Солнечная энергия, как альтернативный источник энергии

ТЕХНОЛОГИИ СОЛНЕЧНОЙ  ЭНЕРГЕТИКИ

Более чем за полвека ученые перепробовали огромное количество различных вариантов и способов добычи и использования солнечной  энергии. Дорогие и малоэффективные  технологии уступали место привлекательным  и дешевым разработкам, которые  не прекращают совершенствоваться на протяжении многих лет.

Классификация «солнечных»  технологий, разделенных учеными  на 4 группы:

1)Активные – вместе с преобразователями задействуются механизмы, электромоторы, помпы. Солнечная энергия используется для нагрева воды, освещения, вентиляции.

2)Пассивные – отличаются от активных отсутствием в контурах систем каких-либо механизмов, движущих частей. Особенностью построения пассивных солнечных структур для организации систем вентиляции, отопления является подбор соответствующих по физическим параметрам строительных материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон.

3)Непосредственные или «прямым» - системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа.

4)«Непрямые» технологии - системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии.

Исходя из выше представленной классификации групп технологий солнечной энергетики, можно охарактеризовать сферы деятельности человека, где  энергия солнца получила наибольшее распространение. [1]

Способы получения электричества  и тепла из солнечного излучения:

1) Получение электроэнергии  с помощью фотоэлементов.

2) Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей  солнечные лучи и последующее  распределение и использование  тепла (фокусирование солнечного  излучения на сосуде с водой  для последующего использования  нагретой воды в отоплении  или в паровых электрогенераторах).

3) Термовоздушные электростанции - преобразуют солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

4) Солнечные аэростатные электростанции - генерируют водяной пар 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 в ненастную погоду.[7]

Технические аспекты производства солнечных  коллекторов

 

Люди нагревали воду при  помощи Солнца с давних времен, до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий. Покрашенная в черный цвет поверхность сильно нагревается  на солнце, тогда как светлые поверхности  нагреваются меньше, белые же меньше всех остальных. Это свойство используется в солнечных коллекторах - наиболее известных приспособлениях, непосредственно  использующих энергию Солнца. Коллекторы были разработаны около двухсот  лет назад. Самый известный из них - плоский коллектор - был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени  Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.

Технология изготовления солнечных коллекторов достигла практически современного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли из американской "Carnegie Steel Company" изобрел коллектор  с теплоизолированным корпусом и  медными трубками. Этот коллектор  весьма походил на современную термосифонную  систему (см. ниже). К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, а бизнесмен  из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000 коллекторов. Введенное в США во время второй мировой войны нормирование меди привело к резкому падению  рынка солнечных обогревателей.

До всемирного нефтяного  кризиса 1973 года эти устройства пребывали  в забвении. Однако кризис пробудил новый интерес к альтернативным источникам энергии. В результате возрос спрос и на солнечную энергию. Многие страны живо интересуются развитием  этой области. Эффективность систем солнечного отопления с 1970-х постоянно  возрастает благодаря использованию  для покрытия коллекторов закаленного  стекла с пониженным содержанием  железа (оно пропускает больше солнечной  энергии, чем обычное стекло), улучшенной теплоизоляции и прочному селективному покрытию

Сырье, из которого делают солнечные  батареи это кремний (основной ресурс для производства большинства типов солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры.

В большинстве случаев  это вещество встречается в виде окиси - SiO_2, а вот добыть чистый кремний из этого соединения сложно, даже проблематично.

Здесь имеют место стоимостные  факторы, особенности технологий. Интересно  отметить, что себестоимость чистого  «солнечного» кремния равна себестоимости  урана для АЭС, вот только запасов  кремния на нашей планете в 100 тысяч раз больше.

По причине дороговизны  кремния, отражающейся на розничной  цене солнечных элементов, исследовательские  центры на протяжении многих лет работают над поиском достойной альтернативы. К примеру, можно использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света  генерировать электрический ток.

Типы фотоэлектрических  элементов:

1) Монокристаллические кремниевые;

2) Поликристаллические кремниевые;

3) Тонкоплёночные.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка.

В 2006 году - 7 % долю рынка.

В 2007 году - 8 %.

За период с 1999 по 2006 годы поставки тонкоплёночных фотоэлементов  росли ежегодно в среднем на 80 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007г.)

1) Монокристаллические кремниевые  — 4,30 $/Вт установленной мощности.

2) Поликристаллические кремниевые  — 4,31 $/Вт установленной мощности.

3) Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических  фотоэлементов на 40—50 % состоит из стоимости кремния. Тенденция роста цен на ископаемое топливо стимулирует и в некоторой степени оправдывает высокие затраты частных и государственных инвесторов на развитие и внедрение «солнечных» технологий. [8]

Не секрет, что в определенной мере заинтересованность общества в  этом альтернативном источнике энергии  является следствием обеспокоенности  людей промышленными и транспортными  выбросами парниковых газов –  одной из причин глобальных изменений  климата. К счастью, регулирующие структуры  с каждым годом ужесточают требования по выбросам в атмосферу газов  к государствам и отдельным компаниям.

 

 

 

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Если в 1985г. все установленные  мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем в 2005г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на 16 % больше, чем в 2005г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).

К 2005г. суммарные установленные  мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 году в строительство новых  заводов по производству фотоэлементов  составили 1 млрд. $.

Ввод в строй новых  мощностей в 2005г.: Германия - 57 %; Япония - 20 %; США - 7 %; остальной мир - 16 %. Доля стран в суммарных установленных  мощностях (на 2004г.): Германия - 39 %; Япония - 30 %; США - 9 %; остальной мир - 22 %.

