Возобновляемые источники энергии. Использование солнечной энергии

     Солнечные батареи

     По  принципу работы солнечная батарея  представляет собой фотоэлектрический  генератор постоянного тока, который  использует эффект преобразования лучистой энергии в электрическую. Точнее, в солнечных батареях использовано свойство полупроводников на основе кристаллов кремния. Кванты света, попадая на пластину полупроводника, выбивают электрон с внешней орбиты атома кремния, что создает достаточное количество свободных электронов для возникновения электрического тока. Однако для того, чтобы напряжения и мощности такого источника было достаточно для применения в хозяйственных целях, одного или двух кремниевых элементов недостаточно. Поэтому их собирают в целые панели, где соединяют параллельно или последовательно для получения необходимых параметров по току и напряжению. При этом площадь таких панелей может составлять он нескольких квадратных сантиметров до нескольких квадратных метров. Увеличивая количество панелей, можно добиться большей производимой мощности. Однако производительность солнечной батареи зависит не только от площади, но также от интенсивности солнечного света и угла падения лучей. Следовательно, производительность солнечной батареи зависит от местности и географической широты, где расположен дом, от погоды и времени года, от времени суток. 

     Кроме того, чтобы система из солнечных  батарей работала и подавала энергию  в сеть, нужно установить ряд дополнительных электроприборов, в частности:

     - инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;

     - аккумуляторную батарею, которая должна накапливать энергию и сглаживать перепады напряжения из-за изменения освещенности;

     - контроллер заряда аккумулятора, который не позволяет аккумулятору перезарядиться или разрядиться раньше времени.   

     Все это в комплексе называется автономной системой энергоснабжения на основании солнечных батарей.

     

     Несмотря  на сравнительно низкий КПД, солнечная  батарея является наиболее эффективным  источником электричества среди  альтернативных и автономных источников питания. Однако ввиду достаточно высокой  стоимости солнечной батареи, а  главное зависимости от погодных условий, их в большинстве случаев  позиционируют не как основной, а  как дополнительный источник питания. Вызвано это двумя причинами: достаточно высокой стоимостью самих  солнечных батарей и сравнительно небольшим выходом энергии с  единицы площади. В ясный солнечный  день с одного квадратного метра  площади солнечной батареи можно  снять максимум 120 Вт мощности. Этого  недостаточно даже для работы компьютера. Поэтому для получения более  весомой мощности солнечные панели объединяют в целые мини-электростанции. С солнечной батареи площадью 10м² можно получать уже более 1 кВт энергии, что может обеспечить работу компьютера, телевизора, нескольких лампочек. В целом, для дома, где живет 3-4 человека (это потребляемая мощность 200-300 кВт в месяц), площади солнечных батарей, скажем, в 20м² в светлое время дня и светлое время года может оказаться достаточно. Как правило, ориентированного на юг участка крыши для установки такой площади солнечной батареи хватит. Если же площадь крыши, ориентированной на юг, составит 40м², то это может при 18-20 солнечных днях дать до 500 кВт в месяц. Однако установка батарей такой площади составит не менее 10 тысяч у.е. 

     Таким образом, очевидные преимущества солнечных батарей:

     - длительный срок службы (25 лет  и более);

     - независимость от технических  неполадок энергопоставляющей организации;

     - крайне низкая вероятность выхода  солнечной батареи из строя;

     - отсутствие необходимости в постоянном  обслуживании;

     - бесплатность самой энергии (однако  после того как в систему  были вложены немалые средства  и она окупилась). 

     Недостатков у солнечных батарей как источника энергии не так уж много, но они, к сожалению, весьма убедительны и конкретны:

     - высокая стоимость и, как следствие,  длительный срок окупаемости;

     - зависимость от погодных условий  (неэффективны в зимнее время);

     - низкий КПД по сравнению с  традиционными источниками энергии  (14%);

     - невозможность использования для  приборов, потребляющих большую  мощность;

     - применение солнечных батарей  требует установки дополнительного  оборудования и наличия помещения  для установки аккумуляторов.

     Цены  на солнечные батареи варьируются  в зависимости от эффективности  работы фотоэлементов и системы  в целом. Естественно, чем больше сама система, тем меньше цена одной  ее составляющей. Панели солнечных  батарей бывают самого разного размера  и мощности. Стоимость наиболее мощных колеблется в диапазоне от 5000 до 6000 гривен. В пересчете с площади  на мощность получается, что сумма  вложений составляет до 40 гривен за 1 Вт получаемой мощности, правда, эта сумма  раскладывается не на один десяток лет. Таким образом, чтобы получать бесплатную солнечную энергию, необходимо инвестировать в установку солнечной электростанции сразу весьма значительную сумму – применительно к частному дому для 3-4 человек это от 10 до 20 тыс. у.е. Это сложнее, чем выплачивать регулярно, но понемногу. Поэтому в большинстве случаев наличие на крыше частного дома солнечных батарей свидетельствует не столько о приверженности к техническому прогрессу и экологичным технологиям, сколько о наличии у владельца значительных сумм на банковском счету. Именно поэтому в европейских странах солнечные батареи встречаются значительно чаще, поскольку там выше покупательная способность. Кроме того, В Европе любой частный домовладелец может сбросить  выработанную его солнечной станцией энергию в региональную сеть. Таким образом, его система может не комплектоваться аккумулятором и контроллером, что значительно снижает стоимость системы. А то электричество, которое было сброшено в общую сеть, государство выкупает по «зеленому» тарифу, который значительно превышает действующие тарифы на обычное электричество. Таким образом, система является экономически выгодной для владельца дома. 

