Без енергії неможливе життя на планеті. Фізичний закон збереження енергії говорить про те, енергія не може виникнути з нічого і не зникає безслідно. Вона може бути отримана з природних ресурсів, таких як вугілля, природний газ або уран, і перетворена в зручні для нас форми, наприклад, в тепло або світло. У навколишньому світі можемо знаходити різні форми накопичення енергії, але найважливішим для людини є енергія, яку дають сонячні лучі- сонячна енергія.

Сонячна енергія відноситься до відновлюваних джерел енергії, тобто відновлюється без участі людини, природним шляхом. Це один з екологічно безпечних енергетичних джерел, який не забруднює навколишнє середовище. можливості застосування сонячної енергії практично необмежені і вчені всього світу працюють над розробкою систем, які розширюють можливості використання сонячної енергії.

Один квадратний метр Сонця випромінює 62 900 кВт енергії. Це приблизно відповідає потужності роботи 1 мільйона електричних ламп. Вражає така цифра - Сонце дає Землі щосекунди 80 тисяч мільярдів кВт, тобто в кілька разів більше, ніж всі електростанції світу. Перед сучасною наукою стоїть завдання - навчитися найбільш повно і ефективно використовувати енергію Сонця, як найбільш безпечну. Вчені вважають, що повсюдне використання сонячної енергії - це майбутнє людства.

Світові запаси відкритих родовищ вугілля і газу, при таких темпах їх використання, як сьогодні, повинні виснажитися в найближчі 100 років. Підраховано, що в ще не розвіданих родовищах запасів горючих копалин вистачило б на 2-3 століття. Але при цьому наші нащадки були б позбавлені цих енергоносіїв, а продукти їх згоряння завдали б колосального збитку навколишньому середовищу.

Величезний потенціал має атомна енергія. Однак, Чорнобильська аварія в квітні 1986 року показала, які серйозні наслідки може спричинити використання ядерної енергії. Громадськість усього світу визнала, що використання атомної енергії в мирних цілях економічно виправдано, але слід дотримуватися суворі заходи безпеки при її використанні.

Отже, найбільш чистий, безпечний джерело енергії - Сонце!

Сонячна енергія може бути перетворена в корисну енергію за допомогою використання активних і пасивних сонячних енергетичних систем.

Пасивні системи використання сонячної енергії.

Найпримітивніший спосіб пасивного використання сонячної енергії - це забарвлена \u200b\u200bв темний колір ємність для води. Темний колір, акумулюючи сонячну енергію, Перетворює її в теплову - вода нагрівається.

Однак, є більш прогресивні методи пасивного використання сонячної енергії. Розроблено будівельні технології, які при проектуванні будинків, врахування кліматичних умов, підбору будівельних матеріалів максимально використовують сонячну енергію для обігріву або охолодження, освітлення будівель. При такому проектуванні сама конструкція будівлі є колектором, акумулюючої сонячну енергію.

Так, в 100г н.е Пліній Молодший побудував будинок на півночі Італії. В одній з кімнат вікна зроблені з слюди. Виявилося, що ця кімната тепліше інших і на її обігрів потрібно менше дров. В цьому випадку слюда була як ізолятор, що затримує тепло.

Сучасні будівельні конструкції враховують географічне положення будівель. Так, велика кількість вікон, що виходять на південну сторону, передбачають в північних регіонах, щоб надходило більше сонячного світла і тепла, і обмежують кількість вікон зі східною і західною боку, щоб обмежити надходження сонячного світла влітку. У таких будівлях орієнтація вікон і розташування, теплове навантаження і теплоізоляція - єдина конструкторська система при проектуванні.

Такі будівлі екологічно чисті, енергетично незалежні і комфортні. У приміщеннях багато природного світла, більш повно відчувається зв'язок з природою, до того ж істотно економиться електроенергія. Тепло в таких будівлях зберігається завдяки підібраним теплоізоляційних матеріалів стін, стель, підлог. Такі перше «сонячні» будівлі придбали величезну популярність в Америці після Другої світової війни. Згодом, через зниження цін на нафту, інтерес до проектування таких будинків трохи згас. Однак, зараз, в зв'язку з глобальною екологічною кризою, спостерігається зростання уваги до екологічних проектів з возобновляющимся енергетичним системам зросла знову.

Активні системи використання сонячної енергії

В основі активних систем використання сонячної енергії застосовуються сонячні колектори. Колектор, поглинаючи сонячну енергію, Перетворює її в тепло, яке через теплоносій обігріває будівлі, нагріває воду, може перетворити його в електричну енергію і т.д. Сонячні колектори можуть застосовуватися у всіх процесах в промисловості, сільському господарстві, побутових потребах, де використовується тепло.

види колекторів

повітряний сонячний колектор

Це найпростіший вид сонячних колекторів. Його конструкція гранично проста і нагадує ефект звичайної теплиці, яка є на будь-якому дачній ділянці. Проведіть невеликий експеримент. У зимовий сонячний день покладіть на підвіконня будь-який предмет так, щоб на нього падали сонячні промені і через деякий час покладіть на нього долоню. Ви відчуєте, що цей предмет став теплим. А за вікном може бути - 20! Ось на цьому принципі і заснована робота сонячного повітряного колектора.

Основний елемент колектора - теплоізольована пластина, зроблена з будь-якого матеріалу, який добре проводить тепло. Пластина забарвлена \u200b\u200bв темний колір. Сонячні промені проходять через прозору поверхню, нагрівають пластину, а потім потоком повітря передають тепло в приміщення. Повітря проходить завдяки природній конвенції або за допомогою вентилятора, що покращує теплопередачу.

Однак, недолік роботи цієї системи в тому, що потрібні додаткові витрати на роботу вентилятора. Ці колектори працюють протягом світлового дня, тому не можуть замінити основне джерело опалення. Однак, якщо вмонтувати колектор в основне джерело опалення або вентиляції, його ККД незрівнянно зростає. Сонячні повітряні колектори можуть використовуватися і для опріснення морської води, що знижує її собівартість до 40 євроцентів за куб м.

Сонячні колектори можуть бути плоскими і вакуумними.

