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.

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.

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».

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.

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.

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.

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 . Их преимуществом является малая толщина, а недостатком – сниженный КПД. Такие модели часто используются в портативных зарядках для различных гаджетов.

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.

Сегодня достаточно остро стоит вопрос обеспечения человечества энергоресурсами. Все знают, что ученые давно бьются над поиском альтернативных источников. Печально, что за последние годы на бытовом уровне явного прорыва в этой отрасли не произошло. Нашим людям недоступны солнечные технологии. Человечество нашло много нетрадиционных способов получения энергии: геотермальные станции, волновые и приливные электростанции, гидроэлектростанции, ветряки, водородная и космическая энергетика, биотопливо и даже гроза. Это неполный список находок человечества.

Второе место альтернативной энергетики

Второе место после ветряков, по совокупности достоинств и недостатков заняла – энергия солнца. Бесконечный источник, который всегда оставался у нас перед глазами, правда эффективно использовать его мы пока не научились. На практике кремниевые батареи способны продемонстрировать не более 22% коэффициента полезного действия. Они покажут КПД на уровне 75-80%, но применяются только как отопительные элементы. Плоские вакуумные коллекторы более требовательны к условиям использования, вакуум тяжелей удержать в такой большой системе, чувствительной к деформациям корпуса.

Хотя нас больше всего интересует использование этого источника в отоплении. Многие не против обогреть свой дом за счёт природной энергии, а не за счёт кошелька. Тут нас и ожидает самое неприятное. Стоимость столь высока, что альтернатива перестает быть заманчивой.

Поэтому, предлагаю взглянуть на эту проблему, с привычной для нашего человека стороны. А именно посмотреть, как можно погреться, не выкладывая заоблачные суммы. Сложно теперь понять, кто первый придумал использовать пиво именно так, но воздушные коллекторы из пивных банок сейчас конструируют в Америке, Европе да и вообще по всему миру. Их оснащают термостатом, микроконтроллером и дополнительным наддувом. В вашем исполнении он будет нужного размера и гораздо меньшей стоимости. Хотя, если пить пиво специально, то в последнем я не уверен.

Панели своими руками

Устройства из алюминиевых банок

Для создания первой батареи не нужно быть опытным мастером. Энергию солнца вы все равно сможете поймать. Для этого понадобится некоторое количество пивных банок, несколько квадратных метров ДСП, приблизительно столько же утеплителя и силиконовый клей.

Торцы банок аккуратно вскрывают по рантику. При желании зачищают наружную поверхность для лучшей адгезии и склеивают трубы необходимой длины. После они вклеиваются рядами в короб, размеры которого мастеру подскажет фантазия и красятся в чёрный цвет. Желательно термостойкой краской.

Все внутренние поверхности утепляются. Советуем использовать экструдированный пенополистирол, впоследствии окрашенный чёрной краской. А с утеплителем экспериментируйте. Сами трубы, в итоге должны расположиться вертикально, а верхние и нижние торцы, соединиться между собой, как регистры батареи.

Коллектор из алюминиевых банок своими руками

Вверху и внизу делают патрубки подачи, приема воздуха, которые нужно будет завести в ваше жилище. На вход поставьте маленький кулер, а на горячий выход слегка модернизированный автомобильный термостат или применить другой способ терморегуляции. Практика доказывает, что он может стать неплохим подспорьем для вашей отопительной системы. Главное – это качественная, герметичная сборка и расположение батареи. С лицевой, закройте короб стеклом, а лучше поликарбонатом. По расчётам специалистов, необходимо 15 квадратных метров коллекторов, для обогрева дома размером в 100 квадратов. Подобная чудо-альтернатива значительно уступит промышленным образцам, но всё же…

Параболо – концентрический зеркальный концентратор

В Европе их используют, ограничиваясь всего лишь перфорированной поверхностью алюминиевых сплавов.

