Статьи по солнце как источник энергии

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ КАК ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Бубенчиков А.А. 1 , Нурахмет Е.Е. 2 , Молодых В.О. 1 , Руденок А.И. 2

1 ORCID: 0000-0002-2923-1123, Кандидат технических наук, доцент; 2 ORCID: 0000-0003-4709-4799 Магистрант; 3 ORCID: 0000-0002-3382-3623, Магистрант; 4 ORCID: 0000-0001-6239-5237, Магистрант, Омский государственный технический университет

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ КАК ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Аннотация

Статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме использования солнечной энергии как основной источник питания потребителя. Автор даёт обобщенную характеристику способам преобразования солнечной энергии в другие виды энергии. А также рассмотрены государственные планы развития солнечной энергетики в различных странах мира и были рассмотрены благоприятные условия установки солнечных панелей в мире. В статье раскрываются проблемы неконкурентоспособности солнечной энергетики относительно данного времени и как с этим можно бороться.

Ключевые слова: солнечная энергетика, альтернативный источник, экономия.

Bubenchikov A.A. 1 , Nurakhmet Y.Y. 2 , Molodikh V.O. 3 , Rudenok A.I. 4

1 ORCID: 0000-0002-2923-1123, PhD in Engineering, assosiate professor; 2 ORCID: 0000-0003-4709-4799, undergraduate student; 3 ORCID: 0000-0002-3382-3623, undergraduate student; 4 ORCID: 0000-0001-6239-5237, undergraduate student, Omsk State Technical University

SOLAR POWER AS SOURCES OF ELECTRICAL ENERGY

Abstract

The article is devoted to the issue date, the use of solar energy as the main source of consumer power. The author gives a generalized description of methods of converting solar energy into other forms of energy. And also consider the state of the solar energy development plans in various countries around the world and were considered favorable conditions of installation of solar panels in the world. In the article the problem of lack of competitiveness of solar energy relative to a given time and how this can be combated.

Keywords: solar power, alternative sources, savings.

С каждым годом жители всё больше полагаются на технику, не могут даже и дня представить без них. При этом развитие технологий не стоит на месте, становятся компактными и очень требовательными к качеству электрической энергии. Следовательно, потребление электроэнергии стало больше, и будет расти каждый раз. А из-за нестабильности экономики в стране, цены, на потребляемую энергию, растут. Например, на сегодняшний день в России был произведён скачок в стоимости электроэнергии, потребляемой населением. Кроме ежегодного «календарного» повышения её цены на 10 – 15 % добавлена плата за электропотребление общедомовых приборов (Интернет-провайдеров, домофонов и кабельных сетей, юридических лиц). Если так дальше продолжится, то в скором времени жильцы будут оплачивать потери энергии в квартальных трансформаторах, в линиях электропередачи и т.д. И это касается населённых пунктов и сельских промышленностей, расположенных отдалённо от больших городов. [2]

Основным из возможных решений данной проблемы является альтернативные источники энергии. А именно солнечная энергия. У каждой страны существует ряд научных советов которые отвечают за использование солнечной энергии такие как Научный совет РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии, Комитет по проблемам использования возобновляемых источников энергии Российского Союза научных и инженерных общественных организаций, American Council On Renewable Energy: ACORE, The European Renewable Energy Council (EREC) и т.д.[5]

Каждый из этих научных советов для своего государства устанавливает план, в котором говорится об увеличении доли солнечной энергетики в общей энергетической системе. Так для России Министерство энергетики РФ назначала план, к 2020 году поднять долю солнечной энергетики в общей энергетической системе РФ до 0,9%( на данный момент она составляет 0,001%). Для реализации поставленного плана нужны благотворительные условия, дабы потраченные экономические затраты окупились за короткий промежуток времени. Если посмотреть на рисунок 1 и 2, то можно сказать, что не в каждой стране будут эффективны солнечные установки.[4]

Рис. 1 – Распределение суммарной солнечной радиации в России

Рис. 2 – Распределение суммарной солнечной радиации в мире.