плоский сонячний колектор

Колектор складається з елемента, що поглинає сонячну енергію, покриття (скло зі зниженим вмістом металу), трубопроводу і термоізолюючого шару. Прозоре покриття захищає корпус від несприятливих кліматичних умов. Усередині корпусу панель поглинача сонячної енергії (абсорбера) з'єднана з теплоносієм, який циркулює по трубах. Трубопровід може бути як у вигляді решітки, так і у вигляді серпантину. Теплоносій рухається по ним від вхідних до вихідних патрубків, поступово нагріваючись. Панель поглинача виготовляється з металу, добре проводить тепло (алюміній, мідь).

Колектор вловлює тепло, перетворюючи його в теплову енергію. Такі колектори можна вмонтувати в дах або розташувати на даху будівлі, а можна розташувати їх окремо. Це додасть дизайну ділянки сучасного вигляду.

Вакуумний сонячний колектор

Вакуумні колектори можуть використовуватися круглий рік. Основним елементом колекторів є вакуумні трубки. Кожна з них складається з двох скляних труб. Труби виготовляють з боросилікатного скла, причому внутрішня покрита спеціальним покриттям, яке забезпечує поглинання тепла з мінімальним віддзеркаленням. З простору між трубками викачане повітря ,. Для підтримки вакууму використовується барієвої газопоглотитель. У справному стані вакуумна трубка має сріблястий колір. Якщо вона виглядає білою, то це означає, що вакуум зник і трубку треба замінити.

Вакуумний колектор складається з комплексу вакуумних трубок (10-30) і здійснює передачу тепла в накопичувальний резервуар через рідину, що не (теплоносій). ККД вакуумних колекторів високий:

- при похмурій погоді, тому що вакуумні трубки можуть поглинати енергію інфрачервоних променів, які проходять через хмари

- можуть працювати при мінусових температурах.

Сонячні батареї.

Сонячна батарея - це набір модулів, що сприймають і перетворюють сонячну енергію, в тому числі і теплових. Але цей термін традиційно закріпився за фітоелектріческімі перетворювачами. Тому, кажучи «сонячна батарея» маємо на увазі фітоелектріческое пристрій, що перетворює сонячну енергію в електричну.

Сонячні батареї здатні генерувати електричну енергію постійно або акумулювати її для подальшого використання. Вперше фотоелектричні батареї були застосовані в на космічних супутниках.

Гідність сонячних батарей - максимальна простота конструкції, простий монтаж, мінімальні вимоги до облуговування, великий термін експлуатації. При установці не вимагають додаткового місця. Єдине умова - не затінювати їх протягом тривалого часу і видаляти пил з робочої поверхні. Сучасні сонячні батареї здатні зберігати працездатність протягом десятиліть! Важко знайти систему настільки безпечну, ефективну і з таким тривалим терміном дії! Вони виробляють енергію протягом усього світлового дня, навіть у похмуру погоду.

Сонячні батареї мають свої недоліки в застосуванні:

- чутливість до забруднень. (Якщо розташувати батарею під кутом 45 градусів, то вона буде очищена дощами або снігом, тим самим не буде потрібно додаткового обслуговування)

- чутливість до високої температури. (Так, при нагріванні до 100 - 125 градусів сонячна батарея може навіть відключитися і може знадобитися система охолодження. Вентиляційна сістстема при цьому витратить малу частку вироблюваної батареєю енергії. В сучасних конструкціях сонячних батарей передбачена система відтоку гарячого повітря.)

- висока ціна. (Беручи до уваги тривалий термін служби сонячних батарей, то вона не тільки окупить витрати на її придбання, але і заощадить кошти при споживанні електроенергії, заощадить тонни традиційних видів палива при тому екологічно безпечна)

Використання сонячних енергетичних систем в будівництві.

У сучасній архітектурі все частіше планують будувати будинки з вбудованими акумуляторними джерелами сонячної енергії. Сонячні батареї встановлюють на дахах будівель або на спеціальних опорах. Ці будівлі використовують тихий, надійний і безпечний джерело енергії - Сонце. Сонячна енергія використовується для освітлення, опалення приміщень, охолодження повітря, вентиляції, виробництва електроенергії.

Подаємо кілька інноваційних архітектурних проектів з використанням сонячних систем.

Фасад цього будинку сконструйований зі скла, заліза, алюмінію з вбудованими акумуляторами сонячної енергії. Виробленої енергії досить, щоб не тільки забезпечити мешканців будинку автономним гарячим водопостачанням і електрикою, а й висвітлювати вулицю 2,5 км протягом року.

Цей будинок спроектувала група американських студентів. Проект був представлений на конкурс «Проектування, будівництво будинків і експлуатація сонячних батарей». Умови конкурсу: уявити архітектурний проект житлового будинку при його економічної ефективності, енергозбереження та привабливості. Автори проекту довели, що їх проект доступний, привабливий для споживача, поєднує чудовий дизайн і максимальну ефективність. (Переклад з сайту www.solardecathlon.gov)

Використання систем сонячної енергії в світі.

системи використання сонячної енергії досконалі і екологічно безпечні. У всьому світі на них величезний попит. У всьому світі люди починають відмовляються від використання традиційних видів палива через зростання цін на газ і нафту. Так, в Німеччині в 2004р. 47% будинків мали сонячні колектори для нагріву води.

У багатьох країнах світу розроблені державні програми розвитку використання сонячної енергії. У Німеччині це програма «100 000 сонячних дахів», в США аналогічна програма «Мільйон сонячних дахів». У 1996р. архітектори Німеччини, Австрії, Великобританії, Греції та ін. країн розробили Європейську хартію про сонячної енергії в будівництві та архітектурі. В Азії лідирує Китай, де на основі сучасних технологій впроваджуються системи сонячних колекторів в будівництво будівель та використання сонячної енергії в промисловості.

Факт, який говорить багато про що: однією з умов вступу до Євросоюзу є зростання частки альтернативних джерел в енергосистемі країни. У 2000 р. в світі працювало 60 млн кв км сонячних колекторів, до 2010р з площа зросла до 300 млн кв км.

Експерти відзначають, ринок систем сонячної енергії на території Росії, України і Білорусії тільки формується. Сонячні системи ніколи не проводилися у великих масштабах, тому що сировинні ресурси були настільки дешеві, що дороге устаткування геліосистем було не затребуване ... Випуск колекторів, в Росії, наприклад, майже повністю припинений.