Стоимость таких обогревателей велика из-за больших размеров и дорогих материалов. Поэтому рассматривать самодельные плоские теплообменники не стоит. Следующий вариант заинтересует загородных жителей. Отличие его радикально практически во всём. По сути, это параболо-концентрический зеркальный концентратор энергии солнца. Но главная выгода, заключается в применяемых материалах. Концентратор – это выгнутое в одной плоскости зеркало, концентрирующее лучи солнца в определённой точке. Здесь применяются три хитрости.

Материал зеркала, размер отражающей поверхности и тепловой аккумулятор. Пугающее изогнутое зеркало, оказывается изготовлено из зеркальной пленки. Зеркальная пленка наклеивается на вогнутую в виде желоба поверхность. Основанием для зеркала, стоит выбрать тот же пресловутый пенополистирол.

А в качестве несущих конструкций, выступят различные материалы: от древесины до металла. Изготовляется необходимое количество зеркальных сегментов, которые крепятся на несущие каркасы.

В каком-то смысле, вся конструкция напоминает детские качели, где вместо сиденья выступают зеркала, а на оси располагается трубопровод – теплообменник. Поскольку это загородное решение, размеры здесь могут быть внушительные.

Солнечный концентратор из спутниковой тарелки

Водные солнцеуловители

Ряд подобных устройств располагается вдоль движения солнца. Зеркало фокусируется в одну линию, откуда теплоноситель и заберёт питание. Теплоносителем будет обыкновенная вода, которая бежит по тонкостенным трубам, идущим в несколько рядов. Используйте нержавеющие или обычные тонкостенные стальные трубы нужного диаметра. При таком серьёзном подходе в этой системе не обойтись, без габаритного аккумулятора тепла.

Здесь существуют готовые решения, но и полёт фантазии приветствуется. К примеру, – “бассейн” на несколько кубов, изготовленный из пенопласта и деревянных опор. Внутренняя поверхность выстилается плотной тепличной пленкой. А прочность бортов рассчитывают на удержание нескольких кубов воды. Из подобных материалов устраивают и крышу закрывающую этот мини бассейн, в форме пирамиды.

Подобная простота конструкции в купе с незамысловатыми материалами, обеспечивают высокую ремонтопригодность. И замену отслуживших свой срок деталей. Стоимость тоже будет значительно отличаться. Разместить такое хранилище тепла лучше на открытом пространстве, это обеспечит легкий доступ в случае необходимости.

Зеркало на несущий конструкции, должно иметь возможность поворота по вертикали. В этом случае концентратор следит за светилом круглый год. Трубопровод включается в общую систему отопления для экономии средства.

Солнечный вакуумный коллектор

Далее ставки начинают повышаться. Речь к сожалению идёт о цене. Стоимость их довольно высока, хотя и КПД тоже достаточно большой. Его невозможно сделать самому, потому что в производстве используется высокопрочное боросиликатное стекло с пониженным содержанием металла.

Для контроля за вакуумом используется бариевый газопоглотитель. Если герметичность не нарушена, то трубка имеет серебристый цвет, если же она побелела, значит нарушена целостность. Вакуумные коллекторы менее остальных зависят от погодных условий, поскольку тепловой канал отделен от атмосферы вакуумом. А вакуум как известно, отличный теплоизолятор. В плохую погоду они поглощают инфракрасное излучение, проходящее сквозь облака. Ещё один плюс в пользу такой технологии.

Виды вакуумных коллекторов

Их существует несколько, некоторые из них более удачной конструкции, но они дороже. Самым удачным считается коллектор с перьевой трубкой и прямоточным тепловым каналом. Принцип устройства во всех случаях приблизительно одинаков. Колба представляет собой вытянутый, тонкий термос, с вакуумом между его стенками. На внутреннее стекло наносится высокоабсорбирующее покрытие, а внутри помещается тепловая трубка с теплоносителем.

