Разработки с энергией солнца

Новые технологии в солнечной энергии

Главный источник энергии для всего живого на Земле – Солнце. Именно на этом в последнее время делают акцент разработчики инноваций в сфере энергетики. Применение солнечной энергии находит новые сферы с каждым днём, поэтому актуальность таких разработок постоянно повышается.

Энергетика, медицина, автомобилестроение, обустройство жилых и офисных помещений, осветительная техника – все области, в которых задействованы разработки, связанные с потреблением солнечной энергии, сложно перечислить. Свои новинки компании-разработчики представляют на разнообразных конференциях, эксповыставках и научных семинарах.

Кровельная плитка на фотоэлементах

Разработан новый многофункциональный кровельный материал, который обладает всеми необходимыми качествами для герметичной кровли крыш и сочетает в себе встроенные фотоэлементы.

Подобная черепица оснащена капсулами из прозрачного прочного стекла, в которых размещаются ультратонкие солнечные батареи, с точностью повторяющие форму наружной поверхности черепицы. Коэффициент эффективности такой кровельной плитки очень высокий – до 17,5%, что является впечатляющим значением с области данного типа батарей.

В зависимости от площади крыши такая кровля может решить все энергетические проблемы частного дома. Строительные компании уже заинтересовались этой новинкой, поэтому в скором будущем можно ожидать быстрого распространения фотоэлектрической плитки в строительстве многих объектов.

Двухсторонние батареи

Настоящий фурор произвела совместная идея германских и сингапурских учёных, представивших двухсторонний солнечный модуль. Новшество касается того, что на той же площади батарей почти с теми же затратами можно вырабатывать на 30% больше электроэнергии, чем это было возможно ранее.

Принцип основан на том, что фотоэлементы должны располагаться как на поверхности, обращённой к солнцу, так и на теневой стороне, которая в это же время поглощает солнечный свет. Кроме того, такие установки имеют длительный срок эксплуатации за счёт надёжности каждого из элементов. По самым скромным прогнозам использовать такие двухсторонние модули можно будет не менее 30 лет.

Мощность модулей значительно превосходит те, которые до сих пор имелись на энергосберегающем рынке, а это позволит монтировать их даже в регионах с малым количеством солнечных дней и с сильными морозами, где использование солнечной энергии в прежние годы не было целесообразно.

На данный момент ведутся переговоры с промышленными предприятиями, на которых начнётся массовый выпуск двухсторонних модулей. Выход товара на строительный рынок ожидается уже через 1,5-2 года.

Батареи на основе перовскита

Для преобразования фотоэлектрической энергии используются тонкоплёночные технологии на основе кремнийсодержащих составов. Напыление таких составов производится в условиях вакуума, что делает их изготовление дорогостоящим и ведёт к выделению загрязняющих веществ.

Группа английских учёных предложила новое решение, которое удешевляет этот процесс. В фотоэлементах вместо кремния содержится сложный минерал – перовскит. При помощи этого вещества можно эффективно преобразовывать энергию солнца в электричество не только под прямыми лучами, но и в условиях пасмурной или дождливой погоды.

С повсеместным внедрением перовскита можно ожидать стабильного использования фотоэлементов на протяжении круглого года в любых климатических условиях.

Гибкие элементы

Ещё одна инновационная технология в преобразовании солнечной энергии коснулась стоимости получения электричества с помощью особого химического соединения, используемого в фотоэлементах. При массовом выпуске разница в цене составит 5-6 раз.

Основная разница заключается в том, что классические кремниевые элементы для преобразования солнечной энергии очень жёсткие, хрупкие и довольно тяжёлые. Изготовленные с использованием нового сплава батареи настолько тонкие, что по толщине сопоставимы с газетной бумагой, которую можно свернуть в рулон или придать ей любую сложно изогнутую форму.

Такое новшество резко расширяет возможность применения гибких элементов. Во-первых, новый состав очень недорогой, а во-вторых, элементы для таких батарей можно изготавливать на простых принтерах, что исключает сложные производства.

