Солнечная энергетика

     Типичный  солнечный коллектор накапливает  солнечную энергию в установленных  на крыше здания модулях трубок и  металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального  поглощения радиации. Они заключены  в стеклянный или пластмассовый  корпус и наклонены к югу, чтобы  улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую  тепло под стеклянной панелью. Поскольку  солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь  большую площадь.

Рисунок 5. Емкостной солнечный коллектор.

     Солнечные системы горячего водоснабжения  для жилых домов технически совершенны и встречаются повсеместно. Значительный спрос на плоские коллекторы отмечается в Израиле, Китае, на Кипре, в Японии, Австралии, Австрии, Германии, Греции, Турции и США. В Европе спросом пользуются в основном индивидуальные системы нагрева воды для отопления жилых помещений и бассейнов. Общее производство солнечных коллекторов в мире в 1995 году составляло 1,3 млн м2, около 40% рынка приходится на долю Европы и стран Средиземноморского региона. Общая площадь установленных солнечных коллекторов превысила 30 млн м2, а с 1980 года отмечается быстрый рост их продаж. С 1989 года они постоянно увеличиваются приблизительно на 20% в год. Наибольшая в Европе площадь установленных солнечных коллекторов на душу населения в 2002 году отмечалась на Кипре и составляла 0,5 м2, второе и третье места занимали соответственно Греция и Австрия. Площадь коллекторов на душу населения в Австрии в 2002 г. увеличилась до 0,2 м2, а общая площадь составила 1,5 млн м2. Австрия лидирует по количеству продаж солнечных коллекторов на душу населения. На втором месте Греция, но обе страны уступают мировым лидерам - Израилю и Кипру.

     Фотоэлектрические системы.

     Устройства  для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски  Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, обычно кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей.

Рисунок 6. Принцип работы фотоэлемента.

     Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали  себя с самого начала промышленного  применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной  орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают  автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной  аппаратуры. В 1990-х предприятия энергоснабжения  начали применять фотоэлементы для  обеспечения мелких потребностей пользователей. Однако КПД фотоэлектрических установок невысок: в настоящее время он составляет около 10%, хотя отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

       Рисунок 7. Использование солнечных элементов в жилых домах.

При совместной работе фотоэлектрические системы  и другие генераторы электроэнергии могут удовлетворять более разнообразный  спрос на электричество с большим  удобством и при меньших затратах, чем по отдельности. Когда электричество  нужно непрерывно или возникают  периоды, когда его нужно больше, чем может выработать одни только фотомодули, их может эффективно дополнить генератор. В дневные часы фотоэлектрические модули удовлетворяют дневную потребность в энергии и заряжают аккумулятор. Когда аккумулятор разряжается, двигатель-генератор включается и работает до тех пор, пока батареи не подзарядятся. Сейчас получают распространение и фотоэлектрические системы, подключаемые к сети - в условиях централизованного энергоснабжения, подключенная к сети фотоэлектрическая система может обеспечивать часть необходимой нагрузки, другая часть при этом поступает из сети.

      Современное состояние рынка фотоэлементов характеризуется достаточно стабильным ростом, порядка 20% в год, однако объемы производства фотоэлементов остаются довольно низкими. 

     Плюсы и минусы фотоэлементов.

      Плюсы:

- Высокая надежность. Фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

- Низкие  текущие расходы. Фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.

- Экологичность. Поскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Эта их особенность чрезвычайно полезна там, где единственной альтернативой для получения света и электропитания являются дизель-генераторы и керосиновые лампы.

      Минусы:

- Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции

- Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды.

 - Дороговизна солнечных фотоэлементов. 

- Малый КПД солнечных элементов.

- Поверхность  солнечных элементов нужно очищать  от пыли, что может вызывать  затруднения при больших площадях.

- Эффективность фотоэлементов сильно падает при нагревании, поэтому возникает необходимость в их охлаждении (что, опять же, затруднительно при больших площадях). 

Рисунок 8. Фонарь, оборудованный фотомодулем и ветряным электрогенератором. Цихуаньдао, Китай. 

     Солнечные электростанции.

     Построить мощные источники энергии, использующие солнечную радиацию, достаточно сложно. Однако солнечные электростанции существуют. 

      На  острове Сицилия недалеко от известного своим неспокойным характером вулкана  Этна еще в начале 80-х годов  дала ток солнечная электростанции мощностью 1 МВт. Принцип ее работы –  башенный. Зеркала фокусируют солнечные  лучи на приемнике, расположенном на высоте 50 м. Та м вырабатывается пар  с температурой более 500º С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Такой тип станция называют башенными. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.

      Несколько иного типа электростанция  в  Альмерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот (как в атомных реакторах на быстрых нейтронах), а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает на только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках подобного типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

     Также существуют солнечные электростанции, основанные на других принципах.

       Рисунок 9. Солнечная электростанция башенного типа в Севилье, Испания, 2007 г.

      Заключение.

     Солнце  обеспечивает нас в 10 000 раз большим  количеством бесплатной энергии, чем  фактически используется во всем мире. Если бы только 1% территории страны был использован для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то США были бы полностью обеспечены энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально - во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным. Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т.д. Конечно, сейчас развитие солнечной энергетики сдерживают высокие цены на фотоэлементы. Но это поправимо, и ученые и инженеры борются с этой проблемой. Гораздо большей проблемой мне видится отсутствие мотивации к использованию этого вида выработки энергии – ведь в России это никак не стимулируется. И т.к. установка солнечных батарей достаточно затратна, без вмешательства государства здесь не обойтись. 

           Список  используемой литературы.

1. «Энергетика: проблемы и надежды», Л.С. Юдасин, М., «Просвещение», 1990
2. www.biotechnolog.ru
3. www.takealtenergy.ru
4. Успехи физических наук, т.161 №8, 1991 -Е.А. Андрюши.П.Пилин - физические проблемы солнечной энергетики
5. Energy-bio.ru
6. Ru.wikipedia.org