Теплоносители принципиально отличаются. В одном случае, это легко испаряющаяся жидкость, перенос тепла происходит посредством испарения и конденсации. С прямоточным каналом, теплоноситель протекает по каждой из тепловых трубок, перенося и отдавая энергию. Основной недостаток – высокая цена и сложность в ремонте. В случае ремонта некоторых вакуумных коллекторов, из гелиосистемы придётся сливать теплоноситель. Разница кпд в зависимости от производителя бывает довольно значительной и может быть даже двукратной.

С вакуумными трубками собрать систему проще, поскольку основной элемент готов. Остаётся обеспечить контакт медного поглотителя с теплоносителем всей системы, а батареи из вакуумных трубок в безопасном кожухе поместить на освещённое место. Конечно сборку и монтаж большой системы лучше доверить специалистам. Гелиосистема с такими элементами часто перегревается и закипает и за ней нужен определённый контроль. Если ваше основное отопление имеет большой литраж и перегрева не будет, вспомогательный модуль попробуйте собрать самому.

Самодельные вакуумные трубки

Добыча на основе кремния

Классика поглощения – батареи, сделанные на основе кремния.

Делим их на три вида:

• на основе моно-элементов
• на основе поли-элементов
• аморфные они же – плёночные. К ним также относят панели на основе теллурида кадмия, на основе селенида меди-индия и полимерные.

Здесь есть свои плюсы и минусы. Плюс в том, что на выходе мы получаем электричество, применение которого очень широко. Поликристаллические панели, имеют средний коэффициент полезного действия 12-18%, дешевле в изготовлении. Монопанели напротив, дороже и имеют выше КПД – 18-22%. Аморфные панели имеют самый низкий кпд 5-6 % но демонстрируют ряд преимуществ. Оптическое поглощения в 15- 20 раз выше, чем у поли и монокристаллов. Толщина меньше 1 мкм. Имеет хорошую производительность при пасмурной погоде, высокую гибкость. Применяют полимерные батареи там, где наибольшее значение имеет эластичность и экологичность. Дополнительно к панелям потребуются системы заряда, трансформации напряжений, распределители питания. Это и инверторы, аккумуляторы, контроллеры. Кремниевые элементы, чувствительны к загрязнениям, а при высоких температурах может потребоваться система охлаждения, хотя современные конструкции предусматривают это.

Совсем недавно австралийские учёные умудрились установить рекорд в 35% эффективности, принципиально новой разработкой в этой области. Хотя французы заявляют о разработке модулей с КПД в 46%, компаниями Soitec, CEA-Leti и Институтом Фраунгофера. Но простым смертным такого долго не видать. Кроме этого есть у кремниевых батарей ещё недостатки. В Америке применение таких панелей началось в шестидесятых годах, но наши умельцы похоже ещё долго будут мастерить подобия из дешёвых аналогов с востока. Всё-таки слишком ценный способ экономить для простого человека. Хотя, очень привлекательно получить определённую автономность в электропитании.

Также есть новации в отрасли автомобилестроения, авиации, кораблестроения. Выставочные, единичные или экспериментальные экземпляры существуют, но пока что, это остаётся роскошью. Порой, из прошлого возникает хорошо забытое старое, например освещение, с помощью световых колодцев. Способ знакомый еще со времен седых пирамид.

Некоторые хотят воплотить в жизнь идею солнечных дорог. Появились прозрачные элементы и самолёт, способный облететь землю на световом парусе. Германия поставила рекорд по количеству получаемой энергии в день, а в Индии целый аэродром перешёл на питание природным ресурсом. Наверняка близок тот день, когда технологии позволят нам брать от солнца ровно столько, сколько нам нужно.

Солнечная энергия дает жизнь всему живому на Земле. Под ее воздействием испаряется вода с морей и океанов, превращаясь в водные капли, образуя туманы и облака. В результате, эта влага вновь выпадает на Землю, создавая постоянный круговорот. Поэтому, мы постоянно наблюдает снег, дождь, иней или росу. Создаваемая солнцем огромная система отопления, позволяет наиболее оптимально распределять тепло по поверхности Земли. Чтобы правильно понимать и использовать эти процессы, необходимо представлять себе источник энергии солнца и то, от чего зависит его влияние на нашу планету.

