Примеры использования энергии солнца на земле. солнечные электростанции. солнечная энергетика

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:

— экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;- доступность основных составляющих – фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;- постоянно снижающаяся себестоимость.

Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:

— влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;- необходимость в аккумулировании энергии;- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

  • Экологическая безопасность установок;
  • Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
  • Низкая себестоимость получаемой энергии;
  • Доступность производства энергии;
  • Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

  • Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
  • Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
  • Низкий КПД;
  • Высокая стоимость оборудования.

Конструкция

  • Собственно светодиодный светильник, имеющий минимальное энергопотребление, но выдающий мощный световой поток. Кроме того, LED-фонари имеют самый длительный срок эксплуатации.
  • Солнечная батарея (обычно – из кремниевых фотоячеек). Современные фотомодули работают даже при облачной погоде, правда, их производительность при этом несколько снижается.
  • Контроллер. При помощи датчиков освещения он отслеживает интенсивность света и включает фонарь только тогда, когда это действительно необходимо. Кроме того, контроллер автоматически отключает светильник, если разряд аккумулятора превысит предельно допустимый минимум.
  • Аккумулятор. Надежный аккумулятор необходим для накапливания генерируемой энергии и плавного ее расходования ночью.
  • Корпус, система креплений. Прочные корпуса необходимы для защиты солнечных батарей и светодиодных светильников. А специальная система креплений служит для фиксации их на установочном столбе. Причем эта система обязательно должна быть регулируемой, чтобы имелась возможность скорректировать положение фотомодуля относительно расположения солнца.
  • Датчики движения. Нередко солнечные светодиодные лампы снабжаются дополнительными датчиками движения. В этом случае они автоматически включаются лишь при приближении человека, экономя таким образом заряд.

Космические солнечные электростанции

На сегодняшний день солнечные батареи считаются одним из самых надежных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией (рис. 34). Для обеспечения максимума отдаваемой батареями энергии перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10–15 °С. В случае жестких панелей это достигается или ориентацией самого космического аппарата или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей, при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата.

При затенении батарей в результате маневров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами или топливными ячейками.

Рис. 34. Использования солнечных батарей для энергообеспечения солнечных аппаратов

Основной принцип идеи солнечных космических электростанций заключается в том, что установки, расположенные на поверхности Луны, или в космосе концентрируют солнечное излучение (зеркала-концентраторы) и передают его в виде микроволнового пучка частотой 2,5–6 ГГц на приемник, расположенный на поверхности Земли.

Такая система позволяет концентрировать зеркалами на 35 % больше излучения, которое рассеивается при попадании в атмосферу Земли

Кроме того, геостационарные спутники позволяют поставлять энергию стабильно и непрерывно, что тоже немаловажно, ввиду отсутствия на сегодняшний день выгодных устройств для аккумулирования больших объемов энергии (рис. 35)

Рис. 35. Проекты солнечных электростанций

Использование микроволнового излучения накладывает ряд ограничений. Во-первых, размер передатчика даже при низшей границе частоты передачи в 2,5 ГГц составит около километра. Приемник же придется делать и того больше – около 10 километров. Во-вторых, электронные компоненты, позволяющие преобразовывать свет в микроволновое излучение и работать при огромных температурах, пока существуют лишь в виде малопригодных к промышленному использованию лабораторных прототипов. И, наконец, размеры зеркал и солнечных батарей оказываются в разы больше передатчика, а это километры материалов, которые нужно не только поднять на орбиту, но и собрать и настроить.

Однако эта область вызывает живой интерес в научном и техническом сообществе. Среди самых амбициозных проектов – запуск космической солнечной электростанции, представленный американской компанией Solaren.

Планируется вывести на геостационарную орбиту 5 спутников, со специальными зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на солнечных модулях. Все 5 спутников будут собой представлять одну космическую солнечную электростанцию. Энергия будет передаваться на Землю с помощью микроволн и преобразовываться на приемной станции в электроэнергию. К реализации проекта планируется подключить такие промышленные гиганты как Boeing, Lockheed Martin, Pacific Gas & Electric. Планируемая мощность этой космической солнечной электростанции 200 МВт.

Просмотров:
102

Опреснение с использование солнечной энергии.

Опреснение за счет солнечной энергии — один из самых древних естественных методов, поскольку происходит благодаря круговороту воды в природе. Но этот цикл, возможно, реализовать в замкнутой системе меньших масштабов.

Вернемся к Аристотелю, который выдвинул интересный тезис об испарении воды:

В 1870 году был выдан первый американский патент на солнечную дистилляцию. Патент содержит подробное техническое описания, связанные с поверхностью поглощающего материала, парниковым эффектом, конденсацией пара на поверхности стекла и коррозии. К концу 1872 года первый промышленный опреснитель был установлен на шахтах Лас Салинас, Чили. Перегонные кубы и вся установка была спроектирована и построена шведским инженером Карлосом Вильсоном. Установка проработала 36 лет, непрерывно снабжая горняков пресной водой.

