Энергия от солнца

Солнечная батарея

Солнце — это источник неисчерпаемой энергии, благодаря которой образовалась и существует жизнь на нашей планете.
Человек всегда пытался максимально использовать получаемое тепло, излучаемое солнцем, а с развитием науки и специальных технологий, научился с максимальной пользой, использовать и солнечные лучи. Одним из таких способов, стало получение электрической энергии, путем преобразования солнечного света.

Что такое солнечная батарея?

Солнечная батарея (панель) – это устройство, в котором под воздействием солнечных лучей, вырабатывается электрический ток. Техническим языком – солнечная панель является объединением определенного количества фотоэлементов, являющимися полупроводниковыми устройствами.

Виды солнечных батарей

В настоящее время, благодаря развитию технологий и постоянно растущему интересу к возобновляемым источникам энергии, промышленностью выпускается большое количество разнообразных видов солнечных панелей, которые различаются по конструкции, используемым материалам, техническим характеристикам и цене.

Основные виды солнечных батарей:

  • Изготовленные на основе кремния.

Данный вид подразделяется на:

  • Поликристаллические панели;
  • Монокристаллические панели;
  • Аморфные панели.
  • Изготовленные на основе пленочных материалов.

Данный вид подразделяется на:

  • Изготовленные на основе теллурида кадмия;
  • Изготовленные на основе селенида меди-индия;
  • Полимерные панели;
  • Аморфные панели.

Основу солнечных батарей, изготовленных на основе кремния, составляет, как видно из названия – кремний, который является распространенным материалом, не требующий значительных затрат при добыче и обладает хорошими физическими свойствами.

Монокристаллические батареи.

Для изготовления батарей данного вида используется очищенный кремний, без присутствия примесей. Визуально, монокристаллические панели выглядят как соты, которые объединены между собой в единую конструкцию. При изготовлении отдельных сот, используют монокристаллы, после затвердения которых, их делят на тонкие пластины (до 300 мкм), которые в дальнейшем соединяются электродной сеткой. Данный вид является дорогим вариантом солнечных батарей, но благодаря высокому КПД (до 20%), тем не менее пользуется спросом у потребителей.

Поликристаллические батареи.

При изготовлении батарей данного вида, для получения поликристаллов, кремниевый состав, после его подготовки, охлаждается. Процесс охлаждения происходит продолжительное время. При производстве данного вида панелей, затрачивается меньшее, чем при изготовлении монокристаллических устройств, количество энергии, что отражается на стоимости данного вида. Поликристаллические панели стоят дешевле, но обладают меньшим КПД – до 18%.

Аморфные батареи.

Данный вид панелей можно отнести как к кремниевому типу, так и к пленочному, потому как оба способа изготовления, присутствуют у данного вида устройств.
Основу данных батарей изготавливают из кремневодорода (силана), который наносится на подложку батареи. Данный вид имеет КПД значительно ниже, чем у рассмотренных выше устройств (до 5,0 %), но в связи с тем, что панели данного вида, обладают лучшей способностью поглощения и способны вырабатывать электрический ток даже при отсутствии прямых солнечных лучей (пасмурная погода), то также являются востребованы на рынке подобных устройств.

Плёночные батареи на основе теллурида кадмия.

В основе данных устройств заложена способность кадмия к высокой световой поглощаемости. КПД устройств данного вида составляет 10 %, стоимость – ниже чем у аналогов. Из недостатков использования – ядовитость кадмия.

Плёночные батареи на основе селенида меди-индия.

При изготовлении данного вида устройств используют медь, индий и селен. КПД установок выше, чем у батарей из теллурида кадмия и составляет до 20%.

Полимерные солнечные батареи.

Основу устройств (пленку), изготавливают из полифенилена, фурелленов, фталоцианина меди. Толщина плёнки составляет около 100 нм. Недостаток данного вида — низкий КПД (около 5%). К достоинствам можно отнести – низкая стоимость, отсутствие вреднхй выбросов в атмосферу и доступность комплектующих, к тому же данный вид обладает эластичностью.