Виды солнечной энергии

Основным видом энергии, выделяемой Солнцем, по праву считается лучистая энергия, оказывающая прямое влияние на все важнейшие процессы, происходящие на Земле. Если сравнивать с ней другие земные энергетические источники, то их запасы бесконечно малы и не позволяют решить всех проблем.

Из всех звезд, Солнце расположено к Земле ближе всего. По своей структуре оно является газовым шаром, многократно превышающим диаметр и объем нашей планеты. Поскольку размеры газового шара достаточно условны, то его границами считается видимый с Земли солнечный диск.

Источник и физические свойства солнечной энергии

Все процессы, происходящие на Солнце, можно наблюдать лишь на его поверхности. Однако, основные реакции протекают в его внутренней части. По сути, это гигантская атомная станция с давлением примерно 100 млрд. атмосфер. Здесь, в условиях сложных ядерных реакций, происходит превращение водорода в гелий. Именно эти реакции образуют основной источник энергии солнца. Внутренняя температура составляет, в среднем, приблизительно 16 млн. градусов.

Газ, бушующий внутри Солнца, имеет не только сверхвысокую температуру, но и является чрезвычайно тяжелым, обладающим плотностью, многократно превышающей среднюю солнечную плотность. Одновременно, происходит возникновение рентгеновских лучей, которые, по мере приближения к Земле, увеличивают длину своих волн и уменьшают частоту колебаний. Таким образом, они постепенно становятся видимым и ультрафиолетовым светом.

При отдалении от центра, характер лучистой энергии изменяется, оказывая влияние и на температуру. Происходит ее постепенное снижение сначала до 150 тыс. градусов. С Земли хорошо видна только внешняя солнечная оболочка, так называемая фотосфера. Ее толщина составляет примерно 300 км, а температура верхнего слоя снижается до 5700 градусов.

Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, состоящая из двух частей. Нижний слой носит название хромосферы, а верхний слой, не имеющий границ, представляет собой солнечную корону. Здесь газы разогреваются до нескольких миллионов градусов под действием ударных волн чудовищной силы.

Солнце является одним из возобновляемых альтернативных источников энергии. На сегодняшний день альтернативные источники тепла широко используют в аграрном хозяйстве и в бытовых нуждах населения.

Использование энергии солнца на земле играет важную роль в жизни человека. При помощи своего тепла солнце, как источник энергии, нагревает всю поверхность нашей планеты. Благодаря его тепловой мощности дуют ветра, нагреваются моря, реки, озера, существует все живое на земле.

Возобновляемые источники тепла, люди начали использовать еще много лет назад, когда современных технологий еще не существовало. Солнце является самым доступным на сегодняшний день поставщиком тепловой энергии на земле.

Сферы использования солнечной энергии

С каждым годом применение энергии солнца набирает все больше популярности. Еще несколько лет назад ее применяли в целях подогрева воды для дачных домов, летних душей, а сейчас возобновляемые источники тепла применяют для выработки электричества и горячего водоснабжения жилых домов и промышленных объектов.

На сегодняшний день возобновляемые источники тепла используют в следующих сферах:

• в аграрном хозяйстве, в целях электрообеспечения и отопления парников, ангаров и других построек;
• для электроснабжения спортивных объектов и медицинских учреждений;
• в сфере авиационной и космической промышленности;
• в освещении улиц, парков, а также других городских объектов;
• для электрификации населенных пунктов;
• для отопления, электроснабжения и горячего водоснабжения жилых домов;
• для бытовых нужд.

Особенности применения

Свет, который излучает солнце на земле, при помощи пассивных, а также активных систем превращается в тепловую энергию. К пассивным системам относятся здания, при строительстве которых применяют такие стройматериалы, которые наиболее эффективно поглощают энергию солнечной радиации. В свою очередь, к активным системам относятся коллекторы, преобразовывающие солнечную радиацию в энергию, а также фотоэлементы, конвертирующие ее в электричество. Рассмотрим подробнее как правильно использовать возобновляемые источники тепла.

