≡×МЕНЮ

• Здоров'я
• Вагітність
• Діти
• Відносини
• Пологи

Що таке сонячна енергія? Як використовують сонячну енергію Сонячна енергетика приклади.

Люди вже не уявляють життя без електрики, і з кожним роком потреба в енергії дедалі більше зростає, тоді як запаси енергоресурсів таких нафту, газ, вугілля стрімко скорочуються. У людства не залишається інших варіантів, як використання альтернативних джерел енергії. Одним із способів одержання електроенергії є перетворення сонячної енергії за допомогою фотоелементів. Те, що можна використовувати енергію сонця, люди дізналися відносно давно, але активно розвивати почали лише в останні 20 років. За Останніми рокамизавдяки дослідженням, що не припиняються, використанню новітніх матеріалів і креативних конструкторських рішень вдалося значно збільшити продуктивність сонячних батарей. Багато хто вважає, що в майбутньому людство зможе відмовитися від традиційних способів отримання електроенергії на користь сонячної енергії та отримувати її за допомогою сонячних електростанцій.

Сонячна енергетика

Сонячна енергетика одне із джерел отримання електроенергії не традиційним способомтому відноситься до альтернативних джерел енергії. Сонячна енергетика використовує сонячне випромінювання і перетворює його на електрику чи інші види енергії. Сонячна енергія не лише екологічно чистим джерелом енергії, т.к. при перетворенні сонячної енергії не виділяється шкідливих побічних продуктів, але ще енергія сонця самовідновлюється джерело альтернативної енергії.

Як працює сонячна енергетика

Теоретично розрахувати, скільки можна отримати енергії від потоку сонячної енергії нескладно, давно відомо, що пройшовши відстань від Сонця до Землі і падаючи на поверхню площею 1 м 2 під кутом 90 °, сонячний потік на вході в атмосферу несе в собі енергетичний заряд 1367 Вт/ м, це так звана сонячна постійна. Це ідеальний варіант при ідеальних умовах, Яких знаємо досягти практично не можливо. Таким чином після проходження атмосфери максимальний потік який можна отримати буде на екваторі і буде становити 1020 Вт/м², але середньодобове значення, яке ми зможемо отримати, буде в 3 рази менше через зміну дня і ночі та зміни кута падіння сонячного потоку. А в помірних широтах до зміни дня і ночі додається ще й зміна пір року, а з ним і зміна тривалості світлового дня, тому в помірних широтах кількість енергії, що отримується, скоротиться ще в 2 рази.

Розвиток та розповсюдження сонячної енергетики

Як ми всі знаємо, останні кілька років розвиток сонячної енергетики з кожним роком все більше набирає темпи, але спробуємо простежити динаміку розвитку. У далекому 1985 році світові потужності, що використовують сонячну енергію, становили лише 0,021 ГВт. 2005 року вони вже становили 1,656 ГВт. 2005 вважають переломним у розвитку сонячної енергетики, саме з цього року люди почалося активно цікавитися дослідженнями та розвитком електросистем працюючих на сонячній енергії. Далі динаміка не залишає сумнівів (2008-15,5 ГВт, 2009-22,8 ГВт, 2010-40 ГВт, 2011-70 ГВт, 2012-108 ГВт, 2013-150 ГВт, 2013-150 ГВт). Пальму першості у використанні сонячної енергії тримають країни Євросоюзу та США, у виробничій та експлуатаційній сфері лише у США та Німеччині зайнято понад 100 тис. людей у ​​кожній. Також своїми досягненнями в освоєнні сонячної енергії можуть похвалитися Італія, Іспанія і, звичайно ж, Китай, який якщо і не є лідером в експлуатації сонячних елементів, то як виробник фотоелементів з року в рік збільшує темпи виробництва.

Переваги та недоліки використання сонячної енергії

Переваги: 1) екологічність-не забруднює довкілля; 2) доступність-фотоелементи доступні у продажу не лише для промислового використання, а й для створення приватних міні сонячних електростанцій; 3) невичерпність та саме відновлюваність джерела енергії; 4) собівартість виробництва електроенергії, що постійно знижується.
Недоліки: 1) впливом геть продуктивність погодних умовта часу доби; 2) для збереження енергії необхідно акумулювати енергію; 3) менша продуктивність у помірних широтах через зміну пір року; 4) значне нагрівання повітря над сонячною електростанцією; 5) потреба періодично очищати поверхню фотоелементів від забруднення, а це проблематично через величезні площі, що займаються під установку фотоелементів; 6) також можна сказати про відносно високу вартість обладнання, хоч з кожним роком собівартість знижується, поки говорити про дешеву сонячну енергію не доводиться.

Перспективи розвитку сонячної енергетики

На сьогоднішній день розвитку сонячної енергетики пророкують велике майбутнє, з кожним роком все більше будуються нові сонячні електростанції, які вражають своїми масштабами та технічними рішеннями. Також не припиняються наукові дослідження, спрямовані на збільшення ККД фотоелементів. Вчені вважають, що якщо покрити суходіл планети Земля на 0,07%, з ККД фотоелементів у 10%, то енергії вистачить більш ніж на 100% забезпечення всіх потреб людства. На сьогоднішній день вже використовуються фотоелементи з ККД у 30%. За дослідницькими даними відомо, що амбіції вчених обіцяють довести його до 85%.

