Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Альтернативная энергия / Гелиоэнергетика / Использование солнечной энергии, солнечная энергетика - история развития, плюсы и минусы


 Школа для электрика в Telegram

Использование солнечной энергии, солнечная энергетика - история развития, плюсы и минусы


Одна из самых важных вещей на планете Земля, которую мы используем для выполнения какой-либо деятельности, движения или развития является энергия.

Вся биосфера на многие миллионы лет надежно работает на солнечной энергии, которая улавливается растениями и запасается в виде органических соединений. Затем они используются в качестве «источника энергии» в виде пищу и животных, в том числе человека.

Энергия солнца

А вот с цивилизацией сложнее. Она получает большую часть своей энергии из ископаемого топлива, т.е. из тех запасов, которые были созданы здесь за миллионы лет растениями и которые теперь принадлежат нам. Цивилизация расходует ископаемое топливо со скоростью, в несколько раз превышающей скорость их создания.

Однако даже исчерпание этих ресурсов — не самая большая проблема. Существенно более серьезной проблемой является то, что добыча и сжигание ископаемого топлива отрицательно влияет и меняет нашу окружающую среду, особенно атмосферу. Сжигание ископаемого топлива приводит к образованию углекислого газа, что увеличивает его содержание в атмосфере и вместе метаном нарушают тепловой баланс Земли.

Для нашей цивилизации важнейшей энергией является электрическая энергия, которую легко распространять, а также использовать. Ее можно легко преобразовать во все другие формы энергии.

Однако большая часть электрической энергии по-прежнему производится на тепловых электростанциях, которые имеют относительно низкую эффективность и в основном используют ископаемое топливо или уран в качестве источников энергии.

Удивительно, что солнечный свет так легко и повсеместно доступен падая на Землю, но до последнего времени мы почти не использовали его как источник энергии.

Солнечная энергетика

В XXI веке мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, в том числе и солнце.

Сейчас солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.

Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.

Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.

С экологической точки зрения использование солнечной энергии также очень выгодно, так как она не производит никаких отходов, а при ее использовании воздух не загрязняется вредными выбросами.

История развития

Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелом. Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.

В 1888 году в Америке было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения». Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.

Развитию наземной солнечной энергетики предшествовала большая работа ученых (в том числе ленинградско-петербургской научной школы – физтеховцев Бориса Коломийца и Юрия Маслаковца) в области солнечных батарей космического назначения. Они создали в Ленинградском физикотехническом институте серноталлиевые фотоэлементы, КПД которых равнялся 1% - настоящий рекорд для того времени.

Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».

Первая солнечная батарея на основе кремния. Ее создали, ученые и инженеры американской компании Bell Laboratories в 1956-м году

Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.

По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации.

В 1954 году Bell Laboratories (Д. Чапин, К. Фуллер, Г. Пирсон) производили кремниевые фотоэлектрические элементы, которые уже имели приемлемый КПД 6%, но были слишком дороги в производстве.

В 1957 году началось использование фотогальванических элементов в качестве источника энергии на искусственных спутниках Земли (первый спутник с фотогальваническими элементами был запущен 17 марта 1958 г.).

Фотоэлектрические элементы начали использоваться на Земле в 1970-х годах для питания навигационных огней на маяках.

Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.

В 1980-х годах были построены первые пробные солнечные фотоэлектрические электростанции. В 1981 году над каналом Ла-Манш пролетел первый самолет на солнечных батареях.

В 1999 году солнечные батареи достигли мощности 1 гигаватт по всему миру, а в 2004-2005 гг. произошел рост фотоэлектрического рынка на 42%.

Принцип действия солнечных электростанций:

Как происходит преобразование солнечной энергии в электрическую

Распространенные виды солнечных батарей

Солнечные батареи и солнечные электростанции

Но, конечно, для старта солнечной энергетики – даже без учета экономической составляющей – требовалась существенно большая эффективность. И ее удалось в какой-то степени добиться. КПД современных кремниевых полупроводниковых генераторов равен уже 15-24% (смотрите  - Эффективность солнечных элементов и модулей), благодаря чему (а также падению их в цене) сегодня наблюдается устойчивый спрос.

Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.

Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.

В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.

Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.

Солнечные электростанции:

Типы солнечных электростанций

Плавучие солнечные электростанции

Солнечные концентраторы

Солнечная тепловая электростанция в Чили

Концентрированная солнечная технология является одной из сегодняшних возможностей для производства электроэнергии от солнца. Одним из популярных решений промышленных солнечных электростанций такого типа являются тепловые солнечные электростанции башенного типа.

Главное преимущество этой технологии, что он позволяет с помощью щелочных солей накапливать солнечное тепло в тепловом накопителе и впоследствии производить из него электроэнергию даже в ночное время.

Щелочные соли заряжаются в течение дня из так называемого ресивера, в котором концентрируются солнечные лучи. Жидкие соли проходят через ресивер и нагреваются в нем. Впоследствии пар производится путем передачи тепла от соли, которая вращает турбину, производящую электрическую энергию.

В основном в таких солнечных электростанциях хранится тепловая энергия, которая при необходимости преобразуется в электрическую с помощью паровой турбины. Эта технология может в будущем заменить ископаемые источники энергии, такие как уголь или газ.

Энергия солнца

Плюсы

Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.

Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.

Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.

Фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт за год производит порядка 2 млн. кВт.ч. Тем самым предотвращается эмиссия углекислого газа по сравнению с топливной электростанцией в следующих объемах: на газе около 11 тыс. тонн, на нефтепродуктах 1,1-1,5 тыс. тонн, на угле 1,7-2,3 тыс. тонн.

Минусы

К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.

К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.

Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.

Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.

Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.

Солнечный коллектор

Использование

Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.

Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:

  • отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;

  • конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;

  • масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.

Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.

В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.

Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.

Солнечные панели на крыше здания

Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.

И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

В продолжение темы: Развитие солнечной энергетики в мире

Андрей Повный, FB, ВК