Инновации в автотранспорте

Самым удачным опытом применения солнечной энергии во время авиаперелётов стал лайнер Solar Impuls-2. Используя исключительно энергию света, он смог провести в полёте более 510 часов, что стало абсолютным рекордом в этой области. Самолёт облетел вокруг света, пересёк несколько океанов и совершил за это время всего пару посадок из-за плохих погодных условий. 120 часов он безостановочно пребывал в воздухе, что считается невозможным для авиасредств на жидком топливе.

Элемент, расположенный на верхней панели самолёта, использует систему «сэндвич», совмещающую 8 слоёв. По каскадам этих прослоек свет проходит путь преобразования в электроток. Раньше слои соединялись последовательно, меняя полярность. В данном проекте применили параллельное соединение, что сразу подняло КПД системы почти в 1,5 раза.

Защитное покрытие

Одной из основных проблем солнечной энергетики с первых шагов являлся фактор пылевого и грязевого загрязнения. При использовании под открытым небом модули быстро покрывались небольшим слоем пыли, который становился толще с каждым днём. Это снижало эффективность системы в разы.

В этом году презентована разработка панелей, оснащённых защитным покрытием. Фотоэлементы на верхней поверхности имеют добавочный двойной слой, половина которого защищает от пыли и грязи, а вторая часть снижает бликовую активность, что позволяет участвовать в процессе большему количеству самых ярких и эффективных лучей.

Бытовые приборы

Новинки солнечной энергетики не обошли стороной и бытовую технику. Презентовано несколько интересных новинок, самая впечатляющая из которых представляет собой гриль GoSun. С его помощью легко можно тушить, варить, жарить и готовить на пару блюда на 8 персон с использованием чистой природной энергии.

В таких приборах тепло аккумулируется внутри вакуумной трубки благодаря наличию алюминиевых листов-концентраторов, которые разогревают внутреннюю часть печки-гриль до 200°С за 2 минуты.

Ещё одним позитивным моментом является то, что при приготовлении таким способом не вырабатывается вредный дым, который загрязняет атмосферу и способствует развитию парникового эффекта.

Авто на солнечных батареях

Ещё одной новинкой в технологиях солнечной энергии стала разработка семейного авто Stella, которое может перевозить небольшое семейство из 4 человек. Попытки создать подобную машину были и раньше, но только сейчас технологии позволили сделать её конкурентоспособной на авторынке.

Устранены главные недостатки: медленная скорость и небольшой запас энергии. Теперь авто может ехать со скоростью 110 км/час, чего более чем достаточно для семейного транспорта. После наступления темноты накопленной световой энергии хватит ещё на 600 км пути – это действительно впечатляющая цифра.

Если ко всем достоинствам присоединить то, что Stella работает практически бесшумно и совершенно не производит вредных выхлопных газов, то становится понятно, что развитие такого типа автотранспорта является очень перспективным направлением для энергетики.

Оконное отопление

Очередное открытие позволило превратить поверхность окон в эффективную батарею. На стекло наносят специальный состав, который активно поглощает лучи солнца. Свет аккумулируется и преобразовывается в электроэнергию.

Нанесение состава не делает стекло непрозрачным, поскольку плёнка очень тонкая и совершенно бесцветная. Кроме того, разработка позволяет потреблять не только прямые лучи, но и рассеянный свет при пасмурной погоде. Такие фотоэлементы не портят внешний вид здания и не требуют добавочного места для монтажа.

Таким образом, становится понятно, что технологии солнечной энергетики проникли во все сферы жизни и промышленности, делая её удобнее и заменяя невозобновляемые ресурсы, которые постоянно увеличиваются в стоимости.

Источник

Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

В мире всё меньше традиционных источников энергии. Запасы нефти, газа, угля истощаются и всё идёт к тому, что рано или поздно они закончатся. Если к этому времени не найти альтернативных источников энергии, то человечество ждёт катастрофа. Поэтому во всех развитых странах ведутся исследования по открытию и разработке новых источников энергии. В первую очередь – это солнечная энергия. С древних времён эта энергию использовалась людьми для освещения жилища, сушки продуктов, одежды и т. п. Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца в электрическую или тепловую. Отрасль постепенно растёт и развивается, но, как и везде, есть свои проблемы. Обо всём этом речь пойдёт в настоящем материале.