Сонячні електростанції

Сонячні електростанції це спорудження завданням, яких є перетворювати потоки сонячної енергії на електричну енергію. Розміри сонячних електростанцій можуть бути різними, починаючи від приватних міні електростанцій з кількома сонячними панелями і закінчуючи величезними, що займають площу понад 10 км.

Які бувають сонячні електростанції

З часу будівництва перших сонячних електростанцій пройшло досить багато часу, за який було здійснено безліч проектів та застосовано чимало цікавих конструкційних рішень. Прийнято ділити всі сонячні електростанції на кілька типів:
1. Сонячні електростанції баштового типу.
2. Сонячні електростанції, де сонячні батареї є фотоелементами.
3. Тарілчасті сонячні електростанції.
4. Параболічні сонячні електростанції.
5. Сонячні електростанції сонячно-вакуумного типу.
6. Сонячні електростанції змішаного типу.

Сонячні електростанції баштового типу

Дуже поширений тип конструкції електростанції. Є високою баштовою конструкцією на вершині, якою розташований резервуар, з водою пофарбований у чорний колір для кращого притягування відбитого сонячного світла. Навколо вежі по колу розташовані великі дзеркала площею понад 2 м², всі вони підключені до єдиної системи управління, яка стежить за зміною кута нахилу дзеркал, щоб вони завжди відображали сонячне світлоі направляли його прямісінько на резервуар з водою розташований на верхівці вежі. Таким чином, відбите сонячне світло нагріває воду, яка утворює пару, а потім ця пара за допомогою насосів подається на турбогенератор де і відбувається вироблення електроенергії. Температура нагрівання бака може досягати 700 °C. Висота вежі залежить від розмірів і потужності сонячної електростанції і, як правило, починається від 15 м, а висота найбільшої на сьогоднішній день становить 140 м. Такий тип сонячних електростанцій дуже поширений і віддається перевагу багатьом країнам за свій високий ККД в 20%.

Сонячні електростанції фотоелементного типу

Використовують для перетворення сонячного потоку на електрику фотоелементи (сонячні батареї). Даний тип електростанцій став дуже популярним завдяки можливості використання сонячних батарей невеликими блоками, що дозволяє застосовувати сонячні батареї для забезпечення електроенергією як приватних будинків, так і великих промислових об'єктів. Тим більше, що ККД з кожним роком зростає і на сьогоднішній день вже існують фотоелементи з ККД 30%.

Параболічні сонячні електростанції

Цей тип сонячної електростанції має вигляд величезних супутникових антен, внутрішня сторона яких покрита дзеркальними пластинами. Принцип, за яким відбувається перетворення енергії, схожий з баштовими станціями з невеликою відмінністю, параболічна форма дзеркал обумовлює, що сонячні промені, відбиваючись від усієї поверхні дзеркала, концентруються в центрі, де розташований приймач з рідиною, яка нагрівається, утворюючи пару, яка у свою черга є рушійною силою для невеликих генераторів.

Тарілчасті сонячні електростанції

Принцип роботи та спосіб отримання електроенергії ідентичний сонячним електростанціям баштового та параболічного типу. Відмінність становить лише конструктивні особливості. На стаціонарній конструкції трохи схожою на гігантське металеве дерево, на якому розвішано круглі плоскі дзеркала, які концентрують сонячну енергію на приймачі.

Сонячні електростанції сонячно-вакуумного типу

Це дуже незвичайний спосібвикористання енергії сонця та різниці температур. Конструкція електростанції складається з покритої скляним дахом ділянки землі круглої формиз вежею в центрі. Башта всередині порожниста, в її підставі розташовані кілька турбін, які обертаються завдяки потоку повітря, що виникає через різницю температур. Через скляний дах сонце нагріває землю і повітря всередині приміщення, а із зовнішнім середовищем будівля повідомляється трубою і так як поза приміщенням температура повітря значно нижча, то створюється повітряна тяга, яка збільшується зі зростанням різниці температур. Таким чином, вночі турбіни виробляють електроенергії більше, ніж вдень.

Сонячні електростанції змішаного типу

Це коли на сонячних електростанціях певного типу як допоміжні елементи використовують, наприклад сонячні колектори для забезпечення об'єктів гарячою водою та теплом або можливе використання одночасно на електростанції баштового типу ділянок фотоелементів.

Сонячна енергетика розвивається високими темпами, люди, нарешті, то всерйоз замислилися про альтернативні джерела енергії, щоб попередити енергетичну кризу, що неминуче насувається, і екологічну катастрофу. Хоча лідерами в сонячній енергетиці, як і раніше, залишаються США та Євросоюз, але всі інші світові держави поступово починають переймати та використовувати досвід та технології виробництва та використання сонячних електростанцій. Можна не сумніватися, що рано чи пізно сонячна енергія стане основним джерелом енергії Землі.

Варіанти використання сонячної енергії у господарській діяльності

Енергія сонця є потік фотонів і має величезне значення для всього живого на нашій планеті. Сонце забезпечує існування життя Землі, впливаючи на основні процеси в біосфері. Завдяки сонцю нагріваються моря, річки, поверхня планети, дме вітер тощо. Людина вже давно почала використовувати світло від сонця у своїй господарській діяльності. Але альтернативна енергетика оформилася як самостійна галузь нещодавно. Тим часом сонячна енергія грає дедалі більше важливу рольу господарській діяльності. Як джерело тепла сонце використовується давно, а останнім часом з'являється велика кількістьпристроїв та систем для цього. Сьогодні ми поговоримо про те, як людина використовує сонячну енергію.