У зв'язку з подорожчанням традиційних енергоносіїв, намітилося пожвавлення інтересу з застосуванню сонячних систем. У ряді регіонів цих країн, що зазнають дефіцит енергоресурсів, приймаються локальні програми з використання геліосистем, але широкому споживчому ринку сонячні системи практично не знайомі.

Головна причина повільного розвитку ринку продажу і використання сонячних систем є, по-перше, їх висока вартість, по-друге, брак інформації про можливості сонячних систем, передових технологіях їх використання, про розробників і виробниках геліосистем. Все це не може дати можливості правильно оцінити ефективність застосування систем, що працюють на сонячної енергії.

Треба мати на увазі, що сонячний колектор - не кінцева продукція. Для отримання кінцевої продукції - тепла, електроенергії, гарячої води - треба пройти шлях від проектування, монтажу до пуску геліосистем. Невеликий наявний досвід використання сонячних колекторів показує, що ця робота не складніше монтажу традиційного опалення, але економічна ефективність значно вище.

У Білорусії, Росії, на Україні є безліч фірм, що займаються проектуванням та монтажем обладнання опалення, але пріоритет мають сьогодні традиційні енергоносії. Розвиток економічних процесів, світовий досвід використання систем сонячної енергії показує, що майбутнє за альтернативними джерелами енергії. На найближче майбутнє можна відзначити, що геліосистеми є новою, практично не зайнятою позицією нашого ринку.

Енергія сонця - це всього лише потік фотонів. І разом з тим це - один з основних факторів, що забезпечують саме існування життя в нашій біосфері. Тому цілком природно, що сонячне світло активно використовується людиною не тільки в кліматичному аспекті, а й в якості альтернативного джерела енергії.

Де використовується сонячна енергія

Сфера застосування енергії сонця дуже обширна, і з кожним роком вона стає все більше. Так, ще зовсім недавно дачний душ з сонячним нагрівачем сприймався як щось незвичайне, а можливість використання сонячного світла для домашніх електромереж і зовсім здавалася фантастикою. Сьогодні ж нікого не здивуєш не тільки автономної геліостанцію, але і мобільними зарядками на сонячних батареях і навіть дрібної технікою (наприклад, годинами), що працює на фотогальванічні ефекті.

Взагалі ж використання сонячної енергії дуже затребуване в таких областях, як:

Сільське господарство;
Енергопостачання санаторіїв і пансіонатів;
Космічна галузь;
Природоохоронна діяльність та екотуризм;
Електрифікація віддалених і сложнодоступних регіонів;
Вуличне, садове і декоративне освітлення;
Сфера ЖКГ (ГВС, прибудинковий освітлення);
Мобільна техніка (гаджети та зарядні модулі на сонячних батареях).

Раніше енергія сонця використовувалася головним чином в космічній галузі (енергопостачання супутників, станцій і т.д.) і в промисловості, але з часом альтернативну енергетику почали активно розвивати і в побуті. Одними з перших об'єктів, оснащених сонячними установками, стали південні пансіонати та санаторії, особливо розташовані у відокремлених районах.

Сонячні установки і їх переваги

Успішне застосування перших геліомодулей довело, що енергія сонячних променів має масу переваг перед традиційними джерелами. Раніше головними достоїнствами геліоустановок називали лише екологічність і невичерпність (а також безкоштовність) сонячного світла.

Але насправді список достоїнств набагато ширше:

Автономність, так як не потрібно ніяких зовнішніх енергокомунікацій;
Стабільність подачі живлення, в силу специфіки сонячний струм не схильний до стрибків напруги;
Економічність, так як кошти витрачаються тільки один раз, при монтажі установки;
Солідний ресурс експлуатації (понад 20 років);
Всесезонне використання, сонячні установки ефективно працюють навіть в морози і хмарну погоду (з незначним зниженням ККД);
Простота і зручність сервісного обслуговування, так як потрібно тільки зрідка очищати лицьові сторони панелей від забруднень.

Єдиним недоліком можна назвати тільки залежність від сонця і той факт, що такі установки не працюють вночі. Але ця проблема вирішується за рахунок підключення спеціальних акумуляторів, в яких накопичується вироблена за день енергія сонячного світла.

Фотоенергія

Фотоенергія - це один з двох способів використання випромінювання сонця. Це постійний струм, що виробляється під дією сонячних променів. Відбувається таке перетворення в так званих фотоячейках, які, по суті, являють собою двошарову структуру з двох напівпровідників різного типу. Нижній напівпровідник відноситься до p-типу (з недоліком електронів), верхній - до n-типу з надлишком електронів.

Електрони n-провідника поглинають енергію падаючих на них променів сонця і залишають свої орбіти, причому енергетичного імпульсу досить для того, щоб вони перейшли в зону p-провідника. При цьому утворюється спрямований електронний потік, званий фотострумом. Іншими словами, вся структура працює як своєрідні електроди, в яких під впливом сонця генерується електроенергія.

Для виробництва таких фотоячеек застосовують кремній. Пояснюється це тим, що кремній по-перше, широко поширений, а по-друге, його промислова обробка не вимагає великих витрат.

Фотоячейкі з кремнію бувають:

Монокристалічними. Виготовляються з монокристалів і відрізняються рівномірною структурою з трохи більш високим ККД (приблизно 20%), але при цьому дорожче коштують.
Полікристалічний. Мають нерівномірну структуру за рахунок використання полікристалів і кілька більш низький ККД (15-18%), але набагато дешевше моноваріантов.
Тонкоплівковими. Виготовляються методом напилення аморфного кремнію на тонкопленочную підкладку. Відрізняються гнучкою структурою і найнижчою собівартістю виробництва, проте мають вдвічі більше габарити в порівнянні з кристалічними аналогами тієї ж потужності.

Сфери застосування кожного типу осередків досить великі і визначаються їх експлуатаційними особливостями.

сонячні колектори

Геліоколлектори також використовуються як перетворювачі сонячної енергії, але принцип їх дії зовсім інший. Вони перетворять падаюче світло не в електричну, а в теплову енергію за рахунок нагрівання рідкого теплоносія. Застосовують їх або для ГВП, або для опалення будинків. Головний елемент будь-якого колектора - абсорбер, він же - теплопоглотітель. Абсорбер є або плоску пластину, або трубчасту вакуумовану систему, усередині якої циркулює теплоносій (це або проста вода, або антифриз). Причому абсорбер обов'язково фарбується в чорний колір спеціальною фарбою для збільшення коефіцієнтів поглинання.

