О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России
Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.
В с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).
Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.
Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Для того чтобы солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится специальное противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В этом случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, возвращается вновь.
КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – ИК. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.
Гигантскими темпами развивает производство кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего стоимость одного ватта снижается. В Китае она составляет примерно 0,5 долларов за Ватт.
Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:
Монокристаллические
Поликристаллические
КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего лишь на 1 %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сегодня обеспечивают наиболее дешевую стоимость 1 Ватта генерируемой электроэнергии.
Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности. Есть основания полагать, что в дальнейшем деградациях солнечных батарей замедляется.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах
Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.

Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами.

Использование аккумуляторов
Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.
Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.
Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.
Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца - какова сегодня ее цена?
Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.
Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы
Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.
Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.
Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.
Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.
Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!

Солнечная энергия, как альтернативный источник энергии, используется уже тысячи лет. Единственное, что меняется — технологии и эффективность применяемых устройств. Энергия солнца относится к возобновляемым источникам, что означает ее способность восстанавливаться естественным путем, без человеческого участия. К преимуществам стоит отнести экологическую чистоту, неограниченные возможности, безопасность и уникальную эффективность использования.

Доказано, что 1м 2 «огненного диска» выделяет почти 63 кВт энергии, что в эквиваленте соответствует мощности миллиона электрических лампочек. В целом Солнце обеспечивает Землю 80 000 млрд. кВ, а это в несколько раз превышает мощность всех существующих на планете электростанций. Вот почему применение солнечной энергии на практике является одной из главных задач для современного общества.

Особенности преобразования

Недоработкой современной науки является неспособность прямого потребления энергии солнца. По этой причине разработаны специальные приборы, обеспечивающие преобразование солнечной энергии в электрическую или тепловую. В первом упоминании речь идет о батареях , а во втором — о коллекторах .

Сегодня разработано несколько вариантов преобразования:

• Термовоздушная энергетика . В ее основе лежит использование энергии солнца для получения потока воздуха, направляемого в турбогенератор. Популярность получают электростанции аэростатного типа, в которых генерируется водяной пар, благодаря нагреву аэростатной поверхности со специальным покрытием. Преимущество методики заключается в способности накапливать необходимый объем пара для обеспечения работы системы даже в темное время суток, при отсутствии солнечного света.
• Фотовольтаика . Особенность методики заключается в применении специальных панелей, имеющих фотоэлектрическую базу. Представители — солнечные батареи. В основе изделий лежит кремний, а толщина рабочей поверхности равна нескольким десятым миллиметра. Размещать конструкции можно в любом месте. Главным условием является максимальное поступление лучей.

Кроме фотопластин, для преобразования солнечной энергии могут использоваться тонкопленочные панели, обладающие меньшей толщиной. Их главным недостатком является небольшая эффективность.

• Гелиотремальная энергетика — направление, суть которого заключается в поглощении света поверхностью с последующим фокусированием тепла для нагрева. В бытовой сфере этот вид превращения солнечной энергии используется для прогрева. В промышленности эта методика применяется для получения электричества с помощью тепловых машин.

Как может использоваться солнечная энергия?

Использование солнечной энергии возможно с применением двух типов систем — пассивных и активных. Рассмотрим их подробнее.

Пассивные — системы, в которых не предусмотрено каких-либо сложных преобразований. Одним из примеров является металлическая емкость, которая окрашена в черный цвет и наполненная водой. Лучи солнца попадают на поверхность, нагревают металл, а вместе с ним и жидкость внутри. Существуют и более продвинутые способы пассивного использования энергии, предназначенные для проектирования сооружений, выбора стройматериалов, учета климата и решения других задач. Чаще всего пассивные системы применяются для охлаждения, обогрева или освещения зданий.

Активные — устройства, в которых для превращения солнечной энергии применяются специальные коллекторы. Особенность последних заключается в поглощении лучей солнца и их последующее преобразование в тепло, которое с помощью теплоносителя обеспечивает обогрев зданий или воды. Сегодня солнечные коллекторы применяются во многих сферах деятельности — сельском хозяйстве, бытовом и прочих секторах, где требуется тепло.

​

Принцип действия солнечного коллектора легко проверить на практике — достаточно положить на подоконник какой-либо предмет и убедиться, что на него попадают лучи солнца. Изделие нагревается даже при минусовой температуре на улице. В этом и заключается особенность использования солнечной энергии с помощью коллектора.

В основе устройства лежит теплоизолированная пластина, которая изготавливается с использованием теплопроводящего материала. Сверху она покрывается темной краской. Лучи солнца проходят через промежуточный элемент, нагревают пластинку, а после накопленная тепловая энергия применяется для нагрева здания. Направление теплого потока возможно с помощью вентилятора или естественным путем.