Використання сонячної енергії щорічно зростає. Нещодавно енергія сонця використовувалася для нагрівання води на дачі в літньому душі. А сьогодні різні установки вже використовуються для обігріву приватних будинків у градирнях. Сонячні батареї виробляють електрику, необхідну забезпечення енергією невеликих селищ.

На даний момент можна назвати такі сфери використання сонячної енергії:

• Авіація та космічна галузь;
• Сільське господарство. Опалення та забезпечення електрикою теплиць, ангарів та інших господарських будівель;
• Використання в побуті (опалення та електрифікація житлових будинків);
• Електропостачання об'єктів медицини та спорту;
• використання сонячної енергії для освітлення міських об'єктів;
• Електрифікація невеликих населених пунктів.

Використання перших зразків сонячних модулів підтвердило, що енергія сонця має суттєві плюси, порівняно з традиційними джерелами. Основні переваги геліосистем - це практично необмежений запас, відсутність шкоди навколишньому середовищу, а також безкоштовне використання.

Цей список плюсів варто розширити:

• Стабільне харчування, оскільки струм від геліобатарів немає стрибків напруги;
• Автономна робота геліосистем. Для них не потрібна зовнішня інфраструктура;
• Термін служби понад 20 років;
• Геліосистеми практичні та прості в експлуатації. Основні вкладення роблять під час монтажу.

До недоліків варто віднести сильну залежність ефективності роботи від інтенсивності променів сонця та відсутність вироблення електроенергії ночами. Щоб вирішити цю проблему, такі системи працюють у зв'язку з акумуляторами.

Особливості використання сонячної енергії

Фотоенергія випромінювання сонця перетворюється на фотоелектричних елементах. Це двошарова структура, що складається з двох напівпровідників різного типу. Напівпровідник унизу – це p-тип, а верхній – n-тип. У першого брак електронів, а у другого – надлишок.

Електрони напівпровідника n-типу поглинають сонячне випромінювання, у результаті електрони у ньому сходять із орбіти. Сили імпульсу вистачає переходу в напівпровідник p-типа. В результаті виникає спрямований потік електроном та генерується електрика. При виробництві фотоелементів використовують кремній.

На сьогоднішній день випускаються кілька видів фотоелементів:

• Монокристалічні. Вони випускаються з монокристалів кремнію та мають рівномірну кристалічну структуру. Серед інших типів виділяються найвищим ККД (близько 20 відсотків) та збільшеною вартістю;
• Полікристалічні. Структура полікристалічна, менш рівномірна. Коштують дешевше та мають ККД від 15 до 18 відсотків;
• Тонкоплівкові. Ці фотоелементи виготовлені напиленням на гнучку підкладку аморфного кремнію. Такі фотоелементи найдешевші, але й ККД у них залишає бажати кращого. Вони використовуються при виробництві.

Теплові колектори

Ці пристрої використовують випромінювання сонця для перетворення його на тепло. Можна виділити такі основні види колекторів:

Плоскі. Вони найпоширеніші. Їх використовують як для опалення, так гарячого водопостачання. Зазвичай такі колектори використовують лише влітку, оскільки взимку їхня ефективність різко падає. Про виготовлення таких можна прочитати за посиланням;

• Вакуумні. Сфера їхнього використання, як і в плоских. Але вони використовуються, коли потрібна гаряча вода вищої температури. Вони трубки теплообмінника перебувають у вакуумі всередині скляних трубок. Усередині циркулює теплоносій. Як правило, такі установки виготовляються на виробництві, а не в домашніх умовах. Вони функціонують цілий рік, навіть у російському кліматі;
• Повітряні. Сфера використання таких пристроїв – це повітряне опалення та осушувальні установки. Можуть використовуватись при температурі на вулиці не нижче 5-10 градусів Цельсія;
• Інтегровані колектори. Найбільш проста конструкція. Це спеціальні баки із теплоізоляцією, де нагрівається вода. Надалі вона використовується на господарські потреби.

Найчастіше всі ці установки встановлюються на дахах або фасадах будівель. Іноді для них виділяється майданчик, де є максимальне сонячне освітлення.

Ми живемо у світі майбутнього, хоч не у всіх регіонах це помітно. У будь-якому разі можливість розвитку нових джерел енергії сьогодні всерйоз обговорюється у прогресивних колах. Одним із найперспективніших напрямків виступає сонячна енергетика.

На даний момент близько 1% електроенергії на Землі утворюється внаслідок переробки сонячного випромінювання. То чому ми досі не відмовилися від інших «шкідливих» способів і чи відмовимося взагалі? Пропонуємо ознайомитися з нашою статтею та спробувати самостійно відповісти на це запитання.

Як сонячна енергія перетворюється на електрику

Почнемо з найважливішого – яким чином сонячні промені переробляються на електроенергію.

Сам процес має назву Сонячна генерація . Найбільш ефективні шляхи його забезпечення такі:

• фотовольтарика;
• геліотермальна енергетика;
• сонячні аеростатні електростанції.

Розглянемо кожен із них.