Саме за типом абсорберов колектори ділять на плоскі і вакуумні. У плоских теплопоглотітель виконують у вигляді металевої пластини, до якої знизу припаяний металевий же змійовик з теплоносієм. У вакуумних абсорбер виготовляється з декількох з'єднаних між собою на кінцях скляних трубок. Трубки роблять подвійними, між стінками створюють вакуум, а всередині поміщають стержень з теплоносієм. Всі стрижні повідомляються між собою за допомогою спеціальних з'єднувачів в місцях стиків труб.

Абсорбери обох типів поміщають в міцний легкий корпус (зазвичай - з алюмінію або ударопрочних пластиків) і надійно теплоизолируют від стінок. Лицьова ж сторона корпусу закривається прозорим ударостійким склом з максимальною проникністю для фотонів. Це забезпечує краще поглинання сонячної енергії.

особливості функціонування

Принцип роботи обох типів колекторів аналогічний. Нагріваючись в колекторі до високих температур, теплоносій проходить по з'єднувальним шлангах в теплообмінний бак, який наповнений водою. Через бак він проходить по змієподібній трубці, віддаючи своє тепло воді. Остиглий теплоносій виходить з бака і подається назад в колектор. По суті, це - своєрідний «сонячний» кип'ятильник », тільки замість нагрівальної спіралі використовується змійовик в баку, а замість електромережі - сонячне світло.

Конструктивні відмінності визначають і різницю в застосуванні вакуумних і плоских колекторів. Використання сонячного випромінювання за допомогою вакуумних моделей можливо цілий рік, в тому числі і взимку, і в міжсезоння. Плоскі ж варіанти краще працюють в літній період. Однак вони дешевше і простіше вакуумних, тому оптимально підходять саме для сезонних цілей.

Сонячна енергія в містах (екодома)

Геліоенергетика активно застосовується не тільки для приватних будинків, але і для міських будівель. Як людина використовує сонячну енергію в мегаполісах, здогадатися не складно. Вона також застосовується для обігріву та ГВП будинків, причому нерідко - цілих кварталів.

В останні роки активно розвиваються і втілюються концепції Екобудинку, повністю працюють на альтернативних джерелах енергії. У них використовуються комбіновані системи, що забезпечують ефективне отримання сонячної, вітрової та теплової енергії землі. Нерідко такі будинки не тільки цілком покривають свої енергетичні потреби, а й передають надлишки в міські мережі. Причому зовсім недавно проекти таких екозданій з'явилися і в Росії.

Геліостанції і їх види

У південних регіонах з високою інсоляцією будують не просто окремі геліоустановки, але цілі станції, що виробляють енергію в промислових масштабах. Кількість сонячної енергії, що виробляється ними, дуже велике і багато країн з відповідним кліматом вже почали поступове переведення всієї енергосистеми на такий альтернативний варіант. За принципом роботу станції ділять на фототермічні і фотоелектричні. Перші працюють за методом колекторів і подають в будинку розігріту воду для побутових потреб, другі ж виробляють безпосередньо електрику.

Існує кілька видів геліостанцій:

Баштові. Дозволяють отримувати сверхнагретий водяна пара, що подається на генератори. У центрі станції базується вежа з водним резервуаром, навколо неї розміщують геліостати (дзеркальні), які фокусують промені на резервуарі. Це досить ефективні станції, головний їх недолік - складність точного позиціонування дзеркал.
Тарілчасті. Складаються з приймача геліоенергіі і відбивача. Відбивач - тарілкоподібні дзеркало, що концентрує випромінювання на приймачі. Такі концентратори сонячної енергії розташовуються на невеликій відстані від приймача, а їх кількість визначається необхідною потужністю установки.
Параболічні. Трубки з теплоносієм (зазвичай - маслом) поміщають в фокусі довгого параболічного дзеркала. Розігріте масло віддає тепло воді, та закипає і обертає генератори.
Аеростатні. По суті, це найефективніші і мобільні геліостанції на Землі. Їх головний елемент - аеростат з фотоелектричним шаром, наповнений водяною парою. Він піднімається високо в атмосферу (зазвичай вище хмар). Розігрітий пар з кулі за гнучким паропроводу подається на турбіну, на виході з неї конденсується і вода насосом піднімається назад в кулю. Потрапивши в кулю, вода випаровується і цикл триває.
На фотобатарея. Це вже звичні всім установки на сонячних батареях, які використовуються для приватних будинків. Вони забезпечують отримання електроенергії і підігрів води в потрібних обсягах.

Сьогодні різного роду геліостанції (в тому числі і комбіновані, що поєднують кілька типів) відіграють все більшу роль в енерговироблення багатьох країн. А деякі держави перебудовують свою енергетику таким чином, щоб через кілька років взагалі практично повністю перейти на альтернативні системи.

Люди вже не уявляють собі життя без електрики, і з кожним роком потреба в енергії все більше зростає, в той час як запаси енергоресурсів таких нафту, газ, вугілля стрімко скорочуються. У людства не залишається інших варіантів, як використання альтернативних джерел енергії. Одним із способів отримання електроенергії є перетворення сонячної енергії за допомогою фотоелементів. Те, що можна використовувати енергію сонця люди дізналися щодо давно, але активно розвивати почали лише в останні 20 років. За останні роки завдяки безперервним дослідженням, використання новітніх матеріалів і креативних конструкторських рішень вдалося значно збільшити продуктивність сонячних батарей. Багато хто вважає, що в майбутньому людство зможе відмовитися від традиційних способів отримання електроенергії на користь сонячної енергії і отримувати її за допомогою сонячних електростанцій.

сонячна енергетика

Сонячна енергетика один з джерел отримання електроенергії не традиційним способом, тому відноситься до альтернативних джерел енергії. Сонячна енергетика використовує сонячне випромінювання і перетворює його в електрику або в інші види енергії. Сонячна енергія є не тільки екологічно чистим джерелом енергії, тому що при перетворенні сонячної енергії не виділяється шкідливих побічних продуктів, але ще енергія сонця самовідновлюється джерело альтернативної енергії.

