Технические преобразования энергии солнца

Способы преобразования солнечной энергии и их КПД

Излучение Солнца все время несет к Земле энергию. Это, по существу, электромагнитная энергия. Спектр электромагнитного излучения Солнца лежит в широком диапазоне: от радиоволн до рентгеновских лучей. Максимум его интенсивности приходится на видимый свет, а именно — на желто-зеленую часть спектра. В целом можно сказать, что энергия солнечного излучения управляет жизнью на Земле, климатом и погодой на нашей планете — вся живая природа на Земле обязана своим существованием Солнцу.

Дело в том, что от Солнца — к верхним слоям земной атмосферы непрерывно поступает в форме излучения мощность порядка 174 петаватт (пета — 10 в 15 степени). При этом 16% поступающей энергии поглощается верхними слоями атмосферы, а 6% — отражается от нее. В зависимости от погодных условий, в средних слоях атмосферы также происходит отражение до 20%, а поглощается около 3% приходящей от Солнца энергии.

Таким образом, наша атмосфера рассеивает и фильтрует значительную часть спектра, пропуская, однако, к поверхности земли немалую его долю в форме инфракрасного и немного ультрафиолетового. В результате мы можем наблюдать круговорот воды в природе, фотосинтез растений, и имеем среднюю температуру земной поверхности около 14°C.

Технология, позволяющая человечеству использовать данную энергию практически и осознанно, называется солнечной энергетикой. И такое положение не лишено здравых оснований, ведь по оценкам ученых потенциал энергии Солнца, которая может быть принята на поверхности земли и преобразована в полезную для человека форму, составляет на сегодняшний день в максимуме почти 49,9 эксаджоуль в год (экса — 10 в 18 степени), что в 10000 превосходит нынешние потребности человечества.

Даже в Германии, где климат не особо солнечный, энергия, которую можно было бы в идеале получить от Солнца, в 100 крат превзошла бы потребности всей страны. А в Австрии на 1 квадратный метр поверхности земли приходится до 1480 кВт ⋅ ч в год. И лишь 50% этой энергии принимается в стране солнечными концентраторами, осуществляющими нагрев теплоносителя в своем фокусе.

Далее давайте рассмотрим наиболее приемлемые на сегодняшний день способы преобразования солнечной энергии, и оценим их коэффициент полезного действия (КПД).

Солнечный коллектор

Солнечные коллекторы, хотя и относятся к низкотемпературным установкам, тем не менее они позволяют добывать примерно 1250 кВт ⋅ ч на квадратный метр энергии в год. Энергия получается здесь в форме тепла, пригодного для промышленного отопления и обеспечения горячего водоснабжения.

Практически установка преобразует энергию, даваемую видимым светом и ближним инфракрасным излучением, — в тепло, поскольку разогревается здесь теплоноситель — вода. При отсутствии забора тепла (застое) коллекторы такого плана способны нагреть воду до 200°C.

Установка имеет покрытие из специального абсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение, и передающего тепло теплопроводящей системе. Селективное покрытие обычно представляет собой черный никель или напыление оксида титана. Среднестатистический КПД таких установок 50%.

Параболоцилиндрическое зеркало

Установки на базе параболоцилиндрических зеркал относятся к среднетемпературным установкам. Они позволяют получать 375 кВт ⋅ ч на квадратный метр электрической и тепловой энергии в год. В фокусе такой установки располагается трубка (внутри которой теплоноситель — масло) или фотоэлектрический преобразователь. Масло в трубке разогревается здесь до 350°C и даже больше.

Одно параболоцилиндрическое зеркало, из которых набирается крупная электростанция, имеет протяженность до 50 метров. Термальная эффективность параболических концентраторов доходит до 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350°C. Средний КПД подобных установок доходит до 20%.

Гелиостатные системы

Гелиостатные системы относятся к высокотемпературным установкам. На них получают 500 кВт ⋅ ч на квадратный метр электрической энергии в год, кроме того гелиостатные установки дают возможность получать и тепловую энергию. Здесь нагревается теплоноситель на основе натрия и газ (двухконтурная система с термической солью). Множество зеркал отражают солнечное излучение, направляя его на емкость с теплоносителем, расположенную на вершине башни. КПД таких систем достигает 20%.

Солнечная батарея

Солнечные батареи относятся к электроэнергетическим установкам, и позволяют получать при помощи фотоэлектрических преобразователей 250 кВт ⋅ ч электроэнергии в год. Их эффективности бывает достаточно чтобы обеспечить электричеством небольшое домашнее хозяйство в солнечном регионе, также небольшие солнечные панели в состоянии снабжать электроэнергией дорожные знаки, осветительные приборы, оросительные системы и т. д.

На сегодняшний день эффективность солнечных батарей оставляет желать лучшего, их средний КПД относительно невысок, около 10%, но технология все время совершенствуется.

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