Недостаток системы заключается в необходимости дополнительных затрат на покупку и установку вентилятора. Кроме того, солнечные коллекторы эффективны только световой день, поэтому полностью заменить основной источник обогрева не получится. Для повышения КПД устройства необходимо устанавливать коллектор в главный источник вентиляции или тепла.

Такие коллекторы бывают двух типов:

1. Плоскими. Такие устройства состоят из поглотителей солнечной энергии, покрытия (используется стекло с низким содержанием металлических частиц), термоизолирующего слоя и трубопровода. Коллектор улавливает солнечные лучи и выдает тепловую энергию. Место для монтажа — крыша. При этом батарея может быть встроена в поверхность или иметь вид отдельного элемента.
2. Вакуумными. Особенность солнечных коллекторов заключается в универсальности и возможности применения в течение всего года. В основе лежат вакуумные трубки, состоящие из боросиликатного стекла. На внутренней части стенки нанесено специальное покрытие, улучшающее восприятие солнечного света. Целью такой конструкции является минимальное отражение лучей. Для большей эффективности в промежутках между трубками присутствует вакуум, который поддерживается газораспределителем бариевого типа. Преимущество вакуумных коллекторов в том, что они могут работать на морозе и при облачной погоде. В последнем случае они поглощают энергию ИК лучей.

Наибольшим спросом в промышленности и быту пользуются солнечные батареи, которые преобразуют энергию солнца в тепло. В основе таких устройств лежат фитоэлектрические преобразователи.

Преимущества — простота конструкции, удобство монтажа, минимальные требования к обслуживанию, а также повышенный ресурс. Для установки солнечной батареи не нужно дополнительного места. Главным условием нормальной работы является открытость свету и отсутствие затенения. Ресурс исчисляется десятилетиями, что и объясняет подобную популярность изделий.

Батареи, использующие энергию солнца, имеют и ряд недостатков:

• Повышенная чувствительность к загрязнению. По этой причине батареи устанавливают под углом 45 градусов, чтобы снег и дождь помогали очищать поверхность.
• Недопустимость чрезмерного нагрева. Если температура достигает 100-125 градусов Цельсия, возможно отключение устройства из-за повышения допустимой температуры. В такой ситуации потребуется специальная система охлаждения.
• Высокая стоимость. Этот недостаток нельзя назвать полноценным, ведь солнечная батарея имеет большой срок службы, а затраты на ее покупку и установку окупаются в течение нескольких лет.

Итоги

Современное общество знает, где используется солнечная энергия, и активно применяет накопленный опыт на практике. Возможности «огненного диска» необходимы для получения электрической энергии, обогрева и охлаждения помещений, а также обеспечения вентиляции. С ростом стоимости нефти и газа наблюдается постепенный переход на альтернативные и более доступные источники. Например, в Германии почти половина домов оборудовано солнечными коллекторами для нагрева воды. Во многих государствах работают специальные программы, направленные на использование энергии солнца. И данная тенденция с каждым годом только набирает обороты.

Без энергии невозможна жизнь на планете. Физический закон сохранения энергии говорит о том, энергия не может возникнуть из ничего и не исчезает бесследно. Она может быть получена из природных ресурсов, таких как уголь, природный газ или уран, и превращена в удобные для нас формы, например, в тепло или свет. В окружающем нас мире можем находить различные формы накопления энергии, но важнейшим для человека является энергия, которую дают солнечные лучи- солнечная энергия.

Солнечная энергия относится к восстанавливаемым источникам энергии, то есть восстанавливается без участия человека, естественным путем. Это один из экологически безопасных энергетических источников, который не загрязняет окружающую среду. Возможности применения солнечной энергии практически неограниченны и ученые всего мира работают над разработкой систем, которые расширяют возможности использования солнечной энергии .

Один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт энергии. Это примерно соответствует мощности работы 1 миллиона электрических ламп. Впечатляет такая цифра — Солнце дает Земле ежесекундно 80 тысяч миллиардов кВт, т.е в несколько раз больше, чем все электростанции мира. Перед современной наукой стоит задача — научиться наиболее полно и эффективно использовать энергию Солнца, как наиболее безопасную. Ученые считают, что повсеместное использование солнечной энергии — это будущее человечества.

Мировые запасы открытых месторождений угля и газа, при таких темпах их использования, как сегодня, должны истощиться в ближайшие 100 лет. Подсчитано, что в еще не разведанных месторождениях запасов горючих ископаемых хватило бы на 2-3 столетия. Но при этом наши потомки были бы лишены этих энергоносителей, а продукты их сгорания нанесли бы колоссальный ущерб окружающей среде.