Принцип работы

Прежде чем описать принцип работы солнечной батареи, необходимо обратить внимание на несколько основополагающих моментов, это:

  • Солнечная батарея является устройством, состоящее из определенного количества фотоэлектрических элементов (преобразователей), которые помещены в единый корпус и соединены между собой в определенной последовательности.
  • Структура фотоэлементов состоит из двух слоев, которые различаются по типу электрической проводимости, это: «n» и «р» проводимости.
  • Основой для изготовления фотоэлементов является кремний или иной материал, обладающий способностью поглощать световые лучи.
  • В слое с «n» проводимостью, к основе (кремнию или иному материалу), добавлен фосфор, в связи с чем, при их взаимодействии, в слое образуется избыток электронов с отрицательной полярностью.
  • В слое с «р» проводимостью, к основе добавлен бор, в результате их взаимодействия, в слое образуется недостаток отрицательных зарядов, и как следствие, образуются «дыры».

Слои располагаются между электродами с разной полярностью.

Работа солнечной панели осуществляется следующим образом:

  • На слой, заряженный отрицательно, попадает солнечный свет;
  • Солнечные лучи вызывают активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок»;
  • В связи с тем, что в «p-n» переходе присутствует электрическое поле, то под его воздействием происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц;
  • Положительные частицы направляются в верхний слой;
  • Отрицательные частицы — в нижний;
  • Появляется разность потенциалов между слоями, т.е. образуется постоянное напряжение.

Для дома

Солнечные батареи, являясь основной составляющей солнечных электростанций, получают все более широкое распространение среди владельцев частных домовладений.
Солнечные электростанции, в зависимости от их мощности и географического месторасположения, используют как основной или резервный источник электрической энергии.
В этом случае, при выборе мощности станции, и в каком качестве она будет работать, не маловажную роль играют именно солнечные батареи.

Критериями выбора солнечных батарей, при использовании для электроснабжения дома, являются:

  • Мощность устройства.
    Эта величина измеряется в Ватт * час, и определяет способность батареи к производству электрической энергии, при заданных условиях, в единицу времени (час работы);
  • Габаритные размеры.
    Чем мощнее панель, тем она больше по размерам. Этот показатель определяет способность установки (монтажа) устройств, на том или ином участке территории или конструкций.
  • КПД устройства.
    Данный показатель зависит от типа батареи, тем самым, при меньшем КПД потребуется большее количество панелей, для создания необходимой мощности, но возрастет цена, и наоборот. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо просчитывать экономическую целесообразность того, либо иного типа батарей.
  • Сроки и условия эксплуатации.
    Данный параметр закладывается производителями, поэтому следует внимательно ознакомиться с рекомендациями по установке и обслуживанию устройств.
  • Стоимость устройства.
    Данный показатель складывается из всех выше приведенных. К тому же, на стоимость оказывает влияние бренд производителя и популярность конкретной модели на момент ее приобретения.

Как видно из приведенных критериев выбора, в каждом конкретном случае, выбор того, или иного устройства осуществляется индивидуально.
В настоящее время, для комплектации солнечных электростанций, служащих для электроснабжения индивидуальных домов, используют различные солнечные батареи. В связи с тем, что большую часть рынка солнечных батарей, обеспечивают производители из Китая, то именно на них следует ориентироваться, при комплектации солнечных станций.

Популярностью у пользователей пользуется продукция компании «TOPRAY Solar» (Китай), это:

  • Солнечные батареи TopRaySolar TPS-FLEX, гибкие, выпускаются различной мощности;
  • Солнечные батареи TopRaySolar типа «П», поликристаллические, выпускаются различной мощности;
  • Солнечные батареи TopRaySolar типа «М», монокристаллические, выпускаются различной мощности.

Также популярностью пользуются солнечные батареи компаний:

  • AXITEC GmbH, Германия;
  • JA Solar Holdings Co., Ltd, Китай;
  • Telecom-STV, Россия;
  • «Хевел», Россия.

Выбор, на рынке подобных товаров, достаточно обширен, поэтому всегда есть возможность выбрать требуемое устройство, в соответствии с критериями выбора и индивидуальными предпочтениями.

Использование на даче

Дача, это по своей сути, тот же дом, с той лишь разницей, что на ней, возможно, человек проводит меньше времени, и количество установленных приборов, потребляющих электрическую энергию, может быть несколько меньше, чем в жилом доме.

Использование солнечных электростанций для электроснабжения дачи, является очень удобным способом решения задачи обеспечения электричеством на вновь строящихся и удаленных от стационарных электрический сетей, участках.