Як працює сонячна енергетика

Теоретично розрахувати, скільки можна отримати енергії від потоку сонячної енергії нескладно, давно відомо, що пройшовши відстань від Сонця до Землі і падаючи на поверхню площею 1 м² під кутом 90 °, сонячний потік на вході в атмосферу несе в собі енергетичний заряд рівний тисячі триста шістьдесят сім Вт / м², це так звана сонячна постійна. Це ідеальний варіант при ідеальних умовах, яких як ми знаємо домогтися практично не можливо. Таким чином після проходження атмосфери максимальний потік який можна отримати буде на екваторі і становитиме 1020 Вт / м², але середньодобове значення яке ми зможемо отримати буде в 3 рази менше через зміну дня і ночі і зміни кута падіння сонячного потоку. А в помірних широтах до зміни дня і ночі додається ще і зміна пір року, а з ним і зміна тривалості світлового дня, тому в помірних широтах кількість одержуваної енергії скоротиться ще в 2 рази.

Розвиток і поширення сонячної енергетики

Як ми всі знаємо, в останні кілька років розвиток сонячної енергетики з кожним роком все більше набирає темпи, але давайте спробуємо простежити динаміку розвитку. У далекому 1985 році світові потужності, які використовують сонячну енергію, становили всього лише 0,021 ГВт. У 2005 році вони вже становили 1,656 ГВт. 2005 рік вважають переломним у розвитку сонячної енергетики, саме з цього року люди почалося активно цікавитися дослідженнями і розвитком електросистем працюють на сонячній енергії. Далі динаміка не залишає сумнівів (2008р-15,5 ГВт, 2009-22,8 ГВт, 2010-40 ГВт, 2011-70 ГВт, 2012-108 ГВт, 2013-150 ГВт, 2014-203 ГВт). Пальму першості у використанні сонячної енергії тримають країни Євросоюзу і США, у виробничій та експлуатаційної сфері тільки в США і Німеччині зайняті більше 100 тис. Людей в кожній. Також своїми досягненнями в освоєнні сонячної енергії можуть похвалитися Італія, Іспанія і, звичайно ж, Китай, який якщо і не є лідером в експлуатації сонячних елементів то, як виробник фотоелементів з року в рік нарощує темпи виробництва.

Переваги і недоліки використання сонячної енергії

переваги: 1) екологічність-не забруднює навколишнє середовище; 2) доступність-фотоелементи доступні у продажу не тільки для промислового використання, але і для створення приватних міні сонячних електростанцій; 3) невичерпність і саме восстанавливаемость джерела енергії; 4) постійно знижується собівартість виробництва електроенергії.
недоліки: 1) вплив на продуктивність погодних умов і часу доби; 2) для збереження енергії необхідно акумулювати енергію; 3) менша продуктивність в помірних широтах через зміну пір року; 4) значне нагрівання повітря над сонячною електростанцією; 5) потреба періодично очищати поверхню фотоелементів від забруднення, а це проблематично через величезних площ, що відходять під установку фотоелементів; 6) також можна сказати про відносно високу вартість обладнання, хоч з кожним роком собівартість знижується, поки говорити про дешеву сонячної енергії не доводиться.

Перспективи розвитку сонячної енергетики

На сьогоднішній день розвитку сонячної енергетики пророкують велике майбутнє, з кожним роком все більше будуються нові сонячні електростанції, які вражають своїми масштабами і технічними рішеннями. Також не припиняються наукові дослідження, спрямовані на збільшення ККД фотоелементів. Вчені порахували, що якщо покрити сушу планети Земля на 0,07%, з ККД фотоелементів в 10%, то енергії вистачить більш ніж на 100% забезпечення всіх потреб людства. На сьогоднішній день вже використовуються фотоелементи з ККД в 30%. За дослідницькими даними відомо, що амбіції вчених обіцяють довести його до 85%.

сонячні електростанції

Сонячні електростанції це споруди завданням, яких є перетворювати потоки сонячної енергії в електричну енергію. Розміри сонячних електростанцій можуть бути різними, починаючи від приватних міні електростанцій з декількома сонячними панелями і закінчуючи величезними, які займають площі понад 10 км.

Які бувають сонячні електростанції

З часу побудови перших сонячних електростанцій пройшло досить багато часу, за яке було здійснено безліч проектів і застосовано чимало цікавих конструкційних рішень. Прийнято ділити все сонячні електростанції на кілька типів:
1. Сонячні електростанції баштового типу.
2. Сонячні електростанції, де сонячні батарей є фотоелементи.
3. Тарілчасті сонячні електростанції.
4. Параболічні сонячні електростанції.
5. Сонячні електростанції сонячно-вакуумного типу.
6. Сонячні електростанції змішаного типу.

Сонячні електростанції баштового типу

Дуже поширений тип конструкції електростанції. Являє собою високу баштову конструкцію на вершині, якої розташований резервуар, з водою пофарбований в чорний колір для кращого притягнення відбитого сонячного світла. Навколо вежі по колу розташовані великі дзеркала площею понад 2 м², вони все підключені до єдиної системи управління, яка стежить за зміною кута нахилу дзеркал, що б вони завжди відображали сонячне світло і направляли його прямо на резервуар з водою розташований на верхівці вежі. Таким чином, відбите сонячне світло нагріває воду, яка утворює пар, а потім цей пар за допомогою насосів подається на турбогенератор де і відбувається вироблення електроенергії. Температура нагріву бака може досягати 700 ° C. Висота вежі залежить від розмірів і потужності сонячної електростанції і, як правило, починається від 15 м, а висота найбільшою на сьогоднішній день становить 140 м. Такий тип сонячних електростанцій дуже поширений і перевага багатьма країнами за свій високий ККД в 20%.

Сонячні електростанції фотоелементної типу

Використовують для перетворення сонячного потоку в електрику фотоелементи (сонячні батареї). Даний тип електростанцій став дуже популярним завдяки можливості використання сонячних батарей невеликими блоками, що дозволяє застосовувати сонячні батареї для забезпечення електрикою, як приватних будинків, так і великих промислових об'єктів. Тим більше що ККД з кожним роком зростає і на сьогоднішній день вже існують фотоелементи з ККД 30%.

Параболічні сонячні електростанції

Даний тип сонячної електростанції має вигляд величезних супутникових антен, внутрішня сторона яких покрита дзеркальними пластинами. Принцип, за яким відбувається перетворення енергії, схожий з баштовими станціями з невеликою відмінністю, параболічна форма дзеркал обумовлює, що сонячні промені, відбиваючись від всієї поверхні дзеркала, концентруються в центрі, де розташований приймач з рідиною, яка нагрівається, утворюючи пар, який в свою чергу і є рушійною силою для невеликих генераторів.