Огромный потенциал имеет атомная энергия. Однако, Чернобыльская авария в апреле 1986 года показала, какие серьезные последствия может повлечь использование ядерной энергии. Общественность всего мира признала, что использование атомной энергии в мирных целях экономически оправдано, но следует соблюдать строжайшие меры безопасности при ее использовании.

Следовательно, наиболее чистый, безопасный источник энергии — Солнце!

Солнечная энергия может быть преобразована в полезную энергию посредством использования активных и пассивных солнечных энергетических систем.

Пассивные системы использования солнечной энергии.

Самый примитивный способ пассивного использования солнечной энергии — это окрашенная в темный цвет емкость для воды. Темный цвет, аккумулируя солнечную энергию , превращает ее в тепловую — вода нагревается.

Однако, есть более прогрессивные методы пассивного использования солнечной энергии . Разработаны строительные технологии, которые при проектировании зданий, учета климатических условий, подбора строительных материалов максимально используют солнечную энергию для обогрева или охлаждения, освещения зданий. При таком проектировании сама конструкция здания является коллектором, аккумулирующей солнечную энергию .

Так, в 100г н.э Плиний Младший построил небольшой дом на севере Италии. В одной из комнат окна сделаны из слюды. Оказалось, что эта комната теплее других и на ее обогрев требовалось меньше дров. В этом случае слюда являлась как изолятор, задерживающий тепло.

Современные строительные конструкции учитывают географическое положение зданий. Так, большое количество окон, выходящие на южную сторону, предусматривают в северных регионах, чтобы поступало больше солнечного света и тепла, и ограничивают количество окон с восточной и западной стороны, чтобы ограничить поступление солнечного света летом. В таких зданиях ориентация окон и расположение, тепловая нагрузка и теплоизоляция — единая конструкторская система при проектировании.

Такие здания экологически чистые, энергетически независимые и комфортные. В помещениях много естественного света, более полно ощущается связь с природой, к тому же существенно экономится электроэнергия. Тепло в таких зданиях сохраняется благодаря подобранным теплоизоляционным материалам стен, потолков, полов. Такие первое «солнечные» здания приобрели огромную популярность в Америке после Второй мировой войны. Впоследствии, из-за снижения цен на нефть, интерес к проектировке таких зданий несколько угас. Однако, сейчас, в связи с глобальным экологическим кризисом, наблюдается рост внимания к экологическим проектам с возобновляющимся энергетическим системам возросла вновь.

Активные системы использования солнечной энергии

В основе активных систем использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы. Коллектор, поглощая солнечную энергию , преобразует ее в тепло, которое через теплоноситель обогревает здания, нагревает воду, может преобразовать его в электрическую энергию и т.д. Солнечные коллекторы могут применятся во всех процессах в промышленности, сельском хозяйстве, бытовых нуждах, где используется тепло.

Виды коллекторов

воздушный солнечный коллектор

Это простейший вид солнечных коллекторов. Его конструкция предельно проста и напоминает эффект обычной теплицы, которая есть на любом дачном участке. Проведите небольшой эксперимент. В зимний солнечный день положите на подоконник любой предмет так, чтобы на него падали солнечные лучи и через некоторое время положите на него ладонь. Вы почувствуете, что этот предмет стал теплым. А за окном может быть — 20! Вот на этом принципе и основана работа солнечного воздушного коллектора.

Основной элемент коллектора — теплоизолированная пластина, сделанная из любого материала, который хорошо проводит тепло. Пластина окрашена в темный цвет. Солнечные лучи проходят через прозрачную поверхность, нагревают пластину, а потом потоком воздуха передают тепло в помещение. Воздух проходит благодаря естественной конвенции или при помощи вентилятора, что улучшает теплопередачу.

Однако, недостаток работы этой системы в том, что требуются дополнительные расходы на работу вентилятора. Эти коллекторы работают в течении светового дня, поэтому не могут заменить основной источник отопления. Однако, если вмонтировать коллектор в основной источник отопления или вентиляции, его КПД несоизмеримо возрастает. Солнечные воздушные коллекторы могут использоваться и для опреснения морской воды, что снижает ее себестоимость до 40 евроцентов за куб м.

Солнечные коллекторы могут быть плоскими и вакуумными.

