Солнечная энергетика

Содержание

Введение 3

Земные условия 4

История развития солнечной энергетики 4

Способы получения  электричества и тепла из солнечного излучения: 5

Направления научных исследований 6

Типы фотоэлектрических  элементов 8

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.) 9

Солнечная термальная энергетика 9

Заинтересованность  общества 10

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение: 11

Использование солнечной энергии в Республике Беларусь 13

Перспективы солнечной энергетики 13

Заключение 14

Список использованной литературы 15

 

 

 

Введение

Солнечная энергетика —  направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании  солнечного излучения для получения  энергии в каком-либо виде. Солнечная  энергетика использует неисчерпаемый  источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных  отходов. Производство энергии с  помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

     В настоящее  время солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

 

 

 

Земные  условия

Карта солнечного излучения

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную  перпендикулярно потоку излучения  на расстоянии одной астрономической  единицы от центра Солнца (на входе  в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной  массы Земли, максимальный поток  солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует  учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через  единичную горизонтальную площадку 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[1].

Возможная выработка энергии  уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

История развития солнечной энергетики

 В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект.

 Спустя 44 года Чарльзу  Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество[2].

 Именно 1883 год принято  считать годом рождения эры  солнечной энергетики. Однако так  думают не все. В научном  свете бытует мнение, что «отцом»  эпохи солнечной энергии является  не кто иной, как сам Альберт  Эйнштейн.

 В 1921 году Эйнштейн  был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду  великий ученый XX века получил  за обоснование сформулированной  им теории относительности, но  это не так. Оказывается, премию  физик получил именно за объяснение  законов внешнего фотоэффекта. 

 В течение ста лет  развитие отрасли переживало  то резкие, стимулированные учеными,  инвестициями частных и государственных  структур подъемы, то горькие  падения, заставившие общество  забыть о «солнечных технологиях»  на годы.

Способы получения электричества и тепла  из солнечного излучения:

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
• Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:

- паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной    пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

          -  двигатель Стирлинга и т. д.

• 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).
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.
• 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 в ненастную погоду[3].

Достоинства использования  солнечной энергетики:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно)[5].

Недостатки использования солнечной энергетики:

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
• Высокая стоимость конструкции.
• Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией[5].

Направления научных исследований

1. Фундаментальные исследования

Из-за теоретических ограничений  в преобразовании спектра в полезную энергию (около 30 %) для фотоэлементов  первого и второго поколения  требуется использование больших  площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, — гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли), но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 — 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. 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[6].

Поток солнечной энергии, падающий на установленный под оптимальным  углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться  в два раза для заселённой части  суши (до трёх с учётом пустыни Сахара). Атмосферные явления (облака, туман, пыль и др.) не только изменяют спектр и интенсивность падающего на поверхность Земли солнечного излучения, но и изменяют соотношение между  прямым и рассеянным излучениями, что  оказывает значительное влияние  на некоторые типы солнечных электростанций, например, с концентраторами или  на элементах широкого спектра преобразования[9].

2. Прикладные исследования

Фотоэлектрические преобразователи  работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме  того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это не достаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая на сегодняшний день пока недостаточно экономически эффективна. В настоящее время эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций[5].

На сегодняшний день сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в  среднем на 4 % в год[8].

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.

Эффективность фотоэлектрических  элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает  необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в  фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений  используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение  наиболее согласованное с поглощающим  материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД[7].

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических  элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который  недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии  по их утилизации.

3. Экологические проблемы

При производстве фотоэлементов  уровень загрязнений не превышает  допустимого уровня для предприятий  микроэлектронной промышленности. Современные  фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в  соединениях, при производстве некоторых  типов фотоэлементов, с целью  повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно  развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых  содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию. Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов[10].

Солнечные концентраторы  вызывают большие по площади затенения  земель, что приводит к сильным  изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое  действие в районе расположения станции  вызывает нагрев воздуха при прохождении  через него солнечного излучения, сконцентрированного  зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в  некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими  отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут  привести к значительному загрязнению  питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Типы  фотоэлектрических элементов

• Монокристаллические кремниевые
• Поликристаллические кремниевые
• Тонкоплёночные

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов  выросла до 16,8 %.

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

Минимальные цены на фотоэлементы (2007 г.)

• Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.
• Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
• Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.