Тарілчасті сонячні електростанції

Принцип роботи і спосіб отримання електроенергії ідентичний сонячним електростанціям баштового і параболічного типу. Відмінність складає лише конструктивні особливості. На стаціонарної конструкції трохи схожою на гігантське металеве дерево, на якому розвішані круглі плоскі дзеркала, які концентрують сонячну енергію на приймачі.

Сонячні електростанції сонячно-вакуумного типу

Це дуже незвичайний спосіб використання енергії сонця і різниці температур. Конструкція електростанції складається з покритого скляним дахом ділянки землі круглої форми з вежею в центрі. Вежа всередині порожня, в її основі розташовані кілька турбін, які обертаються завдяки виникає через різницю температур потоку повітря. Через скляний дах сонце нагріває землю і повітря всередині приміщення, а з зовнішнім середовищем будівлю повідомляється трубою і так як поза приміщенням температура повітря значно нижче, то створюється повітряна тяга, яка збільшується з ростом різниці температур. Таким чином, вночі турбіни виробляють електроенергії більше ніж днем.

Сонячні електростанції змішаного типу

Це коли на сонячних електростанціях певного типу в якості допоміжних елементів використовують, наприклад сонячні колектори для забезпечення об'єктів гарячою водою і теплом або можливе використання одночасно на електростанції баштового типу ділянок фотоелементів.

Сонячна енергетика розвивається високими темпами, люди, нарешті, то всерйоз задумалися про альтернативні джерела енергії, що б попередити неминуче насувається енергетична криза і екологічну катастрофу. Хоч лідерами в сонячній енергетиці, як і раніше залишаються США і Євросоюз, але всі інші світові держави поступово починають переймати і використовувати досвід і технології виробництва і використання сонячних електростанцій. Можна не сумніватися, що рано чи пізно сонячна енергія стане основним джерелом енергії на Землі.

Сонячна енергія - це світло, тепло і життя на нашій планеті, а ще сонячна енергія - головний альтернативне джерело, який на кілька порядків перевищує весь існуючий енергетичний потенціал Землі, і він в змозі повністю забезпечити всі її енергетичні потреби.

Як Сонце є нескінченним джерелом тепла і світла (умовно), так і енергія сонячного випромінювання підтримує життя на Землі вже не один мільйон років. Можливість забезпечувати всі життєво важливі процеси Сонце має завдяки своїм складом. У процентному співвідношенні воно переважно складається з двох елементів: водню (73%) і гелію (25%). Детальніше про освіту і життєвий цикл Сонця можна прочитати, наприклад, в вікіпедії.

Реакції термоядерного синтезу, які відбуваються на Сонці спалюють водень, перетворюючи його в гелій. Колосальна енергія сонячних променів, що виділяється під час таких процесів, випромінюється в космос. До речі, вчені, намагаються повторити ці реакції на землі (реакція керованого термоядерного синтезу, міжнародний проект ТОКАМАК).

Всі організми, що використовують енергію сонячного світла, забезпечують з її допомогою свої процеси життєдіяльності - сонячне світло необхідний для початкової стадії процесу фотосинтезу. З її участю відбувається синтез таких речовин, як кисень і вуглеводні.

Кількість водню на Сонці поступово зменшується і рано чи пізно прийде час, коли його запас на сонці буде вичерпано. Однак, в силу великої кількості водню цього не станеться, принаймні, в найближчі 5 мільярдів років.

Кожну секунду в ядрі Сонця близько 4 мільйонів тонн речовини перетворюються в променисту енергію, в результаті чого генерується сонячне випромінювання і потік сонячних нейтрино.

Основний приплив енергії Сонця, який доходить до атмосфери Землі знаходиться в спектральному діапазоні 0,1 4 мкм. В діапазоні 0,3 1,5-2 мкм атмосфера Землі майже прозора для сонячного випромінювання. Ультрафіолетові хвилі (довжина хвилі коротше 0,3 мкм) поглинаються шаром озону, який знаходиться на висотах 20-60 км. Рентгенівське та гамма-випромінювання до поверхні Землі майже не доходять.

Концентрація сонячної енергії характеризується величиною 1367 Вт / м 2, що називається сонячної постійної. Саме такий потік проходить через перпендикулярну майданчик розміром в 1 м 2, якщо її помістити на вході в верхній шар атмосфери Землі. При досягненні цим потоком рівня моря, втрати енергії зменшують його до 1000 Вт / м 2 на екваторі. Але зміна дня і ночі знижує його ще в 3 рази. Для помірних широт, з урахуванням зимового періоду він становить половину від кількісного показника максимального потоку на екваторі.

Усереднений за часом і по поверхні Землі, цей потік становить 341 Вт / м 2. У розрахунку на повну поверхню, або 1,74х10 17 Вт в розрахунку на повну поверхню Землі. Таким чином, в добу Земля на поверхні отримає 4,176х10 15 кВтг енергії, велика частина якої, повертається в космос у вигляді випромінювання.

За даними МЕА на 2015 рік, світове виробництво енергії склало 19099 Mtoe (еквівалент мегатонни нафти). У перерахунку на звичні кіловатгодини, ця цифра складе 6,07х10 11 кВтг на добу.

Сонце дає землі енергії в 8 000 разів більше, ніж необхідно всьому людству. Очевидно, що перспективи застосування даного виду енергії дуже широкі. З її участю розвивається вітро-енергетика (вітер виникає через різницю температур), застосовуються фотоелектричні перетворювачі і будуються гідроакумулюючі станції. Має місце широке використання сонячних батарей.

Потенціал застосування сонячної енергії дуже великий.

Переваги і недоліки використання сонячної енергії

Переваги використання сонячної енергії призвели до того, що вже сьогодні ми бачимо її використання в самих різних видах людської діяльності.

Головними перевагами є:

Невичерпність енергії сонця в найближчі 4 мільярди років;
Доступність даного виду енергії - саме з ним безпечно і ефективно сьогодні працюють і фермери, і господарі приватних будинків, і заводи-гіганти;
Безкоштовність і екологічна чистота вироблюваної енергії;
Перспектива розвитку даного джерела енергії, який стає все більш актуальним з огляду на зростання цін на інші види енергії;
Оскільки кількість щорічно вводиться в експлуатацію обладнання та його надійність зростає, зменшується вартість виробленого кіловат години сонячної енергії.