плоский солнечный коллектор

Коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечную энергию, покрытия (стекло с пониженным содержанием металла) , трубопровода и термоизолирующего слоя. Прозрачное покрытие защищает корпус от неблагоприятных климатических условий. Внутри корпуса панель поглотителя солнечной энергии (абсорбера) соединена с теплоносителем, который циркулирует по трубам. Трубопровод может быть как в виде решетки, так и в виде серпантина. Теплоноситель движется по ним от входных до выходных патрубков, постепенно нагреваясь. Панель поглотителя изготавливается из металла, хорошо проводящему тепло (алюминий, медь).

Коллектор улавливает тепло, превращая его в тепловую энергию. Такие коллекторы можно вмонтировать в крышу или расположить на крыше здания, а можно расположить их отдельно. Это придаст дизайну участка современный вид.

Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. Основным элементом коллекторов являются вакуумные трубки. Каждая из них состоит из двух стеклянных труб. Трубы изготавливают из боросиликатного стекла, причем внутренняя покрыта специальным покрытием, которое обеспечивает поглощение тепла с минимальным отражением. Из пространства между трубками выкачан воздух,. Для поддержания вакуума используется бариевый газопоглотитель. В исправном состоянии вакуумная трубка имеет серебристый цвет. Если она выглядит белой, то это значит, что вакуум исчез и трубку надо заменить.

Вакуумный коллектор состоит из комплекса вакуумных трубок (10-30) и осуществляет передачу тепла в накопительный резервуар через незамерзающую жидкость (теплоноситель). КПД вакуумных коллекторов высок:

— при облачной погоде, т.к. вакуумные трубки могут поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака

— могут работать при минусовых температурах.

Солнечные батареи.

Солнечная батарея — это набор модулей, воспринимающих и преобразующих солнечную энергию, в том числе и тепловых. Но этот термин традиционно закрепился за фитоэлектрическими преобразователями. Поэтому, говоря «солнечная батарея» подразумеваем фитоэлектрическое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую.

Солнечные батареи способны генерировать электрическую энергию постоянно или аккумулировать ее для дальнейшего использования. Впервые фотоэлектрические батареи были применены в на космических спутниках.

Достоинство солнечных батарей — максимальная простота конструкции, простой монтаж, минимальные требования к облуживанию, большой срок эксплуатации. При установке не требуют дополнительного места. Единственное условие — не затенять их в течении длительного времени и удалять пыль с рабочей поверхности. Современные солнечные батареи способны сохранять работоспособность в течении десятилетий! Трудно найти систему настолько безопасную, эффективную и с таким длительным сроком действия! Они вырабатывают энергию в течении всего светового дня, даже в пасмурную погоду.

Солнечные батареи имеют свои недостатки в применении:

— чувствительность к загрязнениям. (Если расположить батарею под углом 45 градусов, то она будет очищена дождями или снегом, тем самым не потребуется дополнительного обслуживания)

— чувствительность к высокой температуре. (Да, при нагреве до 100 — 125 градусов солнечная батарея может даже отключиться и может потребоваться система охлаждения. Вентиляционная систстема при этом затратит малую долю вырабатываемой батареей энергии. В современных конструкциях солнечных батарей предусмотрена система оттока горячего воздуха.)

— высокая цена. (Принимая во внимание длительный срок службы солнечных батарей, то она не только окупит затраты на ее приобретение, но и сэкономит средства при потреблении электроэнергии, сэкономит тонны традиционных видов топлива при том экологически безопасна)

Использование солнечных энергетических систем в строительстве.

В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах. Эти здания используют тихий, надежный и безопасный источник энергии — Солнце. Солнечная энергия используется для освещения, отопления помещений, охлаждения воздуха, вентиляции, производства электроэнергии.

Представляем несколько инновационных архитектурных проектов с использованием солнечных систем.

Фасад этого здания сконструирован из стекла, железа, алюминия с встроенными аккумуляторами солнечной энергии. Производимой энергии достаточно, чтобы не только обеспечить жителей дома автономным горячим водоснабжением и электричеством, но и освещать улицу 2,5 км в течении года.

Этот дом спроектировала группа американских студентов. Проект был представлен на конкурс «Проектирование, строительство домов и эксплуатация солнечных батарей». Условия конкурса: представить архитектурный проект жилого дома при его экономической эффективности, энергосбережении и привлекательности. Авторы проекта доказали, что их проект доступен, привлекателен для потребителя, сочетает превосходный дизайн и максимальную эффективность. (перевод с сайта www.solardecathlon.gov)

Использование систем солнечной энергии в мире.

