Современные солнечные технологии

Солнце — ближайшая к нашей планете звезда, источник жизни, дает возможность родиться и вырасти каждому живому организму на Земле уже в течение нескольких миллиардов лет. Однако над технологическим использованием этого неисчерпаемого источника энергии, человек начал задумываться только в прошлом веке.

В 1883 году Чарльз Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии, основой для которого послужил селен, покрытый тонким слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хотя и в минимальном объеме (около 1%) превращать энергию солнца в электрическую. Именно 1883-й принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Сейчас темпы расширения производства электроэнергии превышают темпы роста населения земли. Сейчас перед энергетикой стоит много проблем, и наиболее острая - проблема ее источников. На сегодня 6 млрд человек на Земле потребляют больше 12 млрд кВт энергии в год, то есть в среднем 2 кВт на человека. Эта энергия получается за счет угля - 26%, нефти - 42%, газа - 20%, гидроэнергии - 4%, ядерной - 5%, других источников - 3%. То есть более 90% энергии мы получаем за счет органических видов топлива - нефти, угля, газа. Эти источники энергии еще называют невозобновляемыми, так скорость их накопления в недрах Земли намного меньше скорости их расходования (примерно в 106 раз).

Человечеству необходимо все больше и больше энергии, получить которую за счет невозобновляемых источников в скором будущем будет трудно или вообще невозможно. Ведь, по разным оценкам, разведанного органического топлива хватит на 30-50 лет. Если учесть так называемые геологические запасы, которые будут своевременно разведанные, а эксплуатация их не задерживается, то, с учетом возрастающего уровня затрат энергии, органического топлива может хватить еще лет на 100-150. Причем только уголь еще долгое время может сохранять свое место в энергетическом балансе. Однако использование его сопровождается высоким уровнем загрязнения атмосферы Земли. Ядерная энергетика, которая сегодня имеет гораздо больше сырьевых ресурсов чем органическое топливо, динамично развивалась в мире за последние 20-30 лет. Но сегодня, по мнению многих специалистов, она уже не может считаться перспективным видом энергии из-за высокого риска радиоактивного загрязнения окружающей среды, проявившегося в серии техногенных аварий и катастроф, особенно во время Чернобыльской трагедии. Поэтому в мире все больше обращают внимание на использование так называемых возобновляемых источников энергии - тепла Земли, энергии ветра, приливов и отливов, биогаза, солнечного излучения и тому подобное. Практически все эти источники энергии полностью обусловлены прямым действием Солнца. Среди указанных источников одним из наиболее перспективных является прямое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию в полупроводниковых солнечных элементах.

Метод прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию является, во-первых, наиболее удобным для потребителя, поскольку получается применяемый вид энергии, и, во-вторых, такой метод считается экологически чистым средством получения электроэнергии в отличие от других, которые используют органическое топливо, ядерное сырье или гидроресурсы. В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур, подъемы, то горькие падения, которые, собственно, заставили общество забыть о «солнечных технологиях» на годы. Но в получении солнечной энергии есть как «за» так и «против».

Положительная сторона. Во-первых, «сырье» - солнечный свет, никогда не закончится. Во-вторых, солнечная энергия является общедоступной, потому что солнце светит на юге и западе, в Африке и Европе.

Отрицательная сторона. Спорным является вопрос абсолютной безопасности этих технологий для окружающей среды. Конечно, это не атомная энергетика и не добыча нефти, газа, однако на этом этапе развития «солнечных» технологий при изготовлении батарей используются вредные вещества, которые тем или иным образом могут навредить природе. Уже готовые образцы (фотоэлементы) содержат ядовитые вещества, такие как свинец, кадмий, галлий, мышьяк. Что касается срока службы преобразователей (30-50 лет), то возникает проблема дальнейшей переработки отживших модулей, а решение вопроса их утилизации до сих пор не найдено. Недостатком процесса добычи энергии является так называемая нестабильность. Солнечные системы не способны работать ночью, а вечером и в утренних сумерках эффективность станций падает в несколько раз. Серьезное влияние создают и погодные факторы. Многие сетуют на относительную дороговизну солнечных элементов, недостаточную эффективность в плане материальных затрат и окупаемости (пока). «Подводным камнем» функционирования современных «солнечных ферм» становится проблема технической поддержки и обслуживания. Разработчики утверждают, что интенсивный нагрев фотоэлементов существенно снижает эффективность системы в целом, поэтому здесь нужно предусматривать решение проблемы организации охлаждения модулей. Также солнечные батареи необходимо периодически чистить от пыли и грязи, а в случае работы с установкой площадью несколько квадратных километров с очисткой могут возникнуть значительные трудности.

Таким образом, в идеальной, на первый взгляд, технологии добычи энергии даже сегодня есть целый ряд недостатков, однако каждый день технологического прогресса сможет искоренять один недостаток за другим, поэтому это вопрос времени.