Производство фотоэлементов  в мире выросло с 1656 МВт в 2005г. до 1982,4 МВт. в 2006г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве - 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000г. эта цифра доходила до 26 %.

К 2010г. установленная мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2—3,9 ГВт, а выручка производителей составит 18,6—23,1 млрд $ /год. Когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20—30 %.[7]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры использования солнечной энергии

 

Использование солнечной  энергии не ограничивается прямым нагреванием  воды или обогревом территории. Учёные уже придумали несколько способов преобразования световой энергии Солнца в электрическую.Если мы хотим полностью  заменить уголь, нефть и газ альтернативными  видами топлива, такими, как солнечная  энергия, нам просто необходимо найти  способ преобразования энергии солнца в электричество с наименьшими  потерями.Для солнечной энергетики у учёных существует специальное  понятие — гелиоэнергетика (от греческого Helios — солнце). То, что мы все привыкли называть солнечными батареями, — это  набор соединённых между собой  элементов, которые могут преобразовывать  солнечную радиацию в электричество. Они называются фотоэлектрическими генераторами и состоят из полупроводниковых  элементов.

У солнечных батарей есть явное преимущество перед другими  генераторами — "сырьё", которое они используют, никогда не закончится. Способ этот хорош, во-первых, своей мобильностью, во-вторых, - долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже, как это ни парадоксально, в фонарик. В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части, и срок его службы составляет примерно 30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого ушел всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС или из 1 кг обогащенного урана на АЭС.

Рис 4.1. солнечные генераторы на крыше  домов

Вблизи голландского городка  Херхюговарда создан экспериментальный  район "Город солнца". Крыши  домов здесь покрыты солнечными панелями. Дом на снимке вырабатывает до 25 кВт. Общую мощность "Города солнца" планируется довести до 5 МВт.

Рис 4.2 Солнечный автомобиль

Солнце можно использовать и как источник энергии для  транспортных средств. В Австралии  уже 19 лет проводятся ежегодные гонки  на солнечных электромобилях на трассе между городами Дарвин и Аделаида (3000 км). В 1990 году компания Sanyo построила самолет на солнечных батареях. [8]

Рис 4.3.Большинство калькуляторов уже давно использует солнце в качестве источника питания.	Рис 4.4."Солнечное" зарядное устройство для мобильного телефона.

Например, в Швейцарии  в данный момент построено более 2600 гелиоустановок на фотопреобразователях мощностью от одного до тысячи киловатт. Там этот процесс происходит в  рамках программы "За энергонезависимую  Швейцарию" и позволяет значительно  снизить расходы на импорт электричества. Кроме традиционных кремниевых фотоэлементов учёные разработали несколько новых технологий. Например, специалисты института физической электроники при университете в городе Штутгарт (Германия) придумали синтетические волокна, которые под воздействием света могут генерировать электрический ток. Его силы достаточно для питания многих маломощных устройств. Технология довольно перспективная.

Например, рубашка, сшитая из такого материала, может питать карманный  компьютер, сотовый телефон или  какой либо другой прибор, нужный человеку. Эту ткань вполне можно стирать, и она не потеряет своей работоспособности. А если из неё сделать парус  на яхте, то использование солнечного света будет гораздо эффективнее: от этого генератора можно будет  питать электричеством всю бортовую электронику.

Ещё одна интересная разработка учёных-химиков из Университета Беркли в Калифорнии. Они нашли способ производства дешёвых солнечных  батарей с использованием полимерных плёнок, которые отличаются он своих "кремниевых собратьев" особой гибкостью, так что их можно наносить на любые материалы. Представьте себе мобильный телефон, который своей поверхностью будет вырабатывать электричество для зарядки своего же аккумулятора. Или же автомобиль, поверхность которого вполне может вырабатывать электричество, чтобы уменьшить нагрузку на аккумулятор.

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение:

1)Системы естественного освещения - один из методов применения пассивных технологий солнечной энергетики для обустройства офисов и жилых помещений. Суть этого метода заключается в использовании солнечного света в качестве альтернативы электрическим лампам и светильникам. Необходимость построения систем естественного освещения нужно продумывать на начальных стадиях планировки здания, так как здесь очень важную роль играет структура крыши дома, расположение окон. Помимо эстетического и психологического удовлетворения, системы естественного освещения могут помочь владельцам сэкономить на электричестве и выделиться среди когорты ценителей необычных архитектурных решений. Главным недостатком этого метода пассивных технологий солнечной энергетики является сложность разработки и реализации.

2)«Кухонная» солнечная энергия: В далеком 1767 году Орас Бенедикт де Соссюр для нужд альпинистской деятельности сконструировал печь для приготовления пищи силой солнечных лучей.

3)Солнечные нагревательные установки: В данном случае солнечная энергия используется для нагрева воды в резервуарах, в основном для хозяйственных нужд. Интересно отметить, но первые такие установки начали продаваться в США еще в конце XIX века. Солнечные коллекторы пользовались широкой популярностью среди населения разных стран вплоть до 1920 года, пока не были вытеснены дешевыми и практичными горючими жидкостями (в то время бензину, как промежуточному продукту переработки нефти, еще не успели найти применение).

Сегодня мировым лидером  по использованию таких установок  является Китай, где солнечные нагреватели  занимают 80% сегмента этого специфического рынка. Отмечу, что с технической  точки зрения эффективность коллекторов  находится на довольно высоком уровне (87%). Солнечные нагревательные преобразователи  служат отличными заменителями газовых  колонок в быту, обеспечивая потребителей горячей водой для бассейнов  и душевых.