Системы использования солнечной энергии совершенны и экологически безопасны. Во всем мире на них огромный спрос. Во всем мире люди начинают отказываются от использования традиционных видов топлива из-за роста цен на газ и нефть. Так, в Германии в 2004г. 47% домов имели солнечные коллекторы для нагрева воды.

Во многих странах мира разработаны государственные программы развития использования солнечной энергии . В Германии это программа «100 000 солнечных крыш», в США аналогичная программа «Миллион солнечных крыш». В 1996г. архитекторы Германии, Австрии, Великобритании, Греции и др. стран разработали Европейскую хартию о солнечной энергии в строительстве и архитектуре. В Азии лидирует Китай, где на основе современных технологий внедряются системы солнечных коллекторов в строительство зданий и использование солнечной энергии в промышленности.

Факт, который говорит о многом: одним из условий вступления в Евросоюз является рост доли альтернативных источников в энергосистеме страны. В 2000г. в мире работало 60 млн кв км солнечных коллекторов, к 2010г из площадь возросла до 300 млн кв км.

Эксперты отмечают, рынок систем солнечной энергии на территории России, Украины и Белоруссии только формируется. Солнечные системы никогда не производились в больших масштабах, потому что сырьевые ресурсы были настолько дешевы, что дорогостоящее оборудование гелиосистем было не востребовано… Выпуск коллекторов, в России, например, почти полностью прекращен.

В связи с подорожанием традиционных энергоносителей, наметилось оживление интереса с применению солнечных систем. В ряде регионов этих стран, испытывающих дефицит энергоресурсов, принимаются локальные программы по использованию гелиосистем, но широкому потребительскому рынку солнечные системы практически не знакомы.

Главная причина медленного развития рынка продажи и использования солнечных систем является, во-первых, их высокая начальная стоимость, во-вторых, недостаток информации о возможностях солнечных систем, передовых технологиях их использования, о разработчиках и изготовителях гелиосистем. Все это не может дать возможности правильно оценить эффективность применения систем, работающих на солнечной энергии .

Надо иметь в виду, что солнечный коллектор — не конечная продукция. Для получения конечной продукции — тепла, электроэнергии, горячей воды — надо пройти путь от проектирования, монтажа до пуска гелиосистем. Небольшой имеющийся опыт использования солнечных коллекторов показывает, что эта работа не сложнее монтажа традиционного отопления, но экономическая эффективность значительно выше.

В Белоруссии, России, на Украине есть множество фирм, занимающиеся проектировкой и монтажом оборудования отопления, но приоритет имеют сегодня традиционные энергоносители. Развитие экономических процессов, мировой опыт использования систем солнечной энергии показывает, что будущее за альтернативными источниками энергии. На ближайшее будущее можно отметить, что гелиосистемы являются новой, практически не занятой позицией нашего рынка.

Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.

Необходимость в солнечной энергии

Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.

Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.

«Работа» Солнца

Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.

Основной источник энергии

Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:

1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.

2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.

3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.

Принцип преобразования инфракрасных волн

Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.

Цель, которую преследует солнечная энергетика, - получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого - Солнце.

Работа комплекса

Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.

География излучений небесного Светила

Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца - долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.

То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:

Странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
- жителям Аравийского полуострова;
- восточному побережью Африки;
- северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
- западному побережью Южной Америки.

Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.

Электростанции

Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.

Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.

По мнению некоторых исследователей, уже в ближайшем будущем человечество может отказаться от существующих ныне традиционных путей получения электроэнергии. Потребности людей полностью удовлетворит небесное светило.

Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них - частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.

Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:

Башенные;
- установки с фотоэлементами;
- тарельчатые;
- параболические;
- солнечно-вакуумные;
- смешанные.

Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.

При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.

Если вы увидите целый ряд огромных по своему размеру спутниковых антенн, на внутренней стороне которых установлены зеркальные пластины, то знайте, что это параболические электростанции, работающие на излучении Солнца. Принцип их действия схож с такими же системами башенного типа. Они ловят пучок света и нагревают приемник с жидкостью. Далее вырабатывается пар, который и идет на производство электроэнергии.

Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.

Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.

Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:

Экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;
- доступность основных составляющих - фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;
- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;
- постоянно снижающаяся себестоимость.

Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:

Влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;
- необходимость в аккумулировании энергии;
- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;
- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;
- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;
- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.

Перспективы развития

Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.

Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых - многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.

Ученые произвели интересный расчет. Если на суше планеты Земля установить фотоэлементы, которые бы расположились на семи сотых ее территории, то они, даже имея КПД 10%, обеспечили бы все человечество необходимым ему теплом и светом. И это не столь уж далекая перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются на сегодняшний день, имеют КПД, равный 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.

Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.