 централи с прогнозен капацитет 115,0 MW.
• В Челябинска област през 2017 и 2018 г. се планира да бъдат пуснати в експлоатация 4 централи с прогнозен капацитет 60,0 MW.

Общият прогнозен капацитет на слънчевите електроцентрали в процес на разработване и изграждане е - 1 079,0 MW.
Термоелектрическите генератори, слънчевите колектори и слънчевите топлинни инсталации също намират широко приложение в промишлените предприятия и в ежедневието. Всеки може да избере своя вариант и начин на използване.

Броят на техническите устройства, които използват слънчева енергия за производство на електроенергия и топлина, както и броят на строящите се слънчеви електроцентрали и техният капацитет говорят сами за себе си: в Русия трябва да се развиват алтернативни източници на енергия.

Предаване на слънчева енергия към Земята

Слънчевата енергия от спътник се предава на Земята с помощта на микровълнов предавател през пространството и атмосферата и се приема на Земята с антена, наречена ретенден. Ректалната антена е нелинейна антена, предназначена за преобразуване на полевата енергия на падащата върху нея вълна.

Лазерно предаване

Последните разработки сочат, че лазерът може да се използва с новоразработените лазери с твърдо тяло, които позволяват ефективен пренос на енергия. В рамките на няколко години може да се постигне ефективност от 10 до 20 %, но при по-нататъшни експерименти все още е необходимо да се вземат предвид възможните опасности, които това може да причини на очите.

UHF

В сравнение с лазерното предаване, микровълновото предаване е по-напреднало и има по-висока ефективност - до 85 %. Микровълновите лъчи са далеч под смъртоносните нива на концентрация, дори при продължително излагане. Така микровълнова фурна с честота 2,45 GHz с определена защита е напълно безвредна. Електрическият ток, генериран от фотоволтаичните елементи, преминава през магнетрон, който преобразува електрическия ток в електромагнитни вълни. Тази електромагнитна вълна преминава през вълновод, който формира характеристиките на електромагнитната вълна. Ефективността на безжичното предаване на енергия зависи от много параметри.

Важна информация за технологията

Ако разгледаме подробно един слънчев панел, принципът на действие е лесен за разбиране. Отделните участъци на фотоволтаичната пластина променят проводимостта си под въздействието на ултравиолетова светлина.

В резултат на това слънчевата енергия се преобразува в електрическа, която може да се използва веднага за електрически уреди или да се съхранява в преносими, самостоятелни носители.

За да се разбере по-подробно този процес, трябва да се оценят няколко важни аспекта:

1. Слънчевият панел е специална система от фотоволтаични преобразуватели, които образуват цялостна структура и са свързани в определена последователност.
2. В структурата на фотоконверторите има два слоя, които могат да се различават по вида на проводимостта.
3. За производството на тези преобразуватели се използват силициеви пластини.
4. Към силиция в слоя от n-тип се добавя и фосфор, което води до излишък на отрицателно заредени електрони.
5. Слоят от p-тип е съставен от силиций и бор, в резултат на което се получават така наречените "дупки".
6. В крайна сметка двата слоя се поставят между електроди с различни заряди.

Къде се използва слънчевата енергия?

Използването на слънчева енергия се увеличава с всяка изминала година. Не толкова отдавна слънчевата енергия се използваше за затопляне на вода за летни душове в провинцията. Днес различни инсталации вече се използват за отопление на частни домове, в охладителни кули. Слънчевите панели произвеждат електричество, необходимо за захранване на малки общности.

Особености на слънчевата енергия

Фотоволтаичната енергия от слънчевата радиация се преобразува във фотоволтаични клетки. Това е двуслойна структура, съставена от 2 полупроводника от различни видове. Полупроводникът в долната част е p-тип, а в горната - n-тип. В първия случай има недостиг на електрони, а във втория - излишък.

Електроните на полупроводник от n-тип поглъщат слънчевата радиация, което кара електроните в него да излязат от орбита. Силата на импулса е достатъчна, за да се прехвърли в полупроводник от p-тип. В резултат на това се получава насочен поток от електрони и се генерира електричество. Силицият се използва при производството на фотоелементи.

Днес се предлагат няколко вида слънчеви клетки:

• Монокристален. Те се произвеждат от единични кристали силиций и имат равномерна кристална структура. Сред другите видове те се отличават с най-висока ефективност (около 20 %) и повишена цена;
• Поликристален. Структурата е поликристална, по-малко еднородна. Те са по-евтини и имат ефективност между 15 и 18%;
• Тънкослойни материали. Тези фотоелементи се изработват чрез разпръскване на аморфен силиций върху гъвкав субстрат. Тези клетки са най-евтини, но ефективността им не е толкова добра. Те се използват при производството на гъвкави слънчеви панели.

Ефективност на слънчевите панели

В какво се превръща слънчевата енергия и как се произвежда?