Критерии выбора солнечных батарей, в случае электроснабжения дачи, аналогичны критериям при выборе устройств для дома. Разница может быть лишь в требуемой мощности и способу монтажа устройств.

Средние цены

Стоимость солнечных батарей – это один из критериев их выбора.

Розничная цена, для рассмотренных выше моделей, выпускаемых китайской компанией «TOPRAY Solar», и реализуемых через специализированные организации, составляет:

Стоимость аналогичных по техническим параметрам устройств, других производителей, лежит в этом же ценовом диапазоне, поэтому всегда есть возможность сделать свой, выбор, в соответствии с индивидуальными пожеланиями.

Где купить

Солнечная батарея (панель), это довольно дорогостоящее устройство, к тому же, как правило необходимо приобретать несколько панелей, поэтому лучшим местом для приобретения, являются специализированные организации, занимающиеся продажей солнечных электростанций и комплектующих к ним.

В связи с тем, как уже писалось выше, на рынке подобных устройств, большое количество китайских изделий, то можно воспользоваться покупкой через интернет. В этом случае необходимо используя тот же интернет, изучить отзывы о приобретаемом устройстве, а также отзывы о компании, которая его поставляет.

У российских и европейских компаний, есть представительства в разных городах нашей страны, можно воспользоваться их услугами, предварительно, так же, как и при приобретении через интернет, ознакомившись с отзывами о выбранном устройстве.

Солнечная батарея для отопления дома

Солнечные батареи бывают нескольких видов, конструкций и принципу действия. Если рассматривать вопрос об использовании солнечных батарей для отопления дома, то вариант использования панелей, работающих на фотоэлементах, не решит в полной мере, поставленную задачу. Это определяется количеством вырабатываемой электрической мощности. Если к фотоэлектрическим панелям подключить электрические ТЭНы, служащие для нагрева теплоносителя в системе отопления жилого дома, то мощности для прочих потребителей, будет явно не хватать.

Если, в качестве солнечной батареи, работающей для отопления дома, применить солнечный коллектор, то такая задача будет полностью решена. В этом случае солнечные лучи нагревают теплоноситель, циркулирующий в системе отопления, за счет чего и происходит нагревание помещений дома.

Как сделать своими руками из подручных средств

При желании, наличии свободного времени и минимальных познаний в электротехнике, можно изготовить солнечную батарею из подручных средств.
Вариантов может быть множество, все зависит от имеющихся материалов, «багажа» знаний и навыков.

Подобные устройства можно изготовить:

  • Из использованных ранее транзисторов (электронных устройств).
    В этом случае, у транзисторов отрезаются крышки и сами транзисторы соединяются последовательно. При попадании солнечных лучей на внутренние плоскости, обладающие «p-n» переходом, внутри их образуется электрический ток. Транзисторы помещаются в отдельный корпус, к концам припаиваются выводы – солнечная батарея готова.
  • Из диодов.
    Для изготовления, из этих электронных приборов, потребуется их большое количество, а также электронная плата, используемая в качестве подложки. Верхняя часть диодов срезается, кристалл достается из корпуса прибора (выполняется нагрев и извлечение из корпуса). Извлеченные кристаллы крепятся на плате методом пайки в отдельные блоки. Соединение выполняется последовательно, для достижения требуемых значений напряжения. Собранные блоки соединяются между собой параллельно.
  • Из медного листа.
    Медный лист очищается, после чего нагревается, для этого используется: открытый огонь, электрический ТЭН или иной источник тепла. В процессе нагрева медь чернеет, нагрев продолжается еще некоторое время, после чего лист медленно остывает. Из данной листа вырезается электрод, такого размера, чтобы поместился в подготовленную заранее емкость, это может быть пластиковая бутылка, канистра с отрезанным верхом или иная емкость, но главное условие – изготовленная из материала, не проводящего электрический ток. Из другого листа меди, не подвергавшегося нагреву, вырезается второй электрод, по размерам аналогичный первому. Электроды помещаются в подготовленную емкость, и крепятся к ее стенкам, к ним подсоединяются проводники. Пластины не должны касаться друг друга. Чистый медный лист – это положительный полюс, лист подвергавшийся нагреву – это отрицательный полюс. В емкость наливается вода, в которой растворена каменная соль, устройство устанавливается на солнечный свет – батарея готова.
  • Из фотоэлементов заводского производства.
    В этом случае вначале фотоэлементы собираются в определенной последовательности на подложке. Изготавливается корпус, в который помещаются собранные фотоэлементы, корпус герметизируется. Батарея готова.