В 1935 году Трофимов, инженер из СССР предложил конструкцию наклонного фитильного дистиллятора, а Текучев в 1935 г. исследовал смоченную оребренную смоченную поверхность испарения. В целом с 1930 до конца 70х во всем мире велась активная научно-исследовательская работа в этом направлении, сопровождаемая строительством единичных или маломощных солнечных опреснительных установок для удаленных или небольших населенных пунктов.

Во время второй мировой войны Мария Телкес разработала в Массачусетском технологическом институте надувные солнечные установки для использования на спасательных плотах. Примерно 200 000 единиц техники спасли жизни многих потерпевших кораблекрушение во время войны.

Разработка Марии Телкес.

Читайте больше материалов о возобновляемых источниках энергии на сайте:

И в нашей группе в ВК: Стройка века

1 114

Первые солнечные панели

История солнечных панелей сложна, поэтому нет простого ответа на вопрос, кто именно изобрёл эти устройства. Вместо этого, многие учёные и новаторы дополняли открытия друг друга. В 1839 году французский физик Эдмонд Беккерель открыл фотоэлектрический эффект. Он создал ячейку из металлических электродов и обнаружил, что она производит больше энергии, если подвергается воздействию солнечного света.

Благодаря этому открытию в 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен можно использовать в качестве фотопроводника. Затем в 1883 году Чарльз Фриттс создал первые солнечные элементы из селена, опираясь на открытие Смита. Они были похожи на те, что используются сегодня, с той лишь разницей, что современные производители вместо селена используют кремний. Наконец, в 1954 году Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон создали первый кремниевый солнечный элемент в Bell Labs.

Использование солнечной энергии человеком по странам мира

Количество установленных небольших частных и высокопроизводительных крупных СЭС по всему миру быстро растет. В наиболее развитых странах мира установки ВИЭ обеспечивают от 25 до 70% всей потребляемой электроэнергии. Согласно планам развития США, ЕС, Китая и некоторых других стран и регионов, к 2050 году солнечная энергия, наряду с другими ВИЭ, должна обеспечивать почти 100% их энергетических потребностей.

В России использование солнечной энергии пока менее популярно, причиной чему традиционно низкая цена на классические энергоносители и слабая государственная поддержка. Однако всего за 3 последних года рост мощностей новых СЭС начал составлять до 250% в год. 

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

МГД-генераторы электроэнергии

Магнитогидродинамический генератор мощности генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ или плазма) и магнитного поля. С 1970 года в нескольких странах были проведены исследовательские программы МГД с особым акцентом на использование угля в качестве топлива.

Основополагающий принцип генерации MHD-технологий элегантен. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него действует электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика XIX века Майкла Фарадея).

Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа от высокого до низкого давления так же, как и в обычном газовом турбогенераторе. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как ей разрешено расширяться. Интерес к генерированию МГД был первоначально вызван открытием того, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.

Предельные характеристики с точки зрения эффективности в тепловых двигателях были установлена в начале XIX века французским инженером Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора для каждого кубического метра его объема пропорциональна продукту газопроводности, квадрату скорости газа и квадрату силы магнитного поля, через который проходит газ. Для того, чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно, с хорошей производительностью и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 К (около 1500 С или 2800 F).

Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах мира способствуют развитию углеродных систем МГД для производства электроэнергии.

Виды гелиопанелей

  • Монокристаллические. Такие ячейки получают из однородных монокристаллов. Они имеют равномерную структуру и характеризуются несколько более высокой производительностью. Форма этих ячеек – многоугольники или квадраты со срезанными углами (по форме кристаллических заготовок).
  • Поликристаллические. Получаются, как правило, методом литья и имеют неоднородную структуру. За счет этого их энерговыработка немного ниже, чем у моноячеек. Однако полипластинки отличаются ровной прямоугольной или квадратной формой, поэтому ими можно полностью заполнить все рабочее пространство солнечной панели, в отличие от моноячеек. Таким образом для полипанелей характерна более высокая эффективность всего изделия по отношению к одной ячейке.
  • Тонкопленочные (гибкие). Изготавливаются на основе аморфного кремния. Их главная особенность – гибкая структура, как следствие – возможность использования на разного рода криволинейных поверхностях. Энерговыработка таких панелей примерно в 2 раза ниже, чем у поли- или моновариантов, однако они отличаются и самой низкой стоимостью производства.

Практическое применение

Существуют многочисленные примеры использования энергии Солнца на Земле. Потребность человека в электроэнергии удовлетворяется благодаря применению новейших технологий. Где же используется этот природный источник?

2. Энергия Солнца находит свое применение в дымоходах и пассивных системах вентиляции, где происходит конвекция нагретого световыми волнами воздуха.