Солнце как альтернативный источник энергии

Энергия солнца является одним из самых доступных возобновляемых источников на Земле. Использование солнечной энергии в народном хозяйстве положительно сказывается на состоянии окружающей среды, поскольку для её получения не требуется бурить скважины или разрабатывать шахты. К тому же, этот вид энергии свободный и не стоит ничего. Естественно, что требуются затраты на покупку и монтаж оборудования.

Проблема в том, что солнце – это прерывистый источник энергии. Так, что требуется накопление энергии и использование её в связке с другими энергетическими источниками. Основная проблема на сегодняшний день заключается в том, что современное оборудование имеет низкую эффективность преобразования энергии солнца в электрическую и тепловую. Поэтому все разработки направлены на то, чтобы увеличить КПД таких систем и снизить их стоимость.

Вот он – возобновляемый источник энергии

Солнце отправляет к поверхности нашей планеты радиацию. Из широкого спектра излучения поверхности Земли достигают 3 типа волн:

• Световые. В спектре излучения их примерно 49 процентов;
• Инфракрасные. Их доля также 49 процентов. Благодаря этим волнам наша планета нагревается;
• Ультрафиолетовые. В спектре солнечного излучения их примерно 2 процента. Они невидимы для нашего глаза.

Экскурс в историю

Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.

Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.

Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».

Инсолятор О. Мушо

В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.

Для получения большей мощности солнечных систем низкий КПД компенсируется увеличенной площадью фотоэлементов. Но это не выход, поскольку кремниевые полупроводники в фотоэлементах довольно дорогие. При увеличении КПД возрастает стоимость материалов. Это является главным препятствием для массового использования солнечных батарей. Но по мере истощения ресурсов их использование будет всё более выгодным. Кроме того, исследования по увеличению КПД фотоэлементов не прекращаются.

Фотоэлемент для солнечной батареи

Преобразование солнечной энергии

Прежде всего, стоит сказать о том, в чём можно выразить и оценить солнечную энергию.

Как можно оценить величину солнечной энергии?

Специалисты используют для оценки такую величину, как солнечная постоянная. Она равна 1367 ватт. Именно столько энергии солнца приходится на квадратный метр планеты. В атмосфере теряется примерно четверть. Максимальное значение на экваторе – 1020 ватт на квадратный метр. С учётом дня и ночи, изменения угла падения лучей, эту величину следует уменьшить ещё в три раза.

Распределение солнечного излучения на карте планеты

Способы преобразования

Поскольку наука на сегодняшний день не имеет устройств, работающих на энергии солнца в чистом виде, её требуется преобразовать в другой тип. Для этого были созданы такие устройства, как солнечные батареи и коллектор. Батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. А коллектор вырабатывает тепловую энергию. Есть также модели, совмещающие эти два вида. Они называются гибридными.

Гибридная солнечная панель

• фотоэлектрический;
• гелиотермальный;
• термовоздушный;
• солнечные аэростатные электростанции.

Кроме фотоэлементов, для получения электрической энергии применяются тонкопленочные или гибкие солнечные панели. Их преимуществом является малая толщина, а недостатком – сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.

Гибкая солнечная панель

Гелиотремальная энергетика основана на нагреве поверхности энергоносителя в специальном коллекторе. Например, это может быть нагрев воды для системы отопления дома. В качестве теплоносителя может использоваться не только вода, но и воздух. Он может нагреваться в коллекторе и подаваться в систему вентиляции дома.

Все эти системы стоят достаточно дорого, но их освоение и совершенствование постепенно продолжается.
Вернуться к содержанию

Преимущества и недостатки солнечной энергии

Преимущества

• Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
• Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике. Все традиционные источники в той или иной мере наносят вред ОС;
• Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное (служит до 30 лет). После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;
• Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;
• Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;
• Хорошо адаптированы для использования в частных домах;
• Эстетика. Можно установить на крыше или фасаде здания не в ущерб внешнему виду;
• Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения.

