Использование солнечной энергии, солнечная энергетика — история развития, плюсы и минусы

Мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, солнце. Солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.

Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.

Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.

Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелом. Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.

В 1888 году в Америке было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения». Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.

Развитию наземной солнечной энергетики предшествовала большая работа ученых (в том числе ленинградско-петербургской научной школы – физтеховцев Бориса Коломийца и Юрия Маслаковца) в области солнечных батарей космического назначения. Они создали в Ленинградском физикотехническом институте серноталлиевые фотоэлементы, КПД которых равнялся 1% — настоящий рекорд для того времени.

Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».

Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.

По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации. Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.

Принцип действия солнечных электростанций:

Но, конечно, для старта солнечной энергетики – даже без учета экономической составляющей – требовалась существенно большая эффективность. И ее удалось в какой-то степени добиться. КПД современных кремниевых полупроводниковых генераторов равен уже 15-24% (смотрите — Эффективность солнечных элементов и модулей), благодаря чему (а также падению их в цене) сегодня наблюдается устойчивый спрос.

Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.

Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км 2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.

В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.

Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.

Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.

Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.

Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.

Фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт за год производит порядка 2 млн. кВт . ч. Тем самым предотвращается эмиссия углекислого газа по сравнению с топливной электростанцией в следующих объемах: на газе около 11 тыс. тонн, на нефтепродуктах 1,1-1,5 тыс. тонн, на угле 1,7-2,3 тыс. тонн.

К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.

К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.

Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.

Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.

Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.

Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.

Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:

отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;

конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;

масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.

Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.

В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.

Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.

Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.

И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

История использования солнечной энергии

Многие процессы жизнедеятельности на земном шаре обеспечиваются ресурсами солнечной энергии. Свет и тепло звезды позволяют осуществляться круговороту воды в природе, расти зелени, а также способствуют выработке топлива за счет накопления углерода. Солнце с древних времен и по сей день играет важную роль в существовании любого живого организма.

Экскурс в историю

О пользе тепла и света предки помнили всегда: в жарких странах праотцы сушили шкуры, готовили пищу на раскаленных камнях, в холодные же времена Солнце согревало и позволяло выжить. После неизбежных процессов эволюционирования в VII веке до нашей эры появились часы, определяющие время по Солнцу. Впервые такой механизм был разработан в Вавилоне, затем опыт переняли предки Рима и Греции. III век до новой эры открыл возможность зажигания огня. Доподлинно известно, что Архимеду при помощи данного метода удалось спалить дотла флот врага, осаждавший город.

В промышленность использование солнечной энергии ввел в Италии Леонардо да Винчи, спроектировав параболическое зеркало, отражающее свет под углами, необходимыми для обогрева котельных фабрик. После во Франции Жорж Луи Леклерк де Бюффон усовершенствовал технологию да Винчи. Теперь появилась возможность использования отраженных лучей в качестве воспламенителя. Бюффону удалось воспламенить таким образом сухое дерево на расстоянии 68 километров от зеркала. В 18 веке было совершено открытие, позволяющее использовать линзы для концентрации тепла. Затем в 19 веке Александр Эдмон Беккерель выявил фотоэффект, Чарльз Фриттс создал первую батарею, а в начале 20 века Альберт Эйнштейн был награжден Нобелевской премией за доработку идеи Беккереля. Недостатком являлся только очень низкий КПД — всего 1%. Середина столетия стала началом эры использования спутников с солнечными блоками, излучавшими энергию для потребления космическими кораблями. Теперь КПД составлял около 20%. В основном, такие мощные устройства в промышленных масштабах разрабатывались в США, Израиле, Саудовской Аравии и некоторых других странах.

Новое время

Сегодня направление солнечной энергетики развивается достаточно быстро. Во многих государствах происходит активная поддержка данной отрасли, создаются специальные программы. Например, владельцы домов в Европе имеют возможность отдать энергию, накопленную солнечными блоками за день, в муниципальную сеть, взамен получив льготы на оплату коммунальных услуг. Компании Германии активно выкупают избыток энергии с целью поддержки инновационных технологий, позволяющих более рационально использовать ресурсы. В ФРГ существует специальная программа государственного масштаба, компенсирующая высокий процент от затрат при переходе на солнечные батареи. Позднее такой опыт переняли США, Япония и Монголия. В Испании согласно законодательству строительство ведется только с применением технологий внедрения батарей на крышах. Европейская Ассоциация Фотовольтаики прогнозирует удовлетворение в среднем 12% мировых потребностей в электроэнергии к 2030 году, используя солнечные батареи в качестве более дорогих аналогов ИБП для котлов.