Пассивные системы

К таким системам относят солнечные здания. Это здания, построенные с учетом всех особенностей местной климатической зоны. Для их возведения применяют такие материалы, которые дают возможность максимально использовать всю тепловую энергию для обогрева, охлаждения, освещения жилых и промышленных помещений. К ним относят следующие строительные технологии и материалы: изоляцию, деревянные полы, поглощающие свет поверхности, а также ориентацию здания на юг.

Такие солнечные системы позволяют осуществить максимальное использование солнечной энергии, к тому же они быстро окупают расходы на их возведение за счет снижения энергозатрат. Они являются экологически чистыми, а также позволяют создать энергетическую независимость. Именно из-за этого использование таких технологий очень перспективно.

Активные системы

К этой группе относят коллекторы, аккумуляторы, насосы, трубопроводы для теплоснабжения и горячего водоснабжения в быту. Первые устанавливают непосредственно на крышах домов, а остальные располагают в подвальных помещениях, чтоб использовать их для горячего водоснабжения и теплоснабжения.

Солнечные фотоэлементы

Чтоб более эффективно реализовывать всю солнечную энергию применяют такие источники энергии солнца, как фотоэлементы, или как их еще называют - солнечные элементы. На своей поверхности они имеют полупроводники, которые, при воздействии на них лучей солнца, начинают двигаться, и тем самым вырабатывают электроток. Такой принцип выработки тока не содержит никаких химических реакций, что позволяет фотоэлементам работать достаточно долго.

Такие фотоэлектрические преобразователи как источники энергии солнца легко использовать, так как они имеют небольшой вес, просты в обслуживании, а также являются очень эффективными в использовании солнечной мощности.

На сегодняшний день солнечные батареи, как источник энергии солнца на земле, используют для выработки горячего водоснабжения, отопления и для производства электричества в теплых странах, таких как Турция, Египет и страны Азии. В нашем регионе солнце источник энергии применяют для снабжения электричеством автономных систем электропитания, маломощной электроники и приводов самолетов.

Солнечные коллекторы

Использование солнечной энергии коллекторами заключается в том, что они преобразовывают радиацию в тепло. Их разделяют на следующие основные группы:

• Плоские солнечные коллекторы. Являются самыми распространенными. Их удобно использовать для бытовых отопительных нужд, а также при подогреве воды для горячего водоснабжения;
• Вакуумные коллекторы. Их используют для бытовых нужд, когда необходима вода высокой температуры. Они состоят из нескольких стеклянных трубок, проходя через которые лучи солнца нагревают их, а они, в свою очередь, отдают тепло воде;
• Воздушные солнечные коллекторы. Их используют для воздушного отопления, рекуперации воздушных масс и для осушительных установок;
• Интегрированные коллекторы. Самые простые модели. Их используют для предварительного подогрева воды, например, для газовых котлов. В быту подогретая вода собирается в специальном баке - накопители и далее используется для различных нужд.

Использование энергии солнца коллекторами осуществляется путем накапливания ее в так называемых модулях. Они устанавливаются на крыше зданий и состоят из стеклянных трубок и пластин, которые, в целях поглощения большего объема солнечного света, окрашивают в черный цвет.

Солнечные коллекторы используют для подогрева воды для горячего водоснабжения и отопления жилых домов.

Преимущества солнечных установок

• они полностью бесплатны и неисчерпаемы;
• имеют полную безопасность в использовании;
• автономны;
• экономичны, так как расход средств осуществляется только лишь на приобретение оборудования для установок;
• их использование гарантирует отсутствие скачков напряжения, а также стабильность в электроснабжении;
• долговечны;
• просты в использовании и в обслуживании.