Несколько ключевых цифр. Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающей на поверхность Земли от нашего светила, очень слабый, например на широте 400 он составляет 0,3 кВт/м² - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы ( 1,4 кВт/м²). Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например небольшой завод, распространены СЭС типа башни с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни. Зеркала, вращаясь, отслеживают перемещения Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Пар, который вырабатывается котлом, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором. Солнечные электростанции мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с «хорошим солнцем» (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных солнечных электростанции (до 100 МВт). Основное препятствие на пути их широкого распространения - высокая себестоимость электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более простых по конструкции и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

В современном мире различают следующие технологии солнечной энергетики

• активные: вместе с преобразователями задействуются механизмы, электромоторы, помпы; солнечная энергия используется для нагрева воды, освещения, вентиляции;
• пассивные: в контурах систем отсутствуют какие-либо механизмы, движущие части; особенностью построения пассивных солнечных структур для организации систем вентиляции, отопления является подбор подходящих по физическим параметрам строительных материалов, специфическая планировка помещения, расположение окон;
• непосредственно «прямые» системы, которые превращают солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа;
• «косвенные» системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии.

В настоящее время принято различать три поколения фотоэлектрических элементов

1. Кристаллические (первое поколение):

• монокристаллические кремниевые;
• поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
• технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film - fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).

2. Тонкопленочные (второе поколение):

• кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass)
• на основе теллурида кадмия (CdTe)
• на основе селенида меди-индию- (галлия) (CI (G) S);

3. ФЭЭ третьего поколения:

• фотосенсибилизованные красителем (dye - sensitizedsolar cell, DSC)
• органические (полимерные) ФЭЭ (OPV)
• неорганические ФЭЭ (CTZSS)
• ФЭЭ на основе каскадных структур.

Энергия солнца получила наибольшее распространение в следующих сферах

1. Системы естественного освещения служат для обустройства офисов и жилых помещений, то есть использование солнечного света в альтернативу ламп и светильников. Оценки показывают, что даже в условиях средних широт для небольшого коттеджа хватит батареи с мощностью в 2 (3) кВт, которая может быть легко размещена на крыше, так как занимает площадь всего 20 (30) м². Известно, что в Украине среднегодовые суммы прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность изменяются от 1080 кВт * ч/м² до 1390 кВт * ч/м². Тогда в зависимости от зоны такая батарея будет производить в год 2200-2800 (3300-4200) кВт * ч. электричества, удовлетворит энергетические потребности (без учета теплоснабжения) семьи на 3-4 человека.

2. «Кухонная» солнечная энергия. В 1767 году Орас Бенедикт де Соссюр для нужд альпинистской деятельности сконструировал печь для приготовления пищи от энергии солнечных лучей. Сегодня усовершенствованные «солнечные» приборы широко используется в развивающихся странах. Нужно сказать, что такие устройства могут стать отличной альтернативой практики сжигания дров и угля, способствуя улучшению экологической ситуации.

3. Солнечные водонагревательные установки. Это системы нагрева воды в резервуарах, в основном для хозяйственных нужд. Впервые такие установки начали продаваться в США в конце XIX в. Солнечные коллекторы пользовались широкой популярностью в разных странах вплоть до 1920 года, пока не были вытеснены дешевыми и практичными горючими жидкостями (бензин, керосин и т.д.). Сегодня мировым лидером по использованию таких установок является Китай, где солнечные коллекторные нагреватели занимают 80% сегмента этого специфического рынка. Отметим, что с технической точки зрения эффективность коллекторов находится на достаточно высоком уровне (87%). Солнечные нагревательные преобразователи служат отличными заменителями газовых колонок в быту, обеспечивая потребителей горячей водой для бассейнов и душевых. Известно, что с помощью особых конструкций коллекторов можно качать воду из глубоких колодцев; сушить фрукты, овощи и даже замораживать продукты. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м² за день может нагревать 50-70 л воды до температуры 80-900 градусов. Коллектор устанавливается на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, длительно (на зимний период) химическими.

4. Гелиоконцентраторы. Это метод фокусировки солнечных лучей и выработки электричества или тепла с использованием системы отражателей - плоских или параболоидных (параболо-цилиндрических) зеркал различных форм и размеров. Такие гелиоустановки редкие из-за дороговизны и сложности изготовления огромных линз для массивов вогнутых зеркал или листов полированного алюминия. Зеркала являются составной частью гелиоконцентратора - установки, которая собирает параллельные солнечные лучи в одной точке для повышения плотности (концентрации) лучистой энергии Солнца, которая принимается. Если в эту точку фокус поместить трубу с теплоносителем (водой или другой жидкостью), она нагреется. Эти системы были построены и эксплуатируются в Испании, Португалии. Преобразованная энергия используется в виде тепла или электроэнергии для различных нужд.

Продолжение следует

Компания СЭА предлагает промышленные солнечные электростанции (СЭС) для организации систем электроснабжения на солнечных батареях для коммерческого использования (для магазина, офиса, предприятия и других коммерческих помещений).

Компания СЭА реализовывает проекты электросистем с использованием в комплектации солнечных панелей разной мощности. Обеспечивает квалифицированный подбор оборудования для разных типов решений и предлагает готовые расчеты энергопотребления для разных регионов Украины. Подключает объект генерации электроэнергии в центральную электросеть с обеспечением продаж электроэнергии по «зеленому тарифу». Предоставляет сервисное сопровождение в течение всего эксплуатационного периода.

Чтобы ознакомиться с подробной информацией, заказать просчет цены, получить квалифицированную консультацию, помощь в выборе и купить солнечные электростанции, фотоэлектрические модули (панели), сетевые, автономные или гибридные инверторы, звоните (044) 330-00-88 или пишите нам на почту: info@sea.com.ua.