Российская Федерация

Сегодня страна пока не имеет государственных программ, значительно способствующих развитию данной промышленной ресурсодобывающей отрасли, что можно объяснить большим количеством запаса углерода и дорогой стоимостью солнечной энергии. Несмотря на это, перспектива передового развития данной отрасли есть, к примеру, в некоторой части юга России. Несмотря на привычное тепло и возможность использования солнечной энергии в Краснодарском крае или Астраханской области, ученые Российской Академии Наук установили, что наиболее подходящими регионами для подобных экспериментов являются Приморье и Сибирь. Там ежегодное количество солнечного излучения превышает значение южных территорий. Первая электростанция в России появилась в 2010 году в Белгородской области в качестве экспериментального проекта, но пока сведения о прогрессе государства не упомянуты ни в одном из аналитических докладов Организации Объединенных Наций, обозревающих состояние мировой фотовольтаики.

Преобразование энергии

В науке используется термин солнечной постоянной, равной 1367 ватт и приходящейся на 1 квадратный метр земного шара. Доля света рассеивается в атмосфере, а часть минимизируется в зависимости от угла падения луча и времени суток. Таким образом, максимальное значение солнечной энергии на экваторе будет составлять около 300-350 ватт. Ученые сошлись во мнении, что преобразование происходит путем превращения атомов водорода в ядро гелия, сопровождая данный процесс выделением существенного количества тепловой энергии. Сегодня пока не существует устройства, которое бы работало исключительно на солнечном свете, поэтому для преобразования были созданы батареи и коллекторы. Первые устройства преобразуют ресурс, излучаемый звездой, а вторые вырабатывают тепло.

Среди современных способов получения энергии выделяют следующие:

• Фотоэлектрический. Самый распространенный метод, позволяющий использовать кремний. Комплекс панелей образует батарею и располагается под солнечными лучами. При применении данного способа необходимо следить, чтобы на модули не попадали тени от деревьев или близлежащих сооружений.
• Гелиотермальный. Метод основан на нагревании поверхности энергоносителя в коллекторе. Подобным образом можно бесперебойно подавать водоснабжение или тепло в дом.
• Термовоздушный. Способ основан на захвате и устремлении потока в аэростатный отсек, в котором конденсируется водяной пар. Подобная электростанция имеет преимущество перед другим оборудованием за счет работоспособности в любое время суток.

Преимущества солнечной энергии

• отсутствие платы за ресурс;
• не обладает побочными эффектами: преобразование света и тепла в электричество происходит бесшумно, безотходно, не влияя на благоустройство экологии;
• долговечность — солнечные батареи способны работать около 30 лет;
• возможность вторичного применения — благодаря современным технологиям блоки могут быть переработаны;
• легкость использования — оборудование снабжено автономным режимом и не требует постоянного контроля;
• функциональность — солнечные блоки адаптированы для домашнего применения.

Недостатки

• различный уровень эффективности в светлое и темное время суток;
• зависимость от сезона;
• необходимость аккумулирования преобразованной энергии;
• высокая стоимость, не позволяющая внедрение данной технологии в каждый дом.

Сферы применения

Вариантов использования солнечного света достаточно много. Самым серьезным считается энергоснабжение домов. С начала текущего века наука шагнула вперед достаточно далеко, и сегодня есть возможность установки солнечных батарей не только в качестве основных источников получения электроэнергии, но и в виде дополнительных, включающихся в работу по необходимости.

При использовании панелей все чаще происходит обогрев помещений или воды. Простейший коллектор наверняка имеется на участке у каждого дачника — летний душ с железным баком на крыше. В данном случае при использовании солнечной энергии принцип обогревания аналогичен. Теплоноситель попадает в бойлер, где происходит увеличение температуры жидкости без расхода электричества. Подобное оборудование позволяет достигать тех же результатов, что и ИБП для газовых котлов, но стоит значительно дороже. В холодное время года такой коллектор способен обеспечить теплый воздух и горячую воду для семьи из 3-5 человек. Стоит отметить, что при установлении панелей для обогрева дома проводятся работы, способствующие улучшению теплоизоляции.

Солнечная энергия становится все популярней в качестве заряда портативных батарей или аккумуляторов. Подобный альтернативный источник устройств обеспечивает работу многих гаджетов — ноутбуков, смартфонов, планшетных компьютеров. Некоторые производители усовершенствуют устройства, добавляя противоударные и водонепроницаемые функции. Принцип работы таких аппаратов прост: солнечный свет попадает на панель и преобразуется в электрический заряд, обеспечивая питание. Среди особенностей использования выделяют необходимость определения оптимального угла падения солнечных лучей.

Источник