Солнечная энергетика - использование солнечной энергии для получения энергии в любом удобном для ее использования виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть такой, которая не производит вредных отходов.

На сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с достаточным количеством солнечного излучения оправдывает ее экономически.

Прачечная, использующая для работы солнечную энергию

1. Солнечная энергия на поверхности Земли

Карта солнечного излучения

Поток солнечного излучения, проходящего через площадь 1 м ?, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть снаружи атмосферы) Земли, равный 1367 Вт / м ? ( солнечная постоянная).

Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря - 1020 Вт / м ?. Среднесуточное значение потока солнечного излучения как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы солнечной энергетики также уменьшаются вследствие глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.


2. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

  • Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов. Для этой цели применяют кремниевые солнечные батареи, КПД которых доходит до 20%. Но стоимость получения чистого кремния достаточно велика. Кремний, в котором на 10 кг продукта приходится не более 1 грамма примесей стоит столько же, сколько уран для электростанций, хотя запасы последнего в 100 000 раз меньше запасов кремния. В то же время, "хорошего" кремния в мире добывают в 6 раз меньше, чем такого же урана. [1]

Из одной тонны песка, в котором содержится 500 кг кремния получают 50-90 кг солнечного силициума. При этом на получение 1 кг расходуется около 250 кВт-часов электроэнергии. [1] По новой технологии, разработанной немецкой фирмой Siemens еще в 1979 г. энергозатраты падают на порядок, и выход продукта увеличивается в 10-15 раз. Стоимость получения кремния при этом падает до 10-15 $ за килограмм. [1] Простой песок для этой технологии не подходит. Здесь нужны "особо чистые кварциты", залежи которых в значительном объеме, в основном, находятся в России.

Такие батареи можно устанавливать на спутниках, автомобилях, крыльях самолета, встроить их элементы в часы, калькулятор, ноутбук. Срок их службы составляет 30 лет. [1] За это время элемент, на изготовление которого ушел 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько ее может быть получено при использовании 100 т нефти на ТЭС или 1 кг обогащенного урана на АЭС. [1]

При втором методе устанавливаются на территории в несколько тысяч квадратных метров зеркала-гелиостатов, которые возвращаясь вслед за солнцем направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемника (водой). Вода нагревается, превращается в пар, который крутит турбину, а последняя вращает генератор тока.

  • Гелиотермальна энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусировка солнечного излучения на емкости с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

Солнечную энергию можно использовать для получения тепла напрямую без преобразования в электрическую. Установки собирают, хранят и передают тепло, называются солнечными коллекторами. При этом, на крыше дома, или на его южной стороне устанавливается панель, состоящая из трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает воду в трубах до 60-70 С, которая накапливается в баке, а оттуда поступает для обогрева или горячего водоснабжения.

  • "Солнечный парус" может в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.
  • Термоповитряни электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
  • Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и облачную погоду.

3. Преимущества солнечной энергетики

  • Общедоступность и неисчерпаемость источника.
  • Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в наше время [ Когда? ] в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества).

4. Недостатки солнечной энергетики

4.1. Фундаментальные проблемы

  • Из-за относительно небольшую величину солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования значительно большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8-2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

  • Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных среднее количество солнечных дней в году может очень сильно отличаться.

4.2. Технические проблемы

  • Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может стремительно и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешенная проблема), или строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, или использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

  • Высокая цена солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990 - 2005 гг цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4% в год.
  • Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).
  • Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.
  • Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
  • Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

4.3. Экологические проблемы

  • Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30-50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее время сложный вопрос их утилизации.

Последнее время начинает активно развиваться производство тонкопленочных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1% кремния. Благодаря низкому содержанию кремния тонкопленочные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания "Shell" приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкопленочных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.


5. Освещения зданий

Световой колодец в Пантеоне, Рим.

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца - отверстие в потолке.

Световые колодцы применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, ​​промышленные здания, склады, тюрьмы, и т.д.


6. Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы изготавливаются из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и полученной на нем энергии.

Солнечные тепловые коллекторы Информационным управлням по энергетике США подразделяются на низко-, средне-, и высокотемпературные коллекторы. Низкотемпературные коллекционеры являются плоскими плитами и обычно используется для подогрева бассейнов. Среднетемпературные коллекторы также, как правило, плоские плиты, но используются для подогрева воды для жилого и коммерческого использования. Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечные лучи с помощью зеркал и линз и, как правило, используются для производства электроэнергии.