До умовних недоліків сонячної енергії можна віднести:

Основним недоліком сонячної енергії є пряма залежність кількості одержуваного світла і тепла від впливу таких факторів, як погода, пора року або ж доби. Логічним наслідком в такому випадку є необхідність акумулювати енергію, що збільшує вартість системи;
Для виробництва елементів обладнання даного призначення застосовуються рідкісні а, отже, дорогі елементи.

Перспективи розвитку сонячної енергетики

Сьогодні технології, в яких використовується енергія сонячного світла, знаходять все більш широке застосування. Найпоширеніші - це сонячні батареї. Фотоелектричні елементи успішно встановлюються на різні види транспорту - починаючи від електромобілів і закінчуючи літаками. Японці практикують установку їх на поїзди.

Успішно функціонуючи, одна з європейських геліоелектростанцій забезпечує всі потреби Ватикану. Найбільша станція в Каліфорнії, джерелом для якої є сонячна енергія (фото дають уявлення про масштаби), вже зараз забезпечує штат своєї працюватиме цілодобово.

Впровадження таких технологій стикається з опором з боку лідерів вуглеводневої галузі - адже альтернативні джерела в енергетиці можуть незабаром витіснити їх представників з лідируючих позицій.

Якщо говорити про пряме перетворення, то найбільшого поширення набули такі пристрої перетворення сонячної енергії як теплові труби (сонячні колектори) і батареї сонячних фотоелементів.

Економіка сонячної установки

При розгляді можливості установки сонячної електростанції основну увагу приділяють екологічним, а економічним аспектам. Звучать вони в такий спосіб:

Яка вартість сонячної установки?
Який термін її окупності?
Чи достатня кількість електроенергії буде генерувати установка?

Доцільно розглядати невеликі електростанції потужністю до 50 кВт. Установки більшої потужності застосовують переважно на промислових об'єктах.

Чи достатня кількість електроенергії буде генерувати домашня сонячна електростанція?

Для відповіді на третє питання, перед початком проектування сонячної установки визначає профіль енергоспоживання будинку. Його можна записати встановивши на об'єкті лічильник електроенергії з функцією збереження поточних параметрів: напруги мережі, споживаного струму, що тече споживаної потужності, частоти. Через місяць, ви можете оцінити свій профіль споживання з середніми, максимальними і мінімальними значеннями параметрів.

Якщо такий прилад відсутній, то профіль енергоспоживання можна оцінити так: потрібно записати всі прилади, які можуть використовуватися в будинку і змоделювати можливі варіанти їх щоденного використання. Після цього, озброївшись калькулятором, ви зможете розрахувати добове споживання електрики і пікові значення потужності.

Істотну роль грає регіон, де розташована будівля. Енергія, що досягає поверхні Землі, в залежності від регіону, може змінюватися від більш, ніж 5 кВтг / м 2 / день до 1,5 кВтг / м 2 / день і менше.

Якщо максимальне споживання припадає на світлий час доби, то для забезпечення достатності генерується електрики потрібно розділити максимальну споживану потужність на потужність однієї панелі сонячних елементів. Тип і характеристики панелей відомі з каталогів виробників. Потрібно враховувати, що характеристики сонячних панелей наведені при їх максимальної освітленості - поправка на регіональний коефіцієнт обов'язкове. Зимовий період, коли батареї покриті снігом не враховується.

Такий розрахунок не враховує таку особливість: Протягом дня, установка буде завжди генерувати надмірну кількість енергії, А вночі, зі зрозумілих причин, генерація буде дорівнює 0.

Акумуляторні батареї з одного боку збільшують загальну вартість системи, з іншого боку, дозволяють зменшити кількість панелей сонячних елементів за рахунок накопичення енергії в періоди меншого енергоспоживання.

Для розрахунку банку АКБ потрібно відповісти на наступні питання:

Чи передбачається система повністю автономної?
У разі, якщо система не автономна, то який максимальний можливий термін перерв у електропостачанні.

Максимальне споживання в кВт годинах множиться на кількість годин без основного джерела (потрібно враховувати, що в момент відключення сонця може і не бути). На основі цих даних можна розрахувати ємність банку АКБ. Розрядка АКБ до 0 скорочує термін їх служби, тому в розрахунку вводять коефіцієнт показника максимального розряду, наприклад, він може бути 50, 40 або 30%. Чим менше максимальний показник розряду, тим більша кількість АКБ потрібно.

Вартість установки сонячної генерації

Основні складові обладнання системи розподіляються по вартості в наступному процентному співвідношенні (умовно):

Інвертор і система управління - 15-40%;
Сонячні панелі і MPPT контролери - 20-40%;
Банк АКБ - 30%.

Вартість сонячних панелей і АКБ буде ідентична для систем всіх виробників, істотні відмінності є тільки у вартості обладнання інвертора з системою управління та MPPT контролера.

Різниця в ціні досягає більше 200%, в залежності від виробника. Це обумовлено не тільки «брендом», а й можливостями системи, наприклад, зручність в управлінні, можливість віддаленого доступу, максимальне навантаження і стійкість до 2х-3х кратним перевантаженням, можливість часткового відключення навантаження і т.д.

Кожне кінцеве технічне рішення буде трохи відрізнятися від інших через те, що всі люди використовують різну побутову техніку в різний час доби. Ідеальною комбінації обладнання, навіть на задану потужність не існує.

Як орієнтовної вартості функціональної сонячної установки в заміський будинок з урахуванням резервування частини потужності можна грубо орієнтуватися на цифри 700-1800 USD / кВт в залежності від виробника обладнання.

Терміни окупності установки сонячної генерації

Якщо господарі умовно виїжджають на дачу тільки на вихідні, і при цьому в будинку відсутні споживачі, які працюють щодня, то, швидше за все, система буде окупатися не менше 10-15 років, при поточних тарифах на електроенергію.

При постійному проживанні, терміни окупності скоротяться до 6-10 років.

Позитивна сторона медалі - власник такого будинку отримує стабільне джерело електропостачання і не залежить від обривів ЛЕП або перепаду потужностей. Всі сидять без світла, а ви - зі світлом, охоронні системи функціонують, не потрібно вручну відкривати гараж і т.п.