Использование солнечной энергии при помощи таких установок с каждым годом набирает популярности. Солнечные батареи дают возможность сэкономить не малые деньги на отоплении и горячем водоснабжении, к тому же они являются экологически чистыми и не наносят урон здоровью человека.

Солнечная энергия - это свет, тепло и жизнь на нашей планете, а еще солнечная энергия - главный альтернативный источник, который на несколько порядков превышает весь существующий энергетический потенциал Земли, и он в состоянии полностью обеспечить все ее энергетические потребности.

Как Солнце является нескончаемым источником тепла и света (условно), так и энергия солнечного излучения поддерживает жизнь на Земле уже не один миллион лет. Возможность обеспечивать все жизненно важные процессы Солнце имеет благодаря своему составу. В процентном соотношении оно преимущественно состоит из двух элементов: водорода (73%) и гелия (25%). Более подробно об образовании и жизненном цикле Солнца можно прочитать, например, в википедии.

Реакции термоядерного синтеза, которые происходят на Солнце сжигают водород, превращая его в гелий. Колоссальная энергия солнечных лучей, выделяющаяся во время таких процессов, излучается в космос. Кстати, ученые, пытаются повторить эти реакции на земле (реакция управляемого термоядерного синтеза, международный проект ТОКАМАК) .

Все организмы, использующие энергию солнечного света, обеспечивают с ее помощью свои процессы жизнедеятельности - солнечный свет необходим для начальной стадии процесса фотосинтеза. С ее участием происходит синтез таких веществ, как кислород и углеводороды.

Количество водорода на Солнце постепенно уменьшается и рано или поздно придет время, когда его запас на солнце будет исчерпан. Однако, в силу большого количества водорода этого не произойдет, по крайней мере, в ближайшие 5 миллиардов лет.

Каждую секунду в ядре Солнца около 4 миллионов тонн вещества преобразуются в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.

Основной приток энергии Солнца, который доходит до атмосферы Земли находится в спектральном диапазоне 0,1 4 мкм. В диапазоне 0,3 1,5-2 мкм атмосфера Земли почти прозрачна для солнечного излучения. Ультрафиолетовые волны (длина волны короче 0,3 мкм) поглощаются слоем озона, который находится на высотах 20-60 км. Рентгеновское и гамма-излучение до поверхности Земли почти не доходят.

Концентрация солнечной энергии характеризируется величиной 1367 Вт/м 2 , именуемой солнечной постоянной. Именно такой поток проходит через перпендикулярную площадку размером в 1 м 2 , если ее поместить на входе в верхний слой атмосферы Земли. При достижении этим потоком уровня моря, потери энергии уменьшают его до 1000 Вт/м 2 на экваторе. Но смена дня и ночи снижает его еще в 3 раза. Для умеренных широт, с учетом зимнего периода он составляет половину от количественного показателя максимального потока на экваторе.

Усреднённый по времени и по поверхности Земли, этот поток составляет 341 Вт/м 2 . В расчете на полную поверхность, или 1,74х10 17 Вт в расчёте на полную поверхность Земли. Таким образом, в сутки Земля на поверхности получит 4,176х10 15 кВтч энергии, большая часть которой, возвращается в космос в виде излучения.

По данным МЭА на 2015 год, мировое производство энергии составило 19099 Mtoe (эквивалент мегатонны нефти). В пересчёте на привычные киловаттчасы, эта цифра составит 6,07х10 11 кВтч в сутки.

Солнце дает земле энергии в 8 000 раз больше, чем необходимо всему человечеству. Очевидно, что перспективы применения данного вида энергии очень широки. С ее участием развивается ветро-энергетика (ветер возникает из-за разности температур), применяются фотоэлектрические преобразователи и строятся гидроаккумулирующие станции. Имеет место широкое использование солнечных батарей.

Потенциал применения солнечной энергии очень велик.

Преимущества и недостатки использования солнечной энергии

Преимущества использования солнечной энергии привели к тому, что уже сегодня мы видим ее использование в самых разных видах человеческой деятельности.