Солнечная энергия для обогрева, охлаждения, вентиляции и технологических нужд может быть использована для покрытия части затрат на энергию. Тепловая масса материалов сохраняет солнечную энергию в течение дня, и освобождает эту энергию когда становится холоднее. Всего в тепловой массы относятся каменные материалы, бетон и вода. При размещении тепловых масс следует рассмотреть ряд факторов, таких как климат, уровень дневного света, теней и других условий. При правильно подключения тепловые массы могут пассивно поддерживать комфортную температуру при сокращении потребления. Тепловая энергия массы почвы также может быть использована для сохранения тепла между сезонами и позволяет использовать солнечную тепловую энергию для отопления помещений в зимнее время.

Солнечная тепловая энергия в качестве активного солнечного отопления. Типичная конструкция бытовой солнечной системы отопления состоит из солнечной панели (или солнечного коллектора) с теплообменной жидкостью, проходящего через него, транспортируя собранную тепловую энергию для полезного применения, как правило, к горячей воде цистерны или домашних радиаторов. Солнечные панели расположен в месте с хорошим уровнем освещения в течение дня, чаще всего на крыше здания. Насос толкает теплообменной жидкости (часто только очищенную воду) с помощью панели управления. Тепло таким образом собирается и передается на сберегательные контейнера.

Также возможно использовать пассивное солнечное отопление, не нуждаясь электрического или механического оборудования, и может рассчитывать на дизайн и структура дома для сбора, хранения и распределения тепла по зданию. Некоторые пассивные системы используют незначительное количество обычной энергии для управления заслонками, ставнями, ночными изоляционными и другими устройствами, повышающими уровень сбора, хранения, использования и снижения нежелательного теплообмена солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $ 0,09 - $ 0,12 за кВт ? час. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными концентраторами снизится до $ 0,04 - $ 0,05 в 2015-2020 гг

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью с природного газа.


6.1. Солнечная кухня

Солнечная жаровня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 ? С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства ?солнечной кухни" составляет $ 3 - $ 7. В развивающихся странах, для приготовления пищи активно используются дрова.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10%. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубки лесов.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 село Китая. Это позволит сократить выбросы СО 2 на 1,7 млн. тонн в 2008-2012 гг В будущем Финляндия сможет покупать квоты на эти выбросы.


7. Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

  • Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 ? С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно еще раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м ?. В фокусе концентратора температура достигает 2200 ? C. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 ? С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт ? ч / кв.м.) Установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может быть сохранен на значительное время, и использоваться по необходимости для производства электроэнергии с помощью топливных элементов, или как топливо для автотранспорта.


8. Солнечный транспорт

Пилотируемый самолет на солнечных батареях HB-SIA, перед первым тестовым полетом, 3 декабря 2009

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолетах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж / д поездов. Они проводят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

7-8 июля в Швейцарии состоялся тестовый полет самолета на солнечных батареях HB-SIA, который продержался в воздухе рекордные 26 часов.


9. Интересные факты

  • В Дании за счет солнечной энергии, которая, в основном, используется для выработки тепла в частном секторе, покрывается от 1/3 до 3/4 потребности в каждом жилом доме, а цена на электроэнергию регулируются Министерством энергетики и, по состоянию на 2005 год, составила по курсу к российскому рублю 11руб./кВт-г. [2]
  • В Германии до 70% расходов на "соляризацию" домов компенсирует государство. Кроме того, оно покупает у владельцев ?солнечных крыш" электричество по ценам, сильно превышающим рыночные. То есть, когда днем ​​дом производит энергии много, а потребляет мало, ее излишки уходят в городскую сеть и хозяин получает 80 центов за каждый сданный кВт-ч. Ночью же он сам покупает электричество в той же самой сети, но уже по 20 центов за кВт час. В стране оборудуют солнечными элементами по 0,5 млн. квадратных метров крыш в год. [1]
  • В Австралии уже более 19 лет проводятся ежегодные гонки на солнечных электромобилях на трассе между городами Дарвин и Аделаида (3000 км). В 1990 году компания "Sanio" построила самолет на солнечных батареях, который пересек всю Америку. [1]
  • В США действует несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт. Днем они работают от солнца, а ночью от газа. Температура пара до 370 С, а давление - 100 атмосфер. [1]
  • В СССР первая промышленная солнечная электростанция была построена в Крыму в 1985 г. около города Щелково. Она имела мощность 5 МВт, то есть такую ​​же, как и первый ядерный реактор. За 10 лет работы она дала 2000000 кВтч. электроэнергии. В середине 90-х годов ее закрыли.