Можна припустити, що розвиток приватного електротранспорту дозволить скоротити термін окупності сонячної установки для домогосподарств. Власник такого автомобіля буде безкоштовно «заправляти» його від власного даху.

Термін окупності залежить від повноти використання електроенергії. Якщо споруда використовує 100% від генерації і при цьому підключено до центральної мережі електропостачання, то в загальному випадку, відсутня необхідність установки банку АКБ. Розрахунковий термін повної окупності такої установки складе 3-5 років, а в жарких регіонах ще менше.

Додаткова вигода утворюється через те, що днем \u200b\u200bвласник НЕ ПЛАТИТЬ за денним тарифом, а вночі ПЛАТИТЬ по нічному.

Такими швидко окупаються об'єктами можуть бути будь-які енерговитратні виробництва з порожньою плоским дахом, торгово-розважальні та спортивні центри і паркінги при них, холодильні комплекси і т.п.

Дивно, але подібні рішення, що дозволяють істотно знизити експлуатаційні витрати, до сих пір ніяк не використовується власниками об'єктів нерухомості.

У доступному для огляду майбутньому, з розвитком сонячної енергетики, все більше число власників будівель стануть використовувати чисту енергію замість вуглеводневої сировини.

Наше Сонце - це величезний сяючий газова куля, всередині якого протікають складні процеси і в результаті безперервно виділяється енергія. Енергія Сонця є джерелом життя на нашій планеті. Сонце нагріває атмосферу і поверхню Землі. Завдяки сонячної енергії дмуть вітри, здійснюється круговорот води в природі, нагріваються моря і океани, розвиваються рослини, тварини мають корм. Саме завдяки сонячному випромінюванню на Землі існують викопні види палива. Сонячна енергія може бути перетворена в теплоту або холод, рушійну силу і електрику.

Сонце випаровує воду з океанів, морів, з земної поверхні. Воно перетворює цю вологу в водяні краплі, утворюючи хмари і тумани, а потім змушує її знову падати на Землю у вигляді дощу, снігу, роси або інею, створюючи, таким чином, гігантський круговорот вологи в атмосфері.

Сонячна енергія є джерелом загальної циркуляції атмосфери і циркуляції води в океанах. Вона як би створює гігантську систему водяного і повітряного опалення нашої планети, перерозподіляючи тепло по земній поверхні.

Сонячне світло, потрапляючи на рослини, викликає у нього процес фотосинтезу, визначає ріст і розвиток рослин; потрапляючи на грунт, він перетворюється в тепло, нагріває її, формує грунтовий клімат, даючи тим самим життєву силу знаходяться в грунті насіння рослин, мікроорганізмів і населяють її живим істотам, які без цього тепла перебували в стані анабіозу (сплячки).

Сонце випромінює величезну кількість енергії - приблизно 1,1x10 20 кВт · год в секунду. Кіловат · год - це кількість енергії, необхідне для роботи лампочки розжарювання потужністю 100 ват протягом 10 годин. Зовнішні шари атмосфери Землі перехоплюють приблизно одну мільйонну частину енергії, випромінюваної Сонцем, або приблизно 1500 квадрильйонів (1,5 x 10 18) кВт · год щорічно. Однак тільки 47% всієї енергії, або приблизно 700 квадрильйонів (7 x 10 17) кВт · год, досягає поверхні Землі. Решта 30% сонячної енергії відбивається назад в космос, приблизно 23% випаровують воду, 1% енергії припадає на хвилі і течії і 0,01% - на процес утворення фотосинтезу в природі.

Дослідження сонячної енергії

Чому Сонце світить і не холоне вже мільярди років? Яке «паливо» дає йому енергію? Відповіді на це питання вчені шукали століттями, і тільки на початку XX століття було знайдено правильне рішення. Тепер відомо, що, як і інші зірки, світить завдяки протікають в його надрах термоядерним реакцій.

Якщо ядра атомів легких елементів зіллються в ядро \u200b\u200bатома більш важкого елемента, то маса нового виявиться менше, ніж сумарна маса тих, з яких воно утворилося. Залишок маси перетворюється в енергію, яку забирають частки, що звільнилися в ході реакції. Ця енергія майже повністю переходить в тепло. Така реакція синтезу атомних ядер може відбуватися тільки при дуже високому тиску і температурі понад 10 млн. Градусів. Тому вона і називається термоядерної.

Основна речовина, що становить Сонце, - водень, на його частку припадає близько 71% всієї маси світила. Майже 27% належить гелію, а решта 2% - більш важким елементам, таким як вуглець, азот, кисень і метали. Головним «паливом» Сонця служить саме водень. З чотирьох атомів водню в результаті ланцюжка перетворень утворюється один атом гелію. А з кожного грама водню, який бере участь в реакції, виділяється 6x10 11 Дж енергії! На Землі такої кількості енергії вистачило б для того, щоб нагріти від температури 0? C до точки кипіння 1000 м3 води.

Потенціал сонячної енергії

Сонце забезпечує нас в 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, ніж фактично використовується у всьому світі. Тільки на світовому комерційному ринку купується і продається трохи менше 85 трильйонів (8,5 x 10 13) кВт · год енергії на рік. Оскільки неможливо простежити за всім процесом в цілому, не можна з упевненістю сказати, скільки некомерційної енергії споживають люди (наприклад, скільки деревини і добрива збирається і спалюється, яка кількість води використовується для виробництва механічної або електричної енергії). Деякі експерти вважають, що така некомерційна енергія становить одну п'яту частину усієї використовуваної енергії. Але навіть якщо це так, то загальна енергія, споживана людством протягом року, становить лише приблизно одну семитисячну частина сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі в той же період.

У розвинених країнах, наприклад, в США, споживання енергії становить приблизно 25 трильйонів (2.5 x 10 13) кВт · год на рік, що відповідає більш ніж 260 кВт · год на людину в день. Даний показник є еквівалентом щоденної роботи більш ніж ста лампочок розжарювання потужністю 100 Вт протягом цілого дня. Середньостатистичний громадянин США споживає в 33 рази більше енергії, ніж житель Індії, в 13 разів більше, ніж китаєць, в два з половиною рази більше, ніж японець і вдвічі більше, ніж швед.