Главными преимуществами являются:

• Неисчерпаемость энергии солнца в ближайшие 4 миллиарда лет;
• Доступность данного вида энергии - именно с ним безопасно и эффективно сегодня работают и фермеры, и хозяева частных домов, и заводы-гиганты;
• Бесплатность и экологическая чистота вырабатываемой энергии;
• Перспектива развития данного источника энергии, который становится все более актуальным в силу роста цен на другие виды энергии;
• Т.к. количество ежегодно вводимого в эксплуатацию оборудования и его надежность растет, уменьшается стоимость вырабатываемого киловатт часа солнечной энергии.

К условным недостаткам солнечной энергии можно отнести:

• Основным недостатком солнечной энергии является прямая зависимость количества получаемого света и тепла от влияния таких факторов, как погода, время года или же суток. Логическим последствием в таком случае является необходимость аккумулировать энергию, что увеличивает стоимость системы;
• Для производства элементов оборудования данного предназначения применяются редкие а, следовательно, дорогостоящие элементы.

Перспективы развития солнечной энергетики

Сегодня технологии, в которых используется энергия солнечного света, находят все более широкое применение. Самые распространенные - это солнечные батареи. Фотоэлектрические элементы успешно устанавливаются на различные виды транспорта - начиная от электромобилей и заканчивая самолетами. Японцы практикуют установку их на поезда.

Успешно функционируя, одна из европейских гелиоэлектростанций обеспечивает все потребности Ватикана. Крупнейшая станция в Калифорнии, источником для которой является солнечная энергия (фото дают представления о масштабах), уже сейчас обеспечивает штат своей круглосуточной работой.

Внедрение таких технологий сталкивается с сопротивлением со стороны лидеров углеводородной отрасли - ведь альтернативные источники в энергетике могут в скором времени вытеснить их представителей с лидирующих позиций.

Если говорить о прямом преобразовании, то наибольшее распространение получили такие устройства преобразования солнечной энергии как тепловые трубы (солнечные коллекторы) и батареи солнечных фотоэлементов .

Экономика солнечной установки

При рассмотрении возможности установки солнечной электростанции основное внимание уделяют экологическим, а экономическим аспектам. Звучат они следующим образом:

1. Какова стоимость солнечной установки?
2. Каков срок ее окупаемости?
3. Достаточное ли количество электроэнергии будет генерировать установка?

Целесообразно рассматривать небольшие электростанции мощностью до 50 кВт. Установки большей мощности применяют преимущественно на промышленных объектах.

Достаточное ли количество электроэнергии будет генерировать домашняя солнечная электростанция?

Для ответа на третий вопрос, перед началом проектирования солнечной установки определяет профиль энергопотребления дома. Его можно записать установив на объекте счетчик электроэнергии с функцией сохранения текущих параметров: напряжения сети, потребляемого тока, текущей потребляемой мощности, частоты. Через месяц, вы можете оценить свой профиль потребления со средними, максимальными и минимальными значениями параметров.

Если такой прибор отсутствует, то профиль энергопотребления можно оценить так: потребуется записать все приборы, которые могут использоваться в доме и смоделировать возможные варианты их ежедневного использования. После этого, вооружившись калькулятором, вы сможете рассчитать суточное потребление электричества и пиковые значения мощности.

Существенную роль играет регион, где расположено здание. Энергия, достигающая поверхности Земли, в зависимости от региона, может изменяться от более, чем 5 кВтч/м 2 /день до 1,5 кВтч/м 2 /день и менее.

Если максимальное потребление приходится на светлое время суток, то для обеспечения достаточности генерируемого электричества нужно разделить максимальную потребляемую мощность на мощность одной панели солнечных элементов. Тип и характеристики панелей известны из каталогов производителей. Нужно учитывать, что характеристики солнечных панелей приведены при их максимальной освещенности - поправка на региональный коэффициент обязательна. Зимний период, когда батареи покрыты снегом не учитывается.