3. При помощи Солнца человек научился опреснять морскую воду. Испарителем при этом выступает небесное светило. Опресненная вода идет на нужды промышленности, сельского хозяйства, находит свое применение в быту.

4. Солнечная энергия помогает людям сушить и пастеризовать пищу.

5. Используется этот источник и в космосе. Благодаря энергии Солнца обеспечивается работоспособность спутников и межпланетных станций.

6. Самые простые и маломощные источники электрического тока, действие которых основано на использовании энергии солнечных лучей, – современные калькуляторы.

Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу

Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.

Как государству продвигать экологическую повестку

Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.

В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.

Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.

Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.

Ставка на солнце и уголь: два лица энергетики Китая

Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.

Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и . Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.

Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.

В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.

Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.

Национальные цели по доле ВИЭ среди источников энергии

(Фото: REN21)

Полная версия отчета Renewables 2020 в формате PDF (см. стр. 57)

Сферы применения солнечной энергии

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

Энергоснабжение частного дома

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.
 

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.


 

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:

  • Солнечная батарея для ноутбука;
  • Аккумулятор на солнечных батареях для телефона;
  • Солнечная батарея для зарядки автомобильного аккумулятора.

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.
 

Особенности и предназначение конструкций

Все разновидности подобных систем можно разделить на несколько классов.

По предназначению: 

  • Пассивные – представляют собой специальные материалы или конструкции, способствующие максимальному поглощению излучения и предназначены для преобразования энергии солнца в тепло.
  • Активные – являются системами, целью которых является не только поглощение, но и преобразование, а часто и накопление солнечной энергии. К ним относятся все типы коллекторов, а также фотоэлектрические батареи с АКБ. 

По типу преобразования:

  • в тепловую;
  • механическую;
  • электрическую энергию.

По сложности:

  • простые – представляют собой обычные материалы или емкости, в которых под действием солнечного излучения происходит нагрев какого-либо носителя;
  • сложные – высокотехнологичные конструкции, способные вырабатывать электрический ток, сохранять сгенерированную энергию, управляться автоматическими системами позиционирования и т.д.

Промышленное производство энергии.

Первые концентраторы, вращавшиеся вокруг по двум осям были изготовлены в Германии в начале 20х годов двадцатого века Майером в Аахене и Ремсхардтом в Штутгарте. В Германии также был представлен первый гелиостат в 1912 году.

Первый гелиостат.

Нефтяной кризис 1973 года стал основным двигателем промышленного производства концентрирующих коллекторов, идея заключалась в системе желобов который объединены с циклом Ренкина (цикл использующийся на ТЭЦ для производства тепловой и электрической энергии). В результате технического прогресса появились параболические тарелки (Dish) с использованием двигателя Стирлинга. Технология Dish — Stirling была разработана в результате сотрудничества научных центров ФРГ и США, а первая работающая система была установлена в 1977 году на базе ВВС Эдвардс в Калифорнии.

Башенная система была предложена командой физико — технологического института Туркменской академии наук, Ашхабад в 1957 году. Профессор Баум уже работал над башенной системой, где зеркала размещались вокруг башни сбора солнечной энергии, им же были предоставлены первые теоретические уравнения.

В 1977 году пилотная установка подобного типа была введена в эксплуатацию под руководством ученого Франсиа из технологического института Джорджии, США. Установка включала в себя 559 зеркал восьмиугольной формы, установленная мощность составила 400 кВт, а температура в котле около ∼1900 ° C.

Установка мощностью 400 кВт в Джорджии.

Преимущества и недостатки газотурбинной электростанции

Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На газотурбинной электростанции нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.

Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.

Недостатки газотурбинной электростанции:

  1. Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
  2. Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
  3. Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
  4. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
  5. Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.

Устройство солнечной панели:

Солнечная панель состоит из полупроводниковых элементов, которые напрямую преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток, который направляется на шины или точечные контакты. Полупроводниковые элементы формируются в модули. Ряды или группы элементов могут быть соединены между собой параллельно или последовательно. При этом номинальное напряжение солнечной панели в итоге составляет, как правило, 12В или 24В.

Фотоэлемент по своей работе похож на фотодиод, но область кристалла у него достаточно большая по сравнению с фотодиодом. Каждый модуль на выходе имеет определенный постоянный ток на основе принятых стандартов. Эффективность модуля определяется его областью. В фотоэлектрическом элементе, из которых состоит модуль, обычно используется кремний. Поскольку чистый кремний блестящий, он может отразить до 35 процентов солнечного света, который попадает на него. Для уменьшения потерь солнечного света, на кремниевую пластину помещается покрытие, которое уменьшает отражение. Покрытия, которые обычно используются – это диоксид титана и окись кремния, хотя можно использовать и другие.

Соединение панелей между собой осуществляется с помощью кабельных разъемов, которые имеют конструкцию, позволяющую быстро замыкать и размыкать отдельные участки панелей.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.