Недостатки

• Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
• Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
• Первоначальные вложения высокие. Особенно это ощутимо для обычных людей при покупке оборудования для частного дома;
• Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
• Для размещения требуется большая площадь;
• Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку.

Сферы применения солнечной энергии

Направлений использования довольно много. Ниже рассматриваются самые востребованные и распространённые.

Энергоснабжение частного дома

Совсем недавно такие системы были чем-то из фантастических фильмов. Но сейчас у многие можно встретить комплекты солнечных модулей на крыше или фасаде дома. КПД таких систем пока не превышает 10─15 процентов. Напряжение 12 или 24 вольта. Но для частного дома или дачи этого вполне достаточно.

Здесь стоит сказать, что современные панели вырабатывают электричество даже в сумерках и пасмурную погоду. Заряда аккумуляторных батарей хватает на тёмное время суток. Кроме того, солнечные панели подключаются как вспомогательные, и при необходимости их подменяет основная энергетическая система.
Вернуться к содержанию

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

Здесь энергия солнца преобразуется в тепловую. Наверное, у многих на дачном участке есть душ с металлическим баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мытья нагретой водой. Это простейший вариант такого коллектора.

Но современные системы работают значительно эффективнее. В них есть поглощающий элемент, который передаёт тепловую энергию теплоносителю. Есть варианты с водой и воздухом в качестве теплоносителя.

Компактные системы с коллектором могут обеспечить бесплатный нагрев воды в доме для семьи на 3─5 человек. Речь идёт об осенне-зимнем периоде. Зимой эффективность подобных систем значительно снижается. Параллельно с установкой таких систем проводятся работы по улучшению изоляции. Если зимы в вашем регионе не суровые, то коллектор вполне может использоваться и зимой.
Вернуться к содержанию

Портативные источники энергии

Этот вид устройств предназначен для получения электрической энергии при отсутствии электрических сетей. Такие переносные аккумуляторы с возможностью зарядки от солнечной панели популярны среди туристов, дачников и т. п. Об этих устройствах можно прочитать в статьях:

Концентраторы

Этот вид устройств можно назвать экзотикой. Их можно встретить у туристов в составе походных кухонь. Они концентрируют свет параболическим зеркалом на ёмкости с теплоносителем.
Вернуться к содержанию

Транспорт

Это пока также экзотическая сфера применения. Но уже сейчас проводятся гоночные соревнования в Австралии на солнечных карах. Однако в последнее время конструкторам удалось нарастить скорость таких транспортных средств до 80 км/час. И также проводятся испытания самолёта на солнечных батареях с облётом планеты.
Вернуться к содержанию

Развитие солнечной энергетики в разных странах и её перспективы

Альтернативные виды энергетики, к которым относится солнечная, быстрее всего развивается в технологически развитых странах. Это США, Испания, Саудовская Аравия, Израиль и другие страны, где большое количество солнечных дней в году. Солнечная энергетика также развивается в России и странах СНГ. Правда, темпы у нас значительно медленнее из-за климатических условий и меньших доходов населения.

На территории бывшего СССР климат для солнечных установок больше всего подходит климат на Украине и республиках Средней Азии. Однако здесь пока больше разговоров о развитии, чем реальных дел. То есть, раскрыть потенциал использования солнечной энергии здесь пока не удалось. Если говорить о доле солнечной энергии на рынке России и стран СНГ, то она не превышает 1 процента. В планах значится строительство нескольких солнечных электростанций. Поэтому ситуация ещё может исправиться.

В России наблюдается постепенное развитие и уклон делается на развитие солнечной энергетики в регионах Дальнего Востока. Солнечные электростанции строятся в удалённых населённых пунктах Якутии. Это позволяет экономить на завозимом топливе. Строятся электростанции и в южной части страны. Например, в Липецкой области.

Все эти данные позволяют сделать вывод о том, что многие страны мира пытаются максимально внедрить у себя использование солнечной энергии. Это актуально потому, что энергопотребление постоянно растёт, а ресурсы ограничены. К тому же, традиционная сфера энергетики сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому альтернативная энергетика – это будущее. И энергия солнца является одним из ключевых её направлений.
Вернуться к содержанию

Источник