Такой расчет не учитывает следующую особенность: В течении дня, установка будет всегда генерировать избыточное количество энергии , а ночью, по понятным причинам, генерация будет равна 0.

Аккумуляторные батареи с одной стороны увеличивают общую стоимость системы, с другой стороны, позволяют уменьшить количество панелей солнечных элементов за счет накопления энергии в периоды меньшего энергопотребления.

Для расчета банка АКБ нужно ответить на следующие вопросы:

• Предполагается ли система полностью автономной?
• В случае, если система не автономна, то какой максимальный возможный срок перерывов в электроснабжении.

Максимальное потребление в кВт часах умножается на количество часов без основного источника (нужно учитывать, что в момент отключения солнца может и не быть). На основе этих данных можно рассчитать емкость банка АКБ. Разрядка АКБ до 0 сокращает срок их службы, поэтому в расчете вводят коэффициент показателя максимального разряда, например, он может быть 50, 40 или 30 %. Чем меньше максимальный показатель разряда, тем большее количество АКБ потребуется.

Стоимость установки солнечной генерации

Основные составляющие оборудования системы распределяются по стоимости в следующем процентном соотношении (условно):

• Инвертор и система управления - 15-40%;
• Солнечные панели и MPPT контроллеры - 20-40%;
• Банк АКБ - 30%.

Стоимость солнечных панелей и АКБ будет идентична для систем всех производителей, существенные отличия имеются только в стоимости оборудования инвертора с системой управления и MPPT контроллера.

Разница в цене достигает более 200%, в зависимости от производителя. Это обусловлено не только «брендом», но и возможностями системы, например, удобство в управлении, возможность удаленного доступа, максимальная нагрузка и устойчивость к 2х-3х кратным перегрузкам, возможность частичного отключения нагрузки и т.д.

Каждое конечное техническое решение будет немного отличаться от других из-за того, что все люди используют разную бытовую технику в разное время суток. Идеальной комбинации оборудования, даже на заданную мощность не существует.

В качестве ориентировочной стоимости функциональной солнечной установки в загородный дом с учетом резервирования части мощности можно грубо ориентироваться на цифры 700-1800 USD/кВт в зависимости от производителя оборудования.

Сроки окупаемости установки солнечной генерации

Если хозяева условно выезжают на дачу только на выходные, и при этом в доме отсутствуют потребители, которые работают ежедневно, то, скорее всего, система будет окупаться не менее 10-15 лет, при текущих тарифах на электроэнергию.

При постоянном проживании, сроки окупаемости сократятся до 6-10 лет.

Положительная сторона медали - собственник такого дома получает стабильный источник электроснабжения и не зависит от обрывов ЛЭП или перепада мощностей. Все сидят без света, а вы - со светом, охранные системы функционируют, не нужно вручную открывать гараж и т.п.

Можно предположить, что развитие частного электротранспорта позволит сократить срок окупаемости солнечной установки для домохозяйств. Владелец такого автомобиля будет бесплатно «заправлять» его от собственной крыши .

Срок окупаемости зависит от полноты использования электроэнергии. Если сооружение использует 100% от генерации и при этом подключено к центральной сети электроснабжения, то в общем случае, отсутствует необходимость установки банка АКБ. Расчетный срок полной окупаемости такой установки составит 3-5 лет, а в жарких регионах еще меньше.

Дополнительная выгода образуется из-за того, что днем владелец НЕ ПЛАТИТ по дневному тарифу, а ночью ПЛАТИТ по ночному.

Такими быстро окупаемыми объектами могут быть любые энергозатратные производства с пустой плоской крышей, торгово-развлекательные и спортивные центры и паркинги при них, холодильные комплексы и т.п.

Удивительно, но подобные решения, позволяющие существенно снизить эксплуатационные затраты, до сих пор никак не используется владельцами объектов недвижимости.

В обозримом будущем, с развитием солнечной энергетики, все большее число владельцев зданий станут использовать чистую энергию взамен углеводородного сырья.