Недостатки и достоинства

Недостатков использования солнечных батарей меньше, чем их достоинств, поэтому необходимо начать с них.

К отрицательным свойствам солнечных батарей относятся:

  • Высокая стоимость всего комплекта оборудования;
  • Низкий КПД устройств, что приводит к увеличению количества батарей, и как следствие удорожанию и потребности в значительной площади под монтаж;
  • Зависимость от погодных, климатических и географических условий.

Положительных свойств больше, это:

  • Солнечная энергия – это возобновляемая и неисчерпаемая энергия;
  • Экологическая безопасность процесса производства электрической энергии;
  • Отсутствие шума и иных раздражителей, при работе солнечных электростанций;
  • Продолжительные сроки эксплуатации оборудования и длительные межремонтные циклы;
  • Возможность создать автономную системы электроснабжения, вне зависимости от энергоснабжающих организаций;
  • Возможность увеличения мощностей, без остановки работы уже смонтированных;
  • Возможность получения не только электрической, но также и тепловой энергии, используя аналогичные исходные параметры.

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на канал и ставить «палец вверх», если статья Вам понравилась!

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

Кстати, очень много ресурсов на планете представляют собой производные от солнечной энергии. К примеру, ветер, который является ещё одним возобновляемым источников, не дул бы без солнца. Испарение воды и накопление её в реках также происходит под действием солнца. А вода, как известно, используется гидроэнергетике. Биотоплива также не было бы без солнца. Поэтому, помимо прямого источника энергии, солнце влияет на другие сферы энергетики.

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

Долгое время инсоляторы выпускались по схеме, использующей энергию солнца для превращения воды в пар. И преобразованная энергия использовалась для совершения какой-либо работы. Первое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую, было создано в 1953 году в США. Оно стало прообразом современных солнечных батарей. Фотоэлектрический эффект, на котором основана их работа, был открыт ещё в 70-е годы XIX столетия.

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

Стоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними. Поэтому их чаще всего используют в быту. Есть также целые солнечные электростанции. Как правило, они создаются в странах с большим числом солнечных дней в году. Это Израиль, Саудовская Аравия, юг США, Индия, Испания. Сейчас есть и совсем фантастические проекты. Например, солнечные электростанции вне атмосферы. Там солнечный свет ещё не потерял энергию. То есть, излучение предлагается улавливать на орбите и затем переводить в микроволны. Затем в таком виде энергия будет отправляться на Землю.

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

Версии об источниках солнечной энергии высказывались самые разные. На данный момент специалисты утверждают, что энергии высвобождается в результате превращения четырёх атомов H2 в ядро He. Процесс протекает с выделением существенного количества энергии. Для сравнения представьте, что энергия превращения 1 грамма H2 сопоставима с той, что выделяется при сжигании 15 тонн углеводородов.

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.

Солнечная батарея

Солнечный коллектор

Гибридная солнечная панель

Основные способы преобразования энергии солнца представлены ниже:

  • фотоэлектрический;
  • гелиотермальный;
  • термовоздушный;
  • солнечные аэростатные электростанции.

Первый способ самый распространённый. Здесь используются фотоэлектрические панели, которые под воздействием солнца вырабатывают электрическую энергию. В большинстве случаев их делают из кремния. Толщина таких панелей составляет десятые доли миллиметра. Такие панели объединяются в фотоэлектрические модули (батареи) и устанавливаются на солнце. Чаще всего их ставят на крышах домов. В принципе, ничто не мешает разместить их на земле. Нужно, только чтобы вокруг них не было крупных предметов, других зданий и деревьев, которые могут отбрасывать тень.

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

Термовоздушный способ преобразования подразумевает получение энергию потока воздуха. Этот поток направляется на турбогенератор. В аэростатных электростанциях под действием солнечной энергии в аэростатном баллоне генерируется водяной пар. Поверхность аэростата покрывается специальным покрытием, поглощающим солнечные лучи. Такие электростанции способны работать в пасмурную погоду и в тёмное время суток благодаря запасу пара в аэростате.