В настоящее время различают 2 наиболее популярный способа преобразования солнечной энергии: фотовольтаика и гелиотермальная энергетика. Фотовольтаическая система уникальный вид получения электричества, посредством попадания дневного света на панели. Принцип выработки электричества основан на Фотовольтаическом эффекте. То есть, при пробивание светом поверхность вещества, электроды начинают перемещаться между анодом и катодом внутри панели. Как правило, панели состоят из нескольких слоёв полупроводниковых материалов. Чем больше концентрация света, тем больше выработка электричества. [1] Данный вид выработки электричества применяется в автономной системе энергоснабжения на основании солнечных батарей.

Рис. 3 – Схема работы автономной системы энергоснабжения

На рисунке 3 изображено состав и принцип работы этой системы. Инвертор –это прибор для преобразования постоянного напряжения аккумуляторных батарей в переменное напряжение 220В. Основным недостатком инвертора является ограниченное время автономной работы, которое определяется емкостью аккумуляторных батарей и потребляемой мощностью. Контроллер- это прибор, который не позволяет аккумуляторам перезарядится или разрядиться раньше времени. Блоки аккумулирования служат для накопления вырабатываемого электричества. Основная проблема всех аккумуляторов, это малый объём ёмкости и не приспособленность к большим нагрузкам. Одна из главных причин не конкурентоспособности, это цена. Например, для установки в России автономной системы частному потребителю придётся заплатить в районе 180 тыс.руб.. А рентабельность и окупаемость полностью зависит от солнечных дней в году на месте установки. Эту систему применяют для бесперебойного питания автономных систем таких как освещение, охранная сигнализация и т.д. А так же в роли основного источника энергии (если потребитель находится очень далеко от подстанции) или совместно с приходящими линиями электропередачи. [3]

Гелиотермальная энергетика – это системы позволяющая трансформация солнечной излучения в электрическую или тепловую энергию с помощью трёх технологий:

Первая технология одна из самых распространённый вариант снабжения теплом это использование солнечных коллекторов. Их располагают в неподвижном состоянии так, чтобы нагрев был максимально эффективный. Самым эффективным теплоносителем является воздух, вода или антифриз. Производится нагрев вещества на 45-50 о С выше температуры окружающей среды. Всё это происходит в коллекторе. Также можно использовать для кондиционирования воздуха, термообработки продуктов сельского хозяйства и опреснение морской воды. Такие солнечно обогревательные системы очень популярны в Японии и США [6]. Однако в таких странах как Кипр и Израиль таких систем намного больше из расчёта населения. Примерно 1 млн. коллекторов обеспечивают 70% населения страны используют такой способ получения энергии. К такому прогрессу пытаются прийти Индия и Китай. Если посмотреть на рисунок 2 можно сказать что Африка идеальный претендент для использования такой системы, но из-за экономического положения их используют в основном для запуска насосных установок.[1]

Вторая технология превращает солнечную энергию в электрическую с помощью солнечных батарей на основе кремния. Ей нашли применение в космической индустрии, а именно в кораблестроении. Первое массовое применение было в Калифорнии. В настоящее время третья часть фотоэлектрических элементов рынка принадлежать Японии. В развитых странах её уже активно используют, при том факторе, что технология дорогая.

Третья технология основана на трансформации солнечной радиации в электрическую, используя зеркала , для концентрации лучей в одной точке. Такой способ используется в Солнечных электростанциях.[6]

Факты для перехода на солнечную энергию.

1. Неограниченный запас топлива.
2. Бесшумное, безвредное выработка электроэнергии.
3. Автономные системы энергоснабжения безопасны и высоконадежны.
4. Материалы возможно без труда переработать и использовать повторно.
5. Несложное обслуживание оборудования.
6. Использование электричества отдалённо в сельских районах.
7. Модули могут быть частью дизайна здания.
8. Стремительное уменьшение времени энергетической окупаемости модулей.
9. Увеличивает надёжность энергоснабжения страны.

На основе поведённого исследования можно сделать вывод. Чтобы Солнечная энергия была конкурентоспособной нужны наработки для увеличения ёмкости аккумуляторов и увеличения мощности и больше исследований в плане концентрации солнечных лучей на солнечные панели, дабы увеличить их эффективность и уменьшить срок окупаемости. Стремительное развитие солнечной энергетики, с использование инновационных мировых технологий, является главным конкурентом и в 2050 г. будет преимущественным на рынке энергетически экологичных технологий, что обеспечит к концу века все потребности населения электрической энергией.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках научного проекта № МК-5098.2016.8»

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