Фотовольтарика

У цьому випадку електричний струм з'являється внаслідок фотовольтаричного ефекту. Принцип такий: сонячне світло потрапляє на фотоелемент, електрони поглинають енергію фотонів (часток світла) і починають рухатися. У результаті ми отримуємо електричну напругу.

Саме такий процес відбувається у сонячних панелях, основу яких складають елементи, що перетворюють сонячне випромінювання на електрику.

Сама конструкція фотовольтаричних панелей досить гнучка і може мати різні розміри. Тому у використанні вони дуже практичні. До того ж панелі мають високі експлуатаційні властивості: стійкі до дії опадів та перепадів температур.

А ось як влаштований окремий модуль сонячної панелі:

Про застосування сонячних батарей як зарядних пристроїв, джерел живлення в приватних будинках, для облагородження міст і в медичних цілях можна почитати в .

Сучасні сонячні панелі та електростанції

З недавніх прикладів можна відзначити сонячні панелі компанії SistineSolar. Вони можуть мати будь-який відтінок та текстуру на відміну від традиційних темно-синіх панелей. А це означає, що ними можна «оформити» дах будинку так, як Вам заманеться.

Інше рішення запропонували розробники Tesla. Вони випустили у продаж не просто панелі, а повноцінний покрівельний матеріал, що переробляє сонячну енергію. містить вбудовані сонячні модулі і може мати найрізноманітніше виконання. При цьому сам матеріал набагато міцніший за звичайну покрівельну черепицю, у Solar Roof навіть гарантія нескінченна.

Як приклад повноцінної СЕС можна навести нещодавно збудовану в Європі станцію з двосторонніми панелями. Останні збирають як пряме сонячне випромінювання, і відбиває. Це дозволяє підвищити ефективність сонячної генерації на 30%. Ця станція має виробляти на рік близько 400 МВт*год.

Інтерес викликає і найбільша плавуча СЕС у Китаї. Її потужність складає 40 МВт. Подібні рішення мають 3 важливі переваги:

• немає потреби займати великі наземні території, що є актуальним для Китаю;
• у водоймах зменшується випаровування води;
• самі фотоелементи менше нагріваються та працюють ефективніше.

До речі, ця плавуча СЕС була побудована на місці покинутого вугледобувного підприємства.

Технологія, заснована на фотовольтаричному ефекті, є найперспективнішою на сьогодні, і, за оцінками експертів, сонячні панелі вже в найближчі 30-40 років зможуть виробляти близько 20% світової потреби електроенергії.

Геліотермальна енергетика

Тут підхід трохи інший, т.к. Сонячне випромінювання використовується для нагрівання посудини з рідиною. Завдяки цьому вона перетворюється на пару, яка обертає турбіну, що призводить до вироблення електрики.

За таким же принципом працюють теплові електростанції, тільки рідина нагрівається у вигляді спалювання вугілля.

Найбільш наочний приклад використання цієї технології – це станція Іванпа Солару пустелі Мохаві. Вона є найбільшою у світі сонячною геліотермальною електростанцією.

Працює вона з 2014 року та не використовує жодного палива для виробництва електрики – лише екологічно чиста сонячна енергія.

Котел з водою розташований у вежах, які Ви можете бачити в центрі конструкції. Навколо розташоване поле із дзеркал, що спрямовують сонячні промені на вершину вежі. У цьому комп'ютер постійно повертає ці дзеркала залежно від розташування сонця.

Сонячне світло концентрується на вежі

Під впливом концентрованої сонячної енергії вода у вежі нагрівається і стає парою. Так виникає тиск, і пара починає обертати турбіну, внаслідок чого виділяється електрика. Потужність цієї станції – 392 мегават, що цілком можна порівняти із середньою ТЕЦ у Москві.

Цікаво, що такі станції можуть працювати і вночі. Це можливо завдяки приміщенню частини розігрітої пари в сховищі та поступовому його використанні для обертання турбіни.

Сонячні аеростатні електростанції

Це оригінальне рішенняхоч і не набуло широкого застосування, але все ж таки має місце бути.

Сама установка складається з 4 основних частин:

• Аеростат – розташовується у небі, збираючи сонячне випромінювання. Всередину кулі надходить вода, яка швидко нагрівається, стаючи парою.
• Паропровод – по ньому пара під тиском спускається до турбіни, змушуючи її обертатися.
• Турбіна - під впливом потоку пари вона обертається, виробляючи електричну енергію.
• Конденсатор і насос - пара, що пройшла через турбіну, конденсується у воду і піднімається в аеростат за допомогою насоса, де знову розігрівається до пароподібного стану.

У чому переваги сонячної енергетики

• Сонце даватиме нам свою енергію ще кілька мільярдів років. При цьому людям не потрібно витрачати кошти та ресурси для її видобутку.
• Генерація сонячної енергії – повністю екологічний процес, який не має ризиків для природи.
• Автономність процесу. Збір сонячного світла та вироблення електроенергії відбувається з мінімальною участю людини. Єдине, що потрібно робити, це стежити за чистотою робочих поверхонь чи дзеркал.
• Сонячні панелі, що виробили свій ресурс, можуть бути перероблені і знову використані у виробництві.