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.

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.

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.

Коллекторы чаще всего работают в составе систем горячего водоснабжения частных домов. Нагретый в них теплоноситель попадает в накопитель (бойлер), где нагревает воду. Схема практически такая же, как у электрического бойлера. Только электричество в этом случае не расходуется.

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.

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.

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.

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.

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.
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Где используется солнечная энергия?

О том, чтобы использовать солнечную энергию в своих целях, человек начал задумываться сравнительно недавно, хотя на практике пользовался ей на протяжении всей своей истории. Идея об аккумулировании и практическом применении возникла в начале XX века, но технологических возможностей для этого на то время не было. Прорыв совершился в конце века, когда появились фотоэлектрические панели, способные производить электроэнергию в ощутимых количествах. Вопрос важный и заслуживает подробного рассмотрения.

Использование энергии Солнца на земле является повсеместным, хоть и неосознанным явлением. Оно настолько обыденно и привычно, что люди редко задумываются о возможностях и перспективах солнечной энергетики. Однако, специалисты в разных отраслях научной и производственной деятельности давно разрабатывают технологии, позволяющие получать бесплатную и неиссякаемую энергию.

Если несколько десятилетий назад все ограничивалось нагревом воды в емкостях для летнего душа на дачном участке, то сегодня существуют различные способы использования солнечной энергии, наиболее развитые в следующих отраслях:

  • космос и авиация;
  • сельское хозяйство;
  • обеспечение энергией спортивных и медицинских объектов;
  • освещение участков частных домов или городских улиц;
  • использование в быту;
  • электрификация экспедиций, передвижных исследовательских или военных пунктов и т.д.

Этот список не будет полным, если не назвать СЭС, электростанции, где используется солнечная энергия. В последние годы их немало построено в США, Испании, ЮАР и других странах. Их мощность пока еще не способна превзойти уровень ГЭС, но технологии не стоят на месте и перспективы развития весьма многообещающие. Можно с уверенностью сказать, что через пару десятков лет на вопрос: «Где используется энергия Солнца на Земле?» можно будет услышать ответ: «Везде».

Особенности применения

Свет и тепло Солнца используются с помощью различных технологических методик. Как правило, выработка электроэнергии имеет целью питание отдельных или массовых потребителей, а тепловая энергия служит для обогрева жилья, теплиц, промышленных и общественных помещений.

Использование солнечной энергии на Земле ведется по двум направлениям: пассивное и активное. Оба способа имеют свои особенности и возможности, которые следует рассмотреть внимательнее.

Пассивные системы

Пассивные системы — это различные сооружения или строения, в которых использование энергии Солнца происходит путем потребления. Например, существуют дома, построенные из специальных материалов, которые способны поглощать или перерабатывать полученную тепловую энергию. Обогрев таких зданий становится проще или в нем вовсе исчезает необходимость.

Необходимо понимать, что в виду имеются не какие-то современные и продвинутые материалы, созданные на высокотехнологическом оборудовании. Дома, образующие пассивные системы, создаются из обычной древесины, теплоизолирующих и светоизолирующих панелей. Даже обычная ориентация окон дома на южную сторону автоматически переводит дом в разряд пассивных гелиосистем.

Первым в истории зафиксированным случаем, когда использование солнечной энергии было сознательным действием, была постройка дома Плинием Младшим в Италии (100 г. Н. Э.). Слюдяные окна оказались эффективным теплоизолятором, способным удерживать тепловую энергию, полученную от Солнца.

В современном мире интерес к постройке зданий-пассивных гелиосистем то возрастает, то вновь падает. Энергетический кризис вынуждает активно искать способы получения дешевой альтернативной энергии, но при улучшениях экономической обстановки ситуация разворачивается в обратную сторону. Однако, общая обстановка демонстрирует постоянное развитие и продвижение гелиосистем в технике и быту.

Активные системы

Активные солнечные системы получают энергию и преобразуют ее тем или иным способом. В данном случае используются специально изготовленные приспособления и устройства, для которых получение, преобразование и передача энергии является основной и единственной задачей, а не дополнительной функцией, как у пассивных гелиосистем. Существуют довольно простые и более сложные конструкции, выполняющие разные задачи. По функционалу их можно разделить на фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы.