Слънчевата енергия се отнася към категорията на алтернативната енергия. Той се развива бързо и предлага нови начини за генериране на енергия от слънцето. Известните понастоящем методи за получаване на слънчева енергия и нейното по-нататъшно преобразуване са

• Фотоволтаици или фотоволтаици - когато енергията се събира с помощта на фотоволтаични клетки;
• Топлинна - когато енергията от Слънцето се превръща във въздух и се изпраща към турбинен генератор.
• Хелиотермичен метод - когато лъчите нагряват повърхността, която съхранява топлинна енергия;
• "слънчево платно" - едноименното устройство, работещо в безвъздушно пространство, преобразува слънчевите лъчи в кинетична енергия;
• Методът на балона - слънчевата радиация нагрява цилиндъра, където топлината генерира пара, която се използва за генериране на резервно електричество.

Енергията от слънцето може да се генерира директно (чрез фотоволтаични клетки) или индиректно (чрез концентриране на слънчева енергия, както е при слънчевия термален метод). Основните предимства на слънчевата енергия са липсата на вредни емисии и по-ниската цена на електроенергията. Това подтиква все повече хора и предприятия да се насочат към слънчевата енергия като алтернатива. Страните, които най-активно използват алтернативна енергия, са Германия, Япония и Китай.

Слънчеви панели, конструкция и приложения

Съвсем доскоро идеята за безплатно получаване на електроенергия изглеждаше като научна фантастика. Съвременните технологии обаче непрекъснато се усъвършенстват, а алтернативната енергия също се развива. Много хора започват да се възползват от предимствата на новите разработки, докато са далеч от електрическата мрежа, като получават пълна автономност, без да губят градския комфорт. Един такъв източник на електроенергия са слънчевите панели.
Сферата на приложение на тези батерии се предполага основно за захранване на вили, къщи и малки вилни селища, които са далеч от електропроводи. На места, където са необходими допълнителни източници на електроенергия.

Батерията, захранвана от слънчева енергия, се състои от множество проводници и фотоволтаични клетки, свързани в система, която преобразува енергията, получена от слънчевите лъчи, в електрически ток. Ефективността на тази система достига средно четиридесет процента, но за това са необходими подходящи метеорологични условия.

Логично е да се инсталират слънчеви термални системи само в райони, където повечето дни в годината са слънчеви. Заслужава да се вземе предвид и географското местоположение на къщата. Но като цяло, при благоприятни условия, батериите значително намаляват потреблението на електроенергия от обществената мрежа.

Ефективност на батерията на слънчевата термална система

Една-единствена фотоволтаична клетка произвежда много малко електроенергия, дори в ясен ден, освен достатъчно за захранване на LED фенерче.

За да се увеличи изходната мощност, няколко фотоволтаични клетки се свързват паралелно, за да се увеличи постоянното напрежение, и последователно, за да се увеличи токът.

Ефективността на слънчевите панели зависи от:

• температурата на въздуха и на самата батерия;
• правилен избор на съпротивлението на товара;
• ъгъл на падане на слънчевата светлина;
• наличие/отсъствие на антирефлексно покритие;
• мощността на светлинния поток.

Колкото по-ниска е външната температура, толкова по-ефективни са фотоволтаичните клетки и вертолетната батерия като цяло. Тук всичко е просто. Ситуацията обаче е по-сложна, когато става въпрос за изчисляване на натоварването. Натоварването трябва да се избере въз основа на изходния ток на панела. Но стойността му варира в зависимост от метеорологичните фактори.

Соларните панели са проектирани за изходно напрежение, кратно на 12 V - ако батерията се нуждае от 24 V, тогава ще трябва да се свържат паралелно два панела.

Трудно е да се следят постоянно параметрите на слънчевия панел и да се регулира ръчно работата му. Най-добрият начин да направите това е да използвате система за управление на слънчевата енергия, която автоматично регулира настройките на слънчевия панел за максимална ефективност и оптимален добив на слънчева енергия.

Идеалният ъгъл на падане на слънчевите лъчи върху слънчевия панел е права линия. Ако обаче тя се отклони до 30 градуса от перпендикуляра, ефективността на панела спада с едва 5%. Но с по-нататъшното увеличаване на този ъгъл все по-голяма част от слънчевата радиация се отразява, което намалява ефективността на PVA.

Ако е необходимо батерията да доставя максимална енергия през лятото, тя трябва да бъде ориентирана перпендикулярно на средното положение на слънцето, което то заема по време на равноденствията през пролетта и есента.

За района на Москва това е приблизително 40-45 градуса към хоризонта. Ако през зимата е необходим максимум, панелът трябва да се постави в по-вертикално положение.

И още нещо - прахът и мръсотията силно намаляват производителността на фотоклетките. Фотоните просто не достигат до тях през такова "мръсно" препятствие и следователно няма какво да се преобразува в електрическа енергия. Панелите трябва да се почистват редовно или да се поставят така, че прахът да се отмива от самия дъжд.

Някои соларни панели имат вградени лещи за концентриране на радиацията върху FEP. При ясно време това води до повишена ефективност. При силно облачно време обаче тези лещи са само вредни.

Докато конвенционалният панел в такава ситуация ще продължи да генерира ток, макар и с по-малък обем, моделът с лещи ще спре да работи почти напълно.

В идеалния случай слънцето трябва да осветява равномерно батерията с фотоволтаични клетки. Ако една от секциите му е затъмнена, неосветените PEC се превръщат в паразитен товар. В тази ситуация те не само не генерират енергия, но и черпят енергия от работните елементи.

Панелите трябва да се монтират така, че да няма дървета, сгради или други препятствия по пътя на слънчевата светлина.