Проблеми розвитку сонячної енергетики

Незважаючи на реалізацію ідей щодо підтримки роботи сонячних електростанцій у нічний час, ніхто не застрахований від капризів природи. Затягнуте хмарами небо протягом кількох днів значно знижує вироблення електрики, адже населенню та підприємствам необхідна його безперебійна подача.

Будівництво сонячної електростанції – задоволення не з дешевих. Це зумовлено необхідністю застосовувати рідкісні елементи у їх конструкції. Не всі країни готові витрачати бюджети на менш потужні електростанції, коли є робітники ТЕС та АЕС.

Для розміщення таких установок потрібні великі площі, причому в місцях, де сонячне випромінювання має достатній рівень.

Як розвинена сонячна енергетика у Росії

На жаль, у нашій країні поки що на всю палю вугілля, газ і нафту, і напевно Росія буде серед останніх, хто повністю перейде на альтернативну енергетику.

На сьогоднішній день сонячна генерація складає всього 0,03% енергобалансу РФ. Для порівняння у тій же Німеччині цей показник становить понад 20%. Приватні підприємці не зацікавлені у вкладенні коштів у сонячну енергетику через довгу окупність і не таку високу рентабельність, адже газ у нас обходиться набагато дешевше.

У економічно розвинених Московській та Ленінградській областях сонячна активність на низькому рівні. Там будівництво сонячних електростанцій просто недоцільне. А ось південні регіони досить перспективні.

Енергія сонця – це лише потік фотонів. І водночас це – один із основних чинників, які забезпечують саме існування життя в нашій біосфері. Тому цілком природно, що сонячне світло активно використовується людиною не тільки в кліматичному аспекті, а й як альтернативне джерело енергії.

Де використовується сонячна енергія

Сфера застосування енергії сонця дуже широка, і з кожним роком вона стає дедалі більшою. Так, ще зовсім недавно дачний душ із сонячним нагрівачем сприймався як щось незвичайне, а можливість використання сонячного світла для домашніх електромереж взагалі здавалася фантастикою. Сьогодні ж нікого не здивуєш не лише автономною геліостанцією, а й мобільними зарядками на сонячних батареях і навіть дрібною технікою (наприклад годинником), що працює на фотогальванічному ефекті.

Загалом використання сонячної енергії дуже затребуване в таких областях, як:

• Сільське господарство;
• Енергопостачання санаторіїв та пансіонатів;
• Космічна галузь;
• Природоохоронна діяльність та екотуризм;
• Електрифікація віддалених та складнодоступних регіонів;
• Вуличне, садове та декоративне освітлення;
• Сфера ЖКГ (ГВП, прибудинкове освітлення);
• Мобільна техніка (гаджети та зарядні модулі на сонячних батареях).

Раніше енергія сонця використовувалася головним чином у космічній галузі (енергопостачання супутників, станцій тощо) та в промисловості, але згодом альтернативну енергетику почали активно розвивати й у побуті. Одними з перших об'єктів, оснащених сонячними установками, стали південні пансіонати та санаторії, особливо розташовані у відокремлених районах.

Сонячні установки та їх переваги

Успішне застосування перших геліомодулів довело, що енергія сонячних променів має масу переваг перед традиційними джерелами. Раніше головними перевагами геліоустановок називали лише екологічність та невичерпність (а також безкоштовність) сонячного світла.

Але насправді список переваг набагато ширший:

• Автономність, оскільки не потрібно жодних зовнішніх енергокомунікацій;
• Стабільність подачі живлення, в силу специфіки сонячний струм не схильний до стрибків напруги;
• Економічність, оскільки кошти витрачаються лише один раз, під час монтажу установки;
• Солідний ресурс експлуатації (понад 20 років);
• Всесезонне використання, сонячні установки ефективно працюють навіть у морози та хмарну погоду (з незначним зниженням ККД);
• Простота та зручність сервісного обслуговування, оскільки потрібно лише зрідка очищати лицьові сторони панелей від забруднень.

Єдиним недоліком можна назвати лише залежність від сонця і той факт, що такі установки не працюють уночі. Але ця проблема вирішується за рахунок підключення спеціальних акумуляторів, в яких накопичується енергія сонячного світла, що вироблена за день.

Фотоенергія

Фотоенергія – це один із двох способів використання випромінювання сонця. Це постійний струм, що виробляється під впливом сонячних променів. Відбувається таке перетворення в так званих фотоосередках, які, по суті, є двошаровою структурою з двох напівпровідників різного типу. Нижній напівпровідник відноситься до p-типу (з нестачею електронів), верхній - до n-типу з надлишком електронів.

Електрони n-провідника поглинають енергію променів сонця, що падають на них, і залишають свої орбіти, причому енергетичного імпульсу достатньо для того, щоб вони перейшли в зону p-провідника. У цьому утворюється спрямований електронний потік, званий фотострумом. Інакше кажучи, вся структура працює як своєрідні електроди, у яких під впливом сонця генерується електроенергія.

Для виробництва таких фотоосередків застосовують кремній. Пояснюється це тим, що кремній по-перше, набув значного поширення, а по-друге, його промислова обробка не вимагає великих витрат.

Фотоосередки з кремнію бувають:

• Монокристалічні. Виготовляються з монокристалів та відрізняються рівномірною структурою з трохи вищим ККД (приблизно 20%), але при цьому дорожче коштують.
• Полікристалічні. Мають нерівномірну структуру за рахунок використання полікристалів і дещо нижчий ККД (15-18%), але набагато дешевше моноваріантів.
• Тонкоплівковими. Виготовляються методом напилення аморфного кремнію на тонкоплівкову підкладку. Відрізняються гнучкою структурою та найнижчою собівартістю виробництва, проте мають вдвічі більше габарити в порівнянні з кристалічними аналогами тієї ж потужності.

Сфери застосування кожного типу осередків дуже великі та визначаються їх експлуатаційними особливостями.

Сонячні колектори

Геліоколектори також використовуються як перетворювачі сонячної енергії, але принцип їх дії зовсім інший. Вони перетворюють падаюче світло над електричну, а теплову енергію з допомогою нагрівання рідкого теплоносія. Застосовують їх або для ГВП або для опалення будинків. Головний елемент будь-якого колектора - абсорбер, він же теплопоглинач. Абсорбер являє собою плоску пластину, або трубчасту вакуумовану систему, всередині якої циркулює теплоносій (це або проста вода, або антифриз). Причому абсорбер обов'язково фарбується у чорний колір спеціальною фарбоюзбільшення коефіцієнтів поглинання.

Саме за типом абсорберів колектори ділять на плоскі та вакуумні. У плоских теплопоглинач виконують у вигляді металевої пластини, до якої знизу припаяний металевий змійовик з теплоносієм. У вакуумних абсорберів виготовляється їх кількох з'єднаних між собою на кінцях скляних трубок. Трубки роблять подвійними, між стінками утворюють вакуум, а всередині поміщають стрижень з теплоносієм. Усі стрижні повідомляються між собою за допомогою спеціальних з'єднувачів у місцях стиків труб.

Абсорбери обох типів поміщають у міцний легкий корпус (зазвичай – з алюмінію чи ударостійких пластиків) та надійно теплоізолюють від стінок. Лицьова сторона корпусу закривається прозорим ударостійким склом з максимальною проникністю для фотонів. Це забезпечує найкраще поглинання сонячної енергії.

Особливості функціонування

Принцип роботи обох типів колекторів аналогічний. Нагріваючись у колекторі до високих температур, теплоносій проходить по сполучних шлангах теплообмінний бак, який наповнений водою. Через бак він проходить по змієподібній трубці, віддаючи своє тепло воді. Охолоджений теплоносій виходить із бака і подається назад у колектор. По суті, це своєрідний «сонячний» кип'ятильник», тільки замість нагрівальної спіралі використовується змійовик у баку, а замість електромережі – сонячне світло.

Конструктивні відмінності визначають і різницю у застосуванні вакуумних та плоских колекторів. Використання сонячного випромінювання за допомогою вакуумних моделей можливе цілий рік, у тому числі і взимку, і в міжсезоння. Плоскі ж варіанти краще працюють у літній період. Однак вони дешевші і простіші за вакуумні, тому оптимально підходять саме для сезонних цілей.

Сонячна енергія у містах (екодому)

Геліоенергетика активно застосовується не лише для приватних будинків, а й для міських будівель. Як людина використовує сонячну енергію у мегаполісах, здогадатися не складно. Вона також застосовується для обігріву та ГВП будівель, причому нерідко цілих кварталів.

В останні роки активно розвиваються та втілюються концепції екодомів, що повністю працюють на альтернативних джерелах енергії. Вони використовуються комбіновані системи, щоб забезпечити ефективне отримання сонячної, вітрової і теплової енергії землі. Нерідко такі будинки не тільки повністю покривають свої енергетичні потреби, а й передають надлишки до міських мереж. Причому зовсім недавно проекти таких екобудівель з'явилися і в Росії.

Геліостанції та їх види

У південних регіонах з високою інсоляцією будують не просто окремі геліоустановки, а й цілі станції, що виробляють енергію в промислових масштабах. Кількість сонячної енергії, яку вони виробляють, дуже велика і багато країн з відповідним кліматом вже почали поступовий переведення всієї енергосистеми на такий альтернативний варіант. За принципом роботу станції ділять на фототермічні та фотоелектричні. Перші працюють за методом колекторів та подають у будинки розігріту воду для ГВП, другі ж виробляють безпосередньо електрику.

Існує кілька видів геліостанцій:

• Баштові. Дозволяють отримувати наднагріту водяну пару, що подається на генератори. У центрі станції базується вежа з водяним резервуаром, навколо неї розміщують геліостати (дзеркальні), які фокусують промені на резервуарі. Це досить ефективні станції, головний їхній недолік – складність точного позиціонування дзеркал.
• Тарілчасті. Складаються з приймача геліоенергії та відбивача. Відбивач – тарілкоподібне дзеркало, що концентрує випромінювання на приймачі. Такі концентратори сонячної енергії розташовуються на невеликій відстані від приймача, а їх кількість визначається необхідною потужністю установки.
• Параболічні. Трубки з теплоносієм (зазвичай маслом) поміщають у фокусі довгого параболічного дзеркала. Розігріте масло віддає тепло воді, та закипає та обертає генератори.
• Аеростатні. По суті, це найефективніші та мобільні геліостанції на Землі. Їх головний елемент– аеростат з фотоелектричним шаром, наповнений водяною парою. Він піднімається високо в атмосферу (зазвичай вище за хмари). Розігріта пара з кулі по гнучкому паропроводу подається на турбіну, на виході з неї конденсується і вода піднімається насосом назад в кулю. Потрапивши у кулю, вода випаровується і цикл продовжується.
• На фотобатареях. Це вже звичні для всіх установки на сонячних батареях, які використовуються для приватних будинків. Вони забезпечують отримання електроенергії та підігрів води у необхідних обсягах.

Сьогодні різного роду геліостанції (у тому числі й комбіновані, що об'єднують кілька типів) відіграють дедалі більшу роль у енерговиробленні багатьох країн. А деякі держави перебудовують свою енергетику таким чином, щоб за кілька років взагалі практично повністю перейти на альтернативні системи.

Принцип перетворення сонячної енергії, її застосування та перспективи

У світі дедалі менше традиційних джерел енергії. Запаси нафти, газу, вугілля виснажуються і йде до того, що рано чи пізно вони закінчаться. Якщо до цього часу не знайти альтернативних джерел енергії, то людство чекає на катастрофу. Тому у всіх розвинених країнах ведуться дослідження з відкриття та розробки нових джерел енергії. Насамперед – це сонячна енергія. З давніх-давен ця енергію використовувалася людьми для освітлення житла, сушіння продуктів, одягу і т. п. Сонячна енергетика сьогодні є одним з найбільш перспективних джерел альтернативної енергії. В даний час вже є досить багато конструкцій, що дозволяють перетворювати енергію сонця на електричну або теплову. Галузь поступово росте та розвивається, але, як і скрізь, є свої проблеми. Про все це мова піде в справжньому матеріалі.

Енергія сонця одна із найдоступніших відновлюваних джерел Землі. Використання сонячної енергії в народному господарстві позитивно впливає на стан навколишнього середовища, оскільки для її отримання не потрібно бурити свердловини або розробляти шахти. До того ж, цей вид енергії вільний і не вартий нічого. Природно, що потрібні витрати на покупку та монтаж обладнання.

Проблема в тому, що сонце – це уривчасте джерело енергії. Так, що потрібно накопичення енергії та використання її у зв'язці з іншими енергетичними джерелами. Основна проблема на сьогоднішній день полягає в тому, що сучасне обладнання має низьку ефективність перетворення енергії сонця на електричну та теплову. Тому всі розробки спрямовані на те, щоб збільшити ККД таких систем та знизити їхню вартість.

До речі, дуже багато ресурсів на планеті є похідними від сонячної енергії.Наприклад, вітер, який є ще одним відновлюваним джерелом, не дув би без сонця. Випаровування води та накопичення її в річках також відбувається під дією сонця. А вода, як відомо, використовується в гідроенергетиці. Біопалива також не було б без сонця. Тому, крім прямого джерела енергії, сонце впливає інші сфери енергетики.

Сонце надсилає до поверхні нашої планети радіацію. З широкого спектру випромінювання поверхні Землі досягають 3 типи хвиль:

• Світлові. У спектрі випромінювання їх приблизно 49 відсотків;
• Інфрачервоні. Їхня частка також 49 відсотків. Завдяки цим хвиль наша планета нагрівається;
• Ультрафіолетові. У спектрі сонячного випромінювання їх приблизно 2 відсотки. Вони невидимі для нашого ока.

Екскурс в історію

Як розвивалася сонячна енергетика донині? Про використання сонця у своїй діяльності людина думала з давніх часів. Всім відома легенда, згідно з якою Архімед спалив флот ворога біля свого міста Сіракузи. Він використовував для цього запальні дзеркала. Кілька тисяч років тому на Близькому сході палаци правителів опалювали водою, що нагрівалася сонцем. У деяких країнах випаровуємо морської водина сонці отримували сіль. Вчені часто проводили досліди з нагрівальними апаратами, що працюють від сонячної енергії.

Перші моделі таких нагрівачів були випущені XVII-XVII століттях. Зокрема, дослідник М. Соссюр представив свою версію водонагрівача. Він є ящиком з дерева, накритий скляною кришкою. Вода в цьому пристрої підігрівалася до 88 градусів за Цельсієм. В 1774 А. Лавуазьє використовував лінзи для концентрації тепла від сонця. Також з'явилися лінзи, що дозволяють локально розплавити чавун за кілька секунд.

Батареї, що перетворюють енергію сонця на механічну, створили французькі вчені. Наприкінці XIX століття дослідник О. Мушо розробив інсолятор, що фокусує промені за допомогою лінзи на паровому казані. Цей котел використовувався для роботи друкарської машини. У той час вдалося створити агрегат, працюючий від сонця, потужністю 15 «коней».

Довгий час інсолятори випускалися за схемою, що використовує енергію сонця для перетворення води на пару. І перетворена енергія використовувалася для будь-якої роботи. Перший пристрій, що перетворює сонячну енергію на електричну, було створено в 1953 році в США. Воно стало прообразом сучасних сонячних батарей. Фотоелектричний ефект, на якому заснована їхня робота, було відкрито ще у 70-ті роки XIX століття.

У тридцяті роки минулого століття академік СРСР А. Ф. Іоффе запропонував використовувати напівпровідникові фотоелементи для перетворення енергії сонця. ККД батарей на той час був меншим за 1%. Пройшло багато років до того, як було розроблено фотоелементи, що мають ККД на рівні 10-15 відсотків. Потім американці збудували сонячні батареї сучасного типу.

Для отримання більшої потужності сонячних системнизький ККД компенсується збільшеною площею фотоелементів. Але це не вихід, оскільки кремнієві напівпровідники у фотоелементах досить дорогі. У разі збільшення ККД зростає вартість матеріалів. Це головна перешкода для масового використання сонячних батарей. Але в міру виснаження ресурсів їх використання буде дедалі вигіднішим. Крім того, дослідження щодо збільшення ККД фотоелементів не припиняються.

Варто сказати, що батареї на основі напівпровідників досить довговічні та не вимагають кваліфікації для догляду за ними. Тому їх найчастіше використовують у побуті. Існують також цілі сонячні електростанції. Як правило, вони створюються в країнах із великою кількістю сонячних днів на рік. Це Ізраїль, Саудівська Аравія, південь США, Індія, Іспанія. Нині є й зовсім фантастичні проекти. Наприклад, сонячні електростанції поза атмосферою. Там сонячне світло ще не втратило енергії. Тобто випромінювання пропонується вловлювати на орбіті і потім переводити в мікрохвилі. Потім у такому вигляді енергія вирушатиме на Землю.

Перетворення сонячної енергії

Насамперед, варто сказати про те, в чому можна висловити та оцінити сонячну енергію.

Як можна оцінити величину сонячної енергії?

Фахівці використовують з оцінки таку величину, як сонячна стала. Вона дорівнює 1367 Вт. Саме стільки енергії сонця посідає квадратний метр планети. В атмосфері губиться приблизно чверть. Максимальне значення на екваторі – 1020 Вт на квадратний метр. З урахуванням дня та ночі, зміни кута падіння променів, цю величину слід зменшити ще втричі.

Версії про джерела сонячної енергії висловлювалися найрізноманітніші. На даний момент фахівці стверджують, що енергії вивільняється внаслідок перетворення чотирьох атомів H2 на ядро ​​He. Процес протікає із виділенням суттєвої кількості енергії. Для порівняння уявіть, що енергія перетворення 1 г H2 можна порівняти з тією, що виділяється при спалюванні 15 тонн вуглеводнів.

Способи перетворення

Оскільки наука на сьогоднішній день не має пристроїв, що працюють на енергії сонця в чистому вигляді, її потрібно перетворити на інший тип. Для цього були створені такі пристрої, як сонячні батареї та колектор. Батареї перетворять сонячну енергію на електричну. А колектор виробляє теплову енергію. Є також моделі, що поєднують ці два види. Вони називаються гібридними.

Основні способи перетворення енергії сонця представлені нижче:

• фотоелектричний;
• геліотермальний;
• термоповітряний;
• сонячні аеростатні електростанції.

Перший спосіб найпоширеніший. Тут використовують фотоелектричні панелі, які під впливом сонця виробляють електричну енергію. Найчастіше їх роблять із кремнію. Товщина таких панелей становить десяті частки міліметра. Такі панелі об'єднуються у фотоелектричні модулі (батареї) та встановлюються на сонці. Найчастіше їх ставлять на дахах будинків. В принципі ніщо не заважає розмістити їх на землі. Потрібно тільки щоб навколо них не було великих предметів, інших будівель і дерев, які можуть відкидати тінь.

Крім фотоелементів, для отримання електричної енергії застосовуються тонкоплівкові або . Їхньою перевагою є мала товщина, а недоліком – знижений ККД. Такі моделі часто використовують у портативних зарядках для різних гаджетів.

Термоповітряний спосіб перетворення передбачає отримання енергії потоку повітря. Цей потік прямує на турбогенератор. В аеростатних електростанціях під дією сонячної енергії в аеростатному балоні генерується водяна пара. Поверхня аеростату покривається спеціальним покриттям, що поглинає сонячні промені. Такі електростанції здатні працювати в похмуру погоду та в темний час доби завдяки запасу пари в аеростаті.

Геліотремальна енергетика заснована на нагріванні поверхні енергоносія у спеціальному колекторі. Наприклад, це може бути нагрівання води для системи опалення будинку. Як теплоносій може використовуватися не лише вода, а й повітря. Він може нагріватися в колекторі та подаватися в систему вентиляції будинку.

Всі ці системи коштують досить дорого, але їхнє освоєння та вдосконалення поступово триває.

Переваги та недоліки сонячної енергії

Переваги

• Безкоштовно. Одна з головних переваг енергії сонця – відсутність плати за неї. Сонячні панелі робляться із застосуванням кремнію, запасів якого досить багато;
• Ні побічної дії. Процес перетворення енергії відбувається без шуму, шкідливих викидів та відходів, впливу на довкілля. Цього не можна сказати про теплову, гідро та атомну енергетику. Усі традиційні джерела тією чи іншою мірою завдають шкоди ОС;
• Безпека та надійність. Устаткування довговічне (служить до 30 років). Після 20-25 років використання фотоелементи видають до 80 відсотків від свого номіналу;
• Рециркуляція. Сонячні панелі повністю переробляються і можуть бути використані у виробництві;
• Простота обслуговування. Обладнання досить просто розгортається та працює в автономному режимі;
• Добре адаптовані для використання у приватних будинках;
• Естетика. Можна встановити на даху чи фасаді будівлі не на шкоду зовнішньому вигляду;
• Добре інтегруються як допоміжні системи енергопостачання.