Первые занимаются выработкой электрического тока из энергии, полученной от нашего светила. Они обладают широкими возможностями и встречаются практически везде, где применяют энергию Солнца.

Вторые — коллекторы — используются только как источник тепловой энергии для отопительных систем частных домов или иных помещений относительно небольшого размера. И те, и другие устройства обладают собственными преимуществами и недостатками. Рассмотрим их подробнее.

Солнечные фотоэлементы

Фотоэлектрические элементы получают солнечную энергию и вырабатывают из нее электрический ток. Такова общая схема, на практике все несколько сложнее. Солнечные лучи, попадая на поверхность фотоэлементов, воздействуют на кремниевые пластины, в которых начинается процесс замещения электронов. Они начинают активно совершать p-n переход, т.е. появляется постоянный фототок. Остается только припаять провода к соответствующим контактам, и можно снимать постоянное напряжение определенной величины. Если собрать такие элементы в батарею, то в результате можно получать вполне существенный ток, пригодный для зарядки аккумуляторов или практического использования.

Выработка тока фотоэлементами нестабильна, зависит от внешних факторов — погоды, времени года и суток, наличия облачности. Кроме того, солнечные батареи дают постоянный ток. Для обеспечения потребителей электротоком со стандартными параметрами необходимо преобразовать полученное напряжение.

Поэтому обычный состав комплекса выглядит следующим образом:

  • солнечные батареи;
  • аккумуляторные батареи;
  • инвертор-преобразователь;
  • контроллер заряда.

Работа системы заключается в приеме солнечной энергии фотоэлементами и сбрасывании напряжения на аккумуляторы. Уровень заряда находится под управлением контроллера, который выполняет функции диспетчера и регулирует режим заряда и отдачи энергии. Преобразование постоянного тока в переменный выполняет инвертор, с которого питание подается на стандартные приборы потребления. Использование солнечной энергии таким способом наиболее эффективно, так как в результате получается универсальный вид, пригодный для питания большого количества установок, приборов и устройств.

Фотоэлементы, или солнечные батареи, как их называют в обиходе, бывают нескольких видов: кремниевые и пленочные.

Количество кремния в окружающей природе очень велико, чем и объясняется популярность этого типа фотоэлементов. Существуют разные виды кремниевых солнечных батарей:

  1. Монокристаллические. Их КПД приближается к 20%, что для современных фотоэлементов весьма высокий показатель. Производятся из очищенного материала, монокристалла, разрезанного на тонкие пластинки. Внешне такие панели похожи на соты или ячейки черного цвета. Самые дорогие и качественные
  2. Поликристаллические. При изготовлении используется срез из медленно охлажденного расплава кремния. Полученные пластинки состоят из множеств кристаллов, ориентированных в разные стороны. КПД — до 18%. Цвет ячеек синий, отличить их легко. Стоимость заметно ниже, чем у монокристаллических панелей
  3. Аморфные. Представляют собой слой силана (кремневодорода), нанесенного на гибкую подложку. КПД всего 5%, но способность поглощать солнечные лучи намного выше — почти в 20 раз, поэтому аморфные панели весьма хороши для пасмурной погоды. Стоимость самая низкая из всех кремниевых видов

Пленочные батареи производятся из различных полимеров, способных демонстрировать полупроводниковый эффект. Их разрабатывают с целью снижения себестоимости производства фотоэлементов, а также для улучшения характеристик панелей. Существуют разные виды:

  • на основе теллурида кадмия;
  • на базе селенида меди-индия;
  • на полимерной основе.

Пока пленочные образцы уступают кремниевым как по КПД, так и по остальным показателям (кроме цены), но производители не теряют бодрости и уверяют пользователей в скором изменении ситуации.

Использование фотоэлементов для производства электротока позволяет получать количество энергии, достаточное для питания любых потребителей, главное — достаточное количество панелей. В этом заключается одно из основных преимуществ солнечной энергетики — способность расширяться путем наращивания количества светоприемных элементов, а не с помощью замены всего оборудования.

