Энергия солнца

. Энергия солнца

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция  на Солнце. Солнечная энергия испускается  в виде электромагнитного излучения. Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы, как: уловить его наибольший поток, сохранить  и передать производные от него тепло  и электричество без потерь. Солнце -- источник энергии очень большой мощности. 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях.

Для генерации электричества солнечная  энергия имеет ограниченный потенциал, поскольку она непостоянна и  непредсказуема. Во-первых, потоки солнечной  энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это  приводит к достаточно низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15 процентов. Во-вторых, коэффициент  преобразования современными фотоэлементами солнечной энергии в электрическую не превышает 12-16 процентов, и его до сих пор его не удается увеличить, хотя исследования в этой области ведутся уже более нескольких десятилетий. На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно.

Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для  превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования  электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Из этого следует, что производство энергии будет периодическим и что воспринимающая поверхность, предназначенная для получения заданного количества энергии, должна изменяться в зависимости от интенсивности и продолжительности инсоляции рассматриваемой поверхности. Подсчитано, что для жарких сухих районов, таких, как Западная Америка, Северная Америка или Центральная Австралия, электростанция для производства 1 тыс. МВт при ожидаемой эффективности преобразования потребует суммарной площади коллекторов, равной 13-25 км².

Прямое преобразование солнечной  энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т. е. наличие электрического тока. Преимущество этой системы -- в равной эффективности независимо от того, используется ли она в малых элементах -- для электроснабжения камеры или в крупных комплексах -- для больших зданий. В то же время они дороги, малоэффективны и нуждаются в системе аккумуляторов (обычно батарей) для обеспечения непрерывного энергоснабжения ночью и в пасмурные дни.

Работа над первым направлением включает в себя создание систем, работающих по принципу концентрации энергии. Солнечная  энергия в таком случае при  помощи линзы фокусируется на относительно небольшом по площади фотоэлектрическом  элементе. Принцип работы солнечной  батареи (генератора энергии) - это прямое преобразование электромагнитного  излучения солнца в электричество  или тепло. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом (ФЭ). При этом генерируется постоянный ток.

На сегодняшний момент существуют следующие виды солнечных батарей: 1.Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Это полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Определенное число объединенных между собой ФЭП называются солнечной батареей. 2.Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Это солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.) 3.Солнечные коллекторы (СК). Это нагревательные низкотемпературные установки, использующиеся для автономного горячего водоснабжения жилых и производственных объектов.

Солнечные фотоэлектрические установки  могут быть следующих основных типов: Автономные, работающие без подключения  к сети, т.е. солнечные модули генерируют электричество для освещения, питания телевизора, радио, насоса, холодильника или ручного инструмента. Для хранения энергии используются аккумуляторные батареи. Соединенные с сетью - в этом случае объект подключен к сети централизованного электроснабжения. Избыток электрической энергии продается компании-владельцу распределительных сетей по согласованному тарифу. Резервные системы, в которых фотоэлектрические системы подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка частично или полностью покрывается солнечной системой.

На основе выше перечисленных солнечных  батарей и создаются солнечные  электростанции, которые бывают двух видов:

_{Фотоэлектрические - непосредственно  преобразуют солнечную  энергию в электроэнергию при помощи фотоэлектрического генератора. Главным элементом фотоэлектрических станций являются солнечные батареи. Они состоят из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов и могут преобразовывать солнечную энергию в постоянный электрический ток. Фотоэлектрические преобразователи отличаются надежностью, стабильностью, а срок их службы практически не ограничен. Они могут преобразовывать как прямой, так и рассеянный солнечный свет. Небольшая масса, простота обслуживания, модульный тип конструкции позволяет создавать установки любой мощности. К недостаткам солнечных батарей можно отнести высокую стоимость и низкий КПД. Солнечные батареи используют для энергоснабжения автономных потребителей малой мощности, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. Есть надежда, что в будущем им найдут применение в отоплении и электроснабжении жилых домов}

_{Термодинамические - преобразуют солнечную  энергию в тепловую, а потом в электрическую; мощность термодинамических солнечных электростанций выше, чем мощность фотоэлектрических станций. В устройстве термодинамических солнечных электростанций используют теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97% попадающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200°С и более. С помощью них воду превращают в пар в обычных паровых котлах, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20%. На основе этого эффекта была разработана конструкция аэростатной солнечной электростанции. Источником энергии в ней является баллон аэростата, заполненный водяным паром. Внешняя часть баллона пропускает солнечные лучи, а внутренняя покрыта селективным светопоглощающим покрытием, и позволяет нагревать содержимое баллона до 150-180°С. Полученный внутри пар будет иметь температуру 130-150°С, а давление такое же как атмосферное. Распыляя воду внутри баллона с перегретым паром, получают генерацию пара. Пар из баллона отводится в паровую турбину посредством гибкого паропровода, а на выходе из турбины превращается в конденсаторе в воду. Из него воду с помощью насоса подают обратно в баллон. За счет пара накопленного за день, такая электростанция может работать и ночью. В течение суток мощность турбогенератора можно регулировать в соответствии с потребностями.}

Достоинства солнечных батарей

- Главное достоинство солнечных  батарей -- их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей. Как следствие этого -- небольшой удельный вес, неприхотливость, максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь протирать грязь с рабочей поверхности). Представляя собой плоские элементы малой толщины, они вполне успешно размещаются на обращённом к солнцу скате крыши или на стене дома, практически не требуя для себя какого-то дополнительного места и возведения отдельных громоздких конструкций. Единственное условие -- ничто не должно затенять их в течении как можно большего времени.

- Наконец, солнечные батареи  способны вырабатывать энергию  с рассвета до заката даже  в пасмурную погоду, когда тепловые солнечные коллекторы имеют температуру, лишь незначительно отличающуюся от температуры окружающего воздуха. Конечно, по сравнению с ясным солнечным днём их производительность падает во много раз, но лучше хоть что-то, чем совсем ничего! В связи с этим особенно интересны разработки батарей с максимумом преобразования энергии в тех диапазонах частот, где облака меньше всего поглощают солнечное излучение.

_{Недостатки  солнечных батарей}

_{Конечно, и недостатков  у солнечных батарей  немало. Помимо зависимости  от погоды и времени  суток, можно отметить следующее.}

_{- Невысокий КПД.  Тот же солнечный  коллектор при  правильном выборе  формы и материала  поверхности способен  поглотить почти  всё попавшее на  него солнечное  излучение практически  во всём спектре  частот, несущих заметную  энергию, -- от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. Солнечные батареи же преобразуют энергию избирательно -- для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово -- её "излишки", превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД.}

_{- Чувствительность  к высокой температуре.  С повышением температуры  эффективность работы  солнечных батарей,  как и большинства  других полупроводниковых  приборов, снижается.  При температурах  выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещё больший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный "парник", усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения.}

_{- Уменьшение эффективности  в течение срока  службы. Полупроводниковые  пластины, из которых  обычно состоят  солнечные батареи,  со временем деградируют  и утрачивают свои  свойства, в результате  и без того не  слишком высокий  КПД солнечных  батарей становится  ещё меньше. Длительное  воздействие высоких  температур ускоряет  этот процесс.  Тем не менее,  современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремя протирать пыль...}

_{- Чувствительность  к загрязнениям. Даже  довольно тонкий  слой пыли на  поверхности фотоэлементов  или защитного  стекла может поглотить  существенную долю  солнечного света  и заметно снизить  выработку энергии.  В пыльном городе  это потребует  частой очистки  поверхности солнечных  батарей, установленных  горизонтально или  наклонно. Безусловно, такая же процедура  необходима и после  каждого снегопада,  и после пыльной  бури.}

Преобразование солнечной энергии  в механическую.

Традиционные типы солнечных установок  не подразумевают непосредственного  получения механической работы. К  солнечной батарее на фотопреобразователях для этого надо подключить электродвигатель, а при использовании теплового солнечного коллектора перегретый пар (и тут вряд ли обойтись без зеркал-концентраторов) надо подать на вход паровой турбины или в цилиндры паровой машины. Коллекторы с относительно небольшим нагревом могут преобразовывать тепло в механическое движение более экзотическими способами, например с помощью актуаторов из сплавов с эффектом памяти формы.

Тем не менее, существуют и установки, предполагающее преобразование солнечного тепла в механическую работу, непосредственно  заложенное в их конструкцию. Причём размеры и мощность их самые разные - это и проект огромной солнечной  башни высотой в сотни метров, и скромный солнечный насос.

Лидерами практического использования  энергии Солнца являются страны Европы и США. Крупные фирмы монтируют  на крышах производственных корпусов гелиостанции, одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Солнечная энергия может применяться  в различных химических процессах. Например: Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research. Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м2. В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг. в год (около 10,4 кг. в день). Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.