     В силу всего перечисленного ситуаций, когда бы солнечная электростанция однозначно себя оправдывала, на практике не так уж много, но они есть. Одним  из случаев, когда солнечные батареи  выгодны, является ситуация, когда в  доме или на ином объекте лимитировано энергопотребление ввиду недостатка мощности. Оправдано применение солнечных  батарей в случаях, когда дом  настолько удален от трансформаторной подстанции (более 10-15 километров), что  протяжка к нему кабелей или проводов окажется соизмеримой по стоимости  с самостоятельным источником энергии. Имеет смысл применение солнечной  электростанции и в том случае, когда необходимо обеспечить бесперебойное  питание какой-либо системы, например, охранной сигнализации или компьютерной сети. Конечно, рентабельность и окупаемость  систем на основании солнечных батарей тем выше, чем больше солнечных дней в году в данной местности, например, в южных районах, в Крыму, на высокогорных плато, где небо большую часть дня свободно от облаков.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Солнечный коллектор

     Эти устройства сегодня представляют собой  наиболее распространённый тип солнечных  преобразователей. Работа устройства осуществляется при температуре  от ста до двухсот градусов.

     Говорить  о применении этих установок можно  бесконечно. Уже в наши дни солнечные коллекторы выполняют огромный диапазон работы. При помощи коллекторов подогревают еду, избавляют от соли, добывают воду из колодцев. Посредством концентрированной солнечной энергии можно сушить овощи или фрукты, а также замораживают продукты.

     Следует сказать, что главное преимущество использования теплового солнечного преобразователя заключается в  обеспечении высокого КПД. Так, последние разработки позволяют говорить о сорока пяти и даже шестидесяти процентах. Кстати, уровень эффективности тепловых гелиоприёмников можно повысить путём их дополнения специальными зеркальными поверхностями.

     Главная функция такой поверхности –  концентрировать поступающее излучение. Если рассматривать эти устройства как средство обеспечения энергией жилого дома, то наиболее практичными  обещают быть так называемые фоконы.

     Речь  идёт о плоских солнечных элементах  с линейными концентраторами. Это  приспособление представлено в виде V-образной формы. Кстати, прибор может  быть не только плоским, но и параболоидным. Конечно, такая усовершенствованная конструкция обойдётся потребителю гораздо дороже, но и эффект будет соответствующим.

     Для домашних нужд прекрасно подойдёт коллектор, выполняющий роль водонагревателя. В состав конструкции входят коробка  со змеевиком, бак с холодной водой, бак-аккумулятор и трубы.

     Главное – правильно установить коробку. Она должна находиться под углом  в 30-50 градусов и быть направлена на юг. Холодная вода находится в нижней части коробки, она нагревается и вытесняется поступающей холодной водой, поступает в бак-аккумулятор.

     Производительность  установки в течение дня составляет около двух кВт/ч с каждого квадратного метра. Вода может нагреваться до шестидесяти или семидесяти градусов, что позволяет использовать её в самых разных целях (отопление, душ и т.д.).

     Также устройство может похвастаться высоким  КПД. Обычно он достигает сорока процентов. Принцип работы солнечных коллекторов  во многом напоминает принцип теплиц. Такие коллекторы могут изготавливаться  из разных материалов – дерева, металла, пластика. С одной стороны они закрываются одинарным или двойным стеклом. Чтобы обеспечить полное поглощение солнечных лучей, в короб вставляют лист из металла. Как правило, этот лист окрашивается в чёрный цвет. Коробка содержит воздух или воду, которые нагреваются и затем поступают в бак посредством действия вентилятора или насоса.

     Преимущества  использования солнечных  коллекторов

     Важнейшее достоинство солнечных коллекторов  — простота и относительная дешевизна  их изготовления, неприхотливость в  эксплуатации.

     Необходимый минимум для того, чтобы сделать  коллектор своими руками — это  несколько метров тонкой трубы (желательно медной тонкостенной — её можно  согнуть с минимальным радиусом) и немного чёрной краски, хотя бы битумного лака.

     Единственное  важное замечание — необходимо учитывать, что в жаркий солнечный день при  отсутствии разбора вода может перегреться  выше температуры кипения, поэтому  в конструкции необходимо принять  соответствующие меры предосторожности (если не закрывать трубу стеклом, то перегрева обычно можно не опасаться).

     Другое, не менее важное достоинство, заключается  в том, коллектор способен уловить  и преобразовать в тепло более 90% попавшего на него солнечного излучения. Даже при лёгкой облачности его КПД превосходит КПД батарей других типов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Фотоэлемент

     Фотоэлемент — электронный  прибор, который преобразует энергию  фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем  фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. 

Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния

 

     Преобразование  энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом  эффекте, который возникает в  неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

     Неоднородность  структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

     Эффективность преобразования зависит от электрофизических  характеристик неоднородной полупроводниковой  структуры, а также оптических свойств  ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

     Основные  необратимые потери энергии в  ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• и некоторыми другими физическими процессами.

     Для уменьшения всех видов потерь энергии  в ФЭП разрабатываются, и успешно  применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;