Солнечные коллекторы

Эти устройства действуют по совершенно иному принципу. Они не используют высокотехнологичных материалов, получая от Солнца только тепловую энергию. Принцип действия коллекторов основан на способности солнечных лучей заметно нагревать предметы. Наиболее простая модель представляет собой плоский ящик черного цвета, накрытый прозрачной крышкой. Темная поверхность принимает солнечное тепло, нагревается, но отдавать его в окружающую атмосферу не может — мешает эффект парника, образованный прозрачной крышкой. На практике конструкции солнечных коллекторов несколько отличаются:

  1. Открытые. Самые простые (если не примитивные) приемники, представляющие собой продолговатые лотки из черной пластмассы, наполненные водой. Лотки нагреваются и отдают тепло воде. Которая используется для летнего душа или подогрева воды в бассейне. Этот вид не может похвастаться ни КПД, ни долговечностью, но простота и возможность сделать открытые коллекторы самостоятельно дали определенную популярность
  2. Трубчатые. Приемниками энергии являются вакуумные стеклянные трубки. Они имеют коаксиальную конструкцию (тип «труба в трубе», между ними вакуум для теплоизоляции). Соединяются в распределитель и подключаются к отопительному контуру
  3. Плоские. Больше всего они напоминают вышеупомянутую модель — черный ящик с прозрачной крышкой. На поверхность днища плотно крепится трубка с водой, получающей тепловую энергию от контакта с нагретым материалом

Использовать солнечные коллекторы можно только в определенных условиях. Если стоит мороз, полезный эффект будет практически незаметен. Необходимо, чтобы температура воздуха было довольно высока, что делает использование солнечного обогрева доступным только в достаточно теплых регионах. Коллекторы используются только для обогрева помещений, поэтому их функционал и возможности заметно ниже.

Преимущества солнечных установок

  • Основным преимуществом является неограниченно высокий ресурс источника — Солнца. На самом деле, поток энергии имеет определенные пределы, но на нынешнем этапе развития технологии достичь этого предела совершенно невозможно.
  • Вторым преимуществом является отсутствие стоимости энергии. Она просто есть, и ей можно и нужно пользоваться.
  • Кроме того, появление источника предсказуемо и может быть заранее рассчитано с точностью до секунд, что заметно отличает его от других альтернативных видов энергии.

Проблемы использования солнечной энергии

Применение солнечной энергии имеет и некоторые проблемы. Основными из них являются отсутствие Солнца в ночное время и возможность возникновения облачности, осадков и прочих неблагоприятных погодных условий. Есть и еще важная и существенная проблема — низкая эффективность оборудования, в сочетании с высокой ценой. Эта проблема считается разрешимой, многие ученые и инженеры постоянно работают над ее решением.

Перспективы развития

Энергия Солнца на Земле неиссякаема. Это дает основания прочить постоянное развитие и продвижение технологий получения и переработки солнечной энергии, появление более эффективной аппаратуры, увеличение доли солнечной энергии в общем потреблении человечества. Статистика показывает, что за последние 10 лет в этом направлении сделан гигантский скачок, поэтому будущее у гелиоэнергетики во всех смыслах слова блестящее.

Солнечная энергия

Что такое солнечная энергия

Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.

Солнечная энергия — это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

Путем применения термоэлектрических генераторов.

  • Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

  • Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

  • Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

  • Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
  • Желание людей иметь независимый источник энергии;
  • Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
  • Возобновляемый источник энергии.

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

Солнечные электростанции работают в

  • Оренбургской области:
    «Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
    «Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт.
  • Республике Башкортостан:
    «Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
    «Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт.
  • Республике Алтай:
    «Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
    «Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт.
  • Республике Хакасия:
    «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
  • Белгородской области:
    «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
  • В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
  • Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

  • В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
  • В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
  • В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
  • В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
  • В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
  • В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
  • В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
  • В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
  • В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
  • В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
  • В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.

Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

Пригодна ли для обычного дома

  • Для бытового использования гелиоэнергетика — перспективный вид энергетики.
  • В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
  • Использование теплового насоса — обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
  • Гелиоколлекторы — можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.

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.

Перспективы

Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.

Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

  1. Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
  2. Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
  3. Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:
  • В 2009 году — «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективностиэлектроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
  • Помощь государства при реализации программы Международной финансовой корпорации (IFC) по развитию возобновляемых источников энергии.
  • Создание, на законодательном уровне, экономических рычагов, способствующих развитию «зеленой» энергетики, выражающихся в установлении льготных тарифов, финансовой помощи при строительстве, налоговые льготы и компенсация части кредитных затрат на строительство.

Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх